Гироскопическое устройство стабилизации дирижабля

Описание
Гироскопическое устройство стабилизации дирижабля относится к воздухоплавательной технике, преимущественно к дирижаблям с гибридной силовой установкой, для обеспечения устойчивого положения продольной оси дирижабля во время нахождения его на причальной мачте при изменениях направленности метеовоздействий - ветровых нисходящих и восходящих порывов, быстрого нагрева или охлаждения наполняющего дирижабль несущего газа, появления снеговых и льдообразующих участков на поверхностях обшивки и хвостового оперения, приводящих к появлению дополнительных изгибающих и крутящих моментов, действующих на корпус дирижабля.
Известны устройства, способствующие стабилизации дирижабля в воздухе. К.Э. Циолковский в 1898 г разработал устройство автоматического управления продольной стабилизации дирижабля, в котором чувствительный элемент в виде маятника с переключателями цепи электрического тока выдавал команду на электродвигатель, от которого через зубчатую передачу осуществлялось отклонение соответствующей рулевой поверхности в хвостовой части дирижабля [1]. Недостатками этого устройства следует считать большую инерционность действия и неэффективность аэродинамических рулей на малых скоростях полета.
Изменение влияния на положение в воздухе продольной оси дирижабля рассмотрено в патенте Германии №103569, полученном Цеппелином в 1897 г. Особенностью его является то, что в нижней части корпуса дирижабля закреплены ролики с натянутым между ними бесконечным тросом, к нижней ветви которого присоединены гайдропы - толстые канаты. Передвижением бесконечного троса перемещаются вдоль корпуса и гайдропы, смещая по горизонтали центр тяжести дирижабля. При наклонах дирижабля работой воздушных винтов обеспечивается его подъем или спуск. Впоследствии гайдропы были заменены на свинцовый груз продолговатой формы массой 100 кг, который перемещался от вертикали центра аэростатической силы на 7 м вперед или назад. Эта схема также оказалась неэффективной, приходилось вручную перемещать груз вдоль нижней части корпуса дирижабля, что осуществлялось медленно, а мощности двигателей не хватало, чтобы быстро реагировать на изменения углов атаки.
3
В процессе эксплуатации дирижаблей в прошлом и в настоящее время особенно уязвимо для них нахождение в пришвартованном виде на причальной мачте в неспокойной атмосфере. При больших размерах корпуса, особенно его длины, происходили столкновения хвостовой частью о землю или наоборот - вертикальный подъем. На фиг.1 показан случай с американским дирижаблем Лос-Анджелес длиной 206 м и объемом 68000 м, когда он летом в 1926 г, находясь на причальной мачте, подвергся быстрому воздействию холодного атмосферного фронта с Атлантики и, поскольку несущий газ внутри корпуса был теплее, чем воздух снаружи, дирижабль плавно взмыл вверх и, удерживаясь на главном швартовочном носовом тросе, занял почти вертикальное положение. Впоследствии он плавно опустился, приняв горизонтальное положение. Видно, что с хвостовой части корпуса дирижабля свисает канат с выполненным на его конце пучком веревок для удерживания от подъема наземной командой.
Аналогичная ситуация произошла с другим американским дирижаблем - А-170 длиной 55 м в 2010 г, когда он, находясь на причальной мачте, был поднят восходящим порывом ветра в вертикальное положение.
Для предотвращения подобных аварийных ситуаций на американских дирижаблях-авианосцах Акрон и Мэйкон хвостовая часть корпуса крепилась к тележке на рельсовом пути, перемещавшейся вместе с флюгирующим на причальной мачте дирижаблем.
Рассматривались варианты крепления хвостовой части дирижабля к лодке (патент Германии №388460, кл. 62а, 41, 1922) или к массивным металлическим каткам, перекатывающимся по ровной земной поверхности. Но эти устройства неспособны были предотвратить касания дирижаблем земли при нисходящих порывах ветра, требовались большие материальные затраты на подготовку и обслуживание подобных громоздких причальных площадок.
Сохранение живучести дирижаблей на причальной мачте во время изменения метеовоздействий на него требует наличия на борту механических устройств, способных на быстрое включение в работу по парированию внешних сил, воздействующих на дирижабль. Эти устройства длительное время должны обеспечивать устойчивость и стабилизацию дирижабля в воздухе.
Известны накопители энергии в виде пружин, емкостей со сжатым газом, электрических аккумуляторов, конденсаторов, маховиков. Учитывая, что накопитель энергии, устанавливаемый на борту дирижабля, особенно с гибридной силовой установкой, должен за короткое время отдавать большую кинетическую энергию, быстро восстанавливать ее при автономной швартовке дирижабля на причальной мачте без подпитки с земли, предпочтение следует отдать маховичному накопителю энергии. Маховик, предварительно раскрученный до больших частот вращения, способствует созданию значительного собственного кинетического момента. Гироскопические устройства с использованием маховиков широко применяются в современной авиационной и космической технике, на морских судах как успокоители качки и в приборах навигации.
С 1953 г в Швейцарии собирались автобусы Гиробус, использующие маховичные накопители энергии. Эти автобусы эксплуатировались в некоторых странах Европы и Южной Америки. Были разработаны железнодорожные локомотивы и вагоны с маховиками, обеспечивавшими устойчивую поездку по однорельсовому пути.
Современный автобус Флайбас (Англия) снабжен маховиком из высокопрочных углеродных волокон, который раскручивается до 60000 об/мин, имея массу несколько десятков килограмм. Маховик помещен в вакуумированный корпус, что снижает потери на трение при сверхбыстрых оборотах маховика {2}.
Известен махомобиль Д. Рабенхорста (США), в котором супермаховик массой 100 кг при частоте вращения 23700 об/мин запасает энергию объемом 24 МДж при удельной энергии 240 кДж/кг. Разгон маховика осуществляется электрическим мотор-генератором мощностью 30 кВт, массой 18,4 кг, с постоянными магнитами, который может как раскручивать маховик, так и забирать энергию его вращения. КПД устройства 98%.
Целью настоящего технического решения является гироскопическое устройство стабилизации дирижабля, находящегося на причальной мачте, способное воспринимать силы и моменты, действующие на дирижабль при изменениях направленности метеовоздействий - ветровых восходящих и нисходящих порывах, быстрого нагрева или охлаждения наполняющего дирижабль несущего газа, местного появления снеговых или льдообразующих участков на поверхностях обшивки и хвостового оперения. При этом дирижабль должен сохранять устойчивое горизонтальное положение.
Указанная цель достигается тем, что устройство в виде быстровращающегося маховика с подшипниками и креплением помещено внутри корпуса дирижабля в хвостовой части килевой балки так, что все нагрузки от маховика в виде сил и моментов воспринимают элементы килевой балки и передают их на корпус дирижабля.
1
2
На фиг. 2 показана схема дирижабля полужесткой или жесткой системы, где обозначено: 1 - причальная мачта; 2 - дирижабль; 3 - килевая балка; 4 - гироскопическое устройство; цас - центр аэростатической подъемной силы; Ра - аэростатическая сила; Рг - гироскопическая сила, препятствующая подъему хвостовой части дирижабля; - Рг - гироскопическая сила, препятствующая опусканию хвостовой части дирижабля; L - плечо от причальной мачты до линии действия аэростатической подъемной силы; L - плечо от причальной мачты до линии действия гироскопической силы.
2
1
2
1
Очевидно, что для сохранения горизонтальности продольной оси дирижабля, стоящего на причальной мачте, при воздействии восходящего порыва ветра необходимо соблюдение условия: Рг⋅L >> Ра⋅L, а при воздействии нисходящего порыва: - Рг⋅L >> Ра⋅L.
На фиг. 3 показано гироскопическое устройство в разрезе, закрепленное в хвостовой части килевой балки дирижабля, где обозначено: 3 - килевая балка; 5 - маховик; 6 - шарнир; 7 - защитный купол маховика; 8 - поворотное опорное кольцо; 9 - ось маховика; 10 - ось поворотного опорного кольца; 11 - цапфа с подшипником; 12 - опорный элемент цапфы; 13 - подшипник оси маховика; 14 - электрический мотор - генератор; 15 - муфта зубчатая механизма разгона и торможения маховика (условно не показан); 16 - опорное основание электрического мотор-генератора; 17 - блок управления.
На фиг. 4 показан вид по стрелке А с фиг.3: 18 - ведущая шестерня поворотного кольца 8.
Функционирование устройства осуществляется следующим образом. Перед длительной стоянкой на причальной мачте 1 дирижабля 2 в установленном на килевой балке 3 гироскопическом устройстве 4 маховик 5 разгоняется до определенной частоты вращения, зависящей от ожидаемых метеовоздействий, электрическим мотор-генератором 14, используя муфту 15 механизма разгона и торможения. При этом поворотное опорное кольцо 8 с осью 9 маховика 5 должны быть зафиксированы в вертикальном положении, а после достижения маховиком расчетной частоты вращения фиксация отключается, и гироскопическое устройство стабилизации дирижабля способно парировать возникшими гироскопической силой и моментом воздействующие на дирижабль внешние силы и моменты, обеспечивая устойчивость дирижабля в воздухе. Защитный купол 7 предохраняет в случае разрушения маховика разлет его частей по конструкции дирижабля. Опыт эксплуатации современных маховиков, в которых в качестве наполнителя используются углеродные волокна или ленты, показывает, что даже разрушение маховика на сверхвысоких частотах вращения не приводит к повреждению защитного купола 7, так как обрыв углеродного волокна или ленты просто тормозит маховик до полной его остановки {2}.
Маховик 5 вместе с осью 9, опирающейся через ось 10 на подшипники цапф 11, поворачивают опорное кольцо 8, создавая гироскопический момент, который передается на опорные элементы 12 цапфы и элементы килевой балки 3, воздействуя на корпус дирижабля и препятствуя его отклонениям в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Подшипники 13 оси маховика с магнитной подвеской работоспособны в течение 10 лет постоянного вращения. Если маховик вращается в вакууме, то вместо сальников и уплотнений применяются магнитные жидкости {2}.
Элементы килевой балки 3 соединены между собой шарнирами 6, обеспечивающими эксплуатационную надежность соединений элементов килевой балки при ее нагрузках. Электрический мотор-генератор 14 установлен на опорное основание 16.
При изменениях скорости и направления вращения маховика отклонением его вместе с поворотным опорным кольцом 8 посредством ведущей шестерни 18 зубчатой передачи создаются гироскопические силы и моменты не только в вертикальной и горизонтальной плоскостях, но и на углах между ними. При этом зубчатый муфтовый механизм работает по алгоритму, совместимому с работой маховика. Во время разгона маховика шестерня 18 выходит из зацепления с зубьями на поворотном опорном кольце 8.
3
Расчеты показывают, что при оснащении электрического дирижабля (патент на полезную модель №201900) объемом 31800 м. и длиной 90 м указанным выше гироскопическим устройством с диаметром маховика 60 см и массой 50 кг, раскрученного до 60000 об/мин разгонным мотор-генератором мощностью 40 кВт, он обладает запасом энергии 25 МДж с удельной энергией 500 кДж/кг. Установленное на борту дирижабля на расстоянии 80 м от причальной мачты гироскопическое устройство обеспечит создание гироскопической силы величиной 4080 кг, достаточной для удержания горизонтальности дирижабля при метеовоздействиях на него.
Технический результат полезной модели заключается в том, что:
предложенное гироскопическое устройство стабилизации дирижабля обеспечивает устойчивое горизонтальное его положение при действии на корпус дирижабля восходящих или нисходящих порывов ветра, быстрого нагрева или охлаждения наполняющего дирижабль несущего газа, местного появления снеговых или льдообразующих участков на поверхностях обшивки и хвостового оперения;
создаются гироскопические силы и моменты не только в вертикальной и в горизонтальной плоскостях, но и на углах между ними;
действие гироскопического устройства стабилизации дирижабля работоспособно при любых метеовоздействиях в любое время года;
работоспособность гироскопического устройства стабилизации дирижабля обеспечивается при наличии на его борту постоянной электрической мощности для разгона маховика даже при автономной стоянке дирижабля на причальной мачте без электропитания с земли.
Таким образом, патентуемое техническое решение на полезную модель отвечает критериям «новизна» и «промышленная применимость».
Литература.
1. Краснов А.И. Волчок и применение его свойств, Гостехиздат, 1958.
2. Гулиа Н.В. Удивительная механика. Новационный центр «Энас», М., 2006
3. Граммель Р. Гироскоп, его теория и применения. Т.Т. 1 и 2. Издательство иностранной литературы, 1952.
4. Меркин Д.Р. Гироскопические системы, Гостехиздат, 1956.