Гибридный дирижабль - Hybrid airship

В HAV 304 династат, видно лук

А гибридный дирижабль это самолет с двигателем который получает часть своей подъемной силы как легче воздуха (LTA) дирижабль и некоторые из аэродинамический подъемник как аэродин тяжелее воздуха.

А династат гибридный дирижабль с фиксированные крылья и / или подъемное тело и обычно предназначен для длительных полетов. Для создания компонента аэродинамической подъемной силы требуется полет вперед.

А ротастат гибридный дирижабль с поворотные крылья и обычно предназначен для работы с тяжелыми грузами. Его поворотные крылья могут обеспечивать подъемную силу даже при вертикальном парении или маневрировании, как у вертолет.

Серийных образцов построено не было, но летали несколько пилотируемых и беспилотных прототипов.

Термин «гибридный дирижабль» также использовался для описания дирижабля, состоящего из смеси жесткий, полужесткие, и нежесткий строительство.

Функции

Обычные дирижабли имеют низкие эксплуатационные расходы, потому что им не нужна мощность двигателя, чтобы оставаться в воздухе, но они ограничены несколькими способами, включая низкое соотношение полезной нагрузки / объема и низкие скорости. Кроме того, наземное обслуживание дирижабля может быть затруднено. Поскольку он плывет, даже при легком ветру он подвержен ударам ветра.

С другой стороны, самолеты тяжелее воздуха или аэродины, особенно винтокрылый аппарат, требуют постоянного использования мощности для создания подъемной силы, а обычные самолеты также требуют взлетно-посадочные полосы.

Гибридный дирижабль сочетает в себе аэростатическую подъемную силу дирижабля от газа легче воздуха, такого как гелий, с динамической подъемной силой летательного аппарата тяжелее воздуха от движения по воздуху. Такой гибридный летательный аппарат все же тяжелее воздуха, что делает его в некотором роде похожим на обычный самолет. Динамическую подъемную силу могут обеспечить поворотные крылья вертолетного типа ( ротастат) или подъемной формы, подобной подъемному телу в сочетании с горизонтальной тягой ( династат) или их комбинацию.[1][2]

Гибридные дирижабли призваны заполнить золотую середину между низкими эксплуатационными расходами и низкими скоростями традиционных дирижаблей и более высокой скоростью, но более высоким расходом топлива у летательных аппаратов тяжелее воздуха. Сочетая в себе динамическую и плавучую подъемную силу, гибриды предназначены для обеспечения улучшенной воздушной скорости, грузоподъемности и (в некоторых типах) возможности зависания по сравнению с чистым дирижаблем, имея при этом большую выносливость и большую грузоподъемность по сравнению с чистым аэродином.

Утверждается, что технология гибридных самолетов позволяет оптимизировать летные характеристики в более широком диапазоне - от значительно более тяжелых, чем воздух, до почти плавучих. Утверждается, что такое восприятие необычной динамической дальности полета в сочетании с соответствующей системой посадки позволяет перевозить сверхтяжелые и доступные по цене воздушные перевозки.[нужна цитата ]

Дизайн

По сравнению с обычным дирижаблем, гибрид может быть меньше по размеру и не требует балласта для контроля высоты, в то время как по сравнению с летательным аппаратом тяжелее воздуха гибрид требует либо меньшего размера винта, либо более короткой взлетно-посадочной полосы.[2]

Там, где династат рассматривается как более перспективный для перевозки пассажиров и грузов на большие расстояния, предполагается, что ротастат будет более подходящим в качестве "летающий кран «способен поднимать тяжелые внешние грузы на короткие расстояния.[2]

Некоторые дирижабли используют вектор тяги, обычно с помощью поворота канальный вентилятор движители, чтобы обеспечить дополнительную подъемную силу, когда тяга двигателя больше не требуется для движения вперед. Как только воздушная скорость будет набрана, корабль может использовать подъемник для перевозки груза, превышающего только его аэростатическую грузоподъемность.[нужна цитата ] Однако обычно такие дирижабли не считаются гибридами.

Династаты

Династат получает дополнительную подъемную силу, летая по воздуху. Изученные конфигурации включали использование дельтовидных (треугольных), линзовидных (круглых) или плоских корпусов или добавление неподвижного крыла.

Некоторые ранние дирижабли были оснащены самолетами с крыльями с целью обеспечения дополнительной динамической подъемной силы.[нужна цитата ] Однако дополнительная подъемная сила самолетов может быть менее эффективной, чем простое увеличение объема дирижабля. При низких скоростях полета, 60 миль в час (97 км / ч) или менее, увеличение подъемной силы, получаемое за счет использования самолетов на дирижабле, потребует непропорционального увеличения мощности двигателя и расхода топлива по сравнению с увеличением размера газовых баллонов. .[3] Более того, прикрепление летающих поверхностей к оболочке дирижабля потребовало бы значительного усиления конструкции с сопутствующим увеличением веса.[2]

Обычные дирижабли часто используют аэродинамическую подъемную силу, используя свои лифты установить нос вверх так, чтобы основная часть дирижабля обеспечивала некоторую подъемную силу во время полета; тем не менее, это обычно делается для противодействия незначительным условиям отклонения от дифферента, и весьма вероятно, что для уменьшения подъемной силы потребуется направить носовую часть вниз.

Некоторые гибридные конструкции, такие как Локхид Мартин LMZ1M используйте плоский или многолепестковый корпус для увеличения достижимой аэродинамической подъемной силы. Аэродинамический подход аналогичен подходу подъемное тело самолет, хотя его воздушная скорость намного ниже. Достижимые отношения динамической подъемной силы к лобовому сопротивлению значительно ниже, чем у эффективных неподвижных крыльев, отчасти потому, что индуцированное сопротивление увеличивается с уменьшением формата изображения.[4] В результате подъемная сила имеет более высокое сопротивление лобовому сопротивлению, чем при использовании крыльев. С другой стороны, по сравнению с вертолетом, династат имеет лучшую топливную экономичность в заданном диапазоне скоростей.[2]

Другая проблема возникает во время взлета и посадки, когда в более спокойных условиях воздушная скорость может быть слишком низкой для обеспечения достаточной аэродинамической подъемной силы.[5] По этой причине династат часто рассматривается как STOL скорее, чем СВВП самолет, которому требуется более короткая взлетно-посадочная полоса, чем у обычного самолета.[2]

Ротастатс

Ротастат получает дополнительную подъемную силу от несущих винтов, аналогично вертолету. Все конструкции с одним, двумя и четырьмя роторами были изучены.

Ранние образцы в межвоенный период включали проекты Oehmichen и Зодиак. Они использовали роторы только для вертикального управления, с дополнительными гребными винтами для прямого полета, как в автожир.[2]

В последнее время экспериментальные Пясецкий PA-97 «Хелистат» прикрепил к гелиевому дирижаблю четыре планера вертолета, а SkyHook JHL-40 остается проектом. Как правило, аэростатической подъемной силы достаточно, чтобы выдержать вес самого летательного аппарата, в то время как, когда груз переносится, роторы обеспечивают дополнительную подъемную силу по мере необходимости.

Скольжение под действием силы тяжести

Если дирижабль не имеет достаточной подъемной силы, он утонет под действием силы тяжести. Если наклонить нос вниз, это может привести к плавному полету вперед, как при обычном планер. Если дирижабль имеет избыточную подъемную силу, он поднимется. Если наклонить нос вверх, это также может привести к движению вперед. Таким образом, дирижабль, который периодически меняет свою плавучесть между положительной и отрицательной, при этом соответствующим образом регулируя свое положение, может получить почти непрерывную аэродинамическую тягу вперед. Таким образом, полет происходит по неторопливой вертикальной зигзагообразной схеме. Поскольку энергия не расходуется непосредственно на создание тяги, этот принцип позволяет совершать длительные полеты, хотя и на малых скоростях. Предлагаемый Hunt GravityPlane - это гибридный дирижабль, предназначенный для полного использования возможностей гравитационного планирования.[6]

Принцип также работает под водой, где он используется в оперативном режиме в подводный планер.

Исторически этот принцип воздушной навигации под названием Wellenflug (волнообразный полет) был впервые сформулирован и экспериментально испытан в 1899 году Константином Данилевским в Харьков, Украина, и подробно описана в его книге[7]

История

Ранние гибриды

Планирование под действием силы тяжести относится к периоду во время и вскоре после американская гражданская война, когда Соломон Эндрюс построил два таких дирижабля. Первый из них, Aereonиспользовал три отдельных воздушных шара в форме сигар, скрепленных вместе на плоской плоскости; второй, Aereon # 2, использовал единственный воздушный шар «лимонной формы».[8] Аэроны Эндрюса приводились в движение, наклоняя воздушные шары вверх и сбрасывая балласт, затем процесс был обратным: воздушные шары наклонялись вниз и выпускались большие количества подъемного газа.[9]

В 1905 г. Альберто Сантос-Дюмон проводил различные эксперименты со своим первым самолетом, Сантос-Дюмон 14-бис, перед первой попыткой управлять им. Они включали подвешивание его на стальном тросе и буксировку, а затем подвешивание под оболочкой ранее построенного дирижабля (Число 14 ) - сродни обучению плаванию с "водяные крылья Комбинированный аппарат оказался непригодным для использования, и его разобрали, называя «чудовищным гибридом».[10] После того, как эти «репетиции» были завершены, Сантос-Дюмон провел первую публичную демонстрацию самолета тяжелее воздуха в Европе.

В 1907 г. Дирижабль британской армии № 1 (назван Нулли Секундус) первый полетел. Он использовал аэродинамические поверхности для ориентации в полете, и для своего первого полета был также оснащен большими крыльями в миделе. Крылья были предназначены для обеспечения устойчивости, а не для подъемной силы, и их снимали для всех последующих полетов.[11][12] Использование динамической подъемной силы путем поднятия или опускания носа дирижабля также было признано и практиковалось на этом дирижабле.[13]

В июне 1907 года Альберто Сантос Дюмон построил свой № 16, описанный л'Аэрофил как одежда микст. Это было 99 м3 (3500 куб футов), но был слишком тяжелым для полета без дополнительной подъемной силы, обеспечиваемой крылом длиной 4 м (13 футов). 8 июня 1907 года он прошел безуспешные испытания.[14]

Современные гибриды

В Aereon 26 самолет, совершивший свой первый полет в 1971 году. Это был небольшой прототип гибридного дирижабля. Aereon Dynairship и часть проекта «ТИГР». Но он так и не был построен из-за отсутствия рынка для гибридного дирижабля.[15]

В 1984 г. Аэролифт ЦиклоКран хелистат ненадолго пролетел.[нужна цитата ]

1986 год Piasecki PA-97 Helistat Опытный образец объединил четыре вертолета с дирижаблем в попытке создать тяжеловесную машину для лесных работ. Он распался в конце первого полета.

В SkyCat или автомобильная технология "Sky Catamaran" представляет собой объединение гибридных самолетов; версия масштаба на 12 метров называется "SkyKitten ", построенный Advanced Technologies Group Ltd, полетел в 2000 году. Агентство перспективных оборонных исследовательских проектов (DARPA) инициировал Гибридный сверхбольшой самолет Walrus Программа 2005 г. - инициатива по развитию технологий, направленная на исследования технологий сверхтяжелых эрлифт. Программа была прекращена в 2007 году.[нужна цитата ]

В 2006 г. Локхид Мартин P-791 прошел пилотируемые летные испытания. Это был неудачный кандидат на участие в военной программе многоразведочных машин Long Endurance, хотя это был единственный успешный гибридный дирижабль, летавший до 7 августа 2016 года.[нужна цитата ]

В 2008 году Boeing объявила о сотрудничестве со SkyHook для разработки тяжелой грузоподъемной машины - SkyHook JHL-40 Впоследствии Boeing отложил этот проект.[16]

В Гибридные летательные аппараты HAV 304 был построен для армии США Многофункциональный автомобиль Long Endurance (LEMV) программа. В августе 2012 года он успешно пролетел 90 минут.[17][18][19] После отмены проекта LEMV компания Hybrid Air Vehicles выкупила автомобиль HAV 304 и вернула его в Великобританию. Он был отремонтирован и переименован в Эйрландер 10. 17 августа 2016 года Airlander 10 совершил свой первый успешный испытательный полет за пределами ангаров Кардингтона в Королевских ВВС Кардингтона. Главный летчик-испытатель Дэйв Бернс сказал в своем заявлении: «Это была привилегия впервые управлять авиалайнером, и он прекрасно летал. Я очень рад тому, что он поднялся в воздух. Он полетел как мечта». [20] Для полной сертификации необходимо еще более 200 летных часов.

Другие текущие проекты

Канадский стартап, Солнечный Корабль Inc, разрабатывает гибридные дирижабли на солнечных батареях, которые могут работать только на солнечной энергии. Идея состоит в том, чтобы создать жизнеспособную платформу, которая может путешествовать в любую точку мира, доставляя холодные медицинские принадлежности и другие предметы первой необходимости в места в Африке и Северной Канаде, не нуждаясь в каком-либо топливе или инфраструктуре. Есть надежда, что технологических разработок в области солнечных батарей и большой площади поверхности, обеспечиваемой гибридным дирижаблем, будет достаточно для создания практического самолета с солнечной батареей. Некоторые ключевые особенности Solarship заключаются в том, что он может летать только на аэродинамическом подъемнике без подъемного газа.[неудачная проверка ] а солнечные элементы вместе с большим объемом оболочки позволяют переконфигурировать гибридный дирижабль в передвижное убежище, которое может заряжать батареи и другое оборудование.[21]

Охота GravityPlane (не путать с наземным самолет силы тяжести ) - планер с гравитационным двигателем, предложенный компанией Hunt Aviation в США.[22] У него также есть крылья с аэродинамическим профилем, улучшающие его аэродинамическое сопротивление и повышающие его эффективность. GravityPlane требует большого размера, чтобы получить достаточно большое отношение объема к весу, чтобы поддерживать эту конструкцию крыла, и ни один пример еще не построен.[6] В отличие от моторизованный планер, GravityPlane не потребляет энергию на этапе набора высоты. Однако он потребляет энергию в тех точках, где его плавучесть меняет положительные и отрицательные значения. Хант утверждает, что это, тем не менее, может повысить энергоэффективность корабля, как и повышение энергоэффективности подводные планеры по сравнению с обычными методами движения.[6] Хант предполагает, что низкое энергопотребление должно позволить кораблю собирать достаточно энергии, чтобы оставаться в воздухе неопределенное время. Традиционный подход к этому требованию - использование солнечные панели в самолет на солнечных батареях. Хант предложил два альтернативных подхода. Один из них - использовать ветряную турбину и собирать энергию из воздушного потока, создаваемого планирующим движением, другой - это тепловой цикл для извлечения энергии из разницы температур воздуха на разных высотах.[6]

Список гибридных дирижаблей

ТипСтранаУчебный классДатаРольПоложение делПримечания
Аэролифт ЦиклоКранСоединенные Штаты АмерикиРотастат1984Летающий кранПрототип
Эндрюс AereonСоединенные Штаты АмерикиГравитационный планерЭкспериментальныйПрототипДвижение за счет попеременного сброса балласта и сброса газа.
Эндрюс Aereon 2Соединенные Штаты АмерикиГравитационный планерЭкспериментальныйПрототипДвижение за счет попеременного сброса балласта и сброса газа.
ПТГ SkyKittenобъединенное КоролевствоДинастат2000ЭкспериментальныйПрототипМасштабный демонстратор предлагаемого SkyCat.[23]
Охота GravityPlaneСоединенные Штаты АмерикиГравитационный планерПроектПредлагаются различные средства контроля балласта и сбора энергии.
Гибридные летательные аппараты HAV-3объединенное КоролевствоДинастат2008ЭкспериментальныйПрототипДемонстратор технологий.
Гибридные летательные аппараты HAV 304 / Airlander 10объединенное КоролевствоДинастат2012МультиролевойПрототипСоздан в сочетании с Northrop Grumman как HAV 304 для программы LEMV армии США. Перестроен как Airlander 10.
Локхид Мартин P-791Соединенные Штаты АмерикиДинастат2006ЭкспериментальныйПрототипПриведен к предложенным LMZ1M и LMH1.
Nimbus EosXiИталияДинастат2006БПЛАГибрид с треугольным крылом.
Пясецкий PA-97 HelistatСоединенные Штаты АмерикиРотастат1986Летающий кранПрототип
SkyHook JHL-40Соединенные Штаты АмерикиРотастатЛетающий кранПроектСовместный проект с Боинг.
Термоплан ALA-40РоссияДинастат1992ЭкспериментальныйПрототипЧечевицеобразный масштабный демонстратор предлагаемого АЛА-600.
Морж HULAСоединенные Штаты АмерикиДинастат2010ТранспортПроектПроект DARPA отменен в 2010 году.

Смотрите также

  • Kytoon - гибрид привязного воздушного змея / воздушного шара

Рекомендации

Примечания

  1. ^ Толип (18 февраля 2008 г.), Проект гибридного дирижабля П-791, military-heat.com
  2. ^ а б c d е ж грамм Хути (2012).
  3. ^ Берджесс, Чарльз П. (1927), "Глава XI: Общие заблуждения дирижаблей", Дизайн Дирижабля (pdf), Библиотека аэронавтики Рональда, Рональд Пресс, стр. 289–290, На каждые 1000 фунтов. подъемник, переносимый самолетами, приблизительно 60 фунтов. сопротивление должно преодолеваться за счет тяги гребных винтов. С другой стороны, 5 000 000 куб. Футов. дирижабль, летящий со скоростью 60 миль в час, испытывает только около 20 фунтов. сопротивление на 1000 фунтов подъемной силы, а относительное сопротивление уменьшается с увеличением размера и уменьшением скорости. Поэтому очевидно, что увеличение подъемной силы, достигаемое за счет использования самолетов на дирижабле, потребует непропорционального увеличения мощности двигателя и расхода топлива.
  4. ^ Кричнер и Николай; "Гибриды - Мессия дирижабля?" Локхид.
  5. ^ Берджесс, Чарльз П. (1927), "Глава XI: Общие заблуждения дирижаблей", Дизайн Дирижабля (pdf), Библиотека аэронавтики Рональда, Рональд Пресс, стр. 289–290, по-прежнему останутся очевидные непреодолимые проблемы запуска и посадки комбинированных судов.
  6. ^ а б c d Охота (2005)
  7. ^ (2019) AirBike… 1897 г., стр. 44. Под ред. А. Б. Акимова и В. Дж. Велкера. Sapphire Publications, США, 342 с. ISBN  978-1-62374-015-3 (Цифровое издание) Бесплатная копия для скачивания. Работа доктора Константина Далилевского по решению проблемы полета человека в конце 1800-х годов впервые представлена ​​на английском языке. Включая репродукции оригинального русского и немецкого изданий 1900 года.
  8. ^ Соломон Эндрюс, Искусство полета, 1865
  9. ^ Пейн, Ли, Легче воздуха: иллюстрированная история дирижабля, п. 39
  10. ^ Нэнси Уинтерс, Человек летит - История Альберто Сантос-Дюмона, п. 100
  11. ^ Reese, P .; Летающий ковбой: Сэмюэл Коди, первый британский летчик, History Press, Reprint 2008, 978-0752436593 page 87.
  12. ^ Walker, P .; «Ранняя авиация в Фарнборо, Том I: воздушные шары, воздушные змеи и дирижабли», Макдональд (1971), стр. 198.
  13. ^ Walker, P .; «Ранняя авиация в Фарнборо, Том I: воздушные шары, воздушные змеи и дирижабли», Макдональд (1971), стр. 170.
  14. ^ "Le Nouvel Engin de Santos-Dumont". л'Аэрофил (на французском языке): 161. июнь 1907 г.
  15. ^ Aereon26 В архиве 17 апреля 2011 г. Wayback Machine
  16. ^ Гибридные дирижабли, Ассоциация дирижаблей, 2012 г.
  17. ^ https://www.army.mil/article/85175/First_flight_test_successful_for_Army_s_Long_Endurance_Multi_Intelligence_Vehicle_air_vehicle
  18. ^ http://www.homelandsecuritynewswire.com/dr20120814-world-s-largest-blimp-passes-flight-test
  19. ^ https://www.aopa.org/news-and-media/all-news/2012/august/15/army-airship-makes-maiden-flight-in-lakehurst
  20. ^ http://www.foxnews.com/science/2016/08/18/huge-helium-filled-airlander-10-airship-makes-maiden-flight.html
  21. ^ Гамильтон, Тайлер (14 октября 2011 г.), «Гамильтон: стартап в Торонто проектирует гибридные самолеты на солнечной энергии», thestar.com
  22. ^ Decker, J .; «Особенность окружающей среды: действительно ли альтернативные виды топлива чище?» Flightglobal [1] (проверено 10 июня 2014 г.)
  23. ^ "Skykitten"

Библиография

  • Хуты, Г .; Технология дирижаблей, 2-е издание, CUP (2012), Глава 19.
  • Хант, Роберт Д.; "Полет на основе атмосферного энергетического цикла", Пятая конференция AIAA по авиационным технологиям, интеграции и эксплуатации (ATIO) 26–28 сентября 2005 г., Американский институт аэронавтики и астронавтики (2005 г.) [2]. Бесплатная копия для скачивания

внешняя ссылка