Проект "Дирижабль: пережиток прошлого или светлое будущее?"

В процессе проведения работы над исследовательским проектом по экологии на тему «Дирижабль: пережиток прошлого или светлое будущее?» обучающаяся 11 класса дала историческую ретроспективу дирижаблестроения на фоне прогресса технологий и изменяющихся социальных запросов.

Подробнее о работе:

В готовом исследовательском проекте по экологии на тему «Дирижабль: пережиток прошлого или светлое будущее?» автор рассмотрела современный этап в дирижаблестроении и социально-экономические стимулы к использованию дирижаблей нового поколения, а также показала возможность расширения сферы использования дирижаблей.

Оглавление

Введение

1. Дирижабли вчера, сегодня, завтра
2. Эра дирижаблей
3. Современный дирижабль

Заключение
Список использованных источников

Введение

Данный проект посвящен рассмотрению истории дирижаблестроения, его роли в развитии общества и технологий. А также изучению биоэкологических аспектов исторического и современного конструирования и использования дирижаблей.

Актуальность этой работы связана с тем, что в сфере воздухоплавания аппараты аэростатического типа (легче воздуха) никогда не утрачивали своего особого предназначения.

Появившись на 120 лет раньше самолета (разница между 1 полетом монгольфьера во Франции в 1783г. и 1-м полетом аэроплана братьев Райт в 1903г. в США) они в силу своих физических характеристик обладали возможностями, долгое время недоступными для самолетов.

Технологическим венцом этих направления в воздухоплавании стали управляемые аппараты легче воздуха, которые назвали дирижаблями. И хотя многие думают, что сегодня дирижабли навсегда уже «сошли со сцены», я в своей работе постараюсь доказать, что они просто отодвинулись на время за кулисы.

Незнание материала об одном из видов воздушного транспорта (дирижабля) может быть восполнено презентационным вариантом в рамках предмета биология, исходя из того, что этот вид транспорта является экологически чистым.

Цель: создать презентацию, содержанием которой будет рассказ об прошлом, настоящем и будущем дирижабля.

Задачи:
Задачи данного проекта, продиктованные необходимостью достижения его цели, можно сформулировать следующим образом:

1. Дать историческую ретроспективу дирижаблестроения на фоне прогресса технологий и изменяющихся социальных запросов.
2. Рассмотреть современный этап в дирижаблестроении и социально-экономические стимулы к использованию дирижаблей нового поколения.
3. Показать возможность расширения сферы использования дирижаблей с учетом их эколого-биологической безопасности.

На бумаге первый дирижабль был спроектирован в 1804г. Жан Батистом Мари Шарлем Мёнье. Революционность его предложения заключалась прежде всего в форме самой аэростатной части аппарата – вместо круглой на то время (как у Монгольфье) Мёнье предложил эллипсоидную (сигарообразную) форму для улучшения аэродинамических свойств за счет снижения встречного движению сопротивления воздуха и удобства в рулевом управлении (руль на чертежах Мёнье сильно походил на рыбий хвост).

Изменяя объём газа в аэростате путём использования баллонета (небольшого внутреннего газопроницаемого отсека), можно было регулировать высоту полёта дирижабля.

Однако в реальной жизни проект воплощен не был поскольку предполагал движение на явно недостаточно ручной тяге посредством крыловидных весел, внешне напоминая таким образом скорее воздушную галеру(корабль). Тем не менее данный аппарат был предложен его изобретателем Наполеону в его Булонском лагере, где тот готовился к высадке десанта в Британии. Наполеон отверг эту идею как, впрочем, и идею парохода (о чем в последующем сожалел).

А первый реальный дирижабль с паровым двигателем конструкции Анри Жиффара, позаимствовавшего идеи Мёнье впервые совершил первый полет более чем полвека спустя — 24 сентября 1852г.

Однако данная конструкция длинной около 38 м. с привязанной на тросах гондолой (помещение для людей) около 5 м. с размещенным в ней-же паровым двигателем мощностью около 4,5-5,0 л.с. и рулевым приводом сразу выявила ряд ключевых недостатков - паровая машина оказалась слишком маломощной и одновременно тяжелой.

Несущий двигатель имел не пропеллерную, а менее эффективную по воздухозаборности лопастную конструкцию.
В результате аппарат развил скорость не более 4 узлов (порядка 15 км. /час) при которой эффективное руление оказалось практически невозможным.
И в итоге он всего лишь в ходе испытаний пару раз благополучно перелетал в безветренную погоду почти по прямой, около 1,7 км на высоте 70-90 м. над Венсенским лесом (тогда еще в пригороде Парижа) с одной поляны на другую.

Разумеется, такой аппарат сочли бесполезным как в гражданских, так и в военных целях.
И интерес к дирижаблям сохранялся, но его практическое воплощение по-прежнему требовало появление достаточно мощных и легких двигателей.

Очередной технологический рывок в дирижаблестроении пришелся на 1884 год, который ознаменовался первым управляемым свободным полётом (руление успешно осуществлялось как по высоте, так и на боковых скоростях) на французском военном дирижабле.

Длина дирижабля составляла порядка 50 м, объём баллонетов около 1950 м³, за 23 минуты было преодолено расстояние в 8 км. с пропеллерными электрическим двигателем мощностью чуть более 8,5 л.с.

Таким образом этот дирижабль развил уже скорость порядка 37 км. /час и имел более прогрессивную конструкцию. А именно: он был с гондолой, крепившейся к основному баллону аэростата, а не на тросах как его предшественник более 30 лет до того. И сам руль, достаточно больших размеров управляемый тросовым приводом из гондолы, крепился на хвосте аэростата, а не на гондоле, что делало горизонтальное руление более эффективным.

Также надо отметить, что оба этих прототипа дирижабля (1852 и 1884 гг.) использовали подъемную силу плохо очищенного высокотоксичного водорода (очистка порядка 91-92% с примесями углеводородов, сероводорода и некоторых «тяжелых» ядовитых газов), получаемого действием серной кислоты на железные стружки (метод Сезара Шарля, открытый еще в конце 70-х годов XVIII века).

Но главными творцами классических дирижаблей стали все же немцы на рубеже XIX-XX веков. Заимствовав французские идеи, немецкий конструктор граф Фердинанд фон Цепеллин воспользовался для конструкции своего дирижабля как собственным новаторским подходом, так новейшими для своего времени изобретениями.

В их числе можно назвать прежде всего:

1. дизельный двигатель внутреннего сгорания (как достаточно мощный и при том гораздо менее «огнеопасный» по сравнению с бензиновым);
2. разработка недорогого метода производства высокоочищенного водорода, получаемого в промышленных масштабах методом паровой переработки метана и природного газа (очистка 98% и выше - подъемная сила в 1,55- 1,60 раза более чем у водорода, полученного по методу Шарля);
3. появление легких и прочных алюминиевых сплавов для обеспечения жесткости баллона дирижабля для придания ему большей устойчивости и управляемости засчет улучшения аэродинамических свойств в максимально вытянутом эллипсоиде.

В итоге появилась классическая конструкция немецкого дирижабля (рисунок 1), получившего в мире название Цепеллин в честь его создателя, хорошо зарекомендовавшего себя в первые десятилетия XX века как в гражданской так и в военной сфере.

Рис. 1 Дирижабль класса Цепеллин

Таким образом время классических дирижаблей пришло точно на границе двух веков - в 1900-м, когда граф Цеппелин провел демонстрационный полет большого водородного дирижабля LZ-1 (значение литер - «Luftschiff Zeppelin) с примерно такими характеристиками:

• Объем: 11000 м3;
• Диаметр: 12 метров;
• Длина: 128 метров;
• Скорость: 28-30 км/ч;
• Высота полета(средняя): 400 метров;
• Грузоподъемность 12,5 тонн;
• Двигатели: 2 × 11 КВт.(в сумме 30 л.с.).

Надо сказать, что дирижабли, в первую очередь, массово пригодились не на гражданском поприще, а на фронтах 1-й Мировой войны (1МВ), поскольку даже самые тяжелые бомбардировщики того времени не могли брать на бомбовую нагрузку свыше 1-й тонны, в то время как немецкие дирижабли могли брать до 12-14 тонн. Всего к 1917-му году в одной только Германии было построено 178 дирижаблей.

Однако уже к концу IМВ значение дирижаблей в качестве бомбардировщиков практически свелось к нулю ввиду активного противодействия им высокоманевренной истребительной авиации, вооружившейся к середине 1917 года (на Западном фронте) крупнокалиберными высокоскоростными пулеметами. Также военному использованию дирижаблей стало препятствовать развитие противовоздушной обороны с появлением зенитных орудий в сочетании с проекторной подсветкой.

В таких условиях слабые стороны дирижаблей – их тихоходность (даже при попутном ветре самые быстрые из них не могли развить скорость свыше 80-90 км/час. в то время как противодействовавшие им истребители могли уже развивать свыше 200 км./час) их малая маневренность и большие габариты, делавшие их прекрасной мишенью для ПВО проявили себя по максимуму.

Однако с окончанием войн уже в мирное время, начиная с 20-х годов XX века начался новый бурный расцвет дирижаблей. Ведь они по-прежнему в разы превосходили по грузоподъемности аэропланы только-только начавшей появляться гражданской авиации. Также экономически выгодным использование дирижаблей делала сравнительная простота их эксплуатации.

Дирижаблю не нужно аэродромной инфраструктуры – достаточно просто посадочных мачт и залов прилета/отлета с терминалами погрузки-разгрузки – можно строить хоть посреди чистого поля. Более экономичным был и расход топлива на длинных дистанциях.

Все это позволило дирижаблям уже к середине 20-х годов начать осуществлять регулярные грузопассажирские перелеты через Атлантику (первый рейс совершил построенный на основе трофейного Цепеллина британский дирижабль R34, еще в 1919 году) по маршрутам из Лондона, Парижа, Рима и Берлина в Нью-Йорк, Бостон и Монреаль.

Этот период 1920-1937 гг. можно назвать «золотой эрой» дирижаблей. Когда на них даже покоряли полюса планеты – как это сделал Рауль Амундсен на дирижабле «Норвегия» (конструктор Умберто Нобиле) с Шпицбергена через Северный Полюс на Аляску в 1926 году. Дирижабли к тому времени стали намного более метео устойчивыми и перешагнули скоростной порог в 100 км/час, летая со скоростью 115-135 км./час.

В СССР их тоже строили с немалым энтузиазмом, начиная с 1923 года. По размерам они намного уступали западным аппаратам и практически не использовались как средства гражданской авиации – только для перевозки спецгрузов и спец-пассажиров, а также в военных целях.

Тем не менее, в 1937 году самому крупному из советских дирижаблей «СССР-В6» - объём 18 500 м³ - удалось установить мировой рекорд продолжительности полёта = 130 часов и 27 минут. Последним из созданных в СССР дирижаблей был «СССР-В12 бис», построенный в 1947 году.

Эта эра трагически закончилось взрывом самого крупного в истории дирижабля «Гинденбург» 6 мая 1937 года под Нью-Йорком после завершения им очередного трансатлантического рейса (рисунок 2).

Крушение дирижабля «Гинденбург»

Официально причиной считаются ошибочные действия экипажа, но многие до сих пор придерживаются мнения что это была диверсия. Из 97 человек на борту, погибли 35 (13 пассажиров, 22 члена экипажа), а также 1 человек на земле.

Как известно, после взрыва «Гинденбурга» трансатлантические перелеты на дирижаблях прекратились в северном полушарии практически еще с 1938г. Хотя вплоть до июня 1937г. «Граф Цепеллин» - старший брат «Гинденбурга, но более скромный по размерам и прочим характеристикам, хотя и не менее комфортабельный, совершил еще несколько рейсов в Южную Америку по маршрутам Берлин -Гавана.

Берлин -Каракас, Берлин -Рио де Жанейро, Берлин -Буэнос-Айрес.
Однако уже со 2 половины 30-х годов начался процесс вытеснения дирижаблей самолетами. Пионером стал еще поршневой гидросамолет «Каталина» с 18 пассажирскими местами, совершавший беспосадочный перелет Нью-Йорк-Лондон за 15 часов с крейсерской скоростью 350 км/час.

К дирижаблям были применены новые требования по части пожаробезопасности – использовать в аэростатах только гелий. Но поскольку производство гелия во много раз дороже производства водорода (это и сегодня так), то использование таких дирижаблей – тем более с учетом необходимых конструктивных изменений под менее легкий гелий (H2 тяжелее Н) – становилось практически нерентабельным.

Вскоре разразилась Вторая Мировая Война, в которой дирижабли по понятным причинам уже никак не участвовали. А после нее о них просто забыли в эпоху стремительно развивающейся авиационной техники, когда уже к началу 60-х годов трансатлантические и любые дальние перелеты (как пассажирские, так и грузовые) массово застолбили за собой реактивные авиалайнеры.

Однако начиная с 80-х годов прошлого века, о них новь вспомнили. Оказалось, что они по-прежнему гораздо удобнее самолетов в силу все тех же качеств дешевизны обслуживания и простоты инфраструктуры, о которой уже говорилось выше применительно к их «победе над самолетами» в 20-е годы.

Но только не в развитых странах, а в странах развивающихся и даже просто малообеспеченных, с достаточно стабильными геоклиматическими и геополитическими условиями для эксплуатации дирижаблей. Такими странами прежде всего стали африканские страны экваториальной и субэкваториальной зоны (пустыни, полупустыни, саванна, сахель).

Именно там современными, сравнительно небольшими, но технически высоко оснащенными дирижаблями гораздо дешевле доставлять оборудование к месторождениям и продукты к голодающим нежели вертолетами и тем более самолетами, требующими для себя аэродромов.

Тем более, что современный дирижабль может обходиться даже без специальной вышки, а разгружаться там, где он не может непосредственно приземлиться (например, в силу рельефа местности), в «якорном» положении, когда, используя чувствительные к силе и направлению компьютеризированные системы двигательной стабилизации (якорные системы -ЯС) позволяют дирижаблю надолго зависать практически на 1 месте (как вертолету, но дольше и стабильнее) на высоте не более 2-3 метров.

Это позволяет ему разгружаться непосредственно из своих грузовых отсеков, например даже на построенные на скорую руку деревянные платформы или сбрасывая с такой минимальной высоты грузы прямо на землю (при этом самые ценные может осторожно выкладывать роботизированная рука-манипулятор).

Будем помнить, что современные дирижабли (рисунок 3), могут выходить на крейсерскую скорость порядка 150-200 км/час, намного дольше других летательных аппаратов, находиться в воздухе, преодолевая без посадки достаточно большие расстояния.

При этом такие аппараты способны перемещать довольно большое количество груза с весьма низкой, по сравнению с другими летательными аппаратами, стоимостью тонно-километра.

Также современный дирижабль благодаря свои ЯС может не только приземляться, но и приводняться, не оказывая при этом полного «архимедовского» давления на воду (также как и на землю в зоне болот), что делает его еще более проникающим и эффективным по сравнению с тем же вертолетом большой грузоподъемности (наподобие «Чинука» и т.п.).

Открылись и новые сферы для применения дирижаблей в развитых странах. Например, круизный бизнес в туристической отрасли. Именно для турбизнеса дирижабль как транспортное средство (ТС) крайне интересен своей безопасностью.

Ведь даже в экстремальной ситуации утечки газа – например в результате форсмажорного повреждения обшивки аэростата (вследствие попадания ракеты, например) он не обрушится на землю, а медленно опустится.

И что сегодня важно особенно, дирижабль – экологичен. Даже самые огромные из дирижаблей в проекте имеют четыре дизельных двигателя, выхлоп которых сильно меньше любого из авиационных двигателей.

Поэтому нет ничего удивительного, что уже почти 10 лет, как круизный дирижабль на 38 мест совершает полеты над Боденским озером - крупнейшим озером альпийской зоны, расположенном на стыке границ Германии, Австрии и Швейцарии.

Круизный дирижабль над Боденским озером.

Также один интересный факт: в России, начиная с 2011 года, рассматривался ряд проектов создания аэрокруиза на дирижабле по маршруту Золотого кольца России. Но, к сожалению, дальше проекта дело так и не продвинулось.

Современные технологии позволяют строить огромные дирижабли, размеры которых позволят установку на их поверхностях солнечных батарей и использование электромоторов. Такие дирижабли вообще способны будут заменить значительную часть морского транспорта на круизных маршрутах.

И это будет максимально выгодно для экологии и биоразнообразия, например того же Карибского бассейна, как одного из самых загруженных круизными маршрутами (в том числе и на суперлайнерах) в мире. Поскольку любой водный транспорт неизбежно оставляет за собой в воде след отработанного топлива.

Однако надо понимать, что такое развитие событий не устраивает очень многих (тех же хозяев круизных лайнеров, авиаперевозчиков, завязанных на них туроператоров, сервисные службы. Поставщиков авиатоплива и т.д. и т.п.).

А одним из способов сдерживания дирижаблестроения является запрет на использование намного более дешевого по сравнением с гелием водорода, который отнюдь не так взрывоопасен, как утверждают «противники» дирижаблей, если к нему добавлять ингибитор горения (вещество, останавливающее химические процессы) – пропилен.

Тот самый дешевый углеводород, который массово производится сегодня в качестве сырья для производства пластика - полипропилена.

И надо сказать, что данный запрет на водород, как несущий газ для дирижаблей выглядит сегодня уже особенно нелогично, поскольку развивается водородная (экологически чистая) энергетика. На водород, в качестве топлива, переводят автотранспорт, а в ближайшей перспективе и те же авиалайнеры.

В плане итоговых выводов данной работы можно сказать следующее:

• Хотя золотая эра дирижаблей миновала уже давно, однако потенциал дирижабля как ТС далеко не исчерпан. Я считаю, что современные технологии позволяют ему вновь выйти на авансцену истории, заняв подобающую ему и экономическую, и экологическую нишу.
• От массовой замены водного транспорта и самолетно-вертолетного парка на дирижабли выиграет глобальная экология и во многих регионах мира (Карибский бассейн, Средиземное море и ряд других туристических кластеров, восстановится биологическое разнообразие.)
• У восстановления глобальной роли дирижаблей на мировой технологической арене есть серьёзные противники, и преодолеть их сопротивления может только концентрированная политическая воля правительств и народов развитых стран, по-настоящему озабоченных биологическим потенциалом нашей планеты.

Презентация, содержанием которой стал рассказ об экологически чистом виде транспорта (дирижабле), стала частью ряда уроков биологии в 7-9 классах. Учащиеся эмоционально восприняли материал, задавая при этом много вопросов. Апробация подтвердила необходимость внедрения этого материала как элемента дополнения, разнообразия хода урока на примере состоявшихся уроков.

1. Обухович В. А., Кульбака С. П. Дирижабли на войне. М. 2005.
2. Книга Виктора Владимировича Гончаренко. "Как люди научились летать". Калининград: "Веселка", 1986.