Гибридные дирижабли: сочетание аэростатической и динамической подъёмной силы.

Введение

Частично аэростатический летательный аппарат

Гибридный дирижабль – это двигательный летательный аппарат, который получает часть подъёмной силы за счёт объёма газа легче воздуха (LTA), а часть – за счёт аэродинамической подъёмной силы, как у самолёта тяжелее воздуха. Династат – это гибридный дирижабль с фиксированными крыльями и/или несущим корпусом, обычно предназначенный для полётов большой продолжительности. Для создания аэродинамической подъёмной силы требуется движение вперёд. Ротастат – это гибридный дирижабль с несущими винтами, обычно предназначенный для перевозки тяжелых грузов. Его несущие винты могут обеспечивать подъёмную силу даже при зависании или вертикальном маневрировании, как у вертолёта. Серийные образцы не были созданы, но несколько пилотируемых и беспилотных прототипов были построены и испытаны. Термин "гибридный дирижабль" также используется для описания дирижабля, конструкция которого сочетает в себе элементы жёсткой, полужёсткой и мягкой конструкций.

Особенности

Обычные дирижабли имеют низкие эксплуатационные расходы, поскольку им не требуется мощность двигателя для поддержания себя в воздухе, но они ограничены во многих аспектах, включая низкое отношение грузоподъемности к объему и низкие скорости. Кроме того, наземное обслуживание дирижабля может быть сложным. Из-за своей плавучести он подвержен порывам ветра даже при слабом бризе. С другой стороны, летательные аппараты тяжелее воздуха, или аэродины, особенно вертолеты, требуют постоянного расхода энергии для создания подъемной силы, а обычным самолетам необходимы взлетно-посадочные полосы. Гибридный дирижабль сочетает в себе аэростатическую подъемную силу дирижабля, обеспечиваемую газом легче воздуха, таким как гелий, с динамической подъемной силой летательного аппарата тяжелее воздуха, возникающей при движении в воздухе. Такой гибридный аппарат все еще тяжелее воздуха, что делает его в некотором отношении похожим на обычный самолет. Динамическая подъемная сила может обеспечиваться вращающимися крыльями, подобными вертолетным (ротастат), формой, создающей подъемную силу, аналогичной подъемному телу, в сочетании с горизонтальной тягой (династат), или их комбинацией. Гибридные дирижабли предназначены для заполнения промежуточной ниши между низкой стоимостью эксплуатации и низкой скоростью традиционных дирижаблей и более высокой скоростью, но большим расходом топлива летательных аппаратов тяжелее воздуха. Комбинируя динамическую и статическую подъемную силу, гибриды призваны обеспечить более высокую скорость полета, грузоподъемность и (в некоторых типах) возможность зависания по сравнению с чистым дирижаблем, сохраняя при этом большую продолжительность полета и большую подъемную способность по сравнению с чистым аэродином. Считается, что технология гибридных летательных аппаратов позволяет оптимизировать широкий спектр летных характеристик – от значительно более тяжелых, чем воздух, до почти плавучих. Это представление о необычном диапазоне динамического полета в сочетании с подходящей системой посадки, как утверждается, обеспечивает возможность сверхтяжелых и экономичных воздушных перевозок.

Дизайн

По сравнению с обычным дирижаблем, гибрид может быть сделан меньше и не требует балласта для управления высотой, а по сравнению с самолетом тяжелее воздуха гибриду требуется либо меньший ротор, либо более короткая взлетно-посадочная полоса. Кроме того, крепление аэродинамических поверхностей к оболочке дирижабля потребует значительного усиления конструкции, что приведет к увеличению веса. В результате, подъемная сила достигается с большим аэродинамическим сопротивлением, чем при использовании крыльев. С другой стороны, по сравнению с вертолетом, династат обладает лучшей топливной эффективностью в определенном диапазоне скоростей. Поэтому династат чаще рассматривается как самолет STOL, а не VTOL, требующий более короткую взлетно-посадочную полосу, чем обычный самолет.

Ранние гибриды

Планирование под действием силы тяжести восходит к периоду во время и вскоре после Гражданской войны в Америке, когда Соломон Эндрюс построил два таких аэростата. Первый из них, Aereon, использовал три отдельных шара в форме сигары, соединенные вместе в одной плоскости; второй, Aereon #2, использовал один "шар в форме лимона". Аэростаты Эндрюса приводились в движение наклоном шаров вверх и сбросом балласта, после чего процесс обращался: шары наклонялись вниз, и выпускалось большое количество подъемного газа. В 1905 году Альберто Сантос-Дюмон провел различные эксперименты со своим первым самолетом, Santos Dumont 14 bis, перед первой попыткой полета на нем. Эти эксперименты включали подвешивание самолета на стальном тросе и буксировку, а затем подвешивание его под оболочкой ранее построенного дирижабля (No 14), подобно обучению плаванию с "нарукавниками". Полученная конструкция оказалась непригодной для использования и была разобрана, получив название "чудовищный гибрид". После завершения этих "репетиций" Сантос-Дюмон совершил первую публичную демонстрацию летательного аппарата тяжелее воздуха в Европе. В 1907 году британский армейский дирижабль No 1 (названный Nulli Secundus) совершил свой первый полет. Он использовал аэродинамические поверхности для управления положением в полете, а для первого полета был также оснащен большими крыльями в средней части. Крылья предназначались для обеспечения стабильности, а не подъемной силы, и были удалены со всех последующих полетов. Использование динамической подъемной силы путем наклона носовой части дирижабля вверх или вниз также было признано и опробовано на этом дирижабле. В июне 1907 года Альберто Сантос-Дюмон построил свой No. 16, который журнал L'Aérophile описал как "смешанный аппарат". Он имел оболочку, но был слишком тяжелым, чтобы летать без дополнительной подъемной силы, обеспечиваемой крылом. 8 июня 1907 года он был испытан, но испытания оказались неудачными.

Современные гибриды

Aereon 26 был самолетом, совершившим свой первый полет в 1971 году. Это был уменьшенный прототип гибридного дирижабля Aereon Dynairship и часть проекта "TIGER". Однако он так и не был построен из-за отсутствия рынка для гибридных дирижаблей. В 1984 году AeroLift CycloCrane совершил кратковременный полет. Экспериментальная конструкция Piasecki PA 97 Helistat 1986 года объединяла четыре вертолета с дирижаблем в попытке создать мощное грузоподъемное средство для лесохозяйственных работ. Он разрушился в конце своего первого полета. SkyCat, или "Sky Catamaran", – это технология гибридного летательного аппарата. В 2000 году был построен уменьшенный вариант размером 12 метров под названием "SkyKitten" компанией Advanced Technologies Group Ltd. Агентство передовых исследовательских проектов Министерства обороны США (DARPA) инициировало программу Walrus Hybrid Ultra Large Aircraft в 2005 году – инициативу по разработке технологий, направленную на изучение возможностей сверхтяжелых воздушных перевозок. Программа была закрыта в 2007 году. В 2006 году Lockheed Martin P 791 прошел испытания в беспилотном режиме. Он был отклонен как кандидат в программу военных разведывательных аппаратов большой продолжительности полета, хотя и являлся единственным успешным гибридным дирижаблем, совершившим полет до 7 августа 2016 года. В 2008 году Boeing объявил о сотрудничестве с SkyHook для разработки мощного грузоподъемного транспортного средства SkyHook JHL 40, но впоследствии отказался от проекта. Гибридные воздушные аппараты HAV 304 были построены для армии США в рамках программы Long Endurance Multi intelligence Vehicle (LEMV). В августе 2012 года он успешно совершил 90-минутный полет. После отмены проекта LEMV компания Hybrid Air Vehicles выкупила аппарат HAV 304 и вернула его в Великобританию. Он был отремонтирован и переименован в Airlander 10. 17 августа 2016 года Airlander 10 совершил свой первый успешный испытательный полет за пределами ангаров Cardington на авиабазе RAF Cardington. Главный летчик-испытатель Дэйв Бернс заявил: "Для меня было честью впервые пилотировать Airlander, и он летал великолепно. Я очень рад вывести его в воздух. Полет был словно во сне". Для полной сертификации требуется более 200 часов налета. Airlander 10 прошел сертификационные испытания конструкции, прежде чем был списан из-за того, что 18 ноября 2017 года на аэродроме Кардингтон он сорвался с причалов во время сильного ветра.

The Aereon 26 was an aircraft which made its first flight in 1971. It was a small scale prototype of the hybrid Airship Aereon Dynairship and part of the "TIGER" project. But it was never built due to lack of market for a hybrid airship. In 1984 the AeroLift CycloCrane helistat flew briefly. The 1986 Piasecki PA 97 Helistat experimental design combined four helicopters with a blimp in an attempt to create a heavy lift vehicle for forestry work. It broke up at the end of its first flight. The SkyCat or "Sky Catamaran" vehicular technology is a hybrid aircraft amalgamation; a scale version at 12 meters called "SkyKitten", built by the Advanced Technologies Group Ltd, flew in 2000. The U. S. Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) initiated the Walrus Hybrid Ultra Large Aircraft program in 2005, a technology development initiative focused on ultra heavy air lift technology explorations. The program was terminated in 2007. In 2006, the Lockheed Martin P 791 underwent uncrewed flight tests. It was an unsuccessful candidate for the military Long Endurance Multi intelligence Vehicle program even though it was the only successful Hybrid Airship to have ever flown until 7 August 2016. In 2008, Boeing announced that it was teaming up with SkyHook to develop a heavy duty lifting vehicle, the SkyHook JHL 40 Boeing subsequently shelved the project. The Hybrid Air Vehicles HAV 304 was built for the US Army Long Endurance Multi intelligence Vehicle (LEMV) program. It flew successfully for 90 minutes in August 2012. Following cancellation of the LEMV project, Hybrid Air Vehicles re purchased the HAV 304 vehicle and brought it back to the UK. It has been refurbished and renamed the Airlander 10. On August 17, 2016, the Airlander 10 had its first successful test flight outside the Cardington Hangars at RAF Cardington. Chief Test Pilot Dave Burns said in a statement "It was privilege to fly the Airlander for the first time and it flew wonderfully. I’m really excited about getting it airborne. It flew like a dream." Over 200 more flight hours are needed for full certification. Airlander 10 completed design certification testing before being written off when it came loose from its moorings in a high wind on 18 November 2017 at Cardington Airfield.