Вакуумний дирижабль

Апарат Франциско Лани
Early flight 02561u (2). Jpg

Вакуумний дирижабль - дирижабль жорсткої конструкції, внутрішня порожнина оболонки якого вакуумируют, внаслідок чого відповідно до законом Архімеда виникає аеростатичних підйомна сила. Управління величиною і знаком підйомної сили повинно здійснюватися впусканням в оболонку або випуском з неї атмосферного повітря, або зміною обсягу оболонки. Такий пристрій за принципом майже аналогічно підводному човні ( вода в 775 разів щільніше повітря) і хоча аеростатичні апарати з тиском внутрішньої порожнини апарату меншим атмосферного ніколи не існували в умовах земної атмосфери, вони цілком здійсненні не тільки для Землі, але і для планет з більш високим атмосферним тиском.


1. Апарати за способом вакуумування оболонки

На оболонку, всередині якої відсутній будь газ, буде діяти підйомна сила приблизно на 14% більша, ніж на оболонку з гелієм. Однак на практиці ця цифра буде менше через неможливість досягти повного вакууму.

З урахуванням рівняння стану ідеального газу і закону Архімеда вакуумні літальні апарати будуть відрізнятися за способом вакуумування оболонки:

  • викачуванням повітря з оболонки постійного обсягу (більш докладно описано в статті "Вакуумні літальні апарати" на сайті [1]);
  • збільшенням обсягу оболонки без можливості одночасного збільшення її маси і надходження в неї повітря з атмосфери.


Що стосується дирижабля по першому способі вакуумування оболонки, то в даний час вважається (наприклад [2]), що вакуумний дирижабль виготовити неможливо, тому що в такого виду дирижаблях може бути досягнутий вакуум порівняно високого ступеня і виникнуть проблеми з цілісністю оболонки. При цьому повідомимо автоматично переноситься досвід виробництва цепелінів ( жорсткий дирижабль) на вакуумні апарати або пропонуються малюнки дирижабля із зовнішнім каркасом, який завжди багато важче внутрішнього ([3]). Але є інший (Малишкін А. І. [4]) і можливо не один спосіб додання жорсткості оболонці, за допомогою якого її можна побудувати і легкою, і жорсткою, і протистоїть тискові атмосфери без потужного силового каркаса. Теоретично і випробуваннями малої стендової моделі автор винаходу довів можливість побудови вакуумного дирижабля. У вищевказаному винаході, запатентованому в Росії в 1993 році, запропоновані: як спосіб викачування повітря з оболонки (перед зльотом, і в процесі польоту), так і спосіб забезпечення її жорсткості, достатньою для протидії здавленню атмосферою. Відповідно до фізичними принципами, на яких грунтується винахід, дирижабль повинен мати форму близьку до форми еліпсоїда (дискообразную, або сигарообразную форми), причому сигароподібна форма доцільна в основному для апарату дуже великої вантажопідйомності, а дископодібна - для апарату з високою маневреністю.

Однак на практиці до цих пір не розроблено і не виготовлено жодного повнорозмірного стендового і льотного зразка подібного апарату. Причин цього може бути декілька:

  • технічна нездійсненність при використанні наявної в даний час у розпорядженні конструкторів технології виробництва аеростатичних техніки;
  • інерція мислення;
  • конкуренція існуючим літальним апаратам (ЛА);
  • відсутність спонсорів і (в тому числі) держави, які могли б фінансувати розробку і споруду такого апарату.

Про проведення досліджень другого способу вакуумування оболонки (зміною її обсягу) поки немає даних, проте в 1885 році Ціолковським було запропоновано пристрій суцільнометалевого газового дирижабля ( дирижабль Ціолковського), де для забезпечення можливості її маневрування по висоті пропонувалося змінювати величину підйомної сили зміною обсягу його оболонки, хоча і, як виявилося, не значно.


2. Основні переваги та недоліки вакуумного дирижабля перед газовими дирижаблями

полягають у тому, що:

  • вакуумний ЛА (ВЛА) в не активованому стані на стоянці завжди важче повітря (як літак), оскільки його оболонка повністю заповнена повітрям;
  • при посадці або зльоті ВЛА не потрібні гайдропи, причальна команда і причальна щогла, а сама посадка або зліт будуть вертикальними;
  • зміна аеростатичних підйомної сили може здійснюватися оперативно шляхом впуску в оболонку або випуску з оболонки повітря як перед зльотом і посадкою, так і в процесі польоту;
  • дуже висока маневреність апарата дископодібної форми досягається за рахунок кругового повороту маршового двигуна в горизонтальній площині навколо вертикальної осі, а також за рахунок високої жорсткості оболонки і регулювання величини тяги вищевказаного двигуна;
  • висока стійкість кутовий стабілізації практично жорсткого апарату досягається застосуванням сучасної активної автоматичної трьох осной системи стабілізації, що дозволить розганяти апарат до літакових швидкостей;
  • не застосовується дорогий і текучий (дуже висока проникаюча здатність) газ гелій;
  • пожежна безпека забезпечується за рахунок того, що усередині оболонки знаходиться розріджене повітря і немає горючих газів;
  • велика надійність і довговічність металевої оболонки.

Хоча слід зазначити, що майже ті ж доводи наводять творці теплових і гібридних дирижаблів, але ці ЛА на стоянці (хоч і не повністю) все одно обезвешени газом легше повітря (гелій), що може перешкодити стійкості цих апаратів на стоянці при сильному вітрі.

До недоліків вакуумних дирижаблів в порівнянні з газовими класичними дирижаблями можна віднести більшу вагу конструкції і більший витрата енергії.


3. На інших планетах

Принцип дії вакуумного діжабля полягає у створенні зниженого в порівнянні з навколишній середовищем тиску атмосфери планети у внутрішній порожнині оболонки апарата для створення аеростатичних підйомної сили. Задача конструкторів значно спроститься, якщо тиск атмосфери буде значно вище тиску атмосфери Землі. При дослідженні планет з високим атмосферним тиском (наприклад на Венері) в кабіні жилого земного апарату неминуче буде знижений тиск (якщо його не збільшили на Землі перед стартом), в результаті чого на ЛА буде діяти підйомна сила. Оскільки щільність атмосфери досліджуваної планети значно вище земної, ця піднімальна сила може зрівняються з силою гравітації цієї планети, перетворюючи дослідний літальний апарат у газовий дирижабль (склад атмосфери досліджуваної планети відрізняється від складу атмосфери Землі, тобто різні гази). Таким чином, дослідницький апарат може бути побудований за принципом побудови земних двокорпусних підводних човнів, де зміна величини і знака підйомної сили здійснюється впусканням води в легкий корпус або видавлюванням води з нього. Підйомна сила кабіни матиме допоміжне значення.

На Венері тиск у поверхні становить 93 атмосфери і маса 1 кубометра газу досягає 73 кг. Аналогічно підводним човнам об'ємна вага міцного корпусу пристрою повинен бути нижче ваги середовища. Для підводних човнів об'ємна вага при 30 атмосферах може бути менше 100 кг [5]. Що звичайно означає, що навіть при тиску повітря в 90 атмосфер апарат плавати не буде. Якщо ж атмосфера планети состит з більш важкого газу під тиском наприклад хлору, який важчий за повітря в 2,5 рази то апарат обладнаний порівняно невеликим поплавком або ж апарат діє як дирижабль гібридного типу то такий літальний апарат буде цілком придатний для використання.


4. Історія

Історія розвитку вакуумного дирижабля за способом викачування повітря з оболонки більш довга і поки не настільки успішна як теплового. Вона почалася в 1670, коли єзуїт Франциско Лана де Терзі (Francesco Lana de Terzi, [6]) видав книгу "Prodomo ovvero saggio di alcune invenzioni nuove premesso all'arte maestra" (Викладання або перевірка нових винаходів основа мистецтва викладача), в якій він описав маленьке судно з щоглою і вітрилом на ній. Це судно (як стверджувалося в книзі) могло б літати за наявності на ньому чотирьох мідних попередньо вакуумованих викачуванням повітря сфер, при цьому кожна куля має бути діаметром 7,5 метрів. Франческо Лана був прав, вважаючи, що ця конструкція може бути легше повітря. Однак такий куля повинна володіти достатньою міцністю і жорсткістю, щоб атмосферний тиск не зім'яло його, і мати достатньо малу вагу (масу) конструкції, щоб літальний апарат був легший за повітря і міг злетіти. Це була тільки ідея, не підкріплена розрахунками міцності.

Тільки приблизно через 300 років у 1974 році (мабуть в розвиток вищеописаної ідеї) патентним бюро в Лондоні опублікована заявка № 1345288 МКИ В64В 1/58 "Удосконалення повітряних кораблів, що забезпечується Вакуумована кулями або іншої форми викачали судинами" A. P. Pedrick. Винахід полягає в тому, що оболонка кулі повинна бути подвійною. З внутрішньої сфери повітря викачано, а в порожнину між внутрішньою і зовнішньою сферами під тиском закачаний газ (можна водень або гелій). За твердженням винахідника цей газ повинен підтримувати задану форму оболонки від здавлювання її атмосферою. Обидві сфери в багатьох місцях скріплені між собою. Однак до практичної реалізації цього винаходу справа не дійшла і до сьогоднішнього дня немає інформації про широке застосування цього винаходу.


Примітки

  1. [ http://dirigiblemai.narod.ru - dirigiblemai.narod.ru DirigibleMAI.narod.ru]
  2. Вакуумний літак використовує гравітацію замість палива - membrana.ru/particle/2800
  3. Вакуумний дирижабль - rusring.net / ~ levin/levin3d/dz.htm
  4. "Пристрій для створення підйомної сили літальних апаратів легше повітря", Російський патент RU № 2001831 B64B 1/58, B64B 1/62, зареєстрований в Державному реєстрі винаходів 30 жовтня 1993
  5. Проектування корпусів підводних човнів. Навчальний посібник - window.edu.ru/window/library/pdf2txt? p_id = 24564 & p_page = 8
  6. http://airshipworld.blogspot.com/2007_09_01_archive.html - www.faculty.fairfield.edu / jmac / sj / scientists / lana.htm


Дирижаблі за типами конструкцій
м'який напівжорсткий жорсткий