CC BY
111
Инновации в науке № 12 (49). 2015 г
^ СибДК
www.sibac.info
6. Николаев А.А., Корнилов Г.П., Тулупов П.Г., Повелица Е.В. Анализ различных вариантов построения систем автоматического управления перемещением электродов дуговых сталеплавильных печей и установок ковш-печь // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. - 2015 - № 3 (51).
7. Свенчанский А.Д. Автоматическое управление электротермическими установками. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 416 с.
8. Nikolaev A.A., Tulupov P.G., Anufriev A.V. Assessing The Feasibility of Electrical Mode Control of Ultra-High Power Arc Steelmaking Furnace Based on Data about Harmonic Composition of Arc currents and Voltages // 16th International conference on Research and Education in Mechatronics. Proceedings. - 2015. - 322 p.
ДИРИЖАБЛЬ, КАК ОСНОВНАЯ АЛЬТЕРНАТИВА НАЗЕМНЫМ ПЕРЕВОЗКАМ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ГРУЗОВ
Федорова Ольга Александровна
студент второго курса Уфимского Государственного Авиационного Технического Университета, РФ, Республика Башкортостан, г. Уфа E-mail: [email protected]
Целищев Дмитрий Владимирович
доц. кафедры Прикладной Гидромеханики Уфимского Государственного Авиационного Технического Университета, РФ, Республика Башкортостан, г. Уфа E-mail: [email protected]
89
Инновации в науке № 12 (49 2015 г
^СибАК
www.sibac.mfo
AIRSHIP, AS THE MAIN ALTERNATIVE TO LAND TRANSPORT BULKY CARGO
Olga Fedorova
second-year student of Ufa State Aviation Technical University, Russia, Republic of Bashkortostan, Ufa
Dmitriy Tselishchev
candidate of Science, Head of Applied Fluid Mechanics department, assistant professor of Ufa State Aviation Technical University, Russia, Republic of Bashkortostan, Ufa
АННОТАЦИЯ
В статье предлагается общий обзор о дирижаблях в отношении их транспортного значения. Также рассматривается вопрос об их использовании в военной, туристической и спасательного сфере во всем мире. Особое внимание уделяется техническим характеристика дирижаблей. На основе проведенного анализа по грузообороту, можно судить о востребованности перевозок крупногабаритного груза воздушным транспортом. Хотя работа не является исчерпывающей по ряду вопросов (так, например, о существующем вооружении дирижаблей - за недостатком материалов), но представляет интерес, как одна из немногих работ по данному вопросу.
ABSTRACT
The article offers an overview of the airships in relation to their vehicle value. Also considering their use in the military, tourism and rescue field worldwide. Particular attention is paid to the technical characteristics of the airship. Based on the analysis of cargo turnover, it is possible to judge the demand for transportation of bulky cargo air transport. Although the work is not complete on a number of issues (for example, about the existing armed airships - for lack of materials), but is of interest as one of the few works on this subject.
Ключевые слова: дирижабль; перевозки; грузооборот.
Keywords: airship; transportation; cargo turnover.
Воздушный транспорт - самый быстрый и в то же время самый дорогой вид транспорта. Наиболее востребованная сфера применения воздушного транспорта - пассажирские перевозки на большие расстояния. Не менее важными являются и грузовые перевозки, но их доля очень низка. Поскольку крупногабаритные грузы типа
90
Инновации в науке № 12 (49). 2015 г
СибАК
www.sibac.info
буровых установок или шахтного оборудования авиатранспортом не перевезти. Во многих труднодоступных районах (в горах и в Северных районах) воздушному транспорту нет альтернатив. В таких случаях, когда в месте посадки отсутствует аэродром, используют не самолёты, а вертолёты, которые не нуждаются в посадочной полосе. К сожалению, у современных самолетов есть недостаток - шум при взлете, который значительно портит качество жизни населения, расположенных рядом с аэропортами районов.
Родиной дирижаблестроения принято считать Германию. Как известно, самые первые воздушные суда были легче воздуха. В 1709 году был запущен первый воздушный шар. Данная конструкция была неуправляема. В конце XIX века в воздухе появились огромные воздушные корабли - дирижабли. А в конце XX века дирижаблестроение вновь возродилось. Уже тогда совершались регулярные перелёты между Европой и Америкой. А на пороге войны дирижабли были стратегическим оружием Германии против Великобритании. Немецкий пассажирский дирижабль-лайнер «Гинденбург» олицетворял всю мощь Германии. Очевидно, были предприняты все попытки дискредитировать саму идею дирижабля. И видя ситуацию, которая складывается сегодня, это прекрасно удалось.
Век классических дирижаблей закончился в 1937 году, когда прямо в аэропорту Нью-Йорка сгорел легендарный аэростат «Гинденбург». Новый век обновленных дирижаблей все никак не может начаться, при том, что это - потенциально самый дешевый вид воздушных грузоперевозок.
Уступая авиации в скорости, управляемые аэростаты имеют ряд важных преимуществ, благодаря которым, собственно, возрождается дирижаблестроение. Во-первых, главное отличие дирижаблей от самолетов заключается в том, что они значительно легче. Они, подобно морским кораблям держатся в своей среде благодаря инертному гелию. А за счёт действия закона Архимеда аэростаты не тратят топливо на поддержание высоты, они его тратят лишь на движение вперед, что сразу дает не только гигантскую экономию, в десятки раз, но и экологическую чистоту, по сравнению с самолетами, что в наше время чрезвычайно важно. В отличие от подъемной силы крыла, которая напрямую зависит от скорости аппарата, а значит, от мощности двигателя, дирижабль поднимается в воздух за счет легкого газа. Двигатели же нужны в основном для перемещения в горизонтальной плоскости и маневрирования. Поэтому летательные аппараты такого типа могут обходиться моторами двигатели значительно меньшей мощности, чем потребовались
91
Инновации в науке № 12 (49 2015 г
^СибАК
www.sibac.mfo
бы самолету при равной величине полезной нагрузки, что также дает дирижаблю преимущество в экономии денежных средств. Улучшение управляемости, особенно на малых скоростях и скоростях равных нулю, достигается за счет движителя колебательного типа. Рациональная компоновка силовой установки и система изменения вектора тяги двигателей обеспечивают хорошую управляемость у земли и высокую точность маневрирования и приземления. Кроме того, дирижабль выигрывает в безопасности перед самолетами или вертолетами. В случае аварийной ситуации, или отказа любого механизма, дирижабль, как воздушный шар, останется висеть в воздухе, в то время как самолета неизбежно упадет. Следует отметить, что дирижабль передвигается по прямой, как самолет, ему не нужны перевалочные пункты, он способен, забрав груз у отправителя, сразу доставить его получателю.
Схема с классификаций воздушных судов представлена на рисунке 1.
Планер - Дирижабль: Свободный аэростат
Воздушный Змей Привязной .аэростат
Самолет
Рисунок 1. Классификация воздушных судов
Основные различия между всеми летательными аппаратами заключаются в удельном весе, наличии и типе силовой установки, а также способе получения подъёмной силы. Специалисты выделяют еще одну особую группу дирижаблей, таких как гибридные, которые объединяют в себе несколько из указанных выше свойств. Дирижабль - это своего рода усовершенствованный аэростат. По типу оболочки
92
Инновации в науке № 12 (49). 2015 г
^ СибДК
www.sibac.info
их подразделяют на три вида: мягкой, полужесткои и жесткой системы. Дирижабли мягкой системы «обтянуты» многослойной прорезиненной тканью, жесткие крепления отсутствуют. В дирижабли полужесткой системы имеются жесткие крепления - штанги (ранние дирижабли) и специальные платформы, идущие по всей нижней части оболочки (современные дирижабли). Жесткая система дирижабля представлена металлическим каркасом остовом, который обтягивается специальной алюминированной материей, предотвращающей чрезмерный нагрев солнцем.
Конструкция дирижабля представляет собой эллипсовидную форму, состоящую из газовместилища с баллонетом, гондолы и гайдропа. Баллонет - небольшой внутренний газонепроницаемый отсек, в который нагнетается воздух. Находится баллонет между газовой и внешней оболочкой дирижабля в газовместилище. Его назначение - регулировать давление подъемного газа в оболочке, вследствие чего происходит нагрев или охлаждение газа, и дирижабль совершает подъем или опускание. Таким образом, удалось уменьшить прочность каркаса, а тем самым и его вес, за счет работы по сохранению формы дирижабля, которую несет металлическая оболочка.
В дирижаблях мягкой и полужёсткой систем неизменяемость внешней формы достигается избыточным давлением несущего газа, постоянно поддерживаемым баллонетами. Например, оболочка дирижабля «Италия» изнутри была разделена на газовместилище и баллонет. В свою очередь газовместилище состояло из десяти отсеков, а баллонет - из восьми (рисунок 2).
Гондола дирижабля - кабина управления, в которой располагается экипаж или контрольные устройства летательного судна. Может представлять собой корзину или же полностью герметичную капсулу наподобие батискафа в зависимости от условий
93
Инновации в науке № 12 (49 2015 г
^СибАК
www.sibac.mfo
полета. Гондола дирижабля должна надёжно защищать экипаж от критических условий стратосферы - низкого давления воздуха и низкой (до - 70°C) температуры. Оболочка гондолы должна выдерживать значительное внутреннее давление, при том, что изготавливается она из лёгких металлов, таких как алюминий, и обычно имеет сферическую форму. Обычно, полёт длится в течение многих часов, и экипажу необходима система восстановления воздуха, как например, в подводных лодках и космических кораблях. Для поглощения углекислого газа может применяться гидроксид лития, для восполнения запасов кислорода - баллоны с сжатым или с жидким кислородом.
Рисунок 3. Гондола дирижабля
Та часть гондолы, в которой происходит управление дирижаблем, располагается в нижней его части, составляя с корпусом дирижабля одно целое (рисунок 3). Она предназначена для командира и его ближайших помощников, оборудована всеми новейшими приборами аэронавигационной техники. Кабина для радиотелеграфиста и команды помещается внутри дирижабля. Помещения эти очень удобны и достаточно обширны. Радиостанция дирижабля имеет 2 передатчика с отдельными антеннами на 800 км и на 8000 км, имеется радиоприемная аппаратура. Гайдроп - специальный трос, предназначавшийся для измерения остаточной высоты и для причаливания воздушного судна. Он прикреплялся к нижней части гондолы. В современных дирижаблях отсутствует необходимость гайдропа. (рисунок 4).
94
Инновации в науке № 12 (49). 2015 г
СибАК
www.sibac.info
Рисунок 4. Гайдропы
Кроме того, современные дирижабли могут оснащаться солнечными батареями для питания приводов, как например беспилотный дирижабль «Страткэт» грузоподъемностью 1000 кг, или использовать вертолётные движители (вертолётные винты
с автоматами перекоса и изменения шага лопастей винтов) для получения вертикальной и горизонтальной тяги в режимах взлёта, посадки и маневрирования в режиме неподвижности [1, с. 27].
Так, схема нового летательного аппарата БАРС («Безаэродромный с Аэростатической Разгрузкой Самолет»), разработанная Александром Филимоновым в 1982 году, сочетает в себе качества дирижабля, самолета, вертолета и судна на воздушной подушке [4]. Грузоподъемностью такого аэростата составляет 500 тонн,
а крейсерская скорость - 300 км/ч. БАРС способен перевозить на подвеске целую буровую вышку с оборудованием. Экономическая оценка проекта показала, что пассажиро- и грузоперевозки дирижаблем данного типа в 8-10 раз ниже стоимости самолетом, в 15-20 раз дешевле вертолета, в 6-8 раз дешевле автомобильного, в 3-5 раз - железнодорожного, и в 1,5 раза - водного.
Проведем сравнение цен на строительство и эксплуатацию летательного аппарата БАРС и российского ближнемагистрального самолета Ту-334, произведённого в КАПО имени С.П. Горбунова [3]. Для самолетостроителей воздушный пассажирский лайнер обходится в 16,5... 17,5 млн. долларов. Для постройки дирижабля
грузоподъемностью от 20 до 500 тонн требуются вложения в размере 1 млн. на одну тонну грузоподъемности, серийные аппараты будут обходиться примерно в 10 раз дешевле опытных. В результате можно
95
Инновации в науке № 12 (49 2015 г
^СибАК
www.sibac.mfo
получить значительные средства для экономики, замороженные в товаре и освободить большое количество людей, к примеру, если для посадки дирижабля требовалось 50 человек, то сейчас контроль приземления осуществляется бортовыми компьютерами, а экипаж дирижабля составляют 6 человек.
Наряду с этим, дирижабль способен достаточно длительное время находиться в воздухе. Конструкция аэростата не требует взлетно-посадочных полос, а габариты грузовых отсеков достигают размеров трюмов транспортных кораблей. Создание сверхгрузоподъемных самолетов и вертолетов имеет ограничения по прочностным характеристикам конструкционных материалов. Для дирижаблей же таких ограничений нет. К примеру, воздушный корабль с полезной нагрузкой 1000 т для современных конструкторских технологий уже не представит большой трудности в разработке. В проекте Росавиации стояла задача о рассмотрении проекта «Атлант» компании «Авгур», где будут разрабатываться дирижабли в жестком корпусе. В сентябре 2014 года грантовый комитет фонда «Сколково» выделил ОКБ «Атлант» грант в размере 18,8 млн. руб. Достигнута договоренность с соинвестором (до 160 млн. руб.) Выход дирижабля «Атлант-30» на летные
испытания с объемом оболочки 30 тысяч куб. м и грузоподъемностью 16 тонн планируется в 2017-2018 гг., дирижабля «Атлант-100» грузоподъемностью 60 т - 2018-2020 гг.
С учетом двух решенных проблем - малой скорости по сравнению с самолетом и низкой маневренностью - можно получить дирижабли с максимальной скоростью до 200 км/ч, и маневренностью, которая будет достигаться благодаря новым формам дирижаблей. Стоит заметить, что автомобили могут достигать таких же скоростей, но, в отличие от воздушного транспорта, автомобильным средствам двигаться с такой скоростью запрещено, тем более с грузом.
Зарубежная воздушная авиация также разрабатывает новые проекты по созданию сверхмощных дирижаблей. Так, например, на североамериканском континенте корпорация Worldwide Aeros создала комфортабельный летательный аппарат ML 866 [5]. Оболочка дирижабля имеет аэродинамическую форму. Исходя из опытов работы, американские инженеры считают, что металлическая оболочка дирижабля гораздо прочнее и газонепроницаема, чем мягкая прорезиненная материя. Не исключено, что данное воздушное судно будет использоваться и в военных целях, например, для наблюдения или связи. В Канаде компания Skyhook совместно с Boeing объявила
96
Инновации в науке № 12 (49). 2015 г
СибАК
www.sibac.info
о проекте грузового дирижабля JHL-40 с полезной нагрузкой 40 т [6]. А Российский воздухоплавательный центр разрабатывает радиоуправляемые дирижабли мягкого типа. За прошедший период были разработаны, изготовлены и испытаны дирижабли: одноместный Au-11; двухместный Au-12, имеющий несколько модификаций; многоместный Au-30, используемый для обработки высотной аэростатической платформы [2, с. 47].
Весьма перспективной областью применения дирижабля может стать перевозка крупногабаритных грузов. По мнению Министерства промышленности и торговли РФ, дирижабли могли бы использоваться для транспортировки грузов в труднодоступных районах нефтяных и газовых разработок, в том числе и на арктическом шельфе, а также при перевозке грузов по Сибири и Дальнему Востоку. Сейчас их транспортируют в основном по морю. Но чтобы доставить негабаритный груз, скажем, из Японии в Англию, требуется как минимум 18 суток, дирижабль типа ДС-3, разработанный Долгопрудненским КБ автоматики в 2009 году, представляющий собой многофункциональную аэростатическую платформу, грузоподъемностью 3 тонны, мог бы справиться с такой задачей за 4 дня. При этом доставка осуществлялась бы напрямую.
Изменение грузооборота по сравнению с предыдущим годом по видам транспорта представлены на рисунке 5.
□ Трубопроводный транспорт
■ Автомобильный транспорт
□ Ж/д транспорт
□ Воздушный транспорт
■ Водный транспорт
Рисунок 5. Грузооборот за 1 кв. 2014-2015 гг. (млрд. т-км)
Грузооборот железнодорожного транспорта увеличился за отчетный период на 0,2 % до 563 млрд. т-км, воздушного -на 13,4 % до 1,3 млрд. т-км, водного транспорта сократился на 5,2 % до 6,3 млрд. т-км. Грузооборот трубопроводного транспорта умень-
97
Инновации в науке № 12 (49 2015 г
^СибАК
www.sibac.mfo
шился на 5,6 % до 620,9 млрд. т-км. Грузооборот автомобильного транспорта снизился на 6,5 % до 563 млрд. т-км.
Несмотря на то, что в первом квартале 2015 года грузооборот снизился, спад оказался не столь критичным. Грузооборот составил 1247,6 млрд. тонно-километров, это ниже показателей аналогичного квартала прошлого года только на 1,7 %.
Однако, если рассматривать структуру грузооборота
по отдельным видам транспорта, то можно заметить, что рост был характерен только для железнодорожного (0,2 %) и воздушного транспорта (+13,4 %). Именно они оказались в меньшей степени затронуты погодными условиями, а также влиянием негативных экономических факторов.
Еще больше преимуществ у дирижаблей перед
железнодорожным транспортом. Чтобы перевезти крупногабаритное оборудование для нефтяных и газовых месторождений, массой свыше 100 тонн, потребуется несколько железнодорожных составов. А данный груз, казалось бы, в структуре грузооборота занимает всего 2 % от общего объема. Не столь много, но транспортировать их необходимо. Чтобы покрыть нужны в сфере перевозок крупногабаритного груза страны понадобится всего 10 дирижаблей: один грузоподъемностью 600 тонн, два - на 200 тонн и семь аппаратов -по 100 тонн. С появлением грузовых дирижаблей, увеличится спрос на крупногабаритные перевозки. К примеру, чтобы обустроить месторождение необходимо поставить насосные и компрессорные станции, буровые установки. Сегодня все конструкции перевозятся в разобранном виде, а по прибытии на место снова собираются. Значит, приходится не только нести транспортные расходы, но и оплачивать монтажные работы, которые обходятся в три раза дороже.
Появление дирижаблей облегчит задачу перевозки с заводов габаритных блоков прямо на площадку месторождения. Задействованы будут не 200 человек, а всего 10. Это сэкономит и время, и деньги.
Аэростатические летательные аппараты немало интересны и в военном деле. На них можно устанавливать радары для обнаружения низколетящих целей, радиорелейную аппаратуру, а также аппаратуру наблюдения в видимом и инфракрасном диапазонах.
США планирует использовать стратосферные дирижабли в системе Противоракетной обороны. Учитывая сегодняшнее развитие ракетных технологий, вполне возможно, что дирижабли будут использоваться и в качестве носителей ракетного оружия, подобно ракетоносцу, который без захода в воздушное пространство
98
Инновации в науке № 12 (49). 2015 г
^ СибДК
www.sibac.info
противника, и в идеале находясь за пределами действия противовоздушной и противоракетной обороны противника, сможет обстреливать крылатыми ракетами объекты на враждебной территории. В результате «на свет появляется» новый летательный аппарат, своего рода воздушный корабль-арсенал, по типу тех, которые собирается строить США на море.
Помимо грузоперевозок, «воздушные тихоходы», пусть и в малом количестве (например, в России их эксплуатируется всего 9 штук), довольно активно используются для различных видов работ по мониторингу территорий, а также выступают в качестве своеобразных аттракционов, совершая короткие перелёты с пассажирами на борту. Заметим, что дирижабли, выигрывая по грузоподъемности, способны помочь решить и транспортные проблемы больших городов, упростив доставку на склады и в крупнейшие магазины, которая будет осуществляться по воздуху. Несмотря на свои большие габариты, дирижабль способен разгрузиться в абсолютно любом месте, он может доставлять грузы, как в большой город, так и в маленькую деревню. При этом строительство причальных станции не требует большого капиталовложения, как например, для строительства аэродромов.
В силу возможностей современных конструкторских технологий и разработок, дирижабли больше не требуют применения специальных мачт для швартовки, а также эллингов огромных размеров и укрытий. Прочность конструкции дирижабля должна обеспечивать полет в неблагоприятных погодных условиях. Это достигается максимально высокой скоростью до 250 км/ч на высоте 5-10 км. Такая скорость необходима дирижаблю для того, чтобы обеспечить большой радиус полета в условиях встречного ветра, учитывая, что чем больше скорость полета, тем в меньшей степени скажется на дальности полета встречный ветер. При скорости полета 80 км/ч в случае сильного встречного ветра, близкого к 80 км/ч, дирижабль будет оставаться на месте, и чем больше будет разница между скоростью встречного ветра и скоростью полета дирижабля, выигрыш в пролете большего расстояния будет в большей степени в пользу дирижабля. К тому же на разной высоте ветер имеет разную скорость и направление. Если согласовать карту потоков ветров на заданном маршруте, то достаточно выбрать нужную высоту, а «высотный ветер» сам направит аэростат в нужную точку. Главный недостаток дирижаблей -относительно малая скорость по сравнению с самолётами и вертолётами - уже учтен в проектах разработки нового корпуса
99
Инновации в науке № 12 (49 2015 г
^СибАК
www.sibac.mfo
дирижабля, что дает возможность полноценного возвращения и использования дирижабля в авиации.
Анализируя вышеизложенное, можно прийти к выводу, что дирижаблестроение имеет большие перспективы. Даже оценочный взгляд дает понять, что потребность, в дирижаблях достаточно велика. Кроме вышеперечисленного это и спасательные работы, и тушение пожаров, и экзотический туризм и многое другое. Наверно проще сказать, где не нужны дирижабли, чем назвать все сферы их возможного применения.
Список литературы:
1. Беляев Виктор. Дирижабли плывут через XXI век / Виктор Беляев // Вестник воздушного флота. - 2005 - № 1. - С. 24-27 - ISSN XXXX-XXXX.
2. Верба Геннадий Ефимович. Дирижабли и аэростатные комплексы. Современное состояние и перспективы / Г.Е. Верба, П.А. Понамарев, С.В. Федоров // Полет. - 2008. - № 5 - С. 45-50 - ISSN 1684-1301. -Библиогр.: С. 50 (5 назв.).
3. Ту-334 - Туполев - [Электронный ресурс]. - Режим доступа:
http://www.tupolev.ru/tu-334 (Дата обращения 02.11.15).
4. Филимонов А.И. Технико-экономическое обоснование по проекту
«Воздушного транспортно-технологического комплекса» на основе «Безаэродромного с аэростатической разгрузкой самолета (БАРС)» -[Электронный ресурс]. - Режим доступа:
http://www.tumenecotrans.ru/bars.html (Дата обращения 11.11.15).
5. John Kiehle. World’s largest aircraft, revolutionary self-ballasting aeroscraft -
[Электронный ресурс] // Aero’s New: сайт. - URL:
http://aeroscraft.com/news/4588149126 (Дата обращения 26.10.15).
6. Loz Blain Skyhook and Boeing build the world's largest VTOL aircraft -
[Электронный ресурс] - // Aero’s New: сайт. URL:
http://www.gizmag.com/skyhook-and-boeing-team-up-to-build-the-worlds-largest-vtol-cargo-aircraft/9618/ (Дата обращения 24.11.15).
100
