Методическое обеспечение проектирования воздушно-газовой системы дирижаблей нового поколения

Введение. Аэростатический принцип создания подъемной (архимедовой) силы используется тремя классами летательных аппаратов (ЛА) легче воздуха: свободными аэростатами (газовыми и тепловыми), привязными аэростатами и

• ^*Работа выполнена выполнена по соглашению о предоставлении субсидии Министерством образования и науки РФ в целях реализации федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 - 2020 годы». Уникальный идентификатор прикладных научных исследований (проекта) RFMEF157614X0058.

• ^**e-mail: kirilinalexander@mail.ru , lenivec88@mail.ru

  ^*** The research is done under the agreement on granting the Federal Target Program “R&D on priority development fields of the science and technology sector of Russia for 2014 – 2020” by the RF Ministry of Education and Science. Unique identifier for applied scientific research (project) is RFMEF157614X0058.

дирижаблями [1, 2]. Предметом изучения данной работы являются дирижабли, а точнее — наиважнейшая из систем — воздушно-газовая [3].

Аэростатический принцип полета базируется на законе Архимеда и физических свойствах газов. Так как аэростатическая подъемная сила дирижабля напрямую зависит от разности плотностей воздуха и несущего газа (гелия или водорода), то разработчики воздухоплавательной техники должны уделять первостепенное внимание зависимости плотности газов от физических параметров атмосферы и стратосферы.

Известно, что плотность воздуха преимущественно зависит от давления и температуры. Температура воздуха имеет суточные и сезонные колебания, давление и температура воздуха очень сильно зависят от высоты, на которой выполняется полет. По этим причинам объемные соотношения между несущим газом и воздухом в корпусе дирижабля постоянно меняются. Несущий газ, в силу того, что он «отвечает» за подъемную силу и к тому же имеет высокую стоимость, по массе остается неизменным, но меняется по объёму — расширяется при увеличении температуры или подъеме на высоту и, наоборот, сужается при обратных процессах [4]. Свободную от несущего газа часть объема корпуса заполняет воздух. При этом он выполняет очень важные функции:

• -    служит балластом, изменяя, как того требует ситуация, полетную массу дирижабля [5, 6];

• -    обеспечивает гарантированный уровень сверхдавления в оболочке для возможности восприятия аэродинамических нагрузок;

• -    управляет температурными параметрами ВГС и др.

Из вышесказанного можно заключить: дирижабль представляет собой «живой организм», в котором происходят сложные физические процессы, контролируемые ВГС.

Воздушно-газовая система дирижаблей нового поколения должна обладать многогранными функциональными возможностями, общий перечень которых представлен на рис. 1.

Известные на сегодня работы в области ВГС дирижаблей преимущественно посвящены разработке газовых клапанов [7–9]. Расчет расхода газа через клапаны ведется по упрощенным зависимостям, не учитывающим неоднородность изменения давления и температуры газов с подъемом на высоту, что особенно важно для высотных и стратосферных дирижаблей [7, 10].

Управление противооблединительной (противоснеговой) системой корпуса.

Управление температурой несущего газа высотных и стратосферных дирижаблей.

Управление величиной и точкой приложения вектора аэростатической подъемной силы.

Управление чистотой подъемного газа.

Увеличение массы коммерческой нагрузки.

Увеличение дальности и продолжительности полета.

Решение проблемы балластировки дирижабля.

Уменьшение выбросов продуктов сгорания топлива в атмосферу.

Машиностроение и машиноведение

УПРАВЛЕНИЕ АЭРОСТАТИЧЕСКОЙ

ПОДЪЕМНОЙ СИЛОЙ

УЛУЧШЕНИЕ ЛЕТНО-ТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРИ ЧАСТИЧНОМ ИСПОЛЬЗОВАНИИ В КАЧЕСТВЕ ПОДЪЕМНОГО ГАЗА H 2 ИЛИ СПГ

Обеспечение гарантированного уровня сверхдавления в оболочке.

—

УПРАВЛЕНИЕ МАССОВО

ИНЕРЦИОННЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ

ДИРИЖАБЛЯ

Создание внутренней и внешней (двухуровневой) оболочки жесткого дирижабля.

Разбиение газового пространства жесткого дирижабля на многочисленные отсеки.

Изменение полетной массы дирижабля посредством забора (выброса) воздушного балласта.

Изменение угла тангажа дирижабля.

Перераспределение несущего газа (воздуха) в корпусе дирижабля.

УПРАВЛЕНИЕ СВЕРХДАВЛЕНИЕМ КОРПУСА ДИРИЖАБЛЯ

Обеспечение возможности восприятия аэродинамических и сосредоточенных нагрузок.

Обеспечение совместной работы внешней оболочки и каркаса жесткого дирижабля.

Рис.1. Функциональные возможности воздушно-газовой системы дирижабля

Целями настоящей работы являются:

• -    методическое обеспечение проектирования ВГС дирижаблей нового поколения;

• -    разработка практических рекомендаций по выбору геометрических и физических параметров основных элементов ВГС.

Достижение поставленных целей в работе осуществлено на основе решения следующих задач:

• 1.    Разработка методики проектирования основных параметров ВГС многоцелевых, транспортных и высотных (в том числе стратосферных) дирижаблей;

• 2.    Разработка блока «Аэростатика», как составной части программного комплекса по предварительному формированию технико-экономического облика дирижабля;

• 3.    Определение основных параметров ВГС дирижабля в зависимости от его объема, высоты полета, скороподъемности и типа газа;

• 4.    Разработка практических рекомендаций по заданию геометрических и физических параметров воздушных и газовых клапанов.

Методика проектирования геометрических и физических параметров элементов ВГС дирижаблей. Основными элементами ВГС являются: внешняя оболочка, газовые баллоны (мешки), автоматические воздушные и газовые клапаны, воздушные и газовые нагнетатели (вентиляторы, винты), трубопроводы подачи и перераспределения несущего газа, устройство для очистки подъемного газа, датчики температуры и давления, система управления ВГС [1,11]. Особое место в этом перечне занимают воздушные и газовые клапаны, воздушные вентиляторы.

Газовые клапаны используются для выпуска несущего газа из газовых отсеков с целью уменьшения подъемной силы (спуска аппарата) или, во избежание разрушения газовых отсеков при их полном выполнении, от чрезмерного избыточного давления газа. Воздушные клапаны предназначены для выпуска воздуха из баллонетов в окружающую среду. Воздушные вентиляторы — для нагнетания воздуха в корпус дирижабля [10].

С технологической точки зрения правильный расчет площади сечения клапанов играет важную роль для эксплуатации дирижабля и безопасности полета.

Рассмотрим эволюцию дирижабля, а именно его подъем или спуск с высоты H 1 на высоту H 2 . Известно, что с подъемом на высоту до 11 км температура атмосферного воздуха понижается в среднем на 6,5 ºC на 1000 м. Если пренебречь этим незначительным изменением температуры, то есть считать происходящие при эволюции ЛА процессы изотермическими, то согласно закону Бойля-Мариотта можно записать:

H ₂     p H ₁                 p H ₁

— =--- или U H =-- U H или p • U H = p • U_H = const ,                     (1)

^UH 1      ^pH 2              ^{2 p}H 2       ^{11      1       2      2}

где U , U – объем газа в газовых отсеках на высоте H 1 и H 2 соответственно, м³;

p , p – давление воздуха на высоте H 1 и H 2 , Па.

Тогда изменение объема несущего газа в дирижабле при его эволюции будет равно:

при подъеме A U = U_H - U_H = —1- • U_H - U_H = U_H • —1- - 1

2        ¹ P h 2       ^{1        1         1}   ( P h 2

при спуске ^A U = ^U h ^{- U} h = ^U h --^L • ^U h = ^U h • ¹--^L

¹      2       ¹    P H     ^{1       1}   ( P H

Введем поправочный коэффициент λ, учитывающий изменение температуры по высоте. В этом случае выра-

жения (2) и (3) примут следующий вид:

при подъеме A U = X ₁ • U_Hi

f pH, I P h 2

при спуске

AU = XV UH • 1 - ^H-

2 H

l   pH2 J

До высоты 11 км λ 1 = 1,023, λ 2 = 0,997. С 11 до 20 км значения температуры воздуха в соответствии со стандартной атмосферой не меняется, поэтому λ 1 = λ 2 = 1,0.

Выразим давление воздуха на высоте H 2 через p и V y , используя численные значения параметров стандарт-

ной атмосферы [12], а именно значения dP/dH :

при по при сп где V y — скороподъемность ЛА, м/сек, Δ t – вр Расчётные значения параметра dP/dH для Подставляя зависимости (6–7) в формулы r A U = X i ■ U^ ■ \ A U = XV UH_ ■ Значения Δ p (для пар				Iъеме pH = pHt - V - A t ■ dp / dH ,                                      (6) уске P H = P H + V y - A t ■ dp / dH ,                                     (7) еменной промежуток, сек. различных уровней высоты сведены в таблицу 1. (4–5), получим: p H , 1 1 — при подъеме,                           (8) Ph, — V ■A t ■ dp/dH   J r              Р я,          ) 1                , , ,    — при спуске.                               (9) ,    P H + V y 'A t ■ dP / dH J Таблица 1 / Δ H для различных уровней высоты аметров стандартной атмосферы)
	H , км	0-1	1-2	2-3	3-4	4-5	5-6	6-7	7-8
	P H , кПа	101,33	89,88	79,50	70,12	61,66	54,05	47,22	41,11
	Δ p /Δ H , Па/м	11,45	10,37	9,38	8,46	7,61	6,83	6,11	5,45
	H , км	8-9	9-10	10-11	11-12	12-13	13-14	14-15	15-16
	P H , кПа	35,65	30,80	26,50	22,70	19,40	16,58	14,17	12,11
	Δ p /Δ H , Па/м	4,85	4,3	3,8	3,3	2,82	2,41	2,06	1,76
	H , км	16-17	17-18	18-19	19-20	20-21	21-22	22-23	23-24
	P H , кПа	10,35	8,85	7,56	6,47	5,53	4,73	4,05	3,47
	Δ p /Δ H , Па/м	1,5	1,28	1,1	0,94	0,8	0,68	0,58	0,50

Зная ΔU, легко определить потребную суммарную площадь S входных (выходных) сечений газовых и воздушных клапанов, воздушных вентиляторов:

5 = -^{A U}- , И" V ucm

где V ист — скорость истечения (нагнетания) газа;

µ — безразмерный коэффициент расхода, зависящий от характера отверстия, обычно µ равно 0,4–0,7.

Скорость истечения газа зависит от его удельной массы и избыточного давления в ВГС и определяется по формуле Бернулли:

Машиностроение и машиноведение

где p_ff2 - плотность газа на высоте H 2 , кг/м³;

V ист

Δ p ВГС – избыточное давление в элементах воздушно-газовой системы, Па. Подставляя (8), (9) и (11) в (10), получим

Х 1 ■ U_H ■ -------------------

1 I pH -V ■At■ dp/dH при подъеме s =-------—1       ----- р" V2Aрвгс /Р Нг

при спуске

s =

^ 2 "  ^UH 1 "  ¹ -

p_{H t} + V_y ■A t ■ dp / dH,

^И " ^ ^{2 A p} ВГС / ^p H

Определив необходимую суммарную площадь входного (выходного) сечения и задавшись потребным количеством воздушных или газовых клапанов, можно определить размер «живого» сечения клапана:

S

кл

s

,

n

где n — количество клапанов.

Следует заметить, что формула (1) в общем виде для политропного процесса имеет следующий вид:

p • U n = const,                                                   (15)

где n — показатель политропы, который равен n =

c - c

p

c - c

U

здесь c — теплоемкость газа в данном процессе; cp и cU — теплоёмкости того же газа при постоянном давлении и объ- еме соответственно.

Для изотермического процесса показатель политропы n = 1, для адиабатического процесса n = k (где k — показатель адиабаты) [13].

В крейсерском полёте температура несущего газа и воздуха в корпусе дирижабля близка к температуре атмосферного воздуха. Поэтому можно считать, что функционирование воздушно-газовой системы ЛА происходит без теплообмена газа с окружающей средой, то есть имеет место адиабатический процесс.

Продифференцируем формулу, характерную для адиабатического процесса p· U ^k= a , по времени t :

d ( U k ) _ d [ p ) dt       dt

. f a ) d I I k . и ⁽ k ^{- 1 )}. dU = A p z dt     dt

, f а ) d dU _   1     (p)

dt    k ■ U ^{( k - 1 )}     dt

Легко видеть, что при реализации адиабатического процесса изменение объема будет происходить с учетом по- правочного коэффициента 1/k и формулы (12) и (13) примут следующий вид:

при подъеме

s =

f ^ 1 ■ U h i ■

^pH 1

1 p_Ht - V_y .A t■ dp / dH

ц. k ■ 2^Ap_Brc I^ph

f

^ 2 ■ ^UH 1 ■ ¹ -

при спуске

Заметим, что 1 <  k < 2, так как

p_{H t} + V_y .A t ■ dp I dH

^ц ■ ^k . ^/^2A Р вГ"С

/ P H 2

k . c p . c ll R . 1 + R . ^^, c u      c u         c u c p R

где R — универсальная газовая постоянная.

При температуре 20º С данный показатель адиабаты k имеет следующие значения для основных газов ВГС дири- жабля: для воздуха — kвозд = 1,4; для гелия — kг = 1,66; для водорода — kвод = 1,41. Показатель k при других значениях температуры t меняется незначительно [14].

Расчетный блок «Аэростатика» как составная часть программного комплекса формирования облика дирижабля. Для расчета технико-экономических параметров дирижаблей нового поколения научнопроизводственной фирмой «Аэростатика» был разработан программный комплекс.

Программный комплекс состоит из самостоятельных рабочих модулей (подпрограмм) и управляющей (основной) программы, организующей весь процесс проектирования дирижабля в целом. Массивы исходных данных формируются для каждого блока в отдельности и сводятся в обобщенный файл с исходными данными. Данные из этого файла считываются в управляющую (основную) программу. Пакет рабочих модулей (подпрограмм) включает в себя следующие блоки: предварительного (начального) выбора параметров, геометрии, аэростатики, аэродинамического расчета,

силовой установки, расчета масс, динамики, летно-технических характеристик, экономики и эффективности (рис. 3). Полученные в результате работы программного комплекса параметры дирижаблей сводятся в три обобщенных файла с расширениями *.ltx (летно-технические параметры), *.eco (экономические параметры), *.res (все результирующие параметры).

Аэростатический блок разработанного ранее программного комплекса формирования облика дирижабля позволял лишь определить аэростатическую подъемную силу воздухоплавательного летательного аппарата. Проведенные же в данной работе исследования существенно расширили функциональные возможности аэростатического блока и разрешили проблему по определению физических и геометрических параметров ВГС дирижабля. На рис. 3 пунктирной линией отмечена расширенная область функциональных возможностей блока аэростатики в модернизированном программном комплексе.

Машиностроение и машиноведение

Рис. 2. Структурно-функциональная схема программного комплекса формирования облика дирижабля

Модернизированный программный комплекс формирования облика дирижабля был написан на языке программирования С++ в среде разработки Embarcadero RAD Studio с применением основных концепций объектноориентированного программирования.

По данному РИД «Программный комплекс по формированию технико-экономических параметров транспортных дирижаблей нового поколения» подана заявка №2014Э16337 в Федеральный институт промышленной собственности (ФИПС) на регистрацию программы для ЭВМ.

Результаты проектирования геометрических и физических параметров ВГС дирижабля. С помощью обозначенного выше программного комплекса были проведены исследования по зависимости основных параметров ВГС дирижабля от его объема, высоты полета, скороподъемности, заданного уровня избыточного давления в ВГС и типа газа

(воздух, гелий, флегматизированный водород). Основные результаты исследований представлены в таблицах 2–4 и на рис. 3.

Таблица 2

Расчетные значения общей потребной площади воздушных клапанов при подъеме дирижабля, м² ( V y = 10м/c, Δ p = 20 мм вод. ст.)

Высота полета, км	Объем дирижабля, тыс. м3
	10	26	60	100	350	1000
0	0,67	1,74	4,01	6,67	23,41	66,89
3	0,61	1,58	3,65	6,08	21,27	60,78
7	0,54	1,4	3,23	5,38	18,83	53,81
12	0,42	1,1	2,52	4,19	14,68	41,94
15	0,33	0,86	1,99	3,31	11,59	33,13
20	0,22	0,58	1,34	2,23	7,8	22,29

Таблица 3

Расчетные значения общей потребной площади воздушных нагнетателей при спуске дирижабля, м² ( V y = 10м/c)

Таблица 4

Расчетные значения общей потребной площади газовых (гелий)

клапанов при подъеме дирижабля, м² (Δ p = 20 мм вод. ст.)

Высота полета, км	V y , м/c	Объем дирижабля, тыс. м3
		10	26	60	100	350	1000
0	10	0,21	0,54	1,26	2,10	7,33	20,95
	12,5	0,26	0,68	1,57	2,62	9,17	26,20
	15	0,31	0,82	1,89	3,14	11,01	31,45
3	10	0,19	0,50	1,14	1,90	6,66	19,04
	12,5	0,24	0,62	1,43	2,38	8,33	23,80
	15	0,29	0,74	1,71	2,86	10,00	28,57
7	10	0,17	0,44	1,01	1,69	5,90	16,86

Высота полета, км	Δp, мм вод. ст.	Объем дирижабля, тыс. м3
		10	26	60	100	350	1000
0	100	0,30	0,78	1,79	2,99	10,47	29,92
	150	0,24	0,64	1,47	2,44	8,55	24,43
3	100· ρ	0,36	0,93	2,14	3,57	12,49	35,68
	150· ρ	0,29	0,76	1,75	2,91	10,2	29,13
7	100· ρ	0,38	0,99	2,29	3,82	13,38	38,2
	150· ρ	0,31	0,81	1,87	3,12	10,92	31,2
12	100· ρ	0,51	1,33	3,06	5,1	17,86	51,02
	150· ρ	0,42	1,08	2,5	4,17	14,58	41,67
15	100· ρ	0,51	1,33	3,06	5,1	17,86	51,02
	150· ρ	0,42	1,08	2,5	4,17	14,58	41,67
20	100· ρ	0,51	1,33	3,06	5,1	17,86	51,02
	150· ρ	0,42	1,08	2,5	4,17	14,58	41,67

	12,5	0,21	0,55	1,26	2,11	7,38	21,08
	15	0,25	0,66	1,52	2,53	8,86	25,30
Высота полета, км	V y , м/c	Объем дирижабля, тыс. м3
		10	26	60	100	350	1000
12	10	0,13	0,34	0,79	1,31	4,60	13,14
	12,5	0,16	0,43	0,99	1,64	5,75	16,43
	15	0,20	0,51	1,18	1,97	6,90	19,72
15	10	0,10	0,27	0,62	1,04	3,63	10,38
	12,5	0,13	0,34	0,78	1,30	4,54	12,97
	15	0,16	0,41	0,93	1,56	5,45	15,58
20	10	0,07	0,18	0,42	0,70	2,44	6,98
	12,5	0,09	0,23	0,52	0,87	3,06	8,73
	15	0,10	0,27	0,63	1,05	3,67	10,48

Машиностроение и машиноведение

Рис. 3. Зависимости общей потребной площади воздушных и газовых (гелий) клапанов ВГС от объёма и высоты полёта дирижабля (V y = 10 м/c, Δp = 20 мм вод. ст.)

Заключение. Анализ полученных результатов позволяет обозначить практические рекомендации по выбору геометрических и физических параметров основных элементов ВГС дирижаблей:

• 1.    Потребные значения площади газовых и воздушных клапанов находятся в прямо пропорциональной зависимости от объема дирижабля и его скороподъёмности;

• 2.    Потребная площадь воздушных клапанов более чем в 3 раза должна превышать общую площадь сечения гелиевых клапанов (при одном и том же заданном избыточном давлении Δ p ). Если несущим газом летательного аппарата является флегматизированный водород, то площадь проходных сечений газовых клапанов может быть на 20% меньше, чем в случае заправки ВГС летательного аппарата гелием.

• 3.    Для воздушных и газовых клапанов расчетным случаем является нулевая высота H = 0 км. Для воздушных нагнетателей — наоборот — максимальная высота полёта H max , так как создаваемое воздушными вентиляторами давление будет прямо пропорционально ρ , равному отношению плотности воздуха на расчётной высоте к плотности воздуха на высоте H = 0 км.

• 4.    Увеличение задаваемого избыточного давления Δ p в ВГС уменьшает площадь газовых клапанов. Но, несмотря на такую зависимость, разработчики воздухоплавательной техники должны минимизировать этот показатель, так как от него существенно зависит масса газовых отсеков и внешней оболочки корпуса дирижабля.

Практическая ценность данной работы заключается в разработке и внедрении усовершенствованного, многопараметрического блока «Аэростатика» в программный комплекс по формированию облика дирижаблей нового поколения.