ДИРИЖАБЛЬ С НЕСУЩИМ КАРКАСОМ

Полезная модель относится к авиации, в частности к воздухоплаванию, а именно, к конструкции дирижаблей с несущим каркасом и мягкой внешней оболочкой.
Дирижабль с несущим каркасом включает в себя: несущую оболочку, силовые элементы каркасной конструкции, гондолу с полезной нагрузкой, силовую установку, систему управления, хвостовое оперение, аэродинамические поверхности в виде рулей высоты и направления, устройства для посадки и стоянки дирижабля на поверхности земли, средства швартовки.
Известны дирижабли, содержащие мягкую внешнюю несущую оболочку, связанную с килевой фермой (полужесткая схема) или с объемным каркасом, определяющим заданную форму внешней несущей оболочки (жесткая схема):
- Бойко Ю.С. Воздухоплавание. Привязное. Свободное. Управляемое. Москва, МГУП. 2001. Стр.206-208. Рис 132.
- Арие М.Я. Дирижабли. Наукова думка. 1986 г. Стр.34, Рис.17, Стр.76, Рис.46, Стр.179, Рис.91.
- Полозов Н.П. Сорокин. М.А. Дирижабли. Воениздат НКО СССР. Москва. 1940 г. Стр.160, Рис.108.
В дирижабле полужесткой схемы килевая ферма является основным силовым элементом конструкции. Ее узлы и элементы воспринимают изгибающие моменты и перерезывающие силы, действующие на дирижабль от статических нагрузок, и несут значительную долю аэродинамических нагрузок. В носовой и кормовой частях корпуса килевая ферма переходит в разветвленные усиления.
Близким аналогом к заявленной полезной модели является полужесткий дирижабль «СССР-В5» (Арие М.Я. Дирижабли. Наукова думка. 1986 г. Стр.179, Рис.91). Недостатком силовой схемы «СССР-В5» и других полужестких дирижаблей с килевой фермой является то, что в них газовая оболочка непосредственно подвергается всем механическим воздействиям. При этом изменение первоначальной формы поперечного сечения может достигать больших величин. Например, в дирижабле «СССР-В5» одно из центральных сечений при повышении давления газа на 18 мм вод.ст. изменялось на 4,5%. При этом образованная оболочкой газового баллона балка с большим моментом сопротивления при расчете на прочность полностью исключалась из силовой схемы конструкции, в то время как практикой эксплуатации мягких дирижаблей подтверждена возможность восприятия оболочкой и подкрепляющими ее элементами значительных изгибающих моментов. Следовательно, в полужестком дирижабле с килевой фермой конструкционный материал используется нерационально, что приводит к перетяжелению конструкции, ухудшению летно-техничеких характеристик аппарата, росту стоимости его эксплуатации и ремонта.
В дирижабле жесткой схемы объемный каркас, обеспечивает заданную форму внешней несущей оболочки, несет нагрузки от давления несущего газа и от скоростного напора. Форма и жесткость каркаса определяется системой поперечных шпангоутов и набором продольных или диагональных стрингеров.
Наиболее близким аналогом к заявленной полезной модели является каркас немецких жестких дирижаблей серии Цеппелин «LZ» с шпангоутами и продольными стрингерами и серии «SL» с ромбическими ячейками каркаса (Полозов Н.П. Сорокин. М.А. Дирижабли. Воениздат НКО СССР. Москва. 1940 г. Стр.160, Рис.108).
Недостатком силовой конструкции серии «LZ» является сложность достижения оптимального распределения жесткости и прочности по всем элементам каркаса. Достаточная по прочности плотность материала в зонах с малой кривизной приводит к избытку прочности в зонах с большой кривизной, что прямо сказывается на весе конструкции. Кроме того, между шпангоутами и стрингерами остаются большие ничем не подкрепленные площади.
Недостатком каркаса серии «SL» является двойная кривизна продольных элементов ромбических ячеек, требующих выполнения их криволинейного выгиба по переменному закону, что осложняет достижение необходимой точности монтажа при производстве и ремонте.
Задачей полезной модели является: улучшение летно-технических характеристик дирижабля, снижение стоимости эксплуатации, упрощение ремонтных работ.
Технический результат в полезной модели дирижабля с несущим каркасом достигается тем, что:
1. Силовой набор аппарата построен в виде замкнутой пространственной сетчатой оболочки, представляющей собой совокупность унифицированных узлов 2 и ребер 3, образованных разбиением гладкой выпуклой поверхности удобообтекаемого тела на конечное число ячеек, каждая из которых представляет собой пространственный правильный/неправильный пяти/шестиугольник.
2. Ребра 3 ячейки сетки выполнены из композиционного материала с закрытым профилем поперечного сечения в виде трубы, треугольника, прямоугольника или квадрата с отношением длины ребра к диаметру описанной окружности как 1/50 и с относительной толщины стенки профиля в пределах от 1/5 до 1/7 описанного диаметра.
3. Ребра 3 ячейки сетки выполнены из композиционного материала с открытым профилем поперечного сечения в виде креста, тавра или швеллера с шириной полок, уменьшающихся пропорционально расстоянию от середины ребра 3.
4. Ребра 3 ячеек сетки могут представлять собой цельную сварную ферму из легкого алюминиевого сплава.
Улучшение летно-технических характеристик дирижабля достигается подбором параметров разбиения его силового набора на ячейки в виде замкнутой пространственной сетчатой оболочки, в которой обеспечивается оптимальное соотношение между массовыми и прочностными свойствами ребер сетки. При этом достигается стабильность заданной аэродинамической формы, создающей дирижаблю приращение подъемной силы за счет несущих свойств корпуса при его обтекании набегающим потоком воздуха. Кроме того, замкнутая сетчатая оболочка позволяет перераспределить динамическую нагрузку, возникающую в процессе полета, от наиболее нагруженных элементов конструкции к менее нагруженным.
Снижение стоимости эксплуатационных расходов дирижабля с несущим каркасом в виде пространственной сетчатой оболочкой по сравнению с дирижаблями классической формы возникает за счет возможности отказа в эксплуатации от причальных устройств и сокращения потребной площади для стоянки. Благодаря распределенной по сетчатой оболочке жесткости, стало возможным стоянку дирижабля осуществлять не путем удерживания аппарата на причальной мачте с последующим флюгированием вокруг нее, а за счет его швартовки в неподвижном положении при помощи швартовочных тросов, что одновременно упрощает решение задачи удаления снега и ледовой корки с наружной поверхности дирижабля, которые можно удалять посредством изменения давления в воздушной полости под внешней оболочкой.
Упрощение ремонта достигается использованием типовых номерных стыковочных узлов и несущих ребер каркаса, простоты их изготовления и легкости доступа к поврежденным местам конструкции.
Полезная модель поясняется чертежами:
На фиг.1 показан изометрический вид дирижабля с фрагментом несущего каркаса в виде замкнутой пространственной сетчатой оболочки.
На фиг.2 показано соотношение давлений в газовом мешке, воздушной полости и в набегающем потоке.
На фиг.3 показан силовой набор в виде замкнутой пространственной сетчатой оболочки.
Предложенный дирижабль 1 с несущим каркасом (Фиг.1), характеризуется тем, что содержит в своем составе силовой набор в виде замкнутой пространственной сетчатой оболочки, представляющей собой совокупность узлов 2 и ребер 3, образованных разбиением гладкой выпуклой поверхности удобообтекаемого тела на множество ячеек, каждая из которых в плане представляет собой правильный/неправильный пяти/шестиугольник. При этом ребро 3 ячейки сетки изготовлено из композитного материала в виде трубы с сечением различной формы (окружность, равнобедренный треугольник, прямоугольник, квадрат, тавр, крест, швеллер), с отношением диаметра описанной окружности к длине ребра как 1/50 и с относительной толщины стенки профиля в пределах от 1/5 до 1/7 описанного диаметра, а стык ребер является типовым узлом 2, в котором сходятся не менее трех ребер 3, позволяющих соединить и зафиксировать их в необходимом положении.
Кроме того, газовые мешки 4 из газонепроницаемого материала, содержат несущий газ с максимальным давлением не более 100 мм.вод.ст. и размещены внутри каркасной сетки, а внешняя оболочка 5 из воздухонепроницаемого материала, охватывает каркасную сетку снаружи.
Конструкция дирижабля включает ряд обеспечивающих систем:
- Система управления дирижаблем (условно не показана) состоит из совокупности датчиков, исполнительных устройств, счетно-решающих устройств и алгоритмов их работы.
- Силовая установка 6 представляет собой взаимосвязанную систему трансмиссий, двигателей, движителей, вспомогательных агрегатов.
- Система энергообеспечения дирижабля (условно не показана) включает совокупность источников энергии, средств передачи энергии к потребителям, устройств контроля и алгоритмов их работы.
- Воздушно-газовая система (условно не показана) состоит из системы управления давлением воздуха в баллонете, системы контроля давления газа в газовых мешках, газовых и воздушных клапанов, элементов газоснабжения, автономного источника питания и счетно-решающего устройства.
- Аэродинамические поверхности состоят из рулей высоты 7 и направления 8.
- Устройства для посадки и стоянки дирижабля на поверхности земли 9.
- Средства швартовки (условно не показаны).
- Отсек полезной нагрузки 10, с устройствами, обеспечивающими приемлемые условия транспортировки полезной нагрузки и ее сохранность в течение полета.
- Комплекс средств связи и телеметрии (условно не показано), состоящий из радиоканала, антенны, усилительных, преобразующих и согласующих устройств, приемника GLONASS/GPS.
3
2
Несущий газ, заполняющий газовые мешки, создает в них избыточное, по отношению к давлению набегающего потока Р, давление Р(Фиг.2). Сами мешки контактируют с ребрами каркасной сетки и передают на них давление газа, которое стремится выгнуть ребра сетки изнутри наружу.
3
1
1
2
Внешняя оболочка, которая размещена снаружи сетки и прикреплена к ней, придает корпусу дирижабля необходимые аэродинамические характеристики, защищает газовые мешки от воздействия скоростного напора воздуха Р и образует воздушную полость (так называемое пространство баллонета) между внешней поверхностью газовых мешков и своей внутренней поверхностью. Давление воздуха Р в баллонетом пространстве (Фиг.2), приложенное к внешней поверхности газовых мешков, создает усилие, которое действует в обратном, по отношению к давлению несущего газа, направлении и разгружает несущую сетку. Величина давления Р обеспечивается и контролируется воздушно-газовой системой в автоматическом режиме - его значение не должно быть ниже давления подъемного газа Р, которое может расти в случае нагрева от Солнца или подстилающей поверхности земли, но не должно быть слишком высоким, так как это приведет к выпучиванию внешней оболочки и ее последующему разрыву.