Способ управления 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. При этом создают вращение дирижабля в вертикальной и/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 возможность 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. Технический результат - повышение надежности управления. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.
Рисунки к патенту РФ 2307763
Изобретение относится к области воздухоплавания.
Уровень техники
Из известны дирижабли. Все они имеют винтовые движители и аэродинамические рули курса и высоты, которые работают за счет энергии набегающих потоков воздуха. У всех них поворот в вертикальной или горизонтальной плоскости осуществляется выполнением следующей последовательности действий :
Дирижаблю придают скорость, при которой рули работают эффективно;
Поворачивают рули курса или высоты, которые поворачивают дирижабль за счет энергии набегающих потоков воздуха;
Следят за значением угла поворота дирижабля;
При достижении углом поворота дирижабля требуемого значения рули устанавливают в начальное положение.
При нулевой скорости дирижабля относительно окружающего воздуха и при значительной инерционности дирижабля время выполнения поворота, особенно на угол более 90°, и его траектория могут оказаться недопустимо большими. Практически все дирижабли не могут перемещаться «задним ходом» - кормой вперед, т.к. при этом его аэродинамическая схема из статической становится астатической, т.е. неустойчивой. Изменения направления движения на 180° по классическому способу, описанному выше, производится за наибольшее время и по самой длинной траектории.
Дирижабль имеет форму сферы и сохраняет степень астатизма аэродинамической схемы при смене направления движения до 180°, но такие схемы имеют нулевой запас устойчивости. Кроме этого управление дирижаблем осуществляется подачей команд и инструкций из центра управления на земле исполнительным устройствам на борту через приемопередатчик, расположенный в центре масс аппарата. Поэтому область управляемого полета ограничивается телесным полусферическим углом и дальностью видимости осей поворота аппарата с аксиальной симметрией с земли, которая в современных локационных системах не превышает несколько километров.
Устройство по наибольшему количеству признаков совпадает с предлагаемым изобретением, поэтому принято в качестве ближайшего аналога.
Раскрытие изобретения
Сущность предлагаемого способа управления дирижаблем заключается в осуществлении поворотов дирижабля в вертикальной и/или горизонтальной плоскостях путем обмена функций носа и кормы дирижабля с сохранением устойчивости аэродинамической схемы.
Сущностью обратимого дирижабля является его симметрия, относительно вертикальной оси Z, проходящей через его центр тяжести (см. Фиг.1 и Фиг.2). При этом на окончаниях носовой и кормовой частей оболочки 1 он снабжен реверсивными двигателями с винтовыми движителями 2 и 3, попарно размещенными на концах крестообразных кронштейнов 4, которые состоят из вертикальных и горизонтальных перекладин. Центр управления на носу 5 является главным с возможностью стать резервным. Центр управления на корме 6 является резервным с возможностью стать главным.
Заявляемое изобретение решает следующие задачи:
Повышение управляемости и устойчивости дирижабля;
Исключение дополнительного перемещения центра тяжести дирижабля в пространстве при горизонтальном и вертикальном повороте и соответствующую экономию работы исполнительных устройств;
Повышение надежности управления.
Характеристика изобретения
Предлагаемый способ управления обратимым дирижаблем осуществляется следующим образом.
При повороте дирижабля на угол менее 90°:
При достижении углом поворота требуемого значения выключают двигатели 2 и 3.
Функцию кормы меняют на функцию носа, а функцию носа меняют на функцию кормы;
Центр управления на носу 5 делают резервным, а центр управления на корме 6 делают главным;
Следят за изменением угла поворота;
При достижении углом поворота значения, равного разности между требуемым значением и значением 180°, выключают двигатели.
В конструкцию обратимого дирижабля заложена идентичность и осевая симметрия носа и кормы дирижабля и их обратимость - возможность придавать им функции либо носа, либо кормы. Несущая оболочка обратимого дирижабля 1 выполнена в виде эллипсоида с длинной продольной осью «нос-корма» и сравнительно короткими поперечной и вертикальной осями (см. Фиг.1, Фиг.2). Носовая и кормовая части несущей оболочки 1 дирижабля симметричны относительно вертикальной оси Z, проходящей через его центр тяжести. На окончаниях носа и кормы установлены крестообразные кронштейны 4, имеющие вертикальную и горизонтальную перекладины одинаковой длины. На концах перекладин установлены одинаковые реверсивные двигатели с одинаковыми винтовыми движителями 2 и 3. При этом движители 2, расположенные на концах вертикальных перекладин, используются для поворотов в вертикальной плоскости, а движители 3, расположенные на концах горизонтальных перекладин, используются для поворотов в горизонтальной плоскости. Снизу к оболочке прикреплены носовая и кормовая гондолы. В носовой гондоле помещен главный центр управления 5, с возможностью стать резервным. В кормовой гондоле помещен резервный центр управления 6, с возможностью стать главным. Движители 2 и 3 и гондолы размещены симметрично относительно оси Z, проходящей через центр тяжести дирижабля.
Краткое описание чертежей.
На фигуре 1 изображена фронтальная (продольная) проекция обратимого дирижабля.
На фигуре 2 изображена профильная (поперечная) проекция обратимого дирижабля.
Осуществление изобретения.
Пусть дирижабль стоит относительно окружающего воздуха или движется равномерно и поступательно. Тогда предлагаемое управление обратимым дирижаблем осуществляется следующим образом.
При повороте на угол менее 90°:
Включают двигатели 2 и 3, расположенные в вертикальной или горизонтальной плоскости, на одной перекладине крестообразного кронштейна 4 - встречно, на одной продольной линии - попутно. Направление вращения винтов задают таким образом, что происходит вращение дирижабля вокруг центра тяжести в заданном направлении. Изменение направления вращения производят реверсом двигателей;
Следят за изменением угла поворота;
При достижении углом поворота требуемого значения выключают двигатели.
При этом исключается фаза дополнительного разгона дирижабля и исключается дополнительное перемещение его центра в пространстве, поэтому поворот происходит быстрее и экономнее, чем у аналогов.
При повороте на угол более 90°:
Меняют функцию кормы на функцию носа, а функцию носа - на функцию кормы;
Центр управления на носу 5 делают резервным, а центр управления на корме 6 делают главным.
Включают двигатели 2 и 3, расположенные в вертикальной или горизонтальной плоскости, на одной перекладине крестообразного кронштейна 4 - встречно, на одной продольной линии - попутно. Направление вращения винтов задают таким образом, что происходит вращение дирижабля вокруг центра тяжести в направлении, противоположном заданному направлению. Изменение направления вращения производят реверсом двигателей;
Следят за изменением угла поворота;
При достижении углом поворота значения, равного разности между требуемым значением и значением 180° выключают двигатели.
При повороте на угол 180° или включении «заднего хода»:
Функцию кормы меняют на функцию носа, а функцию носа меняют на функцию кормы,
Центр управления на носу 5 делают резервным, а центр управления на корме 6 делают главным.
В двух последних случаях, за счет практически мгновенного обращения функций носа, кормы и центров управления и фактического поворота на угол, абсолютная величина которого меньше 90°, получается дополнительный выигрыш в скорости поворота.
Несущая оболочка обратимого дирижабля 1 - жесткого типа и наполнена водородом или гелием. Она выполнена из листового композиционного материала в виде эллипсоида с длинной продольной осью «нос-корма» и сравнительно короткими поперечной и вертикальной осями (см. Фиг.1, Фиг.2). Носовая и кормовая части несущей оболочки 1 дирижабля симметричны относительно вертикальной оси Z, проходящей через его центр тяжести. На окончаниях носа и кормы установлены крестообразные кронштейны 4, имеющие вертикальную и горизонтальную перекладины одинаковой длины и выполненные из композиционного материала. На концах перекладин установлены одинаковые реверсивные двигатели, например электрические, с одинаковыми винтовыми движителями 2 и 3. Движители 2, расположенные на концах вертикальных перекладин и включенные встречно, используют для поворотов в вертикальной плоскости. Движители 3, расположенные на концах горизонтальных перекладин и включенные встречно, используют для поворотов в горизонтальной плоскости. Попутное включение всех двигателей приводит к поступательному движению дирижабля. Одновременный реверс всех двигателей приводит к изменению направления движения. Снизу к оболочке прикреплены носовая и кормовая гондолы, выполненные из композиционных материалов, в которых помещаются идентичные центры управления 5 и 6. Движители 2 и 3 и гондолы также размещены симметрично относительно вертикальной оси Z, проходящей через центр тяжести дирижабля. Главный центр управления 5 с возможностью стать резервным находится в гондоле на носу. Резервный центр управления 6 с возможностью стать главным находится в гондоле на корме.
Повышение надежности обратимого дирижабля и управления им достигается за счет дублирования центров управления и исполнительных двигателей.
Источники информации
1. УДК 629.73(09) Бойко Ю.С., Турьян В.А. Голубая мечта столетий. - М.: Машиностроение, 1991. 128 с: ил. ISBN 5-217-01369-9.
2. Патент RU 2003596 C1 (Люфтшифбау Цепеллин Гмбх), 30.10.1993.
3. Патент USA 1648630 (Ralph H. Upson), 1927.
4. Патент JP 6278696 A (SKY PIA KK), 04.10.1994.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Способ управления дирижаблем, включающий 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, отличающийся тем, что используют реверсивные двигатели с винтовыми движителями, установленными на перекладинах неподвижных крестообразных кронштейнов на окончаниях носовой и кормовой частей, при этом создают вращение дирижабля в вертикальной и/или горизонтальной плоскости.
2. Обратимый дирижабль, имеющий 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, отличающийся тем, что он снабжен неподвижными крестообразными кронштейнами на окончаниях носовой и кормовой частей, имеет реверсивные двигатели с винтовыми движителями, которые установлены на перекладинах упомянутых кронштейнов.
Добрый день уважаемый читатель, вашему вниманию предоставляется проект разработки системы сенсорного управления мини-дирижаблем.
Задачей управления является движение дирижабля по линии. Также была реализована простая система дистанционного управления.
Объектом управления является мини-дирижабль разработанный на кафере ЭиМ, ТТИ ЮФУ.
Рисунок 1 - Общий вид мини-дирижабля.
В проекте ставится цель: разработка системы технического зрения для обнаружения линии (траектории движения); разработка курсового регулятора, учитывающего факторы положения линии и угла наклона линии относительно дирижабля; разработка регулятора высоты; разработка системы дистанционного управления.
1. Анализ задания и постановка задачи
Разработка системы сенсорного управления основывается на мини-дирижабле спроектированном на кафедре ЭиМ.Мини-дирижабль включает в себя оболочку на общедоступных компонентах, а именно разнообразные фольгированные шарики.
Аппаратная часть мини-дирижабля состоит из
- - одноплатного компьютера raspberry pi;
- - широкоугольной Веб камеры Genius WideCam 1050;
- - ультразвукового датчика высоты hc-sr05;
- - двух электродвигателей;
- - сервопривода отклонения тяги двигателей;
- - подсистемы питания.
Двигатели дирижабля имеют возможности установки максимальной скорости вращения в 3200 об. / мин. Рабочее напряжение двигателей 7.4 вольт. Двигатели разнесены от центра дирижабля на 25 см., и находятся в нижней точке дирижабля.
2. Система технического зрения
2.1. Структурная схема системы технического зрения
Рисунок 2 - Структурная схема системы технического зрения мини-дирижабля.
Система технического зрения состоит из аппаратной и программной частей. Аппаратная часть связана с программной частью проводным соединением, где передается уже сформированный сигнал формата MJPG.
В аппаратную часть входит веб камера.
В программную часть входит:
- - драйвер камеры для получения видео изображения формата MJPG и задания настроек камеры;
- - модуль обработки изображения.
2.2. Разработка функциональной схемы
С учетом выбранных методом обработки и алгоритма определения расположения линии (о котором будет рассказано в следующей под главе) были выявлены в программной реализации следующие подзадачи:- - произвести настройку внутренних параметров видеокамеры;
- - получить изображение с камеры;
- - преобразовать изображение из формата MJPG в цветовой формат HSV;
- - организовать поиск области пересечения по цветовому соответствию;
- - реализовать алгоритм для определения координат точки пересечения,
- - отфильтровывая не полезный сигнал;
- - реализовать интегрирование блока СТЗ с блоком регулятора направления.
2.3. Алгоритм
Как известно, через две любых точки в пространстве можно проложить прямую. В данном случае, перед системой технического зрения мини-дирижабля ставится задача определения проложенной линии. Первым этапом обработки изображения будет являться поиск этих двух точек, через которые была проложена наша линия.Определим зоны интереса на нашем изображении для поиска этих точек. Оптимальным расположением зоны интереса будут промежутки межу 1/3 вертикальной частью кадра и 2/3. так как показано на рисунке 4 синими линиями.
Рисунок 3 - Оптимальное расположение зоны интереса.
Критерий оптимальности расположений зоны интереса, заключается в том, что нижняя часть зоны интереса находится перпендикулярно вниз от мини-дирижабля, а верхняя находится не у границы кадра, что минимизирует искажения получаемого изображения зоны.
Высота каждой из зон составляет 10 пикселей.
Точка пересечения с линией определяется путем соответствия пикселей заданному цвету. Цветовое пространство работы системы технического зрения HSV.
2 этапа работы алгоритма с каждой зоной интереса.
1. Определение соответствия заданному цвету происходит в массиве, ширина которого, является шириной кадра, получаемого с камеры. Каждый элемент массива является средним значением 10 пикселей в столбце зоны интереса. Таким образом усредняется цветовой шум, поступающий с камеры. Массив имеет 3 строки, каждая из которых соответствует каналам HSV. На выходе мы получаем одномерный массив, в котором значением «1» обозначены адреса пикселей, соответствующие заданному цвету, значением «0» обозначены адреса пикселей, не соответствующие заданному цвету.
for(x = 0 ; x
2. Определение левой и правой границы зоны пересечения.
По входному массиву заполняются два массива одинаковой размерности. Назовем их st1 и st2. Алгоритм заполнения массивов реализован циклом, в котором некоторая переменная линейно увеличивается, если рассматриваемый элемент входного массива равен 1, и экспоненциально уменьшается, если рассматриваемый элемент равен 0, и записывается в очередной элемент массива st1. Для формирования массива st2, входной массив рассматривается с конца. В результате, массивы st1 и st2 графически можно представить следующим образом (рис. 5)
Рисунок 5 - Графическое представление массивов st1 и st2.
Полезным сигналом является самая широкая область определения цвета. Шумом является небольшие ложные срабатывания, которые можно наблюдать на показателе рисунка 7. Координаты х максимального элемента красного графика(st1), является правой стороной линии, пересекающей зону интереса. Координаты х максимального элемента синего графика (st2), является левой стороной линии, пересекающей зону интереса.
Листинг
double sum=1; double sum2=1; for (x=0; x
После формирования массивов st1 и st2, находятся максимальные элементы массива, и высчитывается центр зоны пересечения. Применяя все описанные действия ко второй зоне пересечения, на выходе мы имеем координаты точек, через которые проходит линяя.
Применение распространенного способа, определения зоны доверия в следующем кадре, по состоянию объекта в предыдущем, не использовалось, так как и такой способ показал приемлемые результаты шума в выходных параметрах. Также применение это способа не уменьшила бы загрузку процессора, так как мы имеем дело всего лишь с многократным перебором двух массивов с шириной 176 пикселей, разрешение всего получаемого изображения составляет 176x144 пикселя.
3. Регулятор направления
3.1. Структурная схема регулятора в части систему управления
Рисунок 4 - Структурная схема регулятора направления.- - нечеткого регулятора;
- - математического модуля просчета поворота линии;
- - программного ШИМа.
Аппаратная реализация состоит из:
- - Драйвера двигателя L293DNE;
- - Левого и правого электро двигателя.
Применение программного ШИМа обусловлена отсутствие в используемом одноплатном компьютере Raspberry pi аппаратного ШИМа.
Драйвер двигателя применяется для усиления ШИМ сигнала.
3.2. Проектирование нечеткого регулятора.
3.2.1. Определение входов и выходов создаваемой системы.
Так как для точного прохождении мини-дирижабля по линии, необходимо учитывать как и отклонения линии от оси дирижабля, так и поворот относительно той же оси, то соответственно, входными параметрами регулятора установим переменный отклонения (ОТКЛ) и поворота (ПОВ). Выходными переменными регулятора буду являться параметры выходного ШИМ сигнала в процентном соотношении. Выходная переменная воздействия на левый двигатель обозначена как (ЛЕВ), правый двигатель соответственно (ПРАВ)3.3.2. Задание для каждой из входных и выходных переменных функции принадлежности с термами
Выходные термы принадлежности левого и правого двигателя необходимо было бы задавать, фигурировал нелинейными параметрами работы двигателя постоянного тока относительно ШИМ воздействия. Но так как скорости полета дирижабля предполагают малое линейное отклонение двигателей, термы задавались как для идеального двигателя с абсолютной линейной характеристикой.Рисунок 5 - Термы выходных переменных ЛЕВ и ПРАВ.
Входные переменные отклонения продольной оси дирижабля от линии и поворота линии от этой же оси получены в результате работы системы технического зрения и математического модуля расчета угла, камера которой имеет показатели дисторсии. Показатели дисторсии камеры можно заложить в входных термах ОТКЛ и ПОВ. Так как к точности позиционирования и траектории выхода на линию не предъявляется никаких требований, то показатели дисторсии можно не учитывать. В данном задании терм настроились картины дисторсии камеры и не настраивались термы по ним. Термы были изменены приблизительно, что явилось достаточным условием функционирования системы.
Рисунок 6 - Терм ОТКЛ и ПОВ.
3.2.3. Разработка базы правил выводов для реализуемой нечёткой системы
Для разработки базы правил необходимо обозначить лингвистические переменные (термы) удобными для понимания названиями.Рисунок 7 - Обозначение терм.
Соответственно эти названия, учитывая что мини-дирижабль управляется разнотягом на двигателях установим связи терм.
блок правил:
Можно заметить, что для входной переменной ПОВ отсутствует связанность средних значений. Это связанно с тем, что при правильном ориентире продольной оси дирижабля относительно линии и отклонения от нее, средняя терма тянула входные значения моторов к середине, что является неверным в данном положении дирижабля.
В данной нечеткой системе алгоритмом дефазификации является алгоритм Мамдани.
Данный алгоритм описывает несколько последовательно выполняющихся этапов, при этом каждый последующий этап получает на вход значения, полученные на предыдущем шаге.
3.2.4. Анализ процесса работы нечеткой системы
Для анализа процесса работы. Были построены корреляционные портреты регулятора. В приведенных ниже рисунках осью Y является входная переменная ПОВ, осью X входная переменная ОТКЛ. Цвет пикселя соответствует входной переменной каждого двигателя, белый цвет –минимум, черный - максимум.Рисунок 8 - Корреляционные портреты выходных значение нечеткой системы для левого и правого двигателя, пересечение корреляционных портретов.
На последнем рисунке мы видим результат пересечения двух корреляционных портретов с применение выделения пикселе с одинаковым цветом и расположением. Из результата пересечения можно определить при каких входных условиях будут одинаковые значения мощности двигателей. Характерные черные квадратные области по краям дают краевые термы с усеченной верхушкой.
Ниже приведены результаты эмуляции работы нечеткого регулятора относительно расположения линии в кадре, обозначенной красным цветом. В правой части видео, можно наблюдать уровни ШИМ сигнала для левого и правого двигателя соответственно. В левой чисти расположены входные и выходные термы принадлежности.
4. Регулятор высоты
4.1. Структурная схема регулятора
Рисунок 9 - Структурная схема регулятора высоты.Программная реализация состоит из:
- ПИ регулятора на нечеткой логике;
- математического модуля расчета расстояния;
- программного ШИМа;
Аппаратная реализация состоит из
- Сервопривода, изменяющего вектор тяги двигателей;
- Ультразвукового датчика HC-SR05.
4.2. Проектирование нечеткого регулятора
4.2.1. Определение входов и выходов создаваемой системы
Входным параметром нечеткой части регулятора является ошибка от желаемой высоты. Выходной переменной является пропорциональная часть пи-составляющей гибридного регулятора.Интегральная составляющая является выходом всей системой и реализована просто как накопительная переменная, отвечающая за положение сервопривода.
4.2.2. Задание для каждой из входных и выходных переменных функции принадлежности с термами
Зададим выходные термы принадлежности, руководствуясь равномерным распределением терм по поверхности. Нелинейность выхода нечеткой системы задана термами входной переменной.Рисунок 10 - Термы выходной переменной ВЫХОД
Входные термы переменной ошибки от высоты показаны на рисунке ниже.
Рисунок 11 - Термы входной переменной ВЫСОТА
4.2.3. Разработка базы правил выводов для реализуемой нечёткой системы
Для разработки базы правил, необходимо обозначить лингвистические переменные (термы) удобными для понимания названиями.Рисунок 12 - Обозначение терм
Ответственно устанавливаем прямую связь терм.
блок правил:
ЕСЛИ Высота: сильное отклонение вниз, ТО Выход: высокое положительное
ЕСЛИ Высота: отклонение вниз, ТО Выход: положительное
ЕСЛИ Высота: отсутствие отклонения, ТО Выход: Ноль
ЕСЛИ Высота: отклонение вверх, ТО Выход: отрицательное
ЕСЛИ Высота: сильное отклонение верх, ТО Выход: высокое отрицательное
5. Система дистанционного управления
Система дистанционного управления реализовано в управлении разности тяговых моментов на двигателях. Принцип реализации позаимствован у компьютерных игр, когда нажатие на кнопку реализует плавное отклонение тяговых моментов а отпускание - плавное возвращение, таким образом в некоторых пределах можно поддерживать разность тяги двигателей.Передача сигналов нажатия клавиш осуществляется через беспроводной канал wi-fi по протоколу ssh, при котором от наземной базовой стации (ПК) нажатие клавиш клавиатуры передается на удаленный компьютер.
Передача видео потока осуществляется таким же способом ввиду того, что протокол ssh позволяет наблюдать экран удаленной машины.
6. Экспериментальное исследование системы
Спроектированная система была исследована в лабораторных условиях. Система технического зрения распознает положение линии и передает координаты точек пересечения в блок регулятора направления.
Работа системы технического зрения
Пролет мини-дирижабля
Устойчивости системы регулировки направлении и высоты получилось добиться побором коэффициента. пропорционального увеличению выходного воздействия нечеткой системы.
Рисунок 13 - Положения вектора тяги и датчика высоты дирижабля. Заданная высота 80 см.
На полученных данных мы видим высокую зашумленность сигнала с датчика, ошибкой в разработке система было не использования фильтра сигнал. Причина не использования фильтра сигнала послужило тест датчика, который показал не большую зашумленность сигнала датчика. Тест производился на не нагруженной системе, что вероятно позволяло точно генерировать и отслеживать сигнал с датчика. В реальной системе функционирования вычислительная система дирижабля была загружена полностью, что и дало неправильное считывания показаний датчика. Шум на графике направления вектора тяги можно не учитывать, так как серво привод не успевал бы поворачиваться на заданный угол мгновенно. Сервопривод успевал выполнять поворот только на средние значения между двух сигналов поворота. Средние же значения легко проглядываются на графике.
Что касается самой системы управлении высоты, очевидно, что ей нахватает опережения установки значений вектора тяги. Исправить положение мог бы вторая входная переменная “скорость ошибки”, по которой можно было бы прогнозировать и строить управления наперед, или же просто использовать проверенный ПИД регулятор.
В ходе испытаний были проверены все реализованные блоки управления. Работа системы технического зрения была выведена на полностью бесшумное и безошибочное распознавание линии в условиях освещения лампами дневного света. Также были выявлены некоторые неисправности в установках значения левого мотора, что должным образом не позволило настроить нечеткую систему регулировки направления, но даже при таких условиях был выполнен пролет по прямой линии. Были выявлены недостатки в управлении, характеризующиеся острой реакцией регулятора при близком расположении линии.
Ход испытаний был записан на видео, так же был веден лог состояний системы, что и позволило сделать выводы сформулированные выше.
ДИРИЖАБЛЬ “D-1500”
СОБИРАЕМЫЙ ИЗ ОТДЕЛЬНЫХ УКРУПНЕННЫХ КОНСТРУКТИВНЫХ МОДУЛЕЙ
Общественное конструкторское бюро по воздухоплаванию
Киев-2008 г
Основным назначением аэростатического летательного аппарата (АЛА) - дирижабля является перевозка коммерческих грузов массой до 1,5 т.
Особенностью дирижабля является возможность транспортировки грузов как на внешней подвеске, так и внутри корпуса гондолы дирижабля. Кроме этого, он может выполнять функции патрулирования, мониторинга и технического обслуживания трасс газо-нефтепроводов линий электропередач и др. в труднодоступных районах.
При работе над этой конструкцией учитывались пожелания коммерческих структур о создании небольшого мобильного информационно-координационного центра, при помощи которого можно было бы непосредственно у производителя решать коммерческие вопросы. Например, в труднодоступных горных районах Карпат, вести переговоры о поставке сельхозпродукции на равнинные территории. Подобные задачи были сформулированы бизнесменами Китая, России (тундра, Кавказские горы, и т.п.)
Данная работа выполнена на стадии технических предложений. Требует соответствующего оформления и перехода к дальнейшим стадиям проектирования, т.е эскизного и рабочего проектирования.
ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Общий вид АЛА
Назначение:
транспортная перевозка пассажиров и грузов
Компоновка дирижабля
Дирижабль “D-1500” является типичным представителем полумягких дирижаблей, выполненных по классической сигарообразной схеме. Дирижабль имеет длину 64 м, диаметр оболочки 14 м, объем 7000 м3.
Корпус дирижабля имеет обтекаемую форму, образуемую мягкой газонепроницаемой секционной оболочкой, собранной из составных продольных полотнищ, которые образуют меридиональные обводы формы оболочки, замыкаемые с концов носовым и хвостовым конусообразными жесткими куполами.
В нутрии оболочки размещены и закреплены секции газовых отсеков, спроектированные эквидистантно внешним обводам оболочки
Нижняя часть оболочки сконструирована таким образом, что внизу вдоль корпуса в соответствующем месте встроен специальный катенарный пояс к которому пришпаговывается кильферма – основной несущий модуль с гондолой – грузовым отсеком.
Его наиболее характерными особенностями являются: модульное конструктивное исполнение всех основных узлов и агрегатов, а также два носовых и два хвостовых модуля дизельных силовых установок с отклоняемыми рулевыми плоскостями за винтом, для управления изменением вектора тяги.
Силовая схема конструкции.
Прямая, треугольная в поперечном сечении, киль-ферма проходит внутрь оболочки сквозь теоретический контур в нижней части оболочки и крепится к ней посредством переходного катенарного пояса по периметру. Киль-ферма дирижабля представляет собой жесткую ферменно-балочную конструкцию и имеет 25 поперечных силовых элементов-шпангоутов жесткой ферменной конструкции.
Размеры сечения шпангоута киль-фермы (2,2 м х 1,9 м в средней части) позволяют удобно разместить внутри нее агрегаты соответствующих систем, емкости с балластом и топливом, а также трубопроводы необходимые для топливной и балластной системы, электрические коммуникации и оборудование дирижабля, системы управления силовыми установками и дирижаблем. Организованы проходы к силовым установкам, служебные помещения и т.д.
Расстояния между шпангоутами 1,0 м.
Размеры сечения основных шпангоутных и стрингерных балок 80мм х 100 мм в средней части киль-фермы. Форма сечения - треугольная, как наиболее технологичная. Стенки балок выполнены методом штамповки из тонкого стального листа толщиной 0,5-1,0 мм и соединены при помощи точечной сварки.
По концам балок привариваются крепежно-шарнирные узлы.
По диагоналям клеток, образуемых шпангоутами и стрингерными балками, а также по диагоналям клеток ферм шпангоутов заложены тросовые расчалки и подкосы, обеспечивающие конструкции киль-фермы жесткость на изгиб и кручение.
В нижней части киль-фермы, в узлах шпангоутов вмонтированы устройства навески гондолы дирижабля. В ней расположена кабина экипажа и пассажирско-грузовой отсек дирижабля. В зависимости от назначения дирижабля и требований заказчика возможны различные компоновочные решения гондолы, которую можно видоизменять и монтировать на киль-ферму посредством предусмотренных узлов, что позволяет выпускать дирижабли различных модификаций.
Гондола дирижабля имеет аналогичную с киль-фермой конструкцию и обшита с внешней стороны листами стеклопластика толщиной 1,0 – 1,5 мм при помощи клее-клепанных соединений. Внутренняя обшивка, в зависимости от назначения дирижабля, выполнена из декоративно-защитных материалов с соответствующей тепло-звукоизоляцией.
Конструктивная схема АЛА
Силовая установка
Размещение силовых установок вдоль корпуса дирижабля выполнено попарно, т.е. два двигателя в передней части киль-фермы, два - в хвостовой ее части.
Передние двигатели силовых установок приводят во вращение винты, которые оборудованы специальными отклоняемыми, на угол до 35?, рулевыми плоскостями, позволяющими отклонять струю воздуха от винта в вертикальной плоскости дирижабля, что позволяет изменять наклон траектории полета.
Хвостовые силовые установки, оборудованы такими же отклоняемыми рулевыми плоскостями, позволяющими отклонять струю воздуха от винта в горизонтальной плоскости дирижабля, что позволяет управлять дирижаблем по курсу. Этим можно изменить вектор тяги силовых установок и осуществлять управление дирижаблем на около нулевых скоростях полета и в режиме висения, что облегчает маневры дирижабля при швартовочных операциях.
Силовая установка дирижабля создана на базе серийно выпускаемого дизельного двигателя мощностью 100 л.с. Двигатели установлены продольно внутри дирижабля в специальных отсеках киль-фермы и приводят в движение находящиеся снаружи винты в кольцевых насадках.
Питание двигателей топливом осуществляется из специальных расходных баков, расположенных в непосредственной близости с машинным отделением, а подача топлива в расходные баки осуществляется посредством специальных трубопроводов и насосов основной топливной системы дирижабля.
Кабина экипажа.
Дирижабль “D-1500” имеет объем 7000 м3 , продолжительность полета до 8 часов, имеющиеся на его борту системы и оборудование обосновывают применение экипажа в следующем составе: командир дирижабля; второй пилот (зам. командира дирижабля); бортинженер (борттехник) дирижабля.
Кабина для двух членов экипажа размещена в передней части гондолы дирижабля и оборудована необходимым пилотажно-навигационным оборудованием, а также органами управления дирижаблем. Рабочее место бортинженера организовано в киль-ферме дирижабля и оборудовано электромеханическими приборами контроля за работой силовых установок и систем дирижабля, а также соответствующими органами управления.
Конструктивная схема кильфермы - кабины экипажа
Гондола длиной 14 м выполнена из металлического каркаса и обшивки из пластика. Пол, потолок и шпангоуты обшиты легкими и высокопрочными панелями из полимерного материала. Гондола прикрепляется к киль-ферме посредством 8-ми переходных силовых узлов.
Иллюминаторы гондолы и лобовое остекление из прозрачного пластика обеспечивают хороший круговой обзор.
Пассажирско-грузовая кабина.
В объеме пассажирско-грузовой кабины, в передней ее части сразу за кабиной пилотов находится помещение санузла оборудованного биотуалетом.
По бортам размещены 2 ряда пассажирских кресел для 10 человек, а над ними откидные сумки-контейнеры для размещения багажа и ручной клади.
Поскольку кабина не герметичная, то обогрев и вентиляция осуществляется общими для всей кабины приточно-вытяжными устройствами в полете. Индивидуальный обдув осуществляется электровентиляторами на местах.
При демонтаже кресел, организовывается грузовая кабина. Она предназначеная для перевозки грузов требующих поддержания положительной температуры во время полета (по сравнению с контейнером, подвешенным снаружи), для перевозки крупногабаритных грузов, а также грузов, по общему весу близких к максимальной грузоподъемности дирижабля, в условиях, когда не нужна быстрая погрузка-разгрузка и возможна длительная неподвижная швартовка дирижабля. Состояние грузов, перевозимых в грузовой кабине, можно контролировать в полете.
Конструктивная схема грузовой кабины гондолы АЛА
Под грузовую кабину выделяется грузовой отсек размером 7,7м х 1,5м х 1,9м.
Конструктивно грузовая кабина состоит из одного отсека в хвостовой части гондолы. Такие размеры позволяют перевозить грузы, спакетированные на поддонах, и большой ассортимент габаритных моногрузов.
Для обеспечения выполнения погрузочно-разгрузочных работ грузовая кабина снабжается грузовым люком с входной дверью-трапом. Проем грузового люка 1,3 м принимается как расстояние между боковыми стойками шпангоута на уровне пола в хвостовой части гондолы.
Газовая оболочка.
В качестве несущего газа на дирижабле используется инертный газ гелий, а в качестве маневренного газа – флегматизированный гелием водород (безопасная гелиево-водородная смесь). Размещаются они в газовых отсеках по всей длине корпуса дирижабля.
В качестве гелиево-непроницаемого материала для газовых отсеков оболочки дирижабля используется многослойный пленочно-тканевый материал, а для внешней поверхности оболочки полиэфирная ткань покрытая с внешней стороны для защиты от атмосферных воздействий полиуретаном со специальным лакокрасочным слоем.
Газовые емкости, содержащие подъемный газ, расположены в 3-х отсеках, образуемых стоящими рядом соответствующими баллонами. Они представляют собой замкнутые герметичные конструкции, повторяющие конфигурацию внутренних объемов оболочки дирижабля
Особенность конструкции газовых баллонов дирижабля состоит в том, что они прикреплены к потолочной части оболочки и при наполнении их газом, нагрузки от возникающей сплавной силы передаются на силовую внешнюю оболочку дирижабля
Средний газовый баллон имеет внутри два специальных матерчатых катенарных пояса для крепления тросов внутренней подвески кильфермы к оболочке дирижабля.
От верхних узлов шпангоутов киль-фермы, через специальные герметизирующие устройства, отходят троса к внутренним катенарным поясам пришитым к верхней части оболочки. Это позволяет, по возможности, уравнять нагрузки, приходящиеся от киль-фермы к газовместилищу в средней и концевых частях оболочки.
Каждый газовый баллон снабжен газовым клапаном, предназначенным для обеспечения автоматического открытия и выпуска несущего газа из оболочки при превышении давления выше допустимого. Клапаны и мягкие, с кольцами жесткости, вытяжные шахты газовых баллонов смонтированы в сопрягаемых зонах, образуемых торцами газовых баллонов
Автоматическое открытие клапана происходит в процессе подъема дирижабля или при его перегреве, когда внутреннее давление превышает 40-50 мм. вод. ст.
Носовой и хвостовой газовые баллоны, имеют дополнительные полости для размещения маневрового газа. Клапаны этих полостей имеют принудительный привод из кабины управления и выведены в вытяжные шахты оболочки дирижабля.
Полости между оболочкой и газовыми баллонами используются как воздушные баллонеты и наддуваются воздухом идущим по трубопроводам от воздухозаборников расположенных у винтов силовых установок дирижабля
Конструктивная схема газовой оболочки АЛА
Система наполнения дирижабля несущим газом состоит из рукавов-штуцеров большого диаметра (100-150 мм) - для принятия газа гелия из газгольдера, малого диаметра - для принятия газа гелия из баллона высокого давления, а также подобных штуцеров для принятия водорода из специальных газгольдеров и баллонов.
От штуцеров гелиевого наполнения идет рукав вдоль кильфермы дирижабля, в котором установлены индивидуальные ответвления к каждому газовому баллону через перекрываемый клапан. У каждого перекрываемого клапана имеется специальный сигнализатор, соединенный с манометром, по которому определяют величину заправки газом каждой емкости.
Сводная информация о величине давления газа в каждой емкости также выведена на щиток пилотской кабины.
Хвостовое оперение.
Оперение дирижабля? - образное, состоит из 3-х неподвижных, расположенных под углом 120?, стабилизаторов, верхний из которых установлен вертикально по оси симметрии оболочки, что обеспечивает больший клиренс (расстояние между нижними поверхностями стабилизаторов и землей).
Форма и площадь всех трех стабилизаторов и рулей одинакова, и соответствует минимальному шарнирному моменту. Каркас оперения выполнен из тонкостенных стальных гнутых профилей. Стабилизаторы сконструированы в виде свободностоящих пространственных ферм, имеющих обтекаемую форму.
На стабилизаторах смонтированы, на шарнирных навесах, аэродинамические рули направления и высоты.
Электрическое, радиотехническое и пилотажно-навигационное оборудование
Дирижабль, в основном, оборудован электрическим, радиотехническим и пилотажно-навигационным оборудованием, которое широко применяется на самолетах.
В качестве источников электропитания потребителей используются самолетные генераторы переменного тока напряжением 115В, 400Гц (по 2 генератора на каждом борту), приводимые двигателями силовых установок дирижабля.
Вторичными источниками электропитания постоянным током напряжением 27В, являются два статических преобразователя..
В качестве аварийных источников постоянного тока напряжением 27В используются аккумуляторы, обеспечивающие электропитанием потребителей первой категории, необходимых для благополучного завершения полета в случае отказа основных источников питания.
Кроме того на борту дирижабля имеются источники электропитания с напряжением 6В, 400Гц для подсвета пультов управления и светопроводов, и напряжением 220В, 50Гц для питания бытовых приборов.
Пилотажно-навигационное оборудование дирижабля объединено в комплекс.
Управление комплексом осуществляется двумя резервирующими друг друга вычислителями. Управление вычислителями осуществляется с пультов-индикаторов, установленных на рабочих местах пилотов.
Эти пульты-индикаторы используются для управления курсовой инерциальной системой, системами ближней навигации и радиосвязи.
Основная полетная информация отображается на многофункциональном цветном индикаторе (8 Х 6”), установленном на приборной доске пилотов. Этот же индикатор используется в качестве пульта управления погодной радиолокационной станции с отражением препятствий по маршруту полета.
Курсовая инерциальная система навигации совместно со спутниковой системой и вычислителями взаимодействуют с автоматической системой управления и обеспечивают точное вождение дирижабля по заданным маршрутам.
На дирижабле также установлены радиотехнические средства ближней навигации, радиосвязи, переговорные устройства, цифровые регистраторы полетной и речевой информации, ответчик "свой-чужой", навигационные огни, обеспечивающие автономную навигацию и прибытие в заданное место в случае отказа автоматических систем.
Контроль за работой двигателей, электрических и механических систем дирижабля осуществляется с помощью электромеханических приборов, устанавливаемых в кабине пилотов и техническом отсеке ботринженера.
При плохой видимости посадочной площадки на дирижабле включается дистанционно управляемая посадочная фара, а для координации взаимодействия экипажа с наземным причальным персоналом на дирижабле установлена система громкоговорящего оповещения на землю.
Система управления полетом.
На дирижабле D-1500 устанавливается электрическая с гидроусилителями дистанционная система управления полетом.
Система управления дирижаблем D-1500 содержит:
каналы управления маршевыми силовыми установками с дизельными двигателями;
каналы управления величиной и направлением вектора тяги воздушного винта каждого из четырех установленных на дирижабле маршевых двигателей;
каналы управления выпускными клапанами специальных секций газовых баллонов и всех объектов балласта, предназначенных для изменения сплавной силы и углов атаки (дифферента) дирижабля;
каналы управления аэродинамическими рулями направления и высоты;
На дирижабле D-1500 установлены:
четыре маршевые силовые установки с дизельными двигателями с управляемой мощностью (оборотами) и шагом (тягой) воздушного винта;
аэродинамические рули - руль направления на вертикальном киле и две секции руля высоты на левой и правой консолях? -образного оперения;
газодинамические рули, представляющих собой управляемые рулевые поверхности и расположенные: рули направления – за воздушными винтами кормовых маршевых силовых установок, рули высоты – за воздушными винтами носовых маршевых силовых установок.
два управляемых выпускных клапана на газовых баллонах (передний и задний - для одновременного или раздельного управления сплавной силой);
управляемые сливные клапаны на балластных емкостях (передний и задний - для одновременного или раздельного управления сплавной силой).
В некоторых каналах управления предусматривается дублирование (резервирование) источников электроснабжения, электрических, гидравлических и механических магистралей, исполнительных механизмов.
Балластная система.
Балластная система предназначена для управления дирижаблем в вертикальной плоскости при отсутствии или недостаточной эффективности аэродинамических рулей, или же параллельно с ними.
В качестве балласта на дирижабле чаще всего используется вода, как наиболее дешевое и удобное в перемещении вещество. Основной её недостаток - в условиях отрицательных температур необходимо добавлять в неё соль либо антифриз для снижения точки замерзания.
В общем случае, на борту дирижабля должно быть 0,6 тонн балласта. Весь балласт делится на 2 объема: 0,2 тонны посадочного и 0,4 тонны расходного.
Баки снабжены сливными кранами большого расхода.
Перекачивающие насосы, установленные в магистральном трубопроводе балластной системы, позволяют перемещать при необходимости центр тяжести балласта, управляя тем самым углом тангажа дирижабля. С помощью таких же насосов производится заливка воды в баки из наземных источников.
Баки снабжены электродистанционными датчиками уровня. Все краны электромагнитные с дистанционным управлением. Это позволяет на пульте управления в любой момент времени иметь информацию о весе и центре тяжести балласта.
Топливная система.
Основное назначение топливной системы - питание топливом силовых установок дирижабля.
Общий вес дизельного топлива на дирижабле - 750 кг.
Это топливо размещается:
в 4-х баках емкостью по 100 л каждый, находящихся вблизи центра объема газовместилищ;
в 2 баках по 100 л каждый, в близи носа и хвостовой части дирижабля;
в 4 расходных баках, емкостью по 50 л вблизи каждого из 4 двигателей.
Баки емкостью по 100 л удалены от центра объема для обеспечения возможности изменения центровки дирижабля путем перекачки топлива между баками.
Расходные баки каждого из пары двигателей закольцованы для повышения надежности.
Топливная система сообщается с частью баков балластной системы, которые при необходимости также могут заполняться топливом для увеличения дальности полета.
Каждый топливный бак имеет дренаж, датчик уровня с 10- ти процентным шагом показаний и сигнализатор минимально допустимого остатка топлива.
Все краны и электронасосы - с электродистанционным управлением. Пульт управления топливной системой в любой момент дает информацию об остатке топлива и обеспечивает возможность: дозаправки, перекачки между баками, слива, перекачки в расходные баки и из них.
Размещение причально-швартовочного оборудования на борту АЛА
Состав причально-швартовочного оборудования
В состав причально-швартовочного оборудования входит оборудование, устанавливаемое на борту дирижабля, и наземное причально-швартовочное оборудование.
К причально-швартовочному оборудованию, установленному на борту дирижабля относятся:
Главный швартовочный трос, прикрепленный в носовой части дирижабля;
Кормовой швартовочный трос, выпускаемый из кормовой части дирижабля;
Кроме того, на дирижабле установлены: в передней части – передний буксировочный трос, в кормовой части – задний буксировочный трос. Передний и задний буксировочный тросы являются элементами автономных электрических лебедок, позволяющих регулировать длину тросов. Оба троса могут взаимодействовать с швартовочными тросами дирижабля.
Наземное причально-швартовочное оборудование включает:
причальный круг – площадка диаметром 800 – 1000 м, свободная от посторонних предметов высотой более 2 м;
спланированная без деревьев и построек площадка диаметром 400 – 500 м, в центре которой находится в виде пирамиды пилон, в верхней части которого имеется узел, вращающийся вокруг вертикальной оси;
балластная тележка с грузом на самоориентирующихся колесах, установленная на покрытой асфальтом круговой рулевой дорожке;
набор балластных грузов общим весом не более 1,5 тс, расфасованный в мешках по 10 – 15 кг и находящийся на 4-х тележках с самоориентирующимися колесами;
средства балансировки – вода, песок, дробь и т.д.
Наземное причально-швартовочное оборудование
За счет чего дирижабли держатся в воздухе
Самое главное в дирижабле - оболочка, заполненная газом легче воздуха, за счет которой создается гидростатическая сила , выталкивающая дирижабль вверх. Этим они похожи на воздушные шары, но в отличие от них дирижабли могут не только перемещаться вверх-вниз в океанах воздуха, но и свободно двигаться по горизонтали, вдоль поверхности земли - даже без попутного ветра.
В зависимости от того, чем наполнена их оболочка, дирижабли бывают двух видов: тепловые - их оболочку наполняют нагретым воздухом (его плотность меньше плотности окружающего атмосферного воздуха) - и газовые. Раньше газовые дирижабли заполняли водородом - самым легким из газов, но из-за инженеры перешли на соседа водорода по таблице Менделеева - инертный газ гелий.
Еще дирижабли классифицируют по типу конструкции. Они могут быть мягкие - их оболочка напоминает огромный шар, форма которого поддерживается исключительно давлением газа. Могут быть полужесткими, когда нижняя часть оболочки заключена в металлический каркас, придающую жесткость всей конструкции. И наконец, дирижабли бывают просто жесткие - тогда у них есть фиксированная форма, поддерживаемая каркасом.
Кстати, классическая сигарообразная форма свойственна далеко не всем дирижаблям: они бывают эллипсоидными, тороидальными, линзообразными, а иногда напоминают летающие тарелки.
Как управлять дирижаблем
По вертикали дирижабль перемещается, изменяя свою подъемную гидростатическую силу. В тепловых дирижаблях можно менять температуру закачанного воздуха, из-за чего меняется его плотность и, соответственно, подъемная гидростатическая сила. В газовых же дирижаблях внутри одной большой оболочки есть емкости поменьше - баллонеты , в которые можно закачивать или откачивать из них атмосферный воздух, управляя таким образом общей плотностью газа внутри дирижабля.
Для движения вдоль поверхности земли дирижабли снабжают двигателями внутреннего сгорания, создающими горизонтальную тягу. Кроме этого, дирижаблям придают обтекаемую аэродинамическую форму, и поэтому во время полета на них начинает действовать аэродинамическая подъемная сила - сродни той, что действует на крыло самолета.
Еще у дирижаблей обычно есть несколько баллонет в кормовой и носовой части судна. Это дает дополнительное пространство для маневра: команда дирижабля может, накачивая баллонеты, наклонять воздушное судно либо «вперед», либо «назад».
Важно понимать, что хорошо нагруженный дирижабль уже далеко не всегда легче воздуха, и тогда помимо выталкивающей аэростатической силы держаться в воздухе ему помогают дополнительные моторы с вертикальной тягой, а также подъемная аэродинамическая сила. Так что управление дирижаблем - дело непростое. Команде нужно следить за наполнением оболочки и баллонет, работой разнообразных двигателей и управляться с многочисленными снастями воздушного судна, регулирующими аэродинамическую силу.
Что такое цеппелины
Цеппелины - это в каком-то смысле «ксероксы». В английском языке слово zeppelin означает «дирижабль», но в реальности это только одна марка дирижаблей жесткой конструкции, производившихся немецкой фирмой Zeppelin GmbH с 1899-го по 1938 год и названных в честь своего создателя графа Фердинанда Цеппелина. Всего немцы сделали 130 цеппелинов: часть поставили в армию, а часть - для гражданских перевозок людей и грузов.
Больше всего часов среди всех цеппелинов налетал LZ 127 «Граф Цеппелин». Это был огромный дирижабль объемом 105 тысяч кубических метров, длиной около 236 метров и с максимальным диаметром 30 метров (для сравнения: высота типичной пятиэтажки-хрущевки составляет 15-20 метров). Под килем его оболочки было подвешено несколько гондол для двигателей, а также большая гондола для пассажиров и экипажа, в которой среди прочего помещалась капитанская рубка, технические помещения, десять двухместных кают, просторная кают-компания и отдельное помещение с умывальниками.
Перелеты на дирижаблях вообще и цеппелинах в частности были гораздо комфортней, чем на тогдашних самолетах (да и большинстве современных тоже). Конечно, конструкторы старались снизить загрузку воздушного судна, но все-таки возможностей из-за колоссальной грузоподъемности дирижаблей у них было куда больше, чем у конструкторов самолетов. Иногда это приводило к странным компромиссам: например, на последователе LZ 127 - LZ 129 «Гинденбург» - в кают-компании было установлено «облегченное» фортепиано, сделанное из авиационного сплава дюралюминия .
Всего LZ 127 налетал 1,7 млн километров или 17 200 часов. Суммарно он перевез 13 000 пассажиров, совершил 590 полетов в разные страны мира и 143 раза пересек Атлантику.
Дирижабли - это опасно?
«Граф Цеппелин» был наполнен водородом и отлетал без серьезных аварий все девять лет своей службы, пока его не разобрали на металл. Но уже тогда немцы понимали, что это очень опасно, и поэтому «Гинденбург» был заложен как газовый дирижабль, наполненный гелием. В реальности все получилось по-другому. Нужное количество газа тогда можно было купить только в США, а американцы ввели эмбарго на экспорт гелия. После немецкая сторона договорилась об особых условиях покупки газа, но за это время к власти в Германии пришло НСДАП, и в результате нацисты запретили импорт из Америки дорогостоящего гелия, который вполне можно было заменить, по их мнению, собственным водородом.
В результате огромный «Гинденбург» (он был еще больше «Графа Цеппелина» - 200 тысяч кубометров объема, чуть больше был только последний цеппелин LZ 130) немного переделали и заполнили водородом. Во избежание опасности немцы даже ввели на дирижабле некоторые строгие правила: у всех пассажиров и команды перед посадкой изымались зажигалки, спички и другие источники огня, а курить на судне можно было только в курилке, отделенной от остальных помещений газовыми клапанами. Но ничего из этого не помогло вечером 6 мая 1937 года.
К тому времени «Гинденбург», запущенный 4 марта 1936 года, совершил уже 63 полета, и новый мало отличался от предыдущих. Дирижабль вылетел из немецкого города Франкфурта-на-Майне, пересек Атлантику, пролетел над Нью-Йорком (капитан даже провел «Гинденбург» в максимальной близости от Эмпайр-стэйт-билдинг - так чтобы пассажиры и горожане в восторге помахали друг другу руками) и отправился на посадку на авиабазу Лейкхёрст, примерно в 135 километрах к юго-западу от Нью-Йорка. Там была ненастная погода, и дирижабль некоторое время кружился над базой, но потом ему разрешили посадку и он успешно пришвартовался к дирижабельной мачте.
Спустя несколько секунд раздался взрыв, и, загоревшись, дирижабль в несколько минут осел на землю. На борту было 97 человек, 36 из них погибло. Кого-то раздавила пылающая конструкция, кто-то получил несовместимые с жизнью ожоги, а некоторые разбились, когда в панике прыгали с дирижабля на землю. Позже комиссия постановила, что авария была вызвана, с одной стороны, разгерметизацией одного из баллонов с водородом, смешавшимся с воздухом, а с другой - искрой, проскочившей в этой взрывоопасной атмосфере из-за наэлектризовавшейся во влажном воздухе непогоды оболочки.
В истории дирижаблестроения были и более страшные катастрофы. Например, в 1933 году в Атлантику из-за ошибок пилотирования упал наполненный гелием американский военный дирижабль USS Akron (тогда погибло 73 из 76 людей, большинство - из-за обморожения). Но именно крушение «Гинденбурга» стало началом конца дирижаблей. Катастрофа болезненно ударила по имиджу фашистской Германии. Немцы сначала запретили своим дирижаблям перевозить пассажиров и совершать любые международные полеты, а потом и вовсе свернули производство цеппелинов и пустили последние из них на металлолом.
Во Вторую мировую американцы еще использовали дирижабли в военных целях, но это был уже закат былой славы.
Дирижабли на войне
Да, в свое время эти неповоротливые конструкции, напоминающие огромных китов, были весьма опасным оружием. В 1908 году Герберт Уэллс в книге «Война в воздухе» описал бомбардировки с дирижаблей, уничтожающие целые города, и скоро его предсказания стали сбываться.
В начале Первой мировой войны дирижабли были почти неуязвимы. Они летали на такой большой высоте, что их было сложно подбить и с земли, и с воздуха - истребителям того времени забираться на такую высоту было тяжело. В результате те же цеппелины могли почти безнаказанно атаковать противника.
Самый известный случай - это бомбардировка Лондона вечером 8 сентября 1915 года. Около двух часов дня с немецкой авиабазы вылетело три дирижабля, по пути два из них развернулись из-за внештатных ситуаций, а третий к восьми часам вечера достиг побережья Британских островов. Там он дождался темноты и дальше, на высоте 2800 метров со скоростью около 100 км/ч, никем не замеченный добрался до Лондона. В городе тогда были введены правила световой маскировки, но на деле их никто не соблюдал. Ярко освещенные улицы, набережные - дирижабль на фоне этой засветки так и долетел незамеченным до самого центра города. В результате бомбардировок погибло 22 человека и было ранено 87 человек. Британцы поняли, что они не так неуязвимы, как казалось.
Позднее войска все-таки смогли противостоять дирижаблям. Зенитные орудия стали дальнобойнее, расчеты ПВО работали точней и аккуратней, а самолеты научились подниматься над дирижаблями и сбрасывать на них бомбы. К концу Первой мировой дирижабли уже не были таким грозным оружием и их военные функции стали меняться. Во Второй мировой войне ВМФ США использовали мягкие дирижабли объемом 12-18 тысяч кубических метров уже не для бомбардировки кораблей, городов и разнообразных наземных объектов, а для борьбы с подводными лодками. Дирижабли выслеживали их и атаковали глубинными бомбами, а сами при этом по понятным причинам оставались в относительной безопасности.
Продолжали использовать дирижабли и после Второй мировой - чаще всего для радиолокационной разведки.
Аэропорты для дирижаблей
На заре дирижаблестроения с посадкой дирижаблей все было очень сложно. С судна выбрасывалось несколько 200-метровых канатов, а на земле причальная команда, состоявшая из десятков или иногда сотен людей, должна была связать их с канатами на швартовочной мачте, с помощью лебедки подтянуть к ней огромный дирижабль и зафиксировать его нос в стыковочном гнезде. После этого дирижабль мог как флюгер вращаться вокруг своей мачты.
Соответственно, для всего этого нужны были и специальные мачты, и умелая команда, которая могла аккуратно справиться с этой физически сложной задачей. Но постепенно техника развивалась, причаливание стало полуавтоматическим и гораздо более простым.
Другое дело - ангары для наземной стоянки дирижаблей. Из-за огромных размеров самих воздушных судов они должны быть настолько большими, что ангары дирижаблей грузоподъемностью несколько сотен тонн в тысячи раз превышают размеры ангаров для самолетов, и никакие складские или подсобные помещения их «при случае», конечно, заменить не могут.
Дирижабли против самолетов: минусы и плюсы
Реальность показывает, что минусов у дирижаблей больше. Во-первых, грузоподъемные дирижабли всегда огромных размеров (гидростатическая сила маленькая, и, для того чтобы поднять с ее помощью внятную полезную нагрузку, объем рабочего газа в оболочке должен быть очень большим). Во-вторых, из-за большого аэродинамического сопротивления у дирижаблей маленькая предельная скорость - не больше 150 км/ч. Кроме того, оболочки дирижаблей постоянно рвутся и нарушаются, а для пребывания дирижаблей на земле нужны огромные ангары. В результате обычные люди в повседневной жизни с дирижаблями сталкиваются только на авиавыставках или разных спортивных событиях, где их традиционно используют в качестве носителей рекламы.
С другой стороны, у дирижаблей есть свои плюсы: их пребывание в воздухе почти бесплатно (поскольку они держатся за счет гидростатической силы) и мало ограничено по времени (советский B-6 поставил рекорд непрерывного полета - 130 часов); грузоподъемность дирижаблей гораздо меньше ограничена конструкционными свойствами материалов корпуса, чем у самолетов (больше оболочка с газом - больше груза можно поднять); дирижабли не требуют взлетно-посадочной полосы; используют значительно менее мощные двигатели и, соответственно, меньше загрязняют воздух; ход дирижаблей гораздо стабильней, чем ход вертолетов (поэтому их можно использовать как «воздушные такси»).
Где сейчас используют дирижабли и где еще они могут найти применение
Про некоторые области мы уже писали выше. Военные используют дирижабли для радиоразведки и наведения на мобильные воздушные цели. Многие частные компании делают их эффектными средствами рекламы, а возродившаяся недавно компания Zeppelin NT «пристроила» их в туризм: немецкие дирижабли катают туристов над живописным озером Бодензее. Кроме того, дирижабли часто используют в спортивных целях.
Лучше всего дирижабли подходят для удаленного мониторинга. Например, сейчас для облета протяженных линий электропередач или трубопроводов используют вертолеты, но в перспективе дирижабли с их продолжительными непрерывными полетами подходят для этих целей гораздо лучше, особенно в условиях колоссальных территорий России.
Что касается будущего, то здесь мечтают о стратосферных дирижаблях, которые можно будет запускать на высоту 25-30 километров. Их можно превратить в своеобразные геостационарные спутники с теми же самыми функциями, что у обычных спутников, но одним существенным отличием: дирижабль можно сравнительно легко опустить на землю, обслужить (поменять, к примеру, оборудование) и снова запустить в стратосферу, где его работа будет поддерживаться энергией солнечных батарей. Такие проекты есть у некоторых американских, японских и даже российских компаний - например, «Росаэросистема» проектирует стратосферный дирижабль «Беркут».
Другой пример: русское воздухоплавательное общество и группа компаний «Метрополь» планируют использовать тепловые дирижабли (то есть работающие на теплом воздухе, а не на газе) для запуска легких космических аппаратов. Их замысел такой: дирижабль с космическим аппаратом на борту взлетает на высоту около 10 км, откуда аппарат запускается на орбиту. В рамках этого проекта дирижабль «Полярный гусь» уже побил рекорд высоты для тепловых дирижаблей и поднялся на высоту 9818 метров.
Также недавно стало известно, что один из основателей компании Google Сергей Брин строит вместе с бывшим директором программ NASA Алау Уэстоном гигантский дирижабль. Проектом занимается компания Planetary Ventures, дирижабль располагается в одном из ангаров, купленных у NASA, но его предназначение пока совершенно неизвестно. Кто знает, может быть, это один из предвестников скорого возвращения величественных воздушных китов на наше небо. Ну или просто ностальгическое хобби.
