Недостатки дирижабля и автожира компенсирует их гибрид

Неповторимые характеристики по дальности (до 1015 тыс. км) и грузоподъемности (до 100 т) дирижаблей, выстроенных в первой половине ХХ века («Гинденбург», «Акрон», «Мэкон» и др.), известны. Однако, по сей день хорошие, «сигарообразные» дирижабли сохранили собственные концептуальные недочёты. Среди них: высокая парусность; громадные трудности в управляемости и обеспечении устойчивости на посадке и взлёте; необходимость в сложной наземной инфраструктуре.

Еще в начале 1950-х разработчики обратились к идее гибридных дирижаблей. Обычным примером группы есть вертостат, включающий несущие элементы вертолёта и дирижабля. Время от времени вертостаты именуют аппаратами с аэростатической разгрузкой.

Приблизительно добрая половина подъемной силы создается в них несущим газом, а вторая добрая половина – вертолетными несущими винтами, каковые в один момент снабжают управляемость аппарата и необходимую устойчивость. Но только единичные проекты гибридных дирижаблей дошли до экспериментальных образцов. Обстоятельство в том, что использование вертолетных силовых установок на вертостате без шуток осложнило задачу обеспечения долгой работоспособности вращающейся динамической совокупности.

Присутствие разветвленной трансмиссии и очень сильно разнесенных весов тяжелых вертолетных модулей, установленных на финишах протяженных ферменных балок ограниченной жесткости, критически снизило надежность воздушного судна (ВС). Данный факт убедительно доказала неожиданная трагедия экспериментального вертостата Heli-Stat американской компании «Пясецки эйркрафт», что до этого ужасного события удачно налетал пара десятков часов. Что же дальше?

В конце 2012 г. появилась мысль применять на вертостате автожирный принцип создания части потребной подъемной силы. Исходя из этого таковой аппарат начал называться автожирным вертостатом.

Концепция автожирного вертостата обещает стать продуктивной по своим возможностям благодаря успешной обоюдной изменению характерных технических изюминок несущей пары «автожирный винт + баллон дирижабля». Тогда как при раздельном применении ее составные части имеют врожденные недочёты. Это тот случай, в то время, когда сочетание двух способов создания подъемной силы рождает новый, более большой уровень технических особенностей изделия, что дает основание отнести автожирные вертостаты к одному из перспективных направлений развития воздушной транспортной техники.

Автожирный несущий винт в составе силовой установки дирижабля привносит последовательность значительных преимуществ. К ним относятся:

1. Хорошее аэродинамическое уровень качества (К=5,57).

2. Полное перекрытие диапазонов рабочих скоростей дирижабля и автожирного винта.

3. Хорошее значение производной прироста коэффициента подъемной силы Су=6.

4. Свойство автожирного винта скоро гасить дестабилизирующие моменты от порывов ветра (пониженная чувствительность к болтанке).

5.Отсутствие срывных режимов обтекания диска при всех практических углах атаки к воздушному потоку (α=0°90°).

6. Наличие результата устойчивого парашютирования при кабрировании и безмоторном спуске перед приземлением.

7. Свойство автожирного винта развивать достаточную для взлета подъемную силу тяги уже при скорости набегающего потока (либо ветра) 7 м/с.

8. Свойство не создавать пылевого облака на земле, т.к. поток подходит к винту горизонтально и снизу вверх.

9. Маленькие рабочие упрочнения в совокупности управления при трансформации углов наклона диска винта в двух взаимно перпендикулярных направлениях.

10. Несложная, легкая и технологичная втулка двухлопастного несущего винта с неспециализированным выносным горизонтальным шарниром, без осевого и вертикального шарниров, без автомата перекоса, без поводков и тяг лопастей.

11. Постоянный угол установки лопастей. В большинстве случаев 2,0°2,5°.

12. Возможность применения недорогих серийных экструдированных лопастей с высокоэффективным автожирным профилем NACA 8-Н-12.

13. Отсутствие на корпусе вертостата реактивного момента.

14. Пониженная удельная масса силовой установки.

15. Большой уровень безопасности полета. При отказе маршевых двигателей дирижабль сохраняет свойство к посадке и управляемому планированию фактически без пробега.

16. Низкий уровень вибраций конструкции от вращающегося несущего винта.

17. Дифференциальное управление наклоном диска винта, разрешающее деятельно противостоять сносу дирижабля с линии пути в крейсерском полете.

18. Отсутствие сложной и тяжелой трансмиссии.

В качестве недочётов автожирного вертостата направляться отметить:

1. Необходимость предстартовой раскрутки автожирного винта.

2. Необходимость в особом бортовом устройстве для раскрутки винта (реактивного, механического, электрического, гидравлического либо пневматического типа).

3. Необходимость систематического и тщательного контроля за состоянием поверхности лопастей, и особенно за чистотой «носика» его профиля. налипания и Загрязнения посторонних частиц, осаждение инея значительно ухудшают аэродинамические характеристики всего винта.

4. Отсутствие у серийных экструдированных лопастей несущего винта защиты от обледенения.

посадка и Взлёт автожирного вертостата вероятна: на аэропортах всех типов; с ровных площадок; с ровного поля; с открытых участков автострад; с рек и водной поверхности озёр; с площадок, подобранных с воздуха. При скорости ветра 7 м/с и более вертостат с раскрученным несущим винтом и обычной взлетной массой взлетает с места без разбега.

При полной потери гелия из газонаполненных мешков по чрезвычайным событиям (к примеру, посадка с множественными повреждениями газовых мешков и оболочки, вмешательство посторонних лиц), пилот вертостата может штатно выполнить эвакуацию с места посадки по воздуху либо перелет до ближайшего аэропорта без пассажиров, применяя наряду с этим лишь подъемную силу тяги автожирного винта.

Весовая отдача одновинтового автожирного вертостата с одним маршевым турбовинтовым двигателем находится на уровне 48-50%.

Новизна данного направления дирижаблестроения обусловила необходимость в ответе многих задач: обоснование требований к автожирному вертостату, выполнение и формирование концепции технического обоснования применения главных конструктивных ответов, предложение вариантов выполнения силовой схемы аппарата и его главных частей, выделение рациональных платформ автожирных вертостатов и оценку пригодности моделей для серийного производства в пределах каждой платформы, расчет летно-технических характеристик на примере одной из выделенных платформ, сравнение автожирного вертостата с дирижаблями хорошего типа, родными по величине поднимаемой нужной нагрузки, предварительное определение состава бортовых совокупностей, рассмотрение изюминок летной и наземной эксплуатации автожирного вертостата, и формирование конкретных предложений по формированию направления.

На рабочих высотах полета согласно данным долгих наблюдений, в большинстве случаев, присутствует ветер 810 м/с, исходя из этого вертостат способен стабилизировать собственный положение относительно земли и по высоте, в случае если это нужно для работы транспортируемого оборудования. При отсутствии ветра вероятно барражирование на минимальной скорости горизонтального полета 40 км/ч по кругу с радиусом виража 3040 м.

выводы и Результаты оценок послужили базой для отработки базисных разработок изготовления изделий.

Автожирный вертостат обязан удовлетворять дополнительным требованиям и иметь:

— парусность многократно меньшую, чем у сравнимого хорошего дирижабля;

— управляемость и устойчивость, подобную чертям автожиров;

— повышенную удельную прочность конструкции;

— прогрессивные ответы по маршевой и компоновке аппарата силовой установки (СУ);

— минимальные требования к оборудованию и наземной инфраструктуре;

— возможность применения в СУ авиационного топлива в качестве главного горючего;

— предрасположенность к применению разнообразных видов укрытий;

— возможность эксплуатации с имеющейся вертодромов и сети аэродромов;

— возможность посадки на площадки, подобранные с воздуха;

— свойство к штатной посадке на воду с причаливанием к берегу либо выездом на него;

— повышенную транспортную безопасность для пассажиров и экипажа;

— достаточную живучесть конструкции при локальных повреждениях;

— возможность перелета на базу без количества несущего газа на борту;

— конкурентную цена приобретения;

— относительно низкие эксплуатационные затраты;

— приемлемые затраты на утилизацию.

эксплуатации и Опыт создания транспортных дирижаблей говорит о том, что крейсерские скорости 80110 км/ч, реализованные в выстроенных ранее конструкциях, сейчас недостаточны. Требуется освоение скоростей в промежутке 150200 км/ч, каковые играются важную роль в достижении коммерческого успеха изделия. Скорости ближе к верхней границе желательны для пассажирских аппаратов, ближе к нижней – для грузовых.

С этими скоростными данными автожирный вертостат сможет удачно соперничать не только с ЖД либо вертолетным транспортом, но и с легкомоторной авиацией.

Делается очевидным, что качественного улучшения черт транспортных дирижаблей возможно достигнуть, стимулируя развитие как раз автожирных вертостатов. Потребный количество несущего газа у них в 45 раз меньше. Соответственно, в степени 2/3 понижается и сила лобового сопротивления корпуса.

В 2,53 раза значительно уменьшается парусность.

Выбранная схема автожирного направляться кардинально изменяет летно-технические характеристики ВС. Набегающий поток подходит к винту снизу вверх, исходя из этого его возможно располагать не на долгих выносных фермах, а на отдельном кабане, закрепленном на силовом шпангоуте выше образующей корпуса дирижабля.

Мощность на вращение автожирных винтов отбирается конкретно от набегающего потока, исходя из этого отсутствуют массивные главные редукторы и тяжелая силовая трансмиссия для передачи мощности на вал винта. Совокупная экономия массы конструкции исчисляется цифрами от многих сотен до нескольких тысяч килограмм, в зависимости от размерности изделия.

Второе крайне важное уровень качества автожирного винта – отсутствие срывных режимов обтекания при фактически вероятных углах атаки плоскости вращения винта 0°90° и при любых эксплуатационных скоростях полета, впредь до нулевых. Такое понятие, как скорость сваливания, характерное для аппаратов с крылом, тут по большому счету отсутствует.

При верном проектировании лопастей автожирного винта не появляется неприятностей с вибрациями. Несложно отстроиться от автоколебаний и резонансных режимов. Диапазон поступательных рабочих скоростей автожирного винта более широкий, чем у хорошего дирижабля, исходя из этого и на малых, и на громадных скоростях полета он имеет управляемость и хорошую манёвренность.

Этому факту содействует кроме этого высокое размещение плоскости вращения автожирного винта над центром и центром тяжести сплавной силы.

Ответственным вопросом концепции есть количества маршевых и установление типа силовых установок вертостата. Переход к диапазону крейсерских скоростей 150200 км/ч и учет закономерности роста потребной мощности для полета пропорционально кубу развиваемой скорости конкретно ведет к выбору турбовинтового двигателя (ТВД) в качестве главного типа для маршевой СУ.

Свойство автожирного вертостата машинально переходить к устойчивому планированию из любой точки воздушного пространства по окончании прекращения работы маршевой СУ и создавать наряду с этим надёжную посадку допускает его комплектование лишь одним маршевым ТВД. Соответственно, вертостат приобретает все те преимущества, каковые принесли в авиацию турбовинтовые двигатели – малую удельную массу, громадный межремонтный и назначенный ресурс, низкий уровень вибраций, высокую удельную мощность, легкий запуск при отрицательных температурах (до –35° С без подогрева), низкий удельный и километровый расход горючего, улучшенные условия для персонала , понижение эксплуатационных затрат.

Применение в качестве горючего для ТВД авиационного топлива делает дешёвой для исполнения регулярных полетов всю сеть вертодромов и аэродромов России, а также на Крайнем Севере.

В итоге неспециализированная концепция перспективного транспортно-пассажирского автожирного вертостата возможно сформулирована в следующем виде: Аппарат тяжелее воздуха с автожирным винтом, расположенным на кабане выше уровня образующей корпуса. Подъемная сила тяги, развиваемая автожирным винтом, перекрывает вес снаряженной конструкции, вес аварийного запаса и экипажа горючего. Кабинный отсек экипажа закреплен в центре носовой части оболочки.

В кормовой расположен корпусный модуль хвостового оперения с маршевым ТВД на финише. В носовой части, в центральной силовой трубе и частично в кормовом модуле распределены: нужная нагрузка (пассажиры, грузы) и вспомогательные отсеки (туалет, кухня, грузовое отделение). Крейсерская скорость в диапазоне 150-200 км/ч.

взлёт и Посадка «по-автожирному» с вертодромов и аэродромов любых типов, а также, с рек и водной поверхности озёр либо площадок, подобранных с воздуха.

Вид одновинтового автожирного вертостата, отвечающий предложенной концепции, продемонстрирован на рис.1.

Рисунок 1. Концептуальный вид транспортно-пассажирского одновинтового автожирного вертостата
Источник: Авиапанорама

Выделение линейки серийных платформ автожирных вертостатов разрешает унифицировать их модули, большие подробности, отсеки, узлы, несущие винты и использовать их для моделей в данной платформы. Таковой подход значительно снижает издержки изготовителя, экономит производственные ресурсы, сокращает оснастки и номенклатуру оборудования, увеличивает производительность труда исполнителей, формирует условия для доведения технологических конструкции и процессов изделий до большого уровня совершенства по мере накопления опыта их производства.

Для автожирных вертостатов проработаны и предлагаются к унификации шесть платформ с нумерацией от 0 до 5 (см. табл. 1).

Нулевая платформа, при сохранении идентичности конструкции, из-за малых размеров значительно отличается по комплектации. В ней маршевая СУ может комплектоваться как поршневым, так и газотурбинным двигателем. Помимо этого, отсутствует запасной силовая установка (ВСУ).

Из этого трансформации в составе совокупностей.

В остальных платформах в качестве маршевой СУ используется лишь газотурбинная установка – турбовинтовой двигатель (ТВД), и предусмотрена установка запасном СУ. Состав совокупностей между платформами аналогичен.

Самая большая пятая платформа имеет диаметр оболочки, являющийся предельным по расстоянию между опорными колоннами кран-балки эллинга и по размерам ворот. Большим есть кроме этого диаметр несущего винта (НВ), что реально реализован на вертолетах Ми-6 – 35 м.

В пределах каждой платформы модели смогут различаться числом винтов, числом лопастей на НВ, размещением несущих винтов, числом силовых шпангоутов, оборудованием от различных производителей.

Не все винтовые схемы вертостата оптимальны для реализации в пределах одной платформы. Влияет разный уровень и масштабный фактор технических рисков, обусловленных недостаточной изученностью вопросов аэродинамики многовинтовых летательных аппаратов автожирного типа. По самой простой одновинтовой схеме достаточно скоро смогут быть созданы серийные модели автожирных вертостатов 0-, 1-, 2- и 3-й платформ.

Для 4-й платформы самый простой будет уже двухвинтовая продольная схема, т.к. одновинтовая компоновка требует НВ, достигающий 50 м в диаметре, что до тех пор пока тяжело реализовать на практике.

Для 5-й платформы, имеющей в 3,5 раза большее значение взлетной массы если сравнивать с 4-й платформой, требуется не меньше 4 несущих винтов продольно-поперечной компоновки (оси винтов в плане по вершинам прямоугольника).

Ввиду стоимости и наименьших размеров, одновинтовую модель нулевой платформы с поршневым двигателем комфортно применять для разработки экспериментального примера автожирного вертостата – демонстратора разработок. Цель – получение эксплуатации и практического опыта создания летательного аппарата с автожирным несущим аэростатической разгрузкой и винтом, и проведение экспериментальных, конструкторских и летных изучений с целью оценки эффективности его эксплуатации.

По окончании завершения программы опробований эта модель первой возможно сертифицирована и запущена в серийное производство. Размерность нулевой платформы привлекательна для громадного круга потенциальных потребителей, а также для физических лиц и частных компаний.

В табл. 2 приведены сравнительные эти проекта вертостата 2-й платформы модели ВА21-01ТП и шести типов хороших дирижаблей, три из которых выпускались серией.

Видно, что удельная масса и, следовательно, удельная прочность конструкции автожирного вертостата в среднем в 1,7 раза выше. Данный факт содействует большей выносливости нагруженных элементов конструкции в условиях действия эксплуатационных нагрузок.

Весовая отдача автожирного вертостата близка к значениям весовой отдачи автожиров и намного больше, чем у сравниваемых проектов дирижаблей, что говорит о весовом совершенстве конструкции.

Один из наиболее значимых параметров любого ВС – часовая транспортная производительность, которая у автожирного вертостата в среднем практически в 2,9 раза больше, чем у хороших дирижаблей.

Второй главный параметр – топливная эффективность, вычисленная как отношение километрового расхода горючего к одной тонне нужной грузоподъемности. У автожирного вертостата она была лучше на 25%, не обращая внимания на в 2,2 раза громадную применение и крейсерскую скорость ТВД вместо поршневых двигателей.

На Рис.2 в сравнении продемонстрированы контуры автожирного вертостата и хорошего дирижабля, имеющих однообразную поднимаемую нужную нагрузку.

Рисунок 2. Сравнение контурных количеств проекта автожирного вертостата модели ВА21-01ТП и хорошего дирижабля, равного по величине поднимаемой нужной нагрузки
Источник: Авиапанорама

Площади проекций, соответственно и парусность, различаются в 2,9 раза. Причем, наличие у автожирного вертостата управляемого несущего изменяемого вектора и винта тяги маршевой СУ снабжает нужные значения моментов управления в продольной (кабрирование, пикирование), путевой (рыскание) и поперечной (крен) плоскости, что есть полезным качеством, в особенности при предпосадочном маневрировании вблизи наземных препятствий.

Этим свойством автожирный вертостат выгодно отличается от хорошего дирижабля, где посадки и безопасность взлёта при наличии ветра, наземных препятствий и турбулентности воздуха быстро снижается.

За счет уменьшенного в 4,3 раза потребного количества газа, удаления из потока сечений пассажирской гондол и гондолы двигателей, поддерживавших габариты оболочки, неспециализированная сила аэродинамического сопротивления автожирного вертостата с учетом добавления сопротивления несущего его кабана и винта снизилась практически в 2 раза.

Размещение маршевой СУ на финише хвостового модуля разрешает частично реализовать эффект отсоса пограничного слоя с поверхности оболочки в крейсерском полете, что вносит собственную долю в уменьшение силы неспециализированного аэродинамического сопротивления.

С учетом изложенного, освоение диапазона крейсерских скоростей 150200 км/ч делается вероятным на энергетически приемлемом уровне, а использование ТВД, как главного типа маршевого двигателя, есть технически оправданным и рентабельным.

Автожирный вертостат проигрывает хорошему дирижаблю в большой длительности полета приблизительно в 2 раза, но этот режим не есть для него рабочим, т.к. маршевый ТВД в полете на большую длительность должен быть очень сильно задросселирован. Исходя из этого расход и расход топлива технического ресурса маршевого двигателя на таких режимах нельзя признать рациональным, за исключением случаев крайней необходимости, продиктованных техническими событиями исполнения полета.

Преимущества автожирного вертостата подтверждают практическую целесообразность вложения денежных средств в развитие данного направления. Отечественные компании способны реализовать организации производства и программы создания таких ВС на существующей в Российской Федерации технологической базе.

На данный момент нет никакой информации о том, что за границей проводятся какие-либо изучения и практические работы по разглядываемой теме.

Изложенные проектные предложения призваны организовать стартовые условия для появления в Российской Федерации конкурентоспособных ВС с аэростатической разгрузкой и осуществить переход от единичного выпуска таковой техники к серийному производству вертостатов транспортно-пассажирского и особого назначения на базе типовых платформ, объединенных неспециализированным конструкторским планом.

Владимир ВОРОГУШИН,
ведущий инженер НИО53 ОАО «ДКБА», кандидат технических наук

Размещено в издании «Авиапанорама» №2-2014

Источник: http://vpk.name/news/109662какое количество.html

Недостатки дирижабля и автожира компенсирует их гибрид

Небесные монстры. История развития дирижаблей.

Увлекательные записи:

Похожие статьи, которые вам, наверника будут интересны: