Журнал «Юный техник» - Юный техник, 2000 № 06
Самый серьезный недостаток дирижабля — слишком малая скорость. Ни один дирижабль в неподвижном воздухе еще не развивал более 150 км/ч. Поэтому на малых расстояниях его легко побеждает гораздо более дешевый и компактный вертолет. А на больших…
В 30-е годы немецкий дирижабль LZ-127 «Граф Цеппелин» (рис. 1) неоднократно пересекал океан, тратя на это примерно четверо суток. Получалось втрое быстрее, чем на пароходе. Но сегодня этот путь можно проделать на самолете за 8–9 часов.
Рис. 1
Часто говорят о высокой экономичности дирижабля. Но и к этому следует относиться с осторожностью. Он действительно расходует топлива меньше, чем самолет. Но лишь благодаря полету с очень низкой скоростью. При прочих равных условиях мощность, необходимая на преодоление сопротивления воздуха, растет пропорционально кубу скорости.
Если бы мы пожелали увеличить скорость дирижабля в два раза, мощность моторов пришлось бы увеличить в восемь раз. Полеты через океан стали бы невозможны из-за возросшего расхода топлива. И наоборот, даже небольшое снижение скорости заметно повышает экономичность дирижабля.
Построенный немцами в 1917 году дирижабль LZ-104 имел, к примеру, максимальную скорость всего 104 км/ч (рис. 2).
За счет этого заметно снизился расход топлива, и воздушный корабль способен был доставлять 52 т бомб на расстояние 16 000 км!
И стоит поблагодарить судьбу за то, что немцы в годы Первой мировой войны практически не использовали возможности своих военных дирижаблей. В противном случае, если бы каждый из них хоть раз сбросил на Лондон полный груз бомб, столица Англии была бы стерта с лица земли, а прогулка LZ-104 к городам Америки помешала бы вступлению США в войну. Но вернемся к теме.
Существуют традиционные способы снижения аэродинамического сопротивления. Это улучшение формы, создание гладкой поверхности, устранение всех выступающих частей. По этому пути дирижаблестроители идут уже более ста лет и в значительной мере исчерпали его возможности. Тем более что таким способом сопротивление воздуха можно снизить не более чем вдвое. Соответственно может возрасти дальность полета, но скорость увеличится немного. На широкую дорогу это дирижабль не выведет.
Однако выход из положения есть. Нужно использовать принципиально новые методы снижения сопротивления, разработанные в наши дни для самолетов. Строго говоря, их появление связано с работами французского физика и математика Д’Аламбера (1717–1783), доказавшего, что при движении в идеальной сплошной среде, где отсутствует вязкость, сопротивление движению тел равно нулю. Это положение часто называют парадоксом Д'Аламбера.
Сопротивление, встречаемое телами при движении в реальной среде, например воздухе, связано с наличием у него вязкости. Силы вязкости сами по себе очень слабы. Однако они выступают в роли организатора, заставляющего потоки воздуха двигаться таким образом, что при этом возникает сопротивление.
Понять это поможет простой пример.
Сидя в автомобиле во время снегопада, вы наверняка видели, как снежинка, сев на капот автомобиля, медленно, как бы нехотя, ползет к окну. А между тем машина идет с большой скоростью. Почему же ветер не сдувает снежинку? Все дело в силах вязкости. Первый слой воздуха толщиной в одну молекулу притягивается молекулами обтекаемого тела. Он как бы прилипает к нему, его скорость резко падает. Второй слой воздуха прилипает к первому, третий ко второму и… так без конца. А в результате вблизи капота возникает слой воздуха, в котором значительно замедлена скорость. Поэтому и так медленно ползет попавшая в него снежинка.
По мере же удаления от капота скорость воздуха растет. Вся эта область с переменными скоростями носит название пограничного слоя. Если скорость в нем меняется плавно и нигде не равна нулю, сопротивление невелико.
Но случается так, что где-то пограничный слой как бы прилипает к поверхности тела. В этом месте возникают вихри, приводящие к резкому увеличению сопротивления. В таких случаях говорят об отрыве пограничного слоя. У сравнительно небольших крыльев и фюзеляжей самолета это явление возникает лишь при очень высоких скоростях. У дирижаблей благодаря их огромным размерам пограничный слой начинает отрываться даже при самых небольших скоростях. В этом все дело. Если каким-то образом не дать пограничному слою оторваться, сопротивление станет меньше. И здесь строителям дирижаблей есть чему поучиться у самолетостроителей, которые разрабатывают способы управления пограничным слоем уже более полувека и добились немалых успехов.
Вспомнить хотя бы кольцо Тауненда (рис. 3), призванное скорректировать отрыв пограничного слоя на поверхности фюзеляжа самолета, приводящий к значительному росту сопротивления.
Проходящий сквозь него встречный поток прижимается к фюзеляжу и сдувает вялый, разрушенный пограничный слой. Отметим, что здесь впервые тело очень плохой, с аэродинамической точки зрения, формы, коей является фюзеляж с прилепленным к нему мотором, приобрело низкое сопротивление, свойственное удобообтекаемому телу. У дирижабля нарушение обтекаемости начинается примерно на расстоянии первой трети его длины, считая от носа, и тянется до самой кормы на десятки метров. Действие же кольца Тауненда распространяется всего на несколько метров. Поэтому дирижаблю одно кольцо помогло бы слабо. Поставить несколько колец (рис. 4) подряд?
Без серьезного расчета и эксперимента это сделать трудно, мелкие отверстия в обшивке крыла (рис. 5) с помощью компрессора газотурбинного двигателя. При этом на обшивку крыла действовало некоторое избыточное давление. Поэтому этот способ без изменения можно применить лишь на дирижаблях жесткой системы, причем это может резко утяжелить обшивку. Избежать этого можно, если каркас дирижабля сделать из трубок с отверстиями, проходящими через оболочку.
Но, пожалуй, самое интересное решение содержится в конструкции летательного аппарата ЭКИП. Последний раз мы о нем писали давно, поэтому немного напомним.
При проектировании самолетов тон задает аэродинамика. Сначала создается его форма, а уже потом инженеры начинают ломать голову над тем, как сделать ее прочной и легкой, разместить в ней груз, двигатели, экипаж. Группа ученых под руководством профессора Л.Щукина задумала решить эту задачу в противоположном направлении. Новый самолет типа «летающее крыло» будет иметь форму батона — решили они (рис. 6).
В нем можно расположить двигатели, экипаж и любой груз — от колонны танков до стада коров. При этом «батон» получится очень легким и прочным. Единственная проблема — крыло такой формы не сможет летать из-за отрыва пограничного слоя и образования сильнейших завихрений на верхней его поверхности. Эту неприятность ученые смогли устранить при помощи системы управления пограничным слоем УПС.
Вот как она устроена. На верхней поверхности летательного аппарата есть ряд открытых полостей с размещенными в них обтекаемыми телами (рис. 7).
В каждой полости создается кольцевой вихрь, охватывающий обтекаемое тело. Воздушный поток, находящийся в состоянии, близком к срыву, как бы проваливается в вихревую ячейку. После взаимодействия с вихрем между слоями потока восстанавливается соотношение скоростей, необходимое для его дальнейшего движения без отрыва.
Эксперименты показали, что «батон» при наличии подобной системы УПС ведет себя как удобообтекаемое тело до скорости 650 км/ч и, возможно, выше.
Следуя логике конструкции аппарата ЭКИП, мы можем представить себе дирижабль будущего как сферический аэростат, оснащенный системой УПС. При такой форме минимальна площадь поверхности, а значит, и затраты мощности на систему УПС. Вот какие результаты мы могли бы получить. Величайший в мире дирижабль «Гинденбург» имел объем 190 000 куб. м, диаметр 41 м, длину 236 м и площадь поверхности 40 000 кв. м. Равный ему по объему сферический дирижабль имел бы диаметр 68 м при площади поверхности в три раза меньше.
Можно ожидать, что он будет способен летать со скоростью более 300 км/ч на расстояния до 13 000 км, имея на борту около 150 т полезного груза.
А. ИЛЬИН
Рисунки автора
ЛЮБОПЫТНЫЕ ПРОЕКТЫ
Бывает, что и отель летает…
Давно, еще в «ЮТ» № 1 за 1993 г., мы рассказали о проекте «Термоплан», разработанная в Московским авиационном институте под руководством Ю.Ишкова. Но в то время мы и подумать не могли (как, впрочем, и сами авторы проекта), что он получит весьма оригинальное продолжение…
