Электрический дирижабль

Электрический дирижабль предназначен для транспортирования по воздуху пассажиров и грузов с помощью электричества, вырабатываемого для движителей - импеллеров- непосредственно на борту дирижабля. Генератор, вырабатывающий электрический ток, приводится во вращение турбовальным авиационным двигателем и связан электрическим кабелем с электрическими двигателями, вращающими, в свою очередь, импеллеры.
Известен аналог (патент РФ №2546741, В64В 1/32, В64Д 35/04, В64Д 27/24, 10.04.2015) - дирижабль с энергодвигательной установкой, в которой генератор получает вращение от вала реактивного двигателя и передает электроэнергию электрическим двигателям, выполненным вместе с движителями-пропеллерами - по внешнему периметру корпуса дирижабля. Генератор осуществляет и подзарядку аккумуляторов. Горизонтальную тягу дирижаблю обеспечивает управляемое сопло, установленное на реактивном двигателе. При этом энергодвигательная установка находится внутри корпуса дирижабля.
Недостатками этого технического решения являются:
необходимость в длинных воздуховодах, которые направляют атмосферный воздух к входным устройствам реактивного двигателя и к управляемому соплу на выходе его за корпус дирижабля. Это уменьшает полезный газовый объем несущего газа, ухудшая весовую отдачу дирижабля;
ремонт и обслуживание энергодвигательной установки, выполненной внутри объема несущего газа, требует особых дополнительных устройств для обеспечения безопасной работы обслуживающего персонала. Это более трудоемко и затратно по сравнению с проведением подобных работ при внешнем расположении реактивного двигателя и генератора;
размещение реактивного двигателя и генератора над пассажирской кабиной повышает риск повреждения кабины при аварийном разрушении этих агрегатов;
эффективность реактивного сопла на малых скоростях полета дирижабля существенно ниже, чем у воздушных винтов - пропеллеров, импеллеров.
Известен другой аналог (патент США №5383627, 244/26,1995) - дирижабль, у которого крылья с выполненными на них импеллерами закреплены выше кабины, причем импеллеры приводятся во вращение непосредственно от двигателей, а импеллеры вместе с двигателями выполнены поворотными, что позволяет выполнять как взлет и посадку, так и горизонтальный полет дирижабля. Оперение дирижабля оборудовано только рулями высоты.
Недостатки этого технического решения:
при малых скоростях полета управляющего момента относительно центра масс дирижабля как в горизонтальной плоскости (момент рыскания), так и в вертикальной плоскости (момент тангажа) будет недостаточно для эффективного управления дирижаблем из-за ограниченного размера плеча - расстояния от импеллера до центра масс;
аэродинамические рули высоты при малых скоростях полета дирижабля не эффективны;
отклонения импеллеров совместно с выполненными вместе с ними двигателями требует больших затрат энергии, чем отдельных импеллеров.
Наиболее близким из аналогов - прототипом является электрический дирижабль (заявка на патент РФ на полезную модель №2019101756, В64В 1/24, В64Д 27/24, подана 23.01.2019). Он включает корпус, крылья, электрическую станцию, в которой помещены турбовальный авиационный двигатель и генератор, аккумуляторные батареи и электрический двигатель, приводящий во вращение хвостовой воздушный винт.
Но оснащение дирижабля только одним хвостовым винтом не дает ему возможность взлетать вертикально, если полезная грузоподъемность дирижабля превысит свободную аэростатическую подъемную силу несущего газа.
Отличительными признаками в патентуемом техническом решении являются:
генераторы и электродвигатели выполнены на сверхпроводниках, это позволяет снизить массы генераторов и электродвигателей в 9 раз!;
импеллеры, помещенные в крыльях, выполнены не только поворотными на 120 градусов вверх и 120 градусов вниз, но и
реверсивными, то есть, изменяя направления вращения лопастей импеллеров, можно повысить массу полезной нагрузки дирижабля;
электрическая станция - турбовальные авиационные двигатели и генераторы - закреплена к нижней части корпуса дирижабля между грузовой кабиной и хвостовым оперением;
планы хвостового оперения снабжены реверсивными импеллерами, что существенно повышает маневренность дирижабля на околонулевых скоростях полета и в режиме висения,
крыльевые импеллеры включаются и выключаются как одновременно все, так и по предварительно установленному распорядку.
На фиг. 1 показан вид сбоку электрического дирижабля, на фиг. 2 показан вид электрического дирижабля сверху, на фиг. 3 сечение по «А-А» с фиг. 1. На фиг. 4 изображена схема силовых установок электрического дирижабля Б-20 - проект автора.
В мягкой обшивке корпуса 1 дирижабля выполнены сети 2, отделяющие воздушные баллонеты 3 и газовые отсеки 4 друг от друга. В планах горизонтального оперения 5 выполнены рули высоты 17 и импеллеры 16 вертикального управления. Хвостовой винт 6 большого диаметра и с реверсивным вращением. Руль направления 7 с импеллером 8 бокового управления расположены на вертикальном плане 9 оперения. Электростанция 10 вместе с выполненными в ней турбовальными авиационными двигателями и генераторами закреплена к килевой балке 13, к которой также закреплена кабина 12, два крыла 14 с размещенными в них импеллерами 11, вращаемых электродвигателями и тросовая подвеска 20 к демпферам 15 усилий. Демпферы «рассеивают» усилия, приходящие от килевой балки 13 через тросовую подвеску 20 и катенарную подвеску 21. Носовое усиление 19 предназначено для восприятия мягкой обшивкой 18 встречного скоростного напора воздуха. Хвостовой винт 6 обеспечивает как крейсерский полет, так и полет при отказе всех турбовальных авиационных двигателей, получая электроэнергию от аккумуляторов.
Импеллеры бокового 8 и вертикального управления 16 способствуют высокой маневренности дирижабля на малых скоростях полета. На скоростях свыше 60 км/ч начинают эффективно работать аэродинамические рули высоты и направления.
На фиг. 4 изображены: 22 - турбовальный авиационный двигатель ВК2500ПС; 23 - редуктор понижающий; 24- электрогенератор 500 кВт; 25 - электродвигатель 500 кВт; 26 - импеллер; 27 - кабель электрический; 28 - импеллер вертикального управления; 29 - электродвигатель 250 кВт; 30 - хвостовой винт; 31 - импеллер бокового управления.
Показанные на фиг. 4 механизмы функционируют в том же алгоритме, что и показанные на фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 3.
В показанной на фиг. 1 схеме электрического дирижабля Б-20 (проект автора) объемом 31800 кубических метров выполнены 6 импеллеров диаметром каждого 2,5 м, приводимых во вращение рядом стоящим электродвигателем мощностью 500 кВт. Электродвигатели питаются от генераторов, приводимых во вращение от двух турбовальных авиационных двигателей ВК-2500ПС.
Применение сверхпроводимых генераторов и электродвигателей позволит вдвое поднять полезную грузоподъемность электрического дирижабля, а скорость полета до 150 км/ч.
С грузом 20 т дирижабль пролетит 1500 км - это втрое больше дальности полета, чем у современного транспортного вертолета Ми-26 с той же нагрузкой.
При этом уменьшаются шумность и вибрации, действующие на конструкцию дирижабля.
Устройство работает следующим образом.
При взлете с полной загрузкой все импеллеры работают на создание вертикальной тяги и после достижения высоты 30-50 м пилоты производят отклонение импеллеров вертикального управления с обеспечением дирижаблю положительного угла атаки 10-15 градусов и при работе хвостового винта на максимальной мощности дирижабль начинает разгон по восходящей глиссаде. В это же время - по необходимости - включается в работу импеллер бокового управления. При скорости полета, превышающей 60 км/ч, действуют аэродинамические рули высоты и направления, а на крыльях появляется аэродинамическая подъемная сила, которая позволяет уменьшить работу импеллеров на вертикальную тягу и плавно загружать их горизонтальной тягой, ускоряя разгон дирижабля. При скорости полета 150 км/ч и угле атаки у крыльев 12 градусов их аэродинамическая подъемная сила составит 10 т. Имея запас топлива 5 т, дирижабль преодолеет расстояние 1500 км. На крейсерской скорости полета для экономии топлива часть турбовальных авиационных двигателей переключается на режим малого газа или на подзарядку аккумуляторов, которые на взлете и разгоне дирижабля дополняют тяговую мощность импеллеров.
Если дирижабль возвращается к месту старта порожним, то тягу импеллеров направляют вниз, а баллонеты заполняются воздухом от соответствующей ступени турбины турбовального авиационного двигателя или от спутных струй импеллеров. В этом случае дирижабль становится практически аппаратом тяжелее воздуха.
При последующем старте воздух из баллонетов вытесняется через воздушные клапаны в атмосферу вследствие расширения несущего в оболочке дирижабля. Такая совокупность систем дирижабля обеспечит ему старт при полной загрузке, полет на скоростях до 150 км/ч, спуск как порожнего, так и загруженного, причаливание на необорудованных для этого местах земной поверхности при наличии на борту соответствующих причальных устройств - реактивных якорей или опускаемых с борта электрических анкеров.
Таким образом, патентуемое техническое решение на полезную модель отвечает критериям «новизна» и «промышленная применимость».