Дирижабль

Дирижа́бль (от  — «управляемый»Толковый словарь Ушакова Д. Н.), также управля́емый аэроста́т — вид воздушного судна, снабжённого силовой установкой и способного передвигаться в заданном направлении со значительной скоростью в большом диапазоне высот. Как и аэростаты дирижабли относятся к аппаратам легче воздуха — баллон, обычно наполняемый гелием, вытесняет объём воздуха, по весу превышающий совокупный вес дирижабля, что позволяет воздушному судну преодолевать земное притяжение и отрываться от земли.

Корпус дирижабля представляет собой тело удобно обтекаемой формы, объёмом от 2000 до 200 000 м3, снабжённое стабилизаторами, вертикальными и горизонтальными рулями, в составе системы управления ориентацией, обеспечивающей возможность передвигаться в любом направлении независимо от направления воздушных потоков.

На дирижаблях устанавливаются мощные моторы (обычно поршневые), приводящие во вращение воздушные винты, создающие тягу. По конструкции корпуса́ дирижаблей делятся на 3 типа: нежёсткие (мягкие), жёсткие, полужёсткие.

Строившиеся в 1930-х годах жёсткие дирижабли представляли собой гигантские воздушные корабли с дальностью беспосадочного полёта 10 000—15 000 км, с полезной нагрузкой до 90 тонн (полный вес около 200 тонн). По сравнению с самолётами дирижабли обладают преимуществом — возможностью долго оставаться над определённым районом, так как в тихую погоду они могут держаться в воздухе без затраты горючего, остановив двигатели.

Дирижабли целесообразно использовались для дальней разведки над океанами и сопровождения караванов морских судов. Применение дирижаблей в настоящее время весьма ограничено из-за их малой скорости и слабой манёвренности, а также из-за сложности управления ими и эксплуатации их в воздухе и на землеВ. А. Попов Основы авиационной техники. — М.: Оборонгиз, 1947. — С. 6—11.

Устройство и принцип действия

Принцип действия Поскольку дирижабль является летательным аппаратом легче воздуха, то он будет «плавать» в воздухе за счёт выталкивающей (подъёмной) силы в соответствии с законом Архимеда, если его средняя плотность равна или меньше плотности атмосферы. Обычно оболочка классического дирижабля наполняется газом легче воздуха (водородом, гелием), при этом грузоподъёмность дирижабля пропорциональна внутреннему объёму оболочки с учётом массы конструкции.

Устройство В конструкции дирижабля всегда предусмотрена оболочка для размещения газа легче воздуха под давлением. Давление газа внутри оболочки обеспечивает противодействие её смятию давлением внешней атмосферы. На ранних дирижаблях весь газ помещали в оболочке с единым объёмом и простой стенкой из промасленной или лакированной ткани. Впоследствии оболочки стали делать из прорезиненной ткани или других (синтетических) материалов однослойными или многослойными для предотвращения утечек газа и увеличения их срока службы, а объём газа внутри оболочки стали разделять на отсеки — балоны. В настоящее время применение стеклопластика для изготовления оболочки дирижабля считается перспективнымЮ. С. Бойко «Воздухоплавание в изобретениях», 1990 г..

Для компенсации влияния метеоусловий и компенсации уменьшения массы аппарата (за счёт расхода топлива для двигателей) на подъёмную силу дирижабля, а также для обеспечения возможности вертикальной посадки («Aeroscraft» Великобритания), в его состав может быть введена система управления подъёмной силой, в которой может использоваться аэродинамическая подъёмная сила оболочки, возникающая при увеличении угла её атаки, а также путём сжатия атмосферного воздуха закачкой и хранения его в баллонетах внутри оболочки или путём выпуска его из баллонетов. Кроме того, в состав оболочки обязательно включаются газовые (для несущего газа) предохранительные клапаны (для предупреждения разрыва оболочки из-за увеличения растягивающих оболочку сил при увеличении высоты полёта и при увеличении в ней температуры), а также предохранительные воздушные клапаны на воздушных баллонетах. Газовые клапаны открываются только после того, когда полностью опорожнятся воздушные баллонеты. Альтернатива газовым клапанам — система закачки части рабочего газа в металлические баллоны для хранения на борту в сжатом состоянии.

На первых дирижаблях полезный груз, экипаж и силовую установку с запасом топлива помещали в гондоле. Впоследствии двигатели были перенесены в мотогондолы, а для экипажа и пассажиров стала выделяться пассажирская гондола.

Кроме оболочки, гондол и двигателя в конструкции классического дирижабля предусмотрена обычно простейшая гравитационная и аэродинамическая система управления ориентацией и стабилизацией аппарата. Гравитационная система может быть как пассивной, так и активной. Пассивная гравитационная стабилизация осуществляется по тангажу и крену даже при нулевой скорости полёта, если гондола (гондолы) установлена ниже (в нижней части) оболочки (смотрите приведённые в статье фото дирижаблей). При этом, чем больше расстояние между оболочкой и гондолой, тем больше устойчивость аппарата к возмущающим воздействиям. Активная гравитационная стабилизация и ориентация обычно осуществлялась по тангажу путём перемещения вперёд или назад (вдоль продольной оси аппарата) некоторого груза или балласта (причём, чем жёстче конструкция дирижабля, тем управляемость лучше). Аэродинамическая же стабилизация и ориентация аппарата осуществляется по тангажу и курсу (рысканию) при помощи хвостового оперения (аэродинамических стабилизаторов и рулей) только при значительной скорости его полёта. При незначительной скорости полёта эффективность аэродинамических рулей недостаточна для обеспечения хорошей манёвренности аппарата. На современных дирижаблях всё чаще применяется активная автоматическая система ориентации и стабилизации по трём его строительным осям, где в качестве исполнительных органов системы применяются поворотные винтовые движители (в Кардановом подвесе).

Устройства причаливания на первых дирижаблях представляли собой гайдропы — тросы по 228 метров или более длинные, свободно свисающие с оболочки. При снижении дирижабля до нужной высоты многочисленная причальная команда хваталась за эти тросы, притягивая дирижабль к точке посадки. Впоследствии для причаливания дирижаблей стали строить причальные мачты, а сами аппараты снабжать автоматическим причальным узлом.

Типы дирижаблей Дирижабли, изготавливаемые и эксплуатируемые в разные времена и до настоящего времени, различаются по следующим типам, назначению и способам. По типу оболочки: мягкие, полужёсткие, жёсткие. По типу силовой установки: с паровой машиной, с бензиновым двигателем, с электродвигателем, с дизелями, с газотурбинным. В конце 1950-х - начале 1960-х гг. в СССР и США рассматривались перспективы использования на дирижаблях ядерной силовой установки, данная идея до сих пор периодически обсуждается в литературе. По типу двигателя: крыльевые, с воздушным винтом, с импеллером, турбореактивные (в настоящее время практически всегда двухконтурные). По назначению: пассажирские, грузовые, и специальные (в частности военные). По способу создания архимедовой силы: наполнением оболочки газом легче воздуха, подогревом воздуха в оболочке (термодирижабли и термопланы), вакуумированием оболочки, комбинированные. По способу управления подъёмной силой: стравливание подъёмного газа, управление температурой подъёмного газа, закачка/стравливание балластного воздуха, сжатие и закачка подъёмного газа в металлические баллоны/стравливание подъёмного газа из металлических баллонов в рабочие балонеты, изменяемый вектор тяги силовой установки, аэродинамический.

Двигатели

Самые первые дирижабли приводились в движение паровым двигателем или мускульной силой. В 1880-х годах были впервые применены тяговые электродвигатели. С 1890-х стали широко применяться двигатели внутреннего сгорания. На протяжении XX века дирижабли оснащались практически исключительно ДВС — авиационными и, значительно реже, дизельными (на некоторых цеппелинах и некоторых современных дирижаблях). В качестве движителей в этих случаях используются воздушные винты. Стоит также отметить крайне редкие случаи применения турбовинтовых двигателей — в дирижабле GZ-22 «The Spirit of Akron» и советском проекте «Д-1». В основном подобные системы, равно как и турбореактивные, остаются лишь на бумаге. В теории, в зависимости от конструкции, часть энергии подобного двигателя может быть использована для создания реактивной тяги.

Полёт В полёте классический дирижабль обычно управляется одним или двумя пилотами, причём первый пилот в основном поддерживает заданный курс аппарата, а второй пилот непрерывно следит за изменениями угла тангажа аппарата и вручную с помощью штурвала либо стабилизирует его положение, либо изменяет угол тангажа по команде командира. Набор высоты и снижение производят, наклоняя дирижабль рулями высоты или поворотом мотогондол — движители тогда тянут его вверх или вниз.

Причаливание

В отличие от современных, крупные классические дирижабли 1930‑х гг. практически не были приспособлены к посадке на не оборудованную площадку, как это может сделать, например, вертолёт. Данные эксплуатационные ограничения вызваны несоизмеримостью управляющих воздействий и ветровых возмущений, то есть из-за недостаточной манёвренности (См. раздел «Устройство»).

С вершины причальной мачты сбрасывали гайдроп, который прокладывали по земле по ветру. Дирижабль подходил к мачте с подветренной стороны, и с его носа также сбрасывали гайдроп. Люди на земле связывали эти два гайдропа, и затем лебёдкой дирижабль подтягивали к мачте — его нос фиксировался в стыковочном гнезде. Причаленный дирижабль может свободно вращаться вокруг мачты, как флюгер.

При взаимодействии дирижаблей с флотом использовались специальные авианосцы, оборудованные причальными мачтами.

Типы

По конструкции Конструктивно дирижабли разделены на три основные типа: мягкие, полужёсткие и жёсткие.

Мягкий и полужёсткий типы

В дирижаблях мягкого и полужёсткого типа оболочка для несущего газа мягкая, которая приобретает требуемую форму и относительную жёсткость только после закачки в неё несущего газа под определённым давлением. Дирижабли полужёсткого типа отличаются наличием в нижней (как правило) части оболочки металлической (в большинстве случаев на всю длину оболочки) килевой фермы. (Наиболее известные полужёсткие дирижабли: «Италия», «Норвегия».) Килевая ферма состояла из стальных шпангоутов треугольной формы, соединённых стальными же продольными стрингерами. Спереди к килевой ферме было прикреплено носовое усиление, представлявшее собой стальные трубчатые фермы, скреплённые поперечными кольцами, а сзади — кормовое развитие. К килевой ферме снизу подвешены гондолы: в одной располагались рубка управления и пассажирские помещения, в трёх мотогондолах — двигатели. В дирижаблях мягкого типа неизменяемость внешней формы достигается избыточным давлением несущего газа, постоянно поддерживаемым баллонетами — мягкими ёмкостями, расположенными внутри оболочки, в которые нагнетается воздух. В дирижаблях полужёсткого типа (кроме избыточного давления несущего газа) дополнительную жёсткость оболочке придаёт килевая ферма.

Циолковский писал:

Жёсткий тип

В жёстких дирижаблях неизменяемость внешней формы обеспечивалась металлическим (реже — деревянным) каркасом, обтянутым тканью, а газ находился внутри жёсткого каркаса в мешках (баллонах) из газонепроницаемой материи («Гинденбург»). Жёсткие дирижабли имели ряд недостатков, вытекавших из особенностей их конструкции: например, посадка на неподготовленную площадку без помощи с земли была чрезвычайно трудна, и стоянка жёсткого дирижабля на подобной площадке, как правило, заканчивалась аварией, так как хрупкий каркас при более-менее сильном ветре неминуемо разрушался, ремонт каркаса и замена его отдельных частей требовали значительного времени и опытного персонала, поэтому стоимость жёстких дирижаблей была очень высока.