Авиация. Дирижабли

  4. Система управления рулями служит для изменения положения дирижабля в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Сюда относятся рулевые устройства и механизмы, проводка управления ими и компенсирующие устройства.

  5. Причально-посадочные устройства служат для обеспечения стоянки дирижабля в различных условиях (стоянка на мачте и в эллинге), для приема дирижабля из полета (на руки старткоманды, на причальную мачту) и для осуществления маневров дирижабля у земли. К числу устройств этой системы относятся носовые причалы, гайдропное устройство, поясные и посадочные амортизаторы, различный такелаж для механизированного вывода и ввода корабля в эллинг и пр.

  6. Оборудование гондол управления имеет своим назначением облегчить осуществление полетов дирижабля по заданному направлению. К оборудованию гондол относятся различные аэронавигационные и контрольно-моторные приборы, а также механизмы статического и динамического управления.

  3.2 Газовая система

  1. Аэростатные газы

  Воздушный корабль, наполненный газом, вытесняет  своим объемом воздух, причем получается направленная вверх "архимедова сила", равная весу замещенного воздуха и называемая в воздухоплавании подъемной силой. Следовательно, подъемная сила равна разности между весом вытесненного воздуха G_B и весом газа G_r:

                                                  (3.2.1)

  Очевидно, что наилучшим решением вопроса  о величине подъемной силы было бы создание в корпусе корабля полного  вакуума. Однако идея "вакуумного аэростата" на практике неосуществима, так как  вес корпуса, выдерживающего давление наружного воздуха, оказался бы настолько  большим, что поглотил бы всю подъемную  силу. Вот почему практическое осуществление  воздухоплавания стало возможным  только при применении легких газов, создающих в оболочке противодавление  атмосферному воздуху.

  Из  формулы (3.2.1) видно, что чем легче применяемый газ, тем больше его подъемная сила. Становится ясным, что сам газ никакой подъемной силы не создает, а она является результатом разности удельных весов подъемного газа и наружного воздуха.

  С начала возникновения воздухоплавания  и до настоящего времени для наполнения воздушных кораблей применялось четыре газа:

• нагретый воздух,
• светильный газ,
• водород,
• гелий.

  Нагретый  воздух в качестве подъемного газа применялся в ранней стадии развития воздухоплавания. Основоположники воздухоплавания братья Монгольфье во Франции в ноябре 1782 г. построили первый тепловой аэростат объемом 20 м³, который поднялся на высоту 300 м. Подъем продолжался 10 мин, после чего содержавшийся в аэростате дым охладился и аэростат, хотя в нем не было груза, опустился на землю. При повторном опыте 5 июня 1783 г. был взят аэростат объемом в 600 м³ и положен груз в 230 кг; аэростат поднялся на высоту 2000 м и пролетел около двух километров. В октябре того же года Этьен Монгольфье и Пилатр де Розье впервые в истории воздухоплавания поднялись в воздух на тепловом аэростате. Примерно через 150 лет после полетов первых аэронавтов воздухоплаватели Марек и Эмер совершили полет на "монгольфьере" объемом в 1800 м³; наполняющий оболочку воздух нагревался двумя горелками, работавшими на керосине.

  Нагретый  воздух как подъемный газ обладает несомненными достоинствами: малая стоимость, легкость добычи и безопасность, но вместе с тем быстрое его охлаждение влечет падение подъемной силы, что является крупным недостатком. Чтобы получить подъемную силу нагретого воздуха, равную хотя бы подъемной силе светильного газа, необходимо повысить его температуру до 370° С. Однако такая высокая температура не может быть допущена для газа, наполняющего аэростат, ввиду отрицательного влияния ее на оболочку. Если даже не учитывать последнего обстоятельства, то большой перепад между температурой в оболочке и наружным воздухом создает быстрое охлаждение газа, что уменьшает подъемную силу аэростата. Так, например, снижение температуры внутри оболочки с 370 до 260° С понижает подъемную силу на 31%. Этот недостаток (быстрое охлаждение) ограничивает применение нагретого воздуха в качестве подъемного газа, и к нему прибегают редко – только для свободных аэростатов в случаях совершения непродолжительных полетов.

  Светильный  газ не имеет постоянного состава и представляет собой смесь водорода Н₂ (40-56%) и метана СН₄ (29-35%) с небольшим процентом содержания (13-31%) еще некоторых других газов (окись углерода, азот, тяжелые углеводороды, углекислый газ и др.). Средняя удельная подъемная сила светильного газа f₀ = 0,7 кг, что составляет около 60% подъемной силы водорода; удельный вес по воздуху колеблется в пределах 0,37-0,52; он горюч и с воздухом образует взрывчатые смеси.

  Дешевизна и легкость добычи светильного газа являются его преимуществами. Однако вследствие малой подъемной силы и легковоспламеняемости он все же не находит широкого применения и используется только в спортивном воздухоплавании.

  Водород – наиболее легкий из всех известных газов, а, следовательно, имеет наибольшую подъемную силу. В качестве аэростатного газа он был применен впервые профессором физики Шарлем во Франции. В августе 1783 г. Шарль поднял шелковый аэростат на высоту 900 м. На этом аэростате никто не поднимался. В том же году Шарль и Робер поднялись на водородном аэростате диаметром приблизительно в 8 м. Эти первые опыты дали толчок в развитии воздухоплавательной техники, и водород как подъемный газ применяется и до настоящего времени.

  Нормальная  плотность f_o водорода в химически чистом виде (вес 1 м³ при температуре 0° С и давлении 760 мм рт. ст.) равна 0,090 кг/м³. Молекулярный вес водорода 2,016; удельный вес по воздуху 0,0696, т. е. он в 14,4 раза легче воздуха. При нормальных условиях его удельная подъемная сила равна f_o = 1,2028 кг. Водород, применяемый для аэростатов, обыкновенно далек от химической чистоты. Различные примеси увеличивают его вес до 0,13 кг/м³. Удельная же подъемная сила зависит еще и от температуры окружающего воздуха, что видно из диаграммы. Влияние чистоты газа на подъемную силу водорода относительно невелико. Присутствие воздуха в качестве примеси в определенном количестве делает водород взрывоопасным, а поэтому при уменьшении его чистоты необходимо заменять или освежать его. Нижний предел взрывчатости водорода составляет 9,5% водорода и 90,5% воздуха, а верхний предел 66,3% водорода и 33,7% воздуха.

  Гелий относится к редким газам. Мысль о применении его в качестве аэростатного газа возникла давно, однако до 1917 г. гелий добывался в малых количествах лабораторным путем. Только в 1921 г. впервые был применен гелий в качестве подъемного газа на американском корабле С-7 и с этих пор гелий стал применяться в воздухоплавании.

  Гелий несколько тяжелее водорода; вес 1 м³ в химически чистом виде равен 0,1785 кг, а удельный вес по воздуху 0,137. Подъемная сила его приблизительно на 7% ниже подъемной силы водорода (в химически чистом виде). Так же, как и для других аэростатных газов, подъемная сила гелия зависит от чистоты его и температуры окружающего воздуха. Абсолютная невоспламеняемость гелия является большим его преимуществом по сравнению с водородом.

  В последнее  время насчитывается весьма большое  количество источников природных газов, содержащих гелий, но малый процент  его содержания позволяет производить  добычу только из небольшого числа  открытых источников. Наибольшее количество гелия добывается в США.

  Применение  гелия позволяет устанавливать  на корабле различное электро- и радиооборудование в более широких пределах, причем не требует принятия особых мер безопасности. Например, такие приборы, как показатели давления и температуры в газовых баллонах, а также показатели степени выполнения последних, могут быть смонтированы по электрическим схемам без особых предохранительных мер. Меньшая подъемная сила гелия сравнительно с водородом несколько уменьшает статические нагрузки на силовые элементы корабля. Размеры газовых клапанов корабля, наполненного гелием, несколько увеличиваются ввиду большей вязкости этого газа, а, следовательно, меньшей скорости истечения.

  Подъемный газ во всех воздушных кораблях содержится в газовых баллонах.

  2. Газовые клапаны

  Газовые клапаны представляют собой механизмы, позволяющие путем выпуска газа из газовых баллонов ограничивать сверхдавление в последних и регулировать подъемную силу дирижабля.

  Клапаны должны отвечать следующим основным требованиям:

  1) быть  удобоуправляемыми; 

  2) при  увеличении сверхдавления в баллоне  выше допустимого действовать  автоматически; 

  3) иметь  достаточную пропускную способность  при заданной вертикальной скорости  подъема.

  По  своей конструкции клапаны, применяемые  на воздушных дирижаблях, весьма различны. Правильная и полная оценка их качеств может быть произведена только путем испытаний.

  В зависимости  от способа, которым клапаны приводятся в действие, различают три основных их типа:

• автоматические,
• управляемые,
• комбинированные.

  Натяжение пружин автоматического клапана регулируется на определенное сверхдавление, допускаемое нормами прочности оболочки. При увеличении этого допускаемого сверхдавления клапан открывается автоматически.

  Для большей маневренности дирижабля, которая иногда требует выпуска  известного количества газа из баллонов, помимо автоматических клапанов на дирижабле  предусматриваются управляемые клапаны.

  Автоматические  клапаны иногда устраиваются одновременно и управляемыми. Это вносит зачастую усложнения в конструкцию клапана.

  Расположение  клапанов на дирижабле зависит главным образом от типа дирижабля. На мягких и полужестких дирижаблях, рассчитанных на небольшую скорость полета, сверхдавление в баллоне можно поддерживать сравнительно небольшое. В этом случае клапаны располагаются в верхней части оболочки, где внутреннее давление наибольшее. Такой установкой обеспечивается большая скорость истечения газа через клапан, а, следовательно, клапан может быть принят меньшего диаметра. Кроме того, такое расположение позволяет производить контрольный осмотр во время полета и устранять неисправности механизма.

  В мягких и полужестких дирижаблях, где  необходимо поддерживать внутреннее сверхдавление  сравнительно высоким, газовые клапаны  располагаются в нижней части  по экватору оболочки.

  На  жестких дирижаблях клапаны располагаются обычно в газовых шахтах, посередине высоты или вверху газового баллона. Расположение клапанов вверху имеет то преимущество, что они работают и тогда, когда уровень газа в баллоне, в связи с выпуском части газа, повысился. К числу недостатков относится затрудненный доступ, так как при больших поперечных размерах современных жестких дирижаблей для доступа к высоко расположенному клапану необходимо затратить много времени и энергии, взбираясь по узкой лестнице на высоту до 30-40 м.

  Наиболее  удачным расположением клапанов на дирижаблях жесткого типа следует признать установку их посередине баллона над осевым коридором.

  3. Газовые шахты

  Газовые шахты используются для различных целей. В мягких и полужестких дирижаблях шахта служит главным образом для выхода на хребет оболочки и пропуска различных тросовых проводок (к клапанам, к рулям и т. п.).

  На  полужестких итальянских дирижаблях шахты не применялись. В носовой  части устраивался специальный  люк, заменяющий шахту. В одной из панелей носового усиления прорезается  отверстие, закрывающееся сверху крышкой. Для подхода к люку служит трап, который продолжается по оболочке и  крепится к кольцам носового усиления. Ширина трапа, установленного на оболочке, берется обычно 350-400 мм. Выход через  люк неудобен. В настоящее время  такие люки не применяются, и отдается предпочтение шахтам.

  Шахты устраиваются внутри оболочки и представляют собой матерчатый цилиндрический рукав, проходящий внутри газового пространства. Матерчатый рукав каркасируется в поперечном направлении целым рядом колец диаметром 700-900 мм, расположенных на расстоянии 500-600 мм друг от друга.

  Кольца  между собой соединяются продольными  тросами диаметром 2-3 мм. На одной  из сторон шахты крепится на тросах подвесная лестница. Верхним концом лестница и шахта укрепляются  на специальном развитии. Площадь  развития выбирается, исходя из допустимых прогибов оболочки.

  Управление  газовыми клапанами осуществляется при помощи проводки управления и  механизмов, расположенных в рубке  управления у места штурвального высоты или места командира. Проводка управления представляет собой стальной мягкий трос диаметром 2-3 мм, проложенный  различными способами от клапана  к механизмам управления в гондоле. На мягких и полужестких дирижаблях с газовыми клапанами (расположенными на хребте оболочки) проводка управления пропускается в газовую шахту.