Портал создан при поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям.


Кругосветные грузовые беспилотные монгольфьеры



Рис. 1. Разрез обшивки грузового дирижабля
Рис. 1. Разрез обшивки грузового дирижабля

Рис. 2. Общая схема орбитального дирижабля (L = 300 м, R = 40 м)
Рис. 2. Общая схема орбитального дирижабля (L = 300 м, R = 40 м)

Рис 3. Загрузка, хранение грузов и разгрузка орбитального дирижабля
Рис 3. Загрузка, хранение грузов и разгрузка орбитального дирижабля

Рис. 4. Буксировка «челнока» кайтами поперёк направления струйного течения
Рис. 4. Буксировка «челнока» кайтами поперёк направления струйного течения

Оценить:

Рейтинг: 4.54


Автор: Максимов Егор, 14 лет (8 класс школы № 1071, г. Москва).

В проекте [1] я предложил идею цепочки беспилотных грузовых дирижаблей, которые загружаются и разгружаются на лету "челноками"-монгольфьерами и летят в струйных течениях вокруг земного шара. Запуск такой системы воздушных грузоперевозок возможен уже в ближайшие 30-40 лет, поэтому я не закладывал в проект этой системы таких технических решений и таких характеристик, которые сегодня ещё не подтверждены практикой.

Но к 2099 году для дирижаблей можно будет реально использовать такие материалы, технологии и возможности, которые сегодня доступны только в теории или в исследовательских лабораториях (их перечень приведен в конце работы). Используя их, можно будет значительно улучшить технические, экономические и экологические показатели проекта [1].

Скажем, грузовые дирижабли в том проекте были традиционными шарльерами, наполненными гелием. Конечно, это проверенный и надёжный способ, но гелий дорог, и его производство на Земле ограниченно. А главное - он просачивается через любую стенку, так что с земли на борт грузового дирижабля придется регулярно подвозить гелий для поддува его оболочки - не меньше десятка кубометров на каждый час полёта дирижабля объёмом в 1 млн. кубометров.

Существуют, конечно, перспективы возврата к водороду в качестве несущего газа, но при этом на борту будут нужны дополнительные многотонные системы его контроля и флегматизации, а также очистки водородно-воздушной смеси. Кроме того, водород ведь тоже утекает сквозь оболочку, так что его тоже придется подвозить (хоть это и выгоднее, чем подвозить гелий).

Единственное, что в избытке есть на рабочей высоте грузового дирижабля - это энергия излучения: от Солнца и от Земли. Её и можно использовать для поддержания плавучести дирижабля, сделав несущим газом горячий воздух - как в шарах-монгольфьерах, с которых начиналось воздухоплавание. Правда, прямой нагрев воздуха оболочкой, как в солнечных аэростатах, не даст нужного эффекта: и слишком малый перепад температуры (а значит, слишком маленькая удельная аэростатическая сила) получается при таком нагреве, и полностью исчезает он, как только солнце заходит.

Решает эту проблему изобретённая мною многослойная оболочка, которая позволяет в несколько раз снизить теплопотери тепловых летательных аппаратов, а значит - при меньшей мощности нагреть воздух в оболочке до более высокой температуры. В результате горелкой мощностью всего 125 кВт воздух внутри двухслойной оболочки шара радиусом 10 м можно нагреть в стандартных условиях до 66 градусов Цельсия (а при 10-слойной – даже выше 400 градусов), тогда как при однослойной оболочке – всего до 40 градусов Цельсия.

Высокая температура внутри многослойной оболочки делает естественным и применение в качестве рабочего тела водяного пара вместо горячего воздуха. А это позволяет увеличить аэростатическую силу до уровня 85% от теоретически возможной, которую можно получить только при наполнении оболочки водородом – и безо всяких опасностей и недостатков такого «теоретического» варианта.

Конечно, на постоянный подогрев воздуха в оболочке нужна дополнительная мощность. Пока что обозначенные в проекте [1] параметры солнечных батарей, которые одновременно служат панелями обшивки дирижабля (200 Вт/кв.м и 200 г/кв.м), кажутся предельно достижимыми в обозримом будущем. Но ко времени проведения МАКС-2099 эти оценки могут быть пересмотрены. Синтетические солнечные батареи [2], как ожидается, будут иметь КПД до 80%, а панели из аэрогеля [3] толщиной до 5 мм - поверхностную плотность не более 15 г/кв.м.

В результате композитная обшивка из этих материалов (см. рис. 1) поверхностной плотностью 200 г/кв.м даст дирижаблю длиной 300 м и высотой 80 м ток мощностью около 24 МВт, тогда как для полёта со скоростью 100 км/час и поддержания высоты 9200 м ему при полной загрузке нужно лишь 15 МВ. А наддутый полумонокок из аэрогеля обеспечит и высокую прочность, и хорошую дополнительную теплозащиту.

В таком случае мощности солнечных батарей хватает и на подогрев воздуха в оболочке, и на питание моторов, и на зарядку аккумуляторов, которые позволят грузовому дирижаблю лететь в струйном течении всю ночь, до нового восхода солнца.

Как и в проекте [1], сплавная сила грузового дирижабля складывается из двух частей: постоянной (немного превышающей вес конструкции дирижабля), которая создаётся основными газовыми ёмкостями (см. рис. 2,3), и переменной, создаваемой аэростатами, на которых подвешены перевозимые грузы в трюме дирижабля. Однако в настоящем проекте такими аэростатами служат те же самые "челноки" – монгольфьеры с мотором, на которых грузы доставляются на борт транспортного дирижабля, а после подхода его к точке посадки спускаются ими на землю. Только при подъёме и спуске грузового контейнера рабочее тело «челнока» - это воздух, подогреваемый газовой горелкой, а на борту грузового дирижабля – это может быть и водяной пар, подогреваемый электричеством. Оболочка у "челнока" тоже многослойная, как и у основных газовых ёмкостей внутри грузового дирижабля. Но внешний слой сделан не из плёнки, а из тонкой ткани, которая выдерживает и забортную температуру -50 градусов, и механические усилия, возникающие при развёртывании оболочки перед наполнением, при запуске и посадке, а также при транспортировке в трюм и из него.

После стыковки с грузовым дирижаблем по той же схеме, что и в проекте [1] (см. рис. 3), "челнок" наполняется горячим паром с температурой около 500 градусов Цельсия - до достижения нулевой плавучести - и в таком состоянии буксируется бортовым роботом к месту хранения в трюме, где крепится к элементам конструкции дирижабля. В трюме «челнок» помещается в кубическую ячейку, грани которых – это ленты, сжимающие шарообразную оболочку и придающие ей форму куба со скруглёнными углами. Это позволяет более плотно разместить «челноки» в трюме и снизить их общее тепловыделение. И хотя температура в трюме поднимается почти на 20 градусов выше, чем за бортом, необходимая сплавная сила «челнока» достигается легко: за счёт использования водяного пара вместо воздуха и вентиляции трюма забортным воздухом с выбрасыванием нагретого воздуха в сопла, создающие дополнительную тягу (на рисунке не показаны).

При подготовке «челнока» к выгрузке температура водяного пара внутри его оболочки снижается до 120 градусов Цельсия, и он транспортируется бортовыми роботами к шлюзу разгрузки. Там весь пар из оболочки (около 330 г) выпускается в специальную ёмкость, где он конденсируется и перекачивается в резервуар для дальнейшего использования.

Небольшие грузовые контейнеры весом менее 1 тонны могут храниться в трюме и со сложенной оболочкой – это позволяет лучше использовать место в трюме и снизить расход энергии на подогрев рабочего тела в оболочке «челнока». В этом случае после стыковки с грузовым дирижаблем оболочка «челнока» надувается просто горячим воздухом для облегчения его транспортировки к месту хранения в трюме. Там воздух выпускается, а оболочка складывается и размещается на контейнере.

При подъёме и спуске груза "челнок" может маневрировать как в плоскости ветра – за счёт управления горелкой - так и поперёк неё – используя кайт на длинном (2-3 км) леере. Стартуя с борта грузового дирижабля, "челнок" оставляет кайт в струйном течении, где тот работает, как парус в галфвинде или в бакштаге, буксируя "челнок" поперёк струи. Роль "киля" при этом играет другой кайт, расположенный около "челнока" (см. рис. 4). При старте с земли "челнок", наоборот, сам входит в струю, оставляя кайт-"парус" в нижнем слое, где скорость ветра меньше, и используя ту же разность ветров. После выхода в ветровую плоскость цели (точки приземления или точки стыковки с дирижаблем) половина строп кайтов отцепляется от леера, и тот сматывается, после чего в специальный контейнер убираются и кайты.

При разработке этого проекта я исходил из того, что к 2099 году для строительства дирижаблей будут и технологически, и экономически доступны:

- солнечные батареи с КПД 80% с поверхностной плотностью 100 г/кв.м,

- панели аэрогеля размером 2м х 2м х 0,005 м с удельным весом 3 кг/куб.м,

- жаропрочные эластичные плёнки с поверхностной плотностью 20 г/кв.м и рабочей температурой до 500 градусов Цельсия,

- нити длиной 1 км с модулем Юнга 1 ТПа, плотностью не выше 1200 кг/куб.м и баллистической проводимостью, а также профили такой же прочности и плотности из листа размером 10м х 1 м х 0,0001м.

Литература:

1. Е. Максимов. Беспилотный орбитальный грузовой дирижабль. http://aerostat4all.narod.ru/books/YaI-2009-4.pdf.

2. Синтезируй это. «Итоги» №37 / 639 (08.09.08).

3. Рекорд плотности. http://nature.web.ru/db/msg.html?mid=1185544&s=110104140.