Новый тип дирижабля для освоения Сибири, Северного морского пути, тушения леса и туризма

Для освоения труднодоступных районов России с минимальным нанесением вреда природе и туризма целесообразно использовать комбинированные паровые дирижабли.
https://ic.pics.livejournal.com/ss69100/44650003/3468104/3468104_600.jpg
Новейшие виды теплоизоляции, конденсация и испарение воды для изменения подъёмной силы, водород в качестве топлива, хранения его в микросферах, топливные элементы, электроприводы винтов, цифровое управление кардинально улучшают манёвренность дирижабля (в особенности, при приземлении) и экологичность эксплуатации.

Ключевые слова: грузовой дирижабль, экология, топливо, водород, безопасность, цифровое управление. туризм.

1. Введение

Для оборудования 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 её 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.

Большие относительно тихоходные надёжные транспортные средства с управляемой переменной высотой наблюдения аэростаты весьма нужны для развития туризма в малодоступных районах.

Поэтому развитие надёжного экономичного транспорта, особенности для дальних расстояний и больших грузов, не требующее больших затрат на земляные работы, является актуальной проблемой.

Таким условиям в наибольшей степени соответствуют новые типы дирижаблей [1] (вертолеты имеют низкие экономичность, максимальную дальность и грузоподъёмность).

2. Особенности комбинированных паровых дирижаблей

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 подъёмных сил, что особенно сказывается при посадке. Зависание в воздухе и разгрузка без приземления фактически возможны только при слабом ветре,

- необходимость циклопических металлических эллингов для сохранения дирижаблей на стоянках при сильных ветрах вследствие большой парусности их, заправочных топливных систем, комплексов газового оборудования, причальных подвижных мачт на базе грузовых автомобилей и подготовленных площадок для передвижения их, многочисленных квалифицированных обслуживающих команд с соответствующими затратами при старте и приземлении,

- в отличие от вертолетов, посадка крупнотонажных 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% объёма дирижабля, сжимающих баллоны с подъёмным газом (гелием) с помощью специального компрессора, сбросом баласта, уменьшающим полезную нагрузку.

Замедленная реакция на эти воздействия совершенно недостаточны, 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 плёнками газом, легче воздуха.

Это позволяет вернуться к использованию в качестве подъёмного газа водяного пара, с неудачи использования которого начиналось воздухоплавание. Подъёмная сила водяного пара при температуре 110 ◦

С лишь в полтора раза меньше, чем гелия, и в несколько раз выше, чем теплого воздуха. Это дешёвое широко распространённое 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 объём газа и тем самым, плавучесть аппарата, использующего этот эффект.

Это определяет принципиальные конструктивные особенности таких дирижаблей. Использование уникальных свойств наиболее эффективно с увеличением габаритов и грузоподъёмности аппарата, так как подъёмная сила увеличивается пропорционально кубу линейного размера, а наружная поверхность и соответственно теплоотдача пропорционально квадрату размера.

Такой дирижабль должен включать ёмкости-баллоны почти постоянного объёма с подъёмным легким газом (гелием), воспринимающие основную часть веса груза, и отсеки с баллонами переменного объёма с водяным паром, покрытые эффективной гибкой теплоизоляцией, включающие электрические (возможно и плазменные) 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 подъёмного 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 подъёмных аэростатах для трелёвки леса. Несмотря на современные достижения в повышении непроницаемости материалов, всё 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 к.п.д. (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 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.

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 технике, уровень безопасности даже более высокий, чем при протечке и разливе жидкого топлива

3. Конструкция оригинальных элементов дирижабля

Рассмотрим возможные принципиальные отличия конструкции наиболее распространённого в настоящее время полужёсткого дирижабля с современными изменениями (см. рис.1, известные узлы показаны частично).

Рис.1 Конструктивная схема дирижабля: 1-носовое усиление; 2-наружная оболочка; 3-пароводяной отсек; 4-верхний стабилизатор; 5-боковой стабилизатор; 6-руль высоты; 7-руль направления; 8-нижний стабилизатор; 9-килевая ферма; 10-мотогондалы с винтами; 11-пассажирская гондола; 12-амортизатор.

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 подъёмным газом. Водяные баки могут быть существенно меньшего объёма, 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 ёмкостями с подъёмным газом – гелием или ингибированным водородом – занимают большую часть внутреннего объёма, включают предохранительные и заправочные клапаны, подсоединены к общей системе и воспринимают основной вес конструктивных элементов и груза.

Паровые отсеки обеспечивают дополнительную подъёмную силу, маневрирование по вертикали и изменение подъёмной силы, взлет и посадку (см. рис.2).

Рис.2. Пароводяной отсек. 1-вертикальная пневмобалка с прикреплённым тросом, 2-ролик с управляемым фиксатором, 3-ролики с тросиками, 4-гофрированная стенка, 5-электронагреватель, 6-гибкая трубка подачи воды, 7-распределитель с форсунками, 8-верхнее днище, 9-стойка с датчиками температуры, давления, уровня воды, 10- нижнее днище, 11-килевая балка.

Они включают несколько ёмкостей с жесткими нижним и верхним днищами и вертикальными гофрированными стенками с круговыми тросами на минимальных радиусах гофр. Для правильного складывания их при изменении объёма с помощью поперечной пневмобалки вокруг натягиваются вертикальные тросы, по которым могут передвигаться ролики с тросиками, прикреплёнными к этим стенкам, а также ролик с управляемым фиксатором, гибко прикрепленный к верхнему подвижному днищу, передающий подъёмную силу на тросы и килевую ферму).

Вся ёмкость 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 выполнено в виде краевого торового надутого баллона с натянутым материалом оболочки.

В центре верхнего днища устанавливается распределитель с форсунками, распиливающими воду внутри ёмкости. 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.

4. 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 подъёмным газом, водой, топливом, проверку всех систем, клапанов и стартового крепления аппарата, противооблединительную 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 подъёма отпускаются удерживающие тросы. Моторные гондолы развивают максимальную мощность. Количество пара вследствие нагревания и вскипания жидкой воды увеличивается, что приводит к росту подъёмной силы.

Верхнее днище под действием небольшого избыточного давления поднимается и фиксируется на тросе в некотором среднем положении, передавая подъёмную силу на килевую ферму.

Так как с увеличением высоты подъёмная 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 объёмом аэростата (к сожалению, реализация предложения была прервана его уходом). Дополнительно регулирование плавучести достигается изменением количества подъёмного газа (пара).

Вода является уникальным веществом, удельный объём 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 подъёмной 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 подъёмной силы и высоты.

Такой способ существенно эффективнее и требует гораздо меньшее пространство, чем использование тяжелых компрессоров, надувающих воздухом баллонеты, занимающие до 25% объёма дирижабля.

Надо отметить, что запас воды может быть очень небольшим, так как вода вырабатывается при соединении водорода с кислородом атмосферы (см.выше).

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 лебёдка, то якоря прицельно выстреливаются в её район и потом соединяются с лебёдкой. 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 вместо металлического использовать надувной матерчатый ангар с пневмобалками высокого давления без пола.

Он может быть поворотным вокруг центра, как сейчас дирижабли. При старте просто стаскивается с заполнением выравнивающих и опорожнением части балок. Дирижабль остается на своей поворотной мачте.

Исключается повреждения при выходе из ангара и необходимость в большой стартовой команды Можно 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. 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.

Всё 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 ёмкостях, 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 манёвренность 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 3-хмерное управление грузовыми 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 крупнотонажных грузах [1], на необорудованных местах побережья 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 и туризма без нарушения экологии 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 электропривода позволяет организовать экологичную бесшумную эксплуатацию таких аппаратов.

Преимущества таких грузовых и пассажирских дирижаблей возрастают при увеличении размера и грузоподъёмности, а также 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 водородновоздушных смесей. Патент RU 2081892C1, МПК С09К 15/04, С10L3/00 приор.16.051994.

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, 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.