Журнал «Вокруг Света» №02 за 2008 год

Возвращение цеппелина

22

Что бы вы подумали, услышав о заказе на постройку 29 новых паровозов для европейских железных дорог? А о внезапном повышении спроса на механические арифмометры? Скажете — шутка? А между тем немецкая компания Zeppelin начинает производство новых дирижаблей, призванных заменить междугородние автобусы и грузовые суда, строительные краны и сотовые ретрансляторы.

Казалось, с развитием авиации дирижабли безвозвратно ушли в историю вместе с паровыми машинами и ветряными мельницами. Но в последние годы ситуация стала меняться. Можно утверждать, что крах дирижаблей был обусловлен не столько техническими проблемами, сколько общественным мнением, особенно укрепившимся в предубеждении против дирижаблей после катастрофы «Гинденбурга» в 1937 году. Между тем еще задолго до того инженеры знали, что для наполнения дирижаблей следует использовать гелий, но крупные месторождения гелия были в тот момент обнаружены только в Техасе, а американское правительство не желало поставлять фашистской Германии стратегическое сырье. (Гелий добывается из природного газа, но его процентное содержание в газе обычно очень невелико.)

Сыграла свою роль и тихоходность пассажирских дирижаблей. В этом они сильно проигрывали самолетам, сократившим путешествие через океан с нескольких дней до десятков часов. Однако современная экономика создает множество новых ниш, для которых тихоходность транспортного средства не является недостатком. И вот спустя два века после первого полета и полувека забвения дирижабли вновь возвращаются в небо.

Двухместная гондола патрульного дирижабля Au-12м. Длина оболочки — 34 м, объем — 1250 м3, скорость — до 100 км/ч

Реабилитация тихохода

Недавно российский дирижабль Au-12 первым в нашей стране получил сертификат типа воздушного судна и разрешение на серийное производство. Он рассчитан на двух человек и способен провести в воздухе до шести часов. Несколько Au-12 уже заказано правительством Москвы для патрулирования улиц города.

В деле наблюдения за поверхностью Земли дирижабль имеет преимущества как перед авиацией, так и перед спутниками. В зависимости от решаемой задачи он может находиться на высоте от сотни метров до десятков километров, охватывая территорию от городского района до небольшой европейской страны. Причем наблюдения могут вестись часами и даже днями из неизменного положения, что недоступно ни авиации, ни спутникам (кроме геостационарных, которые из-за удаленности имеют низкое разрешение). И при этом дирижабли гораздо дешевле в эксплуатации.

В условиях всевозрастающей загруженности автомобильных дорог очень привлекательным выглядит применение дирижаблей для междугородних пассажирских перевозок. Созданный в Германии Zeppelin NT предназначен для перевозки 12 пассажиров. Он имеет жесткий каркас из углеродного волокна, который при 80-метровой длине летательного аппарата весит всего одну тонну. При стандартной загрузке Zeppelin NT имеет отрицательную плавучесть — он на полтонны тяжелее вытесняемого им воздуха, поэтому взлет обеспечивается за счет изменения вектора тяги его двигателей. При этом их мощности достаточно для того, чтобы удерживать аппарат в воздухе при потере до трети гелия из оболочки. В проекте у компании Zeppelin дирижабль, способный брать на борт до 200 пассажиров.

Большая грузоподъемность такого дирижабля и плавность полета открывают перспективы использования его в качестве круизного лайнера или полнофункционального летающего бизнес-центра. На нем можно проводить семинары, конференции и симпозиумы. Заказчики могут использовать дирижабль и в качестве частной яхты — варианты бесконечны.

Треугольная призма из ферм поддерживает оболочку дирижабля Zeppelin NT. Винты поворачиваются, меняя вектор тяги

Сухогруз, госпиталь, пожарный

Большие дирижабли по себестоимости перевозки грузов сравнимы с морским транспортом — самым дешевым на сегодняшний день способом перемещения грузов на большие расстояния. Помимо этого, требования к условиям посадочной площадки для дирижаблей минимальны. Например, буровую вышку этим транспортом можно доставить прямо на место ее установки (правда, обыкновенному дирижаблю нужны «посадочные тормоза», но об этом ниже). Тихоходность дирижабля в таких задачах не является критическим недостатком. Например, скорость морского судна составляет не более 50 км/ч, а железная дорога работает еще медленнее из-за того, что составы сутками простаивают на сортировочных станциях. Особенно эффективно применение дирижаблей в районах со слаборазвитой транспортной инфраструктурой: на Крайнем Севере, в Сибири, Африке, Южной Америке.

Принципиальных ограничений на величину перевозимого груза нет. Допустим, у нас есть дирижабль, поднимающий 100 тонн груза. Соединив его фермой с другим таким же, мы получаем катамаран, способный поднять 200 тонн. Добавив еще один корпус, получим тримаран, поднимающий 300 тонн. Конечно, «соединить фермой» — дело не минутное, однако из этого примера ясно, что можно придумать компоновку корабля, способного поднять в воздух и тысячу, и 10 тысяч, и даже 100 тысяч тонн. В одном из проектов стратосферной исследовательской платформы NASA предусмотрена постройка дирижабля в форме диска диаметром 15 километров, способного месяцами оставаться на высоте 30—40 километров. И это не научная фантастика, как может показаться на первый взгляд, а обоснованный и тщательно рассчитанный реальный проект.

К этой передвижной мачте причаливал дирижабль, который патрулировал Афины во время Олимпийских игр 2004 года

Компания CargoLifter разрабатывала летающий подъемный кран, способный забирать грузы на заводе-изготовителе и доставлять их непосредственно на место строительства за тысячи километров. Дирижабль CL 160 грузоподъемностью 160 тонн построен по полужесткой схеме: надувной корпус и жесткий алюминиевый киль, несущий основные нагрузки.

К последнему крепятся 16 двигателей, которые обеспечивают дирижаблю повышенную маневренность, необходимую при выполнении монтажных работ. Компания была настолько уверена в успехе, что объявила о планах выпустить в следующем десятилетии 200 подобных судов (впрочем, к моменту написания текста ее постигло банкротство).

Около десяти лет назад во время сильного наводнения в Мозамбике британские военные пытались организовать эвакуацию местного населения из труднодоступных районов; для этого им пришлось разобрать четыре вертолета, погрузить их в транспортный самолет и снова собрать на месте. К этому времени наводнение закончилось и необходимость в эвакуации отпала.

Но даже успей спасатели вовремя, то после прибытия на место на вертолетах или транспортном самолете они, в лучшем случае, сумеют развернуть в районе бедствия полевой госпиталь, в котором все равно не будет всего спектра оборудования, какое бывает в стационарных больницах. Тогда как на большом дирижабле можно оборудовать не просто центр первой помощи, а современный госпиталь с реанимационным отделением, операционными, стационаром, гостиничным комплексом для проживания персонала и висящими садами для прогулок выздоравливающих больных.

Вот другой пример: ежегодные мировые экономические убытки от лесных пожаров составляют около 16 миллиардов долларов. Обычно крупные пожары тушат с воздуха с помощью специально оборудованных самолетов и вертолетов. Однако запас воды, который может доставить самолет, ограничен несколькими десятками тонн. Вертолет, даже крупный, возьмет на борт еще меньше. А большой дирижабль способен унести за один вылет десятки железнодорожных цистерн воды (в одной цистерне — от 60 до 70 тонн). Опустошительные прошлогодние лесные пожары в Греции и Калифорнии могли бы быть потушены с помощью подобной техники за несколько дней.

Первый дирижабль Фердинанда Цеппелина поднялся в воздух 2 июля 1900 года. На фото — один из его «потомков»

Dirigeable — значит «управляемый»

«На тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила, равная весу вытесненной жидкости» — этот известный закон был сформулирован Архимедом больше двух тысяч лет назад. Удивительно, но прошло полтора тысячелетия, прежде чем Торричелли сумел взвесить воздух и распространить закон Архимеда на газы, и еще полтора столетия понадобилось для появления первого воздушного шара братьев Монгольфье. Название «дирижабль» происходит от французского слова dirigeable — «управляемый». Первую попытку построить подобный аэростат предпринял Жан Пьер Бланшар уже через год после полетов Монгольфье. В 1785 году он сумел пересечь Ла-Манш на воздушном шаре с машущими крыльями, приводимыми в действие мускульной силой аэронавта, однако даже слабый встречный ветер сносил аппарат назад. Попытки снабдить воздушный шар механическим двигателем предпринимались с начала XIX века, но отсутствие двигателей, настолько мощных, чтобы противостоять ветру, и одновременно таких легких, чтобы вся конструкция смогла оторваться от земли, обрекало эти попытки на неудачу, пока не появились двигатели внутреннего сгорания. Уже после первых полетов Монгольфье стало очевидно, что использовать водород для наполнения аэростатов куда эффективнее, чем нагретый воздух. Помимо водорода в аэростатах и дирижаблях использовался светильный газ — смесь угарного газа, водорода и метана. Его было несложно производить в больших количествах путем сухой перегонки каменного угля. Этот же газ использовался в качестве топлива для двигателя, что было весьма удобно — газ можно было брать прямо из оболочки. Таков был дирижабль Хенлейна, построенный в 1872 году. Двигатель мощностью 5 л. с. позволял дирижаблю развивать скорость до 19 км/ч. Массовое строительство дирижаблей началось в XX веке и связано в первую очередь с именем Фердинанда Цеппелина. Крупнейшие дирижабли, построенные его компанией, могли перевозить до сотни пассажиров со скоростью более 100 км/ч на расстояния более 10 тысяч километров. Один из крупнейших дирижаблей — «Граф Цеппелин» — выполнил с начала пассажирских перевозок в 1928 году 590 безаварийных полетов, в числе которых кругосветное путешествие, совершенное им за 21 день.

Гибридные дирижабли

Изучение катастроф дирижаблей в первой половине XX века показало, что причиной большинства аварий была их недостаточная маневренность. Единственным активным аэродинамическим элементом такого транспорта является его хвостовое оперение. В отличие от самолета дирижабль имеет при посадке слишком низкую скорость, что делает аэродинамические рули неэффективными. В момент причаливания к мачте экипаж такого судна может рассчитывать лишь на действия наземной команды. «Гинденбургу» для причаливания требовалась наземная команда из 200 человек. Даже намного более скромному по размерам рекламному дирижаблю Goodyear нужны 15 человек. Использование людей в качестве воздушных тормозов делает эксплуатацию дирижабля очень дорогой, а сами «тормоза» зачастую оказываются неэффективными. Например, грузовой дирижабль, рассчитанный на перевозку тысячи тонн полезного груза, в разгруженном состоянии будет тянуть в небо с силой, равной этой же тысяче тонн! Ни о какой доставке груза на необорудованную площадку, где отсутствует возможность закрепить швартовы, способные удержать рвущегося в небо гиганта, не может быть и речи. Решение этой проблемы было найдено в России. Если дирижабль оборудован достаточно мощными двигателями, то не обязательно компенсировать гелием весь его вес. Достаточно лишь скомпенсировать разницу между весом корабля и силой тяги двигателей. А в горизонтальном полете дополнительная подъемная сила будет создаваться за счет специальной формы корпуса — выпуклого сверху и плоского снизу, работающего подобно крылу самолета. Такая схема дирижабля получила название гибридной.

Несмотря на кажущуюся простоту идеи, первый гибридный дирижабль, или, как его назвали создатели, «безаэродромный летательный аппарат с аэростатической разгрузкой», был запатентован лишь в 1987 году с закреплением приоритета за Россией. Тогда же был построен действующий прототип — безаэродромный самолет «Бэлла-1».

Из этой идеи вырос российский проект «Фиалка», в рамках которого разработаны аппараты различной грузоподъемности, дальности и быстроходности. В 1980-х годах в Тюмени построили действующий прототип такого летательного аппарата. Интересно сравнить технические характеристики старшей модели «Фиалка-35» с самым крупным в мире транспортным самолетом Ан-225.

ХарактеристикаФиалка-35 АН-225 Взлетная масса, т 493 600 Суммарная мощность двигателей, кВт 44670 138000Крейсерская скорость, км/ч 180 800 Перегоночная дальность, км 40000 14700 Целевая загрузка, т, при дальности 4500 км 286 200 Взлетная/посадочная скорость, км/ч 60/60 250/260 Требования к взлетно-посадочной площадке Естественная площадка: озеро, река, болото, сельскохозяйственное поле. Специально подготовленная взлетно-посадочная полоса длиной 3500 м.

Аналогичные идеи использовала компания Aeros при проектировании летательного аппарата Aeroscraft. Гелий, наполняющий его оболочку, компенсирует только две трети веса воздушного судна. В горизонтальном полете тяга создается двумя воздушными винтами, приводимыми в действие электрическими двигателями, ток для которых вырабатывается водородными топливными элементами. Для вертикального взлета и посадки судно дополнительно оборудовано шестью турбовентиляторными реактивными двигателями.

Предполагается, что первый опытный экземпляр Aeroscraft ML 866 появится уже в 2010 году. Коммерческий же вариант сможет перевозить сотню пассажиров на расстояние до 5 000 километров со скоростью 200 км/ч на высоте около 3 500 метров. Перелет из Москвы во Владивосток, например, займет почти сутки, что втрое превышает время, которое сейчас тратит пассажир самолета, но следует учесть, что комфорт такого путешествия будет несравним с авиационным. Пассажирам не придется восемь часов сидеть в кресле — им предложат просторные каюты, ресторан, кинозал, прогулочную палубу, возможно, бассейн со спортзалом, словом, весь набор услуг, предлагаемый пассажирам круизного лайнера, при этом стоимость перелета оказывается в несколько раз ниже, чем на самолете.

Еще более интересен проект дирижабля SkyCat (сокращение от Sky Catamaran — небесный катамаран). Планируется выпустить три модели: SkyCat-20, SkyCat-220 и SkyCat-1000 грузоподъемностью соответственно 20, 200 и 1 000 тонн. Это гибридные дирижабли, имеющие форму катамарана, что обеспечивает лучшую устойчивость в воздухе. В проекте SkyCat использована принципиально новая форма корпуса, представляющего собой два баллона, соединенных посередине и имеющих профиль самолетного крыла. В горизонтальном полете до трети подъемной силы обеспечиваются аэродинамикой. При посадке плоская нижняя поверхность делает воздушное судно менее уязвимым по отношению к боковому ветру, столь опасному для классических дирижаблей. По мере приближения к земле гигантские вентиляторы начинают нагнетать воздух под днище судна, создавая воздушную подушку, а сразу же после касания вентиляторы переключаются на всасывание, надежно фиксируя дирижабль на земле.

Гибридные дирижабли Aeroscraft проектируются в нескольких вариантах. Грузовой Aeroscraft Freight сможет брать на борт до 60 тонн. Пассажирский Aeroscraft ML 866 будет иметь площадь внутренних помещений 500 м2, на которых и можно разместить летающий офис, гостиницу или частные апартаменты. За сутки он сможет преодолевать до 5 тысяч километров, двигаясь на высоте от 2 до 3,5 километра. Компания Aeros планирует начать летные испытания в 2010 году

Невыполненные дирижабли

Оболочка жесткого дирижабля не может расширяться, и объем вытесняемого ею воздуха по мере подъема аппарата остается постоянным, в то время как плотность воздуха с высотой уменьшается. На некоторой высоте вес вытесненного воздуха сравняется с весом дирижабля и дальнейший подъем прекратится. Поэтому высотные дирижабли строятся по так называемой «невыполненной» схеме. Хотя более точно было бы называть такие дирижабли «ненаполненными», поскольку весь секрет состоит в том, чтобы не наполнять оболочку газом под завязку, а оставить ей возможность расширяться по мере уменьшения внешнего атмосферного давления при подъеме дирижабля. Возможно, вы обращали внимание на то, что при запуске стратосферных баллонов они выглядят сморщенными вытянутыми луковицами, привязанными стропами к стартовой площадке. Такие баллоны обычно наполнены на 1/10, а иногда даже всего на 1/100 их максимального объема. По мере подъема давление наружного воздуха падает, газ, находящийся внутри баллона, расширяется и подъемная сила остается постоянной. Так происходит до тех пор, пока баллон не надуется полностью и не примет сферическую форму. Если мы наполнили стратостат на 1/10 от его максимального объема, то это произойдет на высоте, где давление воздуха составляет 1/10 нормального атмосферного давления, то есть около 16 километров. Невыполненные дирижабли принципиально не отличаются от невыполненных стратостатов. Первый фактически представляет собой баллон стратостата, называемый «баллонетом», помещенный внутрь жесткой внешней оболочки, позволяющей сохранять неизменными аэродинамические свойства дирижабля. Часто баллонетов в корпусе дирижабля несколько, и изменение степени их наполнения позволяет перераспределять центр плавучести воздушного судна, компенсируя неравномерное распределение груза или внешние воздействия. При подъеме такого дирижабля гелий расширяется и баллонет, раздуваясь, вытесняет воздух из пространства между ним и внешней оболочкой, заполняя на максимальной высоте весь объем корпуса корабля.

Падать будет мягко

Но гибридный дирижабль обладает принципиальным недостатком — как и самолет, он тяжелее воздуха, а значит, в случае отказа двигателей транспорт падает. Однако падение гибридного дирижабля будет более «мягким», чем аварийная посадка самолета, поскольку из-за большой парусности дирижабль будет падать со скоростью не более 100—150 км/ч.

Возможно, вы видели страшные аварии в «Формуле-1», когда гоночный болид на скорости 250 км/ч врезается в ограждение и разлетается на мелкие обломки? После чего пилот зачастую, как ни в чем не бывало, выбирается из остатков кокпита и спокойно отправляется в бокс своей команды. Все дело в особой конструкции гоночного болида: принимая на себя основные нагрузки при столкновении и складываясь, он значительно смягчает удар.

У самолетов такого резерва конструкции нет. Складываясь и разрушаясь при ударе, его корпус неизбежно травмирует пассажиров. В дирижабле пассажирский салон можно разместить таким образом, что при аварии основные нагрузки примут внешние конструкции дирижабля, обеспечив достаточно мягкую «посадку» даже в случае неуправляемого падения летательного аппарата.

При экстренной остановке тормозной путь автомобиля, движущегося со скоростью 100 км/ч, составляет около 60 метров. Для безопасности пассажиров в случае аварии воздушного лайнера необходимо обеспечить такой же тормозной путь пассажирской кабине. При общей длине дирижабля в 200—300 метров это вполне осуществимо.

И все же наибольшие возражения у скептиков вызывает тихоходность дирижабля. Можно оснастить его более мощными двигателями, например реактивными. Но при увеличении скорости возрастает сопротивление воздуха, а значит, двигатели понадобятся еще более мощные, увеличится расход топлива и пропадет весь экономический эффект. Чтобы уменьшить сопротивление воздуха, надо подняться повыше, туда, где плотность атмосферы меньше. А это — еще одно преимущество дирижаблей. «Аэробусы» и «Боинги» не могут летать выше 11 тысяч метров. Из ныне эксплуатирующихся пассажирских самолетов наибольший практический потолок у Ту-154 — 12 500 метров. На этой высоте плотность атмосферы в пять раз меньше, чем на уровне моря. Дирижабль может подняться куда выше. На высоте 16 километров плотность воздуха составляет 1/10 от обычной, на высоте 25 километров — еще в несколько раз меньше. Здесь дирижабль уже становится очень экономичным.

Чтобы достичь такой высоты, он должен быть построен по так называемой «невыполненной» схеме и снабжен двигателями, способными работать в разреженном воздухе. Скорее всего, это будут гибридные турбовентиляторные реактивные двигатели, способные переходить на большой высоте в прямоточный режим работы. Дирижабль, снабженный такими двигателями, будет способен перемещаться на высоте 25 километров со скоростью 650 км/ч. Особенно удобным он окажется для межконтинентальных рейсов. Полет из Москвы в Нью-Йорк или в Токио (7,5 тысячи километров) займет на таком лайнере около 12 часов. А путешествие на другую сторону земного шара (20 тысяч километров) — немногим больше суток, но это будут сутки, проведенные в комфортабельных условиях, а не три перелета по восемь часов с промежуточными посадками.

Вместо спутников связи

Идея поднять ретранслятор так высоко, чтобы он охватывал большую площадь, но в то же время так низко, чтобы можно было ограничиться передатчиком небольшой мощности, возникла после экономического провала проекта спутниковой телефонии «Иридиум». В мире оказалось мало клиентов, готовых покупать дорогие и тяжелые трубки, способные поддерживать связь со спутником, летящим на высоте около 20 тысяч километров. В массовой системе связи чувствительности и мощности обычных сотовых телефонов должно быть достаточно для обеспечения устойчивой связи, и при этом комплекс должен покрывать обширную территорию. Для реализации такого плана компанией «Авгуръ» разработан проект стратосферного дирижабля «Беркут», который поднимается на высоту 20 километров, откуда сможет покрывать территорию в радиусе до 400 километров. В частности, такие дирижабли могут обеспечить сотовую связь даже в открытом море. Энергию для работы обеспечат солнечные батареи — ведь аппарат будет постоянно находиться выше облаков. Такая конструкция позволит месяцами не опускать дирижабль на землю.

Похожий проект разрабатывает и американская компания Sky. Его технические детали пока держатся в строгом секрете. Тем не менее известно, что планируется запустить до 250 беспилотных ретрансляторов на высоту 20 километров и обеспечить тем самым полное покрытие сотовой связью всей территории Северной Америки.

Земная атмосфера служит надежной защитой всего живого от губительного космического излучения и жесткого солнечного ультрафиолета. В результате инфракрасное и ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучение космических объектов, по сути, большую часть электромагнитного спектра нельзя наблюдать с поверхности Земли.

Выводить исследовательское оборудование на орбиту хотя и очень эффективно, но крайне дорого. К тому же на орбите нельзя легко заменить или доработать прибор. Фактически любое серьезное изменение требует запуска нового спутника. В некоторых случаях астрономы поднимают свои инструменты на стратостатах, но тогда длительность наблюдений ограничена временем их полета.

Дирижабль способен достичь высоты в 25—30 километров и оставаться там очень долго практически без затрат топлива. Конечно, 30 километров — не космос, но этого уже достаточно для решения многих наблюдательных задач. А если учесть, что на его борту можно разместить оборудование весом несколько сотен тонн и целый штат сотрудников для его обслуживания, преимущества использования дирижабля в качестве летающей обсерватории становятся очевидными.

Самой сложной стороной многих проектов является не технология, а финансирование. Сегодня не существует никаких технических трудностей, которые бы помешали построить дирижабль любого целевого назначения. Надежность, дальность, скорость, грузоподъемность, комфорт — все эти вопросы давно решены. Проблема состоит лишь в том, чтобы убедить людей, и в первую очередь тех, кто принимает стратегические экономические и государственные решения, в том, что старые технологии могут эффективно использоваться для новых целей.

Алексей Пасечник