Hybrydowy sterowiec

Airlander - Flight Take-off Front (cropped).jpg
Hybrydowy sterowiec
Dynastat HAV 304 widziany z dziobu
Rola aerodyna cięższa od powietrza
Status W ograniczonym serwisie

Hybrydowy sterowiec lub pimp to samolot z napędem , który uzyskuje część swojej siły nośnej jako sterowiec lżejszy od powietrza (LTA) , a część z siły nośnej aerodynamicznej jako aerodyna cięższa od powietrza .

Dynastat to sterowiec hybrydowy ze stałymi skrzydłami i/lub podnoszonym nadwoziem , przeznaczony zazwyczaj do lotów długodystansowych. Wymaga lotu do przodu, aby stworzyć aerodynamiczny element nośny.

Rotastat to sterowiec hybrydowy z obrotowymi skrzydłami i jest zwykle przeznaczony do zastosowań związanych z dużym udźwigiem . Jego obrotowe skrzydła mogą zapewnić siłę nośną nawet podczas zawisu lub manewrowania w pionie, jak helikopter .

Nie zbudowano żadnych projektów produkcyjnych, ale oblatano kilka załogowych i bezzałogowych prototypów.

Termin „sterowiec hybrydowy” był również używany do opisania sterowca zawierającego mieszankę sztywnej , półsztywnej i niesztywnej konstrukcji.

Cechy

Konwencjonalne sterowce mają niskie koszty operacyjne, ponieważ nie potrzebują mocy silnika, aby pozostać w powietrzu, ale są ograniczone na kilka sposobów, w tym niski stosunek ładowności do objętości i niskie prędkości. Ponadto obsługa naziemna sterowca może być trudna. Ponieważ unosi się na wodzie, nawet przy lekkim wietrze jest podatny na podmuchy wiatru.

Z drugiej strony samoloty cięższe od powietrza lub aerodyny, zwłaszcza wiropłaty , wymagają ciągłego wykorzystywania mocy do generowania siły nośnej, a konwencjonalne samoloty również wymagają pasów startowych .

Hybrydowy sterowiec łączy siłę nośną sterowca z gazu lżejszego od powietrza, takiego jak hel, z dynamiczną siłą nośną statku cięższego od powietrza, wynikającą z ruchu w powietrzu. Taki hybrydowy statek powietrzny jest wciąż cięższy od powietrza, co upodabnia go pod pewnymi względami do konwencjonalnego samolotu. Siła nośna dynamiczna może być zapewniana przez obrotowe skrzydła podobne do helikoptera ( rotastat ) lub kształt wytwarzający siłę nośną, podobny do korpusu podnoszącego w połączeniu z pchnięciem poziomym ( dynastat ) lub kombinacja tych dwóch.

Sterowce hybrydowe mają za zadanie wypełnić środek między niskimi kosztami eksploatacji i niskimi prędkościami tradycyjnych sterowców a wyższą prędkością, ale wyższym zużyciem paliwa przez statki cięższe od powietrza. Łącząc dynamiczną i wyporną siłę nośną, hybrydy mają zapewniać lepszą prędkość lotu, ładowność ładunku powietrznego i (w niektórych typach) zdolność zawisu w porównaniu z czystym sterowcem, przy jednoczesnej dłuższej wytrzymałości i większym udźwigu w porównaniu z czystą aerodyną.

Uważa się, że technologia samolotów hybrydowych umożliwia szerszy zakres optymalizacji osiągów lotu, od znacznie cięższych od powietrza do prawie unoszących się na wodzie. Uważa się, że to postrzeganie niezwykłego dynamicznego zasięgu lotu w połączeniu z odpowiednim systemem lądowania umożliwia ultraciężki i niedrogi transport powietrzny.

Projekt

W porównaniu do konwencjonalnego sterowca hybryda może być mniejsza i nie musi nosić balastu do kontroli wysokości, podczas gdy w porównaniu ze statkiem cięższym od powietrza hybryda wymaga mniejszego wirnika lub krótszego pasa startowego.

Tam, gdzie dynastat jest postrzegany jako bardziej obiecujący w rolach pasażerskich i towarowych na dłuższych dystansach, przewiduje się, że rotastat będzie bardziej odpowiedni jako „latający dźwig ” zdolny do podnoszenia ciężkich ładunków zewnętrznych na krótsze odległości.

Niektóre sterowce wykorzystują wektorowanie ciągu , zazwyczaj przy użyciu obrotowych wentylatorów kanałowych , aby zapewnić dodatkową siłę nośną, gdy ciąg silnika nie jest już potrzebny do napędu do przodu. Po osiągnięciu prędkości, statek może wykorzystać siłę nośną ciała, aby pomóc w przenoszeniu ładunku większego niż sam udźwig aerostatyczny. [ potrzebne źródło ] Jednak takie sterowce zwykle nie są uważane za hybrydy.

Dynastaty

Dynastat uzyskuje dodatkową siłę nośną, lecąc w powietrzu. Badane konfiguracje obejmowały użycie kadłuba naramiennego (trójkątnego), soczewkowatego (okrągłego) lub spłaszczonego lub dodanie stałego skrzydła.

Niektóre wczesne sterowce były wyposażone w samoloty skrzydłowe z zamiarem zapewnienia dodatkowej dynamicznej siły nośnej. [ Potrzebne źródło ] Jednak dodatkowa siła nośna samolotów może być mniej wydajna niż zwykłe zwiększenie objętości sterowca. Przy niskich prędkościach powietrza, wynoszących 60 mil na godzinę (97 km / h) lub mniej, wzrost siły nośnej uzyskany dzięki użyciu samolotów na sterowcu wymagałby nieproporcjonalnego wzrostu mocy silnika i zużycia paliwa w porównaniu ze zwiększeniem rozmiaru poduszek gazowych . Co więcej, mocowanie latających powierzchni do powłoki sterowca wymagałoby znacznego wzmocnienia konstrukcyjnego, z towarzyszącym mu zwiększeniem masy.

Konwencjonalne sterowce często wykorzystują siłę nośną aerodynamiczną, używając swoich wind do ustawienia dziobu do góry, tak aby główny korpus sterowca zapewniał pewną siłę nośną podczas lotu; jednak zwykle robi się to, aby przeciwdziałać drobnym warunkom braku trymu i jest równie prawdopodobne, że dziób może wymagać skierowania w dół, aby zmniejszyć siłę nośną.

Niektóre konstrukcje hybrydowe, takie jak Lockheed Martin LMZ1M, wykorzystują spłaszczony lub wielopłatowy kadłub, aby zwiększyć możliwą do uzyskania siłę nośną aerodynamiczną. Podejście aerodynamiczne jest podobne do podejścia stosowanego w z podnoszonym nadwoziem , chociaż stosowane prędkości są znacznie niższe. Osiągalne stosunki dynamicznej siły nośnej do oporu są znacznie niższe niż w przypadku wydajnych stałych skrzydeł, po części dlatego, że indukowany opór rośnie wraz ze zmniejszaniem się współczynnika kształtu. W rezultacie podnoszenie wiąże się z większym oporem niż przy użyciu skrzydeł. Z drugiej strony, w porównaniu do helikoptera, dynastat ma lepszą efektywność paliwową w danym zakresie prędkości.

Inny problem pojawia się podczas startu i lądowania, kiedy w spokojniejszych warunkach prędkość może być zbyt mała, aby zapewnić wystarczającą siłę nośną. Z tego powodu dynastat jest często postrzegany jako STOL , a nie VTOL , wymagający krótszego pasa startowego niż konwencjonalny samolot.

Rotastaty

Rotastat uzyskuje dodatkową siłę nośną z napędzanych wirników, podobnie jak helikopter. Zbadano wszystkie konstrukcje jedno-, dwu- i czterowirnikowe.

Wczesne przykłady z okresu międzywojennego obejmowały projekty Oehmichen i Zodiac . Używały one wirników tylko do sterowania pionowego, z dodatkowymi śmigłami napędzanymi do lotu do przodu, jak w wiatrakowcach .

W ostatnich czasach eksperymentalny Piasecki PA-97 „Helistat” przymocował cztery płatowce helikopterów do sterowca helowego, podczas gdy SkyHook JHL-40 pozostaje projektem. Zwykle siła nośna aerostatyczna jest wystarczająca do utrzymania ciężaru samej jednostki, podczas gdy podczas przewożenia ładunku wirniki zapewniają dodatkową siłę nośną w razie potrzeby.

Szybowanie pod wpływem grawitacji

Jeśli sterowiec nie ma wystarczającej siły nośnej, zatonie pod wpływem grawitacji. Pochylając dziób w dół, może to prowadzić do szybowania do przodu, tak jak w przypadku konwencjonalnego szybowca . Jeśli sterowiec ma nadmiar siły nośnej, wzniesie się. Pochylając nos do góry, może to również prowadzić do ruchu do przodu. W ten sposób sterowiec, który okresowo zmienia swoją pływalność między dodatnią a ujemną, dostosowując odpowiednio swoje położenie, może uzyskać prawie ciągły aerodynamiczny ciąg do przodu. W ten sposób lot przebiega w spokojnym pionowym zygzaku. Ponieważ żadna energia nie jest zużywana bezpośrednio na wytwarzanie ciągu, zasada ta pozwala na długie loty, chociaż z małą prędkością. Proponowany Hunt GravityPlane to hybrydowy sterowiec zaprojektowany tak, aby w pełni wykorzystać szybowanie grawitacyjne.

Zasada działa również pod wodą, gdzie jest wykorzystywana operacyjnie w szybowcu podwodnym .

Historycznie rzecz biorąc, ta zasada nawigacji lotniczej, pod nazwą Wellenflug (lot falisty), została po raz pierwszy sformułowana i przetestowana eksperymentalnie w roku 1899 przez Konstantego Danilewskiego w Charkowie na Ukrainie i szczegółowo opisana w jego książce

Historia

Wczesne hybrydy

Szybowanie pod wpływem grawitacji datuje się na okres podczas wojny secesyjnej i krótko po niej , kiedy to Solomon Andrews zbudował dwa takie sterowce. Pierwszy z nich, Aereon , wykorzystywał trzy pojedyncze balony w kształcie cygar, połączone razem w płaskiej płaszczyźnie; drugi, Aereon # 2 , wykorzystywał pojedynczy balon „w kształcie cytryny”. Aereony Andrewsa były napędzane przez ustawianie balonów pod kątem w górę i zrzucanie balastu, a następnie proces został odwrócony, z balonami skierowanymi w dół i wypuszczanymi dużymi ilościami gazu nośnego.

W 1905 roku Alberto Santos-Dumont przeprowadził różne eksperymenty ze swoim pierwszym samolotem, Santos-Dumont 14-bis , przed pierwszą próbą latania nim. Obejmowały one powieszenie go na stalowej linie i holowanie go, a następnie powieszenie go pod powłoką wcześniej zbudowanego sterowca (numer 14) - podobnie jak nauka pływania z „ wodnymi skrzydłami Połączony statek był bezużyteczny i został rozbity, określany jako „potworna hybryda”. Po zakończeniu tych „prób”, Santos-Dumont dokonał pierwszej publicznej demonstracji samolotu cięższego od powietrza w Europie.

W 1907 roku po raz pierwszy poleciał sterowiec armii brytyjskiej nr 1 (o nazwie Nulli Secundus ). Wykorzystywał aerodynamiczne powierzchnie do kontroli położenia w locie, a podczas swojego pierwszego lotu był również wyposażony w duże skrzydła na śródokręciu. Skrzydła miały raczej poprawiać stabilność niż zapewniać siłę nośną i były usuwane podczas wszystkich kolejnych lotów. Wykorzystanie dynamicznej siły nośnej poprzez przechylanie dziobu sterowca w górę lub w dół również zostało rozpoznane i praktykowane na tym sterowcu.

W czerwcu 1907 roku Alberto Santos Dumont skonstruował swój numer 16, opisany przez l'Aérophile jako miks odzieży . Miał powłokę 99 m 3 (3500 stóp sześciennych), ale był zbyt ciężki, aby latać bez dodatkowej siły nośnej zapewnianej przez 4 m (13 stóp) powierzchni skrzydła. Został przetestowany bez powodzenia 8 czerwca 1907 roku.

Nowoczesne hybrydy

Aereon 26 był samolotem, który swój pierwszy lot odbył w 1971 roku. Był to mały prototyp hybrydowego sterowca Aereon Dynairship i część projektu „TIGER”. Ale nigdy nie został zbudowany z powodu braku rynku na sterowiec hybrydowy.

W 1984 roku helikopter AeroLift CycloCrane odbył krótki lot. [ potrzebne źródło ]

Piasecki PA-97 Helistat z 1986 roku łączył cztery helikoptery ze sterowcem, próbując stworzyć ciężki pojazd do prac leśnych. Rozpadł się pod koniec pierwszego lotu.

SkyCat lub „Sky Catamaran ” to hybrydowe połączenie samolotów; wersja w skali 12 metrów o nazwie „SkyKitten”, zbudowana przez Advanced Technologies Group Ltd, latała w 2000 r. Amerykańska Agencja Zaawansowanych Projektów Badawczych w Obronie (DARPA) zainicjowała program Walrus Hybrid Ultra Large Aircraft w 2005 r., inicjatywa rozwoju technologii skupiona na Eksploracje technologii ultraciężkiego transportu powietrznego. Program został zakończony w 2007 roku. [ Potrzebne źródło ]

W 2006 roku Lockheed Martin P-791 przeszedł załogowe testy w locie. Był to nieudany kandydat do wojskowego programu pojazdów wielowywiadowczych o długiej żywotności, mimo że był to jedyny udany sterowiec hybrydowy, jaki kiedykolwiek latał do 7 sierpnia 2016 r. [ Potrzebne źródło ]

W 2008 roku Boeing ogłosił, że łączy siły ze SkyHook w celu opracowania ciężkiego pojazdu podnoszącego, SkyHook JHL-40 Boeing, a następnie odłożył projekt na półkę.

Hybrydowe pojazdy powietrzne HAV 304 zostały zbudowane na potrzeby programu LEMV ( Long Endurance Multi-intelligence Vehicle ) armii amerykańskiej . W sierpniu 2012 r. leciał pomyślnie przez 90 minut. Po anulowaniu projektu LEMV firma Hybrid Air Vehicles odkupiła pojazd HAV 304 i sprowadziła go z powrotem do Wielkiej Brytanii. Został odnowiony i przemianowany na Airlander 10 . 17 sierpnia 2016 r. Airlander 10 odbył swój pierwszy udany lot testowy poza hangarami Cardington w RAF Cardington. Główny pilot testowy, Dave Burns, powiedział w oświadczeniu: „Pierwszy lot Airlanderem był przywilejem i leciał cudownie. Jestem naprawdę podekscytowany, że mogę go wzbić w powietrze. Leciał jak sen”. Do pełnej certyfikacji potrzeba ponad 200 dodatkowych godzin lotu.

Airlander 10 przeszedł testy certyfikacyjne projektu, zanim został odpisany, gdy wypadł z cumowania podczas silnego wiatru 18 listopada 2017 r. Na lotnisku w Cardington .

Inne bieżące projekty

Kanadyjski start-up, Solar Ship Inc, opracowuje sterowce hybrydowe zasilane energią słoneczną, które mogą działać wyłącznie na energię słoneczną. Chodzi o to, aby stworzyć realną platformę, która może podróżować w dowolne miejsce na świecie, dostarczając zimne artykuły medyczne i inne potrzebne rzeczy do lokalizacji w Afryce i północnej Kanadzie bez potrzeby jakiegokolwiek paliwa lub infrastruktury. Istnieje nadzieja, że ​​postęp technologiczny w zakresie ogniw słonecznych i duża powierzchnia zapewniona przez sterowiec hybrydowy wystarczą do stworzenia praktycznego samolotu zasilanego energią słoneczną. Niektóre kluczowe cechy statku słonecznego to to, że może latać wyłącznie na aerodynamicznej nośności bez żadnego gazu nośnego, [ nieudana weryfikacja ] , a ogniwa słoneczne wraz z dużą objętością powłoki umożliwiają rekonfigurację sterowca hybrydowego w mobilne schronienie, w którym można ładować akumulatory i inny sprzęt.

Hunt GravityPlane (nie mylić z naziemną płaszczyzną grawitacyjną ) to szybowiec o napędzie grawitacyjnym proponowany przez Hunt Aviation w USA. Ma również skrzydła aerodynamiczne, poprawiające stosunek siły nośnej do oporu i zwiększające wydajność. GravityPlane wymaga dużych rozmiarów, aby uzyskać wystarczająco duży stosunek objętości do masy, aby utrzymać tę strukturę skrzydła, a żaden przykład nie został jeszcze zbudowany. W przeciwieństwie do motoszybowca , GravityPlane nie zużywa energii podczas fazy wznoszenia. Zużywa jednak energię w punktach, w których zmienia swoją pływalność między wartościami dodatnimi i ujemnymi. Hunt twierdzi, że może to jednak poprawić efektywność energetyczną jednostki, podobnie jak ulepszona efektywność energetyczna szybowców podwodnych nad konwencjonalnymi metodami napędu. Hunt sugeruje, że niskie zużycie energii powinno pozwolić statkowi na zebranie energii wystarczającej do pozostania w powietrzu w nieskończoność. Konwencjonalne podejście do tego wymogu polega na wykorzystaniu paneli słonecznych w samolocie zasilanym energią słoneczną . Hunt zaproponował dwa alternatywne podejścia. Jednym z nich jest wykorzystanie turbiny wiatrowej i zbieranie energii z przepływu powietrza generowanego przez ruch ślizgowy, drugim jest cykl termiczny w celu pozyskania energii z różnic temperatur powietrza na różnych wysokościach.

Lista sterowców hybrydowych

Typ Kraj Klasa Data Rola Status Notatki
Cyklodźwig AeroLift USA Rotastat 1984 Latający dźwig Prototyp
Dynalifter USA Grupa Dynalifter 2007 Eksperymentalny Prototyp Demonstrator technologii - zniszczony na ziemi podczas burzy
Andrzeja Aereona USA Szybowiec grawitacyjny Eksperymentalny Prototyp Napęd poprzez naprzemienne zrzucanie balastu i odpowietrzanie gazu.
Andrews Aereon 2 USA Szybowiec grawitacyjny Eksperymentalny Prototyp Napęd poprzez naprzemienne zrzucanie balastu i odpowietrzanie gazu.
ATG SkyKitten Zjednoczone Królestwo Dynastat 2000 Eksperymentalny Prototyp Demonstrator skali dla proponowanego SkyCata.
Polowanie na samolot grawitacyjny USA Szybowiec grawitacyjny Projekt Zaproponowano różne sposoby kontroli balastu i pozyskiwania energii.
Hybrydowe pojazdy powietrzne HAV-3 Zjednoczone Królestwo Dynastat 2008 Eksperymentalny Prototyp Demonstrator technologii.
Hybrydowe pojazdy powietrzne HAV 304/Airlander 10 Zjednoczone Królestwo Dynastat 2012 Wielozadaniowy Prototyp Zbudowany we współpracy z Northrop Grumman jako HAV 304 dla programu LEMV armii amerykańskiej. Odbudowany jako Airlander 10.
Lockheed Martina P-791 USA Dynastat 2006 Eksperymentalny Prototyp Doprowadził do proponowanych LMZ1M i LMH1.
Nimbus EosXi Włochy Dynastat 2006 UAV Hybryda ze skrzydłami delty.
Piasecki PA-97 Helistat USA Rotastat 1986 Latający dźwig Prototyp
SkyHook JHL-40 USA Rotastat Latający dźwig Projekt Wspólny projekt z Boeingiem .
Termoplan ALA-40 Rosja Dynastat 1992 Eksperymentalny Prototyp soczewkowej dla proponowanego ALA-600.
Mors HULA USA Dynastat 2010 Transport Projekt Projekt DARPA, odwołany w 2010 r.

Zobacz też

  • Kytoon — hybryda latawca z balonem na uwięzi

Notatki

Bibliografia

Linki zewnętrzne

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Hybrid_airship&oldid=1130872466 ”