конструкция корпуса дирижабля

Формула изобретения

Конструкция корпуса дирижабля изменяемого объема, состоящая из каркаса и обшивки, отличающаяся тем, что каркас выполняют из продольных стрингеров, концы которых соединяют затяжкой изменяемой длины, обшивка в пределах смежных стрингеров имеет форму поверхности отрицательной гауссовой кривизны, при этом внутри корпуса поддерживают пониженное давление газа по сравнению с внешним атмосферным давлением.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к конструкциям летательных аппаратов легче воздуха и может быть использовано в дирижаблестроении.

Известны положительные особенности дирижабля с корпусом изменяемого объема, позволяющим экономично регулировать подъемную силу аппарата. Впервые такая конструкция предложена К. Э. Циолковским (собрание сочинений, т.3, "Дирижабли") и основана на использовании обшивки с волнистым рифлением. Эта конструкция является прототипом предлагаемого изобретения.

Однако практическая реализация этой конструкции оказалась затруднительной вследствие сложности устройств для регулирования изменения объема, сложности изготовления корпуса с рифленой обшивкой, а также вследствие малой жесткости конструкции корпуса. Недостаточная жесткость конструкции объясняется неудовлетворительным использованием прочностных свойств материала волнистой обшивки, который в рассматриваемой конструкции работает только в одном направлении - вдоль волн рифления поверхности обшивки. Следствием неудовлетворительного использования прочностных свойств материала является большой собственный вес корпуса дирижабля, что снижает его эффективность.

Еще одним недостатком рассматриваемой, а также других известных конструкций является необходимость поддерживать внутри корпуса дирижабля избыточное давление газа, которое обеспечивает, в основном, стабильность его формы. Однако прочность конструкции корпуса не позволяет создать достаточно большое внутреннее давление газа (сверхдавление), которое обычно принимается порядка 30-40 мм вод. столба. Вследствие этого внутри корпуса дирижабля по высоте сечения избыточное давление непостоянно из-за существенного влияния собственного веса наполняющего корпус газа. Это приводит к появлению в элементах каркаса существенных изгибающих моментов и ухудшает использование прочностных свойств не только обшивки, но также шпангоутов и стрингеров.

Целью настоящего предложения является улучшение использования прочностных свойств обшивки и каркаса корпуса дирижабля изменяемого объема, упрощение технологии изготовления корпуса. Более лучшее использование прочностных свойств материалов позволяет уменьшить собственный вес конструкции, повысить ее надежность и улучшить эксплуатационные качества дирижабля.

Указанная цель достигается тем, что каркас дирижабля изменяемого объема выполняют из продольных стрингеров, концы которых соединяют затяжкой изменяемой длины, обшивка в пределах смежных стрингеров имеет форму поверхности отрицательной гауссовой кривизны, при этом внутри корпуса поддерживают пониженное давление газа по сравнению с внешним атмосферным. В этом случае прочностные свойства материала обшивки могут быть полностью использованы без опасения потери устойчивости несущих стрингеров. Кроме этого, обшивка, очерченная по поверхности отрицательной гауссовой кривизны, например, по поверхности гиперболического параболоида допускает малые изгибания без существенных изменений напряжений при изменении объема дирижабля и может быть изготовлена из линейчатых элементов (плоских и достаточно узких полос). Стрингеры работают преимущественно на центральное сжатие, не могут потерять устойчивости и их несущая способность может быть использована наиболее полно. Стрингеры могут иметь компактное поперечное сечение, что технически более предпочтительно в сравнении с известными конструкциями.

Разность давлений вне и внутри корпуса может быть несколько увеличена по сравнению с применимой в известных конструкциях дирижаблей, что повысит жесткость конструкции.

На фиг. 1 показано продольное сечение корпуса дирижабля; на фиг.2 - поперечное сечение по А-А на фиг.1; на фиг.3 дана аксонометрическая проекция фрагмента корпуса; на фиг.4 показана схема изменения объема корпуса в продольном сечении; на фиг.5 - схема изменения объема корпуса в поперечном сечении по Б-Б на фиг.4; на фиг.6 - схема расположения (в плане) линейчатых полос на обшивке, ограниченной двумя смежными стрингерами.

Конструкция корпуса дирижабля (фиг.1 и 2) состоит из продольных стрингеров 1, шарнирно соединенных на концах. К стрингерам крепится мембранная оболочка (обшивка) 2, очертание которой между смежными стрингерами имеет форму поверхности отрицательной гауссовой кривизны. Концы стрингеров взаимно стянуты затяжкой 3 внутри корпуса дирижабля. Фрагмент корпуса дирижабля показан на аксонометрической проекции фиг.3.

Рассмотрим статику работы конструкции при действии на нее внешних нагрузок при отношении диаметра корпуса к его длине порядка 1/6, обычно применяемом по требованиям аэродинамики.

Пусть (фиг. 1 и 2) давление газа внутри корпуса и внешнее атмосферное давление равны. Тогда в обшивке не возникает усилий и, следовательно, усилия в стрингерах и в затяжке также равны нулю.

Если путем откачки некоторого количества наполняющего корпус газа создать положительную разность давлений, то в обшивке возникнут растягивающие усилия, стрингеры окажутся сжатыми, а затяжка - растянутой. При этом на корпус дирижабля начнет действовать подъемная сила, определяемая массой откаченного воздуха. Укорочение длины затяжки (при принятых соотношениях диаметра корпуса к его длине) увеличивает объем корпуса, также создавая тем самым положительную разность давления между наружной атмосферой и внутренним газом. Поскольку при этом масса газа внутри корпуса остается неизменной, то возникает подъемная сила, приложенная к корпусу, пропорциональная изменению объема корпуса.

Функционирование дирижабля с корпусом предлагаемой конструкции заключается в следующем.

Пусть не загруженный полезной нагрузкой дирижабль находится у поверхности земли. Корпус дирижабля заполнен легким газом (например, гелием), давление которого несколько ниже наружного атмосферного давления. Корпус имеет начальную форму, показанную на фиг.4 и 5 сплошными линиями. В этом состоянии обшивка между смежными стрингерами имеет начальную стрелку провеса f_н порядка 1/4 расстояния l_н между стрингерами.

Для создания подъемной силы длину затяжки уменьшают с помощью механических, гидравлических или иных устройств известных конструкций, например с помощью гидравлического домкрата, расположенного на затяжке. При этом объем корпуса дирижабля увеличивается. Одновременно с увеличением объема дирижабля может осуществляться подогрев внутреннего газа с тем, чтобы разность давлений наружного воздуха и внутреннего газа не превышала расчетный уровень (также, как это осуществляется в известных конструкциях дирижаблей). В этом состоянии дирижабль подготовлен для транспортирования полезной нагрузки.

Для снижения подъемной силы процесс осуществляется в обратном порядке.

Преимущество предлагаемой конструкции корпуса дирижабля по сравнению с известными заключается в возможности создавать несколько большую разность между давлением внутреннего газа и внешнего воздуха. Причем эта разность давлений является отрицательной, т.е. газ в корпусе дирижабля имеет пониженное давление по отношению к атмосферному, в отличие от повышенного давления (сверхдавления), применяемого в дирижаблях известных конструкций. Это позволяет уменьшить массу внутреннего газа, что повышает эффективность дирижабля.

В предложенной конструкции корпуса по сравнению с известными достигается более полное использование прочности обшивки и элементов каркаса. Как известно (Э.Н. Кузнецов, "Введение в теорию вантовых систем", 1969г.), в мембранной оболочке отрицательной гауссовой кривизны, загруженной внешними усилиями, может быть реализовано безмоментное состояние опорного контура произвольной формы путем регулирования усилий предварительного напряжения вдоль главных кривизн этой поверхности. Статико-геометрический анализ рассматриваемой конструкции показывает, что возможно обеспечить близкую к безмоментной работу стрингеров для формы корпуса, имеющего заданную аэродинамическую форму. При этом достигается практически полное использование прочностных свойств материала стрингеров, поскольку они работают на центральное сжатие и не могут потерять устойчивость. Очевидна также и возможность полного использования прчностных свойств материалов мембраны и затяжки, работающих только на растягивающие усилия.

Одной из особенностей предложенной конструкции корпуса дирижабля является самоуравновешенность внутренних усилий в несущих элементах. В связи с этим при изменениях объема корпуса, вызванных изменениями длины затяжки, либо при изменении внешних нагрузок происходит перераспределение внутренних усилий. Это обеспечивает большую "живучесть" подобных систем по сравнению с жесткими неизменяемыми системами, в которых возможно возникновение перегрузок в отдельных элементах.

Так, при неизбежных отклонениях действительных воздействий от расчетных конструкция оказывается способной изменять геометрию (форму очертания стрингеров и мембранной оболочки, длину затяжки), что и вызывает перераспределение усилий в этих элементах. Например, всякое смещение центра давления внутреннего газа относительно геометрического центра поперечного сечения дирижабля вызывает значительные изгибные усилия в шпангоутах дирижаблей известных конструкций. В нашем случае такие смещения не опасны, т.к. происходит изменение стрелок (прогибов) мембран и очертаний стрингеров без существенного изменения усилий в них. Не опасны также и случайные смещения стрингеров (например, при порывах ветра) в направлении из их плоскости (в тангенциальном направлении). При устранении причин, вызвавших такие смещения, конструкция принимает первоначальную форму без повреждений. Таким образом, ожидается, что предлагаемая конструкция окажется более надежной, чем известные конструкции жестких дирижаблей.

Изменение объема корпуса путем регулирования длины затяжки оказывается конструктивно существенно более простым, чем применение в известных конструкциях различных систем блоков и тросов.

Упрощение технологии изготовления предлагаемой конструкции корпуса дирижабля по сравнению с известными заключается в следующем:

- обшивка корпуса выполняется из листового материала путем соединения достаточно узких полос 4 вдоль линейных образующих поверхности (фиг.6). Таким образом, отпадает необходимость рифления обшивки, а процесс сборки существенно упрощается;

- стрингеры имеют компактную форму поперечного сечения (поскольку в конструкции они работают на центральное сжатие). Поэтому они могут быть выполнены из профиля сплошного сечения в отличие от решетчатых стрингеров, применяющихся в известных конструкциях дирижаблей;

- отпадает необходимость в устройстве шпангоутов, которые в предложенной конструкции отсутствуют.

Наиболее предпочтительными материалами для корпуса дирижабля предлагаемой конструкции являются алюминиевые, титановые сплавы, а также композитные материалы с заданными деформационными и прочностными свойствами.

Технико-экономическая эффективность конструкции корпуса дирижабля складывается из ее простоты, технологичности изготовления и, в основном, вследствие более лучших эксплуатационных характеристик дирижабля.

Предполагается, что в наибольшей степени преимущества предлагаемой конструкции могут быть реализованы при строительстве крупных дирижаблей.