Воздухоплавание — это полет на аппаратах легче воздуха. Первыми аппаратами легче воздуха были аэростаты. Аэростатом называют устройство, использующее для подъема архимедову – выталкивающую – силу. Это летательный аппарат, снабженный оболочкой, заполняемой горячим воздухом либо газом, имеющим меньшую плотность, чем окружающая атмосфера.

МБОУ "Средняя русско-татарская общеобразовательная школа №57" Кировского района г.Казани

Творческий проект

«Дирижабль – назад в бедующее»

Казань

2020

Введение

Актуальность проекта: Экономия затрат на перевозку грузов в труднодоступные регионы Российской Федерации. Россия является самой большой по территории страной мира. При этом её северные регионы, а также Западная и особенно Восточная Сибирь заселены очень слабо. Расстояние между небольшими  городами и посёлками очень велики. В ряде этих мест железнодорожные сообщения полностью отсутствуют, а сеть автомобильных дорог развито очень слабо. Поэтому перевозка грузов затруднена и осуществляется главным образом морским, речным или воздушным транспортом (в зависимости от местоположения). Доставка речным и морским способам производится только в летнее время, т.е. носит сезонный характер. А доставка грузов самолётами или вертолётами обходится очень дорого и требует наличия оборудованных аэродромов. Это не позволяет осуществлять круглогодичное снабжение населенных пунктов всем необходимым для их нормальной жизнедеятельности (топливом, свежими овощами и фруктами, товарами широкого потребления и т.д.) в связи с огромными затратами на их перевозку. Поэтому для этих регионов наиболее оптимальным вариантом является доставка грузов автономными дирижаблями, которые позволяют снизить затраты в разы по сравнение с приведёнными выше вариантами.

Цель: Обоснование целесообразности использования автономных дирижаблей для доставки грузов в труднодоступных местах.

Задачи:

1)Подбор информации о стоимости доставки грузов в труднодоступные регионы разными видами транспорта, используемыми в настоящее время.

2)Изучение стоимости доставки грузов дирижаблями в прошлом и в настоящее время.

3)Разработка требований к характеристикам автономного дирижабля.

4)Разработка принципиальной конструкции и способу применения автономного дирижабля.

5) Изготовление модели дирижабля.

6) Оценка стоимости перевозки грузов автономным дирижаблем.

Теоретическая часть

Проблематика перевозки грузов в труднодоступные районы Российской Федерации:

Главной проблемой северных регионов России является отсутствие развитой транспортной инфраструктуры и изношенность дорожных путей. Грузоперевозка в такие регионы как Камчатка, Якутск, Магадан, Чукотский АО и т.д. – это всегда относительно сложная и жизненно необходимая задача для жителей этих регионов из-за того, что отсутствует собственная производственная база промышленной и сельскохозяйственной продукции, а также из-за суровых и экстремальных климатических условий.

Существующие в настоящее время виды перевозки грузов в труднодоступные районы Российской Федерации:

1.Северный морской путь.

Северный морской путь - это единственная широтная магистраль, связывающая субарктические и арктические территории РФ, тем самым оказывая влияние на продуктивное развитие всего крайнего Севера. Северный морской путь создает единую обширную транспортную систему из многочисленных рек, которые впадают в Ледовитый океан. Северный путь достиг особого значения только в 80-е годы прошлого века, тогда объем грузоперевозок составлял почти более 5-ти миллионов тонн в год.

Эта система обслуживает крупные промышленные предприятия и комплексы субарктических и арктических территорий РФ такие, как, например, горно-химический и горно-металлургический комплексы, которые находятся на Кольском полуострове, также нефтегазовый Западно-Сибирский комплекс и другие.

Недостатки:

1.     Дополнительные капиталовложения для приспособления морских судов к северу.

2.     Расходы на обслуживание ледоколов.

3.     Потребность в развитии портовой инфраструктуры, которая иногда находится в состоянии неконкурентоспособности.

4.     Непредсказуемые сроки доставки, из-за непредвиденных обстоятельств, которые связаны с климатическими рисками

      5. Сокращенный навигационный период (4 месяца).

2.Железнодорожная магистраль.

Недостатки:

1.Большие финансовые вложения в производственно-техническую базу.

2.Высокая энергоемкость грузоперевозок.

3. Труднодоступность к конечным пунктам потребления.

4. Невысокая сохранность груза.

5. Небольшое количество перевозчиков в железнодорожном транспорте

6. Высокая сложность и дороговизна строительства железнодорожных путей в условиях вечной мерзлоты. Низкая надёжность из-за возможных протайки вечномёрзлых грунтов в местах прокладки железной дороги.

3. Автомобильные перевозки.

Недостатки:

1.     Относительно малая скорость транспортировки.

2.     Подверженность погодным факторам. Этот недостаток перевозки грузов автомобильным транспортом приобретает наибольшую актуальность в зимнее время года. Неблагоприятные погодные условия способны существенно замедлить скорость движения, что может увеличить сроки доставки.

3.     Обязательное условие по наличию на всем маршруте магистралей с твёрдым дорожным покрытием. По пути следования должны быть обустроены трассы, оборудованы мосты и переправы.

4.     Относительно небольшая вместимость автомобильного транспорта. Далеко не все виды крупногабаритных грузов могут быть умещены в полуприцепах фур.

5.     Высокая стоимость строительства дорог в труднодоступных районах из-за их отдалённости, больших расстояний, не развитой инфраструктуры и наличие вечномёрзлых грунтов.

      6. Высокая стоимость содержания автомобильных дорог.

4. Авиационные перевозки.

Недостатки:

1.     Данные транспортировки грузов доступны не каждому грузоотправителю, их стоимость определяется многими факторами. Самолет является единственным транспортным средством, способным к такой быстрой и качественной перевозке, но данная доставка обходится заказчикам недешево.

2.     Невозможность осуществления воздушным транспортом доставки грузов методом «от двери до двери», что приводит к необходимости использования грузовых автомашин и, как следствие, к дополнительным расходам.

3.     Требуется наличие аэродромов в местах отгрузки и доставки грузов.

История использования для доставки грузов, аппаратов легче воздуха:

1.     История воздухоплавания.

Воздухоплавание — это полет на аппаратах легче воздуха.

Первыми аппаратами легче воздуха были аэростаты. Аэростатом называют устройство, использующее для подъема архимедову – выталкивающую – силу. Это летательный аппарат, снабженный оболочкой, заполняемой горячим воздухом либо газом, имеющим меньшую плотность, чем окружающая атмосфера.

Различие в плотности газа внутри и снаружи оболочки обуславливает перепад давлений, благодаря чему и возникает аэростатическая выталкивающая сила. Это пример действия закона Архимеда.

Потолок подъема летательных аппаратов легче воздуха определяется объемом и упругостью оболочки, способом ее наполнения и атмосферными факторами – в первую очередь падением плотности воздуха с высотой.

2. История создания аэростатов.

Аэростат – это общее название целого класса летательных аппаратов. В первую очередь все аэростаты делятся на неуправляемые (воздушные шары) и управляемые (дирижабли). Существуют также привязные аэростаты, используемые в разных областях для решения тех или иных специальных задач.

Воздушные шары. Принцип полета воздушного шара не подразумевает возможности управления летательным аппаратом в горизонтальной плоскости. Шар не имеет двигателя и рулей, следовательно, его пилот не может выбирать скорость и направление своего полета. На шаре возможно регулирование высоты при помощи клапанов и балласта, а в остальном его полет – это дрейф по воздушным потокам. По типу наполнителя различают три вида воздушных шаров:

• Монгольфьеры, наполняемые горячим воздухом.
• Шарльеры с газовым наполнением. Чаще всего для этих целей использовали (и продолжают использовать) водород и гелий, но и тот, и другой газ имеют каждый свои недостатки. Водород чрезвычайно горюч, а с воздухом образует взрывоопасную смесь. Гелий же слишком дорог.
• Розьеры – воздушные шары, в которых комбинируются оба вида наполнителей.

         Дирижабли (по-французски dirigeable – «управляемый») – это летательные аппараты, конструкция которых включает силовую установку и элементы управления. В свою очередь, дирижабли классифицируют по многим критериям: по жесткости оболочки, по типу силового агрегата и движителей, по методу создания выталкивающей силы и так далее.

       Первым летательным аппаратом легче воздуха, успешное испытание которого было запротоколировано официально, стал воздушный шар братьев Жозефа-Мишеля и Жака-Этьена Монгольфье. 5 июня 1783 г. этот шар совершил полет над французским городком Анноне, преодолев 2 км за 10 минут. Максимальная высота подъема составила около 500 метров. Оболочка шара была холщовой, оклеенной изнутри бумагой; в качестве наполнителя использовался дым от сжигания мокрой шерсти и соломы, долгое время после этого называвшийся «монгольфьеровым газом». Летательный аппарат, соответственно, получил название «монгольфьер».

         Первый дирижабль. Попытки создать управляемый в горизонтальном полете воздушный шар стали предприниматься практически сразу после первых полетов монгольфьеров и шарльеров. Ж. Менье предложил придать летательному аппарату эллипсоидную форму, двойную оболочку с баллонетом и оснастить его пропеллерами, приводимыми в движение мускульной силой. Однако для осуществления этой идеи требовались усилия 80 человек…

         Долгие годы из-за отсутствия пригодного к условиям полета силового агрегата управляемый воздушный шар оставался только мечтой. Осуществить ее удалось лишь в 1852 г. Анри Жиффару, машина которого совершила первый полет 24 сентября. На дирижабле Жиффара был установлен руль и паровой двигатель мощностью 3 лошадиных силы, вращавший винт. Объем газонаполненной оболочки составлял 2500 м3. Мягкая оболочка дирижабля была подвержена спаданию при изменениях атмосферного давления и температуры.

        Долгое время после полета первого дирижабля инженеры старались добиться оптимального сочетания мощности и веса двигателя, улучшить конструкцию оболочки и гондолы аппарата. В 1884 г. на дирижабль удалось поставить электрический двигатель, в 1888-м – бензиновый. Дальнейший успех дирижаблестроения был связан с разработкой машин с жесткой оболочкой.

       Наиболее совершенными дирижаблями прошлого были Цеппелины (по имени немецкого изобретателя и конструктора графа Фердинанда фон Цеппелина).Они широко использовались для перевозки пассажиров и грузов на дальние расстояния. Так дирижабль «Граф Цеппелин» за девять лет эксплуатации провёл в воздухе около 17 200 часов, совершил 590 полётов в разные страны мира, преодолел почти 1,7 млн. км, перевёз 13 110 пассажиров и около 70 т грузов и почты; при этом он 143 раза пересёк Атлантический океан и 1 раз — Тихий.

      1.Использование дирижабля для доставки грузов.

Эффективность дирижабля существенно зависит от его размеров. Один кубометр гелия при обычном атмосферном давлении обеспечивает подъем одного килограмма груза. Значит, для подъема 10 тонн полезной нагрузки, с учетом собственного веса дирижабля, требуется наполнить оболочку примерно 20 тыс. кубометрами гелия. Это требование основывается на том, что небольшие по  объему газа дирижабли имеют низкие характеристики по весу коммерческого груза. Только летательный аппарат с объемом не менее 60 тысяч кубометров может поднять вес от 12-15 тонн. То есть вес одного грузового контейнера.

Отрасли экономики, для которых транспортные дирижабли могут представлять особенно большой интерес:

Достоинства и недостатки дирижаблей прошлого.

Преимущества:

• Большие грузоподъёмность и дальность беспосадочных полётов.
• В принципе достижимы более высокая надёжность и безопасность, чем у самолётов и вертолётов.
• Дешевизна перевозок, особенно крупногабаритных и массивных грузов. Меньший, чем у вертолётов, удельный расход топлива и, как следствие, меньшая стоимость полёта в расчёте на пассажирокилометр или единицу массы перевозимого груза.
• Размеры внутренних помещений могут быть очень велики.
• Длительность нахождения в воздухе может измеряться неделями.
• Дирижаблю не требуется взлётно-посадочной полосы — более того, он может вообще не приземляться, а просто «зависнуть» над землёй.

Недостатки:

• Относительно малая скорость по сравнению с самолётами и вертолётами, низкая манёвренность — в первую очередь из-за высокого аэродинамического сопротивления при полёте.
• Сложность приземления.
• Зависимость от погодных условий.
• Очень большие размеры требуемых ангаров, сложность хранения и обслуживания на земле.
• Относительно высокая стоимость обслуживания дирижабля, особенно больших размеров.
• Использование для создания подъёмной силы водорода, газа, который обладает высокой горючестью и способностью образовывать с воздухом взрывоопасные смеси.
• Маломощные и ненадёжные двигатели.
• Использование для оболочки дирижабля легко сгораемых материалов, обладающих к тому же высоким удельным весом.
• Отсутствие совершенного навигационного оборудования, надёжных средств связей с землёй и необходимости наличия большой команды для управления дирижаблям в виду отсутствия автоматизации управления.

• Современные материалы и технологии, используемые для изготовления дирижаблей, позволяющие исключить их недостатки в прошлом.
• Современные дирижабли заполняются отнюдь не водородом, как раньше, а пожаробезопасным гелием.
• Маломощные и ненадёжные двигатели заменены на маршевые экономичные, легкие и надежные дизельные двигатели, благодаря которым аэростат движется в заданном направлении, а для управления и маневрирования, в том числе и в режиме зависания, используются компактные электрические рулевые двигатели, которые позволяют маневрировать, изменяянаправление вектора тяги с горизонтального на вертикальное.
• Вместо оболочки дирижабля из легко сгораемых материалов, обладающих высоким удельным весом, стали использовать оболочку из специальной ткани на основе лавсана и металлические фермы из авиационных сплавов для каркаса.
• Уровень развития средств навигации, связи и пилотирования отменил многие проблемы первой трети прошлого века, когда дирижабли и аэростаты получили впечатляющее, но непродолжительное развитие.
• Раньше дирижабли прошлого зависели от погодных условий, но в настоящее время современному дирижаблю не страшны ни сильные ветры, ни опасность обледенения.

       Принципиальная конструкция и использование автономных дирижаблей.

       Наиболее перспективным дирижаблем для перевозки грузов в малонаселённые районы является беспилотный дирижабль.

       Основные преимущества беспилотного дирижабля:

1.     Отсутствие экипажа и связанных с этих затрат на заработную плату, обеспечения экипажа водой, питанием, средствами гигиены, местами для отдыха, поддержание нормальной температуры и воздуха в кабине.

2.     Отсутствие необходимости кабины и соответствующая возможность увеличения нагрузки дирижабля.

3.     Отсутствие риска гибели людей в случае аварии.

4.     Повышение надёжности дирижабля в виду исключения “человеческого фактора”, т.е. возможность ошибочных действий экипажа.

5.     Повышении производительности работы дирижабля так как отсутствует необходимость перерыва для отдыха экипажа.

       Описание работы беспилотного дирижабля.

       Автономный дирижабль является беспилотным летательным аппаратом, выполняющим перевозку грузов без участия человек полностью в автоматическом режиме.

       В аэропорту отправления происходит загрузка контейнера, закреплённого на дирижабле с помощью лебёдок.

       Автономный дирижабль снабжён системой навигации и бортовым компьютером, где выдаётся маршрут полёта, точка назначения, высота, скорость полёта, приблизительное время полёта, характеристики места приземления, куда нужно доставить груз.

       Дирижабль осуществляет взлёт в автоматическом режиме по команде с земли и начинает полёт. Во время полёта дирижабль по спутниковой связи выдаёт своё местоположение, скорость, высоту полёта, состояние на борту. В случае необходимости с земли подаётся сигнал, чтобы изменить маршрут в связи с препятствиями, находящимся по пути.

       Прибыв в пункт назначения, дирижабль опускается до высоты 10-20 метров и зависает в данной точке с помощью вспомогательных двигателей. После этого он опускает контейнер груза с помощью лебёдок для разгрузки.

      Часть объёма контейнера представляет собой ёмкость для балластной воды. В процессе разгрузки контейнера эта ёмкость заполняется водой для компенсации груза. Вес воды должен быть равен весу груза. После окончания разгрузки контейнер лебёдками поднимается к дирижаблю, и он начинает обратный полёт в аэродром отправления. После возвращения на базу контейнер загружается очередной партией груза, вода из балластной цистерны сливается, и он начинает полёт в новую точку назначения.

     Необходимые характеристики дирижабля.

1.     Грузоподъёмность. Населённые пункты на Северо-Востоке являются не большими с населением 1-2 тысячи человек. Суточная потребность данных посёлках в свежих овощах и фруктах 2 тонны в день. При периодичности прилёта дирижабля раз в две недели необходимая грузоподъёмность около 20 тонн.

2.     Форма дирижабля. Существует две основные формы дирижабля: сигарообразные и дискообразные. Сигарообразная обладает низким лобовым сопротивлением высокой устойчивостью полёта, но чувствительна к боковому воздействию ветра, что затрудняет удержанию заданного курса. У дискообразного дирижабля влияние бокового ветра мала, однако высокое лобовое сопротивление и низкая устойчивость полёта. Отношение площади оболочки к объёму дирижабля у дискообразного больше чем у сигарообразного. В связи с этим выбираем сигарообразную форму шара.

3.     Размеры дирижабля.                                                                      

4.      Расчёт объёма дирижабля:

Полезная грузоподъёмность дирижабля – 20 тонн.

Собственный вес дирижабля – 5 тонн.

Необходимая подъёмная сила – 25 тонн.

Дирижабль наполнен гелием – 0,180 кг/м³.

Плотность воздуха - 1,290 кг/м³.

Подъёмная сила 1 кубического метра гелия при 20 градусов Цельсия и давления 760 мм рт/ст равна – 1,290кг– 0,180кг= 1,11кг.

Необходимый объём дирижабля равен – 25000 кг / 1,11 кг = 22523 м³.

Длина – 90 м.

Диаметр – 18 м.

5.     Исходя из международного опыта строительства дирижаблей наиболее оптимальной скоростью полёта является 100 км/ч.

6.     Высота полёта 5 км.

7.     Количество и мощность двигателей.

Исходя из соображения надёжности и экономичности выбираем 2 маршевых дизельных двигателя мощностью по 400 кВт каждый и 2 электрических двигателя для маневрирования мощностью по 20 кВт.

Скачано с www.znanio.ru