Конструкция и принцип работы дирижабля

Дирижабль является летательным аппаратом легче воздуха. Таким образом, он «плавает» в воздухе за счет архимедовых сил. Оболочка дирижабля наполнена газом легче воздуха. Грузоподъемность дирижабля зависит только от объема оболочки.

Дирижабль любого типа всегда содержит устройство для размещения подъемного газа. Ранние дирижабли весь газ «хранили» в оболочке с единым объёмом и простой стенкой из промасленной или пролакированной ткани. Впоследствии, для увеличения срока службы оболочки, предотвращения утечек газа, оболочки стали делать многослойными, а объем газа внутри разделять на отсеки — баллонеты.

Первые дирижабли полезный груз, экипаж и силовую установку с запасом топлива содержали в гондоле. Впоследствии двигатели были перенесены в мотогондолы, а для экипажа и пассажиров стала выделяться пассажирская гондола.

Устройства причаливания на первых аппаратах представляли гайдропы — тросы по 100 или больше метров длинной, свободно свисающие с оболочки. При снижении 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.

Дирижабли класифицируются:

 

- По типу оболочки: мягкие, полужесткие, жесткие.

- По типу силовой установки: с паровой машиной, с бензиновым двигателем, с электродвигателем, с дизелями, с газотурбинным двигателем.

-По типу движителя: крыльевые, с воздушным винтом, с импеллером, реактивные/

- По назначению: пассажирские, грузовые, военные.

- По способу создания архимедовой силы: вытеснительные, термодирижабли, комбинированные.

    - По способу управления подъемной силой: стравливание подъемного газа, закачка балластного воздуха, сброс балластного груза, изменяемый вектор тяги силовой установки, аэродинамический.

Самые первые дирижабли приводились в движение паровым двигателем или мускульной силой, в 1880-х годах были применены электродвигатели, c 1890-х стали широко применяться двигатели внутреннего сгорания. На протяжении XX века дирижабли оснащались практически исключительно ДВС — авиационными и, значительно реже, дизельными. В качестве движителей 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 реактивные, остаются лишь на бумаге. В теории, в зависимости от конструкции, часть энергии подобного двигателя может быть использована для создания реактивной тяги.

Набор высоты и снижение производят, наклоняя дирижабль рулями высоты — двигатели тогда тянут его вверх или вниз. Сбрасывание балласта и выпуск газа в полёте производят редко: например, выпускают газ при выработке топлива. Из-за этой особенности стрелки на кайзеровских «цеппелинах» должны были получить разрешение командира на стрельбу из станковых пулемётов, чтобы ненароком не воспламенить выпущенный водород.

При причаливании дирижабля, находящиеся на земле люди, подбирали сброшенные с разных точек дирижабля канаты и привязывали их к подходящим наземным объектам.

Часто думают, что дирижабль 1930‑х гг. мог приземляться вертикально, как вертолёт — в действительности же это осуществимо только при полном отсутствии ветра. В реальных условиях для посадки дирижабля требуется, чтобы находящиеся на земле люди подобрали сброшенные с разных точек дирижабля канаты и привязали их к подходящим наземным объектам; затем дирижабль можно подтянуть к земле. Наиболее же удобный и безопасный способ посадки — причаливание к специальным мачтам.

С вершины причальной мачты сбрасывали канат, который прокладывали по земле по ветру. Дирижабль подходил к мачте с подветренной стороны, и с его носа также сбрасывали канат. Люди на земле связывали эти два каната, и затем лебёдкой дирижабль подтягивали к мачте — его нос фиксировался в стыковочном гнезде. Причаленный дирижабль может свободно вращаться вокруг мачты, как флюгер. Стыковочный узел мог двигаться по мачте вверх-вниз — это позволяло опустить дирижабль ближе к земле для погрузки/разгрузки и посадки/высадки пассажиров.

Чтобы завести дирижабль в ангар при сильном ветре, требовались усилия до 200 человек. [5]

 

Рис. 3. Причаливание дирижабля [5]

Сила Архимеда - один из законов статики жидкостей (гидростатики) и газов (аэростатики): 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. Закон открыт Архимедом в III веке до н. э. Выталкивающая сила также называется архимедовой или гидростатической подъёмной силой

Выталкивающая или подъёмная сила по направлению противоположна силе тяжести, прикладывается к центру тяжести объёма, вытесняемого телом из жидкости или газа.

Если тело плавает или равномерно движется вверх или вниз, то выталкивающая или подъёмная сила по модулю равна силе тяжести, действующей на вытесненный телом объём жидкости или газа [6].

Полная аэростатическая подъемная сила аэростата (F_A) определяется по формуле

где  и  - плотность атмосферного возду­ха и газа, наполняющего аэростат,  - уско­рение свободного падения; V - объем обо­лочки аэростата;  и  - вес воздуха, вы­тесняемого аэростатом, и газа, наполняю­щего аэростат.

Для уравновешивания аэростата не­обходимо, чтобы полная аэростатическая подъемная сила была равна сум­марному весу конструкции аэростата и грузов , поднимаемых на нем:

Если , то аэростат под­нимается, если , - снижа­ется.

Разница между полной аэростати­ческой подъемной силой и весом кон­струкции аэростата называется свобод­ной подъемной силой :

Разница между свободной подъем­ной силой и весом грузов, поднимае­мых на аэростате, называется сплавной

Сплавная сила является той движу­щей силой, которая обусловливает подъем (спуск) снаряженного аэростата. Поэтому для управления аэростатом в вертикальном направлении необходи­мо изменять его сплавную силу сбро­сом балласта или выпуском из оболоч­ки части газа.

Способ управление дирижаблем включает управление двигателями, контроль параметров движения дирижабля из центров управления в носовой и кормовой частях, которые выполнены с возможностью изменения функций и прикреплены снизу к оболочке дирижабля в вертикальной или горизонтальной плоскости. Обратимый дирижабль имеет жесткую оболочку в форме эллипсоида с несущим газом, двигатели с винтовыми движителями, идентичные гондолы с главным и резервным центрами управления соответственно в носовой и кормовой частях дирижабля, которые прикреплены снизу к оболочке и выполнены с возможностью обмена функций. Дирижабль снабжен неподвижными крестообразными кронштейнами на окончаниях носовой и кормовой частей, имеет реверсивные двигатели с винтовыми движителями, которые установлены на перекладинах упомянутых кронштейнов.

Системы управления подъемной силой. Влияние метеоусловий на подъемную силу дирижабля в полете можно в определенных пределах компенсиро­вать динамической подъемной силой корпуса дирижабля. Например, при увеличении угла атаки дирижабля "Граф Цеппелин" на 4,5° (с помощью рулей высоты) приращение подъемной силы составляло 7 т*с, при этом уменьшения скорости не наблюдалось [13].

Однако динамическая подъемная сила изменяется пропорционально квадрату линейных размеров дирижаб­ля, а масса и статическая подъемная сила — пропорционально кубу линей­ных размеров. Поэтому по мере увели­чения объема дирижабля использова­ние динамической силы для восстанов­ления статического равновесия ста­новится все более трудным при усло­вии, что скорость полета остается по­стоянной.

Значительно сложнее компенсиро­вать уменьшение полетной массы ди­рижабля вследствие расхода топлива. Для сохранения постоянной высоты полета необходимо было выпускать в атмосферу определенное количество несущего газа. Это удорожало эксплуа­тацию и в ряде случаев ограничивало применение дирижаблей в районах, где не было возможности пополнить газо­вые емкости дирижабля несущим газом [13].

Другим принципом управления аэростатической подъемной силой является создание пневмодирижабля, в котором осуществляется изменение объема несущего газа при постоянстве его массы. Небольшое избыточное дав­ление несущего газа всегда использова­лось в мягких и полужестких дирижаб­лях для поддержания их аэродинами­ческих форм. Принципиальная особенность пневмодирижабля в том, что из­быточное давление в его оболочке до­стигает 10 кПа, в результате чего тре­буется оболочка высокой прочности [13].

Выводы

Дирижабли одни из первых летательных аппаратов, однако, ряд катастроф, связанных с возгоранием газов, заполняющих дирижабль, привели к прекращению их полётов. Поэтому для наполнения оболочки дирижабля безопасно использовать инертный газ гелий.

Существуют три типа конструкции оболочек дирижаблей: жёсткая, полужёсткая и мягкая. Мягкие дирижабли просты в изго­товлении, имеют хорошую массовую отдачу (отношение массы полезной на­грузки к взлетной массе), транспорта­бельны в невыполненном виде.

 Изменение высоты полёта дирижабля является сложной задачей и чаще всего её решение связано с изменением его веса, в некоторых случаях с изменением объёма. Наиболее привлекательным, кажется, изменение подъёмной силы с помощью дополнительного небольшого винта, позволяющего управлять дирижаблем в вертикальной плоскости.