А не спеши ты нас хоронить (Аэро Техника 2).

Рассматривая в прошлый раз историю воздухоплавания, вполне ожидаемо столкнулся с весьма критическими отзывами. Поэтому, для того чтобы продолжать, необходимо получит ответ на один весьма принципиальный вопрос. Звучал он у каждого по-разному, но если переформулировать, то можно спросить так:

А зачем оно надо?
Действительно, зачем реанимировать какие-то архаические "дирижобли". Для ответа приведу одну картинку из школьного атласа.
 
Сконцентрируемся пока лишь на левой половине, там, где про грузооборот. Почему? Потому, что масса грузов существенно больше массы перевозимых пассажиров. Итак, смотрим на большой круг и видим, что  почти 2/3 всех грузов возится по морю, в то время как по воздуху - и 1% не набегает. Если бы на нашей планете было бы много маленьких континентов и островов, то такая ситуация была бы довольно терпима. Но на самом деле России досталась самая большая территория на северной оконечности самого большого Материка. Что вынуждает нас поступать  тоталитарно континентально и пользоваться сухопутными железной дорогой и богомерзким трубопроводом. На морские грузоперевозки у нас приходится жалкие, по сравнению совсем миром, 10%.
Но и даже с ж/д у России не все просто. Перевозятся по ней более половины грузов, но стоит привести  одну карту, чтобы понять стоящие перед "железкой" проблемы.
 
Как видите, тут только обнять и плакать. Архитоталитарные Транссиб и БАМ - это все что соединяет восток страны с западом. Зайди чуть выше или ниже этих двух веточек, и вы уже в «terra incognita», с русалками, лешими и Генералом Морозом во главе. И при этом моря нет, есть только "чистое небо над головой". Потому посмею утверждать, что если мы хотим осваивать афроевразию нашу территорию, то без дирижаблей не обойтись,  а тут еще пик нефти так некстати, на вертолетах не налетаешься.

Еще момент, на который надо обратить внимание на то, что дирижабль  - это не дубликат вертолета. Почему? А потому что дирижабли очень хорошо масштабируются. Например, нужна машина, способная поднять 150 тонн (5 контейнеров). Берем к примеру гелий (плотность при 0⁰ С = 0.1785, плотность воздуха на уровне моря при 0⁰ С = 1.293), выясняем подъемную силу (отнимаем одно от другого, получается 1.1145 кг), узнаем нужный объем (150 000/1.1145 = 138 179 м3), делаем прикидку на дополнительную подъемную силу и массу самого дирижабля (грубо умножим объем в 2 раза), и получим нужный объем = 276 358 м3. С вертолетом этот фокус не пройдет, нельзя линейно увеличивать мощность двигателя и размер лопастей – есть физический предел.

Итак, разграничим сферы самолета, вертолета, дирижабля:
Самолет – очень быстрое перемещение грузов. Нужно много керосина  и развитая инфраструктура, попробуйте посадить Боинг 747 в чистом поле.
Вертолет – очень оперативная доставка грузов с неподготовленных территорий на неподготовленные территории, при средних расстояниях и скоростях.
Дирижабль – очень неспешная доставка сверхтяжелых грузов на сверхдальние расстояния. По прямой, в отличие от кораблей. Доступны внутренние районы континентов.
 
Для наглядности, так сказать.

В прошлый раз я целенаправленно не использовал математических и химических формул, но придется это наверстать. В этот раз разберем более подробно физические принципы воздухоплавания. Заодно попытаемся выявить, весь ли потенциал дирижаблей был раскрыт.
Следует вспомнить, что воздух – это смесь газов N₂ – 78% и O₂ – 21%, остальные газы занимают менее 1 %.
 
У каждого вещества есть молярная вес (ну вес одного моля молекул, если совсем просто). Для того чтобы газ был легче воздуха, его молекулярный вес должен быть ниже 28,98 г/моль. (Мы сейчас забудем на время про давление и температуру).
 Веществ с молярным весом ниже 28,98 (вес воздуха) и газообразных при обычных условиях немного – 2 инертных газа и гидриды неметаллов (гидрид металла лития используется в другом устройстве).
 
Первые 2 периода таблицы Менделеева. Нам нужны фиолетовые и желтые клеточки.
Пробежимся быстро по ним от легкого к тяжелому.
•    Водород (Н₂). Молярный вес 2. Высокая грузоподъёмность, недорог, но взрывоопасен. Широко применяется для беспилотных шарльеров.
•    Гелий (Не). Молярный вес 4. Высокая грузоподъёмность, безопасен, но дорог. Широко применяется для пилотируемых шарльеров.
•    Метан (СН₄). Молярный вес 16. Горюч. Применяется ограниченно.
•    Аммиак (NH₃). Молярный вес 17. С резким запахом, ядовит, слегка горюч. Применяется ограниченно, для метеозондов.
•    Водяной пар (Н2О). Молярный вес 18. При нормальных условиях жидкость. Не применяется.
•    Неон (Ne). Молярный вес 20. Безопасен, но грузоподъёмность ниже, чем у гелия. Применяется ограниченно.
•    Фтороводород (HF). Молярный вес 21. Крайне ядовит. Химически агрессивен (раствор в воде – плавиковая кислота). Не применяется.
•    Ацетилен (C2H2). Молярный вес 26. Очень легко воспламеняется, взрывоопасен. Не применяется.
•    Диборан (B2H6). Молярный вес 27,6. На воздухе воспламеняется самопроизвольно. Не применяется.
•    Азот (N2). Молярный вес 28 (14,00643*2). Безвреден, недорог, но грузоподъёмность ничтожная. Не применяется.
•    Этилен (C2H4). Молярный вес 28. Не применяется из-за ничтожной грузоподъемности, а также из-за горючести.
•    Угарный газ (CO). Молярный вес 28. Не применяется из-за ничтожной грузоподъемности, и из-за токсичности.

Выкинем заведомо непригодные (токсичные и агрессивные) газы и присмотримся к остальным.
•     Водород (Н₂). Молекулярный вес 2. Недорог, но взрывоопасен. Широко применялся, но сильно скомпрометировал себя при использовании. Однако оставим его в качестве эталона. Примечание: упоминаемые иногда вакуумные дирижабли, абсолютно недостижимы на данном этапе технического развития, да и вакуум лишь на 7% эффективнее водорода.
•      Гелий (Не). Молекулярный вес 4. Высокая грузоподъёмность, безопасен, но дорог, очень дорог. Является ископаемым, добывается лишь из нескольких месторождения, являясь попутным газом к природному газу. Примечание: ООО «Газпром добыча Оренбург» — 100-процентное дочернее общество ОАО «Газпром». В его состав входят 10 структурных подразделений. Среди них крупнейший в Европе газоперерабатывающий завод и единственный в Российской Федерации гелиевый завод. Предприятие выпускает 100 % российского гелия.
•      Неон (Ne). Молекулярный вес 20,18. Безопасен, но грузоподъёмность ниже, чем у гелия. Давайте прикинем насколько грузоподъемность ниже. На первый взгляд в 5 раз (20/4), но не все так просто. Правильнее сравнивать по отношению к воздуху. (28,98 -20,18)*100%/(28,98 -4)=35% от грузоподъемности гелия. И  32,6% от грузоподъемности водорода. Примечание: добывается из воздуха криогенным способом как побочный продукт разделения воздуха. В 1 м? воздуха содержится около 18,2 см?. Чистота же 99,99% не просто не нужна, но и вредна, так как в примесях находятся более легкий гелий и водород.
•     Метан (СН₄). Молекулярный вес 16,04. Горюч. Но не так взрывоопасен как водород. И самое главное – используется повсеместно и добывается под названием природный газ. Грузоподъемность от водорода – 47,9%, от гелия – 51,8%. Примечание: Горит в воздухе голубоватым пламенем, при этом выделяется энергия около 39 МДж на 1 м. С воздухом образует взрывоопасные смеси при объёмных концентрациях от 4,4 % до 17 %.
•     Азот (N₂). Молекулярный вес 28. Безвреден, недорог, но грузоподъёмность ничтожная. Не применяется, но не содержит окислителя, можно использовать в конструкции, как дополнительный элемент. Грузоподъемность от водорода – 3,6%.
 
Я думаю, что читатель смекнул, к чему я клоню. Да водород эффективнее, да гелий безопаснее, но… Ведь нам нужна эффективность по приемлемой цене. Мы собираемся ведь грузы возить, а не фейерверки в небе устраивать, и возить подешевле, а не втридорога. И выход есть, озвучу его сразу: метан – для грузоперевозок, неон как более безопасный – для пассажироперевозок.

Предвижу возмущение, если «хуже» в три раза (как неон), то и строить конструкцию надо в три раза большую, а это существенный перерасход материалов, и значит тяжелее конструкция, замкнутый круг. Но ответ упирается в физические свойства объемов. Объем объекта растет существенно быстрее линейных размеров.
   - объем шара. То есть 100 м3 – это шар радиусом 287 см, а объем 300 м3 – шар радиусом 415 см. Всего лишь в 1,4 раза больше.

Второе возражение следующее – «кто же в своем уме полетит пилотом на метановом пузыре»? Правильный ответ – никто, кроме самих грузов. Беспилотная технология уже вовсю используется в мире. Пилоты останутся на земле.

Следует не забывать о тепловых аэростатах. Их подъемная сила основывается на том, что с ростом температуры плотность газов уменьшается (обратная зависимость). Температуру (т. е. меру средней скорости движения молекул), следует отсчитывать от абсолютного нуля, равного -273С (т. е. когда все движение замирает = 0 кельвинов).

Простой пример, мы нагрели воздух в баллоне до 100С, а на воздухе у нас 15С. Плотность теплого воздуха уменьшилась, и составила 77% от окружающего ((273+15)/(273+100)). Воздух стал легче – появилась подъемная сила, можно лететь.

Интересно отметить, что с высотой температура падает на 6,50 на 1 километр. Значит, разница растет, грузоподъемность 100⁰ воздуха повышается. Однако вмешивается дополнительный фактор. Чтобы его продемонстрировать покажу большую картинку земной атмосферы, хотя нам интересны только первые 10 километров – тропосфера.
 
Stratospheric jumps – это прыжки с парашютом со стратосферных воздушных шаров. Kola superdeep borehole SG-3 – тоже интересное место.
Видно, что температура падает, но еще быстрее снижается давление, что снижает подъемную силу. И тепловые аэростаты не могут высоко подняться. (Поднимать температуру воздуха в болоне выше 100⁰ не позволяет материал оболочки) Кстати, по этой причине  стратостаты и метеозонды не заполняют под завязку, их на высоте раздувает.

Постойте, товарищи если мы можем греть воздух, то почему бы не нагреть легкий газ в газовом аэростате!!! Ведь в этом случае параметры перемножаются. Для 90⁰ неона  это плотность 54% от  плотности 15⁰ воздуха на уровне моря – есть за что бороться. Кстати идея это не нова и родилась через 2 года после начала полетов на воздушных шарах. Правда кончалась печально – водород ожидаемо загорелся от искр. Но, тем не менее, этот тип аэростатов успели прозвать розьерами. И перестать делать…

Внимание! Барабанная дробь! Еще одна идея! А что если к дирижаблю прикрутить… атомный реактор. Ведь с его помощью неплохо получается что-либо греть, да и грузоподъемность позволяет! Ага, кто-то вскричит, этот идиот желает, чтобы «чернобыли» по воздуху плавали?!!  Но уберём от экрана нервных, беременных и детей, и подумаем… Ведь «атом» – это единственная соломинка для цивилизации пережить пик нефти и сохраниться (или самоликвидироваться). И получается что дирижабли - это не только наше прошлое, но и наше желательное будущее.

И вот теперь перечислим недостатки классических дирижаблей и способы их преодоления:
- Относительно малая скорость по сравнению с самолётами и вертолётами (как правило, до 160 км/ч) и низкая маневренность. Ну, тут ничего не попишешь.
- Сложность приземления из-за низкой манёвренности. А нужно ли приземляться – необходимо приземлить груз, и забрать новый, что можно сделать и на спускаемой платформе. Плюс не забываем что, переставая подогревать газ, мы снижаем его подъемную силу!
- Зависимость от погодных условий (особенно при сильном ветре). При движении ветер вообще желательно использовать для экономии топлива, причем на разных высотах разное направление ветра. Дирижаблю, особенно большой грузоподъемности следует придавать эллипсоидную или тороидальную форму — плюшке или баранке не так страшен  боковой ветер. И по правде говоря, на самолеты тоже погодные условия влияют.
- Очень большие размеры требуемых ангаров (эллингов), сложность хранения и обслуживания на земле. А к чему хранить беспилотные дирижабли на земле? Пусть работают, перемещают грузы.
- Относительно высокая стоимость обслуживания дирижабля, особенно больших размеров. Это из-за дорогущих расходных материалов – гелия, так как он сам просачивается через оболочку, и иногда его приходится стравливать. Но мы ведь не на гелий делаем ставку!
- Низкая надёжность и долговечность оболочки. Это не про металлические оболочки. А дирижабли большой грузоподъемности обязаны обладать металлической внешней оболочкой.

Итак, впереди много работы, много технических трудностей, но чтобы не говорили скептики - дирижабли нужны на континенте, для них есть много дел.
 
Фото на высоте 30 км, сделано метеозондом.

Закончить хочется словами Умберто Нобиле, итальянский конструктор дирижаблей, возглавлявший в 1932—1935 годах госкорпорацию «комбинат ДИРИЖАБЛЕСТРОЙ СССР»
«… В мире существует ещё по крайней мере одна страна, где дирижабли могли развиваться и широко с пользой применяться. Это — Советский Союз с его обширной территорией, по большей части равнинной. Здесь, особенно на севере Сибири, огромные расстояния отделяют один населённый пункт от другого. Это осложняет строительство шоссейных и железных дорог. Зато метеорологические условия весьма благоприятны для полётов дирижаблей.»