4 октября 86 лет назад советский дирижабль СССР-В6 «Осоавиахим» установил мировой рекорд по протяженности полета. В XX веке дирижабли были популярны и применялись во многих сферах, но со временем их перестали использовать. Почему они исчезли и есть ли какое-то будущее у этого вида транспорта? Объясняют ученые Пермского Политеха.
Дирижабль — это воздушное судно, которое состоит из длинной, жесткой оболочки, наполненной обычно гелием. Оно имеет двигательную установку и может перевозить пассажиров или грузы.
От физики до конструкции
С точки зрения физики, дирижабль — это аэростат, который поднимается в воздух за счет подъемной силы, создаваемой газом, содержащимся в его оболочке. О том, каким законам физики подчиняется дирижабль и какой газ лучше использовать рассказывает Олег Зверев, доцент кафедры «Общая физика» ПНИПУ.
— В воздухе дирижабль подчиняется закону Архимеда, который гласит: на всякое тело, погруженное в жидкость (или газ) действует выталкивающая сила равная весу вытесненной жидкости (или газа). Но кроме силы Архимеда действует еще и сила притяжения к Земле. Если сила Архимеда больше силы тяжести, то тело начнет всплывать. Для воздухоплавания нужен газ, плотность которого меньше плотности окружающего воздуха. Таким газом может быть тот же воздух, температура которого выше (плотность ниже), чем у окружающего воздуха. Но гораздо эффективнее использовать газ, плотность которого значительно меньше, чем у воздуха при тех же условиях. Плотность водорода меньше плотности воздуха в 14 раз. Но главный недостаток водорода — он горит, воспламеняясь от любой искры. Поэтому безопаснее использовать гелий, который только в 7 раз легче воздуха, но зато инертный (не горит), — поясняет Олег Зверев.
Управлять дирижаблем довольно легко, об этом рассказывает Олег Зверев, эксперт Пермского Политеха.
— Если сила Архимеда равна силе тяжести, то дирижабль перестанет подниматься. Хотите подняться выше — увеличьте объем гелия, а значит вытесненного воздуха. Хотите опуститься — уменьшите объем гелия. Для движения по горизонтали в дирижаблях используются обычные винты, как на винтомоторных самолетах. Преимущество перед вертолетами в том, что энергия моторов не тратится на удержание дирижабля в воздухе, только на движение по горизонтали, — рассказывает эксперт в области физики.
Из чего состоит конструкция дирижабля и какие составляющие у нее есть рассказывает доцент кафедры «Авиационные двигатели» Пермского Политеха Андрей Плотников.
— Корпус представляет собой тело удобно обтекаемой формы, оснащенное стабилизаторами, а также вертикальными и горизонтальными рулями. Они входят в состав системы управления ориентацией, позволяющей передвигаться в любую сторону независимо от направления воздушных потоков. Кроме того, на дирижаблях устанавливаются поршневые и гибридно-электрические двигатели, приводящие во вращение воздушные винты и создающие тягу, — делится Андрей Плотников.
Дирижабль, аэростат и стратостат — в чем разница?
Аэростат (воздушный шар) в отличие от дирижабля не имеет двигателей с винтами и движется туда, куда его несет ветер. Для изменения направления движения нужно менять воздушный поток, поднимаясь или опускаясь. При подготовке воздушного шара к полету, его надувают холодным воздухом с помощью специального вентилятора. В полете воздух подогревается с помощью специальной газовой горелки.
Стратостат — это свободный аэростат, предназначенный для полетов в стратосферу, расположенную над тропосферой (нижним слоем атмосферы). Стратостаты используются для научных исследований, таких как изучение состава атмосферы, наблюдение за космическими лучами и проведение экспериментов в условиях разреженного воздуха. Около земли оболочка имеет сильно вытянутую грушевидную форму, по мере подъема гелий расширяется, и она превращается в шар.
Дирижабль состоит из трех основных частей: оболочки, наполненной газом, кабины для экипажа и пассажиров, а также системы управления. Оболочка дирижабля может быть изготовлена из различных материалов, включая сталь, алюминий, композитные материалы или даже ткань, покрытую лаком. Кабина обычно располагается под оболочкой и содержит кабину для экипажа, двигатели, балластные и топливные баки. Система управления включает в себя органы управления движением дирижабля, такие как рули направления и высоты.
Причины исчезновения дирижаблей с неба
Во-первых, конкуренция с самолетами: дирижабли имели ряд недостатков по сравнению с самолетами, например, высокую стоимость, низкую скорость и большую уязвимость к повреждениям.
Кроме того, изменились требования к перевозке грузов: с развитием технологий и увеличением объема перевозок, дирижабли стали менее востребованы, так как они не могли конкурировать с более быстрыми самолетами.
На исчезновение дирижаблей повлияли и экономические факторы: в условиях жесткой конкуренции на рынке грузовых перевозок и с учетом высоких затрат на разработку и эксплуатацию дирижаблей, многие компании предпочли инвестировать в более дешевые и эффективные транспортные средства.
Крушения и аварии стали одной из самых главных причин того, почему дирижабли перестали использовать. Несколько происшествий нанесли серьезный ущерб репутации этого вида воздушного транспорта. Например, крупнейшей катастрофой в истории существования считается крушение дирижабля «Гинденбург», который сгорел дотла за 34 секунды. Причиной несчастного случая стала утечка водорода и его возгорание.
Снова в небо. Будущее дирижаблей
Некоторые компании уже ведут разработки современных дирижаблей, которые могут применяться в различных сферах.
— В XX веке скорость движения дирижабля достигала примерно 40 км/ч, сейчас же порядка 150-200 км/ч. Этот факт позволит применять дирижабли в различных отраслях. Появление дирижаблей в XXI веке может сделать доступными транспортные услуги и расширить рынок пассажирских перевозок. Также крайне важным предложением в области применения современных дирижаблей является доставка полезных грузов в удаленные районы без развитой инфраструктуры — нефтяные и газовые месторождения. Дирижабли могут поднять 70-150 тонн груза, а в будущем и до 200 тонн, это обеспечивает высокую грузоподъемность и наименьшее количество перевозок, — делится Андрей Плотников.
Разработки новых дирижаблей имеют ряд преимуществ перед другим воздушным транспортом, например, самолетом или вертолетом.
Современные дирижабли могут перевозить большие грузы на огромное расстояние с меньшими затратами, чем самолеты. Также они могут летать высоко, что делает их безопасными. Оболочка дирижаблей обтекаемая. Это позволяет лететь на таких высотах, где воздух более разреженный и менее турбулентный. Также снижается риск столкновений с птицами, деревьями и другими препятствиями.
Кроме того, дирижабли можно использовать для наблюдения за окружающей средой, поскольку они могут оставаться в воздухе в течение длительного времени (порядка 5 суток).
Еще дирижабли будущего с командой ученых на борту могут применяться для научных целей, например, построения карт местности или изучения климатических изменений и погодных явлений, наблюдения за нефтепроводами, мониторинга лесных пожаров и изучения Арктики.