> Дирижабли, страница 1 > О формах корпуса воздушного корабля при больших скоростях

О формах корпуса воздушного корабля при больших скоростях

С точки зрения навигации при дальних полетах, когда возникают различные трудности в борьбе с атмосферой, современный дирижабль обладает следующими тремя недостатками, которые необходимо исправить и этим увеличить степень безопасности путешествий:

1. Недостаточная скорость.
2. Изменения веса во время полета, которые, как показывает опыт, в значительной мере стесняют полет корабля, а в известных случаях могут привести к катастрофе.
3. Трудность маневров, требуемых для приземления.

Недостаточная скорость

Скорость современных кораблей (в этом отношении все мнения сходятся), примерно, совпадает со скоростью воздушных потоков, встречающихся при порывах ветра. В несчастном случае с „Шенандоа“ вопрос о скорости имел первостепенное значение. Действительно, именно ограниченная скорость этого дирижабля и побудила пилота дать кораблю наклон носом книзу в 18°, чтобы бороться против резкого восходящего ветра. Вследствие этого большого наклона моторы отказались работать, лишенные смазки при таком наклоне; в результате этого аэростат был вынесен за зону выполнения, а факт этот сразу же вызвал необходимость в очень рискованных маневрах.

При большей скорости наклон мог бы быть и меньшим, примерно, от 8° до 10° и моторы могли бы обеспечить возможность выбраться из зоны восходящих ветров на постоянной высоте.

Можно допустить, что в этом отношении следует стремиться к транспортной скорости в 150 км/час.

Изменения веса

Рассмотрение обстоятельств, связанных с происшествиями и несчастными случаями в области навигации, вызывавшимися изменениями веса, показывает, что этот вопрос заслуживает самого тщательного внимания.

Вначале управляемый аэростат создавался для полетов при прямом сопротивлении. Его удерживали в пределах нулевой сплавной силы, и руля было достаточно для удержания корабля на горизонтальном пути.

В настоящее время вопрос идет о длительных полетах на жестких дирижаблях, когда применяются огромные массы несущего газа; при этом опыт показал, что существенные изменения веса происходят во время полета более или менее неожиданно. Чтобы сохранить радиус действия дирижабля не представляется возможным бороться с этими изменениями веса при помощи газа и балласта; при этих методах маневрирования аэростат очень скоро окажется обессиленным.

Теперь, когда происходит нарушение равновесия корабля, руль глубины очень скоро оказывается недостаточным для сохранения горизонтального полета при облическом движении (положение, с которым ранее не считались).

Возникает новая проблема, и приходится считатся с реальной обстановкой: необходимо либо пытаться устранить насколько возможно причины изменения веса, либо согласиться с неизбежностью облического движения дирижабля, а этот принцип полета ставит новую проблему для корпуса корабля.

Вопрос весовых изменений во время полета уже привлекал к себе специалистов.

На „Шенандоа“ были установлены рекуператоры для воссоздания балласта из конденсированных водяных паров, содержащихся в отработанных газах.

На „Графе Цеппелине“ использование газообразного горючего (блаугаз) в значительной мере сокращало расход водорода во время пути; так, при пересечении Атлантического океана этот расход газа при жидком горючем, выражающийся в 40 000 кубических метрах, был здесь уменьшен до 8 000 кубических метров; в связи с этим к концу перелета зона выполнения была лишь около 600 метров вместо 3 500 — 4 000 метров, что облегчало борьбу с изменениями веса. В этих условиях статическая восстанавливающая пара уменьшается в меньших размерах, а этот факт ослабляет реакции при дифе-ренте в облическом движении в случаях весовых изменений в пути к концу перелета.

На этом дирижабле боролись с ночными и дневными изменениями веса путем металлизации оболочки, вентиляции слоя воздуха между газовыми баллонами и внешней оболочкой. Регистрирующие термометры отмечают в каждый данный момент температуры газа и внутреннего воздуха и позволяют учитывать разницу в этих температурах.

Все эти мероприятия показывают, какое значение придают специалисты вопросу изменения веса; ведь для одного градуса отклонения температуры, утяжеление или облегчение этого дирижабля в 105 000 кубических метров равно, примерно, 450 килограмм.

Все эти мероприятия уже улучшают условия полета корабля. Однако, при длительном полете остается рассмотреть еще ряд особых случаев, в частности механические утяжеления, вызываемые различными причинами: обледенение, песок во время песчаных бурь, саранча. Далее следует учесть, что система поддержания имеет ряд слабых мест: газовый баллон может оказаться разорванным в верхней части, и если речь идет об одном из конечных баллонов, то эта авария вызывает необходимость еще опорожнения одного из симметрично расположенных газовых баллонов.

В этих крайних случаях, как бы то ни было, приходится идти облическим движением, тогда как корпус корабля не был построен для этой цели.

Следовательно, вполне естественно пытаться усовершенствовать корпус корабля, с тем чтобы возможно больше увеличить степень безопасности и с этой целью допустить, что дирижабль с большие радиусом действия является летательным аппаратом переменного веса и что он должен обладать максимально развитой способностью поддержания в известных условиях при определенном диференте.

Следовательно, дирижабль должен сохранять высоту в самых серьезных случаях утяжеления в определенных условиях реакции при диференте.

Прежде всего следует рассмотреть эти реакции с точки зрения их качества; далее, если они благоприятны, следует попытаться получить их величину соответственно максимальной скорости корабля, то есть привести в известную систему формы, для получения хорошего равновесия.

В этом отношении мы имеем ценные указания в области других видов навигации, где реакции корпуса на маневр протекают вполне удовлетворительно.

Рассмотрим внимательно парусное судно.

Маневрирующий этим судном уравновешивает паруса так, чтобы иметь, примерно, руль по ветру на 5°, что означает, что при руле на нуле корабль стремится стать по ветру, то есть по направлению вредной силы (чертёж 77).

Когда ветер усиливается, одновременно возрастает и скорость; приходится сильнее поворачивать руль по ветру, чтобы держаться заданного направления пути. Стремление идти по ветру усиливается с увеличением скорости.

Горизонтальная плоскость

Перейдем теперь к хорошо уравновешенному самолету — аппарату тяжелее воздуха. Пилот удовлетворен, если аппарат, с мотором на полном режиме, стремится кабрировать при горизонтальном полете, то есть если он стремится встать по направлению вредной силы (силы тяжести). В обоих случаях руль одинаково ориентирован относительно вредной силы.

Следовательно, самолет также стремится подняться, кабрируя, если руль остается в бездействии, так же точно, как парусник стремится идти по ветру, если руль стоит на нуле.

Всякое увеличение скорости заставляет кабрировать аппарат, 3 всякое уменьшение хода приводит его к пикированию (чертёж 78).

Это стремление аппарата, независящее от среды, где он находится, точно определенное в зависимости от типа корабля или самолета, нужно рассматривать как характеристику хорошего уравновешивания корпуса. Чтобы лучше выявить преимущества этой тенденции в реакциях летательных аппаратов, достаточно указать на случай с одним гидросамолетом, когда на высоте 2 000 метров пилот был внезапно лишен возможности распоряжаться рулем глубины.

Вследствие очень хорошего качества реакции самолета он имел возможность при помощи одних моторов, не пользуясь рулем глубины, произвести надлежащую посадку на море. Никаких несчастных случаев с людьми не было.

Благодаря умению и хладнокровию пилота, аппарат все время был управляем, хорошо реагируя на ход мотора, и был в состоянии держать горизонтальную линию полета и, в случае необходимости, даже подниматься.

При обратной тенденции (самолет пикирует при руле глубины на нуле и кабрирование с увеличением тяги не имеет места) катастрофа при посадке на море была бы неизбежна, даже если допустить, что спуск мог бы быть правильно осуществлен, ибо пилот не имел бы в своем распоряжении средств выравнять аппарат в линию горизонтального полета.

Что касается дирижабля в полете, то, как только аэростат утяжеляется, он отклоняется носом кверху, а когда облегчается, то наклоняется носом книзу; это означает, что он сам по себе принимает в пространстве такой диферент, который позволяет бороться против утяжеления или облегчения. Следовательно, сама по себе эта реакция прекрасного качества. Сверх того, в случае утяжеления аэростат поднимается.

Допустим, что в этот момент руль высоты застопорен на нуле. Дирижабль сохраняет способность маневрировать, ибо достаточно уменьшить ход моторов, чтобы сохранить высоту постоянной.

Наоборот, предположим, что по причине своей формы аэростат, при утяжелении, наклоняется носом вниз и что руль застопорен на нуле. С наклоном носа вниз тяжелый аэростат спускается до уровня земли или моря. Приходится стопорить, а затем сбрасывать балласт, что уменьшает степень безопасности. В этом случае аэростат лишается способности маневрирования, так как он принужден остановиться. В этом случае он не имеет тех преимуществ, которые свойственны кораблю с поднятым, носом, могущему сохранять скорость поддержания при облическом движении.

Необходимо сохранить способность корабля давать силу динамического поддержания, но обеспечить возможность регулировать величину этой силы, так как она увеличивается со скоростью его. Поскольку эта сила динамического поддержания при диференте вызывает динамическую опрокидывающую пару rСωf=r. d, то достаточно лишь уменьшить плечо рычага d=ωС. Но эта длина является функцией формы и положения метацентрической кривой, а следовательно, положения главного центра девиации С₀ — точки возврата этой кривой (чертеж 79).

Следовательно, можно прийти к выводу, что все корпуса, которые будут отодвигать положение точки С₀ к задней части корабля, дадут ожидаемый результат и уменьшат величину этой реакции.

Чертёж 80.

Допустим, что для данного корабля, когда аэростат утяжеляется, первичный режим при подъеме будет поглощаться 10° поворота руля при скорости 100 км/час. При этом главный центр девиации находится в С₀ (чертёж 80).

Чтобы сохранить то же реагирование (носом кверху) для случая утяжеления, было бы необходимо, чтобы точка возврата метацентрической кривой находилась в С₀₁ для 110 км/час, далее в С₀₂ для 120 км и так далее, имея в виду в конечном результате хорошо уравновешенный аэростат на скорости 150 км/час.

Допустим, что площадь руля сохраняется постоянной. Чтобы отодвинуть точку С₀, достаточно увеличить оперение соответственно максимальной расчетной скорости, и в данном случае для скорости в 150 км/час мы приходим к оперению очень крупного размера, что представляет серьезные неудобства. Помимо вопроса об укреплении этого оперения на корпусе и крепости самой кормы, даже рассматривая вопрос лишь с динамической точки зрения, приходится отметить, что поступая таким образом, мы приближаемся к строгому оперению Ренара, являющемуся предельным.

Рассмотрим положение дирижабля, оперение которого было развито до этого предела — оперение Ренара. Ренар попытался разрешить следующую проблему: для данного дирижабля в состоянии нулевой сплавной силы (если тяга действует по оси симметрии) какова должна быть площадь оперения, для того чтобы он автоматически держался горизонтального пути на бесконечной скорости?

Пользуясь метацентрической кривой, весьма легко осуществить решение этой проблемы. Установим для рассматриваемого дирижабля такое оперение, чтобы точка возврата метацентрической кривой совпадала о центром объёма, и предположим, что эта точка О является центром инерции. Такой аэростат отвечает условиям поставленной проблемы (чертёж 81).

Действительно, вызовем вращательное движение, например, носом кверху; поскольку все воздушные реакции расположены за центром инерции, мы имеем положение CR силы сопротивления в данный момент, соответствующей результирующей OF силы тяги и центробежной силы. Пара FOCR стремится воспрепятствовать начатому движению вращения. Чем значительнее скорость, тем сильнее увеличивается центробежная сила, а равным образом и восстанавливающая пара. Такого рода аэростат может держаться пути даже при бесконечной скорости при известном условии, а именно: сплавная сила должна быть нулевой.

Действительно, приходится установить, что существует лишь одно положение равновесия, при котором направление сопротивления совпадает с направлением скорости, это тогда, когда скорость направлена по линии нулевого поддержания и притом независимо от ее величины.

Утяжелим аэростат на величину р в центре объёма корабля. Когда в этом случае равновесие установиться в прямолинейном и равномерном движении, то действующая динамическая пара уже не будет являться более опрокидывающей парой с наклоном носа кверху, а явится парой FOCR, которая вынудит аэростат взять наклон носом кнрзу соответственно приложенному утяжелению (чертёж 82).

Мы видели, что положение тяжелого корабля с наклоном носа книзу является плохой реакцией корпуса. Следовательно, как только имеют место такого рода весовые изменения, корабль с точки зрения маневрирования является непригодным. К тому же имеется и другое существенное неудобство, даже и в том случае, когда сохранена нулевая сплавная сила, а именно — неудобство навигации в бурной атмосфере.

Поскольку аэростат приспособлен к сохранению положения своей оси параллельно воздушному потоку, действию которого он подвергается, то как только наступит резкое изменение направления этого потока вследствие встречных порывов ветра, аэростат в этот момент будет стремиться встать параллельно потоку; иначе говоря, он будет очень чувствителен к движению воздуха. С другой стороны, так как вследствие сопротивления вращению руль действует очень слабо; то мы имеем дело с кораблем очень чувствительным к воздушным потокам и корабль перестает быть чувствительным к действию руля и статической восстанавливающей пары.

Следовательно, такое положение является недопустимым в современном воздухоплавании, когда приходится иметь дело со всякого рода возмущениями. Устанавливая более значительное оперение на аэростате, который мы стремимся так видоизменить, чтобы уменьшить его реакции при 150 км/час, мы, таким образом, получаем некое промежуточное положение метацентрической кривой М₂ (чертёж 83). Значение кривых следующее:

1. M₁—исходная метацентрическая кривая.
2. M₂—метацентрическая кривая, дающая такое положение точке С₀₂, когда максимальная реакция при диференте вследствие изменения веса на скорости в 150 км/час будет легко поглощаться поворотом руля, например, на подъем или на спуск.
3. М₃—метацентрическая кривая аэростата со строгим оперением Ренара.

Поскольку сопротивление облическому движению возрастает, эти кривые становятся все более выгнутыми. Положение точки С₀₂ соответствует максимальной скорости в 150 км/ч. Проведем касательную ηЕ к метацентрической кривой, перпендикулярную оси; в η мы имеем точку безразличия диферента остановленного аэростата, то есть, такую точку, что если в ней приложить груз р, то остановленный аэростат будет спускаться при нулевом диференте по направлению, даваемому касательной к кривой девиации. Мы видим, что.силы сопротивления при утяжелении могут быть расположены либо спереди от точки О ¹ в С₁R₁, либо сзади от этой точки, например, в C₂R₂, причем положение силы CR зависит от относительной величины силы тяги и изменения веса.

Для всех направлений сопротивлений воздуха, подобных С₂R₂, аэростат оказывается тяжелым с наклоном носа книзу, и мы видим, что факт использования все более значительного оперения для уменьшения реакции диферента представляет неудобство, так как сопротивление (от оперения) при облическом движении расположено исключительно в крайней кормовой части для круглых форм корпуса.

К тому же выигрыш в силе поддержания сравнительно невелик, и единственным результатом этого расположения является получение определенной величины реакции диферента для ограниченного числа случаев, когда сопротивление воздуха проходит спереди от О.

Остается лишь одно приемлемое решение вопроса — существенное видоизменение форм при следующих условиях:

1. Реакцию при диференте, возникающую вследствие нарушения равновесия сил тяжести, отрегулировать таким образом, чтобы она никогда не превосходила величины, например, в 6° при максимальной скорости (руль на нуле).

Чертёж 84.

2. Обеспечить максимально возможную силу поддержания для аэростата данного объёма и тоннажа.

3. Воздействовать на формы так, чтобы точка безразличия в диференте (когда аэростат остановлен) была бы возможно ближе к центру объёма.

Рассмотрим аэростат с тем нормальным оперением, которое он имеет в настоящее время, и пусть С₀ будет главным центром девиации (чертёж 84).

Чтобы допустить скорость 150 км/час без чрезмерной реакции при диференте, необходимо увеличить оперение, и тогда мы получим метацентрическую кривую, главный центр девиации которой находится в С₀₁, а точка безразличия в диференте при остановленном аэростате в D. Необходимо получить ту же точку С₀₁, упраздняя оперение, и переместить точку D в D₁ — ближе к центру объёма, сделав более крутой метацентрическую кривую.

Поскольку современные формы передней части корабля не благоприятствуют облическому движению, их следовало бы делать более тонкими, путем применения эллиптических шпангоутов с большой вертикальной осью.

Для замены сопротивления, вызываемого оперением при облическом движении и вращении следовало бы утоньшить формы кормовой части корабля при помощи эллиптических шпангоутов с большой горизонтальной осью. Наконец, для увеличения силы поддержания и приближения точки D к центру объёма (в D₁) шпангоуты центральной части корабля равным образом должны были бы быть эллиптическими с большой горизонтальной осью (чертёж 85).

Это дает нам схематически изображаемую ниже форму, которая приближается к форме современной подводной лодки, обладающей большой скоростью при пикировании и очень развитыми качествами поддержания.

Беря эту форму, мы достигаем желаемого результата в сантиметрахысле обли-ческого движения в вертикальной плоскости, но сохранение горизонтального пути затруднено, так как мы увеличили площадь вертикального сечения в передней части корабля и уменьшили ее (сделали более тонкой) в кормовой части.

В этом смысле можно задаться целью перенести точку возврата горизонтальной метацентрической кривой в переднюю часть аэростата так, чтобы он хорошо держался в потоке ветра, будучи причаленным к мачте. Этот результат может быть достигнут путем присоединения киля, который одновременно будет служить и продольной связью, причем передняя часть может быть расширена для устройства в ней различных служебных помещений.

Мы хорошо понимаем, что такого рода проект вызывает у конструктора ряд сомнений, тем более что вес корпуса должен быть сведен к минимуму для обеспечения большего радиуса действия и возможности перевозки значительного полезного груза. Однако, принимая во внимание то, что мы наблюдаем в течение 15 лет, все же позволительно поставить эти вопросы во весь их рост, так как нужно рассчитывать на дальнейшие достижения техники.

Эти видоизменения будут осуществляться мало по-малу под давлением аварий и других происшествий в полетной практике, и форма корпуса подвергнется последовательным изменениям, начиная с кормовой части, путем упразднения оперения совершенно также, как это было в области подводного плавания. Первые подводные лодки имели форму вполне сходную с современным аэростатом, обладающим очень большим оперением.

Полезное действие такого рода корпуса должно быть выяснено экспериментально в трубе на различных моделях; сравнение полученных результатов, как в сантиметрахысле прямого сопротивления, так и сопротивления при облическом движении, даст ценные указания о том, чего можно ожидать от этих новых форм. Метацентрические кривые и кривые девиации этих различных типов смогут быть получены в этих же условиях.

С этой точки зрения особый интерес представляет применение геометрического метода исследования, который позволит определить реакции при диференте и изучить положения равновесия в пространстве различных аэростатов от 50 000 до 100 000 кубических метров с одинаковыми характеристическими кривыми и тем же коэфициентом трения, что и у модели.

График, изображающий относительное изменение углов диферента и углов атаки для различных весовых изменений позволил бы установить максимальный вес, который может нести корабль при данной тяге моторов. Применение геометрического метода представлялось бы особенно ценным для случая характеристических кривых, полученных экспериментальным путем у причальной мачты с самим аэростатом.

Все эти мероприятия очевидно не могли бы быть применены к современной полетной практике, так как здесь не учитываются воздушные струи от винтов.

Приходится все же допустить, что применение геометрического метода исследования, о котором мы упоминали, представляет собой известный интерес с точки зрения предвидения и с успехом может явиться дополнением к опытам в аэродинамической трубе.

Во всех этих подлежащих проведению опытах имеется очень существенный момент, на который мы должны обратить особое внимание.

В области динамки величина угла атаки берется за основу всякого исследования. Поскольку величина этого угла зависит от направления линии нулевого поддержания, она никогда не определяется точно, так как всегда будет затруднительно и почти невозможно установить точно направление линии нулевого поддержания в отношении которой легко допустить ошибку в несколько градусов.

Можно использовать другой угол, который всегда возможно получить с достаточной точностью и изменение которого является функцией изменения угла атаки. Рассмотрим характеристические кривые какого-нибудь корпуса М и М′ (чертёж 86).

На линии нулевого поддержания C₀D направление сопротивления совпадает с направлением скорости; это явление повторяется и на направлении С₀′D.

Когда изменяют угол атаки, угол FCV. Между направлением сопротивления и направлением скорости имеет определенную величину.

Следовательно, этот угол, изменяясь от нуля до нуля, в определенный момент проходит через некий максимум. Положение центра девиации, соответствующее этому положению, представляет собой большой интерес. При причаливании на тросе максимум этого угла соответствует такому положению точки привязи, которое для определенной длины троса дает самое большое удаление от берега. Это и будет наилучшей полезной работой корпуса. В вертикальной плоскости для причаленного аэростата максимум этого угла соответствует самой большой высоте, которая может быть достигнута при данной длине кабеля.

Для самолета, вероятно, он соответствует величине угла атаки, дающей наибольшую полезную отдачу или наибольшее качество самолета при планирующем полете, а для дирижабля этот угол атаки, вероятно соответствует наибольшей силе поддержания в горизонтальном полете. В этом отношении вопрос подлежит выяснению опытным путем.

Во всяком случае можно утверждать, что для самолета и аэростата максимальная величина этого угла является очень важной данной. Это—единственный угол, который может быть определен точно. Мы позволим себе привлечь к этому вопросу внимание тех, кто имеет в своем распоряжении средства для производства динамических опытов в этой области.