Высотный дирижабль
HIGH-ALTITUDE AIRSHIP

Изобретение относится к области воздухоплавания и может быть использовано при создании высотного дирижабля, предназначенного для подъема полезной нагрузки на высоту 15-22 км и способного находиться в заданной точке в течение продолжительного времени.
Известен дирижабль (патенты США US 6607163 В2, 2003 и US 6609680 В2, МПК В64В 1/06, 2003). Дирижабль имеет мягкую конструктивно-силовую схему, основной конструктивный элемент - оболочка, имеющая избыточное внутреннее давление на расчетной высоте барражирования, которая работает как аэробалка. Старт ВД осуществляется с невыполненной оболочкой, аналогично старту высотного аэростата, когда только часть его заполнена несущим газом. При этом оболочка приобретает заданную форму, при которой возможен управляемый полет с использованием силовой установки, только на расчетной высоте полета. Посадка осуществляется путем выпуска подъемного газа и спуска полезной нагрузки и части оборудования на парашюте. Заявленные решения, описанные в патентах, были реализованы в проектах экспериментальных высотных дирижаблей HiSentinel 20, HiSentinel 50 и HiSentinel 80.
Реализация такой конструкции может быть перспективна только для ВД, рассчитанного на небольшую продолжительность полета, также с такой конструкцией весьма проблематичен возврат полезной нагрузки и самого аппарата в исходную точку старта. Данная концепция интересна для выполнения кратковременных разовых задач, для которых она является и наиболее минимальной по затратам.
В случае когда на поверхности оболочки ВД должна быть размещена батарея солнечных элементов для длительного энергоснабжения аппарата (продолжительный полет), а также крупногабаритные блоки (антенны) полезной нагрузки, требуется поддержание постоянной формы и сверхдавления внутри оболочке в течение всех этапов полета (старт, набор высоты, полет на крейсерской высоте, снижение, посадка).
Для поддержания постоянной формы внешней оболочки классическим способом, как на маловысотных дирижаблях полумягкой или полужесткой схемы («Дирижабли». Арие М.Я. - Киев, из-во Наукова думка, 1986 г., стр. 46, стр. 59), требуется размещения внутри внешней оболочки, наполненной гелием, баллонета с воздухом очень большого объема (до 90% от полного объема воздухоизмещения). Такой баллонет даже при наличии большого количества внутренних перегородок может перемещаться вдоль продольной оси оболочки при взлете и наборе высоты и не обеспечит постоянного положения центра приложения аэростатической подъемной силы дирижабля на разных фазах полета. Также при реализации внутренней подвески ВД, характерной для классической полумягкой или полужесткой схемы дирижаблей, перемещение потолка баллонета на малых высотах будет ограничено элементами подвески (катенарные пояса, тросы).
В таком случае рационально применение конструкции с двумя оболочками, когда одна оболочка находится внутри другой, при этом между ними остается воздух (воздушный зазор). Такая схема, реализованная в конструкции полужесткого дирижабля с двойной оболочкой итальянского конструктора Энрико Форланини («Дирижабли. Нежесткие, полужесткие и жесткие системы». Н.В. Лебедев, Государственное авиационное и автотракторное издательство, 1933 г., стр. 104), принятая за прототип, показана на фиг. 1 на примере дирижабля F-5. Внешняя оболочка 1 имеет постоянный объем воздухоизмещения и форму, находится все время под избыточным давлением воздуха. Внутренняя оболочка 2 разделена на отсеки и заполнена несущим газом 3. Роль воздушного баллонета в такой конструкции будет выполнять зазор (объем) 4 между двумя оболочками.
Основу жесткой силовой конструкции составляет центральный киль 5, представляющий собой ферменную балку треугольной формы с обращенной вверх вершиной, к которой крепятся гондолы 6 и хвостовое оперение 7. Вдоль всей внутренней оболочки 2 проходят внутренние катенарные пояса 8, передающие аэростатическую подъемную силу посредством тросов 9, соединенных в одной центральной точке, к вершине продольной килевой фермы 5. Дополнительные тросы 10 передают часть нагрузки на две нижние точки основания треугольной фермы 5. Тросы 10 оснащены специальными рукавами, позволяющими нижней части внутренней оболочки 2 перемещаться вдоль них при изменении высоты полета и объема несущего газа 3.
На уровне Земли при h=0 нижняя часть внутренней оболочки максимально поднимается вверх, занимая положение, примерно показанное линией 11. В процессе набора высоты подъемный газ 3 расширяется, а воздух 4, находящийся между внешней 1 и внутренней 2 оболочками, выпускается через клапаны в атмосферу.
Максимальная высотность дирижабля определяется допустимым диапазоном изменения положения нижней части внутренней оболочки 2, но слишком сложная система внутренней подвески конструкции Форланини не позволит увеличить диапазон высот, так как при начальном (стартовом) состоянии на h=0 нижняя часть внутренней оболочки 2 не сможет подняться вверх выше точки соединения тросов внутренней подвески 9. Другим недостатком данной конструкции является пересечение тросами подвески газодержащей нижней части оболочки 2, а также наличие гофрированных рукавов, которые ухудшают ее герметичность, усложняют сборку и эксплуатацию. В дирижаблях Э. Форланини, предназначенных для полетов на максимальной высоте h=5-6 км, такая конструкция вполне оправдывала себя. Для повышения высотности применения дирижабля, имеющего две оболочки, до уровня h=15-22 км, необходима другая конструкция, позволяющая больший диапазон изменения положения нижней части внутренней оболочки 2.
п
Известно, что оболочка высотного дирижабля (ВД) отличается основной функциональной особенностью - при наборе высоты полета от точки старта на h=0 до высоты барражирования h=15-22 км объем несущего газа увеличивается в 6-20 раз.
Задачей и техническим результатом изобретения является разработка конструкции высотного дирижабля, способного обеспечить большой диапазон изменения объема несущего газа, связанного с большой высотой полета, при этом сохранить неизменной внешнюю форму оболочки (корпуса) при минимальной сложности и стоимости конструкции.
Решение задачи и технический результат достигаются тем, что высотный дирижабль, имеющий полужесткую конструкцию, оперение, носовое усиление, внутреннюю и внешние оболочки, прослойка между которыми наполнена воздухом, внутренняя оболочка разделена на отсеки и наполнена несущим газом, он дополнительно содержит, как минимум, два продольных боковых жестких элемента, соединенных в кормовой части с оперением, а в носовой части с носовым усилением, внутренняя оболочка имеет по периметру внешние боковые катенарные пояса, соединенные тросами с продольными боковыми жесткими элементами, при этом нижняя часть внутренней оболочки до уровня внешних катенарных поясов выполнена с возможностью изменения объема в пределах от 5% до 100% от полного объема.
Кроме того, внутренняя оболочка дополнительно может иметь внутренние катенарные пояса и стяжки.
Фиг. 1 - Дирижабль F-5 конструкции Э. Форланини
Фиг. 2 - Оболочка и конструктивно-силовая схема высотного дирижабля
Фиг. 3 - Миделевое сечение высотного дирижабля для h=0 и h=15…22 км
Фиг. 4 - Конструкция и функциональные состояния внутренней оболочки высотного дирижабля
Предлагаемое техническое решение содержит, как минимум, два дополнительных продольных боковых жестких элемента (фермы) 12, соединенных полушпангоутами 13. Центральный киль 5, к которому пристыкована гондола 6, носит вспомогательный характер и может быть заменен одной длинной гондолой. Продольные боковые жесткие элементы 12 ближе к кормовой и носовой части переходят в дополнительные продольные жесткие элементы 14 (профиль из металла или композиционного материала), проходящие вдоль меридианов внешней оболочки. В кормовой части дополнительные продольные жесткие элементы 14 соединяются с нижними планами хвостового оперения 7, а в носовой части с зонтичным носовым усилением 15. Два нижних плана оперения 7 соединены полушпангоутом 13. Верхний план оперения 7 также соединен дополнительным продольным жестким элементом 14 с кормовой винтомоторной группой. Таким образом, создается нижний силовой контур (рама), который позволяет равномерно распределить статическую нагрузку, передать ее к боковым сторонам внутренней оболочки 2, а также обеспечить сохранение геометрии ВД даже в случае падения избыточного давления внутри внешней оболочки 1. Продольные боковые жесткие элементы 12 могут быть использованы также для закрепления габаритных элементов полезной нагрузки 16 (антенные модули), либо панелей батареи солнечных фотоэлектрических преобразователей 17.
1
Внутренняя оболочка 2 имеет по периметру внешние боковые катенарные пояса 8, расположенные симметрично относительно продольной вертикальной плоскости симметрии дирижабля вдоль меридианов ее боковых сторон ниже сечения горизонтальной плоскостью, проходящей через ось внутренней оболочки 2.
1
Конструкция внутренней оболочки соответствует решению по жестким элементам конструкции. На фиг. 3 показано миделевое сечение высотного дирижабля при состоянии внутренней оболочки 2 для высот h=0 км (старт и посадка) и h=15…22 км (крейсерский режим). Аэростатическая подъемная сила несущего газа внутренней оболочки 2 равномерно передается на боковые жесткие продольные элементы 12 и дополнительные боковые продольные жесткие элементы 14 посредством внешних боковых катенарных поясов 8 и тросов 9, расположенных между внешней и внутренней оболочками как вертикально, так и по диагонали, для предотвращения продольных перемещений внутренней оболочки 2.
Для более равномерной передачи нагрузки на внешние катенарные пояса 81, а также для придания формы, близкой к окружности, внутренняя оболочка 2 может иметь хордовые стяжки 18 по всей ее длине, соединяющие внутренние катенарные пояса 19, также проходящие вдоль меридиональных швов. Такие стяжки 18 не мешают нижней части внутренней оболочки 2 свободно перемещаться при многократном изменении объема несущего газа.
1
Конструкция и функциональные состояния внутренней оболочки 2 с внешними катенарными поясами 8 и тросами подвески 9 подробно показаны на фиг. 4. Внутренняя оболочка 2 разделена мембранами 20 для предотвращения перемещения несущего газа 3 в процессе набора расчетной высоты полета, когда оболочка не выполнена.
Перед стартом на h=0 внутренняя оболочка 2 наполняется несущим газом 3 так, чтобы все отсеки были заполнены газом равномерно и его подъемная сила уравновесила вес конструкции дирижабля, при этом объем заполненной части будет составлять не более 5…10% от максимального объема внутренней оболочки. В процессе набора высоты несущий газ 3 расширяется, при этом объем внутренней оболочки 2 увеличивается, воздух 4 выходит из пространства между внутренней 2 и внешней оболочками 1 (фиг. 3). Кроме того, внутренняя оболочка 2 имеет носовой 21 и кормовой 22 отсеки, один из которых может быть наполнен воздухом для смещения и коррекции балансировки всего высотного дирижабля. При 100% выполнении внутренней оболочки 2 несущим газом 3 подъем высотного дирижабля прекращается во избежание ее разрушения под воздействием внутреннего избыточного давления. В процессе длительного крейсерского полета внутренняя оболочка 2 будет находиться в полностью выполненном состоянии либо в состоянии, когда носовой 21 или кормовой 22 отсеки наполнены воздухом.
Результатом изобретения является разработка конструкции высотного дирижабля, позволяющая обеспечить большой диапазон изменения объема несущего газа, соответствующий стратосферной высоте полета 15-22 км, способного находиться в заданной точке в течение продолжительного времени, от нескольких месяцев до года и более, являющегося альтернативой геостационарным космическим аппаратам.
Разработанное решение по конструктивно-силовой схеме высотного дирижабля позволяет обеспечить рациональное и равномерное размещение массы компонентов энергосистемы (АКБ, БСЭ, вспомогательную силовую установку), основной функциональный элемент полезной нагрузки (модули антенны), а также удобный доступ к ним при осуществлении технического обслуживания. Образуемый в нижней части аппарата жесткий контур позволяет повысить надежность дирижабля, так как в случае потери давления во внешней оболочке или разрушения одного из газосодержащих отсеков внутренней оболочки он позволит сохранить аэродинамическую форму дирижабля, а также устойчивость и управляемость.