При оборудовании новых месторождений необходимо доставлять крупногабаритные конструкции и при этом наносить минимальный вред природе (к сожалению, сейчас большие прилегающие площади катастрофически повреждаются). Транспортная сеть Севера и Востока России крайне редкая. Без кардинального преобразования ее нет перспектив развития этих районов. Ситуация осложняется экологической ранимостью этих районов. Поврежденные участки тундры и тайги восстанавливаются много десятилетий. К тому же постройка дорог, причалов, аэродромов в районах вечной мерзлоты, необозримых болот в условиях часто крайне неблагоприятного климата требует непомерных финансовых затрат. Также в связи с развитием Северного морского пути весьма актуальна задача связать его транспортными коридорами с БАМом и построить промежуточные морские порты без нарушения экологии. Поэтому развитие экономичного транспорта, в особенности для дальних расстояний и больших грузов, является актуальной проблемой.
Таким условиям в наибольшей степени соответствуют новые типы дирижаблей [1] (вертолеты имеют низкие экономичность, максимальную дальность и грузоподъемность). Преимуществах дирижаблей давно известны. Однако реализация проектов тормозится рядом существенных недостатков существующих дирижаблей. Основными из них являются следующие:
- плохая маневренность из-за незначительных возможностей изменения плавучести и вертикальных сил, что особенно сказывается при посадке. Зависание в воздухе и разгрузка без приземления фактически возможны только при слабом ветре;
- необходимость циклопических эллингов для сохранения дирижаблей на стоянках при сильных ветрах вследствие большой парусности, заправочных топливных систем, комплексов газового оборудования, причальных подвижных мачт на базе грузовых автомобилей и подготовленных площадок для их передвижения, квалифицированных обслуживающих команд;
- в отличие от вертолетов, посадка крупнотоннажных дирижаблей невозможна на неподготовленную площадку, несущественно превышающую размеры аэростата;
- недостаточный срок эксплуатации оболочек, со временем пропускающих весьма дорогой гелий.
Первые три недостатка требуют сооружения на местах весьма дорогих, занимающих большие площади дирижабледромов, на которых при погрузке и разгрузке выполняются сложные операции с балластом, в качестве которого используется большое количество воды. Это же нарушает экологическое состояние занимаемых площадей.
В эксплуатирующихся дирижаблях вертикальные перемещения обеспечиваются вертикальным положением винтов и изменением давления в воздушных баллонетах, занимающих до 25 % объема дирижабля и сжимающих баллоны с подъемным газом (гелием) с помощью специального компрессора. Замедленная реакция на эти воздействия совершенно недостаточна, в особенности при посадке.
Последние технические достижения в области теплоизоляций позволяют использовать новые способы повышения и регулирования плавучести. Были разработаны и появились в продаже весьма эффективные гибкие легкие теплоизоляции [2–4]. Недавно на основе графена в Чжэцзянском университете (Ханчжоу, Китай) получена эластичная теплоизоляция – аэрогель даже легче воздуха за счет вакуумирования или заполнения пространства между твердыми пленками газом, легче воздуха. Это позволяет вернуться к использованию в качестве подъемного газа водяного пара, с неудачи использования которого начиналось воздухоплавание. Подъемная сила водяного пара при температуре 110 °С лишь в полтора раза меньше, чем гелия, и в несколько раз выше, чем теплого воздуха. Это дешевое, широко распространенное рабочее тело. Но во избежание конденсации при наземном атмосферном давлении необходимо поддерживать его температуру выше 100 °С. При отсутствии необходимой легкой теплоизоляции это требует больших энергетических затрат. Но эта же особенность позволяет легко и быстро (почти на три порядка!) изменять удельный объем газа и тем самым – плавучесть аппарата, использующего этот эффект.
Это определяет принципиальные конструктивные особенности таких дирижаблей. Использование этих свойств наиболее эффективно с увеличением габаритов и грузоподъемности аппарата, так как подъемная сила увеличивается пропорционально кубу линейного размера, а наружная поверхность и соответственно теплоотдача пропорционально квадрату размера.
Такой дирижабль должен включать емкости-баллоны почти постоянного объема с подъемным легким газом (гелием), воспринимающие основную часть веса груза, и отсеки с баллонами переменного объема с водяным паром, покрытые эффективной гибкой теплоизоляцией, включающие электрические (возможно, и плазменные) и теплообменные нагреватели, водяные форсунки, клапаны для заправки и выпуска пара, впуска воздуха.
Так как во многих странах запрещено использование чистого водорода в аэростатах, то в качестве подъемного газа вместо дорогого гелия можно использовать изобретенный учеником академика Н.Н. Семенова водород с добавкой ингибиторов [5]. Ингибиторы (например, пропилен и др.) обрывают цепные реакции и предотвращают взрыв и аварийное возгорание водорода в воздухе. В Хабаровске в специализированной лаборатории интеллектуального природопользования уже применили ингибированный водород в подъемных аэростатах для трелевки леса. Несмотря на современные достижения в повышении непроницаемости материалов, все же водород и гелий со временем протекают через оболочку. Компенсировать утечку водорода можно на месте с помощью давно известных недорогих генераторов водорода. Производство же дорогого и дефицитного гелия на месте невозможно.
Выхлопные газы двигателей приводов винтов современных дирижаблей существенно загрязняют атмосферу. Экологичное будущее связано с водородной энергетикой. Поэтому целесообразны электроприводы винтов, а для питания их нужно использовать водородные топливные элементы, которые также питают нагревательные элементы и системы управления [6] (см. ниже). Такое сочетание обеспечивает существенно более высокий термодинамический КПД (до 60 %!), чем двигатели внутреннего сгорания. Надо отметить, что именно водородные топливные элементы являются наиболее разработанными к настоящему времени. Высококачественные легкие водородные топливные элементы, выдерживающие низкие температуры, а также и электродвигатели были разработаны для авиации Центральным институтом авиационного моторостроения совместно с Институтом проблем химической физики. Впрочем, пока нет готовых мощных топливных элементов, временно можно использовать компактные водородные дизели с электрогенератором. Однако при сжигании водорода в дизеле при высокой температуре помимо пара образуются вредные окислы азота NOx. Следует также учитывать существенно более высокую теплотворную способность водорода, чем самых лучших углеводородных топлив. Электропривод также позволяет экономично разделить суммарную мощность на большее количество винтов, что целесообразно в ряде случаев, в частности создавая повышенное (или пониженное) давление под брюхом аэростата, в особенности используя экранный эффект вблизи земли. Выхлопным газом является экологичный водяной пар, часть которого можно использовать в системе изменения плавучести (см. ниже). Если в современных дирижаблях сжигание топлива снижает общий вес аппарата, то при образовании воды в топливном элементе на каждые два атома водорода забирается из атмосферы в восемь раз более тяжелые атомы кислорода. Поэтому отходы топливного элемента – вода – во много раз тяжелее используемого топлива (водорода). Большую часть этой нагретой воды экономично собирать в водяном баке для генерации пара и других целей. Не нужно компенсировать обычное снижение общего веса аппарата при выработке топлива.
Вряд ли водород, использующийся в топливных элементах, целесообразно хранить в баллонах низкого давления внутри дирижабля. Опыт создания водородных автомобилей показал, что наиболее компактно можно хранить водород под давлением до 70 МПа в композитных баллонах, упрочненных путем намотки углеродными шнурами. Перспективным способом также является хранение водорода в стеклянных и полимерных микросферах диаметром 5–500 мкм с толщиной стенки около 1 мкм, выдерживающие давление до 100 МПа и более [7]. При таком давлении плотность газа близка к плотности жидкого водорода. При температуре 200–400 °С стекло становится проницаемым для водорода, что позволяет заправлять эти микросферы, а также извлекать газ при необходимости. По массовой эффективности этот способ примерно эквивалентен предыдущему, так как не требует тяжелых баллонов высокого давления. Недостатком его является возможность повреждения микросфер при транспортировке. Этот недостаток можно исключить путем погружения микросфер в тиксотропную жидкость с уменьшающейся вязкостью при повышении температуры. Фактически это газожидкостная смесь, в которой водородные пузырьки окружены прочной оболочкой. Следует отметить, что в верхней части хранилища водорода, даже ингибированного, не должно быть карманов и встроен хороший вентиляционный вертикальный выход в атмосферу. Высокая летучесть водорода обеспечивает быстрое полное освобождение хранилища при малейшей утечке, и по опыту ракетной техники уровень безопасности даже более высокий, чем при протечке и разливе жидкого топлива.
Рассмотрим возможные принципиальные отличия конструкции наиболее распространенного в настоящее время полужесткого дирижабля с современными изменениями (см. рис. 1, известные узлы показаны частично).
Так же, как в дирижабле «Италия» Э. Форланини, несущей основой является наружная надутая двухслойная оболочка с внутренними связями. В нижней части располагается килевая ферма, к которой крепится гондола с амортизатором, носовое усиление, поворотные моторные гондолы, топливные водородные баллоны, водяные баки, топливные элементы и др. Для безопасности топливные водородные баллоны могут быть помещены внутри секций с инертным подъемным газом. Водяные баки могут быть существенно меньшего объема, чем обычные балластные цистерны (см. ниже). Дополнительными формообразующими являются поперечные торовые, продольные и вертикальные надутые пневмобалки, связанные тросами. По сравнению с металлическими шпангоутами, они легче и при превышении допустимой нагрузки складываются. Меньшие торовые баллоны со сжатым газом ограничивают отверстия в оболочке для сброса газов. В кормовой части располагаются надутые стабилизаторы и рули. Однако последние необязательны, так как многочисленные электромоторы с индивидуальным изменением оборотов и реверсом могут обеспечить даже полный поворот аппарата вокруг вертикальной оси.
Внутренность дирижабля разделяется диафрагмами на газовые и паровые отсеки. Газовые отсеки, заполненные мягкими емкостями с подъемным газом – гелием или ингибированным водородом – занимают большую часть внутреннего объема, включают предохранительные и заправочные клапаны, подсоединены к общей системе и воспринимают основной вес конструктивных элементов и груза. Паровые отсеки обеспечивают дополнительную подъемную силу, маневрирование по вертикали и изменение подъемной силы, взлет и посадку (см. рис. 2).
Они включают несколько емкостей с жесткими нижним и верхним днищами и вертикальными гофрированными стенками с круговыми тросами на минимальных радиусах гофр. Для правильного складывания их при изменении объема с помощью поперечной пневмобалки вокруг натягиваются вертикальные тросы, по которым могут передвигаться ролики с тросиками, прикрепленными к этим стенкам, а также ролик с управляемым фиксатором, гибко прикрепленный к верхнему подвижному днищу, передающий подъемную силу на тросы и килевую ферму. Вся емкость снаружи покрыта высококачественной теплоизоляцией, предпочтительно из аэрозолей (не изображена на рис.), а изнутри – супергидрофобным (водоотталкивающим) покрытием. В нижнем днище монтируется трубчатый электронагреватель (ТЭН) для нагрева и испарения жидкой воды 9. Верхняя часть его ограничена прикрепленной к ТЭНу горизонтальной теплопроводной пластиной, выравнивающей температурное поле. В нижней части также устанавливаются датчики температуры, давления пара, уровня воды, положения верхнего днища. Там же располагаются штуцера выпуска и заправки водой и паром.
Верхнее днище также может быть выполнено в виде краевого торового надутого баллона с натянутым материалом оболочки. В центре верхнего днища устанавливается распределитель с форсунками, распыляющими воду внутри емкости. Без внутреннего супергидрофобного покрытия капли прилипали бы к стенкам, а не скатывались бы вниз к ТЭНу. Снаружи распределитель соединен гибким шлангом с насосом и водяными баками, позволяющим свободно перемещаться днищу в вертикальном направлении.
Основные действия при эксплуатации дирижабля
Предполетная подготовка включает разработку подробной программы полета с учетом погодных условий на основном и запасных маршрутах, балансировку при размещении полезного груза, заправку подъемным газом, водой, топливом, проверку всех систем, клапанов и стартового крепления аппарата, противообледенительную обработку и др.
На старте запускаются топливные элементы, приводные электродвигатели, включаются электронагреватели, испаряющие воду в паровых отсеках, моторные гондолы устанавливаются в вертикальное положение. Возможна частичная заправка паром от стационарного парогенератора. Возникающая подъемная сила несколько превышает гравитационное притяжение.
В начале подъема отпускаются удерживающие тросы. Моторные гондолы развивают максимальную мощность. Количество пара вследствие нагревания и вскипания жидкой воды увеличивается, что приводит к росту подъемной силы. Верхнее днище под действием небольшого избыточного давления поднимается и фиксируется на тросе в некотором среднем положении, передавая подъемную силу на килевую ферму. Так как с увеличением высоты подъемная сила падает, то нагреванием увеличивают количество образующегося пара с некоторым повышением положения верхнего днища. Таким образом, осуществляется предложение К.Э. Циолковского [8] о регулировании плавучести переменным объемом аэростата (к сожалению, реализация предложения была прервана его уходом). Дополнительно регулирование плавучести достигается изменением количества подъемного газа (пара). Вода является уникальным веществом, удельный объем газовой и жидкой фаз которого отличается в 1000 раз. Кроме того, коэффициенты теплоотдачи при кипении и капельной конденсации воды на 2–3 порядка выше, чем, например, между стенкой и воздухом. Соответственно, скорость и оперативность изменения плавучести существенно выше, чем у тепловых воздушных аэростатов с нагревателями.
При достижении расчетной высоты достигается равенство подъемной силы и веса конструкции и полезного груза. При этом нагреватели обеспечивают давление пара несколько превышающее наружное давление, температуру пара чуть меньшую температуры кипения воды при этом давлении, а также компенсацию тепловых потерь. Мотогондолы поворачиваются в горизонтальное направление, разгоняя дирижабль до нужной скорости. Если необходимо снизить высоту (например, для использования энергии попутного ветра, который существенно снижает расход топлива), то через форсунки в центре верхнего днища мелко распыляется вода из водяного бака. Мелкие капли являются центром конденсации и часть пара переходит в жидкую форму, в особенности если пар немного переохлажден. Давление снижается, и под действием наружного давления верхнее днище опускается. Таким образом, уменьшение количества пара вызывает снижение подъемной силы и высоты. Такой способ существенно эффективнее и требует гораздо меньше пространства, чем использование тяжелых компрессоров, надувающих воздухом баллонеты, занимающие до 25 % объема дирижабля. Надо отметить, что запас воды может быть очень небольшим. При посадке, как описано выше, управляемость снижения путем конденсации пара, а также близкого к вертикальному положению и реверса части двигателей, может быть хорошей, даже при плохих погодных условиях. Непосредственно перед приземлением на необорудованный участок с дирижабля пневматически выстреливаются якоря (гарпуны) с тросами, которые входят глубоко в землю. Аппарат притягивается с помощью их к земле. Если на земле приготовлена притягивающая лебедка, то якоря прицельно выстреливаются в ее район и потом соединяются с лебедкой. Это исключает использование больших площадей и причальных команд. Могут использоваться и другие способы посадки. Ввиду сложности операций, проводимых при посадке, необходимо использовать специальные комплексы, управляющие приземлением с учетом параметров атмосферы, близости к земле, аналогичные использующимся при швартовке крупных морских судов. Если предполагается длительная стоянка, то можно выпуском всего пара и частично подъемного дешевого газа – ингибированного водорода – существенно уменьшить парусность корпуса аппарата и не использовать исполинские ангары.
При аварийном падении аппарата у дирижаблей гораздо больше возможностей спасения, чем у самолета. Даже полный отказ всех двигателей не приводит к быстрому падению. Сложенные пневмобалки при снятии экстремальной нагрузки восстанавливают свою форму. Существенно замедлить скорость снижения возможно максимальной генерацией пара, подачей дросселированного топливного водорода в мало поврежденные отсеки, сбросом воды из баков, максимальным режимом не отказавших вертикально повернутых моторов. Вода из баков с подмешиваемыми присадками также может эффективно тушить загоревшиеся моторные гондолы и другие элементы аппарата при установке соответствующего противопожарного оборудования. Все же, как и у парусных судов, учитывая большую зависимость от атмосферных условий, необходимо более точно знать прогноз погоды, молниевую опасность на маршруте дирижабля и соответственно корректировать возможные пути.
При управлении дирижаблем нужно учитывать и изменять большое количество параметров: высоту, давление и температуру атмосферы, скорость ветра, климатических условий по маршруту, наличие летательных аппаратов в прилегающих районах, параметры газа, пара и воды в емкостях, индивидуальный поворот и обороты многочисленных электродвигателей мотогондол, а также показания датчиков уровня воды, расходомеров топлива, воды, положения регуляторов, показания видеокамер и многое другое. Много операций надо выполнить и при аварийных ситуациях. При посадке сейчас часто одновременно работают два пилота с разными функциями. Поэтому без цифровой системы, автоматически поддерживающей оптимальное функционирование и контроль всех систем дирижабля, не обойтись. Повышенная маневренность по высоте позволяет выбрать слой с попутным ветром и таким образом существенно повысить скорость и снизить энергетические затраты, подобно парусным судам. Такая система также позволяет организовать беспилотное полуавтоматическое дистанционное трехмерное управление дирижаблями (а в перспективе и полностью автоматическое) [9].
Маневренные дирижабли также могут оказать большую помощь водному транспорту в качестве подвижных кранов при разгрузочно-погрузочных работах, в особенности при обработке крупнотоннажных грузов [1], на необорудованных местах побережий рек и морей. Они могут поднимать и переносить грузы даже с фарватера реки. Такие дирижабли также могут использоваться для подсоединения к подвижным танкерам и транспортировки водорода, накопленного на установках для возобновляемого получения электроэнергии и пресной воды из облаков (самого мощного сконцентрированного возобновляемого источника энергии!) [10, 11].
Заключение
Для освоения российских труднодоступных районов рассмотренная конструктивная схема комбинированного пароводяного дирижабля с топливными элементами на водороде и электрическим приводом винтов обеспечивает повышенную маневренность по высоте, экономичность, облегчение пилотажа при посадке, большие возможности спасения при авариях. Использование водорода и электроприводы позволяют организовать экологичную, бесшумную эксплуатацию таких аппаратов. Преимущества таких грузовых и пассажирских дирижаблей возрастают при увеличении размера и грузоподъемности, а также в условиях быстрого прогресса в области разработки новых высокопрочных материалов и изоляций, цифрового полуавтоматического управления аппаратами.
Литература
1. Байбиков А.С. Паровые аэростаты как экологичный вид грузового транспорта для труднодоступных районов, лесозаготовок и спортивного воздухоплавания / Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока № 1–2, 2016, С. 66–69.
2. Aspen Aerogels http://www.aerogel.com, 2015.
3. Fluid superthin thermal isolation CORUND, http://www.nano34.ru, 2015.
4. Superthin thermal isolation Alfateс, http://www.alfatec.ru, 2015.
5. Азатян В.Г., Айвазян Р.Г., Калачев В.И., Мержанов А.Г. Способ предотвращения воспламенения и взрыва водородно-воздушных смесей. Патент RU 2081892C1, МПК С09К 15/04, С10L3/00 приор.16.05.1994.
6. Байбиков А.С. Электрический паровой аэростат. Патент RU 2508227C1, МПК B64B1/40,1/62, приор.15.01.2013.
7. Чебак А.Ф., Ульянов А.И. Проблемы хранения и использования водорода. 4, 2007, с. 48.
8. Циолковский К.Э. Собрание сочинений. Москва, АН СССР, 1959, т. III.
9. Пишхопов В.Х., Медведев М.Ю., Сиротенко М.Ю., Носко О.Э., Юрченко А.С. Проектирование систем управления роботизированных воздухоплавательных комплексов на базе дирижаблей. Известия ТРТУ Технические науки № 20, 2002, С.1–8.
10. Baybikov A.C. Cloud potential as the biggest source of renewable energy and fresh water. International Journal of Energy for Clean Environment, 15 (2–4), 2014, p.171–188.
11. Байбиков А.С. Способ и устройство возобновляемого получения электроэнергии и чистой воды, Патент RU 2407914 С1, МПК F03В 13/00, приоритет 18.09.2009.
