Дирижабли

В последнем в этом месяце выпуске «Науки и техники», по традиции посвященном современным электронным коммуникациям и компьютерным технологиям, речь пойдет о дирижаблях. Да, да, не удивляйтесь. Дело в том, что проект, ставший основной темой нашей передачи, как раз находится на стыке этих, казалось бы, совершенно разных технологических направлений. На первый взгляд, золотые времена дирижаблестроения уже давно канули в лету. Но поклонники и энтузиасты этого вида воздухоплавания не сдаются. Несмотря на недавнее банкротство крупномасштабного немецкого проекта Cargo-Lifter, целью которого было производство гигантских грузовых дирижаблей, инженерам и конструкторам не дают покоя очевидные преимущества цеппелинов, в частности, - невысокие расходы на их эксплуатацию по сравнению с другими видами воздушного и космического транспорта. Спектр их применения достаточно широк: от трансляции сигнала со стратосферной высоты и транспортировки грузов на дальние расстояния до туризма и патрулирования границ. Современные дирижабли лишены многих недостатков своих предшественников. Они заполняются не как раньше пожароопасным водородом, а гелием. Существенным усовершенствованиям подвергся и сам корпус, включая обшивку и несущую конструкцию. Бортовые системы позволяют успешно пилотировать корабль как днем, так и ночью. Современному дирижаблю не страшны ни сильные ветры, ни обледенение. Уровень развития средств навигации и пилотирования попросту устранил почти все проблемы первой трети прошлого века, когда дирижабли и аэростаты пережили настоящий «бум».

Изобрел дирижабль и впервые 24 сентября 1852 совершил на нем полет француз Анри Жиффар. Это был дирижабль мягкой или нежесткой конструкции. Желание более равномерно распределить вес гондолы, силовой установки, топлива и полезного груза по всей длине дирижабля побудило создать конструкцию, которая в конце 1910-х годов воплотилась в дирижаблях полужесткой конструкции. Это новое направление в дирижаблестроении приобрело наиболее преданных сторонников в Италии, где Умберто Нобиле (Umberto Nobile) в 1919 построил полужесткий дирижабль «Рома». В 1928-ом он руководил итальянской экспедицией к Северному полюсу на дирижабле собственной конструкции «Италия», потерпевшем катастрофу неподалеку от Шпицбергена. Из 8 оставшихся в живых членов экипажа 7 человек были спасены советской экспедицией на ледоколе «Красин». Большой дирижабль жесткой конструкции, внешняя обшивка которого сохраняет свою форму независимо от давления наполняющего его газа, впервые был построен в Германии. Своим созданием он обязан инициативе и настойчивости графа Фердинанда фон Цеппелина (Ferdinand von Zeppelin)– именно его именем впоследствии стали называть дирижабли жесткой конструкции.

Родился легендарный конструктор 8 июля 1838 в Констанце. В 1857 году Фердинанд стал офицером германской армии. Во время Гражданской войны в Америке 1861–1865 годов он был военным обозревателем. Затем участвовал в экспедиции по изучению ресурсов реки Миссисипи, и тогда же произошло событие, в корне изменившее жизнь Цеппелина. Именно тогда ему довелось впервые подняться в воздух на привязном аэростате. С тех пор его не покидала мысль о занятиях воздухоплаванием. По возвращении в Германию он принял участие в австро-прусской и франко-прусской войнах, дослужился до генеральского чина. В 1891 вышел в отставку и сразу же занялся разработкой и испытаниями дирижаблей. Несмотря на ряд неудач на начальном этапе и грозившее ему разорение, Цеппелин всё же воплотил свою мечту. 2 июля 1900 состоялся первый успешный полет его аппарата. Это был дирижабль жесткой конструкции с металлическим каркасом, обтянутым тканью, в отсеках внутри корпуса помещались баллоны с газом. В 1905-ом был построен второй дирижабль, а к 1914 году – 25 аппаратов. 6 из них были предназначены для перевозки пассажиров и почты, остальные купило военное ведомство. Военные дирижабли Цеппелина применялись в Первой мировой войне. Самый большой дирижабль- «Граф Цеппелин» - был построен в 1928 году уже после смерти конструктора – умер он в 1917-ом. Объем корабля составлял 105 тысяч кубических метров, длина 236 метров, максимальная скорость полета - 128 километров в час. На дирижабле было пять моторов «Майбах» по 530 лошадиных сил каждый. Он 11 раз пересек Атлантику, а в 1929 облетел вокруг земного шара, преодолев расстояние в 35 тысяч километров. Последний пассажирский дирижабль конструкции Цеппелина, «Гинденбург», был построен в 1936 году. Объем этого непревзойденного по роскоши воздушного транспортного средства составлял 190 тысяч кубометров. Сигарообразный аппарат длиной в 253 метра и диаметром в 41 метр был оснащен четырьмя дизельными двигателями мощностью по 780 киловатт каждый. Воздушный корабль мог перевозить грузы весом под 90 тонн на расстояние 12 800 километров. Однако конец «Гинденбурга» стал одной из самых громких сенсаций тех времен. 6 мая 1937 при посадке в Лейкхерсте в американском штате Нью-Джерси он взорвался, унеся жизни 36 человек.

Эта катастрофа во многом предопределила дальнейшую судьбу дирижаблестроения. Тихоходность, сложное пилотирование, особенно при посадке, а также проблемы с безопасностью послужили причиной утраты интереса к этому виду воздушного транспорта на долгие годы.

Однако последнее десятилетие можно по праву назвать «ренессансом» воздухоплавания. Многим конструкторам до сих пор не дает покоя слава графа Цеппелина. Так в 1996 году в Германии стартовал честолюбивый проект под названием Cargo-Lifter. По замыслу его вдохновителя и руководителя Карл-Хайнриха фон Габленца (Carl-Heinrich Freiherr von Gablenz) дирижабль CL-160 должен был совершать межконтинентальные перелеты со 160 тоннами груза на борту. Несмотря на сомнения многих специалистов в возможности реализации проекта, для постройки этого гиганта в небольшом местечке Бранд недалеко от Берлина была построена специальная верфь, с самым большим в мире перекрытием без опор. Однако Габленцу так и не удалось довести начатое до конца. После его аферы с выводом акций компании на биржу, проект с треском лопнул. Всё имущество предприятия было спущено с молотка. Теперь в чудо-ангаре размещен аквапарк с имитацией тропических джунглей, стоивший его устроителям 70 миллионов евро. Окупятся ли такие затраты? Уже сейчас многие предрекают и этому предприятию бесславный конец Cargo-Lifter’а. Поживем-увидим. Обратимся лучше к более реалистичным проектам последних времен. Например, к проекту интернетизации сельской местности под названием Capanina, разработанному специалистами Йоркского университета в Великобритании. Он предполагает замену дорогостоящих оптоволоконных линий связи более дешевыми беспилотными летательными аппаратами с мощными антеннами-передатчиками на борту. Если этот проект, финансируемый на средства Евросоюза, окажется жизнеспособным, то уже через несколько лет основным средством интернет-доступа для малонаселенных регионов Европы будет не висящий на орбите спутник, а беспилотный самолет на солнечных батареях, аэростат, или дирижабль, дрейфующий на двадцатикилометровой высоте.

Как же обеспечить бесперебойную широкополосную связь между подвешенными в воздухе летательными аппаратами? Над решением этой непростой задачи трудятся сейчас инженеры немецкого Центра аэрокосмических исследований в Оберпфаффенхофене. По их замыслу, сверхбыструю связь между наземными станциями, дирижаблями и спутниками можно наладить при помощи специальных лазерных трансмиттеров. Разработчики надеются, что скорость доступа будет очень высокой - до 120 мегабит в секунду для каждого из тысяч компьютеров, подключенных к «высотной платформе» в радиусе тридцати километров. По сравнению с этой сложнейшей системой обычная радиорелейная связь – просто «каменный век»! Но на пути к реализации этих крупномасштабных замыслов инженерам придется столкнуться с серьёзными трудностями. Говорит руководитель проекта Capanina немецкого Центра аэрокосмических исследований Иоахим Хорват (Joachim Horwath):

«Для этого наземный передатчик и приемник, находящийся в воздухе, должны фиксировать малейшие колебания летательного аппарата, любые отклонения вплоть до пятитысячной доли градуса. По сути, это и есть самая сложное в обеспечении работы оптической связи. И, тем не менее, наша демонстрационная модель успешно справилась с поставленной задачей. Нам удалось без помех передать видеофильм, и тем самым подтвердить функциональность нашей наземной системы».

В успехе проекта немецкие исследователи не сомневаются. В конце концов, лазерная оптическая связь существенно превосходит все другие виды связи по скорости и объему передачи данных:

«Мощность микроволновой связи составляет сегодня в лучшем случае около трехсот мегабит в секунду, оптика же при длине волны в 1064 нанометра позволяет достичь пяти с половиной гигабит в секунду – а это в десять раз больше».

- поясняет Иоахим Хорват. Но и это ещё не все преимущества оптических передатчиков. Лазерные излучатели и приемники не только компактнее и легче, чем их радиорелейные предшественники, но и потребляют гораздо меньше электроэнергии. Всё это говорит о большом будущем применения этой технологии на релейных станциях в стратосфере. Однако передача данных на таких высотах ставит инженеров перед новыми проблемами. Дело в том, что с увеличением расстояния между модулями связи спектр лазерного луча искажается под воздействием сгустков молекул воздуха различной плотности. Иоахим Хорват:

«Это тот же самый эффект, из-за которого нам кажется, что звезды в небе мерцают. Воздух под воздействием солнечных лучей нагревается, что приводит к различной силы завихрениям воздушных частиц».

А это, в свою очередь, вызывает преломления лазерного луча. В результате информация, передаваемая по заданному вектору, перераспределяется в пространстве, рассеивается. Однако ученые уже придумали, как избежать неразберихи при приеме данных:

«Метод называется Transmitter-Diversity. Здесь мы используем два лазерных передатчика, которые на расстоянии 30 сантиметров друг от друга посылают один и тот же сигнал. До приемника эти два лучевых потока доносят уже разную информацию. Затем эта разница просчитывается по специальному алгоритму, что в конечном итоге позволяют существенно снизить долю искажения сигнала».

Кроме того, одни и те же данные посылаются и на разной частоте. Сравнение полученных комбинаций данных по тому же принципу, что и с трансмиттерами, дает возможность восстановить первоначальный сигнал в полном объеме.

Пока исследователи экспериментируют лишь с платформами, расположенными на высоте не более 300 метров над землей, а также пытаются разработать бизнес-модель, которую можно было бы использовать для быстрой окупаемости проекта. Поговаривают, что к 2008 году будут развернуты первые точки доступа, установленные на аэростатах. Ситуация с самолетами на солнечных батареях неясна — никто такие аппараты не производит и, похоже, выпускать не собирается.

Надо сказать, что применение дирижаблей и аэростатов не ограничивается задачами обеспечения широкополосной связи. Пару лет назад Пентагон заключил многомиллионный контракт с аэрокосмической корпорацией Lockheed Martin, которой было поручено разработать высотный, дистанционно управляемый дирижабль для охраны границ США и обнаружения ракет противника. Высота полета цепеллина, наполненного гелием и питающегося от солнечных батарей, должна составить те же 20 километров. Предполагается, что этот летательный аппарат длиной в 150 метров и диаметром около 50 метров удачно дополнит наземные радарные станции с ограниченным полем обзора и разведывательные спутники, также ограниченные в возможностях наблюдения из-за вращения Земли. Дирижабль же может висеть над нужной точкой месяцами и, в отличие от космических спутников, способен приземляться для обновления оборудования и технического обслуживания.

Теперь несколько слов об уже несущих службу во многих странах патрульных дирижаблях. С 2002 года полиция Рио-де-Жанейро стала использовать двухместный патрульный дирижабль. Скорость «воздушного полицейского» 60-80 километров в час, он экономичен и приносит прибыль, так как на его поверхности размещена реклама. Он позволяет достаточно эффективно контролировать криминогенные участки, а также вести наблюдение за дорожно-транспортной ситуацией в больших городах. Этой идеей заинтересовалась и московская мэрия. Власти Японии уже раньше всех стали применять воздухоплавательные средства для охранных мероприятий. В США, Китае и ряде других стран патрульные дирижабли также применяются для охраны границ, в частности в борьбе с контрабандистами. В Германии в небе больших городов можно достаточно часто увидеть дирижабли, запускаемые с рекламными целями. И ещё: дирижабли «научили» искать мины. Дирижабль Mineseeker («Миноискатель»), разработанный британскими специалистами, показал высокую эффективность при обнаружении металлических и пластиковых мин, даже таких, которые с трудом обнаруживает обычный миноискатель. Так что из всего вышесказанного вывод напрашивается сам собой – вторая молодость дирижаблестроения не за горами. На этой оптимистической для всех поклонников воздухоплавания ноте наш сегодняшний выпуск «Науки и техники» подошел к концу.