В продолжении идеи цельнометалического дирижабля Циолковского.

Знаете зачем вообще говорить о дирижаблях? Потому, что масса, которую может перевозить даже один такой аппарат практически не ограничена, а вот для самолетов и других летательных аппаратов тяжелее воздуха - есть предел. Ведь с увеличением линейных размеров летательных аппаратов легче воздуха в n раз, архимедова подъемная сила увеличивается пропорционально объему, то есть в кубе (n³⁾, а подъемная сила самолетов увеличивается пропорционально площади крыла, то есть в квадрате (n²⁾. Масса же что тех, что других аппаратов увеличивается с увеличением линейных размеров приблизительно в кубе. То есть отношение масса-сила подъема для аппаратов тяжелее воздуха относиться как куб-квадрат, в то время для аппаратов легче воздуха, как куб-куб.

Стало быть, самолеты имеют ограничение по линейным размерам и значит и по грузоподъемности, а дирижабли таких ограничений не имеют!

Я уже писал о вакуумных дирижаблях, которые могут работать без использования постоянного расхода рабочего тела (водорода, гелия, азота), а только лишь  на подводе энергии.

Коллективно, читатели моих статей пришли к выводу, что такой дирижабль пока невозможен. К сожалению сейчас и близко нет материалов такой прочности, которые позволят построить такое техническое чудо.

Может есть другие варианты?

По сравнению с другими ЛА дирижабли имеют несколько серьёзных преимуществ:      

        - В принципе достижимы более высокая надёжность и безопасность, чем у самолетов и вертолетов. 

        - Практически неограниченные грузоподъёмность и дальность беспосадочных перелётов.

        - Долгое время нахождения в воздухе (недели).

        - Размеры внутренних помещений и комфорт для пассажиров могут быть очень велики.

         - В отличии от самолётов, дирижаблю не требуются взлётно-посадочные полосы.

Ресторан на «Гинденбурге»

Конечно, наряду с достоинствами дирижабли имеют и некоторые недостатки:

        - Огромные размеры, стало быть очень большие размеры требуемых ангаров (эллингов), сложность хранения и обслуживания на земле.

        - Сложность приземления из-за низкой манёвренности.

        - Относительно малая скорость по сравнению с самолётами и вертолётами (как правило до 160 км/ч) и низкая маневренность — в первую очередь из-за малой эффективности аэродинамических рулей в канале курса при малой скорости полёта и из-за малой продольной жёсткости оболочки.

        - Большая парусность и зависимость от погодных условий (особенно при сильном ветре).

        - Низкая надёжность и долговечность оболочки.

        - Дороговизна использования гелия, как наполнителя или опасность водорода.

Также рассматривался как наполнитель азот, но его подъемная сила невелика.

Некоторые проблемы, такие как:

1) Низкая надёжность и долговечность оболочки.

2) Дороговизна использования гелия, как наполнителя или опасность водорода.

были решены в конструкции цельнометалического дирижабля Циолковского:

Циолковский предлагал построить огромный даже по сегодняшним меркам — объёмом до 500 000  м³ — дирижабль жесткой конструкции с металлической обшивкой (для сравнения, самые крупные жесткие дирижабли «Гинденбург» и «Граф Цеппелин II» имели объем всего лишь 200 000 кубометров).

В первую очередь изобретатель ставил целью избавиться от опасности взрыва. Проектный дирижабль наполнялся, подобно монгольфьеру, просто горячим воздухом, причем отдельной системы нагрева не существовало: забираемый снаружи воздух грелся посредством контакта с отработавшими газами мотором дирижабля.

Воздух нагревался проходя по змеевикам, нагреваемым выхлопными газами. Оболочка наполнялась горячим воздухом, температура которого регулировалась для изменения высоты подъёма дирижабля.

Естественно, нужно было обеспечить прочность конструкции — этому служила гофрированная поверхность металлической оболочки дирижабля. Более того, гофры не только повышали прочность, но также работали «линиями сгибов»: особая система стягивающих вант позволяла изменять объем внутреннего пространства дирижабля для обеспечения постоянства подъемной силы, не зависящей ни от атмосферного давления, ни от температуры окружающей среды, ни от других факторов.

Подобные изменения, в том числе удлинение и укорачивание дирижабля, могли проводиться прямо в полете.

Так затрачивая ничтожное количество энергии на изменение подъемной силы, можно было бы менять высоту полета дирижабля над землей и выбирать воздушные течения, исходя из их карты на разных высотах, которые помогали бы отнести этот аппарат в нужное место в нужное время уменьшая тем самым расход топлива. Опускать такой аппарат на землю нужно только для выгрузки груза, заправки топливом и регламентных работ.

Да, это был самый перспективный проект дирижабля того времени, но слишком футуристичный для него!

Да, чтобы вы не думали, что цельнометалические дирижабли  - это фантастика и огромные куски железа не могут летать по воздуху, можно обратиться к истории дирижаблей и увидеть, что несмотря на то, что жестких дирижаблей с металлической (а точнее, алюминиевой) внешней оболочкой во всем мире было построено всего несколько штук  и ни один не стал «рабочей лошадкой», выйти за рамки испытаний все же сумел единственный летавший дирижабль такого типа — ZMC-2.

Оболочка дирижабля представляла из себя фольгу сплава "альклэд" толщиной 0,24 мм, обтягивающую жесткие металлические шпангоуты.
Объем 5.660 куб.м, длина 44,8 м, диаметр 15,8 м. Наполнен гелием.
Внутри него:

Фото из технологического альбома "USA Metalclad Airship". - USA, 1929 год.

Да, единственный дирижабль с металлической обшивкой, который поднимался в воздух, — это американский ZMC-2. Но он летал и это факт!

Zeppelin Metal Clad-2 по прозвищу «Жестяной пузырь», сконструированн  в 1929 году. Его построила Детройтская компания Aircraft Development Corporation, и 20 августа 1929 года он отправился в свой первый полет. Маленький аппарат длиной всего 45 м должен был стать опытной моделью: в случае успеха компания ADC планировала создать 150-м дирижабль, который превзошел бы все, построенные на тот момент в мире. 

Дюралюминиевая обшивка крепилась на алюминиевом же каркасе и служила прямым контейнером для гелия. Конструкция была вполне удачной: дирижабль развивал скорость до 110 км/ч, хотя везти мог не более 340 кг полезного груза, включая экипаж из двух человек. В движение машину приводили два 300-сильных двигателя. После первого успешного полета дирижабль передали для испытаний в US Navy.

Но в Detroit Aircraft Corporation (переименованной ADC), да и в ВВС США, не учли одного фактора — обрушившейся на США Великой депрессии. Ни денег, ни необходимости строить последующие дирижабли не было — и проект свернули. В 1931 году Detroit Aircraft Corporation обанкротилась. «Пузырь» эксплуатировался вплоть до 1941 года, налетав более 2200 часов в 752 полетах, и был разобран на металл в апреле 1941 года.

Эта история дает подтверждение тому, что цельнометалические дирижабли возможны!

Главный недостаток авиационного транспорта - высокая стоимость перевозки пассажиров и грузов. За год в мире посредством самолетов и вертолетов перевозится 25 миллиона тонн на среднее расстояние 3.000 км, что составляет менее 0,1% от общего грузооборота! Отсюда вывод: за перевозку грузов по воздуху государство и бизнес готовы платить только в исключительных случаях.

Наименьший расход топлива на транспортировку 1 тонны на расстояние в 1 км. (1 тонно-километр) имеют водный, трубопроводный и железнодорожный транспорт. В расчете на тонно-километр они расходуют менее 10 грамм условного топлива (1 гут=0,68 г керосина). Автомобильный транспорт в 10-15 раз хуже (100 гут/т*км). Самолеты в 30-100 раз хуже (200-1.000 гут/т*км), вертолеты 100-300 раз(1.000-3.000 гут/т*км).

По расчетам, большие дирижабли от 150.000 до 300.000 м³ имеют топливную эффективность как автомобильный транспорт, а сверхбольшие дирижабли, объемом свыше 300.000 м^3,  имеют топливную эффективность меньше автомобильного в 3-4 раза, то есть находятся между автомобильным и водным транспортом.

Главная проблема дирижабля Циолковского состояла в том, что в нем, в качестве подъемной силы, использовался горячий воздух, подъемная сила которого при небольшом нагреве невелика.

С другой стороны водород дешев, но взрывоопасен. Гелий достаточно дорог и как одноатомный газ обладает повышенной проницаемостью, т.е. раньше 15% газа терялось ежемесячно. Да, сейчас разработаны материалы с очень низким уровнем гелиопроницемости 0,5-1 л/сут*кв.м., что позволяет ограничиться незначительным пополнением несущего газа в летательный аппарат 2-10% в год от первоначального объема.

Гелий дорогой газ, вместе с тем затраты на гелий в общих эксплуатационных расходах дирижабля составляют весьма незначительную часть - от 1 до 3%. Главная проблема гелия не столько его дороговизна, сколько не масштабируемость его производства, если дирижабли на гелии начнут производится массово. Так например в самом крупном производителе гелия - США из-за истощения его месторождений добыча падает на 5-6% в год и они разрешили использовать газ из правительственных хранилищ.

Вообщем проблема до сих пор толком не решена - гелий дорог и производство его не масштабируемо, а водород опасен. (Сейчас разрабатываются ингибиторы детонации водорода, но его горения они не предотвращают.)

Правда, запасы гелия в России довольно значительны:

и возможности добычи тоже велики:

Но сомнительно, что его хватит для создания флота дирижаблей на гелии.

Плюс же нагретого воздуха в том, что его температура существенно сказывается на удельной подъемной силе теплового дирижабля.

Таблица 6. Характеристики удельной подъемной силы нагретого воздуха при различных температурах и высотах полета. 

Применение воздуха,нагретого до 600°С может создать удельную подъемную силу, составляющую 0,7-0,8 от величины для водорода и гелия. Подъемная сила 1 м³ водорода у земной поверхности равна приблизительно 1,15 кг на 1 м³ , а более тяжелого, но безопасного, гелия - 1 кг на 1 м³.  Чтобы обычный воздух заполучил подъемную силу равную 1, 2 кг (то есть превзошел водород) на 1 м³, нужно его нагреть до 1.000 С⁰.

Таблица 7. Удельная подъемная сила и плотность водорода и гелия при различных температурах на высоте Н = 0 м при=15°С

Еще таблица:

В отличие от воздуха, легкие газы (водород,гелий) при нагреве незначительно увеличивают свою удельную подъемную силу (рис 7.1).

Например,при нагреве водорода от 50°С до 400°С эта  величина увеличивается приблизительно на 3%.

Температура нагретого воздуха существенно сказывается на удельной подъемной силе максимальная допустимая величина температуры зависит от конструктивных особенностей АЛА, примененных материалов и способа подогрева воздуха. Максимальной допустимой величиной температуры нагретого воздуха применительно к конструкциям термодирижаблей в настоящее время можно считать величину - 600°С. При развитии новых материалов максимальная допустимая температура будет повышаться. Если новые материалы смогут выдерживать 1.000 С⁰, то подъемная сила горячего воздуха превзойдет подъемную силу водорода!

Также, проблема горячего воздуха в регулировании плавучести дирижабля еще состоит в том, что достаточно перестать подогревать горячий воздух, чтобы аппарат потяжелел. Так что подогревать приходится постоянно, ведь большая площадь цельнометалического баллона и высокая теплопроводность металла приводило к тому, что горячий воздух внутри быстро охлаждался, чтобы поддержать подъемную силу надо постоянно тратить энергию на его обогрев.

А что было бы, если  оболочка такого дирижабля при сохранении ее прочности и герметичности обладала к тому же близкой к нулевой теплопроводностью?

Чтобы раз нагрев воздух в газовых баллонах можно было бы не тратить на это энергию или тратить ее совсем мало?

Сейчас такой теплоизолятор уже создан - он называется аэрогель!

При ничтожно малом весе, его теплопроводность еще ниже:

Наиболее распространены кварцевые аэрогели, по плотности среди твердых тел они превосходят лишь металлические решетки на основе никеля, чья плотность может достигать — 0,9 кг/м³, что на одну десятую меньше лучших показателей плотности аэрогелей — 1 кг/м³.

В воздушной среде при нормальных условиях плотность такой металлической микрорешётки равна 1,9 кг/м³ за счёт внутрирешёточного воздуха. Это в 500 раз меньше плотности воды и всего в 1,5 раза больше плотности воздуха.

Еще лучше показатели у аэрографита. Аэрографит обладает плотностью около 0,2 миллиграмма на кубический сантиметр, опережая по этим показателям аэрогели НАСА с плотностью 1 миллиграмм на кубический сантиметр, а также последнего рекордсмена, считавшегося наилегчайшим, материала на основе никеля с плотностью 0,9 миллиграмма на кубический сантиметр.

Впрочем ладно! Главное это то, что если ученные и технологи доведут себестоимость этих материалов до адекватной цены, то совместив идею, которая была высказана в начале прошлого века, с современными материалами, можно возродить время прекрасных небесных гигантов.

Что же до безопасности полета, то современные дирижабли обладают естественной безопасностью. 

Существует ТРИ основных причины гибели небоевой гибели дирижаблей:
1. Применение водорода - пожар
2. Отсутвие точного метепрогноза и из за этого - полет в условиях запрещенных РЛЭ
3. Попытка стоянки при неблагоприятных погодных условиях
ВСЕ три опасны и для самолетов и все три - современным дирижаблям не грозят!

P.S По этому вопросу мне особенно важно мнение людей с инженерным образованием.