Антиообледенительная жидкостная система электрического дирижабля

Антиобледенительная жидкостная система электрического дирижабля предназначена для предотвращения обледенения оболочки дирижабля или удаления с нее замерзших осадков в виде льда, снега и ледяного дождя.
Появление на оболочке дирижабля в полете слое льда или снега всегда приводит к потере его подъемной силы и невозможности безопасного завершения полета (полярные экспедиции Нобиле, Амундсена, полеты в осенне-зимнее время советских и американских дирижаблей в 1920-1950 гг.). В настоящее время в мире не существует дирижаблей, способных летать в условиях обледенения, все они летают только в весенне-летние периоды (Ю.С. Бойко. Воздухоплавательные аппараты и полеты на них. Симферополь, ООО «Антиква»,2015).
Создание надежных антиобледенительных систем, предназначенных для установки на дирижаблях, ускорит появление транспортных дирижаблей, способных совершать круглогодичные полеты в любых регионах России.
Широко известны системы нанесения антиобледенительной жидкости (АОЖ) на поверхности летательных аппаратов, например, самолетов с наземных мобильных установок. При необходимости совершения полета в сложных метеоусловиях самолет перед взлетом обливается АОЖ, при этом предотвращающая способность АОЖ составляет 40-60 минут.
Известно применение АОЖ на титановых носовых обтекателях крыла и стабилизаторах самолета Cirrus SR - 22, в которых выполнены 800 отверстий диаметром 0,025 дюйма на квадратном дюйме поверхности. Через эти отверстия во время полета при возникновении условий обледенения специальным насосом подается АОЖ и встречным потоком воздуха разносится по поверхности крыла в зоны расположения механизмов управления закрылками, триммерами, рулями (www aero-news.net.TKS CAV Ice Protection).
Недостатком такой системы является то, что требуется мощное нагнетательное устройство для проталкивания АОЖ из отверстий навстречу скоростному напору воздуха (при скорости полета 250-350 км/ч), чтобы покрыть АОЖ малые площади, где установлены вышеуказанные механизмы управления.
Оснащение поверхности дирижабля металлическими пластинами с отверстиями малого диаметра для истекания сквозь них АОЖ неосуществимо вследствие большой массы системы антиобледенения и сложности крепления арматуры (трубопроводы, клапана, управляющие механизмы) к мягкой оболочке дирижабля с ее внутренней части.
У транспортных дирижаблей площадь носовой и верхней частей оболочки достигает несколько тысяч квадратных метров и подачей АОЖ вдоль оболочки по направлению потока воздуха можно обеспечить антиобледенительную защиту с меньшими удельными затратами мощности нагнетательного устройства и с меньшей массой антиобледенительной системы.
Известно техническое решение для предотвращения обледенения оболочки дирижабля путем использования тепла обезвоженных и подогретых отходящих от маршевого двигателя газов на носовую часть оболочки дирижабля (патент РФ №2177894, В64Д 15/04, В64В 1/62, 10.01.2002), принятое в качестве прототипа. От маршевого двигателя выхлопные газы поступают в холодильник для конденсации паров воды, затем в теплообменник для подогрева обезвоженных выхлопных газов и по коллектору, расположенному во внутренней части оболочки, на носовую часть дирижабля, где закреплена труба с отверстиями, через которую выхлопные газы вытекают на оболочку дирижабля.
На наружную поверхность оболочки дирижабля предложено наносить гидрофобную жидкость, но не указано как, какими механизмами она наносится.
Недостатками этого технического решения являются:
- ввиду того, что силовые установки (двигатели) дирижабля расположены в десятках метров от его носовой области, это приводит к компоновке громоздкой системы газопроводов большого диаметра и систем регулирования до холодильника, теплообменника и выброса выхлопных газов на оболочку дирижабля;
- система имеет значительную массу и занимает определенную часть внутреннего объема дирижабля, снижая его полезную грузоподъемность;
- в полете система обогрева внешней поверхности оболочки дирижабля выхлопными газами двигателей при высокой энергоемкости обладает низким КПД - не более 40%, ведь выхлопные газы, вытекающие из выходных устройств двигателей с температурой около 400К и скоростью потока 40-50 м/с, надо охладить, затем нагреть и прогнать вентилятором по коллектору до выходов на внешнюю поверхность оболочки дирижабля, что приводит к большим потерям тепла;
- действие теплого воздуха антиобледенительной системы будет эффективным только в районе носовой части дирижабля, за пределами которой тепло будет уноситься встречным потоком холодного воздуха, не успевая расплавить лед или снег на внешней верхней части оболочки;
-даже при стоянке дирижабля в безветренную холодную погоду мала вероятность прогрева оболочки хотя бы до половины длины ее верхней части ввиду низкой теплопроводности воздуха;
- при отказе в полете авиационных маршевых двигателей будет прекращено поступление горячего воздуха в систему антиобледенения;
- нанесение на оболочку дирижабля гидрофобных жидкостей типа ГКЖ - 94 (гидрофобизирующие кремнийорганические жидкости), как предлагают авторы прототипа, не приведет к эффекту антиобледенительного действия, так как вода на поверхности, смоченной гидрофобной жидкостью, собирается в капли и при отрицательных температурах окружающего воздуха замерзает, образуя наледь. А эффектом антиобледенения обладают незамерзающие жидкости, например, смеси этиленгликоля, пропиленгликоля, глицерина, одноатомных спиртов с водой.
Целью данного технического решения является антиобледенительная жидкостная система электрического дирижабля, обеспечивающая быстрое и эффективное покрытие в полете верхней части оболочки дирижабля АОЖ не только его носовой части, но и всей верхней части по длине, вплоть до оперения.
Поставленная цель достигается тем, что в носовой части оболочки выполнен гидравлический насос, перекачивающий АОЖ из расходного бака, помещенного внутри носовой части оболочки и закрепленного на килевой балке, через трубки с определенным внутренним диаметром, закрепленные на элементах носового усиления дирижабля. На концевых частях трубок выполнены форсунки с управляемыми насадками, позволяющими создавать различные виды струй циклического или непрерывного действия в зависимости от вида обледенения и толщины его слоя, о которых сообщают сигнализаторы обледенения, помещенные на верхней и носовой частях оболочки дирижабля.
Из практики полетов дирижаблей в зимних условиях отмечено, что обледенение оболочки начинается с ее носовой части и распространяется по верхней части оболочки (фиг. 1). Поэтому подача АОЖ должна осуществляться в эти области. При оттаивании снежно - ледового покрытия от действия АОЖ оно стекает с оболочки, смывая те тонкие слои льда, которые образовались на незначительной части ниже экваториальной продольной линии оболочки. В полете на скоростях 100-130 км/ч (28-36 м/с) встречным потоком воздуха (стрелка на фиг. 1) капли АОЖ переносятся и оседают на всю верхнюю поверхность оболочки и планы оперения.
На фиг. 2 показано расположение основных элементов антиобледенительной жидкостной системы электрического дирижабля, где:
1 - оболочка дирижабля; 2 - килевая балка; 3 - расходный бак с АОЖ; 4 - всасывающий трубопровод; 5 - гидравлический насос с электрическим двигателем; 6 - нагнетающий трубопровод; 7, 8 - форсунки ближнего разбрызгивания; 9 - коллектор; 10 - трубопроводы к форсункам 11 дальнего разбрызгивания; 12 - элементы носового усиления оболочки дирижабля.
Сама носовая оконечность оболочки обливается из форсунок ближнего разбрызгивания, а область позади элементов носового усиления - из форсунок дальнего разбрызгивания.
Антиобледенительная жидкостная система электрического дирижабля работает следующим образом: внутри носовой части оболочки 1 дирижабля, прикрепленный к килевой балке 2, выполнен расходный бак 3, который перед началом полета заполнен АОЖ, нагреваемой до 60-80°С для уменьшения вязкости АОЖ). Это приводит к снижению трения АОЖ о внутреннюю поверхность всасывающего трубопровода 4, а соответственно и к повышению КПД гидравлического насоса 5. Гидравлический насос 5 с электрическим приводом подает АОЖ в нагнетающий трубопровод 6, из которого АОЖ поступает к форсункам 7 и 8 ближнего разбрызгивания, а через коллектор 9 по трубопроводам 10 к форсункам 11 дальнего разбрызгивания. Таким образом, форсунки 7 и 8 омывают АОЖ носовую часть оболочки дирижабля, ограниченную элементами 12 носового усиления, которые расположены выше экваториальной продольной линии оболочки. Ниже этой линии обледенения дирижаблей практически не отмечалось, поэтому элементы 12, расположенные ниже зоны возможного обледенения, не оснащены трубопроводами 10 и форсунками 11. Сигнализаторы обледенения широко известной конструкции выполнены на носовой и верхней частях оболочки дирижабля.
В зависимости от значений отрицательных температур окружающего воздуха в полете выбирается концентрация АОЖ в воде и ее температура нагрева. Для растапливания замерзших на оболочке осадков, АОЖ нагревается до 60-80°С, а для защиты от накопления выпадающих осадков достаточно значений 10-15°С.
Представленная антиобледенительная жидкостная система электрического дирижабля обладает:
- простотой исполнения - протянуть трубопроводы небольшого диаметра с АОЖ проще, чем газопроводы с горячим воздухом;
- более высоким КПД (до 80%) вследствие большей теплоемкости АОЖ;
- при отказе маршевых авиационных двигателей, питание электроэнергией гидравлического насоса осуществляется от бортовых аккумуляторов, обеспечивающих безопасное завершение полета;
- в зависимости от условий обледенения пилоты могут регулировать силу и направление потока АОЖ в ручном режиме;
- в автоматическом режиме система включается по сигналам от сигнализаторов обледенения, выполненных в наиболее подверженных обледенению местах оболочки электрического дирижабля, куда выбрасывается необходимое количество АОЖ. Это повысит экономичность расходования АОЖ в сравнении с ручным режимом.
Важно отметить, что АОЖ на основе пропиленгликоля не наносит вреда окружающей среде.
Наличие на борту электрического дирижабля среднего объема (30000 куб.м) расходного бака емкостью 500 л АОЖ предохранит от повторного снеголедового образования на оболочке дирижабля не менее, чем в течение одного часа полета. В расходный бак АОЖ поступает из основного бака емкостью 1000-1500 л, находящегося в районе центра тяжести дирижабля, путем перекачки гидронасосом. В основном баке, как и в расходном баке, АОЖ подогревается электрической системой.
На время летней эксплуатации электрического дирижабля система антиобледенения может быть демонтирована, что снизит его массу конструкции.
Электрический дирижабль объемом 30000 куб.м., оснащенный бортовой системой электропитания мощностью 3000 кВт и эффективной жидкостной системой антиобледенения, станет всесезонным воздушным транспортным средством при осуществлении полетов в Сибири и арктических регионах России.
Антиобледенительная жидкостная система электрического дирижабля отвечает критериям «новизна» и «промышленная применимость», что является условием патентоспособности полезной модели.