Конструктивные типы дирижаблей

Начиная разговор об управляемом воздухоплавании начала XX века, есть смысл рассказать об основных конструктивных типах дирижаблей, так как далее будут встречаться понятия, о которых читателю полезно знать уже сейчас.

Дирижабль, или управляемый аэростат, или воздушный корабль — это воздухоплавательный аппарат легче воздуха, в котором вес конструкции и полезного груза поддерживаются в воздухе благодаря подъемной силе газа, заключенного в его корпусе. В кормовой (хвостовой) части корпуса устанавливается горизонтальное и вертикальное оперение. Оно обычно состоит из расположенных крест-накрест неподвижных плоскостей — горизонтальных стабилизаторов и вертикальных килей, к которым прикреплены подвижные рулевые поверхности — горизонтальные (рули высоты или глубины) и вертикальные (рули направления). В нижней части корпуса расположены одна или несколько гондол, в которых размещаются команда и пассажиры, моторы, вооружение, балласт и прочее снаряжение.

По конструкции дирижабли можно разделить на 3 основных типа: мягкие (нежесткие), полужесткие и жесткие или, как их еще называют, дирижабли мягкой (нежесткой), полужесткой и жесткой систем. Принципиальные отличия одного типа от другого заключаются в особенностях конструктивного исполнения оболочки, газовых баллонов и устройств для поддержания внешней формы дирижабля, а также в технических решениях, обеспечивающих крепление жестких элементов и равномерное распределение нагрузки по оболочке.

Основное отличие дирижаблей нежесткой и полужесткой систем от жестких состоит в том, что у первых корпус изготавливается из ткани с малой газонепроницаемостью, которая непосредственно наполняется газом и является для него оболочкой. У жестких дирижаблей корпус образует пространственное жесткое сооружение, так называемый каркас, из дюралевых, стальных или деревянных силовых элементов, обтянутых снаружи тканью. При этом газ содержится в специальных отдельных газовых баллонах (называемых также газовыми мешками, газовыми камерами или газовместилищами), выполненных из ткани с малой газонепроницаемостью. В начале XX столетия в качестве материала для изготовления газовместилищ применялся бодрюш, который делали из слепой кишки крупного рогатого скота, а бодрюшированная ткань состояла из нескольких слоев бодрюша, наклеенного на матерчатую подкладку, затем ткань пропитывалась лаком. Матерчатой подкладкой служил сначала шелк, потом перешли на хлопчатобумажную ткань.

Газовые баллоны помещались внутрь корпуса дирижабля, поэтому непосредственно с наружной оболочкой газ не соприкасался. Так как наружная обтяжка каркаса предназначена только для обеспечения аэродинамической обтекаемости жесткого дирижабля, к ней не предъявляется требование малой газопроницаемости.

Отличие дирижабля полужесткой системы от нежесткой заключается в том, что у первого в нижней килевой части оболочки, вдоль всего корпуса, проходит жесткая металлическая ферма (килевая ферма). Она изготавливается из стальных или дюралюминиевых труб и служит для размещения в ней горючего, балласта и прочего снаряжения, а также в качестве хода сообщения вдоль всего дирижабля: К килевой ферме крепятся мотогондолы и гондола управления. Ферма, проходящая обычно от носа дирижабля до кормы, существенно повышает жесткость оболочки в продольном направлении. Спереди эта ферма переходит в носовое усиление, которое повышает сопротивляемость оболочки аэродинамическим нагрузкам, действующим на ее носовую часть. В хвостовой части дирижабля с килевой фермой иногда стыкуется кормовое усиление.

Во время полета неизменяемость внешней формы под действием сил аэродинамического сопротивления и изменений условий окружающей воздушной среды в нежестком и полужестком дирижаблях достигается за счет того, что газ находится в оболочке под некоторым избыточным давлением, так называемым сверхдавлением. Баллонеты — это мягкие емкости, расположенные внутри оболочки, в которые нагнетается воздух, позволяют постоянно поддерживать избыточное давление в оболочке. Благодаря сверхдавлению газа корпус дирижабля приобретает определенную сопротивляемость в продольном и поперечном направлениях, обеспечивающую неизменяемость внешней формы оболочки. Баллонеты наполняются воздухом с помощью вентиляторов, имеющих привод от бортового источника энергии, либо с помощью воздухоулавливателя, установленного за воздушным винтом.

В жестких дирижаблях сверхдавление газа может быть значительно меньшим, чем в полужестких. Это объясняется тем, что необходимость в поддержании сверхдавления отсутствует, так как неизменяемость внешней формы обеспечивается наличием каркаса; баллонетов для воздуха нет, но зато газовые баллоны могут внутри каркаса изменять свой объем, увеличивая или уменьшая его в зависимости от изменения объема содержащегося в них газа. Обтягивающая каркас жесткого дирижабля ткань не обязана сохранять газ, как это требуется от тканей оболочек нежестких и полужестких дирижаблей, поэтому обтяжка жесткого воздушного корабля может быть значительно более легкой по сравнению с тканью, идущей на изготовление оболочек дирижаблей других систем.

Деление дирижаблей на 3 типа — не вполне удачно, потому что некоторые из современных конструкций только с натяжкой могут быть отнесены к одному из этих типов, занимая как бы промежуточное положение между двумя из них. Мы все же оставим это деление как прочно утвердившееся в мировой литературе.

Основы конструкции дирижаблей рассмотрим на примере дирижаблей нежесткой системы, которая содержит все принципиальные составляющие этого типа воздушных транспортных средств. Они строились обычно небольшого и реже среднего объема. Дирижабль этой системы состоял из корпуса-оболочки и прикрепленной к оболочке при помощи системы подвески гондолы с винтомоторной установкой. В корме оболочки располагалось оперение: горизонтальные и вертикальные неподвижные плоскости с прикрепленными к ним при помощи шарниров рулями высоты и рулями направления. От рулей в гондолу к штурвалам шли тросы управления.

Внутри оболочки размещались баллонеты для воздуха. На поверхности оболочки устанавливались клапаны, которые служили для выпуска из нее части газа. Клапаны могли быть автоматическими (предохранительными) — они находились обычно в нижней части оболочки, ближе к корме, и были рассчитаны на открывание при повышении внутри оболочки сверхдавления газа выше определенной нормы, допускаемой запасом прочности ткани оболочки. Вторая группа клапанов (управляемые) служила для маневрирования. Они располагались наверху или сбоку в передней или средней части оболочки дирижабля. Маневровые клапаны открывались с помощью каната, проходившего внутри оболочки. Пилот пользовался этими клапанами при необходимости выпустить часть газа с целью уменьшения высоты полета в том случае, когда динамический спуск по какой-либо причине был нежелателен или невозможен.

При подъеме дирижабля, вследствие уменьшения атмосферного давления, а также из-за нагрева солнцем, газ в оболочке стремится увеличить свой объем, и если сверхдавление превышает уровень, на который отрегулированы предохранительные клапаны, то они автоматически открывались и выпускали соответствующее количество газа. Предохранительные клапаны обычно размещали в корме для того, чтобы выходящий из оболочки газ не соприкасался с горячими деталями двигателей, что могло бы вызвать воспламенение. Кроме газовых клапанов в оболочке имелись еще и клапаны для выпуска воздуха из баллонетов. Пружины предохранительных воздушных клапанов рассчитывались на несколько меньшее давление, чем у газовых клапанов, для того чтобы воздух из баллонетов выходил раньше, чем газ из оболочки.

При увеличении внешнего давления (по мере спуска) или при понижении температуры окружающей среды газ в оболочке стремится к уменьшению своего объема для сохранения неизменяемости внешней формы и для поддержания определенного сверхдавления газа в оболочке, в баллонеты с помощью вентиляторов нагнеталось необходимое количество воздуха. Он поступал из вентилятора в баллонеты по шлангам. При наличии двух и более баллонетов воздух в них подавался через клапаны по индивидуальным шлангам, а его распределение между баллонетами регулировал пилот. На случай отказа вентилятора была предусмотрена установка сзади воздушного винта специального воздухоулавливателя, посредством которого струя воздуха направлялась в баллонеты.

При расширении газа внутри оболочки воздух из баллонетов уходил через клапаны в атмосферу, а опорожненные баллонеты ложились в нижней части оболочки. Если дирижабль при подъеме превышал рассчитанную для него (по емкости баллонетов) предельную высоту, т. е. продолжал подъем и после того, как весь воздух из баллонетов был стравлен в атмосферу, то открывались предохранительные клапаны, которые сбрасывали в атмосферу часть несущего газа. Однако при спуске баллонеты не могли уже возместить связанные с этим потери газа; оболочка дирижабля теряла упругость с того момента, как баллонеты полностью заполнялись воздухом; при дальнейшем спуске на оболочке образовывались складки и впадины (так называемые «ложки»), значительно уменьшавшие скорость полета и даже делавшие невозможным управление дирижаблем.

Полученный путем теоретических расчетов объем баллонетов обычно был несколько преувеличен. Это делалось для того, чтобы, во-первых, парировать увеличение сверхдавления, которое могло возникнуть при несанкционированном подъеме в интенсивных восходящих потоках воздуха. Во-вторых, могло случиться и так, что на заданной высоте потолка температура воздуха окажется не ниже, а выше, чем температура в более низких слоях воздуха, тогда газ увеличит свой объем и частично выйдет через клапаны, а баллонеты при спуске дирижабля не смогут компенсировать потерю сверхдавления и неизменность внешней формы оболочки. И наконец, в-третьих, пилот должен был иметь возможность летать на предельных высотах, обладая при этом некоторым запасом сверхдавления в оболочке.

При этом следует оговориться, что значительное увеличение объема баллонетов сверх теоретического является нежелательным, так как это приводит к увеличению веса баллонетов и тем самым уменьшает полезную нагрузку, которая может быть взята на борт дирижабля. В дирижаблях системы «Парсеваль» наличие двух баллонетов и клапанов для распределения подачи воздуха позволяло пользоваться ими для динамического управления дирижаблем по высоте во время полета, для чего задний баллонет наполнялся воздухом больше, чем передний, и для спуска — наоборот.