Дирижабль: дорога в никуда?

На прошлой неделе совершил свой первый гражданский полёт самый крупный летательный аппарат из ныне летающих, дирижабль Airlander 10. Стараясь поддерживать тему «чистой энергии» в этой колонке, я, конечно, не мог обойти вниманием такое событие: воздушные корабли традиционно рассматриваются как наиболее чистый вид транспорта, даже в теоретическом пределе. Однако идея рассказа пришла экспромтом, после того, как прочитав саму новость, я взялся за комментарии.

Вы ведь знаете, как это обычно бывает: сторонников «чистой энергии» много, они активны, и авторов даже небольших подвижек здесь обычно носят на руках. Тем удивительней контраст в данном случае: проект Airlander… обругали со всех сторон, а его создателей назвали чуть ли не аферистами! И чтобы объяснить, почему так, нужно углубиться в историю и теорию этого необычного транспортного средства.

Прежде всего стоит разобраться с терминами. Летательные аппараты, использующие закон Архимеда, уходят корнями в XVIII век, собственно к конструкциям братьев Монгольфье. Воздушные шары, которые тогда строили, заполняли горячим воздухом, после чего они «становились легче окружающего их воздуха» и взмывали к облакам. Другого движителя у них не было, почему их и назвали аэростатами. Очевидно и главное их слабое место: они практически неуправляемы, эффективно управлять могут только высотой полёта.

Airlander 10. За свою характерную форму получил прозвище летающей, простите, попы. Увы, это же и самая ёмкая характеристика для всей истории дирижаблестроения по сей день.

Другое дело — дирижабль (от французского dirigeable — управляемый; важную роль, кстати, тут сыграл Э.К.Циолковский). Он по-прежнему легче воздуха, который вытесняет, но имеет один или несколько двигателей с винтами, что позволяет не так сильно зависеть от ветра и вообще погоды. А в XX столетии идея получила дальнейшее развитие: появились гибриды — разновидность дирижаблей, которые несколько тяжелее воздуха, почему ещё более управляемы, способны принимать больший груз на единицу объёма, но и требуют более мощных двигателей и повышенного расхода топлива.

Золотым веком дирижаблей считается период между мировыми войнами. Гражданская авиация (читайте: самолёты) тогда ещё не утвердилась на ногах, плавать было всё ещё довольно опасно, поэтому на всех континентах активно с воздушными кораблями экспериментировали. Но тогда же была и поставлена точка, которая хоть и не положила конец экспериментам, окончила реальное коммерческое применение больших воздушных кораблей.

Точка эта была поставлена не одной катастрофой (в качестве которой чаще всего вспоминают крушение всем известного «фашистского» «Гинденбурга»), а серией инцидентов и катастроф, которых было множество у каждой страны, занимавшейся дирижаблестроением. В этом смысле показательна судьба американского военного USS Akron (ZRS-4): этот экспериментальный воздушный авианосец перенёс несколько типичных происшествий и в конце концов погиб вместе с экипажем. На его примере легко разглядеть все основные проблемы данного вида транспорта.

Прежде всего, тип используемого газа оказался не так уж важен. Да, «Гинденбург» стал жертвой легковоспламеняющегося водорода, но и аппараты, заполнявшиеся негорючим гелием, тоже натерпелись. Гелий требует по-своему тщательного обращения и обходится сильно дороже (его извлекают из природного газа), что ещё вспомнят семьдесят лет спустя, когда речь снова зайдёт о производстве целых флотов воздушных кораблей.

Более злым врагом, однако, оказалась погода. Дирижабли, в силу самого принципа действия, имеют огромную площадь (ZRS-4 был 239 метров в длину и он ещё не был самым большим!) и всегда существует опасность, что сильный или порывистый ветер унесёт его с курса, либо, что ещё хуже, повредит при манёврах на низкой высоте (посадка, отправление) — когда, неодновременно зафиксированный с разных концов, дирижабль ударится хвостом или носом о мачты и будет повреждён.

Кстати, о плохой погоде. Слышали о проекте обитаемой парящей станции в венерианской атмосфере? На самом деле нечто подобное уже было осуществлено — советскими учёными, в середине 80-х, в рамках проекта «Вега». Так вот, из-за атмосферных капризов, парящий зонд мог махом потерять полтора километра высоты.

Другая проблема — поддержание плавучести аппарата на заданном уровне. Дело в том, что дирижабли поднимают десятки тонн груза (грубо, в пропорции тонна груза на тонну собственного веса), и после разгрузки, и даже после длительного перелёта, когда топливо выработано, необходимо как-то компенсировать потерянный вес, причём равномерно по всей длине, иначе аппарат перекосит, либо, словно воздушный шарик, сорвавшийся с привязи, он попросту улетит в небеса. Поэтому практиковался приём на борт аналогичного по весу балласта. Но и это не всегда помогало: к примеру, если погода стояла слишком жаркая, газ нагревался быстрее расчётного и дирижабль опять-таки терял управление. Наконец, даже в условиях резкой перемены погоды, он тоже был способен потерять управление в значительной степени (его сносило в область более низкого давления).

А вот теперь самое время вернуться к Airlander 10. Этот гибридный воздушный корабль был рождён по заказу армии США, как HAV 304: аппарат для разведки и поддержания наземных операций, в частности, в Афганистане. Сравнительно небольшой (91 метр в длину), он оснащён четырьмя 350-сильными дизельными направляемыми движками и способен поднимать 10 тонн груза. Поскольку это гибрид, вертикальный взлёт невозможен, необходима взлётно-посадочная полоса (300 метров) и причальные конструкции. Но в общем и целом он хорош: максимальная скорость до 150 км/ч, практический запас автономности — почти неделя (с командой из нескольких человек), потолок 6 км — где он способен «парить» на скорости около 40 км/ч, поддерживая связь и ведя наблюдения.

Спроектировала его и построила британская компания Hybrid Air Vehicles. И он даже успел побывать на боевых испытаниях, но армия вернула продукт с туманной формулировкой «технические и эксплуатационные трудности». Зная исторический опыт, легко понять, какие именно трудности подразумевают военные. Британцы, однако, настолько уверовали в своё детище, что выкупили списанный дирижабль, переделали его под гражданский, переименовали — и на прошлой неделе снова подняли в воздух. И вот тут-то на них обрушилась критика. И не только по причине исторически слабой управляемости…

Проблему управляемости для гибридов в значительной степени удалось исправить (впрочем, неизвестно, насколько: в плохую погоду тот же Airlander 10 ещё не летал). Но осталась дороговизна. Считать, что дирижабль летает бесплатно — увы, чисто обывательская точка зрения. На самом деле всё хуже, и намного хуже. Дирижабли жгут горючее, а гибриды жгут его ещё больше. Airlander 10 ведь не единственный проект в своём роде. Был ещё огромный, но так и не построенный, немецкий Cargolifter (160 тонн полезного груза). Работает и надеется построить флот небольших гибридов американская Aeros Corp. (основанная эмигрировавшим советским инженером). И все они подвергаются критике по той же самой причине: своей неэкономичности!

Современная версия диаграммы Габриэли-Кармана. Сплошная чёрная линия — оптимум цены при данной скорости. Кстати, интересно было бы посмотреть, куда попадёт Hyperloop Элона Маска ;-)

Я не стану приводить здесь отдельные цифры, вместо этого лучше покажу вот эту классическую диаграмму, нарисованную ещё в середине XX века американским инженером венгерского происхождения Теодором фон Карманом (тем самым). Это самый лёгкий способ сравнить экономичность доставки грузов различными видами транспорта. По оси X здесь скорость, по оси Y — попросту, стоимость тоннокилометра.

Видно, что самые выгодные транспортные средства — это грузовые поезда и супертанкеры. Самолёты везут быстро, но дорого, однако и они нашли свою нишу. А вот дирижабли, расположившиеся в левом верхнем квадранте, оказались, что называется, ни то ни сё: они и дорогие, и медленные. И с годами ситуация только ухудшилась: вот ещё одна версия того же графика, из которой это видно.

Не все эксперты солидарны с выводом о безнадёжной неэкономичности воздушных кораблей, оценки разнятся. Но даже отъявленные оптимисты прогнозируют лишь, что дирижабли-супертяжеловесы (с грузоподъёмностью от тысячи тонн!) сравняются по экономичности с морским транспортом и поездами. А ведь таких монстров ещё предстоит построить и испытать! Те же сравнительно небольшие конструкции, которые уже летают и/или строятся, в лучшем случае будут сопоставимы с самолётами. И интересны могут быть только своей сравнительно большей «проходимостью».

Поэтому — да, дирижабли, вероятно, найдут свою нишу: будут поддерживать разработки в труднодоступных районах, где строить ВПП сложно, и где с ценой на тоннокилометр не считаются. Но всерьёз надеяться, что они заменят самолёты, поезда или танкеры, можно лишь после их тотальной электрификации.

Площадь дирижабля достаточна, чтобы, покрыв его солнечными батареями, питать двигатели «бесплатным» электричеством значительную часть пути. Китайские военные подобные экспериментальные аппараты уже строят. К сожалению, известно о них пока слишком мало. А в остальном мире дело не продвинулось дальше крохотных прототипов (см., например, канадский SolarShip).

P.S. В статье использованы иллюстрации ScientificAmerican, Ingenia.