Энциклопедия Кольера - воздухоплавательный аппарат

аэростат или дирижабль, использующий подъемную силу заключенного в герметичную оболочку газа, плотность которого меньше плотности воздуха. В качестве подъемного газа могут использоваться нагретый воздух, светильный газ, водород или гелий. Самый легкий из всех газов водород в состоянии поднять груз, вес которого составляет 93% от веса воздуха в объеме, заполненном водородом. Однако водород легко воспламеняется и его смеси с воздухом взрывоопасны, что послужило причиной многих катастроф и трагических случаев. Другим легким газом является гелий, который не способен воспламеняться и вообще химически инертен. Газовая смесь, содержащая 98% гелия, в состоянии поднять груз, равный по весу 84% веса вытесненного ею воздуха. Газ, содержащийся в оболочке, расширяется при нагревании или подъеме на большую высоту, где атмосферное давление меньше. Когда оболочка наполняется и растягивается до отказа, предохранительный клапан открывается и выпускает часть газа. Утечка несущего газа влечет за собой невозвратимую потерю подъемной силы. Чтобы восстановить равновесие, необходимо сбросить часть балласта. При снижении аэростата или охлаждении несущего газа под действием давления окружающего воздуха объем газа в оболочке уменьшается; соответственно уменьшается и подъемная сила. Свободно парящий в воздухе аэростат подвержен только воздействию атмосферной турбулентности: он перемещается под действием ветра вместе с воздушными массами. Чтобы заставить аэростат двигаться относительно окружающего его воздуха, нужен двигатель. При этом тяге двигателя противодействует сила лобового сопротивления, которая направлена противоположно движению аэростата. Аэростат с двигателем может осуществлять полет в желаемом направлении.

СВОБОДНЫЕ АЭРОСТАТЫ

Историческая справка. В 1670 итальянский ученый Франческо де Лана Торци предложил откачать воздух из сферической оболочки, которая затем сможет подниматься в воздухе точно так же, как воздушный пузырек в воде. Однако эта идея не была осуществлена на практике, так как в то время нельзя было найти достаточно легкий и прочный материал для оболочки вакуумного аэростата, который выдержал бы огромную силу внешнего давления атмосферного воздуха. Более реальной оказалась идея заполнения мягкой и легкой оболочки газом, плотность которого меньше плотности окружающего воздуха.

Монгольфьеры. В 1782 братья Жозеф Мишель (1740-1810) и Жак Этьенн (1745-1799) Монгольфье обнаружили, что если легкий бумажный мешок раскрыть над огнем вверх дном, то он наполнится нагретым воздухом и будет подниматься вверх. 5 июня 1783 они продемонстрировали полет воздушного шара диаметром 9 м, заполненного нагретым воздухом. Этот воздушный шар, весивший ок. 140 кг, поднялся на высоту свыше 1,5 км и приземлился на расстоянии 2,5 км от места старта, удивив многочисленных зрителей и, вероятно, самих изобретателей.

См. также МОНГОЛЬФЬЕ; ПИЛАТР ДЕ РОЗЬЕ, ЖАН ФРАНСУА. В последние десятилетия тепловые аэростаты, которые называют также монгольфьерами, переживают эпоху второго рождения в связи с их использованием в спортивных и других мероприятиях.

Шарльеры. Водород, как самый легкий из всех газов, обладает значительными преимуществами по сравнению с нагретым воздухом. В декабре 1783 французский химик Ж.Шарль (1746-1823), насыпав железные опилки в серную кислоту, получил достаточное количество водорода для заполнения им воздушного шара. Он продержался в воздухе на этом аэростате почти два часа и приземлился в 33 км от места старта. Это выдающееся достижение, продемонстрировавшее полное превосходство водорода в качестве несущего газа, послужило мощным стимулом для развития воздухоплавания. В дальнейшем воздушные шары с водородом, или "шарльеры", использовались чаще, чем тепловые аэростаты (см. также БЛАНШАР, ЖАН ПЬЕР ФРАНСУА; ДЖЕФФРИС, ДЖОН; МЕНЬЕ, ЖАН БАТИСТ МАРИ ШАРЛЬ). После Первой мировой войны вместо водорода в качестве несущего газа стали использовать гелий. Как подъемный газ гелий менее эффективен, зато не горит и не взрывоопасен.

Применение аэростатов. В 1870 во время осады Парижа прусскими войсками аэростаты использовались для поддержания связей с внешним миром. В первые годы 20 в. воздухоплавание получило широкое распространение как вид спорта. Международные соревнования на воздушных шарах устраивались ежегодно и были прерваны только с началом Первой мировой войны.

Л. ГАМБЕТТА с поручением французского правительства покидает на аэростате осажденный прусскими войсками Париж (1870).После Первой мировой войны и до начала 1930-х годов свободные аэростаты использовались крайне редко. Интерес к ним вновь возрос как к средству исследования верхней атмосферы. До 1930 рекордная высота подъема в атмосфере, достигнутая человеком, составляла приблизительно 10 км. Выше этой высоты содержание кислорода и его давление недостаточны для функционирования человеческого организма. В первой половине 1930-х был осуществлен ряд успешных экспедиций на аэростатах с герметическими гондолами, в которых нормальное содержание кислорода и давление воздуха поддерживались искусственно, а для работы экипажа создавались комфортабельные и безопасные условия. Рекордный подъем в стратосферу на высоту 18 800 м совершили в СССР 30 сентября 1933 Г.Прокофьев, Э.Бирнбаум и К.Годунов. П.Федосеенко, И.Усыскин и А.Васенко 30 января 1934 на стратостате "Осоавиахим-1" достигли высоты 22 000 м, но при спуске потерпели катастрофу. В 1961 капитан ВМС США М.Росс достиг на воздушном шаре рекордной высоты 34 668 м. Впервые перелет через Северную Атлантику на воздушном шаре, наполненном гелием, был совершен американскими воздухоплавателями Б. Абрудзо, М. Андерсоном и Л. Ньюменом в августе 1978, которые установили при этом рекорд продолжительности полета, продержавшись в воздухе 137 ч 5 мин 50 с. В сентябре 1984 американец У. Киттингер пересек Атлантический океан в одиночку, преодолев расстояние 5689 км за 84 ч.

Конструкция аэростата. Почти до конца Второй мировой войны оболочки аэростатов изготавливали из прорезиненной ткани или другого газонепроницаемого материала; в конце войны стали также использовать легкие пластические материалы, такие, как полиэтилен. Иногда для создания достаточной подъемной силы применялись связки шаров, напоминавшие своей формой гроздь винограда. Однако более традиционной формой воздушного шара была сферическая оболочка с тарельчатым предохранительным клапаном наверху. Управление этим клапаном осуществлялось из гондолы или корзины аэростата, в которой размещались воздухоплаватели и которая подвешивалась с помощью строп, идущих от сетки, наброшенной поверх оболочки. Продовольствие, приборы, якорь с бухтой каната, мешки с песком, используемые в качестве балласта, и все остальное оборудование размещали в корзине, на ее крыше или привязывали в сетках.

Навигация. Передвигаясь с попутным ветром, свободные аэростаты могли преодолевать сотни километров и предоставляли прекрасные возможности для путешествий любителям природы и приключений. Аэростаты могли держаться в воздухе несколько суток без посадки. Навигационные возможности свободных аэростатов были крайне ограниченны и сводились только к набору высоты посредством сброса балласта или к снижению посредством открытия клапана для выпуска газа. Изменить направление полета можно было, изменив высоту полета и переместившись в воздушный слой с другим направлением ветра. Ночью или при сильной облачности, не видя земли, воздухоплаватели определяли свое местоположение и ориентировались с помощью радиомаяков. Для фиксирования положения на малой высоте или для замедления движения в малонаселенной местности с аэростата можно было опустить канат, конец которого волочился по земле (плавучий якорь при полете над водой). Чтобы осуществить плавное приземление аэростата, требовались опыт и сноровка.

ПРИВЯЗНЫЕ АЭРОСТАТЫ

Привязные аэростаты удерживались в воздухе с помощью каната, закрепленного на земле. Их можно было поднимать или опускать, используя лебедку. В 1794 при защите крепости Мобеж французы впервые применили привязной аэростат для наблюдения за австро-голландскими войсками. В метеорологии до того, как нашли широкое применение свободные воздушные радиозонды, использовались сферические привязные воздушные шары, несущие метеорологические приборы. Их поднимали вверх и опускали из движущегося по ветру судна. Стационарные привязные аэростаты часто служили для размещения наблюдателей, а также в качестве средств заграждения (высотой до 5 км) для защиты от налетов вражеской авиации. Они имели обтекаемую форму и оборудовались хвостовым оперением, позволявшим ориентировать их против ветра. Форма оболочки аэростата поддерживалась с помощью внутреннего баллонета или внутренних упругих поперечин между долями оболочки, для создания давления в которых использовался скоростной напор ветра, воспринимаемый воздухоулавливателями, расположенными на передних торцах хвостовых стабилизаторов.

ДИРИЖАБЛИ

Конструкция. Аэростат, оборудованный силовой установкой или каким-либо движителем, превращается в дирижабль. Чтобы способствовать его перемещению в воздухе, наполненная газом оболочка должна иметь обтекаемую форму, т.е. быть вытянутой в направлении движения. Отношение длины дирижабля к его диаметру обычно составляет от 3 до 8. Носовая часть оболочки усиливается с помощью носового конуса, шпангоутов и стрингеров. Оболочка дирижабля поддерживается в натянутом состоянии с помощью баллонетов, которые при наборе высоты заполняются воздухом с помощью ковшового воздухоулавливателя или принудительного наддува и опорожняются при снижении. Большие дирижабли имеют несколько баллонетов, которые могут использоваться как средство статического управления балансировкой дирижабля в вертикальной плоскости посредством перемещения части воздуха вперед или назад. Давление газа в баллонетах контролируется посредством манометров.

Оперение. Для обеспечения поперечной устойчивости при движении дирижабля в воздухе ему, как и летящей в воздухе стреле, необходимо оперение в виде хвостовых стабилизаторов. Большая часть стабилизатора неподвижна, а меньшая (хвостовая) крепится на шарнирной подвеске и может поворачиваться, выполняя роль рулевой поверхности. При традиционном крестообразном расположении четырех стабилизаторов горизонтальные поворотные поверхности служат рулями высоты, а вертикальные рулями направления.

Гондола. Под оболочкой дирижабля на стропах и тросах подвешивается гондола, в которой размещены силовая установка и вспомогательное оборудование. Силовая установка обычно состоит из нескольких поршневых авиационных моторов с винтами, вынесенных на кронштейнах. Горючее, масло, балласт, воздуходувка, радиостанция, приборы и вспомогательное оборудование размещаются внутри гондолы или вне ее (на крыше, внутри обтекателей пилонов или мотогондол). Под гондолой дирижабля установлено колесное шасси, которое можно сделать убирающимся. Гондола может быть оборудована поплавковым шасси для посадки дирижабля на поверхность водоема.

Пилотирование. Пилотирование дирижабля требует знаний и практического опыта в воздухоплавании и самолетовождении. Статически уравновешенный дирижабль будет плыть по ветру или совершать горизонтальный полет. Он может быть несколько тяжелее воздуха, уравновешивая избыточный вес с помощью подъемной силы, возникающей при поднятой вверх носовой части. Если же он легче воздуха, то горизонтальный полет будет происходить с опущенной вниз носовой частью. В этом случае посадку дирижабля производит команда наземного персонала с помощью сбрасываемого с дирижабля причального каната. Пилотирование дирижабля отличается от управления самолетом отсутствием элеронов и тем, что пилоту надо внимательно следить за значениями температуры, силы плавучести и давления газа. Скорости полета дирижаблей нежесткой конструкции составляют от 100 до 130 км/ч.

Дирижабли нежесткой конструкции. Изобрел дирижабль и впервые 24 сентября 1852 совершил на нем полет француз Анри Жиффар. Из первых дирижаблей нежесткой конструкции наиболее известными были дирижабли Сантос-Дюмона во Франции, Парсеваля в Германии и Болдуина в США. Во время Первой и Второй мировых войн вооруженные силы Великобритании и США применяли небольшие дирижабли мягкой конструкции длиной ВОЗДУХОПЛАВАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ 45 м и объемом ВОЗДУХОПЛАВАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ 5400 м3. Их использовали для несения береговой патрульной службы, сопровождения судов и борьбы с подводными лодками противника. После Первой мировой войны фирмой "Гудьир" в Акроне (шт. Техас) под руководством П.Литчфилда была построена серия дирижаблей мягкой конструкции с гелием в качестве несущего газа, которые нашли широкое применение в различных областях. Для них были разработаны специализированные устройства, такие, как причальная мачта, устанавливаемая на гусеничном или колесном транспортном средстве, приспособление для забора балластной воды, неоновые сигнальные огни и кормовые паруса. Они совершили множество замечательных полетов над территорией США и перевезли огромное число пассажиров и экскурсантов во многих городах, а также использовались для решения таких проблем, как доставка почтовой корреспонденции на крыши зданий, аварийно-спасательные работы, управление движением на дорогах. Самый маленький из них одномоторный "Пилигрим" имел объем 1400 м3. Для ВМС США были построены дирижабли объемом 11 500 м3 и 19 600 м3. Последний из них имел разделенную на отсеки гондолу, состоящую из передней кабины управления, отсека с двигателем средней мощности, вращающим два винта, вынесенные на кронштейнах с двух сторон гондолы, нижнюю кабину для размещения наблюдателей и хвостовой отсек для хранения топлива, продуктов и оборудования. Четыре баллонета позволяли регулировать балансировку дирижабля в широком диапазоне. Два многоцилиндровых двигателя мощностью 405 кВт каждый сообщали ему скорость полета свыше 120 км/ч. Материалом для оболочек большинства дирижаблей нежесткой конструкции обычно служила упругая прорезиненная ткань. На наземной станции такая оболочка после откачки из нее газа могла быть свернута в рулон. В 1929 фирма "Меткалф эршип" в Детройте построила дирижабль с тонким металлическим корпусом конструкции Р.Апсона. Обшивка дирижабля была усилена изнутри круговыми металлическими шпангоутами и продольными стрингерами. Он имел сигарообразную форму и восемь стабилизаторов. Форма дирижабля в полете сохранялась с помощью внутреннего давления газа. После Второй мировой войны были созданы дирижабли нежесткой конструкции объемом 27 000 м3 с двумя двигателями, располагавшимися внутри гондолы, мощностью 515 кВт каждый. Для привода винтов, расположенных вне гондолы, использовались трансмиссии и редукторы. Эти дирижабли продемонстрировали высокие летные качества. В марте 1957 один из них совершил полет, длившийся 264 ч без дозаправки топливом. Он вылетел из Бостона и, пролетев вдоль берегов Португалии, Африки и над островами Зеленого Мыса, возвратился к побережью США и произвел посадку во Флориде.

Дирижабли полужесткой конструкции. Желание более равномерно распределить вес гондолы, силовой установки, топлива и полезного груза по всей длине дирижабля побудило конструкторов создать килевую конструкцию, которая в конце 1910-х годов воплотилась в дирижаблях полужесткой конструкции. Это новое направление в дирижаблестроении приобрело наиболее преданных сторонников во Франции (братья Лебоди) и особенно в Италии, где У.Нобиле в 1919 построил полужесткий дирижабль "Рома". Фирма "Гудьир" построила свой первый полужесткий дирижабль RS-1 объемом 19440 м3 в 1923. За ним последовали дирижабли "Норвегия" и "Италия" (1928).

Жесткие дирижабли.

Германия. Большой дирижабль жесткой конструкции, внешняя обшивка которого сохраняет свою форму неизменной независимо от давления наполняющего его газа благодаря балочному каркасу соответствующей формы, впервые был построен в Германии. Своим созданием он обязан инициативе и настойчивости графа Фердинанда фон Цеппелина; дирижабли жесткой конструкции стали называть его именем. В период с 1900 по 1937 фирма "Цеппелин" построила около 130 дирижаблей. Первые цеппелины широко использовались для перевозки пассажиров перед Первой мировой войной, принимали участие в военных действиях на суше и несли патрульную службу на море. Каркас дирижабля набирался из кольцевых поперечных силовых элементов, которые соединяли продольными балками, изготовленными из алюминия и идущими от носа до кормы. Эти элементы стягивали расчалками из стальных струн. На каркас натягивалась матерчатая оболочка, внутри которой размещалось несколько индивидуальных матерчатых газовых резервуаров, покрытых позолотой и разделенных проволочными перегородками. После Первой мировой войны работы по созданию гражданских транспортных цеппелинов были продолжены Г.Экнером. Первыми послевоенными дирижаблями для воздушных путешествий были "Бодензее" и "Нордштерн", имевшие объем ок. 21 600 м3 и развивавшие скорость до 128 км/ч. Воздушный корабль "Граф Цеппелин" объемом 100 000 м3, заполненным водородом, имел в своей конструкции 17 отсеков и 28 продольных балок; пять двигателей мощностью 390 кВт каждый размещались во внешних мотогондолах. Эти двигатели могли работать как на бензине, так и на газовом топливе, что позволило использовать несущий газ, который обычно приходится выпускать через клапаны для компенсации веса топлива, израсходованного в полете. Построенный в 1936 "Гинденбург" объемом 190 000 м3 с 16 отсеками из синтетической ткани, заполняемыми водородом, был непревзойденным по роскоши средством для транспортировки пассажиров по воздуху. Этот сигарообразный аппарат длиной 253 м и диаметром 41 м имел 4 двигателя Дизеля мощностью 780 кВт каждый, оборудованных механизмом реверса. Он мог перевезти груз весом 90 т на расстояние 12 800 км. К сожалению, 6 мая 1937 при посадке в Лейкхерсте (шт. Нью-Джерси) он потерпел аварию и сгорел, унеся жизни 36 человек.

ДИРИЖАБЛЬ "ГРАФ ЦЕППЕЛИН" перевез 20 пассажиров в своем первом трансатлантическом рейсе в 1928. За девять лет эксплуатации его услугами воспользовались 13 110 пассажиров.Кроме цеппелинов, в Германии были созданы другие, менее известные дирижабли жесткой конструкции. Их производила компания "Шютте-Ланц", которая в 1911 построила экспериментальный дирижабль объемом 19 000 м3, а в период Первой мировой войны пять военных дирижаблей объемом ок. 54 000 м3. Они имели деревянный каркас с продольными несущими балками и круговыми шпангоутами и были оборудованы двигателями, устанавливаемыми во внешних мотогондолах.

Великобритания. В период с 1915 по 1930 в Великобритании было построено несколько серий дирижаблей жесткой конструкции. Английский дирижабль R-34 объемом 55 300 м3, имевший пять двигателей мощностью 200 кВт каждый, совершил в 1919 первый трансатлантический перелет. Дирижабль R-101 объемом 135 000 м3, длиной 212 м и диаметром 44 м имел силовую установку из пяти двигателей Дизеля мощностью 480 кВт каждый. Его каркас был изготовлен из нержавеющей стали. В Великобритании была разработана техника швартовки дирижаблей жесткой конструкции к высоким причальным мачтам.

США. В США первым дирижаблем жесткой конструкции был дирижабль ВМС США "Шенандоа" с металлическим корпусом, который имел такую же (но несколько более удлиненную) форму, как германские цеппелины периода Первой мировой войны. Затем появились "Акрон" (1931) и "Макон" (1933), построенные корпорацией "Гудьир Цеппелин", объемом 175 000 м3 каждый, максимальным диаметром 40 м и длиной 240 м. Они использовали гелий в качестве несущего газа и имели ряд новшеств в своей конструкции. На четырех стабилизаторах большой площади размещались рули высоты и направления с триммерной сервокомпенсацией. Восемь двигателей Майбаха с устройствами реверса мощностью 420 кВт каждый устанавливались в отдельных отсеках по четыре двигателя с каждой стороны дирижабля. Эти двигатели посредством трансмиссионных валов вращали винты, которые можно было поворачивать и создавать либо горизонтальную тягу для движения вперед (или торможения при реверсе тяги), либо вертикальную тягу для взлета и посадки. Главная кабина управления размещалась под корпусом в передней части дирижабля. Кроме того, имелась вспомогательная кабина управления, располагавшаяся в нижнем стабилизаторе. Внутри корпуса этого гигантского дирижабля был предусмотрен встроенный самолетный ангар с раздвижным полом. В ангаре можно было разместить пять специальных самолетов. Самолет заправлялся топливом и затем с помощью круговой подвесной монорельсовой дороги перемещался на трапецию, которая опускала его вниз для осуществления взлета и поднимала на борт дирижабля после возвращения. Эти дирижабли могли швартоваться к стационарной или перевозимой на гусеничном тягаче мачте. Дирижабль "Макон" имел крейсерскую скорость 136 км/ч при дальности полета 16 000 км. Общий вес дирижабля составлял 200 т при полезной нагрузке 90 т. В запасе еще оставалось 15 т динамической подъемной силы, которую можно было использовать для компенсации веса ледяной корки или других непредвиденных нагрузок. Эти дирижабли имели отличную маневренность и могли осуществить разворот с радиусом, который лишь в четыре раза превышал их длину.

См. также ЦЕППЕЛИН, ФЕРДИНАНД.

ЛИТЕРАТУРА Брауде Б.Г. Воздухоплавательные летательные аппараты. М., 1976 Арие М.Я., Полянкер А.Г. Дирижабль нового поколения. Киев, 1983 Арие М.Я. Дирижабли. Киев, 1986