ФГБОУ "Башкирский кадетский корпус Приволжского федерального округа имени Героя России А.В.Доставалова"
Выполнил: Мулюков Марат, кадет 9а класса БКК ПФО
Научный руководитель: к.и.н. Бабушкин Андрей Юрьевич

Дирижабль - птица будущего

Иллюстрации на сайт участником не закачаны. Отображение не гарантируется. (Прим. Модератора)

Содержание

Введение
1. Принцип работы дирижабля
2. Сравнение дирижабля и самолета
3.Наиболее перспективные проекты дирижаблей
Заключение

Введение

Огромное нечто плывущее в облаках. Именно так выглядели первые дирижабли, которые бороздили небо 20 века. Одна из самых счастливых «LZ 127 граф Цеппелин».  Его создали в германии в 1928 году, и он во многом был пионером среди дирижаблей. Его грузоподъёмность удивляла, он мог поднять на борт до 70т груза. Золотой век дирижаблей начался в 1930-х годах. Перед человечеством встало два пути, аэростаты или техника тяжелея воздуха с несущими плоскостями. Сначала выбрали путь аэростатов, так как он выглядел более привлекательным. Практически все страны имели дирижабли и для военных целей и для гражданских нужд. Но одно пришествие заставило людей изменить их выбор.

В связи с тем, что в условиях повышения цен на авиатопливо полёты на традиционных видах транспорта требуют больших капиталовложений, идея более экономичного и грузоподъёмного транспорта, такого, как дирижабль, является весьма своевременной и актуальной.

Я считаю, что сейчас благодаря новым технологиям такие катастрофы можно избежать и использование дирижаблей будет выгодным для людей.

Во время своей работы я поставил перед собой цель: узнать в каких отраслях можно использовать дирижабль в XXI веке. Для её осуществления я поставил перед собой ряд задач:

1. узнать принцип работы дирижабля
2. сравнить дирижабли с самолетами  
3. выявить наиболее удачные конструкции дирижабля
4. узнать, как можно использовать дирижабль в 21 веке.

А) гибридные дирижабли  

Для достижения поставленной цели мне потребовалось исследовать обширную источниковую базу. В книге М.Алексеева « Летательные аппараты нетрадиционных схем» я узнал про зарождение дирижаблестроения. П.Дузь на основе огромного фактического материала описал различные проекты дирижаблей[1].

В пособии «Развитие авиационной техники в СССР» проводятся интересные сравнения самолётов и дирижаблей и указывается на совершенство последних[2]. Ионов в своём труде описал возможности боевого применения дирижаблей[3].

Помимо этого, для поиска информации я широко использовал ресурсы сети интернет и периодическую печать.

Объектом моего исследования стал дирижабль, а предметом:

1. Деятельность отдельных учёных и авиаконструкторских бюро, нацеленная на создание дирижабля.
2. Конструкционные особенности дирижаблей.
3. Гибридные модели дирижаблей.

Хронологические рамки моего исследования охватывают период с 1670 года по 2019 год. Территориальные рамки исследования охватывают территорию СССР, США, Германии, в которых проходили разработки и испытания самолётов вертикального взлёта.

Методологической основой моего исследования являются сравнительный, системный, проблемно-хронологический методы исследования. Названные методы позволили мне широко и всесторонне изучить исследуемую тематику.

Гипотеза моей работы состоит в том, что не все возможности дирижабля были использованы человечеством. И хотя полностью заменить самолёт на данном этапе научно-технического развития невозможно, для отдельных задач использование дирижабля, самого, на мой взгляд, недооценённого авиатранспортного средства, вполне возможно. Я считаю, что дирижабль - птица будущего.

Научная новизна моего исследования заключается в попытке наиболее полного и комплексного описания проектов дирижаблей со всеми их преимуществами и недостатками, а также в попытке доказать их практическую значимость в XXI веке.

Апробация результатов исследования была проведена мной на уроках истории и физики, научно-исследовательском семинаре кадет Башкирского кадетского корпуса, а также на муниципальном и региональном этапах Международной Олимпиады по истории авиации и воздухоплавания имени А.Ф.Можайского.

1. Принцип работы дирижабля

Когда я употребил слово «летательный аппарат», наверняка все представили огромный балласт, движущийся по небу. Но что на самом деле означает термин дирижабль.

Дирижабль - это управляемый аэростат.

Аэростат - это тело в основе подъёмной силы которой лежит закон (сила) Архимеда.

Закон Архимеда в свою очередь звучит так - на тело, погружённое в жидкость или газ, действует выталкивающая или подъёмная сила, равная весу объёма жидкости или газа, вытесненного частью тела, погружённой в жидкость или газ.

Формула силы Архимеда выглядит так:

Где:

F = сила Архимеда;
p = плотность жидкости или газа в котором находится тело;
g = ускорение свободного падения;
V = объём находящегося в жидкости или газе объекта

Получается если наполнить емкость газом легче воздуха, то можно получить огромный корабль который плавает по воздуху а не воде. Такая была суть любого аэростата. Понятно что есть и противодействующая сила которая направлена противоположно силе Архимеда, это сила тяжести самого аэростата. в таком случае формула существования аэростата будет выглядеть вот так «mg+m1g1=pgV».  Где «mg»  сила тяжести самого аэростата, а «m1g1» сила тяжести груза на нем.  Но это формула аэростата, а нам нужен дирижабль. Главное различие дирижабля от аэростата это управляемость и по горизонтали и вертикали. значит нужна сумма сил направленная против силы тяжести. Формула будет выглядеть так «mg+m1 g1-pgV=ma», где «ma» результирующая сила, позволяющая подниматься и опускаться дирижаблю.

На деле конструкция дирижабля выглядит гораздо сложнее. Конечно для слежения за положением дирижабля и предотвращения кренов и заваливаний на бок в воздухе, предусмотрена специальная система ориентации и стабилизации аппарата[4].

2. Сравнение дирижабля и самолета

Для того чтобы в 21 веке использовать  дирижабль нужно создать аэростат, который будет превосходить самолеты. Для этого нужно разобраться с различиями дирижабля и самолета. Для этого нужно разобраться в понятии самолет:

Самолёт - воздушное судно тяжелее воздуха, предназначенное для полётов в атмосфере с помощью силовой установки, создающей тягу, и неподвижного относительно других частей аппарата крыла, создающего подъёмную силу

Получатся что главное различие самолета от дирижабля состоит в том, что самолет для полета использует аэродинамические свойства крыла, а аэростаты, аэростатический способ создания подъёмной силы. Что это значит? Чтоб разобраться в этом, нужно подробнее изучить крыло и его свойства.

Во-первых, самолет является не очень безопасной техникой в случае нештатной ситуации. При ошибке пилота самолет может ввестись в штопор, при малой высоте это будет смертельной ошибкой для пилота. Также в случае серьезной поломки в воздухе, самолет разбивается об землю слово тарелка выпавшая из рук. При этом шанс остаться в живых у людей находящихся внутри близится к нулю. Но нештатные ситуации чаще всего происходят из-за человеческого фактора, и их можно избежать.

Но на против самолета стоит дирижабль, который является очень безопасным по сравнению с любым транспортом. В случае нештатной ситуации, например разрыва баллона, газ находящийся внутри будет выходить равномерно, что позволит дирижаблю мягко сесть на любой поверхности. В случае ошибки пилота дирижабль не войдет в штопор и не разобьется об землю, он просто исправит маршрут и полетит дальше.

Во-вторых, топливо самолета не бесконечно. любой аппарат может взять на борт ограниченное количество авио керосина, заполняя баки полностью увеличивается масса самолета и его инертность при любом повороте и маневре,  заполняя не до конца жертвуешь драгоценным временем полета. Не говоря уже про экономические расходы во время полета. Сейчас средний расход «Boeing 737» составляет 2600 литров аэро керосина за час работы двигателя, и это при обычной крейсерской скорости. При этом одновременно находится в самолете может только 106 человек, при этом цена аэро керосина составляет 60 рублей за литр. Получается что за час работы  «Boeing 737» сгорает 156 000 рублей, таким образом цена за семи часовой полет будет представлять более миллиона рублей.

На против стоит дирижабль расход которого будет гораздо меньше так как, он может зависать в воздухе без траты энергии на очень долгое время.

В-третьих, самолеты нуждаются в больших взлетных полосах и аэродромах. Дирижабль может зависнуть в воздухе, принять груз и людей даже не опускаясь на землю.

Но и дирижабль далеко не идеален:

Во-первых по сравнению с «Boeing 737», дирижабль с такой же грузоподъёмностью будет гораздо крупнее в размерах.

Во-вторых с экономической точки зрения дирижабль может быть более затратным чем самолет. Так как, дирижабль наполняется гелием который сверхтекуч и может вытечь через одно маленькое отверстие. Также из-за диффузии аэростат в любом случае после полета придётся дозаправить очень дорогим гелием.

Получается, что чем полностью заменить одно на другое, лучше использовать оба вида транспорта, а также можно сложить основные плюсы обоих аппаратов.

3. Наиболее перспективные проекты дирижаблей

Как я говорил выше, при создании дирижабля можно использовать и некоторые разработки самолетов и вертолетов. Такие аэростаты называются гибридными, они немного тяжелее воздуха, и способ создания подъёмной силы является аэростатический и аэродинамический вместе. Гибридным дирижаблем можно назвать аэростат который берет 40% подъёмной силы от двигателей.

Самым интересным гибридным аэростатом можно назвать дирижабль филимонова. Он запатентовал аппарат, который представлял собой летающее крыло гибридного вида, основной частью которого является центроплан дискообразной формы. Основной частью центроплана является подъёмный механизм основанный на аэрдинамической силе. Шасси представляют собой гибридную конструкцию с лыжами, шасси и подушкой как у СВП. Филимоненко хотел сделать универсальный транспорт который сможет комбинировать все плюсы техники разных видов и классов, но его дирижабль имел множество минусов. Он не мог подниматься вертикально вверх как обычный дирижабль, висеть в воздухе без затраты энергии. Поэтому проект остался без внимания и спонсирования. Если усовершенствовать проект Филимоненко то можно получить очень полезный аппарат который сможет конкурировать в небе с самолетами.

Другим примером гибридного аэростата может послужить  PA-97 Helistat.

Идея дирижабля Пясецкого заключалась в том чтоб уменьшить нагрузку на двигатели, путем применения аэростатической подъёмной силы. Сам аэростат представлял собой оболочку от военного дирижабля ВМС ZPG-2W. Также использовались четыре двигателя от вертолета H-34J. Сам дирижабль был создан для лесной службы. Концепция была очень интересной, но все делалось «скорую руку», и на выходе получилось ожидаемое. Двигатели с оболочкой соединялись при помощи грубо сделанного каркаса, для передвижения по земле использовались тележки. При испытаниях в 1986 году дирижабль потерпел крушение. Уже при взлёте что-то пошло не так, порыв ветра вызвал неизбежную вибрацию корпуса, что вызвало так называемый наземный резонанс. Вибрации было достаточно чтоб разорвать никудышную конструкцию и разбалансировать её. Четыре  двигателя вращались отдельно друг от друга, рвали оболочку дирижабля и разрушали всю конструкцию. под обломками дирижабля погиб один из четырех пилотов.

Так люди отказались от возможно самой интересной конструкции дирижабля 20 века.

Заключение

В заключении хотелось бы сказать о применении дирижаблей в 21 веке. При улучшении характеристик нынешних дирижаблей, использований новых систем безопасности, лучшего исследования возможностей гибридных концепций аэростата, можно получить от них многое. Круизные полеты от одной точки мира в другую, можно производить высотную съёмку с меньшим энергопотреблением, стратосферные дирижабли могут заменить другие спутники, при этом находясь ближе к земле,  использование с военной точки зрения дирижаблей довольно эффективно, так как, дирижабли могут быть огромными авианосцами прямо в небе, производить бомбардировку, десант, фоторазведку, использование аэростатов как заслонов для истребителей и штурмовиков, военные базы прямо в небе для слежения за континентальными баллистическими ракетами и подлодками противника, и многое другое. Я с уверенностью могу сказать что дирижабль – это птица будущего.

Приложение 1

Модель гибридного дирижабля «pigeon-1»

Я разработал проект перспективного гибридного дирижабля, которой можно будет использовать в нынешнее время. «pigeon-1» , так я назвал свою разработку, сможет заменить квадрокоптеры и использоваться для воздушный видиосъемки и фотосъемки.

Конструкция дирижабля достаточно проста, взглянем на чертеж. (Под цифрой 3 обозначены) две оболочки дирижабля заполненные гелием. Они служат для создания подъемной силы. Рассчитать их можно по формуле Архимеда. Aарх=ρgV (где ρ-плотность тела, g - ускорение свободного падения, V- объем тела). Для этого нужно узнать примерный вес аппаратуры. (Под цифрой 2 обозначены) четыре безколлекторных двигателя  DYS Sunfun 2207 каждый весом 36 грамм, соответственно вес двигателей 144 грамма. Для управления дроном будет использоваться плата HW-COMBO-20A-4in1-F4-Nano. Данная плата оснащена всеми необходимыми системами ( гироскопом, акселерометром и др), через микроконтроллеры на прямую можно припаять к двигателям. Вес схемы составляет всего шесть грамм. Также для питания схемы используется аккумулятор  Syma BM-F30-2202. Данная батарея емкостью в 2200 миллиампер в  час, и напряжением в 7,4 вольт весит 146 грамм. На контролере можно подобрать нужное напряжение. Схема и батарея будет находится в мотогандоле (обозначенной на чертеже под цифрой 1). также на рубке будет установлена камера и привод для нее (цифра 4), крепление будет универсальным, но ориентироваться на камеру GoPro HD Hero2.

Вес данной аппаратуры составляет 200 грамм. Получается что общий вес конструкции составляет 466 граммов. Отсюда можно рассчитать объём оболочки дирижабля с помощью формулы V=mρ , мы получаем значение равное 0.6 кубометрам гелия. Теперь стоит рассчитать все показатели оболочки с таким объёмом, для этого воспользуемся расчетом объема эллипса. V=4/3 πabc,получается что радиус a=300 мм,радиус b=300 мм и радиус c.  1200 мм.  используя две оболочки с данными размерами можно получить объем равный 0.7 кубометра гелия, таких показателей хватит для подъёма данного дирижабля, но сделает невозможным его использование в здании. Рубку дирижабля напечатаю не 3D принтере из ABF пластика, он достаточно легкий и крепкий и хорошо подойдет для дирижабля.

Два двигателя с воздушными винтами я прикреплю непосредственно к оболочке дирижабля вертикально,  для того чтоб избежать вибрации, придется сделать специальные прокладки из пенопласта.  Данные моторы будут использоваться для подъёма дирижабля по вертикали. также на рубке будут установлены еще два мотора, для управления дирижаблем по горизонтали, для поворотов будет использоваться принцип гусеничного хода, то есть двигатели смогут работать отдельно друг от друга, и для поворот один двигатель будет вращаться в перед, а у другого включаться реверс. Также для того чтоб избежать долгой остановки, придется использовать специальный контролер, который будет рассчитывать противодействующую силу для остановки дирижабля. Программировать всю систему буду с помощью BetaFlght. Также в мотогондолу будет помещена остальная электроника, гироскоп для камеры, GPS модуль, основные системы для управления данным беспилотником, передатчик и приемник.

Удобство данной системы заключается в меньшем потреблении энергии. в отличии от квадрокоптера «pigeon-1» сможет долго зависать в воздухе без потери энергии, его можно будет использовать для патрулирования местности, фото и видиосъемки. При желании можно будет установить манипулятор для передвижения небольшого веса. Данный дирижабль может использоваться сотрудниками правоохранительных органов, например для видеосъемки отдельных частей шоссе, для выявления нарушений ПДД.

[1] П. Д. Дузь. История воздухоплавания и авиации в России, Изд: М Машиностроение, 1981
[2] Развитие авиационной науки и техники в СССР. Москва. 1980
[3] Ионов П.И. Дирижабли и их военное применение. Государственное военное издательство. 1993г.
[4] Бауэрс, П. Летательные аппараты нетрадиционных схем / П. Бауэрс; Пер. с англ. Б. Б. Рыбака; Под ред. Е. В. Зябрева. - М. : Мир, 1991. - 320
[5] Познавательный Журнал «Мир Техники» для детей. Главный редактор - Виктор Бакурский. № 8. 2009 год
[6] Полозов, Н. П. Воздухоплавание  / Н. П Полозов и М. А. Сорокин. - Москва : Воениздат, 1940. С.233-238