В настоящее время подчеркиваются преимущества дирижаблей с увеличением размеров. Однако для многих задач требуются дирижабли с небольшой грузоподъемностью. Они нужны для контроля газовых и нефтяных трубопроводов в сложных удаленных областях, в особенности недоступных по дальности для вертолетов, исследования подводного рельефа морского дна вблизи основных и перспективных маршрутов Северного морского пути (для обследования около 70 % неизученных площадей северных морей имеющихся гидрографических судов катастрофически не хватает [1]).Такие дирижабли необходимы для экологического мониторинга труднодоступных областей тундры и тайги, подготовки пилотов-воздухоплавателей, патрулирования и визуального контроля автодорог и городских территорий, контроля за чрезвычайными ситуациями и проведения спасательных операций, охраны и наблюдения в лесном хозяйстве, рекламных полетов, быстрой доставки товаров, качественной фото, кино, теле- и видеосъемки, в качестве уменьшенного прототипа больших дирижаблей и исследования их узлов. В перспективе они могут заменить часть индивидуальных легковых автомобилей, перенеся движение в свободное без перекрестков трехмерное пространство над городом.
Для части этих целей создан небольшой двухместный патрульный российский дирижабль Аu-12 с изменением направления вектора тяги. Это уникальное свойство и получение международного сертификата позволило (единственному!) найти покупателей как в России, так и за рубежом и разрешить серийное изготовление. Нужны и одноместные малогабаритные дирижабли, в частности для оперативной доставки в больших городах, независящей от загруженности транспортных магистралей.
Однако ему присущи недостатки, характерные для современных больших дирижаблей. К ним относится недостаточная маневренность, в особенности по высоте, существенно затрудняющая приземление, большой вес пустого дирижабля вследствие неиспользования современных высокопрочных легких материалов, наличие баллонетов, отнимающих четверть общего объема дирижабля, необходимость в водяном балласте, уменьшающем полезную нагрузку, необходимость периодического пополнения очень дорогим подъемным газом – гелием, большие эксплуатационные расходы, недостаточное количество датчиков в основных частях дирижабля, посылающих сигналы в управляющую ЭВМ, отсутствие программного обеспечения, облегчающего контроль и управление одним пилотом, в особенности при посадке.
Рассмотрим возможные основные пути совершенствования таких малотоннажных дирижаблей, повышение универсальности их применения, снижения эксплуатационных расходов, используя последние технологические и материаловедческие достижения.
Подъемная сила
Современное использование гелия в качестве подъемного газа существенно удорожает начальную цену и эксплуатацию дирижабля. Месторождения его редки, отделение от других газов – дорого. Для компенсации утечки вследствие негерметичности материала современных оболочек и потерь при эксплуатации на отдаленных местах приземления нужно иметь его запасы в баллонах высокого давления. Ученик нобелевского лауреата Н.Н. Семенова член-корреспондент РАН, профессор В.Г. Азатян [2, 3] разработал специальные ингибиторы, обрывающие цепные реакции и препятствующие взрыву водорода. Это превратило его в безопасный газ с несколько уменьшившимися подъемными свойствами.
Водород дешев, может быть произведен в любом месте, например электролизом воды или другим способом. В хабаровской специализированной лаборатории интеллектуального природопользования уже применили ингибированный водород в подъемных аэростатах для трелевки леса [4].
Заманчиво в качестве подъемного газа использовать дешевый водяной пар при температуре выше 100 0С. Удельная подъемная сила водяного пара при 100 0С и стандартных условиях на уровне земли (давлении 101325Па) в 1,88 раза меньше удельной подъемной силы водорода, но существенно превышает этот параметр теплого воздуха при допустимых температурах оболочек. Однако при отсутствии теплоизоляции необходимы большие энергетические затраты для поддержания такой температуры. В последние годы для космических целей были разработаны очень эффективные легкие теплоизоляции (в частности, аэрозоли), снимающее это ограничение.
По мере выработки углеродного топлива двигателей дирижабль облегчается и нужны дополнительные меры для поддержания аппарата на определенной высоте. Для этого используют дополнительный запас объема баллонетов. При фиксированном общем объеме это снижает объем подъемного газа и полезной нагрузки.
Можно снизить стартовый вес дирижабля и затруднения во время эксплуатации, исключив начальную заправку балластной водой. Нужное минимальное количество балластной воды можно отбирать с выхода топливного элемента или водородного двигателя, пополнять из атмосферы во время полета, используя известные технологии осушки воздуха [5]. Для сельского хозяйства и строительства производятся различные суперадсорбирующие гели (полиакрилаты и др.).
Маневренность по высоте
В настоящее время наиболее сложной и инерционной операцией является изменение высоты расположения аппарата. Снижение производится главным образом заполнением баллонетов окружающим воздухом, которое дополняется существенно меньшей вертикальной силой, создаваемой повернутыми гондолами с тяговыми винтами и рулями высоты. Подъем производится опорожнением баллонетов, поворотом моторных гондол и рулей высоты. В аварийных случаях необратимо выпускается часть подъемного газа или сбрасывается часть водяного балласта. Можно в качестве балласта использовать часть воды или пара парового отсека, о чем будет подробнее рассказано далее. Допустимо сбрасывать и часть подъемного дешевого ингибированного водорода (а не в сотни раз более дорогого гелия!). В последних разработках вместо баллонетов предлагается изменять высоту подогревомвоздуха в специальном воздушном отсеке. Однако изменение подъемной силы воздуха от температуры относительно невелико. При небольших скоростях, в особенности при посадке и старте, рули управления малоэффективны, но можно изменять высоту расположения с помощью паровых отсеков [6] (рис. 1).
Паровые отсеки включают одну или несколько емкостей с жесткими нижним (обозначение №10 на рисунке) и верхним (обозначение 8 на рисунке) днищами и матерчатыми вертикальными гофрированными стенками (обозначение 4 на рисунке) с круговыми (желательно арамидными) тросами или жестким пластиковым ограничителями на минимальных радиусах гофр. Для правильного складывания их при изменении объема с помощью поперечной пневмобалки вокруг натягиваются вертикальные тросы (обозначение 1 на рисунке), по которым могут передвигаться ролики с тросиками (обозначение 3 на рисунке), прикрепленными к этим стенкам, а также ролик с управляемым фиксатором (обозначение 2, на рисунке), гибко прикрепленный к верхнему подвижному днищу, передающий подъемную силу на тросы и килевую ферму (обозначение11 на рисунке). Для теплоизоляции вся гофрированная емкость снаружи покрыта ультралегким высокоэластичным графеновым аэрозолем (не изображен на рисунке), а изнутри – супергидрофобным (водоотталкивающим) покрытием. В область, примыкающую к гофрированной поверхности, подается часть выхлопных газов двигателя или охлаждающего воздуха топливных элементов, поддерживая температуру около 100 0С. Для снижения температуры этой части выхлопа к нему подмешивается атмосферный воздух в регулируемом эжекторе. Это желательно для уменьшения температурного перепада на гофрах и потерь тепла на конденсацию пара. В нижнем днище монтируется трубчатый электронагреватель (ТЭН) [5] 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 штуцеры выпуска и заправки водой и паром.
Верхнее днище (обозначение 8 на рисунке) также может быть выполнено в виде краевого торового надутого баллона с натянутым материалом оболочки. В центре верхнего днища устанавливается распределитель с форсунками для распыления воды внутри емкости. Без внутреннего супергидрофобного покрытия капли прилипали бы к стенкам, а не скатывались вниз к ТЭНу. Снаружи распределитель соединен гибким шлангом с насосом и водяными баками, позволяющим свободно перемещаться днищу в вертикальном направлении.
Особыми свойствами воды являются максимальные коэффициенты теплоотдачи при
превращении воды в пар, что существенно снижает поверхности и вес нагревателей, а также очень быстрая конденсация слегка пересыщенного пара в жидкость при вводе мелких затравочных капель. Это позволяет быстро изменять плотность такого подъемного газа почти в тысячу раз, что резко увеличивает столь необходимую маневренность по высоте. В отличие от баллонетов, только утяжеляющих в той или иной степени аппарат, паровой отсек способен как уменьшать, так и увеличивать подъемную силу. Для более быстрого снижения при посадке можно сбросить часть пара или воды в атмосферу. Сброс дешевого пара незначительно увеличит эксплуатационные расходы.
Энергетическая установка, экологичность и безопасность
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. Электричество также нужно для нагревательных элементов и системы управления. Такое сочетание обеспечивает существенно более высокий термодинамический КПД (до 60 %!), чем у двигателей внутреннего сгорания.
Следует также учитывать существенно более высокую теплотворную способность водорода (39,1квт-час/кг), которая в 3,3 раза больше, чем у бензина (12 квт-час/кг). Высокий КПД и максимальная теплотворная способность, помимо снижения эксплуатационных затрат, позволяет расширить территорию обслуживания. Однако плотность даже жидкого водорода (71кг/м3) меньше плотности бензина (748 кг м3) в 10,5 раза, что увеличивает необходимую емкость и вес баков, а также размер области и времени работы дирижабля.
Надо отметить, что вопрос использования именно водородных топливных элементов к настоящему времени наиболее проработан. Центральным институтом авиационного моторостроения совместно с Институтом проблем химической физики для авиации были разработаны высококачественные легкие водородные топливные элементы и электродвигатели, выдерживающие низкие температуры, а также электродвигатели, работающие на этом топливе [7].
Так же, как рост давления в двигателях внутреннего сгорания увеличивает их экономичность и компактность, так и увеличение давления в топливных элементах может улучшить их эксплуатационные качества. Для этого целесообразно использовать энергию давления запасенного топливного водорода. Впрочем, пока нет готовых мощных легких топливных элементов, временно можно использовать компактные водородные двигатели внутреннего сгорания с электрогенератором. Однако при сжигании водорода в двигателе внутреннего сгорания при высокой температуре помимо пара образуются вредные окислы азота NOх. 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 и повышенную маневренность при незначительных горизонтальных скоростях.
Выхлопным газом является экологичный водяной пар, часть которого можно использовать в системе изменения подъемной силы и балласта. В современных дирижаблях сжигание углеродного топлива снижает общий вес аппарата и для поддержания высоты предусмотрено обязательное постепенное утяжеление в полете (например, заполнением баллонетов), что снижает возможность маневрирования по высоте и полезную нагрузку. А в водородных двигателях при той же мощности используется во много раз меньшая масса водорода и, соответственно, легче поддерживать высоту. Часть выходящего пара можно экономично собирать в водяном баке для компенсации облегчения аппарата и утечек пара, он подается в область, примыкающую к гофрированной поверхности парового отсека, поддерживая температуру около 100 0С, что способствует уменьшению температурного перепада на гофрах и снижению потерь тепла на конденсацию пара.
Опыт создания водородных установок 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 или полимерных микросферах диаметром 5–500 мкм с толщиной стенки около 1 мкм, выдерживающих давление до 100 МПа и более [8]. При таком давлении плотность газа близка к плотности жидкого водорода. Однако в этом случае внутреннее давление в баке низкое и он может быть тонкостенным. 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 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. Водород можно хранить в жидком виде. В авиации масса водорода уже составляет 16 % от массы криогенных баков.
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. Топливный водород также можно использовать для пополнения баллонов с подъемным газом в случае возникновения утечки. Это повышает возможности спасения аппарата. Водяной пар и вода, имеющиеся на борту, весьма эффективны и при тушении возникающих возгораний.
Основные конструктивные особенности (рис. 2).
Так же, как в дирижабле «Италия» Э. Форланини, несущей основой является наружная двухслойная оболочка (обозначение 2 на рисунке) с внутренними связями и разделяющими перегородками, надутая азотом высокого давления. В нижней части располагается килевая ферма (обозначение 9 на рисунке) из углепластика, к которой крепятся амортизаторы (обозначение 11 на рисунке), кабина пилотов с носовым усилением 1, поворотные моторные гондолы (обозначение 10 на рисунке), топливные водородные баллоны, водяные баки, топливные элементы, пластиковые стрингеры и др. Для безопасности топливные водородные баки могут быть помещены внутри секций с инертным подъемным газом. Водяные баки могут быть существенно меньшего объема, чем обычные балластные цистерны. Дополнительными формообразующими являются пластиковые шпангоуты, поперечные торовые, продольные и вертикальные надутые пневмобалки, связанные полиамидными тросами. По сравнению с жесткими шпангоутами, пневмобалки легче и при кратковременном превышении допустимой нагрузки складываются, а потом восстанавливаются, хотя их податливость выше. Однако она значительно уменьшается с появлением суперпрочных материалов и с повышением внутреннего давления. В кормовой части располагаются надутые стабилизаторы (обозначение 4, 5 на рисунке) и рули (обозначение 7 на рисунке). При этом последние необязательны, так как электромоторы винтов 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, повторяя наружные формы всех внутри расположенных узлов, 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. Вследствие исключения баллонетов, занимающих до четверти объема, секции с подъемным газом могут быть увеличены.
Операции 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. Возникающая подъемная сила 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 тросах 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). Уникальные свойства воды позволяют увеличить скорость и оперативность изменения плавучести по сравнению с такими параметрами тепловых воздушных аэростатов с нагревателями и дирижаблей с баллонетами.
При достижении расчетной высоты устанавливается равенство подъемной силы и веса конструкции и полезного груза. При этом нагреватели обеспечивают давление пара, превышающее наружное давление, температуру пара меньше, чем температура кипения воды при этом давлении, а также компенсацию тепловых потерь. Мотогондолы поворачиваются в горизонтальное направление, разгоняя дирижабль до нужной скорости. При необходимости снизить высоту (например, для использования энергии попутного ветра, который снижает расход топлива), через форсунки в центре верхнего днища мелко распыляется вода из водяного бака. 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. При посадке, как описано выше, управляемость снижения путем конденсации пара, а также близкого к вертикальному положению и реверса части двигателей, может быть достаточно 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. Другим способом является V-образный наземный уловитель, в который попадает конец гайдропа с тяжелым шаром. Могут использоваться и другие способы посадки.
Если предполагается длительная стоянка, то можно вместо металлического использовать надувной матерчатый ангар с пневмобалками высокого давления без пола. При старте он просто стаскивается с заполнением выравнивающих и опорожняющихся балок, при этом дирижабль остается на своей поворотной мачте. Исключаются повреждения при выходе из ангара и необходимость в большой стартовой команде, есть возможность сбрасывать часть газа при стоянке для уменьшения парусности. После посадки ангар наезжает на дирижабль. Ангар может иметь дополнительные тросовые крепления против уноса.
При аварийном падении аппарата у дирижаблей гораздо больше возможностей спасения, чем у самолета. Конечно, скорость падения поврежденного дирижабля существенно ниже, чем у аппаратов тяжелее воздуха вследствие большой парусности и ограниченной скорости вытекания подъемного газа. 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.
При управлении дирижаблем нужно учитывать и изменять большое количество внешних и внутренних параметров: высоту, давление и температуру атмосферы, скорость ветра, климатических условий по маршруту, наличие летательных аппаратов в примыкающих 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 часто одновременно работают два пилота с разными функциями. Поэтому при одном пилоте без системы автоматического управления, поддерживающей оптимальное функционирование и контроль всех систем дирижабля, не обойтись. Ввиду сложности операций, проводимых при посадке, а также контроля большого количества датчиков необходимо использовать специальные компьютерные комплексы [9], управляющие приземлением с учетом параметров атмосферы, близости к земле, аналогичные использующимся при швартовке крупных морских судов.
Все же, как и у парусных судов, учитывая большую зависимость от атмосферных условий, необходимо более точно знать прогноз погоды, молниевую опасность на маршруте и соответственно корректировать возможные пути. Бортовые компьютеры и лидар, обрабатывая свои и специальные сигналы радиолокационной сети, включающей новейшие доплеровские лидары, регистрирующие движение дождевых капель в облаках, могут точно предсказать с опережением до одного часа приближение порывов ветра, движущегося со скоростью свыше 54 км/час, соответственно изменить маршрут дирижабля и повысить безопасность доставки [10]. Эта сеть также может одновременно использоваться в управлении движением, при прогнозе выпадения осадков, измерении их количества и противовоздушной обороне. Повышенная маневренность по высоте позволяет выбрать слой с попутным ветром и таким образом существенно повысить скорость и снизить энергетические затраты, подобно парусным судам. Такие маневренные дирижабли могут подсоединяться к подвижным судам для забора водорода, накопленного на установках для получения электроэнергии и дистиллята из облаков (самого мощного возобновляемого источника энергии) [11].
Заключение
Рассмотрена конструктивная схема малотоннажного комбинированного пароводяного дирижабля для контроля газовых и нефтяных трубопроводов в сложных удаленных областях, в особенности недоступных по дальности для вертолетов, с топливными элементами на водороде и электрическим приводом винтов, обеспечивающая повышенную маневренность по высоте, экономичность, облегчение пилотажа при посадке, большие возможности спасения при авариях. Использование водорода и электропривода позволяет организовать экологичную бесшумную с выбросом только водяного пара эксплуатацию таких аппаратов. Это дает возможность разместить посадочную площадку внутри или вблизи поселения. Преимущества таких дирижаблей возрастают при быстром прогрессе в области разработки новых высокопрочных материалов и изоляций, цифрового полуавтоматического управления аппаратами. Эти особенности позволяют расширить возможности малотоннажных дирижаблей. Маневрирование в пространстве также исключает проблему «пробок» и недостаток дорог в промышленных пригородах при доставке грузов и людей, в особенности в аварийных ситуациях. Новые элементы могут быть использованы для совершенствования больших дирижаблей.
Литература
1. Андреева Е.В. Перспективы развития СМП. Neftegaz.RU. № 6, 2021, с. 30–37.
2. Азатян В.В., 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.
3. Азатян В.В., Абрамов С.К., Прокопенко В.М., Ратников В.И., Туник Е.В. Разрушение стационарной детонации водородовоздушных смесей присадками пропана. Кинетика и катализ, т. 54, № 5, 2013, с. 553–559.
4. 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.
5. Ломовцева Е.Е. Процессы осушки воздуха гибридными сорбирующими материалами на основе силикогеля и полиакрилата калия. Диссертация к.т.н. / Тамбов, Тамбовский ГТУ, 2014, 220 с.
6. А.С. Байбиков Новое поколение дирижаблей для освоения месторождений Сибири, Арктики и Дальнего Востока / Neftegaz.RU, № 6 (114), 2021, с. 70–75.
7. Куликов С. Электричество встает на крыло. Новости ЦИАМ 29.05.2020 // https://ciam.ru/upload/docs/Expert/pdf.
8. Циолковский К.Э. Собрание сочинений. М., АН СССР, 1959, т. III.
9. Пишхопов В.Х., , 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. Сеть X-Net Японской метеорологической ассоциации и Национального института исследования Земли. Биржа Интеллектуальной Собственности. т.VIII, 8, 2009. https://compulenta.ru.
11. 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.
