Віртуальна аерокосмічна школа

 





Літальні апарати легше повітря

 Літальні апарати легше повітряДо цього типу ЛА, як вже вказано, відносяться повітряні кулі, які на сучасний лад мають назву аеростатів, дирижаблі. Сюди також віднесені комбіновані аеростатичні ЛА, які мають загальновизнану умовну назву – мікст (від лат. mixtus - змішаний). Ще інколи їх називають літакодирижаблями.

Аеростат.

Аеростати (від грец. ahr  - повітря) по своєї суті є некерованими апаратами легше повітря. Основною частиною аеростату є сферична оболонка), яка вироблена з газонепроникного матеріалу.  
 Вільний сферичний аеростат: 1 – клапан випуску газу, 2,5 – стропи, 3 – оболонка, 4 – пояс, 6 – апендикс, 7 – управління клапаном, 8 – кільце, 9 – гондола
До оболонки кріпиться пояс для приєднання строп. До нижніх кінців строп приєднується стропове кільце, а вже до нього підвішується гондола. В ній розміщується екіпаж та корисне навантаження. Для під¢йомів на великі висоти застосовуються герметичні гондоли, яким надають також сферичної форми. До гондоли кріпиться гайдроп – канат з якорем для гальмування аеростату при посадці. На гондолі або під нею розміщують баласт , частіш за все мішки з піском. 
У верхній частині оболонки передбачений клапан для випуску газу, який керується за допомогою мотузки, один кінець котрої знаходиться в гондолі. В цій же зоні пришиті до оболонки лапи, до яких приєднуються вірьовки, що утримують аеростат на землі перед польотом. В нижній частині оболонки є патрубок, який називають апендиксом. Він служить для наповнення оболонки газом, а також для вільного виходу газу під час польоту, коли він розширюється під впливом нагрівання оболонки. Цим самим усувається підвищення тиску в оболонці.
Якщо аеростат використовує в якості робочого підігріте повітря, то під оболонкою розміщується спеціальний пальник, і в цьому випадку апендикс відсутній, а оболонка має  великий отвір, який попереджує її пошкодження відкритим полум¢ям пальника. Звичайно, пальник має свої пристрої для управління ним.
Переміщення вільного аеростату в повітря в горизонтальному напрямі відбувається тільки за рахунок потоків повітря (вітру). А управління ним можливо тільки у вертикальній площині. Тобто можна змінювати тільки висоту польоту за рахунок скидання частини баласту (у цьому випадку висота польоту збільшиться), або шляхом стравленя частини газу (при цьому висота польоту зменшиться). Але треба мати на увазі, що такий спосіб управління має дуже великий недолік – нездатність до поповнення. І якщо газ ще можна якось запасти в балонах під тиском, то баласт поповнити в польоті неможливо (хоча може бути використана установка для конденсації води з пари навколишнього повітря, або збирання води під час дощу). Може мати місце випадок, коли під¢йомна сила значно зменшиться (аеростат потрапить в потік теплого повітря), а баласт вже витрачений. М¢якість посадки буде залежати лише від збігу обставин, які не завжди є сприятливими… 
Вільні аеростати використовуються для спортивних цілей, наукового вивчення атмосфери. Невеликі метеорологічні зонди досягають великих висот, на протязі польоту надаючи інформацію про стан атмосфери .
Прив¢язні аеростати використовуються також для метеорологічних спостережень, а військові апарати можуть використовуватися для корегування вогню артилерії, для  спостережень місцевості.
За типом робочого тіла аеростатичні ЛА поділяються на теплові та газові. Як ясно з самої назви, в теплових ЛА використовується підігріте повітря, густина якого менше густини повітря атмосфери при звичайній температурі. Але різниця в густинах не така вже й велика, тому такі ЛА створюють обмежене значення під¢йомної сили. Перевага теплових ЛА перед газовими – висока безпечність робочого тіла та його дешевизна.
Газові ЛА з критерію величини під¢йомної сили більш ефективні , ніж теплові (приклад був наведений раніше). Як вже було вказано, в якості робочих тіл використовуються водень та гелій. Недоліком газових ЛА є висока вартість отримання робочих тіл, а водень ще й дуже пожеженебезпечний. Тому сучасні аеростатичні ЛА орієнтовані на використання гелію.
   За характером польоту. Прив'язні аеростатичні апарати не можуть здійснювати політ у прямому розумінні цього слова. Вони можуть здійснювати тільки під¢йом на певну висоту корисного навантаження – спостерігача, антену ретранслятора або сам ретранслятор радіохвиль, метеорологічну апаратуру та ін. Раніш використовувалися для так званого повітряного огородження важливих об¢єктів, яке перешкоджає польотам ЛА противника на невеликих висотах.  
Вільні аеростатичні апарати здійснюють політ за напрямком повітряних течій атмосфери. На них може бути розміщений екіпаж, метеорологічне обладнання, пристрої для візуальної та радіорозвідки, матеріали пропагандистського і рекламного характеру. Для ефективного використання таких ЛА необхідно вивчати напрям та характер повітряних течій в зоні ймовірного використання. В теперішній час знаходять широке розповсюдження у вигляді автоматичних радіозондів та пілотованих спортивних аеростатів.
За висотою польоту вільні аеростатичні ЛА поділяються на спортивні, субстратостати і стратостати. Спортивні ЛА мають незначну висоту польоту (від сотень метрів до декількох кілометрів). Субстратостати можуть підніматися до висот порядку 10 000 м, мають відкриту гондолу, тому для роботи екіпажу потрібне спеціальне кисневе обладнання. Стратостати мають герметичну гондолу для екіпажу і за своїми параметрами здатні досягати нижніх шарів стратосфери – вище 12 000 м. В 1934 р. стратостат “Осовіахім –1” досяг висоти 22 000 м, встановивши світовий рекорд. 
 
Загальний вигляд стратостату 

Дирижабль.

За своєю суттю дирижабль (від франц. dirigeable – керований) – це керований аеростат. Вільний аеростат майже не рухається відносно повітря, у якому він знаходиться, так як він переміщується разом з ним. Тому повітря не чинить йому опору. І оболонка мала сферичну форму, яка у цьому випадку є самою доцільною. Дирижабль же рухається відносно повітря, тому сферична форма оболонки вже не є раціональною – буде дуже великий опір повітря. Тому на дирижаблі вже не сферична оболонка, а корпус, який має видовжену форму для зменшення аеродинамічного опору. Носова частина корпусу закруглена, а хвостова загострена. Як побачимо далі, це вимоги аеродинаміки з точки зору зменшення лобового опору під час руху відносно повітря. Форма гондоли також змінилася з тих же причин – зменшення аеродинамічного опору. На дирижаблі вже є двигуни з повітряними гвинтами, які надають йому поступальний рух. А якщо є поступальний рух відносно повітря, то вже є можливість використати  для стабілізації руху і керування ЛА аеродинамічні поверхні – нерухомі вертикальне (кіль) та горизонтальне (стабілізатор) оперення з відповідними рухомими рульовими поверхнями – кермом напряму і кермом висоти. Звичайно під гондолою встановлюються амортизатори, які пом¢якшують удар під час посадки. На, як і звичайний аеростат, на землі дирижабль підтримується за допомогою вірьовок. Дирижаблі в теперішній час використовуються в рекламних цілях, в обмежених кількостях – для спостережень. Але проектні роботи і експериментальне виготовлення дирижаблів відбувається весь час. І рано чи пізно вони знову знайдуть своє застосування і свою нішу серед інших ЛА. За своєю конструкцією дирижаблі поділяються на м¢які, напівжорсткі та жорсткі (іноді виділяють ще напівм¢які дирижаблі). Основні відмінності полягають в конструктивному виконанні оболонок, ємностей для газу, пристроїв для підтримування зовнішніх форм корпусу і рівномірного розподілення навантаження по оболонці.  Корпус м¢яких дирижаблів виготовлений з міцної прогумованої тканини, одночасно є оболонкою для газу. До нього з допомогою строп приєднується гондола з прикріпленими до неї двигунами.
  
Конструктивна схема м'якого дирижабля: 1 – причальний вузол, 2 – носове підсилення, 3 - м¢яка оболонка, 4 – розривні полотнини, 5 – троси керування розривними полотнинами, 6 – маневровий газовий клапан, 7 – вертикальне оперення, 8 – горизонтальне оперення, 9 – кермо висоти, 10 – рукав для заповнення оболонки газом, 11 – кермо напряму, 12 – газові запобіжні клапани, 13 – повітряні запобіжні клапани, 14 – балонети, 15 – система розподілення повітря, 16 – гондола, 17 – силова установка, 18 – вентилятор, 19 – крани системи розподілення повітря, 20 – стропи, 21 – лапи, 22 – причальні троси .
В середині корпусу є ще одна оболонка з такого ж матеріалу, яка приєднана до оболонки корпусу. Ця внутрішня оболонка має назву – балонет. Призначення балонету – підтримання постійного значення під¢йомної сили і форми корпусу дирижабля.
  
Загальний вигляд м'якого дирижабля 
В ньому весь час підтримується надлишковий тиск повітря. Зі збільшенням висоти або при нагріванні газу частина повітря з балонету видаляється, а при зменшенні тиску повітря в балонет нагнітається вентилятором (компресором). Кріплення жорстких елементів конструкції дирижабля – гондоли, оперення – здійснюється за допомогою пришитих або приклеєних до оболонки лап і приєднаних до них строп. Рівномірне розподілення навантаження на оболонку здійснюється розміщенням лап вздовж всього корпусу.Об'єм м¢яких дирижаблів – приблизно до 8000 м3. 
 
М'який дирижабль – персональний 
Напівжорсткі дирижаблі також мають корпус, виготовлений з тканини з малою газопроникненістю. Але крім балонетів, призначення яких вже розглянуто, незмінність форм забезпечує жорстка металева так звана кільова ферма, яка розташована на всій довжині корпусу у його нижній частині. Попереду кільова ферма переходить в носове підсилення, яке підвищує жорсткість носової частини корпусу по відношенню до аеродинамічного навантаження. До ферми кріпляться гондола, оперення, двигуни. В ній розміщуються паливо, баласт та ін. Об¢єм напівжорстких дирижаблів -  8000 …35000 м3.  
 Конструктивна схема напівжорсткого дирижабля: 1 – причальний вузол, 2 – носове підсилення, 3 - м¢яка оболонка, 4 – газові запобіжні клапани, 5 – поперечні м¢які перегородки, 6 – верхній кіль, 7 – горизонтальне оперення, 8 – кермо висоти, 9 – кормове підсилення, 10 – кермо напряму, 11 – нижній кіль, 12 – двигуни, 13 – жорстка кільова ферма, 14 – маневровий газовий клапан, 15 – повітряні запобіжні клапани, 16 – пасажирський салон гондоли, 17 – кабіна екіпажу, 18 – пристрій для забору повітря, 19 – балонет, 20 – поздовжня перегородка, 21 – газова ємність, 22 – поздовжні пояси підвіски, 23 – троси підвіски 
Корпус жорсткого дирижабля  складається з каркасу, який має поперечні та поздовжні силові елементи. Зовні каркас обтягнутий тканиною або жорсткою обшивкою. Газ вміщується в окремих балонах, які розташовані всередині корпусу . Так як жорсткий корпус має незмінні форми, то балонети на таких дирижаблях не передбачені. Але при розташуванні газових балонів треба передбачити можливість їх розширення при зміні умов навколишнього середовища. На такому типі дирижаблів практично всі агрегати та елементи розміщуються всередині корпусу, що значно зменшує аеродинамічний опір ЛА.Жорсткі дирижаблі мають об¢єм до 200000 м3, довжину – до 250 м, максимальний діаметр – 40 м, корисне навантаження – до 100 т.
  
Конструктивна схема жорсткого дирижабля: 1 – причальний вузол, 2 - м¢яка обшивка, 3 – жорсткий каркас, 4 – головні шпангоути, 5 – допоміжні шпангоути, 6 – стрингери, 7 –газові балони, 8 – маневрові газові клапани, 9 – газові шахти, 10 – кіль, 11 – кермо напряму, 12 – стабілізатор, 13 – кермо висоти, 14 – причальні троси, 15 – швартувальні троси, 16 – двигуни, 17 – горизонтальний коридор, 18 – газові запобіжні клапани, 19 – пасажирський салон, 20 – кабіна екіпажу, 21 – хордові розчалки, 22 – радіальні розчалки   
Доцільність використання того чи іншого типу конструкції дирижабля визначається його вантажепід¢йомністю, призначенням, економічною вигідністю. 
 
Загальний вигляд дирижабля жорсткої схеми 

Комбіновані аеростатичні ЛА.

Зважаючи на недоліки управління висотою польоту аеростата, які ми розглянули, ще на самому початку практичного повітроплавання були зроблені намагання знайти засоби управління по вертикалі (поряд з управлінням по горизонталі). Було запропоноване використання повітряних гвинтів для створення додаткової під¢йомної сили. Застосовувалося встановлення аеродинамічних поверхонь під деяким кутом до напряму руху (тобто використати ще й аеродинамічний принцип створення під¢йомної сили). Але на той час ще не були розроблені ефективні пристрої регулювання тяги гвинтів (а, значить, і регулювання висоти). Крім того, вже з¢явилися більш ефективні на ту пору ЛА – дирижаблі. Але з розвитком техніки в останній час зріс інтерес до аеростатичних ЛА, в тому числі і до комбінованих. Причини – суто економічні: під¢йомна сила при аеростатичному принципі польоту створюється набагато дешевше, ніж при аеродинамічному, а тим більш реактивному принципах. Комбіновані ЛА використовують в тій чи іншій пропорції сполучення двох принципів польоту – аеростатичного і аеродинамічного.Сучасні комбіновані аеростатичні ЛА можна розділити на дві групи – апарати скороченого зльоту-посадки, і апарати вертикального зльоту-посадки.До першої групи віднесені ЛА, у котрих аеродинамічна складова частина під¢йомної сили створюється за рахунок крил (рис. 1. ,а) або несучого корпусу (рис. 1. ,б). Очікувані характеристики першого ЛА наступні: максимальна швидкість 380 км/год, стеля – 7000 м, дальність – 16 000 км, вантажепід¢йомність- до 300 т.  
 
а)                                                                     б)
Проекти комбінованих аеростатичних ЛА : а) “Mogalifter”, б) “Aeron” 
Друга група – це комбінація дирижабля та вертольоту (іноді їх називають вертостатами).  
 
Вертостат (проект) 
Перевага ЛА цієї групи над апаратами першої – у можливості зависати в повітрі, що важливо при виконанні певних робіт. Це також спрощує зліт і посадку. 

1
2
3