ОКБД | Дирижаблестроение... | оглавление | пред.раздел | след.раздел

Воздухоплавательный аппарат-носитель на аэростатическом газе гелии

5.1. Предложения к техническому заданию на разработку дирижабля с полезной грузоподъемностью 2000кг.

5.1.1. Дирижабль предназначается для транспортировки специальной научно-исследовательской аппаратуры в полетах над сушей и морем на малых скоростях в высотах. Он может быть использован также для патрулирования и перевозки людей и грузов.

5.1.2. Полезная грузоподъемность, включая спецаппаратуру, экипаж, топливо, смазочные материалы и балласт, предлагается не менее 2000кг, из них на аппаратуру до 700кг.

5.1.3. В качестве аэростатического газа испольэовать технический гелий с удельной подъемной силой 0,981 даН/м3(1 кгс/м3).

5.1.4. Дирижабль предлагается эксплуатировать круглый год только в светлое время суток и в простых метеоусловиях при ветре до 15м/с. Высота полета до 500 м, скорость полета до 120 км/ч, продолжительность полета до 6 час.

5.1.5. Для пилотирования дирижабля и вождения по заданному маршруту иметь двух членов экипажа. Помимо них в состав экипажа включить двух операторов спецаппаратуры.

5.1.6. Дирижабль оборудовать всей необходимым для безопасности полетов и выполнения задач в соответствии с назначением и условиями эксплуатации.

5.1.7. При выборе силовой установки учесть мощность, потребляемую спецаппаратурой 6 кВт.

5.1.8. Предусмотреть конструктивные возможности для:

5.1.9. Условия постоянного базирования должны обеспечивать продолжительное безопасное содержание дирижабля, его ремонт, монтаж и демонтаж.

Условия временного базирования (от нескольких часов до нескольких суток) должны обеспечивать безопасную стоянку для послеполетного осмотра и всесторонней подготовки к повторному полету.

5.2. Летно-технические характеристики.

Изучение статистического материала во опыту зарубежного и отечественного дирижаблестроения, предварительные расчеты, выполненные в соответствии с п. 5.1., позволяют сделать выбор следующих летно-технических характеристик дирижабля:

5.2.1. По типу конструкции корпуса дирижабль является мягким, по форме корпуса-оболочки удобообтекаемым телом вращения 

(рис. 5.1).

5.2.2. Геометрические данные корпуса-оболочки:

Длина дирижабля, м

55,5

Диаметр миделя, м

14,8

Объем корпуса-оболочки, м3

6200

Объем двух баллонетов, м3

950

Удлинение корпуса

3,75

Коэффициент полноты корпуса

0,691

Площадь поверхности оболочки, м2

2012

Площадь поверхности тканевых перегородок, отделяющих воздух баллонетов от газа оболочки, м2

430

Площадь поперечного сечения корпуса, м2

172

5.2.3 Геометрические данные оперения:

Площадь общая, м2

105,0

Площадь горизонтального оперения, м2

55,0

Площадь вертикального оперения, м2

50,0

Удлинение

0,8

Площадь рулей высоты, м2

20,0

Площадь рулей направления, м2

16,0


pp56_1.jpg (24738 bytes)
pp56_2.jpg (57818 bytes)

Рис.5.1 Общий вид воздухоплавательного аппарата на аэростатном газе гелии

5.2.4. Габариты гондолы:

Длина по крыше,м 9,0
Длина по полу, м 8,0
Ширина по крыше, м 2,5
ширина по полу, м 2,1

высота без стойки шасси, м 2,3

2,3
Высота со стойкой шасси, м 3,6

5.2.5. Характеристики силовой установки.

В качестве силовой установки используются два поршневых двигателя мощностью по 265-295 кВт с 4-х лопастными воздушными винтами в кольцевых обечайках , обеспечивающими коэффициент полезного действия не менее 0,65 на максимальной скорости.

Для обеспечения управляемости дирижабля на малых скоростях, а также для изменения высоты полета без потерь несущего газа проектируется применение поворота оси вращения воздушных винтов в вертикальной плоскости вверх и вниз по 50°.

5.2.6. Массовые характеристики дирижабля.

Полезная нагрузка, кг 2105
Оболочка-корпус с баллонетами, кг 875
Оперение, кг 210
Гондола, кг 600
Подвесная система, кг 156
Носовое усиление, кг 30
Система управления, кг 70
Оборудование, кг 150
Посадочное приспособление, кг 50
Двигатели(два), кг 2 х 335
Ферма-пилон с трансмиссией и воздушными винтами, кг 340
Суммарная масса. кг 5250

В состав полезной нагрузки включено сведущее:

-спецаппаратура, кг 700

–экипаж 4 чел, кг 360

-топливо и смазочные мат., кг 750

-балласт, кг 295

В качестве балласта применяется незамерзающая при данной температуре жидкость: вода, антифриз, тосол и т.п.

5.2.7. Расчет летных характеристик.

5.2.7.1. Максимальная скорость полета.

Статистический материал дает возможность оценить коэффициент лобового сопротивления дирижа6ля.Для дирижабля мягкой конструкции при нулевом угле атаки Сx 0,09(см.работу -Федяевского К.К. “Материалы по аэродинамическому расчету воздуиных кораблей”,ч.1, 1932г). При расчете максимальной скорости полета примем:

Полученная скорость соответствует заданной.

5.2.7.2. Крейсерская скорость.

На высоте 500м скорость полета будет практически такая же, т.к. одновременно с уменьшением мощности невысотных двигателей будет меньше и плотность воздуха.

5.2.7.3. Продолжительность полета.

При наличии на борту дирижабля 730 кг топлива и при движении с крейсерской скоростью 90 км/ч в течение всего полета, расходуя 0,225кг/л.с.ч. = 0,3кг/кВт.ч топлива, получим длительность полета:

5.2.7.4. Набор высоты и снижение(маневрирование по высоте).

Для взлета и подъема на высоту 500 м необходимо облегчить дирижабль выбросом балласта или использовать часть силы тяги воздушных винтов путем поворота их оси вращения на некоторый положительной угол. Конструкцией дирижабля предусмотрен взлет и подъем по второму варианту. Учитывая с течением времени полета выработку топлива и облегчение дирижабля, набор высот будет обеспечиваться и этим фактором.

Для уменьшения высоты полета на маршруте или при движении в конце полета потребуется поворот оси вращения воздушных винтов на отрицательный угол с тем, чтобы получить от вектора тяги составляющую, направленную вниз.

Балласт, представляющий собой воду или антифриз в емкости, установленной под полом гондолы, используется для слива и облегчения дирижабля в аварийной ситуации или для уравновешивания перед вылетом при пониженной плотности атмосферного воздуха.

Для подъема на высоту 500м сразу после старта потребуется наклон оси вращения винтов вверх на некоторый угол, который по мере расходования топлива будет уменьшаться, a для снижения приобретать отрицательное значение.

Определим величину вертикальной составляющей, которую необходимо иметь для подъема на высоту. Известно, что для набора высоты 80м необходима сплавная сила, равная 1%, подъемной силы на уровне равновесия, т.е.

а для подъема на

 

Следовательно, вертикальная составляющая вектора тяга должна быть:

   При наборе высоты на крейсерском режиме работы двигателей, т.е. с мощностью 2x199кВт=2x270л.c. и к.п.д. винтов h b =0,70 при скорости полета V =90км/час тяга винтов будет:

Для получения вертикальной составляющей вектора тяги винтов Р2=322 даН достаточно повернуть оси вращения воздушных винтов относительно горизонта на угол:

Тогда горизонтальная составляющая вектора тяги будет:

После израсходования 328 кг топлива для продолжения полета на высоте 500м оси вращения винтов будут возвращены в горизонтальную плоскость.

pp60.jpg (30245 bytes)

Рис.5.2. Набор высоты с использованием поворота вектора тяги воздушных винтов

Для снижения дирижабля потребуется установить отрицательный угол направления векторов тяга воздушных винтов.

Из соображений безопасности полета нельзя допустить большой величины отрицательной силы Р2, т.к. в случае отказа двигателей может случиться резкое "облегчение"дирижабля с быстрым набором высоты, в процессе которого газовые клапаны окажутся недостаточно производтельными пo сбросу быстро растущего избыточного давления внутри оболочки, что, в свою очередь, может привести к разрыву оболочки.

Поэтому конструкцией дирижабля предусматривается:

- установка шести газовых клапанов для быстрого стравливания растущего избыточного давления;

- установка насоса и емкости для взятия на борт воды взамен расходуемого топлива;

- установка на баллонеты вентиляторов с реверсивными электродвигателями для oткачки воздуха.

Помимо применения изменяемого вектора тяги силовой ycтановки для маневра по высоте используется аэродинамическая подъемная сила корпуса дирижабля.

5.3. Основные проектно-конструкторские решения

5.3.1. Для получения высоких летно-технических характеристик, не уступающих характеристикам подобных диражаблей, эксплуатируемых за рубежом, в конструкциях всех элементов дирижабля предусматривается широкое применение новых конструкционных материалов, отличающихся высокой пpoчностью, долговечностью, жесткостью, долговечностью сохранения своих свойств при значительно меньшем удельном весе.

Такими свойствами обладают современные синтетические, композиционные материалы и трехслойные конструкции. Применяем их при конструировании:

-оперения,

-гондолы,

-пилонов, трансмиссии СУ,

-узлов крепления подвесной системы и оперения к оболочке,

-носового усиления оболочки.

5.3.2. Корпус-оболочка изготавливается из синтетической многослойной ткани, включающей в себя:

- основную ткань, обеспечивающую прочность не менее 3500 даН/пм.

- газоудерживающую пленку, пропускающую гелий со скоростью
не более одного литра в сутки через один квадратный
метр поверхности газовой оболочки;

- внешний полиуретановый слой с покрытием из двуокиси титана.

Масса такой многослойной ткани должна быть не более 0,35кг/м. Материал оболочки должен исключать накопление статического электричества.

Материал баллонетов меньшей прочности (2500 даН/пм), тоньше и более гибкий. Поэтому масса его в расчетах принята 0,25кг/м2.

Дирижабль снаряжается шестью аварийными клапанами для сброса давления в оболочке корпуса. Из шести клапанов два размещены на газовой оболочке дирижабля, остальные четыре на баллонетах.

Баллонеты наполняются воздухом с помощью вентиляторов, работающих от бортовой электросети дирижабля. Для ускоренного уменьшения давления воздуха в баллонетах вентиляторы снабжаются реверсивными электродвигателями.

Носовая часть корпуса усилена диском и прутками из композиционного материала. В диск заложен стыковой узел для причаливания дирижабля к мачте.

5.3.3. Оперение дирижабля (стабилизаторы и рули) изготовляются из трехслойных конструкций,

Силовые элементы (лонжерон, нервюры) из стекловолокна (углеволокна) и связующего материала; эпоксидной смолы с пенопластовым наполнителем.

Обшивка оперения также трехслойная: стеклоткань-пенопласт-стеклоткань. Стабилизаторы своим основанием пришнуроваются к узлам оболочки, а с помощью тросов-расчалок фиксируются в расчетном положении. Прорабатывается вариант фиксации при помощи сквозных лонжеронов.

5.3.4. Гондола полумонококовой конструкдции со стенками трехслойной конструкции: стеклоткань-пенопласт-стеклоткань.

Двумя вертикальными поперечными перегородками гондола делится на три отсека (см. рис.5.3.)

В переднем отсеке(кабине управления) размещаются два пилота, рычаги управления, средства связи, навигационно-пилотажные приборы, приборы контроля работы двигателей и всех систем дирижабля.

Средний отсек служит для размещения спецаппаратуры в контейнерах и двух членов экипажа-операторов.

В передней части этого отсека, в полу, имеется люк для выдвижения в окружающую атмосферу элементов спецаппаратуры. Через этот люк производится забор воды или грунта.

Под полом среднего отсека устанавливается мягкая емкость для балластной воды, закачиваемой на борт в ходе полета.

Задний отсек является местом установка двух двигателем, масляного и топливного баков. Отсек двигателей отделен от остальной части гондолы и топливного бака противопожарными перегородками и снабжен системой пожаротушения. Под полом заднего отсека установлена емкость для балластной жидкости.

Каждый oтсек гондолы снабжен дверями.

Передний и средний отсеки остеклены и обеспечивают хороший обзор для членов экипажа.

pp63.jpg (55107 bytes)

Рис. 5.3 Компоновка гондолы

5.3.5. На границе среднего и заднего отсека установлено посадочное приспособление:
амортизационная стойка с колесом.
Посадочное приспособление является предохранительным устройством от поломок воздушных винтов и других элементов дирижабля при швартовке и стоянке его на земле.

5.3.6. Силовая установка.

Для дирижабля малых объемов по-прежнему целесообразно применение поршневых двигателей с воздушными винтами. Оправданным является заключение воздушных винтов в кольца, что на эксплуатационных скоростях полета дирижабля оказывается выгодным с точки зрения повышения коэффициента полезного действия винтов при незначительном увеличении лобового сопротивления. Кольца, кроме того, уменьшают шум в гондоле, улучшают условия безопасности от поломок винтов и т.п.

Крутящий момент от коленчатых валов двигателей к воздушным винтам передается через удлиненные валы трансмиссии и угловые редукторы.

Повороты осей вращения воздушных винтов в вертикальной плоскости производятся пилотом путем включения реверсивных злектродвигателей, имеющих редукторы и цепную передачу вращения на поворотные трубы, связанные с угловыми редукторами, а следовательно и с воздушными винтами. Поворотные трубы являются двух-опорными балками с консолями и вращаются в подшипниках, два из которых устанавливаются непосредственно у стенок гондолы, два других - на концах фермы-пилона (см.рис.5.4).

pp65.jpg (21663 bytes)

Рис.5.4 Трансмиссия силовой установки (  1 - ферма-пилон,  2 - трансмиссия ,  3 - поворотный воздушный винт в кольце )

5.3.7. С помощью подвесной системы гондола плотно примыкает к нижней части корпуса-оболочки. К подвесной системе, располагающейся внутри оболочки, относятся:

5.3.8. Управление дирижаблем осуществляется аэродинамическими рулями высоты и направления. Кроме того, на малых скоростях - изменением векторов тяги силовой установки.

Основная система управления – электрическая, дублирующая – ручная, тросовая.

5.3.9. В состав оборудования входит:

Возможна установка ЭВМ для решения задач пилотирования, навигации и обеспечения безопасности полета.

Данный документ является электронной версий научно-технического отчета "Воздухоплавательные аппараты-носители" по хоздоговору 34/86 ОНИЛ ДД ИОФ АН СССР при НГПИ. Авторские права принадлежат Бимбату Д.З. Перепечатка, передача другим организациям или использование в печати материалов отчета могут производиться только с разрешения Бимбата Д.З. или заведующего ОНИЛ ДД ИОФ АН СССР при НГПИ 

X