Дирижабль для Венеры - проект транспортно-исследовательского дирижабля

Из всех планет Солнечной системы Венере, пожалуй, больше всех повезло в части исследования ее космическими аппаратами. Достаточно вспомнить, что к планете стартовало двенадцать советских автоматических станций серии «Венера», девять из них вывели на орбиту сложные исследовательские аппараты — искусственные спутники Венеры, спускаемые аппараты восьми станций, снижаясь в атмосфере планеты, передали на Землю ценную научную информацию, шесть спускаемых аппаратов совершили мягкую посадку на поверхности Венеры и оттуда вели свои научные репортажи, и, наконец, две космические машины по радиомосту протяженностью в десятки миллионов километров передали на Землю изображение самой поверхности Венеры, впервые показали нам планетный ландшафт.

Можно не сомневаться в том, что исследования Венеры будут продолжаться, а, значит, ученые и конструкторы должны задумываться о наиболее удобном исследовательском аппарате. В частности, о возможности осуществить длительный полет в атмосфере планеты, маневрировать, менять высоту, приближаться к поверхности, совершать на некоторое время посадку и снова отправлять машину в полет. До сих пор исследования венерианской атмосферы в основном велись в процессе сравнительно медленного спуска: сначала с помощью парашютных систем, а затем за счет аэродинамического торможения. В принципе же можно представить себе и иные пути изучения планеты, в частности, с помощью аппаратов, напоминающих наши земные самолеты, аэростаты или дирижабли. Потому что на Венере в отличие, скажем, от Луны есть атмосфера, причем атмосфера достаточно плотная и летать вокруг планеты можно, опираясь на «воздух».

Размышляя о возможностях создания долговременно летающей лаборатории для Венеры, прежде всего, естественно, приходишь к аналогам аэростата или дирижабля. И главным образом потому, что они могут длительное время находиться в полете, не требуя затрат энергии. То есть, не требуя горючего, без которого не сможет обойтись такая удобная машина, как самолет. Этот фактор можно считать решающим, так как доставка грузов на далекую планету — задача чрезвычайно сложная, и трудно представить себе проект полета к Венере, предусматривающий доставку многих тонн горючего и окислителя для исследовательского аппарата.

Здесь настал момент отметить, что для осуществления полета аппаратов аэростатного типа также требуется доставка на планету довольно большой массы. Речь идет о рабочем теле для аэростата, о том газе, которым нужно заполнить его оболочку, чтобы получить необходимую подъемную силу. Сам этот газ, разумеется, весит немного, но доставлять его на планету нужно в сильно сжатом виде. А при этом тара — баллоны высокого давления — весит во много раз больше, чем сам газ, само рабочее тело. Так, скажем, если остановиться на традиционном легком газе для аэростатов, на гелии, то для полета в атмосфере Венеры вес его составит всего 9 процентов от веса всего аппарата, но баллоны, в которых будет доставляться гелий, находящийся под давлением 300—350 атмосфер, будут весить примерно столько же, сколько сам аппарат.

Эти предварительные расчеты, видимо, свели бы на нет достоинства аэростатов для полета в венерианской атмосфере, если бы не одно особое обстоятельство — высокая температура атмосферы как вблизи самой поверхности планеты, так и на довольно большой высоте.

рис-1

Модель венерианского дирижабля из тонкого, прочного и гофрированного металла

Как известно, температура у поверхности Венеры достигает примерно 500°С, а это позволяет использовать совершенно особую тактику заполнения аэростатов рабочим телом: на планету в баллонах низкого давления доставляются нормальные земные жидкости, такие, например, как вода или аммиак, затем под действием высокой температуры они без каких-либо дополнительных затрат энергии превращаются в пар, который и служит рабочим телом для аэростата. Но сейчас, когда полет рукотворных космических аппаратов к планетам Солнечной системы стал не просто реальностью, но даже операцией многократно повторенной, плановой, есть все основания и о космическом аэростате подумать как о вполне осуществимой машине и попытаться в простейших расчетах и эскизных набросках представить себе возможные ее характеристики.

Прежде всего отметим, что аэростат, заполненный водяным паром, существенно тяжелее аэростата, заполненного гелием,— на долю пара приходится уже примерно половина общего веса всего аппарата. Но этот избыток веса с лихвой компенсируется отсутствием баллонов высокого давления, и в итоге аэростат, заполненный водяным паром, берет на борт значительно большую полезную нагрузку, чем заполненный гелием. Кроме того, «паровой» аэростат имеет ряд других очень важных достоинств — его оборудование отличается простотой и надежностью (в частности, из-за того, что текучесть паров воды значительно ниже, чем текучесть гелия), а кроме того, появляется возможность менять высоту полета, используя различие температур на разных высотах.

Это последнее достоинство становится особенно важным, если использовать двухкомпонентное рабочее тело, например, смесь паров воды и паров аммиака или метилового спирта.

Нетрудно догадаться, что в атмосфере, температура которой с высотой понижается, подъем аэростата ограничивается характеристиками самого рабочего тела. Так, в нашем конкретном случае аэростат, заполненный водяными парами, будет подниматься до тех пор, пока понижение температуры не приведет к конденсации паров, не превратит их в воду. Расчеты показывают, что в реальных условиях атмосферы Венеры, предельная высота подъема, то есть полетный потолок для аэростата, заполненного водяными парами, составляет примерно 39 километров; для аэростата, заполненного парами метилового спирта,— 45 километров и парами аммиака — более 100 километров.

Это как раз и есть те высоты, на которых вследствие понижения температуры все названные пары образуют конденсат, превращаются в жидкость. То, что именно этим высотам соответствуют температуры конденсации паров воды, метилового спирта и аммиака, удалось установить, анализируя результаты исследования венерианской атмосферы советскими аппаратами серии «Венера».

Возможности полетов аэростата в атмосфере Венеры определяются еще одной интересной особенностью.

Теплофизическими исследованиями установлено, что в реальных условиях венерианской атмосферы зависимость положения аэростата от количества рабочего тела в его оболочке совсем иная, чем в атмосфере Земли. Так, в земной атмосфере количество рабочего тела, необходимое для уравновешивания аэростата, должно быть тем больше, чем выше мы хотим осуществить воздухоплавание. И поэтому для того, чтобы в земной атмосфере происходил подъем аэростата, нужно либо сбрасывать балласт, либо увеличивать количество рабочего тела в оболочке, наполнять ее легким газом.

На Венере все наоборот: чем выше должен зависнуть аппарат, тем меньшее количество рабочего тела должно быть в его оболочке — таковы особенности самой атмосферы, соотношений давления, плотности, температуры газов на разных высотах. Поэтому аэростатический летательный аппарат на Венере будет подниматься, если количество рабочего тела в его оболочке рассчитано на полет в нижних слоях атмосферы. И, наоборот, если масса рабочего тела взята на борт в расчете на полет в верхних слоях атмосферы, аппарат в нижних слоях летать не сможет и вверх вообще не поднимется. Иными словами, по мере подъема аэростата убывает необходимая для его подъема масса рабочего тела.

Теперь представим себе, что в летательном аппарате используются два «разных газа, два рабочих тела — основное и вспомогательное. Это, как и в предыдущем случае, доставленные на Венеру жидкости, которые под действием высокой внешней температуры уже на самой планете превращаются в газ. Основной газ, основное рабочее тело, обеспечивает подъем аппарата до некоторой максимальной высоты (для данного вещества) и все время находится в газообразном состоянии. Но еще до того, как эта высота будет достигнута, вспомогательное рабочее тело (именно так выбраны его характеристики!) начнет конденсироваться: из газообразного состояния переходить в жидкое, превращаясь для летательного аппарата в балласт. Под влиянием этого балласта аппарат начнет снижаться.

Если собрать в баллон превратившееся в жидкость вспомогательное рабочее тело и сохранить его в этом баллоне, то можно осуществить снижение до самой поверхности планеты. Если же вспомогательное рабочее тело в виде пара вновь направить в оболочку аэростата (превращение жидкости в пар — процесс естественный при спуске аппарата, то есть при погружении его в более нагретые слои атмосферы), то снижение на какой-то высоте сменится подъемом. В зависимости от режима подачи вспомогательного рабочего тела в оболочку аэростата и возможности совершать поступательное движение возможны самые разные варианты циклов «спуск— подъем». Некоторые из них показаны на втором рисунке и обозначены цифрами 1—10. На этом рисунке схематично показаны основные процессы, происходящие при подъеме и спуске аэростата, у которого в качестве основного рабочего тела используются пары аммиака, а в качестве вспомогательного — пары воды.

рис-2

Схема полёта аэростата с двухкомпонентным рабочим телом.

Из положений 8, 9, 10 можно вновь начать подъем, открыв дроссельную заслонку

И вот еще что интересно. Движение аэростатного летательного аппарата «вверх-вниз-вверх-вниз...» осуществляется практически бесплатно: все затраты энергии сводятся к перемещению дроссельной заслонки пароконденсатного баллона для вспомогательного рабочего тела. Основную же энергию для перемещения аппарата вверх (вниз он опускается под действием силы тяжести) дает окружающая среда, а конкретно — горячая атмосфера планеты. И, конечно же, обидно было бы не использовать такой щедрый источник энергии полностью, тем более что сделать это довольно просто. Достаточно установить на аппарате своего рода ветроэлектрический агрегат: «воздушный» винт, связанный с электрогенератором. При спуске и при подъеме «воздушный» поток (кавычки необходимы здесь потому, что на Венере атмосфера образована не воздухом, а совсем иной смесью газов) заставит винт вращаться, и электрогенератор будет вырабатывать ток.

Простейшие расчеты одного из возможных вариантов аэростатического аппарата для Венеры показали, что он может иметь массу порядка нескольких тонн и что при этом диаметр его может быть примерно таким, как показано на первом рисунке. Сама оболочка, наполняемая газом, может быть выполнена из тонкого гофрированного металла, что обеспечит достаточную жесткость конструкции, и в то же время необходимое расширение оболочки по мере поступления в нее газообразного рабочего тела. Предварительные расчеты показывают, что, совершая спуски и подъемы в атмосфере Венеры, аэростатический аппарат может развивать скорость 30—40 километров в час, а это позволит получать от электрогенератора среднюю мощность порядка 200—300 ватт на аппарате массой около тонны и 2—5 киловатт на аппарате массой около 10 тонн.

Предварительные соображения говорят о том, что аэростатический аппарат для полета на Венере целесообразно снабдить маршевым винтовым двигателем, небольшим крылом и аэродинамическими рулями. При этом резко улучшаются полетные возможности машины — она сможет легко перемещаться к заданным районам поверхности планеты, совершать посадку в заданной точке, парить на определенной высоте над каким-либо тщательно изучаемым районом.

рис-3

Шесть возможных режимов движения аппарата

Снабженный маршевым двигателем аэростатический летательный аппарат для полетов в атмосфере Венеры по аналогии с нашими земными машинами подобного типа лучше всего, видимо, назвать дирижаблем. Пока, конечно, такой дирижабль для Венеры не более чем эскиз фантазирующего конструктора, но, кто знает, может быть, уже в обозримом будущем подобные машины начнут добывать для нас ценнейшую информацию о том, что происходит на планетах.

Кандидат технических наук Г. Москаленко

* Аэростат для Венеры

PRETICH.ru

***