Воздушно-балластная система дирижабля

Воздушно-балластная система предназначена для изменения аэростатической подъемной силы полужесткого дирижабля и поддержание ее в полете независимо от нагрева или охлаждения несущего газа (водорода, гелия) в оболочке, расхода топлива бортовыми двигателями, изменения высоты полета.
Для этого внутри оболочки выполняются гибкие емкости, воздушные баллонеты, наполняемые атмосферным воздухом, забираемым в спутной струе за воздушными винтами (импеллерами), вращаемых от бортовых двигателей или установленными специально для этой цели вентиляторами. Каждый баллонет включает клапаны наполнения и выпуска сжатого атмосферного воздуха, арматуру наполнения и выпуска воздуха, включая воздуховоды и приборы контроля температуры, давления и объема воздуха.
Известен аналог - полужесткий Электрический дирижабль с помещенными внутри его оболочки баллонетами, наполняемыми атмосферным воздухом {1}. Недостатком этого технического решения является необходимость выполнять баллонеты с большими объемами воздуха, достигающих до 50% объема дирижабля в зависимости от планируемой высоты полета. А это приводит к соответствующему снижению полезной грузоподъемности дирижабля. Их наполнение длится продолжительное время, что отрицательно сказывается на маневренности дирижабля в вертикальной плоскости.
Другой недостаток - невозможность быстрой продувки таких баллонетов для удаления конденсата, возникающего на их внутренних поверхностях из-за изменения влажности и температуры атмосферного воздуха, что сокращает срок эксплуатации подобных систем. Кроме того, значительные массы воздуха, находящиеся в баллонетах большого размера, способствуют появлению инерционных сил в горизонтальной плоскости во время разгона или торможения дирижабля на больших скоростях полета (до 150 км/ч), что негативно влияет на работу бортовой авионики.
Известен аналог-прототип дирижабля, внутри которого помещены трубчатые гибкие баллонеты, наполняемые воздухом от компрессора {2, стр. 425} по всему периметру поперечного сечения корпуса дирижабля. Недостатками этого технического решения являются:
снижение остойчивости дирижабля, то есть, увеличение бортовой раскачки в ветреную погоду во время осуществления полета, так как центр тяжести дирижабля смещен достаточно высоко вверх);
наличие большого количества трубчатых баллонетов, наполняемых воздухом, обуславливает увеличенную их собственную массу и невысокую скорость наполнения воздухом и освобождения от него;
система арматуры наполнения и выпуска воздуха, включая воздуховоды и контролирующие температуру, давление и объемы воздуха приборы, сложна в изготовлении и эксплуатации.
Целью данного технического решения является быстрое заполнение и опорожнение балластных баллонетов, наполненных воздухом до давления, при котором масса этого сжатого воздуха будет равна массе полезной нагрузки, поднимаемой дирижаблем.
Кроме того, масса несущего газа внутри оболочки дирижабля остается постоянной, независимо от условий полета, а удаление конденсата с внутренней поверхности баллонета происходит более эффективно.
Поставленная цель достигается тем, что воздушные баллонеты выполнены в виде труб, прикрепленных внутри оболочки дирижабля в ее нижней части. Габаритные размеры каждой трубы выбираются исходя из расчетного суммарного объема массы воздуха, равного массе полезной нагрузки при шестикратном запасе прочности материала оболочки баллонета. Сжатый воздух в баллонеты поступает от соответствующей ступени компрессора турбовального авиационного двигателя ВК-2500ПС, обладающего пониженным шумовым давлением и более высоким, чем у газотурбинного авиационного двигателя, КПД.
На фиг. 1 показана воздушно-балластная система (условно показан вид сбоку одного баллонета) дирижабля, где обозначено: 1 - оболочка дирижабля; 2 - воздушный баллонет; 3 - датчик давления; 4 - управляемый клапан, 5 - лента силовая; 6 - патрубок воздушный от двигателя ВК- 2500ПС; 7 - клапан обратный; 8 - вентилятор; 9 - патрубок воздушный от вентилятора; 10 - турбовальный двигатель ВК-2500ПС; 11 - клапан обратный; 12 - датчик температуры; 13 - клапан автоматического и ручного управления.
Устройство работает следующим образом. На стоянке дирижабль находится с полностью выполненными воздушными баллонетами, внутреннее избыточное давление воздуха в которых составляет 0,6 атм. При наличии на борту еще и топлива аэростатическая свободная подъемная сила дирижабля не превышает массы воздуха, помещенного в баллонетах. В этом случае дирижабль можно считать аппаратом тяжелее воздуха, что благоприятствует его стоянке на земле, проведению разгрузки и загрузки платного груза.
В начале вертикального старта после загрузки, когда включены оба турбовальных двигателя, пилот открывает клапан 13 и воздух, находящийся под избыточным давлением, начинает вытекать в атмосферу. Этому процессу способствует и давление несущего газа, выжимая остатки воздуха из баллонетов. При этом увеличивается свободная аэростатическая, а при работе и движителей (импеллеров) с вертикальным вектором тяги дирижабль начинает взлет. На рабочей высоте полета воздух в баллонетах отсутствует. Перед посадкой дирижабля начинается заполнение баллонетов воздухом под давлением 0,6 атм от соответствующей ступени компрессора турбовального двигателя ВК-2500ПС. Хотя при этом процессе и теряется около 7% мощности каждого двигателя, но это не влияет на условия пилотирования дирижабля, так как степень снижения посадочной скорости дирижабля сбалансирована со степенью снижения мощности двигателя. Заполнение любого из баллонетов воздухом осуществляется от ступени компрессора любого из выполненных на борту дирижабля турбовальных двигателей.
При посадке загруженного дирижабля вертикальный вектор тяги импеллеров препятствует осуществлению грубой посадки. Таким образом, при согласованной работе воздушно-балластной системы и бортовых двигателей происходит снижение и посадка дирижабля. При отборе воздуха от одного из двигателей в объеме 20 кубических метров в секунду время набора 8800 куб.м. составит 7,3 мин, если же работают оба двигателя, то время наполнения обоих баллонетов 3,7 мин.
Таким образом, воздушно-балластная система дирижабля, включающая несколько воздушных баллонетов, обладает повышенной надежностью при эксплуатации даже если будет работоспособен один из турбовальных двигателей, выполненных на борту дирижабля.
К нижней части оболочки 1 баллонеты 2 крепятся силовыми лентами 5, препятствующими их перемещениям, а при наличии и продольных силовых лент прочностная надежность баллонета повышается. Датчик давления 3 фиксирует давление сжатого воздуха и в случае его неожиданного превышения расчетного значения дает команду на открытие клапана 13 и выпуск части воздуха. Патрубки 6 и 9 направляют входящий в баллонет воздух от вентилятора 8 и от компрессора двигателя ВК-2500ПС 10. Они снабжены обратными клапанами 11 и 7 соответственно. Датчик 12 фиксирует температуру поступающего от компрессора двигателя 10 воздуха, которая составляет около 200 градусов Цельсия. При адиабатическом расширении в баллонете температура этого воздуха резко падает, что способствует появлению на внутренней поверхности баллонета конденсата. Вследствие этого после опорожнения баллонета его продувают теплым воздухом, подаваемым от другой ступени компрессора турбовального двигателя.
При отказе обоих двигателей 10 включаются в работу вентиляторы 8, питающиеся от бортовых аккумуляторов. Конечно, наполнение баллонетов будет более продолжительным, так как напор от вентилятора не превышает 0,15 атм и масса воздуха будет меньше. Недобираемую массу воздуха компенсируют вертикальной отрицательной (вниз) тягой импеллеров, электродвигатели которых также питаются от аккумуляторов. Управляемый клапан 4 предназначен для использования при аварийной ситуации, например, при обнаружении сильной утечки несущего газа от разрыва оболочки или в результате обстрела. В этом случае выпуском воздуха из баллонетов можно на короткое время поднять давление несущего газа, обеспечивающего поддержание аэродинамических обводов оболочки, пока экипаж совершит посадку на выбранную с воздуха площадку приземления.
В качестве материала воздушных баллонетов используется гибридная многослойная ткань на основе углерода и кевлара, воспринимающая высокие температуры и действующие напряжения растяжения.
Технический результат Полезной модели заключается в том, что:
уменьшаются объемы баллонетов при массе заключенного в них воздуха, равного массе полезной нагрузки дирижабля;
масса несущего газа в оболочке дирижабля остается постоянной, независимо от состояния окружающей атмосферы;
удаление конденсата с внутренней поверхности баллонетов более эффективно;
инерционные силы, возникающие в баллонетах при разгоне и торможении дирижабля, уменьшены наличием высокого давления воздуха в них;
применение в качестве материала воздушных баллонетов гибридной многослойной ткани на основе углерода и кевлара обеспечивает баллонетам шестикратный запас прочности и работу при высоких температурах горячего воздуха, поступающего от компрессора двигателя.
Известные аналоги:
1. Заявка на полезную модель №2019112349 23.04.2019
2. Ю.С.Бойко. Воздухоплавательные аппараты и полеты на них, Симферополь, «Антиква», 2015 г.