Аэростат

Аэростат заграждения

АЭРОСТАТ, летательный аппарат легче воздуха, поддерживающийся в нем благодаря подъемной силе заключенного в оболочке аэростата газа с удельным весом, меньшим, чем удельный вес воздуха. Подъем и спуск аэростата основан на законе Архимеда (см. Аэростатика). Различаются аэростаты управляемые и неуправляемые. Неуправляемые аэростаты бывают: сферические - для свободных полетов и привязные - змейковые. Газы для наполнения оболочек аэростатов: 1) водород - вес 1 м3 химически чистого газа при 0° и 760 мм - 0,0896 кг, подъемная сила 1,20 кг; 2) светильный газ - вес 0,45—0,67, подъемная сила 0,62—0,84 кг; 3) гелий - вес 0,18, подъемная сила 1,11 кг. Технический газ содержит примеси до 1,5—3%, подъемная сила его соответственно уменьшается. Для вычисления подъемной силы принимаются в расчет колебания температуры и давления. Гелий - инертный газ; вследствие дороговизны для неуправляемых аэростатов почти не применяется. Для привязных аэростатов обычно применяется водород (при проектировании аэростата подъемная сила 1 м3 принимается в 1,1 кг); для сферических аэростатов - водород и светильный газ; прежде в монгольфьерах применялся нагретый до 100° воздух (1м3 - вес 0,96 кг, подъемная сила - 0,33 кг).

Сферический аэростат, или воздушный шар, служит для свободных полетов с целью подготовки пилотов для дирижаблей, изучения высоких слоев атмосферы, а также и для спорта. При подъеме движение аэростата ускоряется до тех пор, пока он не примет скорости и направления ветра и между ним и окружающей его атмосферой не будет никакой разницы в скорости. Попытки управлять аэростатом при помощи парусов и рулей не имели успеха, т. к. с наступлением установившегося состояния ветер не может действовать на какую-либо часть аэростата. Формой шара достигается данный объем при наименьшей поверхности, следовательно, вес газовой оболочки при этом минимальный.

Сферический аэростат

Сферический аэростат (фиг. 1) состоит из оболочки 1 с надетой на нее сетью из пеньковых веревок 2. К сети при помощи подвесного обруча 3 прикрепляется корзина 4. Иногда корзина с подвесным обручем крепится при помощи веревок к поясу, нашиваемому на оболочку ниже экватора. Оболочка д. б. снизу всегда открытой, т. к. при подъеме, вследствие уменьшения давления на аэростат снаружи, или при нагревании оболочки солнечными лучами газ внутри расширяется, и давление его могло бы достигнуть предела, допускаемого для материала оболочки, если бы она была замкнута; поэтому у нижнего полюса оболочки имеется отверстие 5, к которому присоединяется цилиндрический придаток - апендикс 6, служащий для наполнения аэростата газом. Сверхдавление р в кг/м2 вверху оболочки аэростата: p = a(h + D), где а - подъемная сила 1 м3 газа, выраженная в кг, h- высота апендикса и D - диаметр шара в м. Вверху шара - выпускной клапан 7, открывающийся для выпуска части газа, в случае необходимости спуска, посредством веревки 8, идущей от клапана в корзину; после прекращения тяги за веревку клапан автоматически закрывается мощными пружинами, прижимающими тарелку клапана к резиновой пластинке. Площадь клапана таких размеров, чтобы газ мог выходить со скоростью 1/30 всего объема в минуту при полном рабочем давлении в аэростате. Для быстрого выпуска из оболочки газа, что бывает необходимо при посадке аэростата на землю, служит разрывное приспособление, состоящее из приклеенного к оболочке разрывного полотнища 9 щелевой или клинообразной формы, идущего от зенита шара к экватору, и из разрывной вожжи 10, проходящей сквозь апендикс в корзину. Усилие на вожжу не должно превосходить 56,5 кг. Разрывное приспособление отрывается на высоте 6—15 м от земли. Только после изобретения и применения разрывного приспособления сделался возможным, даже при сильном ветре, надежный спуск на землю. Чтобы воспрепятствовать нежелательному отрыву разрывного полотнища, разрывная вожжа прикрепляется к нему не непосредственно, а при помощи пружины и кольца 11, из которого вожжа м. б. освобождена только, если сильно ее дернуть. Корзина аэростата изготовляется из ивовых прутьев, так как этот материал обладает высокой степенью упругости, необходимой для избежания разрушения корзины от ударов о землю при спуске. Для смягчения спуска и торможения аэростата служит гайдроп 12 из прочной пеньковой веревки в 80—100 м длины, прикрепленный к подвесному обручу со стороны разрывного приспособления. Корзины для полета снабжаются: анероидом, барографом, иногда статоскопом, компасом, часами, картами, ножом, электрическим фонарем, балластом в мешках. Управление сферическим аэростатом может быть только в вертикальной плоскости и производится сбрасыванием части балласта - для подъема вверх и выпуском части газа - для спуска. Наиболее употребительные объемы оболочек свободных аэростатов: 300, 640, 1000 и 1600 м3. Для оболочек аэростатов объемом до 800 м3 применяется обычно однослойная прорезиненная хлопчатобумажная или шелковая ткань с прочностью на разрыв около 600 кг на 1 п. м; для аэростатов большего объема - двуслойная ткань с прочностью около 1000 кг. Напряжение материала S в верхней точке оболочки, получающееся в результате сверхдавления р (определяемого по приведенной выше формуле): S = D∙p/4; или, пренебрегая высотой апендикса h, имеем: S = D2∙а/4. Пример: для аэростата объема 640 м3 с D = 10,7 м, принимая а = 1,2, получим: S = 35 кг на 1 п. м и, следовательно, запас прочности k = 17,4. Оболочки испытывают при упаковке и транспорте их часто большие напряжения, чем от сверхдавления; кроме того, они портятся от атмосферных условий, поэтому запас прочности их берется сравнительно большой.

Привязные змейковые аэростаты служат для наблюдения, заграждения и для подъема метеорологических приборов. Первые употребляются на войне в качестве подвижной наблюдательной вышки для ближней разведки, для корректирования стрельбы батарей. Аэростаты заграждения служат для подъема воздушных заграждений, состоящих из металлических сетей, протянутых между двумя аэростатами в целях преграждения пути неприятельским самолетам. Эти аэростаты употреблялись мало и только ночью. Аэростаты поднимаются и выбираются (опускаются) с помощью специальной моторной лебедки, установленной на земле, и привязного троса. До последнего времени существовало два основных типа аэростатов для наблюдения: а) немецкий тип, Парсеваль (с 1900 г.) - емкость 1000 м3, длина 25 м, диаметр 7,5 м; этот тип в последнее время почти не применяется; б) французский тип, Како (фиг. 2), очень устойчив, может работать при скорости ветра до 30 м/сек, состоит на вооружении почти во всех странах (и Германии) и применяется для работы на суше и во флоте.

Аэростат Како

Объем аэростата Како - 930 м3, длина 25 м, максимальный диаметр 8,15 м, общий вес около 470 кг (употребляются объемы и в 1000, 1200 и 1400 м3). Оболочка 1 формы, составленной двумя полуэллипсоидами вращения с миделем на 1/3 длины, считая от носа, сшивается из двуслойной прорезиненной хлопчатобумажной ткани весом около 300 г на 1 м2, с прочностью на разрыв по основе и по утку не менее 1000 кг на 1 п. м и с газопроницаемостью не более 5—10 л на 1 м2 в сутки. Полотнища сшиваются шелковой ниткой двойным или тройным швом. Оболочка снабжена баллонетом 2 и автоматическим клапаном 3; клапан автоматически открывается при сверхдавлении внутри оболочки выше ~14 мм водяного столба. При расширении до этого предела газ вытесняет воздух из баллонета. На оболочке имеется апендикс 4, для наполнения оболочки газом, с d = 0,5 м; через него возможен и вход в оболочку для ремонта ее; по наполнении оболочки апендикс завязывается. Разрывное приспособление 5 помещается вверху аэростата; им пользуются только в крайнем случае. Органы устойчивости аэростата: 2 матерчатых стабилизатора 6 и такой же рулевой мешок 7, расположенные на корме под углом в 120° друг к другу. В рулевой мешок через улавливатель ветра 8 входит воздух, поступающий затем в оба стабилизатора и в баллонет. На оболочке нашит главный пояс 9, от которого идут привязной такелаж 10, соединяющий аэростат с привязным тросом и через него - с лебедкой, и подвесной такелаж 11, соединяющий аэростат с корзиной. Такелаж состоит из системы т. н. гусиных лапок 12, спусков 13 и строп 14. Материал для них - веревки из пеньки, рами (китайская крапива), хлопчатой бумаги, льна, редко - шелка; запас прочности не менее 12—15. Привязной трос стальной, плетеный, диаметром 5—7 мм и весом около 150—200 г на 1 п. м, включая сюда и телефонный кабель, обычно из трех изолированных проводников; сопротивление троса на разрыв 3000—4000 кг. Аэростат Како поднимается с одной или двумя корзинами; возможная высота подъема - 1200—1500 м с двумя наблюдателями и 1800—2000 м с одним. В Италии имеются аэростат системы Аворио-Прассоне «АР» с оболочкой почти сферической формы; дает хорошие результаты в местах с редкими ветрами. Объем 900 м3, общий вес 450 кг. В последнее время за границей строятся так наз. расширяющиеся аэростаты, т. е. аэростаты, изменяющие свой объем вследствие способности оболочки растягиваться. Эта растяжимость, если она упруга, позволяет, сверх того, устранить баллонет и клапан, что значительно облегчает аэростат. Таким аэростатом, изменяющим свой объем с 280 до 500 м3, предназначенным для метеорологических исследований, достигнута высота 5000 м.

Силы, действующие на поднятый привязной аэростат

Силы, действующие на поднятый привязной аэростат (фиг. 3): свободная подъемная сила F газа, заключенного в оболочке, направленная вверх, натяжение троса Ттр., вес аэростата, корзины и грузов, в ней находящихся, - Q, усилие ветра R; последнее разлагается на горизонтальное S и вертикальное N. При равновесии все эти силы находятся в одной плоскости. Разлагая Ттр. на горизонтальную Силу Тгор. и вертикальную Тверт. и проектируя на оси координат, имеем:

aerostat f

Сила F приложена к центру объема газа в оболочке (в центре поддержания). Аэростат находится в воздухе наклоненным своей продольной осью, обычно под углом ~ в 15—18°, к горизонту; для равновесия момент всех сил, взятый относительно центра тяжести аэростата, д. б. равен нулю, что и бывает при таком наклоне оси аэростата. Момент считается положительным, когда он стремится поднять нос аэростата. Равновесие привязного аэростата при сильном ветре зависит почти исключительно от аэродинамических сил и моментов; это является иллюстрацией закона: «эффект силы поддержания (газа) важен для определения положения плавающих тел лишь при очень малых относительных скоростях». Натяжение привязного троса возрастает со скоростью ветра очень значительно; так, например, при скорости ветра в 35 м/сек натяжение троса возрастает в 14 раз по сравнению с натяжением при отсутствии ветра. Если пренебречь силами ветра, действующими на трос при подъеме аэростата, то кривая, образованная тросом, представится в виде цепной линии, что необходимо учитывать при определении потребной длины троса. Как показали опыты, при увеличении скорости ветра отношение Тгор.верт.  меняется незначительно, т. е. аэростат (при умеренных ветрах) относится на определенное расстояние и остается на нем, несмотря на то, что ветер усиливается.

 

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 2 - 1928 г.

Избранное