Гибридный дирижабль
Гибридный дирижабль — это летательный аппарат с двигателем , который получает часть своей подъемной силы как легче воздуха (LTA) дирижабль , а часть — за счет аэродинамической подъемной силы как аэродин тяжелее воздуха .
Династат — это гибридный дирижабль с неподвижными крыльями и/или несущим корпусом , который обычно предназначен для длительных полетов. Для создания аэродинамического компонента подъемной силы требуется полет вперед.
Ротастат — это гибридный дирижабль с поворотными крыльями , который обычно предназначен для подъема тяжелых грузов. Его вращающиеся крылья могут обеспечивать подъемную силу даже при вертикальном зависании или маневрировании, как у вертолета .
Серийных образцов не было построено, но совершили полеты несколько пилотируемых и беспилотных прототипов.
Термин «гибридный дирижабль» также использовался для описания дирижабля, состоящего из сочетания жесткой , полужесткой и нежесткой конструкции.
Функции
[ редактировать ]Обычные дирижабли имеют низкие эксплуатационные расходы, поскольку им не нужна мощность двигателя, чтобы оставаться в воздухе, но они ограничены по нескольким причинам, включая низкое соотношение полезной нагрузки и объема и низкие скорости. Кроме того, наземное обслуживание дирижабля может быть затруднено. Поскольку он плавает, даже при легком ветре он подвержен ударам ветра.
С другой стороны, самолеты тяжелее воздуха или аэродинамические аппараты, особенно винтокрылые , требуют постоянного использования энергии для создания подъемной силы, а обычным самолетам также требуются взлетно-посадочные полосы .
Гибридный дирижабль сочетает в себе аэростатическую подъемную силу дирижабля, создаваемую газом легче воздуха, например гелием, с динамической подъемной силой корабля тяжелее воздуха, возникающей за счет движения по воздуху. Такой гибридный летательный аппарат все же тяжелее воздуха, что делает его в чем-то похожим на обычный самолет. Динамическая подъемная сила может обеспечиваться поворотными крыльями, подобными вертолету ( ротастат ), или формой, создающей подъемную силу, подобной подъемному телу, в сочетании с горизонтальной тягой ( династат ), или их комбинацией. [1] [2]
Гибридные дирижабли призваны заполнить золотую середину между низкими эксплуатационными расходами и низкими скоростями традиционных дирижаблей и более высокой скоростью, но более высоким расходом топлива у самолетов тяжелее самолетов. Сочетая динамическую и плавучую подъемную силу, гибриды призваны обеспечить улучшенную воздушную скорость, грузоподъемность и (в некоторых типах) способность зависания по сравнению с чистым дирижаблем, при этом обладая большей выносливостью и большей грузоподъемностью по сравнению с чистым аэродином.
Утверждается, что технология гибридных самолетов обеспечивает более широкий диапазон оптимизации летных характеристик: от значительно тяжелее воздуха до почти плавучего. Утверждается, что такое ощущение необычной динамической дальности полета в сочетании с соответствующей системой посадки позволяет осуществлять сверхтяжелые и доступные перевозки по воздуху. [3]
Дизайн
[ редактировать ]По сравнению с обычным дирижаблем гибрид можно сделать меньше, и ему не нужно нести балласт для управления высотой, а по сравнению с летательным аппаратом тяжелее воздуха гибриду требуется либо меньший винт, либо более короткая взлетно-посадочная полоса. [2]
В то время как династат считается более перспективным для пассажирских и грузовых перевозок на большие расстояния, ротастат, как ожидается, будет более подходящим в качестве « летающего крана », способного поднимать тяжелые внешние грузы на более короткие расстояния. [2]
В некоторых дирижаблях используется управление вектором тяги , обычно с использованием поворотных вентиляторных движителей с воздуховодами, чтобы обеспечить дополнительную подъемную силу, когда тяга двигателя больше не требуется для движения вперед. Как только воздушная скорость набрана, корабль может использовать подъемную силу корпуса, чтобы нести груз, превышающий только его аэростатическую подъемную способность. [ нужна ссылка ] Однако такие дирижабли обычно не считаются гибридами.
Династаты
[ редактировать ]Династат получает дополнительную подъемную силу, летая по воздуху. Изученные конфигурации включали использование дельтовидного (треугольного), двояковыпуклого (круглого) или сплющенного корпуса, а также добавление неподвижного крыла.
Некоторые ранние дирижабли были оснащены плоскостями крыльев с целью обеспечения дополнительной динамической подъемной силы. [ нужна ссылка ] Однако дополнительная подъемная сила самолетов может оказаться менее эффективной, чем простое увеличение объема дирижабля. При низких скоростях полета, 60 миль в час (97 км/ч) или меньше, увеличение подъемной силы, полученное за счет использования самолетов на дирижабле, потребует непропорционального увеличения мощности двигателя и расхода топлива по сравнению с увеличением размера газовых баллонов. . [4] Более того, прикрепление летающих поверхностей к оболочке дирижабля потребует значительного усиления конструкции с соответствующим увеличением веса. [2]
Обычные дирижабли часто используют аэродинамическую подъемную силу, используя свои рули высоты для установки носа вверх, так что основной корпус дирижабля обеспечивает некоторую подъемную силу во время полета; однако обычно это делается для противодействия незначительным отклонениям от дифферентовки, и вполне вероятно, что нос придется направить вниз, чтобы уменьшить подъемную силу.
В некоторых гибридных конструкциях, таких как Lockheed Martin LMZ1M (продолжающий испытательный автомобиль Lockheed Martin P-791 ), используется уплощенный или многолопастной корпус для увеличения достижимой аэродинамической подъемной силы. Аэродинамический подход аналогичен самолету с несущим корпусом , хотя задействованные воздушные скорости намного ниже. Достигаемые показатели динамической подъемной силы и лобового сопротивления значительно ниже, чем у эффективных неподвижных крыльев, отчасти потому, что индуцированное сопротивление увеличивается с уменьшением удлинения. [5] В результате подъемная сила сопровождается более высоким сопротивлением, чем при использовании крыльев. С другой стороны, по сравнению с вертолетом, династат имеет лучшую топливную экономичность в заданном диапазоне скоростей. [2]
Другая проблема возникает во время взлета и посадки, когда в более спокойных условиях скорость полета может оказаться слишком низкой для обеспечения достаточной аэродинамической подъемной силы. [6] По этой причине dynastat часто рассматривается как самолет взлета и посадки, а не вертикального взлета и посадки , которому требуется более короткая взлетно-посадочная полоса, чем у обычного самолета. [2]
Ротастаты
[ редактировать ]Ротастат получает дополнительную подъемную силу от приводных винтов, как и вертолет. Были изучены одно-, двух- и четырехроторные конструкции.
Ранние примеры в межвоенный период включали проекты Омихена и Зодиака . В них использовались роторы только для вертикального управления, с дополнительными пропеллерами с приводом для полета вперед, как в гирокоптере . [2]
В последнее время экспериментальный Piasecki PA-97 «Helistat» прикрепил к гелиевому дирижаблю четыре планера вертолета, а SkyHook JHL-40 остается проектом. Обычно аэростатической подъемной силы достаточно, чтобы выдержать вес самого корабля, в то время как при перевозке груза винты обеспечивают дополнительную подъемную силу по мере необходимости.
Скольжение под действием силы тяжести
[ редактировать ]Если дирижаблю не хватает подъемной силы, он затонет под действием силы тяжести. Если наклонить нос вниз, это может привести к планирующему полету вперед, как у обычного планера . Если у дирижабля есть избыточная подъемная сила, он поднимется. Подняв нос вверх, это также может привести к движению вперед. Таким образом, дирижабль, который периодически меняет свою плавучесть между положительной и отрицательной, при этом соответствующим образом корректируя свое положение, может получить почти постоянную аэродинамическую тягу вперед. Таким образом, полет протекает по неторопливой вертикальной зигзагообразной схеме. Поскольку энергия не расходуется непосредственно на создание тяги, этот принцип позволяет совершать длительные полеты, хотя и на малых скоростях. Предлагаемый Hunt GravityPlane — это гибридный дирижабль, предназначенный для полного использования преимуществ гравитационного планирования. [7]
Этот принцип также работает под водой, где он оперативно используется в подводном планере .
Исторически этот принцип воздушной навигации под названием Wellenflug (волнистый полет) был впервые сформулирован и экспериментально проверен в 1899 году Константином Данилевским в Харькове , Украина, и подробно описан в его книге. [8]
История
[ редактировать ]Ранние гибриды
[ редактировать ]Планирование под действием гравитации относится к периоду во время и вскоре после Гражданской войны в США , когда Соломон Эндрюс построил два таких дирижабля. Первый из них, Aereon , использовал три отдельных воздушных шара сигарообразной формы, соединенных вместе в плоской плоскости; второй, Aereon #2 , использовал один воздушный шар «лимонной» формы. [9] «Аэреоны» Эндрюса приводились в движение путем наклона воздушных шаров вверх и сбрасывания балласта, затем процесс был обращен вспять: воздушные шары были наклонены вниз и было выпущено большое количество подъемного газа. [10]
В 1905 году Альберто Сантос-Дюмон провел различные эксперименты со своим первым самолетом Santos-Dumont 14-bis , прежде чем впервые попытаться на нем полететь. В их число входило подвешивание его на стальном тросе и буксировка, а затем подвешивание под оболочкой ранее построенного дирижабля ( номер 14 ) — это сродни обучению плаванию на « водных крыльях ». Объединенный корабль был непригоден для использования и был разобран, получив название «чудовищный гибрид». [11] После завершения этих «репетиций» Сантос-Дюмон провел первую в Европе публичную демонстрацию самолета тяжелее воздуха.
В 1907 году впервые поднялся в воздух дирижабль № 1 британской армии (названный Nulli Secundus ). Он использовал аэродинамические поверхности для управления ориентацией в полете, а для своего первого полета также был оснащен большими крыльями в средней части корабля. Крылья предназначались для обеспечения устойчивости, а не для обеспечения подъемной силы, и для всех последующих полетов их снимали. [12] [13] Использование динамической подъемной силы путем наклона носа дирижабля вверх или вниз также было признано и практиковалось на этом дирижабле. [14]
описал В июне 1907 года Альберто Сантос Дюмон построил свой № 16, который L'Aérophile как смесь одежды . Это было 99 м. 3 (3500 куб. футов), но был слишком тяжелым, чтобы летать без дополнительной подъемной силы, обеспечиваемой поверхностью крыла длиной 4 м (13 футов). Он был безуспешно испытан 8 июня 1907 года. [15]
Современные гибриды
[ редактировать ]Aereon 26 — самолет, совершивший свой первый полет в 1971 году. Это был небольшой прототип гибридного дирижабля Aereon Dynairship , являвшийся частью проекта «TIGER». Но он так и не был построен из-за отсутствия рынка для гибридного дирижабля. [16]
В 1984 году вертолет AeroLift CycloCrane ненадолго совершил полет. [ нужна ссылка ]
1986 года Экспериментальный проект Piasecki PA-97 Helistat объединил четыре вертолета с дирижаблем в попытке создать тяжелую машину для лесохозяйственных работ. Он распался в конце своего первого полета.
Автомобильная технология SkyCat или «Небесный катамаран» представляет собой объединение гибридных самолетов; масштабная версия высотой 12 метров под названием « SkyKitten », построенная компанией Advanced Technologies Group Ltd, поднялась в воздух в 2000 году. США Агентство перспективных исследовательских проектов Министерства обороны (DARPA) в 2005 году инициировало программу сверхбольших гибридных самолетов Walrus - инициативу по развитию технологий, ориентированную на исследования технологий сверхтяжелых воздушных перевозок. Программа была прекращена в 2007 году. [ нужна ссылка ]
В 2006 году Lockheed Martin P-791 прошел беспилотные летные испытания. Это был неудачный кандидат для военной программы Long Endurance Multi-Intelligence Vehicle, хотя это был единственный успешный гибридный дирижабль, который когда-либо летал до 7 августа 2016 года. [ нужна ссылка ]
В 2008 году компания Boeing объявила, что объединяется с SkyHook для разработки тяжелого грузоподъемного автомобиля SkyHook JHL-40 . Впоследствии компания Boeing отложила этот проект. [17]
Гибридный летательный аппарат HAV 304 (LEMV) армии США был построен для программы Long Endurance Multi-Intelligence Vehicle . В августе 2012 года он успешно пролетел 90 минут. [18] [19] [20] После отмены проекта LEMV компания Hybrid Air Vehicles выкупила самолет HAV 304 и привезла его обратно в Великобританию. Он был отремонтирован и переименован в Airlander 10 . 17 августа 2016 года Airlander 10 совершил свой первый успешный испытательный полет за пределами ангаров Кардингтон в Королевских ВВС Кардингтон. Главный летчик-испытатель Дэйв Бернс заявил в своем заявлении: «Для меня было привилегией впервые управлять Airlander, и он летел чудесно. Я очень рад возможности поднять его в воздух. Он летел как мечта». [21] Для полной сертификации необходимо еще более 200 летных часов.
Airlander 10 завершил сертификационные испытания конструкции перед списанием [22] когда он оторвался от швартовки из-за сильного ветра 18 ноября 2017 года на аэродроме Кардингтон .
Другие текущие проекты
[ редактировать ]
Канадский стартап Solar Ship, Inc. разрабатывает гибридные дирижабли, работающие на солнечной энергии, которые могут работать только на солнечной энергии. Идея состоит в том, чтобы создать жизнеспособную платформу, которая сможет путешествовать в любую точку мира, доставляя холодные медикаменты и другие предметы первой необходимости в места Африки и Северной Канады, не нуждаясь в каком-либо топливе или инфраструктуре. Есть надежда, что технологических разработок в области солнечных батарей и большой площади поверхности гибридного дирижабля будет достаточно, чтобы создать практичный самолет на солнечной энергии. Некоторые ключевые особенности Солнечного корабля заключаются в том, что он может летать только на аэродинамической подъемной силе, без подъемного газа. [ не удалось пройти проверку ] а солнечные элементы вместе с большим объемом оболочки позволяют переконфигурировать гибридный дирижабль в мобильное укрытие, способное подзаряжать аккумуляторы и другое оборудование. [23]
Hunt GravityPlane (не путать с наземным гравитационным самолетом ) — планер с гравитационным приводом, предложенный компанией Hunt Aviation в США. [24] Он также имеет крылья с аэродинамическим профилем, что улучшает его подъемную силу и делает его более эффективным. GravityPlane требует большого размера, чтобы получить достаточно большое соотношение объема к весу для поддержки этой конструкции крыла, и ни один пример еще не построен. [7] В отличие от планера с двигателем , GravityPlane не потребляет энергию на этапе набора высоты. Однако он потребляет энергию в тех точках, где его плавучесть меняется между положительными и отрицательными значениями. Хант утверждает, что это, тем не менее, может повысить энергоэффективность корабля, аналогично повышению энергоэффективности подводных планеров по сравнению с традиционными методами движения. [7] Хант предполагает, что низкое энергопотребление должно позволить кораблю собирать достаточно энергии, чтобы оставаться в воздухе неопределенно долго. Традиционным подходом к этому требованию является использование солнечных панелей в самолетах, работающих на солнечной энергии . Хант предложил два альтернативных подхода. Один из них — использовать ветряную турбину и собирать энергию из воздушного потока, создаваемого планирующим движением, другой — тепловой цикл для извлечения энергии из разницы температур воздуха на разных высотах. [7]
Список гибридных дирижаблей
[ редактировать ]| Тип | Страна | Сорт | Дата | Роль | Статус | Примечания |
|---|---|---|---|---|---|---|
| АэроЛифт ЦиклоКран | олень | Корневое состояние | 1984 | Летающий журавль | Прототип | |
| Диналифты | олень | Диналифтер Групп | 2007 | Экспериментальный | Прототип | Демонстратор технологий - разрушен на земле во время шторма [25] [26] [27] |
| Эндрюс Аэреон | олень | Гравитационный планер | 1863? | Экспериментальный | Прототип | Движение за счет попеременного сброса балласта и стравливания газа. |
| Эндрюс Аэреон 2 | олень | Гравитационный планер | 1866? | Экспериментальный | Прототип | Движение за счет попеременного сброса балласта и стравливания газа. |
| АТГ СкайКиттен | Великобритания | Династат | 2000 | Экспериментальный | Прототип | Масштабный демонстратор предлагаемого SkyCat. [28] |
| Охота ГравитацияСамолет | олень | Гравитационный планер | Проект | Предложены различные средства контроля балласта и сбора энергии. | ||
| Гибридные летательные аппараты HAV-3 | Великобритания | Династат | 2008 | Экспериментальный | Прототип | Демонстратор технологий. |
| Гибридные летательные аппараты HAV 304/Airlander 10 | Великобритания | Династат | 2012 | Многоцелевой | Прототип | Построен совместно с Northrop Grumman как HAV 304 для программы LEMV армии США. Перестроен в Airlander 10. |
| Локхид Мартин P-791 | олень | Династат | 2006 | Экспериментальный | Прототип | Привел к предложению LMZ1M и LMH1. |
| Нимбус Эосси | Италия | Династат | 2006 | БПЛА | Гибрид дельта-крыла. | |
| Пясецкий ПА-97 Гелистат | олень | Корневое состояние | 1986 | Летающий журавль | Прототип | Единственный прототип был уничтожен 1 июля 1986 года в результате крушения. |
| СкайХук JHL-40 | олень | Корневое состояние | 2008 | Летающий журавль | Проект | Совместный проект с Boeing . Предложено в 2008 году. Разработка была остановлена до увеличения финансирования. |
| Термоплан АЛА-40 | Россия | Династат | 1992 | Экспериментальный | Прототип | Демонстратор лентикулярного масштаба предлагаемого ALA-600. |
| Морж ХУЛА | олень | Династат | 2010 | Транспорт | Проект | Проект DARPA, отменен в 2010 году. |
См. также
[ редактировать ]- Кайтун — гибрид воздушного змея и воздушного шара.
Ссылки
[ редактировать ]Примечания
[ редактировать ]- ^ Толип (18 февраля 2008 г.), проект гибридного дирижабля P-791 , Military-heat.com, заархивировано из оригинала 9 ноября 2020 г. , получено 27 сентября 2009 г.
- ^ Jump up to: а б с д и ж г Хуты (2012).
- ^ Мерритт, доктор Тимоти X. (6 июня 2021 г.). «Гонка за Новое Царство в Небесах — Часть 1» . Доктор Тимоти X Мерритт . Проверено 4 ноября 2021 г.
- ^ Берджесс, Чарльз П. (1927), «Глава XI: Распространенные заблуждения о дирижаблях» (PDF) , Проектирование дирижаблей , Библиотека аэронавтики Рональда, Ronald Press, стр. 289–290,
На каждые 1000 фунтов. Подъемная сила, переносимая самолетами, составляет около 60 фунтов. сопротивление должно преодолеваться тягой винтов. С другой стороны, 5 000 000 куб. футов. дирижабль, летящий со скоростью 60 миль в час, испытывает вес всего около 20 фунтов. сопротивление на подъемную силу в 1000 фунтов, и относительное сопротивление уменьшается с увеличением размера и уменьшением скорости. Очевидно, поэтому, что увеличение подъемной силы, полученное за счет использования самолетов на дирижабле, потребует непропорционального увеличения мощности двигателей и расхода топлива.
- ^ Кричнер и Николай; «Гибриды — дирижабль-Мессия?» Локхид.
- ^ Берджесс, Чарльз П. (1927), «Глава XI: Распространенные заблуждения о дирижаблях» (PDF) , Проектирование дирижаблей , Библиотека аэронавтики Рональда, Рональд Пресс, стр. 289–290,
по-прежнему остаются явно непреодолимые проблемы запуска и посадки комбинации. ремесло
- ^ Jump up to: а б с д Хант (2005)
- ^ (2019) AirBike… 1897 , стр. 44. Ред. А.Б. Акимов и В.Дж. Велкер. Sapphire Publications, США, 342 с. ISBN 978-1-62374-015-3 (цифровое издание) . Бесплатная копия для скачивания . Работа доктора Константина Далилевского конца 1800-х годов по решению проблемы полета человека впервые представлена на английском языке. Включая воспроизведение оригинальных русских и немецких изданий 1900 года.
- ^ Соломон Эндрюс, Искусство полета , 1865 г.
- ^ Пейн, Ли, Легче воздуха: иллюстрированная история дирижабля , стр. 39
- ^ Нэнси Уинтерс, Человек летает - История Альберто Сантос-Дюмона , с. 100
- ^ Риз, П.; Летающий ковбой: Сэмюэл Коди, первый летчик Великобритании , History Press, перепечатка 2008 г., 978-0752436593, стр. 87.
- ^ Уокер, П.; «Ранняя авиация в Фарнборо, том I: воздушные шары, воздушные змеи и дирижабли», Макдональд (1971), стр. 198.
- ^ Уокер, П.; «Ранняя авиация в Фарнборо, том I: воздушные шары, воздушные змеи и дирижабли», Макдональд (1971), стр. 170.
- ^ «Новый паровоз Сантос-Дюмон» . l'Aérophile (на французском языке): 161. Июнь 1907 г.
- ^ «Сокращение выбросов углекислого газа во многих отраслях промышленности» . Cimarron.com . Архивировано из оригинала 17 апреля 2011 года . Проверено 21 ноября 2021 г.
- ^ Гибридные дирижабли , Ассоциация дирижаблей, 2012 г.
- ^ «Первые летные испытания армейского летательного аппарата Long Endurance Multi-Intelligence Vehicle прошли успешно» . Армия.мил . Проверено 21 ноября 2021 г.
- ^ «Дирижабли | Лента новостей внутренней безопасности» . Homelandsecuritynewswire.com . 14 августа 2012 года . Проверено 21 ноября 2021 г.
- ^ «Армейский дирижабль совершил первый полет в Лейкхерсте» . Аопа.орг . 15 августа 2012 года . Проверено 21 ноября 2021 г.
- ^ «Огромный, наполненный гелием дирижабль Airlander 10 совершил первый полет» . Foxnews.com . 18 августа 2016 года . Проверено 21 ноября 2021 г.
- ^ «Самый длинный самолет в мире развалился» . Новости Би-би-си . 18 ноября 2017 г. Проверено 18 ноября 2017 г.
- ^ Гамильтон, Тайлер (14 октября 2011 г.), «Гамильтон: стартап из Торонто разрабатывает гибридный самолет на солнечной энергии» , thestar.com
- ^ Декер, Дж. « Особая забота об окружающей среде: действительно ли альтернативные виды топлива чище?» « . Flightglobal.com . Проверено 10 июня 2014 г.
- ^ «Исторические первые шаги Dynalifter к полету | Общество легче воздуха» . Blimpinfo.com . Проверено 21 ноября 2021 г.
- ^ «Дирижабль» . Ohioairships.com . Проверено 21 ноября 2021 г.
- ^ «Блог Airshipworld: прототип Dynalifter уничтожен» . Airshipworld.blogspot.com . 12 июня 2007 года . Проверено 21 ноября 2021 г.
- ^ «Небесный котенок» . Архивировано из оригинала 5 июня 2002 г. Проверено 31 марта 2014 г.
Библиография
[ редактировать ]- Хути, Г.; Технология дирижаблей , 2-е издание, CUP (2012), глава 19.
- Хант, Роберт Д.; «Полет на основе атмосферного энергетического цикла», 5-я конференция AIAA по авиационным технологиям, интеграции и эксплуатации (ATIO), 26–28 сентября 2005 г. , Американский институт аэронавтики и астронавтики (2005 г.), 5-я конференция AIAA ATIO и 16-я конференция по технологиям систем легче воздуха. . и конференции по баллонным системам . Бесплатная копия для скачивания
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Отчет CRS для Конгресса: Потенциальное военное использование дирижаблей и аэростатов (PDF) , fas.org
- Хэвилл, К. Дьюи (1974), NASA TM X-62,374 Некоторые факторы, влияющие на использование систем легче воздуха (PDF) , Исследовательский центр Эймса, НАСА
- Официальный сайт GravityPlane www.fuellessflight.com
- GravityPlane, изобретенный физиком Робертом Д. Хантом в 2006 году, видео 3D-моделирования (YouTube)
- Ласкас, Жанна Мари. 2016. «Гелиевые мечты», The New Yorker, 29 февраля 2016 г.