Грузовой дирижабль

Хотя в области воздушных грузоперевозок во всех странах мира полностью господствует самолетная авиация, дирижабли далеко не исчерпали своего потенциала. Применение при строительстве управляемых аэростатов современных технологий, а также ясное представление сильных сторон этих летательных аппаратов делает их перспективными для выполнения многих видов перевозок.

Монгольфьер и дирижабль

Со времени постройки воздушного шара братьев Монгольфье в Европе и Америке найдено множество способов использования аэростатов для практически более полезных целей, чем организация захватывающих воздухоплавательных аттракционов.

            Воздушный шар-монгольфьер может более или менее успешно маневрировать только по вертикали за счет изменения аэростатической подъемной силы. Но в горизонтальной плоскости свободный аэростат способен лишь дрейфовать по ветру. Сейчас, как и двести с лишним лет назад, монгольфьер остаётся преимущественно спортивным снарядом и инструментом для научных исследований.

            Другое дело – управляемый аэростат или дирижабль. С самого начала истории воздухоплавания изобретатели старались избавить аэростаты от безусловной зависимости  от непостоянных воздушных потоков. Но сделать это удалось только после создания двигателей внутреннего сгорания.

            Первая треть ХХ века стала временем интенсивного прогресса авиации и дирижаблестроения. Лебединой песней дирижаблистики стали «цеппелины».

Эти воздушные суда уже могли обслуживать регулярные пассажирские линии большой протяженности, в том числе трансатлантические. Но несколько крупнейших катастроф дирижаблей привели к тому, что с конца тридцатых годов ХХ века на несколько десятилетий с управляемыми аэростатами перестали связывать какие-либо перспективы. Тем более что к тому времени успехи летательных аппаратов тяжелее воздуха – самолетов и позднее вертолетов – полностью заслонили дирижаблистику от общественного внимания.

            Но дирижабль продолжал, так сказать, снова и снова подниматься вверх. Этот тип летательного аппарата обладает такими качествами, которые его выгодно отличают от прочих воздушных судов.

В нашу задачу не входит рассуждение о технических аспектах дирижаблистики или рассказ об истории управляемого воздухоплавания. Для этого существует достаточно обширная специальная и популярная литература. Учитывая специфику «Агентства Специальных Исследований» и данного интернет-ресурса, мы сосредоточимся на способности дирижабля выполнять коммерческие грузовые перевозки.

Заметные слабости

Любая техническая система имеет свои специфические ограничения и даже пороки, которые налагают ограничения на практическую эксплуатацию этой системы. Дирижабли здесь тоже не стали исключением. Как раз таким вот порокам своей конструкции они «обязаны» катастрофами и довольно продолжительным забвением.

            Первый и самый, пожалуй, значительный недостаток заключался в использовании водорода для создания аэростатической подъемной силы. Водород легко воспламеняется и, более того, он чрезвычайно взрывоопасен. Потому на водородных дирижаблях вынужденно применяли множество ухищрений, чтобы не допустить возникновения даже малейшей искры в электрооборудовании или при соударении металлических предметов.

Взрыв водорода и стремительно развившийся пожар погубил в 1937 году крупнейший немецкий дирижабль «Граф Гинденбург» после того, как этот дирижабль в очередной раз успешно пересек Атлантический океан и приземлился в США.

Второй конструктивный порок довоенных дирижаблей – некачественные материалы, из которых изготовляли оболочки. Они довольно быстро портились и теряли способность удерживать газ. Дирижабль с дефектной оболочкой неконтролируемо терял высоту, что, особенно в условиях ограниченной видимости и плохих атмосферных условиях, приводило к его гибели. Как это произошло, например, с британским дирижаблем R-100.

Дирижабли были тихоходами. Маломощные моторы не позволяли им развивать достаточно большую крейсерскую скорость. Скорость стала одним из факторов того, что дирижабли уступили небо аэропланам.

Серьезным недостатком дирижаблей, особенно гигантов предвоенного времени, была недостаточная прочность элементов конструкции. Особенно в хвостовой части набора, где находились рули. В этой части корпуса эпюра изгибающих напряжений достигает своего максимума. Под воздействием этих напряжений накапливается усталость материала набора и в какой-то момент происходит разрушение несущих элементов.

Конечно, в отличие от самолёта, где выход из строя даже одного элемента конструкции или оборудования грозит общей аварией, дирижабль гораздо более живуч. Но разрушение конструктивных элементов в результате усталости  материала приводило к потере газа, потере высоты и падению. Именно так произошла катастрофа крупного американского дирижабля «Акрон».

К сожалению, помимо чисто технических аспектов, причиной аварий становился и пресловутый человеческий фактор – недостаточная опытность экипажей в пилотировании, а наземного персонала – в обеспечении полётов.

Для обслуживания дирижаблей, для заправки топливом и балластом, а также для выполнения ремонтных работ требовалась дорогостоящая наземная инфраструктура – большие эллинги, причальные мачты особой конструкции, позволявшие удерживать дирижабль в точке приземления, но так чтобы он мог, как флюгер, свободно становится по ветру. Нужны были и многочисленные наземные команды.

Дирижабль может летать даже в таких погодных условиях, когда летательные аппараты тяжелее воздуха просто не рискнут оторваться от земли. Но штормовые турбулентные потоки  представляют для дирижабля ощутимую опасность из-за их воздействия на конструкцию корпуса.

Наконец, для обширной поверхности оболочки дирижабля отдельную проблему представляло обледенение. Нарастающий на поверхности дирижабля лёд лишает его части аэростатической подъемной силы,  ухудшает центровку и может повредить оболочку.

Увлекающие возможности

Отметим, что большинство из перечисленных технических и эксплуатационных недостатков касается крупных дирижаблей 20-х – 30-х годов ХХ века – времени, когда дирижаблестроение достигло своего пика, а проблемы проявились наиболее остро.

Но, во-первых, эти ограничения теперь известны и понятны, хотя их понимание и досталось дорогой ценой. Во-вторых, последующие достижения химии, металлургии, аэродинамики,  позволяют снять остроту большинства проблем дирижаблистики.

Так, применение в конструкции набора и оболочки полимеров и композитных материалов создает условия для строительства дирижаблей и легких и прочных одновременно. Уже отработано такое техническое решение как дирижабль с твердой оболочкой-скорлупой («монокок»). И аэронавты давно отказались от взрывоопасного водорода, а оболочки наполняют инертным гелием. Подъемная сила этого газа процентов на 7-8 ниже, чем у водорода, зато он безопасен.

Воздухоплавателям прошлого и не снились современных системы аэронавигации и компьютеризированное контрольное оборудование, обеспечивающие безопасность полетов.

Итак, если технически вопросы решаемы, то в каких практических направлениях использование дирижаблей эффективнее всего? Области применения в большинстве случаев определяются преимуществами управляемого аэростата.

За счёт аэростатической подъемной силы наполняющего оболочку газа для подъема и перемещения единицы груза дирижаблю требуется намного меньшая мощность, чем другим летательным аппаратам. Соответственно ему нужно намного меньше топлива. Особенно при возможности реализации проектов по размещению солнечных батарей на верхней части оболочки.

Между тем авиационный керосин всё дорожает и дорожает. В моторах же дирижаблей можно использовать более дешевое топливо, в том числе газовое. Уже подсчитано, что перевозки грузов дирижаблями даже для европейской территории России очень дешевы.

Эффективность дирижабля существенно зависит от его размеров. Один кубометр гелия при обычном атмосферном давлении обеспечивает подъем одного килограмма груза. Значит, для подъема 10 тонн полезной нагрузки, с учетом собственного веса дирижабля, требуется наполнить оболочку примерно 20 тыс. кубометрами гелия. Так что рентабельный грузовой дирижабль по определению должен быть крупным дирижаблем. Это требование основывается на том, что небольшие по  объему газа дирижабли имеют низкие характеристики по весу коммерческого груза. Только летательный аппарат с объемом не менее 60 тысяч кубометров может поднять вес от 12-15 тонн. То есть вес одного грузового контейнера.

Для лучшего понимания этого обстоятельства можно сравнить технические данные наиболее крупных дирижаблей ХХ века (Табл.).

Сравнительные характеристики крупнейших  иностранных дирижаблей, эксплуатировавшихся до Второй Мировой войны

При скоростях порядка 130-135 км в час дальность полета дирижаблей-гигантов измерялась тысячами километров.

В аспекте наших интересов наиболее многообещающими выглядят следующие идеи и предложения по использованию дирижаблей в хозяйственных целей.

При обсуждении проблем дирижаблестроения и использования дирижаблей для практических нужд основные предложения опирались, помимо экономичности, ещё и на такие качества дирижабля, как способность зависать на месте и ложиться в дрейф. Современные системы навигации и системы динамического позиционирования позволяют добиться того, что дирижабль сколь угодно долго сможет висеть на одном месте даже без причаливания. Такое свойство делает дирижабль незаменимым при транспортно-монтажных операциях.

В отличие от самолетов, особенно большегрузных, в точке доставки дирижаблю не нужен аэродром. А протяженность маршрута может достигать нескольких тысяч километров. Поэтому в качестве транспортного средства дирижабль наиболее перспективен для доставки грузов в труднодоступные местности, которые обладают минимальной или не обладают совсем никакой транспортной инфраструктурой. Такие как российское или канадское Заполярье, Сибирь, Дальний Восток или районы пустынь. Тем более что найденные конструктивные решения позволяют дирижаблю не только зависать над землей, но и самостоятельно без помощи групп обслуживания, садиться на  её поверхность.

В ряду отраслей экономики, для которых транспортные дирижабли могут представлять особенно большой интерес, называются следующие (Табл.).

Крупные грузы

Как нетрудно видеть большинство предложений касается перевозки крупногабаритных и тяжеловесных грузов (КТГ), особенно в районах ограниченной транспортной доступности.

Потребность в перевозках КТГ обусловлена значительным экономическим эффектом доставки конструкций повышенной степени заводской готовности к промышленным и энергетическим объектам. Укрупнение мест груза позволяет создавать тот или иной  производственный комплекс по «модульному» принципу. С учетом затрат на транспортировку даже другими видами транспорта, не дирижаблями,  экономия средств при таком подходе может достигать 20-25% от стоимости перевозимого оборудования, образующейся при его сборке на месте строительства.

Например, почти в 3 раза дешевле доставить реактор с завода-изготовителя на атомную станцию в собранном виде, чем собирать его по частям на месте. Кроме того, многие современные технологии требуют заводской сборки, когда нежелательно какое-либо последующее механическое вмешательство в однажды собранное оборудование.

Использование крупногабаритного тяжеловесного оборудования сокращает сроки ввода объектов в эксплуатацию, уменьшает размеры строительных площадок, повышает производительность труда, снижает себестоимость и трудоемкость монтажных работ.

В качестве примеров транспортировки грузов категории КТГ можно привести перевозку атомных реакторов, мощных трансформаторов, рабочих колес турбин различного типа, промышленных химических установок, оборудования для нефтеперерабатывающих и металлургических производств, крупногабаритных строительных машина, а также доставку к месту назначения  летательных аппаратов и морских судов.

Подготовка операции по транспортировке КТГ часто требует стыковки нескольких видов транспорта, промежуточных перегрузок, получение необходимых согласований и разрешений, а нередко и дополнительной инженерной подготовки объектов транспортной инфраструктуры для пропуска груза. Все эти хлопоты снимаются применением воздушной транспортировки дирижаблями.

Большие ожидания

В числе прочих транспортных идей можно упомянуть предложение японских специалистов по разгрузке прямо в море крупнотоннажных судов и доставку груза прямо его получателю, минуя перевалку а порту. 

Английские и советские  разработчики рассматривали возможность включения дирижаблей в международные и национальные компьютеризированные системы перевозки контейнеров. Для достижения максимальной эффективности в использовании дирижабля в качестве транспортного средства британцы предлагали не просто строить дирижабли, а сразу создавать единую воздушную транспортную сеть. Эта сеть должна была соединить крупнейшие промышленные центры по всему земному шару.

Во Франции уже в 70-е годы был разработан проект дирижабля-крана полужесткого типа грузоподъемностью до 500 тонн, способного доставить свой груз на расстояние до 650 километров. Конструкция дирижабля состояла из крестообразной фермы-основы и четырех газовых баллонетов.

Такая же грузоподъемность предусматривалась в проекте транспортного дирижабля британской компании «Карго эйршип лтд». одним из вариантов его загрузки была транспортировка 40 контейнеров. При проектной скорости 160 км/час дирижабль мог долететь до Австралии за четверо суток, до Канады – за двое, а до Германии всего за 6 часов.

Сделанный нами обзор позволяет набросать эскиз эффективного использования дирижабля для выполнения коммерческих грузовых перевозок. При этом мы сознательно оставляем в стороне ставшие уже достаточно привычными области применения дирижаблей – пассажирские и туристические перевозки, выполнение программ научных исследований и наблюдений за земной поверхностью в прикладных целях, военные, полицейские и иные специальные области применения.

Первая из возможных областей применения – проектные перевозки КТГ, особенно на большие расстояния от мест их заводского изготовления или первичного монтажа. Наиболее перспективен будет дирижабль в удалённых районах страны с низкой транспортной доступностью. Причина не только в высокой экономичности дирижабля. Но также в том, что исключаются промежуточные перевалки, например с морского судна на речное, и инженерные работы по укреплению дорого и мостов. К тому же на месте доставки дирижабль способен выполнить и монтажные работы.

Поскольку перевозки КТГ не являются регулярными, то организация использования крупного грузового дирижабля возможна по трамповой схеме, в том числе на международных маршрутах. Для подобных грузовых операций не требуются высокие скорости, зато нужна перевозка на большие расстояния. Дирижабль подходит для них гораздо лучше, чем любое другое транспортное средство.

Второе возможное направления использования грузового дирижабля – его включение в качестве составного элемента в комплексную систему организации перевозок для оптимизации последней. При работе в составе единой транспортной системы может быть рентабельно использование даже дирижаблей среднего объема с грузоподъемностью 20-30 тонн в качестве, так сказать, маневровых средств.

Одна из проблем в организации перевозок, которую можно хотя бы частично разрешить с применением дирижаблей – возврат порожних контейнеров, если для них нет обратной загрузки. Например, при доставке высокотехнологичных грузов в контейнерах в регионы с производством преимущественно сырьевых товаров – руды, леса, удобрений и так далее. Использовать дирижабль не так накладно, как везти «воздух» автомобилем или поездом. Тем более что не понадобится брать дополнительный балласт.

Скорее всего, грузовой дирижабль XXI в. не будет обладать сигарообразной формой классического «цеппелина». Наиболее перспективными могут стать гибридные формы – соединение вертолетного ротора и аэродинамического поддержания самолета с гелиевыми баллонетами. В том числе аппараты совсем нетрадиционной формой – дисковидной или торообразной.

В октябре 2005 г. конгресс США одобрил программу строительства дирижаблей проекта WALRUS HULA (Hybrid Ultra Large Aircraft). Его цель - обеспечение грузоперевозок в интересах американских вооруженных сил. Правда, совсем недавно американцы от этого проекта вроде бы отказались.

Хотя финансовые возможности российских разработчиков и строителей несравнимы с американскими, у нас уже создан дирижабль ДПД-5000. Его длина порядка 127 метров и он способен нести полезную нагрузку свыше 15 тонн.  Начало положено.

Статья подготовлена при содействии "Агентства специальных исследований" (С.-Петербург)