Дирижабли

Дирижабль — управляемый летательный аппарат, в котором как минимум часть подъёмной силы создаётся за счёт силы Архимеда. Раньше определение было проще: «управляемый летательный аппарат легче воздуха», но сейчас появились гибридные дирижабли, которые могут летать и в режиме «чуть тяжелее воздуха» — и именно в этом режиме лучше управляются по вертикали и садятся. Дирижабль является первым в истории человечества управляемым летательным аппаратом (собственно, французское «dirigeable» как раз и означает «управляемый»).

История

Паровые дирижабли

Изобретателем дирижабля считается француз Анри Жиффар (середина XIX в.). Подъёмная сила аэростатов была известна и за многие десятилетия до него (открыта в той же Франции братьями Монгольфье), но именно Жиффару принадлежит честь создания первого управляемого аэростата с двигателем.

Дирижабль Жиффара представлял собой сигарообразный аэростат, к которому на тросах была привешена гондола с двигателем. В качестве двигателя использовалась паровая машина, вращавшая воздушный винт. В качестве подъёмного газа использовался водород. Этот дирижабль был небольшим, длина баллона составляла 44 метра, а мощность паровой машины — всего 3 лошадиные силы. Поскольку паровая машина — двигатель, плохо поддающийся миниатюризации, то ходовые качества аппарата Жиффара были невысоки: он был сильно зависим от ветра и не мог совершить полёт длиннее нескольких десятков километров.

Проблемой было и остается до сих пор уменьшить не саму паровую машину, а устройства, обеспечивающие ее рабочим телом - паром. Если не учитывать вес котельной установки, удельная мощность паровой машины выше, чем у ДВС. Также, она не боится форсировки, крайне легко реверсируется, и позволяет регулировать обороты и тяговое усилие независимо, за счет регулировки фазовых углов - отсечкой и наполнением.

Сам Жиффар прекрасно это понимал; вскоре он создал и построил другой дирижабль, покрупнее, который должен был стать более эффективным. Длина баллона составляла 70 м, и паровая машина была помощнее предыдущей. К сожалению, из-за ошибки в расчётах пришлось совершить аварийную посадку (разъехались тросы, соединявшие баллон и гондолу), и далеко этот дирижабль не улетел.

Но изобретатель не остановился на этом и планировал построить наконец настоящий мега-дирижабль, который показал бы миру весь потенциал своего изобретения. Для этого мега-проекта он даже изобрёл новый вид паровой машины — с инжектором, который стал популярен и принёс ему богатство. Однако планы Жиффара разрушило его очень сильно ухудшившееся с возрастом зрение: он почти ослеп, и из-за этого проект большого дирижабля остановился. От расстройства Жиффар совершил самоубийство, выпив лошадиную дозу хлороформа.

Из-за неудачи Жиффара мир так и не увидел истинного потенциала больших дирижаблей — поэтому до появления двигателя внутреннего сгорания дирижабли почти не строились. В 1890-х гг. были разработаны первые надёжные и эффективные двигатели внутреннего сгорания, позволявшие строить дирижабли любого размера — тогда-то и начался золотой век дирижаблей. Первый удачный и известный дирижабль с ДВС построил французский (бразильского происхождения) же изобретатель Сантос-Дюмон, который совершил на нём облёт Эйфелевой башни.

Дирижабли с ДВС

С 1890-х до самой Второй Мировой Войны дирижаблей строилось много и разных. Были грузовые дирижабли, для перевозки больших грузов. Были пассажирские воздушные лайнеры с комфортабельными каютами, кино, борделями и казино. Были военные дирижабли - бомбардировщики, ограниченно применявшиеся в Первой Мировой войне. Были огромные американские летающие авианосцы «Акрон» и «Мекон» построенные для дальнего патрулирования Тихого океана. Дирижабли использовались в исследовании Арктики, в чём отличились известные полярные исследователи Руаль Амундсен и Умберто Нобиле. Немецкая «Компания графа Цеппелина» стала пионером строительства больших дирижаблей жёсткой конструкции (до этого строились мягкие (блимпы) и полужесткие дирижабли), самого разного назначения: пассажирских, грузовых, почтовых и других.

Наполнялись дирижабли этой эпохи либо водородом, либо метаном (светильным газом, блау-газом). Подъёмная сила метана была невысока, но его преимущество было в том, что его могли использовать в качестве топлива тогдашние ДВС (и, соответственно, не надо было таскать за собой бензобаки). Все эти дирижабли были строго легче воздуха, что создавало определённые трудности с их приземлением: требовались специальные порты со швартовальными мачтами и многолюдными наземными командами, которые должны были поймать сброшенные с дирижабля канаты, подтащить его «на поводке» к мачте и зафиксировать.

Главный же, принципиальный недостаток любых дирижаблей положивший в 30-х годах прошлого века конец попыткам их применения(не считая маленькие «мягкие» противолодочные дирижабли строившиеся в США во время 2-й мировой войны) проистекает из самого принципа создания подъемной силы: аппарат легче воздуха просто обязан быть большим, ввиду чего получается хрупким, а также крайне неустойчивым к любым погодным воздействиям - ветру, нисходящим/восходящим потокам воздуха, дождю и обледенению, даже просто понижение температуры воздуха вызывает охлаждение создающего подъемную силу газа и оной подъемной силы падение, а уж попадание в грозовой фронт для дирижабля однозначная смерть, при этом убежать или уклониться шансов у него гораздо меньше, чем у самолёта. Вопреки раскрученному образу горящего «Гинденбурга» и представлению впечатлённых оным далёких от темы людей подавляющее большинство больших дирижаблей - немецких, английских, французских и американских - стало жертвой погодных условий: один обледенел и врезался в гору, другой попал в нисходящий поток и был разбит о воду, третий разбит порывом ветра в ходе причаливания, четвёртый порван в клочья штормом итп, упомянутые выше наполненные гелием американские «Акрон» и «Мекон» также потерпели крушения из-за «буйства природной стихии».

Вакуумные дирижабли

Вакуумные дирижабли реализованы на практике не были по причине отсутствия материалов, достаточно прочных и легких одновременно. Основное отличие от традиционных дирижаблей заключается в том, что твёрдый (в достаточной мере для того, чтобы не оказаться смятым под давлением атмосферы) баллон вместо заполнения лёгким газом вакуумируется. Преимущество заключается в пожарной безопасности (вакуум не горит) и большей, чем при использовании водорода или гелия, подъёмной силе (на единицу объёма баллона). Впрочем, последнее преимущество, скорее всего, будет компенсироваться немалой массой твёрдого баллона, да и разница по сравнению с водородными дирижаблями невелика (около 7 %), хотя по сравнению с заметно более тяжелым гелием уже существенна. При использовании традиционных материалов не из чего сделать такой корпус баллона, который бы держал атмосферное давление снаружи и при этом не весил больше, чем подъёмная сила всего баллона — однако это не значит, что подобные материалы не будут созданы в будущем. Примерно в том же веке, что и варп-двигатель, световой меч и антигравитация (которая помножит на нуль всю полезность дирижабля). Или, возможно, будет создан какой-нибудь метаматериал типа вакуумного аэрогеля, то есть такой микропористый пенопласт легче воздуха.

• Другой недостаток конструкции в том, что при разгерметизации баллона он будет заполняться воздухом (быстро или медленно — в зависимости от размеров дырки), где бы эта дырка ни была, в то время как из обычного дирижабля газ будет выходить только при разгерметизации в верхней части, а вот дыра снизу, даже большая, ему не опасна. Очевидным решением как проблемы безопасности, так и проблемы давления является делать не один баллон, а гирлянду из нескольких, причем сферической формы, помещенную в общий обтекатель.
  • Собственно, уже ко второй Мировой войне, подавляющее большинство дирижаблей и было устроено подобным образом. По аналогии с подводной лодкой, легкий корпус-оболочка, обеспечивающий аэродинамическое обтекание, и много эластичных баллонов-«сарделек» под обшивкой, вытесняющих из несущего объема атмосферный воздух. Преимущества очевидны — выше защищенность от утечек несущего газа, выше пожарная безопасность. Недостатки — выше вес конструкции из-за оболочек вытесняющих баллонов. На борту дирижабля есть и баллоны под давлением, не создающие подъемную силу — из них пополняется и регулируется объем газа в оболочке для спуска/подъема аппарата.
• Типичная ошибка писателей — «газ в сто раз более лёгкий, чем водород», обеспечивающий в сотню раз бóльшую подъёмную силу. Во-первых, придумать более лёгкий газ — это то же самое, что придумать новое целое число от 0 до 1. Во-вторых, шар поднимается на архимедовой силе, которая соответствует весу кубометра наружного воздуха и равна 1,27 кг на кубометр баллона. Именно столько мы бы получили от гипотетического «жидкого вакуума», который ничего не весит, но создаёт атмосферное давление изнутри. Все элементы конструкции, включая накачанный газ, утяжеляют дирижабль и уменьшают подъёмную силу. Выигрыш от более лёгкого газа невелик: если мы закачаем вместо гелия тот самый «жидкий вакуум», к подъёмной силе прибавится плотность гелия, 150 г/м³. Говоря проще — любой наполнитель несущего баллона используется лишь для того, чтобы вытеснитьь из объема упомянутого баллона атмосферный воздух и заменить его чем-то меньшей плотности — от гелия до вакуума. Тогда этот самый объем будет «всплывать» в воздухе аналогично надутому обычным воздухом шару в воде.

А какие «законные» сферы применения дирижаблей?

Сферы, в которых дирижабль объективно лучше самолёта, отсутствуют, за исключением рекламного бизнеса. В первую очередь, речь идёт о перевозке крупных тоннажей. Все современные самолёты-сверхтяжеловесы типа «Мрии» — дико прожорливые монстры, в то время, как дирижабли того же или даже более высокого тоннажа гораздо более экономичны. Всё дело в законе квадрата-куба: подъёмная сила самолёта зависит от площади крыла (квадрата линейных размеров), а дирижабля — от объёма баллона (куба линейных размеров). Поэтому для самолёта существует относительно небольшой оптимальный размер, который лучше не превышать — а дирижабль можно сделать сколь угодно большим, и чем больше — тем лучше. Почему же «Мрии» и им подобные керосинки продолжают использовать? В первую очередь потому, что скорость дирижабля многократно ниже скорости самолета. Во-вторых, дирижабль, особенно большой, из-за огромной парусности очень уязвим к боковому ветру — но эта проблема решается так же, как и на аэростатах: меняя высоту, можно поймать попутный ветер. В-третьих, уже упомянутые сложности с посадкой. Кроме того, дирижабельную промышленность и инфраструктуру надо создавать практически с нуля, в отличие от самолётной.

• А на самом деле - дирижабль гораздо менее экономичен по сравнению с самолетом той же грузоподъемности. Потому что перевозка десяти тонн груза на тысячу км дирижаблем в течение суток требует больше топлива, чем самолетом - в течение часа. Нет, увеличение линейных размеров дирижабля не поможет, наоборот - чем больше дирижабль, тем больше топлива уходит на борьбу с сопротивлением воздуха или просто с ветром не в ту сторону (это не говоря уже о том, что дирижабль, в отличие от самолета, не способен уйти от грозы, которая легко и непринужденно переломит его пополам). Нет, идея ловить попутный ветер на высоте не сработает - как не работала с германскими цеппелинами, с их точностью налетов плюс-минус графство. А еще самолет не требует сотен тысяч кубометров крайне недешевого газа для того, чтобы подниматься в воздух. А еще инфраструктура для дирижабля гораздо дороже сопоставимой авиационной - чисто в силу линейных размеров ангара, вмещающего этот летающий презерватив.

Гибридный дирижабль, или дирижабль тяжелее воздуха (см. ниже), менее требователен к инфраструктуре, приближаясь в этом плане к вертолету, но будучи при этом не в пример экономичнее (с другой стороны, правда, дирижабль из-за своих размеров не может сесть на маленький пятачок, доступный вертолету — скажем, на площадку между постройками или на палубу судна; кроме того, возможность садиться в поле не спасает от необходимости иметь гигантский ангар на базе). Поэтому дирижабли были бы очень полезны в «северном завозе» и других задачах по освоению районов с плохой инфраструктурой. Дирижабль также может работать и как воздушный кран, причем с грузами такой массы, которую ни один вертолет просто не поднимет.

• А на самом деле - дирижаблю нужна причальная мачта. Без которой сесть, дирижабль, конечно, сможет - но только раз. И которая значительно дороже грунтовой полосы для самолета или площадки для вертолета. Это в тихую безветренную погоду - потому что даже легкий ветер превращает швартовку дирижабля к мачте - в шоу акробатов, а посадку в поле - в катастрофу. Что особенно актуально в регионах "северного завоза", да. Не случайно основная причина потерь американского дирижабельного флота в годы ВМВ - не действия японской авиации, а технические неполадки и погодная обстановка.
  • Дирижабль, полностью аналогично подводной лодке, может регулировать подъемную силу. Для этого необходим набор ресиверов высокого давления, перепускное клапанное устройство, редуктор и компрессор, способный закачать газ из несущих баллонов в ресиверы под повышенным давлением. В качестве полумеры, можно выпускать газ в атмосферу, обходясь без массивного компрессора, и пополнять недостачу из баллонов высокого давления - которые и так всегда есть на борту для восполнения неизбежных утечек несущего газа.

Кроме того, дирижабль может очень долго держаться в воздухе. Поэтому различные воздушные командные пункты, летающие лаборатории, или просто ретрансляторы связи — все эти задачи могут выполнять дирижабли. В прошлом веке имелись даже проекты воздушных космодромов для запуска спутников, но были признаны бесперспективными. Однако в нашу эпоху частного космоса и кубсатов эта идея возникла снова — правда, в виде обычного вроде воздушного шара-монгольфьера, без двигателя. Задумка в том, чтобы не тратить топливо на пропихивание ракеты через плотные слои атмосферы, не так сильно заморачиваться с обтекаемостью и сразу на первой ступени использовать «вакуумное» сопло двигателя, с большой степенью расширения. Испытательный полёт обещают в 20-21 гг.

Гибридные дирижабли

Современные виды дирижаблей называются гибридными потому, что они сочетают черты классических дирижаблей и самолётов. Обычно такой дирижабль немного тяжелее воздуха, что позволяет ему садиться без причальных мачт и наземной швартовочной команды. Взлетает он по принципу конвертоплана (поворачивая винты вверх), а в воздухе держится за счет суммы аэростатической и аэродинамической сил (последняя создается всем корпусом, имеющим соответствующую форму). Возможен и вариант с переменной «плавучестью», который, перекачивая газ из баллона и обратно, может становиться то легче, то тяжелее воздуха.

Испытательные модели таких дирижаблей уже построены и совершали пробные полёты. Сейчас часто говорят о том, что нужно возрождать дирижабельное дело — но это целая новая отрасль промышленности, требующая долгосрочных вложений. А современный бизнес в массе своей страдает синдромом гиперактивности и дефицита внимания, клиповым и блиповым сознанием, и долгосрочных промышленных проектов (да ещё и меняющих положение сил на таких крупных рынках, как авиаперевозки) боится, как огня. Впрочем, те, кто не боится, в итоге становятся миллиардерами. Ну или разоряются, куда же без этого.

• Современный бизнес в массе своей страдает умением считать деньги и риски. Поэтому не спешит вкладываться в мертворожденных кадавриков, гармонично сочетающих недостатки обоих прародителей.

Кстати, об огне: а как же огнеопасность? Как же «Гинденбург»? А никак. Забудьте как страшный сон. В XXI в. никому в голову не придёт наполнять дирижабль водородом, когда так подешевел и стал практически общедоступным гелий (добывается из природного газа). Гелий не горит. Это абсолютно инертный газ, самый инертный элемент во всей Вселенной. Серьёзно. Во всей Вселенной. Даже в галактике Кин-Дза-Дза не найдётся элемента инертнее, чем гелий.

• Главная проблема гелия — чрезвычайная текучесть. Из-за своей инертности этот газ существует в виде не молекул, а отдельных атомов, которые настолько малы, что медленно, но верно просачиваются через абсолютно любые кристаллические решётки. Поэтому дирижабль на гелии необходимо постоянно «подкачивать» газом.
  • но надо заметить что водород - примерно столь же текуч, а ещё водород постепенно делает металлы сквозь которые постоянно просачивается хрупкими.
    • Главная проблема гелия - стоимость. Что очень забавно смотрится в сочетании с предыдущим пассажем про экономичность.

Современные мягкие дирижабли (блимпы)

Ещё один вид современного дирижабля, который пользуется популярностью, потому что дешёвый, небольшой и не требует никаких вложений для производства. Мягкий дирижабль, или блимп — это максимально простая и компактная конструкция, в качестве подъёмного газа — горячий воздух, баллон надувается, сдувается и складывается, когда не нужен. Такие дирижабли используются в рекламе, на массовых мероприятиях, до недавнего времени в Москве были планы завести их в ГИБДД для контроля за пробками с воздуха. В России их выпускает фирма «Авгуръ», которая давно лелеет планы забабахать большой гибридный дирижабль, но пока мощностей хватает только на постройку блимпов.

Как летит дирижабль

По ощущениям дирижабль не похож ни на какой другой летательный аппарат — а похож на морское судно. Небольшой дирижабль — блимп — в полёте покачивает, как бы на волнах. Большой дирижабль движется очень плавно и тихо, как теплоход. Роднит дирижабли с морскими судами и характерная черта управления ими — задержанная реакция на движения органов управления. Капитан командует: «Стоп, машина», через несколько секунд дирижабль начинает медленно сбавлять скорость, и только после команды «Полный назад!» он начнет тормозить быстрее. Гибридный дирижабль в режиме «чуть тяжелее воздуха» реагирует на управление заметно бодрее и внимательнее, но всё равно не мгновенно.

Дирижабль, особенно гибридной конструкции, меняющий подъемную силу при помощи перекачивания части подъемного газа в баллоны высокого давления и назад в оболочку при помощи компрессора - самая что ни на есть летающая подводная лодка. Нет, ну правда. Она. Только в том смысле, что плавает она в воздушном океане.

Внутри гондолы большого дирижабля, если она тянется вдоль всего корпуса — простор, совершенно непривычный тому, кто летает на самолётах. Забудьте про кресла, как в автобусе: в дирижабле места хватит всем. Даже если это грузовой дирижабль, 90 % объёма которого отдано под контейнеры и ящики — всё равно у каждого члена экипажа будет своя каюта с койкой, шкафом, патефоном и портретом ждущей дома жены на стене. А если это пассажирский — тогда тем более, даже билет третьего класса будет подразумевать размещение в каюте. Всего лишь одна палуба того самого «Гинденбурга» была больше, чем все внутренности самолета Boeing 747 или Airbus A380 вместе взятые: Сравнение «Гинденбурга» с самыми большими самолетами в истории. Правда, следует учесть, что «Гинденбург» мог брать максимум 72 пассажира — впятеро и более меньше, чем современные авиалайнеры (хотя если бы размещали их не в каютах, а на рядах кресел, расклад был бы совсем иной). Хотя многие современные проекты гибридников больше, чем «Гинденбург».

Скорость дирижабля, конечно, ниже, чем у самолёта — примерно как у автомобиля на хорошей трассе. Поднявшись достаточно высоко, чтобы снизить сопротивление воздуха и влияние ветра, дирижабль может разогнаться и до более высокой скорости (но и грузоподъемность при этом будет ниже). Не ждите от дирижабля скорости «вжик, и ты на другом конце шарика», как от сверхзвуковых самолётов, но скорость «прилёг в каюте, полежал, отдохнул, никто не орёт, не бухает на соседнем кресле, не блюёт под носом, сходил в кино, поел в ресторане, почитал книжечку, заснул, а наутро уже там» — вполне реальна. То есть дирижабль, по сути, занимает экологическую нишу не самолёта, а поезда, причём ещё более просторного и комфортного.

• Также, гондолу дирижабля, особенно жесткой конструкции, нет ни малейшей преграды полностью встроить в баллон, предусмотрев иллюминаторы для красивого вида из окна. Тем самым сильно снижается аэродинамическое сопротивление, а места внутри баллона с учетом ферменных конструкций, поддерживающих обшивку, гондола занимает пренебрежимо мало.

Вымышленные дирижабли

Дирижабли очень популярны у авторов в стиле «стимпанк» или «дизельпанк». То, что для нашего мира они скорее экзотика, делают другой мир, где дирижабли — обычное дело, более интересным. Дирижабли добрались даже до жанра «фэнтези», где секретом их производства владеют гномы, гномики, гоблины или другая технически продвинутая раса.

Фэнтезийные дирижабли часто отличаются нелепым внешним видом, непропорционально маленькими баллонами и гондолами, очень похожими на обычные деревянные парусные корабли. В стим-/дизельпанке они могут быть чересчур тяжёлыми — скажем, бронированными, или несущими на себе целые эскадрильи самолетов и батареи тяжёлых орудий. В общем, типовая ошибка авторов — чрезвычайная переоценка грузоподъёмности дирижаблей. В мультфильмах вообще пары литров гелия хватит, чтобы улететь! В «Трёх Толстяках» использовали связку шариков — это удалось повторить в реальности, но связка была по сравнению с советским фильмом в несколько раз больше. Такой же опыт проводили после выхода на экраны мультфильма «Вверх». «Дирижаблевые формы жизни» в фантастике тоже обычно маловаты… Хотя теоретически дирижаблем можно поднять почти любой вес, размеры баллона для этого понадобятся о-о-очень большие! Хотя если дело происходит на планете с более плотной атмосферой… В общем, закон Архимеда автору в зубы и считать-считать!

С другой стороны, природа генерации подъёмной силы очередного дирижеблеобразного летательного аппарата может не иметь ничего общего с силой Архимеда. Возможно, что внутри баллонов (если такие вообще есть) находится какой-то газообразный флеботинум, который под действием магии или некоего шизотеха тянет «дирижабль» вверх. Способ выработки подъёмной силы у такого летательного аппарата не будет иметь ничего общего с архимедовой силой дирижаблей, а подобный им форм-фактор будет объясняться необходимостью хранить подъёмный флеботинум в баллонах. Особенно это касается всяческих летающих линкоров в духе Миядзаки — никакой силы Архимеда не хватит, чтобы поднять в воздух закованного в броню и оснащённого многочисленными орудийными башнями (вес которых на реальных линейных кораблях мог достигать 2500 тонн!) монстра.

• Хорошим примером «флеботинумовых дирижаблей» может похвастаться фэнтезийный Warhammer: Age of Sigmar, тамошние «технически развитые дварфы» добывают некое «эфирное золото», являющееся одновременно порохом для их оружия, газом для подъемных шаров (причем, судя по размеру шаров, с нехилым антигравитационным эффектом, чтобы поднять дварфа в полной броне и с тяжелой пушкой в руках, требуется шарик не сильно больше его самого по размерам) и топливом для технических устройств

Прочее

Небезызвестный Паук, будучи кандидатом в мэры Новосибиска, включил сабжи в свою предвыборную программу: дичайшие мосты через Обь надо, вощемта, снести, а вместо них организовать переправу на моднейших дирижаблях, например. Не взлетело.