Дирижабль жесткой конструкции

Дирижабль жесткой конструкции

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к летательным аппаратам легче воздуха, а именно к транспортно-грузовым дирижаблям жесткой конструкции.

Первый технически обоснованный проект большого грузового дирижабля был предложен в 80-х годах XIX века великим русским ученым К.Э. Циолковским.

В отличие от многих своих современников, Циолковский предлагал построить огромный даже по сегодняшним меркам - объемом до 500000 куб.м - дирижабль жесткой конструкции с металлической обшивкой.

Однако полномасштабный дирижабль построить не удалось; все работы по дирижаблям из-за многочисленных аварий были свернуты не только в СССР, но и во всем мире

Известен дирижабль ДЦ-Н1, включающий корпус, образованный внутренним каркасом, состоящим из шпангоутов и стрингерных балок, и обшивкой, горизонтальное и вертикальное оперение, гондолы силовой установки, шасси, кабину экипажа, грузовую кабину и шасси, установленные на нижней части корпуса (http://jtdigest.narod.ru/dig3_01/dirigabl.htm).

Жесткая оболочка выполнена из композитных материалов, которые легче и прочнее металла.

Известная конструкция обладает рядом существенных преимуществ:

- все силовые нагрузки воспринимает не жесткая оболочка, а силовая ферма, что значительно упрочняет всю конструкцию и в то же время позволяет сделать оболочку достаточно легкой;

- технологичность конструкции при сборке. Конструкция каркаса позволяет собирать его в горизонтальном положении, "на боку", и уже затем, в собранном и отрегулированном виде, поднимать в вертикальное положение. Известен жесткий дирижабль, содержащий корпус, образованный внутренним каркасом и обшивкой, горизонтальное и вертикальное оперение, гондолы силовой установки, шасси, кабину экипажа, грузовую кабину и скеги (US D663255S, кл.D12-319, Aeros Corporation, Монтебелло, штат Калифорния (США).

Недостатками известной конструкции являются:

1) большое аэродинамическое сопротивление конструкции, определяемое:

- наличием цилиндрической части корпуса;

- расположением и формой взлетно-посадочных устройств, т.к. выбранные формы плохо обтекаемы воздухом и не имеют возможности убираться;

2) чувствительность дирижабля к воздействию бокового ветра, т.к. в известной конструкции возникает опрокидывающий момент от оперения, отличающегося большой площадью и высотой расположения на корпусе, и на нижней поверхности корпуса, имеющей криволинейный обвод, могут возникнуть переменные по величине индуцированные силы и моменты;

3. большая относительная длина дирижабля при заданном объеме влечет за собой рост изгибающих моментов и, следовательно, увеличение веса каркаса и оболочки.

Наиболее близким по технической сущности к предложенной конструкции является дирижабль жесткой конструкции фирмы “The Long Endurance Multi-Intelligence Vehicle” (LEMV), включающий корпус, образованный внутренним каркасом, состоящим из шпангоутов и стрингерных балок, и обшивки, горизонтальное и вертикальное оперения, гондолу, предназначенную для размещения силовой установки, кабину экипажа, грузовую кабину и скеги с шасси, установленные на нижней части корпуса (http://www.hightech-edge.com/lemv-locldieed-martin-blimp-surveillance-aircraft 250-ft-long/5121/)

Недостатками известной конструкции являются:

- сложная форма поперечного сечения корпуса, что увеличивает площадь его омываемой поверхности и, следовательно, аэродинамическое сопротивление и вес оболочки;

значительная вредная интерференция большого количества выступающих частей (оперение, скеги, гондолы, грузовая кабина, шасси);

- чувствительность дирижабля при боковом ветре, т.к. для наилучших условий работы не должно происходить резкого изменения сил и моментов.

Техническим результатом, решаемым предлагаемым изобретением, является создание дирижабля жесткой конструкции, позволяющей улучшить характеристики устойчивости при стоянке дирижабля на земле под воздействием бокового ветра, а также упростить и удешевить его конструкцию.

Технический результат в предлагаемом изобретение достигают созданием дирижабля жесткой конструкции, включающего корпус, образованный внутренним каркасом, состоящим из шпангоутов и стрингерных балок, и обшивкой, горизонтальное и вертикальное оперения, гондолу, предназначенную для размещения силовой установки, кабину экипажа, грузовую кабину и скеги с шасси, установленные на нижней части корпуса, в котором, согласно изобретению, обшивка корпуса выполнена из одинаковых панелей, объединенных в секции между двумя последовательно расположенными шпангоутами, а корпус выполнен в виде геометрического тела, симметричного относительно миделя и состоящего из сопряженных по горизонтальной плоскости верхней и нижней частей, причем верхняя часть представляет собой половину тела, образованного вращением эллипса, относительно его продольной оси, а нижняя часть корпуса состоит из основного объема, поперечное сечение которого представляет равнобедренную трапецию, связанную с верхней частью корпуса большим основанием, и двух скегов, с поперечным сечением каждого из них в виде прямоугольной трапеции, обращенной меньшим основанием вниз, а внешняя наклонная сторона трапеции является продолжением боковой стенки основного объема, при этом боковые поверхности нижней части корпуса выполнены наклоненными внутрь к вертикали дирижабля и сопряжены с опорной поверхностью нижней части корпуса по радиусу, причем гондола, предназначенная для размещения силовой установки, установлена на линии сопряжения верхней и нижней частей корпуса в средней части корпуса, а грузовая кабина установлена перпендикулярно продольной оси дирижабля и снабжена, по крайней мере, одним грузовым люком, размещенным на корпусе дирижабля, при этом горизонтальное оперение с размещенным на его концах вертикальным оперением установлено в хвостовой части корпуса

Предложенная симметричная относительно миделя и полукруговая форма поперечного сечения верхней части корпуса позволяет существенно сократить (до 5-7 штук) количество матриц, необходимых для изготовления из композиционных материалов жестких панелей всей верхней обшивки.

Применение в конструкции нижней части корпуса в основном поверхностей одинарной кривизны, т.е. разворачивающихся на плоскость (цилиндрических и конических), позволяет использовать для обшивки серийные листовые панели, что так же снижает стоимость конструкции.

Предлагаемое изобретение позволяет уменьшить изгибающие и опрокидывающие моменты при боковом ветре за счет уменьшения длины и высоты дирижабля, но при увеличении ширины с сохранением заданного объема.

В предлагаемом изобретении за счет формирования несущей, мало выпуклой, цилиндрической в продольном направлении, нижней поверхности корпуса и применения ограничивающих ее по бортам скегов создает условия для возникновения при стоянке на земле на корпусе прижимающей силы.

Кроме этого, применение разнесенного вертикального оперения, установленного по концам горизонтального оперения, позволяет вдвое уменьшить площадь боковой проекции вертикального оперения и суммарную боковую площадь всего аппарата (вертикальное оперение затеняется корпусом), что уменьшает величину силы дрейфа и опрокидывающего момента при боковом ветре.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется нижеследующим описанием и чертежами, где:

На фиг.1 показан предлагаемый дирижабль жесткой конструкции, вид сбоку.

На фиг.2 показан предлагаемый дирижабль жесткой конструкции, вид сверху.

На фиг.3 показан предлагаемый дирижабль жесткой конструкции, вид спереди.

На фиг.4 показан электронный макет предлагаемого дирижабля жесткой конструкции с примером расположения одинаковых панелей обшивки.

Дирижабль жесткой конструкции включает корпус, горизонтальное 1 и вертикальное 2 оперения, гондолу 3, предназначенную для размещения силовой установки, кабину 4 экипажа, грузовую кабину 5 и скеги 6 с шасси 7, установленные на нижней части корпуса.

Корпус выполнен в виде геометрического тела, симметричного относительно миделя и состоящего из сопряженных по горизонтальной плоскости верхней 8 и нижней частей.

При этом каждая часть состоит из соединенных друг с другом известным способом шпангоутов и стрингерных балок каркаса 9 и размещенной на нем композитной обшивки 10.

Авторы на новизну конструкций панелей не претендуют, т.к. известно, что панели могут быть любой известной жесткой конструкции: традиционной каркасированной конструкции, состоящей из обшивки и подкрепляющего набора, трехслойной, или геодезической конструкции (см. Г.И.Житомерский « Конструкция самолетов» Москва, М. 1991 г., разд 2.1.7.1 с.63).

Схема размещения панелей верхней обшивки корпуса приведена на Фиг.4. При этом в каждой матрице изготавливают панель в количестве от 16 до 40 штук на один корпус, в зависимости от места расположения панели по длине аппарата, что повышает качество и снижает стоимость панели за счет увеличения серийности производства и оправданного применения более дорогой, но более качественной и производительной оснастки.

Верхняя часть 8 корпуса представляет собой половину тела, образованного вращением эллипса, относительно его продольной оси.

Нижняя часть корпуса состоит из основного объема 11, поперечное сечение которого представляет равнобедренную трапецию, связанную с верхней частью 8 корпуса большим основанием, и двух скегов 6, с поперечным сечением каждого из них в виде прямоугольной трапеции, обращенной меньшим основанием вниз, а внешняя наклонная сторона трапеции является продолжением боковой стенки 12 основного объема, и образуют боковые поверхности нижней части корпуса, которые выполнены наклоненными внутрь к вертикали дирижабля и сопряжены с опорной поверхностью нижней части корпуса по радиусу.

Угол наклона может быть выбран до 15 градусов к вертикали.

Это позволяет улучшить работу силовой установки на режимах вертикального взлета и посадки.

Скеги 6, кроме улучшения характеристик аппарата при боковом ветре при стоянке на земле, обеспечивают доступ к нижней поверхности корпуса на стоянке и служат для размещения взлетно-посадочных устройств.

В зависимости от области использования дирижабля (приземление на землю или воду) конструкция шасси 7 может быть как колесной, (http://cnit.ssau.ru), так и на воздушной подушке, (http://dic.academic.ru).

Шасси 7 размещены на концах скегов 6.

Гондола 3, предназначенная для размещения силовой установки, установлена на линии сопряжения верхней 8 и нижней частей корпуса в средней его части. В зависимости от технологических возможностей гондолы могут быть выполнены в виде наплывов.

Горизонтальное оперение 1 с размещенным на его концах вертикальным оперением 2 установлено в хвостовой части корпуса.

Грузовая кабина 5 установлена перпендикулярно продольной оси дирижабля и снабжена, по крайней мере, одним грузовым люком 13 (на черт. не показан), размещенным на корпусе дирижабля.

Кабина 5 может иметь прямоугольное поперечное сечение и ее длина может быть равна ширине корпуса.

Грузовая кабина 5 может быть установлена в середине нижней части корпуса.

Кабина 5 может быть снабжена выдвижными въездными трапами (на черт. не показаны) по обоим бортам корпуса, что позволяет производить погрузку - разгрузку методом «проезда».

В носовой части корпуса расположена кабина 4 экипажа и может быть установлено дополнительно горизонтальное оперение 14.

На оперениях могут быть размещены рули высоты и направления (на черт. не показ.).

Предлагаемое изобретение позволяет уменьшить изгибающие и опрокидывающие моменты при боковом ветре за счет уменьшения длины и высоты дирижабля, но при увеличении ширины с сохранением заданного объема.

В предлагаемом изобретении за счет формирования несущей, мало выпуклой, цилиндрической в продольном направлении, нижней поверхности корпуса и выполнение нижней части корпуса создают условия для возникновения при стоянке на земле на корпусе прижимающей силы.

Кроме этого, применение разнесенного вертикального оперения, установленного по концам горизонтального оперения, позволяет уменьшить площадь боковой проекции аппарата (вертикальное оперение затеняется корпусом), что уменьшает величину силы дрейфа и опрокидывающего момента при боковом ветре.

В процессе разработки проекта жесткого дирижабля была изготовлена масштабная продувочная модель (1:100) и проведены две программы испытаний в аэродинамической трубе Т-1 МАИ.

Полученные в испытаниях результаты подтвердили ожидаемые расчетные величины аэродинамических коэффициентов сил и моментов и наличие улучшения поведения дирижабля вблизи земли при воздействии бокового ветра по сравнению с классическими дирижаблями (уменьшение силы дрейфа и величины опрокидывающего момента).

Применение предлагаемой конструкции позволит эксплуатировать жесткий дирижабль без использования специальных эллингов, а при установке бортовых швартовочных устройств, обеспечивающих надежное закрепление аппарата на грунте, без специальной наземной инфраструктуры, т.е. в любом месте и при любой погоде, что существенно расширит сферу его использования.

Дирижабль жесткой конструкции, включающий корпус, образованный внутренним каркасом, состоящим из шпангоутов и стрингерных балок, и обшивкой, горизонтальное и вертикальное оперение, гондолу, предназначенную для размещения силовой установки, кабину экипажа, грузовую кабину и скеги с шасси, установленные на нижней части корпуса, отличающийся тем, что обшивка корпуса выполнена из одинаковых панелей, объединенных в секции между двумя последовательно расположенными шпангоутами, а корпус выполнен в виде геометрического тела, симметричного относительно миделя и состоящего из сопряженных по горизонтальной плоскости верхней и нижней частей, причем верхняя часть представляет собой половину тела, образованного вращением эллипса, относительно его продольной оси, а нижняя часть корпуса состоит из основного объема, поперечное сечение которого представляет равнобедренную трапецию, связанную с верхней частью корпуса большим основанием, и двух скегов, с поперечным сечением каждого из них в виде прямоугольной трапеции, обращенной меньшим основанием вниз, а внешняя наклонная сторона трапеции является продолжением боковой стенки основного объема, при этом боковые поверхности нижней части корпуса выполнены наклоненными внутрь к вертикали дирижабля, и сопряжение боковых и опорной поверхностей нижней части корпуса выполнено по радиусу, при этом гондола, предназначенная для размещения силовой установки, установлена на линии сопряжения верхней и нижней частей корпуса в средней части корпуса, а грузовая кабина установлена перпендикулярно продольной оси дирижабля и снабжена, по крайней мере, одним грузовым люком, размещенным на корпусе дирижабля, при этом горизонтальное оперение с размещенным на его концах вертикальным оперением установлено в хвостовой части корпуса.