Регистрация / Вход
Прислать материал

Исследования и разработка критических технологий, необходимых для создания дирижаблей нового поколения с высокой энергетической, экологической и экономической эффективностью

Докладчик: Кирилин Александр Николаевич

Должность: генеральный директор, генеральный директор - главный конструктор, Генеральный директор, генеральный директор - главный конструктор

Цель проекта:
1. В современной технике используются четыре принципа полета летательных аппаратов: -аэростатический; -аэродинамический; -ракетодинамический; -баллистический. Самым энергетически экономичным из них является аэростатический способ создания подъемной силы, который используется дирижаблями. На создание аэростатической (архимедовой) подъемной силы вообще не нужна энергия, а затраты энергии на преодоление лобового сопротивления дирижабля в полете являются незначительными, так как плавать по воздуху аэростатическим летательным аппаратам энергетически многократно экономичней, чем плавать по воде речным и морским судам. Вместе с тем известно, что именно водный транспорт, вследствие наименьших удельных энергетических затрат (грамм условного топлива) в расчете на перевозимую тонну груза на расстояние в один километр (гут/т*км), является самым дешевым из всех известных видов транспорта. Открыв первые яркие страницы в истории освоения воздушного океана и, казалось бы, надежно в нем прописавшись, затем дирижабли уступили «пальму первенства» более компактным и скоростным летательным аппаратам тяжелее воздуха. Сегодня необходимо убедить общественность, государственных деятелей, инвесторов и технических специалистов в том, что изначально дирижабли потерпели относительную неудачу в 20 веке прежде всего потому, что родились раньше своего времени. Малая потребная энерговооруженность привела к соблазну постройки чрезмерно быстрыми темпами гигантских воздушных лайнеров. Вместе с тем в первой трети прошлого столетия человечество еще не накопило достаточного опыта по проектированию и эксплуатации летательных аппаратов. Создание же надежных суперкрупногабаритных, ультралегконагруженных конструкций объемом 100-200 тыс. куб. м и длиной до 250 м является непростой задачей даже при современном уровне развития науки и техники. Важным деструктивным фактором было и то, что дирижабли того времени наполнялись преимущественно водородом - горючим и взрывоопасным несущим газом. К тому же, наземная эксплуатация дирижаблей первого поколения была решена крайне неудачно: при швартовке аппарата к причальной мачте требовалась наземная команда в количестве нескольких десятков, и даже сотен, человек. Проектирование дирижаблей нового поколения требует разработки новой научно обоснованной методологии определения предпочтительных параметров аэростатических ЛА. В период бурного развития дирижаблей в мире было издано несколько фундаментальных трудов по проектированию, производству и эксплуатации АЛА. Наиболее значимыми из них являются монографии Берджеса И.П. «Проектирование воздушных судов», Гарфа Б.А. и Никольского В.И. «Проектирование металлических конструкций дирижаблей», Вахминцева А.М. «Постройка воздушных судов» и «Основы производства дирижаблей», Катанского В.В. «Проектирование балонно-такелажных конструкций и оборудования оболочек воздушных судов», Бенфельда С.С. «Техническая эксплуатация воздушных кораблей». В данных работах в основном анализируются вопросы, связанные с разработкой дирижаблей цеппелиновского типа. Послевоенная литература по проектированию дирижаблей крайне бедна. Преимущественно издавались монографии, носящие описательный или историко-технический характер. К таким работам, изданным в СССР и России, следует отнести монографии Арие М.Я. «Дирижабли», Арие М.Я. и Полянкера А.Г. «Дирижабли нового поколения», Бойко Ю.С. «Воздухоплавание в изобретениях» и «Воздухоплавание», Броуде Б.Г. «Воздухоплавательные летательные аппараты», Дузь П.В. «История воздухоплавания и авиации в России», Попова В.А. «История воздухоплавания и авиации в СССР», Шашина В.М. «Воздухоплавательная техника». Из зарубежных изданий следует отметить работы У. Нобиле, Р. Смита, К. Мюллера, Г. Кхоури, Р. Ли. В последние 30-35 лет в мире регулярно проводятся научно-технические конференции и выставки по летательным аппаратам легче воздуха. Тематика публикаций обширна, но она, как правило, носит узконаправленный характер или связана с разработкой конкретных проектов. Каждый автор проекта или фирма-разработчик пропагандируют достоинства своего летательного аппарата, будь то вертостат, термоплан или дирижабль классической формы мягкого, полужесткого или жесткого типа. Обилие проектов АЛА порождено двумя причинами. Первая – рынок дирижаблей совершенно неустоявшийся, он находится в стадии поиска и «разогрева». Вторая – энтузиазм дирижаблистов новой волны явно отстает от их профессионализма. Мало внимания уделяется научным изысканиям, сравнительному структурно- параметрическому анализу, поиску новых решений, главной целью которых являлись бы высокая весовая отдача, низкая стоимость производства и удельных эксплуатационных расходов АЛА. Вместе с тем, очевидно, что дирижабли только тогда откроют для себя широкое поле деятельности, когда они будут в состоянии выполнять транспортные операции с высокой экономической эффективностью. Такая задача для дирижаблей посильна и именно такую задачу должны ставить перед собой ученые и конструкторы, опираясь на последние достижения науки и техники в области проектирования ЛА. Быстрое истощение запасов углеводородного топлива на нашей планете, катастрофическое нарастание экологических проблем, а также появление большого объема новых транспортных и специальных задач в сочетании с уникальными энергетическими и эколого-экономическими параметрами перспективных воздухоплавательных аппаратов делают актуальной задачу по возрождению дирижаблестроения на новой технологической основе. В последние годы ученые ряда стран приходят к мнению, что применение дирижаблей может произвести революцию в технологии транспортных перевозок. Транспортные дирижабли нового поколения по сравнению с ЛА тяжелее воздуха будут иметь малую материалоемкость, высокую весовую отдачу и топливную эффективность, низкую себестоимость транспортных операций. Одним из наиважнейших преимуществ дирижаблей перед другими видами транспорта является отсутствие для них ограничений по маршрутам передвижения. Они способны вертикально взлетать и садиться, летать на большие расстояния, доставлять груз «от двери до двери», требуя за это минимальных затрат на инфраструктуру. Дирижабли обладают также высокой экологичностью. Для них характерны: - малый выброс в атмосферу продуктов сгорания углеводородного топлива; - низкий уровень шума; - совершенно незначительный уровень антропогенного воздействия необходимой инфраструктуры на окружающую природу. Необходимо также отметить возможность широкого использования для работы силовой установки дирижаблей будущего абсолютно экологически чистых источников энергии, таких как водород и солнечная энергия, так как: а) для дирижаблей характерно сочетание малой потребной энерговооруженности с наличием большой омываемой поверхности, на значительной части которой могут быть размещены солнечные батареи; б) дирижабли имеют достаточные объемы для размещения в них не только сжиженного, но и газообразного водорода. Еще одним немаловажным преимуществом дирижаблей, во всяком случае, по сравнению с самолетами и вертолетами, является комфорт. Полет на пассажирском, и особенно круизном многоярусном дирижабле, оборудованном каютами, прогулочными палубами, соляриями, кинозалами, который практически не подвержен «болтанкам» и проходит на небольшой высоте, в не агрессивной среде (давление и температура воздуха – околоземные) – это уже не просто полет, а захватывающее путешествие. Основное же достоинство дирижаблей заключается в том, что они могут «плавать в воздухе». При этом дирижабли имеют положительную метацентрическую высоту, что обеспечивает их статическую устойчивость на малых скоростях полета и в режиме висения, а их аэростатическая подъемная сила не зависит от скорости полета, и, следовательно, от силовой установки. Эти два обстоятельства определяют главный вклад в то, что следует назвать естественной безопасностью дирижаблей. Даже выход из строя всех двигателей и систем управления полетом не катастрофичны для дирижабля! Очевидно, что безопасность, комфорт, экономичность, экологичность, возможность перевозки «от двери до двери» крупногабаритных и сверхтяжелых грузов, высокая весовая и топливная эффективность в сочетании с отсутствием ограничений по маршрутам передвижения, каковыми для других видов транспорта являются аэродромы, шоссейные и железные дороги, реки, моря и океаны, открывают перед дирижаблями большие перспективы в транспортной логистике будущего. 2.1. Разработка критических технологий в области конструирования, производства и эксплуатации транспортных дирижаблей жесткого типа. 2.2. Разработка проектировочных методик и математических моделей по расчету геометрических, энергетических, массовых, эффективностных и экономических характеристик транспортных дирижаблей нового поколения.

Основные планируемые результаты проекта:
1. При выполнении ПНИ будут получены следующие научно-технические результаты:
1.1 Отчет о ПНИ, содержащий:
1.1.1 результаты аналитического обзора современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему создания транспортных дирижаблей нового поколения;
1.1.2 новые конструкторско-технологические решения по изготовлению корпуса транспортно-го дирижабля жесткого типа из полимерных композиционных материалов;
1.1.3 результаты исследовательских испытаний продувочных моделей дирижабля с различными вариантами оперения и типового элемента вспомогательной силовой установки на базе вентильного электродвигателя;
1.1.4 практические рекомендации по выбору предпочтительных проектных параметров транспортных дирижаблей нового поколения, основанные на структурно-параметрическом анализе аэростатических ЛА жесткого типа с различными вариантами силовой установки в широком диапазоне размерностей (грузоподъемностью от 5 до 1 000 тонн);
1.1.5 технико-экономическая оценка результатов ПНИ;
1.1.6 результаты сравнения полученных теоретических и экспериментальных результатов исследований с современным зарубежным уровнем состояния дирижаблестроения.
1.2 Отчет о патентных исследованиях в соответствии с ГОСТ 15.011-96.
1.3 Методическое обеспечение проведения ОКР индустриальным партнером по разработке транспортного дирижабля жесткого типа, в составе:
- методика и модели по расчету геометрических, энергетических, массовых, эффективностных и экономических характеристик перспективных аэростатических летательных аппаратов;
- метод воздушно-тепловой противообледенительной (противоснеговой) защиты корпуса дирижабля;
- начальные и граничные условия модели теплового расчета противообледенительной системы при различных значениях наружной температуры воздуха, скорости обдувки и интенсивности выпадения снега;
- методика оценки поступающего в корпус ЛА теплового потока, необходимого для борьбы со снегом во время стоянки дирижабля под открытым небом;
- способы швартовки дирижабля к причальным устройствам посредством малочисленной наземной команды.
1.4 Схемотехнические модели электродвигателя, силовых каскадов регулятора мощности и зарядного преобразователя.
1.5 Эскизная конструкторская документация для изготовления:
1) продувочной модели дирижабля с различными вариантами оперения;
2) демонстрационных фрагментов элементов конструкции корпуса жесткого дирижабля из полимерных композиционных материалов;
3) типового элемента вспомогательной силовой установки на базе вентильного электродвигателя малой мощности.
1.6 Экспериментальные образцы:
1) продувочные модели дирижабля с различными вариантами оперения;
2) демонстрационные фрагменты элементов конструкции корпуса жесткого дирижабля из полимерных композиционных материалов;
3) типовой элемент вспомогательной силовой установки на базе вентильного электродвигателя малой мощности.
1.7 Эскизная конструкторская документация для изготовления стенда наземных испытаний вспомогательной силовой установки.
1.8 Стенд для наземных испытаний вспомогательной силовой установки.
1.9 Программы и методики исследовательских испытаний:
- продувочных моделей дирижабля с различными вариантами оперения;
- типового элемента вспомогательной силовой установки на базе вентильного электродвигателя.
1.10 Проекты технических заданий на проведение ОКР:
«Разработка конструкции, технологии изготовления из высокопрочных композиционных материалов и авиационных сплавов корпусов жестких дирижаблей большой грузоподъемности»;
«Разработка вентильного электродвигателя мощностью не менее 60 л.с. вспомогательной силовой установки дирижабля с контроллером»; «Разработка воздушно-тепловой противообледенительной системы корпуса дирижабля».
1.11 Аванпроект многоцелевого транспортного дирижабля жесткого типа нового поколения грузоподъемностью до 10 т.

2.1. Воздушно-тепловая противообледенительная система корпуса дирижабля должна обеспечивать гарантированное плавление снега на поверхности ЛА при его стоянке под открытым небом во время интенсивного снегопада при силе ветра не менее 10 м/с и температуре наружного воздуха выше -5 градусов по Цельсию.
2.2. Новые методы швартовки дирижабля к причальным устройствам должны сократить численность наземной команды до 1-2 человек.
2.3. Воздушно-тепловая противообледенительная система корпуса дирижабля и новые методы швартовки дирижабля к причальным устройствам должны быть применимы к дирижаблям жесткого типа любой размерности и грузоподъемности (от 5 до 1000 тонн).

3. Новизна научных решений ПНИ подтверждается, в частности, тремя патентными заявками, поданными по результатам исследования.

4. Предлагаемые новые конструкторско-технологические и эксплуатационные решения не имеют аналогов в мире.

5. Наилучший способ по доведению результатов ПНИ до его потребителей - это производство на основе разработанных критических технологий экспериментального многоцелевого дирижабля (демонстратора) нового поколения грузоподъемностью до 10 тонн.
Такая работа будет выполнена ЗАО "Аэростатика" по договору с ОАО "РТИ" в 2015-2018 гг. Контракт ОАО "РТИ" с иностранным заказчиком на разработку многоцелевого аэростатического комплекса на базе дирижабля находится на стадии подписания.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Потенциальные области применения дирижаблей нового поколения:
- перевозка грузов в стандартных и специальных контейнерах, перевозка «от двери до двери» крупногабаритных тяжелых грузов на внешней подвеске;
- пассажирские перевозки на малые и средние расстояния;
- континентальные и межконтинентальные круизы, полеты вокруг земного шара;
- проведение спасательных операций на суше и море;
- геологоразведка полезных ископаемых, в том числе железнорудных, алмазоносных и нефтегазоносных структур;
- мониторинг нефтяных и газовых трубопроводов, линий электропередач; экологический мониторинг воздушной и водной среды, земной поверхности региона добычи полезных ископаемых;
- экологически чистая выработка леса, доставка древесины (без ограничений по регионам) к деревоперерабатывающим комбинатам, в том числе с целью получения биотоплива (древесных гранул, дизельного топлива); доставка биотоплива региональным потребителям;
- оперативное обнаружение и эффективное тушение лесных пожаров посредством универсального аэростатического комплекса на базе дирижабля с использованием средств пожаротушения нового поколения;
- доставка тяжелого и крупногабаритного нефтяного и газового оборудования, в том числе буровых скважин, в труднодоступные регионы; транспортировка турбин от заводов-производителей до электростанций;
- транспортировка газообразного и сжиженного природного газа и гелия до мест потребления;
- безопасная и экономичная доставка вахтовых бригад газовиков и нефтяников к месту работы;
- несение патрульной службы, охрана сухопутных территорий и акваторий, связь, инструментальная (оптическая, телевизионная, радиотехническая, радиолокационная, инфракрасная) разведка.

2. Планируется разработка:
- многоцелевого транспортного дирижабля грузоподъемностью до 10 тонн (по заказу ОАО "РТИ", 2015-2018 гг.);
- беспилотного средневысотного дирижабля с массой целевой нагрузки до 3 тонн (МО РФ, 2016-2019 гг.).

3. Новые конструкторско - технологические решения по изготовлению корпуса дирижабля жесткого типа из полимерных композиционных материалов позволяют:
- снизить на 25-30% массу конструкции по сравнению с конструкциями, выполненными из авиационных высокопрочных металлов;
- уменьшить трудоемкость общей сборки ЛА в 3-5 раз по сравнению с жесткими дирижаблями первого поколения.
Воздушно-тепловая противообледенительная система корпуса дирижабля к причальным устройствам позволяют:
- снизить численность наземной швартовочной команды до 1-2 человек;
- производить посадку дирижаблей на площадки малого размера;
- осуществлять круглогодичную стоянку дирижаблей под открытым небом в любой климатической зоне мира.

Текущие результаты проекта:
Разработаны следующие документы:
- отчет о ПНИ;
- отчет о патентных исследованиях;
- эскизная конструкторская документация для изготовления экспериментальных образцов;
- акты изготовления экспериментальных образцов;
- программы и методики исследовательских испытаний экспериментальных образцов;
- акты и протоколы исследовательских испытаний экспериментальных образцов;
- акт ввода в эксплуатацию стенда наземных испытаний вспомогательной силовой установки;
- методическое обеспечение и исходные данные для проведения ОКР;
- проекты технических заданий на проведение ОКР;
- аванпроект многоцелевого транспортного дирижабля.