Термодирижабли становятся актуальными

Немногим более трех месяцев назад, 25 марта 2023 года, газета «Вести ДОСААФ» в № 6 (148) писала о термодирижаблях: «На некоторых дирижаблях, разрабатываемых компанией «Росаэросистемы-Авгуръ», помимо объемов, заполненных гелием, имеется полость с воздухом, который можно нагревать (идея К. Э. Циолковского). Такая конструкция позволяет изменять подъемную силу. Благодаря этому дирижабль сможет не только совершать вертикальный взлет, но и зависать в одной точке или садиться на любую ровную площадку». Именно эти свойства термодирижаблей в настоящее время становятся актуальными в свете борьбы с беспилотными летательными аппаратами.
В 1783 году эра воздухоплавания началась с аэростата, в котором подъемная сила создавалась нагретым воздухом. Позднее в качестве рабочего тела в аэростате стало выгоднее применять водород или гелий. Однако в конце XIX века наш соотечественник Константин Эдуардович Циолковский (1857 — 1935) выдвинул необычный проект дирижабля. В нем он предложил нагревать воздух, используемый для подъема, с помощью змеевика, через который идут выхлопные газы двигателя дирижабля. Но у Циолковского на первом месте в проекте все же стояла идея металлического дирижабля. На ней и скрестились мнения известных тогда в России ученых и изобретателей. Их заключение было такое: «Использовать металл для оболочки аэростата преждевременно». Когда же в 1899 году немецкий изобретатель Ф. Цеппелин начал строить металлические дирижабли, проект Циолковского был забыт, но к его идее об использовании нагретого воздуха вернулись в конце XX века. Вспомнили, что Циолковский ушел от применения взрывоопасного водорода, так как его дирижабль должен был наполняться горячим воздухом. Интересен также и другой момент, который остался без особого внимания, но сейчас вызывает немало вопросов. Он обозначен в заголовке доклада Циолковского от 1887 года: «О возможности постройки металлического аэростата, способного изменять свой объем и даже складываться в плоскость». Циолковскому не удалось прочитать этот доклад компетентному научному сообществу. Тем слушателям, кто собрался в музее, Константин Эдуардович объяснил только основные положения. То, что аэростат (дирижабль) еще и складывается, было принято аудиторией как само собой разумеющееся. Не будем и мы вникать в эту интригующую подробность, так как нас сегодня интересует использование рабочего тела дирижабля — нагретого воздуха.
Итак, термодирижабль, или тепловой дирижабль, имеет оболочку, наполненную горячим воздухом. Такой дирижабль не требует взрывоопасного водорода или дорогостоящего гелия. Подъемная способность горячего воздуха составляет менее трети от подъемной силы гелия. Это мало, и в этом основная проблема.
Тепловые дирижабли — самый «молодой» класс летательных аппаратов. Рассмотрим несколько примеров. В 2003 году был построен одноместный 16-метровый аппарат «Дятел» с объемом оболочки 340 куб. м и 15-сильным движком. Испытывался зимой, летал плохо, но зрелищно. Оболочка дирижабля несколько раз лопалась.
Известен также тепловой дирижабль «Зяблик» (2005 год). На этом одноместном 23-метровом аппарате с объемом оболочки 855 куб. м установили три мировых рекорда: скорости (27,45 км/час), высоты (458 м) и дальности (18,5 км).
В 2008 году термодирижабль «Беспощадный» установил два мировых рекорда: дальности — 99,136 км и продолжительности полета — 5 час. 5 мин.Из рассмотренных примеров можно видеть, что термодирижабли имеют очень скромные результаты. Но мы знаем, что и первые самолеты имели ничтожные рекорды скорости, высоты и дальности.
Проектировщики, рассуждая о строительстве эффективного термодирижабля, считают, что можно создать достаточную подъемную силу, если иметь температуру нагретого воздуха 600 °С. Это составит 78 % подъемной способности гелия. При этом металлические узлы и детали дирижабля нагреются только до 250 — 350 °С. Современные материалы такую температуру выдерживают. Потерь тепла через оболочку можно избежать, выполнив ее двухслойной и оснастив устройствами, уменьшающими теплоотдачу. Внутреннюю оболочку, нагревающуюся более чем до 500 °С, по их мнению, целесообразно делать из жаропрочной стали. Внешнюю оболочку, температура которой только на 20 °С выше температуры забортного воздуха, следует изготовлять из алюминия. Нагрев воздуха будет производиться через теплообменник, внутри которого проходят выхлопные газы двигателей. Для уменьшения высоты полета их можно разбавлять наружным воздухом. В случае угрозы обледенения нагретый газ пропускается в пространство между оболочками. На больших скоростях двигатели работают с повышенной нагрузкой, что может привести к нежелательному набору высоты. Поэтому часть выхлопных газов, минуя теплообменник, можно выбрасывать наружу.
По сравнению с газонаполненными дирижаблями утечка рабочего тела для термодирижабля не проблема. Даже при аварийном разрыве оболочки термодирижабль мягко опустится на землю. Набор высоты на термодирижабле осуществляется повышением температуры воздуха, а не сбрасыванием балласта и выпусканием части газа. Управление полетом удобно по сравнению с газонаполненным дирижаблем, у которого по мере расхода топлива уменьшается вес и начинается непроизвольный набор высоты.
Приземлившийся термодирижабль при ветре будет более устойчив, так как он наполнен охлажденным воздухом, а не легким газом.
В настоящее время рассчитан проект термодирижабля объемом 270 тыс. куб. м (для сравнения: немецкий «Гинденбург» постройки 1936 года, выполнявший рейсы между Европой и Америкой, имел объем 200 тыс. куб. м). При запасе топлива 20 тонн проектируемый термодирижабль пролетит более 15 тыс. км, а при запасе в 50 тонн — совершит беспосадочное кругосветное путешествие. При выключенных двигателях для подогрева воздуха в оболочке предполагается использовать горелки. В этом случае термодирижабль может дрейфовать по ветру.
Термодирижабль использует топливо для старта и поддержания режима висения. Для проектируемого дирижабля в 270 тыс. куб. м перед стартом придется сжечь около 4,5 т топлива, а для того, чтобы корабль находился на постоянной высоте, нужно будет расходовать в час около 200 кг горючего.
Полностью от гелия многие воздухоплаватели пока в своих проектах не отказываются. В ряде стран (в том числе и в России) идут работы по созданию беспилотных стратосферных платформ с продолжительным периодом дежурства на высоте 19 — 21 км и грузопассажирских воздушно-транспортных систем с использованием гелия и горячих выхлопных газов. Остановимся на одном из них.
В начале 1990-х годов на Ульяновском авиастроительном заводе в качестве термоплана разрабатывался линзообразный комбинированный газотепловой дирижабль (аэродинамический летательный аппарат) ­АЛА-40. Эта «летающая тарелка» имела объем оболочки 10 660 куб. м, диаметр ее диска — 40 м. Внутри жесткого корпуса были размещены два отсека: один — для гелия и второй — для отработанных горячих выхлопных газов, идущих от пяти двигателей: авиа­мотора спортивных самолетов М-14П на 360 л. с., двух газотурбинных двигателей ГТД-350 по 400 л. с. и двух электродвижительных установок вертикальной тяги ЭДУВТ по 50 л. с. Эта «летающая тарелка» могла брать 500 тонн полезной нагрузки. В случае успешной обкатки АЛА-­40 конструкторы предполагали разработать целую линейку термопланов с различной грузоподъемностью — 100, 300, 600 и 1500 тонн (или 500, 800, 1200 и 2000 пассажиров соответственно) — и скоростью полета до 200 км/час. В 1993 году предполагалось провести испытания термоплана АЛА-40, однако из-за разрыва оболочки они не состоялись. Позднее вследствие недостатка финансирования проект закрыли, и АЛА-40 в воздух так и не поднялся.
В заключение можно сказать, что теоретически эффективные термодирижабли в наше время уже возможны, но критерий теории — практика. Впереди предстоит решить немало проблем. Возможно, они уже решаются. Скорее всего, на начальном этапе термодирижабли будут иметь гелий и нагреваемый воздух.
Сергей Елисеев.