Text
                    -г	_ _
основы
ПИЛОТАЖА АЭРОСТАТОВ
ПРОф.
Р.ЭМДЕН

он ти нкт и СССР



к GRUNDLAGEN DER BALLONFUHRUNG VON DR. ROBERT EMDEN I LEIPZIG UND BERLIN DRUCK UND VERLAG VON B. G. TEUBNER
основы ПИЛОТАЖА АЭРОСТАТОВ Проф. Р. ЭМДЕН ПЕРЕВОД С НЕМЕЦКОГО ПОД РЕДАКЦИЕЙ И С ПРЕДИСЛОВИЕМ М. КАНИЩЕВА ОНТИ НКТП СССР ГЛАВНАЯ РЕДАКЦИЯ АВИАЦИОННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ МОСКВА 19 3 6 ЛЕНИНГРАД
Книга Эмдена „Основы пилотажа аэростатов”, появляющаяся впервые в переводе на русский язык, посвящена теории полета аэростатов. В ней исследуются законы полета аэростатов, а также даются практические указания по работе пилота во время подъема, полета и спуска аэростата, хода на гайдропе, о применении баллонета и т. л. Два последних параграфа содержат указания по управлению высотой и в горизонтальной плоскости на дирижабле. В книге приведены многочисленные примеры из воздухоплавательной практики, которые крайне просто решаются как аналитически, так и при помощи приложенных графиков. Книга может служить руководством как для теоретической подготовки пилотов аэростатов и дирижаблей, так и для практической работы в полете и для дальнейшего повышения знаний среди нашего летного воздухоплавательного состава.
ОГЛАВЛЕНИЕ Стр. От редактора......................................................... ' Предисловие.................•........................................ | | 2. Зависимость давления воздуха от высоты и следствия, отсюда вытекающие................................................... J; § 4. Подъемная сила аэростата и натяжение оболочки.............. 19 S 5. Истечение газов. Действие клапана......................... 25 § 6^ Воздухоизмещение, подъемная сила и сплавная сила............ 29 § 7. Деление аэростатов на два класса ........................... 31 § 8. Нормальная высота.......................................... 35 § 9. Нормальная высота аэростата с постоянным объемом............ 36 § 10. Закон балластного действия................................. 43 § 11. Четыре закона температурного влияния..................... 47 § 12. Влияние общей для газа и окружающего воздуха температуры на подъемную силу и нормальную высоту аэростата с постояц-ным объемом................................................... 48 § 13. Влияние температуры газа на подъемную силу и высоту аэростата с постоянным объемом газа.................................... 51 § 14. Влияние температуры газа на подъемную силу и высоту зоны выполнения аэростата с постоянным весом газа. Переброс балласта 59 § 15. Повторение................................................. 70 § 16. Спуск...................................................... 71 § 17. Подъем и спуск; колебания аэростата........................ 81 § 18. Ход на гайдропе.......................•.................... 89 § 19. Полет...................................................... 97 § 20. Баллонет и кольцо Пешеля.................................. 113 § 21. Об управлении высотой на дирижабле........................ 121 § 22. Об управлении в горизонтальной плоскости на дирижабле . . . 129 Таблицы 1. Таблица газовых постоянных................................12—13 2. Таблица высотных чисел ..................................... 17 3. Таблица разрывающих давлений................................ 22 4. Таблица скоростей истечения I............................... 25 5. Таблица скоростей истечения II.............................. 26 6. Таблица вытесненных весов воздуха........................... 67 7. Таблица скоростей подъема и спуска.......................... 84 8. Таблица скоростей ветра и подъема........................... 88 9. Таблица объемов баллонетов................................. 118 10. Таблица путевых скоростей................................... 133 Графики График I. График аэростатов со светильным газом График II. График аэростатов с водородом Объяснения графиков I и II, см. стр. . . 37-38; 49—50; 53 и 62 График III. График управления в горизонтальной плоскости (ветрочет) Объяснение графика III, см. стр.................. . 130—132
ОТ РЕДАКТОРА Наука, изучающая .законы равновесия летательных аппаратов легче воздуха — аэростатика, — имеет за <юбой уже более чем полу-торавековую давность. Вскоре после появления первых аэростатов французский военный инженер Мснъе, ’один из крупнейших математиков восемнадцатого столетия, представил в конце 1783 г. в Парижскую академию паук свой замечательный «Memoirc sur I’equilihre des machines aerostatiques» («Мемуар о равновесии аэростатических машин»). В этом труде были с исчерпывающей полнотой сформулированы основные законы плавания аэростатов в воздушной среде. К сожалению, работа Мелье в течение нескольких десятков лет была в полном забвении, а его рукопись затеряна. Поэтому основные законы аэростатики были вторично «открыты» лишь па грани восьмидесятых тодо'в девятнадцатого века Шарлем Ренаром, начальником военной воздухоплавательной школы в Шале-Медоне (близ Парижа), почему некоторые из них и стали впоследствии называться законами Менье-Ренара. Французская воздухоплавательная школа в Шале, руководимая Ренаром, долгое Тремя была ведущим мировым центром научного воздухоплавания. Именно здесь Шарлем Репаром, совместно с его братом Полем, а также целой плеядой его талантливых учеников, как то: Эспиталье, Войе, До и др., были разработаны все теоретические и практические вопросы воздухоплавания. Все достижения французской школы Т^Лале настоящего столетия были подытожены профессором Мсфшисом, читавшим свои лекции в университете в Бордо, а затем в Сорбонне, результатом которых и явился известный «Общий курс аэронавтики» — объемистый, подробный, по Ресьма эклектичный труд. Можно поэтому с полным правом утверждать, что аэростатика как наука возникла и сложилась во Франции и именно во французской интерпретации широко распространилась по всему миру. Развитие воздухоплавания Р Германии заставило и немцев заняться теорией воздухоплавания. Если во Франции Над ней работали почти исключительно военные воздухоплаватели, то в Германии за аэростатику взялись преимущественно ученые метеорологи, так как именно в этой стране свободный аэростат был с исключительным успехом использован и в настоящее время продолжает широко примеряться для изучения атмосферу. Е 1910 г. известный 8
метеоролог мюнхенский профессор д-р Роберт Эмден выпустил в свет свои «Основы пилотажа аэростато'е». Эта книга получила в Германии широкое распространение и до сих пор является настольным руководством каждого теоретически образованного германского воздухопла’вателя. Следует заметить, что это единственная в Германии книга, посвященная теории полета аэростата. Со времени «©'издания прошло более 25 лет, и за все это время не появилось по указанному вопросу какого-либо другого аналогичного сочинения. Несколько выпущенных кратких руководств являются лишь популярным пересказом книги Эмдена. В специальных журналах за этот период времени появилось большое число статей, но все они, ссылаясь на Эмдена, обычно посвящены лишь углубленному исследованию той или иной отдельной проблемы аэростатики. В 1930 г. в четвертом томе известного лейпцигского издания «Hand-buch der Experimentalphysik» напечатана статья Эмдена под названием «Свободный аэростат». Эта статья опять-таки является не чем иным как лишь кратким изложением его «Основ», к которым она не добавляет ничего иЦгюго. Все это с достаточной убедительностью показывает, что «Основы пилотажа» Эмдена являются исключительной книгой. И действительно, Эмден весьма глубоко и оригинально исследует законы полета аэростата. Главной же особенностью книги, придающей ей большую ценность, являются многочисленные примеры, которые крайне просто решаются как аналитически, так и при помощи приложенных к книге графиков. Эти примеры взяты из воздухоплавательной практики. Вообще вся книга от начала до конца пропитана практицизмом и может служить прекрасным руководством как для теоретической подготовки пилото'в аэростатов и дирижаблей, так и для дальнейшего повышения знаний среди нашего летного воздухоплавательного состава. Основные положения книги Эмдена сформулированы с такой ясностью и четкостью, что многие из них так и просятся перейти в параграфы надлежащих наставлений или инструкций по летной службе. Эти достоинства книги объясняются, конечно, большим воздухоплавательным опытом Эмдена. Он сам — много летавший пилот, а потому знает, что именно нужно пилоту из теоретического багажа и без чего пилот может без вреда для дела обойтись. Книга Эмдена пи разу не переводилась на русский язык; предлагаемый перевод ее даст возможность нашим воздухоплавателям познакомиться с этой полезной книгой и с успехом использовать ее на практике. За последние 25 лет в аэростатике ничего не было сказано существенно нового, поэтому добавлять что-либо к Эмдену или изменять его совершенно не приходится. Эта книга не устарела. Единственно лишь на чем мы считаем необходимым остановиться — это на точности приближенных подсчетов Эмдена,. Эмден оперирует в своей книге при помощи формул изотермической атмосферы, так как, в то время когда он писал свои «Основы пилотажа», стандартной атмосферой еще не пользовались. Само собой разумеется, что при введении температурных по- ч
правок все формулы изотермической атмосферы дают необходимую точность; без этих же поправок результаты значительно отклоняются от тех более точных результатов, которые дает при ’вычислении применение таблиц стандартной атмосферы. Особенно это сказывается при решении задач на балластное действие. Возьмем для простоты свободный аэростат в 1000 мя, наполненный водородом с удельной подъемной силой в 1 к1г. Тогда полная подъемная сила нашего аэростата будет равна 1000 кг. Аэростату дана сплавная сила в 3,5 мешка (по 10 кг каждый), т. е. в 56 кг. На какую высоту взлетить аэростат? При помощи таблиц стандартной атмосферы находим ту высоту, для которой f’ Этому отношению плотностей отвечает Дй, —600 м. Если мы теперь вычислим эту высоту по известной балластной формуле [формула (15а) Эмдена], то получим М = 8000 = 8000 ’ «О м. Таким образом, по сравнению со стандартной атмосферой, мы получили расхождение более чем на 23%; Это расхождение при более значительных высотах станет еще больше. В этом дет ничего удивительного, так как в действительной атмосфере плотность воздуха, а следовательно и подъемная сила уменьшаются более медленно, чем в изотермической атмосфере с температурой, равной 0°. Однако этого неудобства можно- легко избежать. Мы знаем (см. § 12 Эмдена), что нормальная высота аэростата с постоянным объемом увеличивается или уменьшается на 30 м, всякий раз как общая для воздуха и газа температура уменьшается или увеличивается на1°, независимо от объема, высоты и рода наполняющего газа. Вследствие этого высота, достигаемая аэростатом в действительной атмосфере, будет не Lh, а больше, именно: Z=M,-[-30t. В этой формуле I—12, где tr — температура па уровне взлета, a t2 — температура па 'высоте Z. В стандартной атмосфере термический градиент принят равным — 0,0065° С/1 м и температура t2 вычисляется по формуле Туссэна: = 0,006 5Z, откуда h — = 0,00652. Подставим это значение в нашу формулу Z= Д7г-|- 30 • 0,00652, откуда о,8О5 ~ 1>2эД7г.
Отсюда можно вывести следующее простое правило: Высоты, вычисленные по формулам изотермической атмосферы и fjn = bOOG м, легко сблизить с высотами, которые мы получили бы при помощи таблиц стандартной атмосферы, путем прибавки к первым 25% от их величины.. Поэтому и балластную формулу следует переписать в виде Д7ь = 10 000 * , G~f и мы для нашего аэростата в 1000 л3 получим тогда высоту Д7г = 10 000 ~ 580 м . У7 и Таким образом, по сравнению с 600 м стандартной атмосферы, мы получили высоту, отличающуюся лишь немного более чем на 3%. Эта точность более чем достаточна при Всех быстрых пилотажных подсчетах. Таким образом можно не делать поправки на температуру, не иметь при себе таблиц стандартной атмосферы и производить все же достаточно точные подсчеты, если высоту однородной атмосфере вместо 8000 принять равной 10 000 М и 1% этой высоты считать соответственно равным не 80, а 100 м. Я уверен, что книга Эмдена будет пользоваться успехом у наших пилотов и поможет им освободиться от ряда предрассудков, которые, к сожалению, у некоторых из них имеются, что- объясняется отчасти слишком большой оторванностью от жизни изучаемых ими курсов теории воздухоплавания. 15 мая 1936 г. Москва. М. Канищев.
ПРЕДИСЛОВИЕ Пилотаж аэростата — это искусство, которое в первую очередь должно изучаться на практике; теоретическая подготовка пилота может поэтому показаться излишней. Однако убеждение, что только при одновременном теоретическом изучении из орудия можно извлечь все, что оно только может дать, заставляет, например, артиллеристов не ограничиАться лишь практическими стрельбами, а от пилотов аэростатов^ребуст также углубленного теоретического образования, которое, заключаясь в надлежащих границах, должно преследовать разумные цели. Никогда не следует однако это изучение начинать с установления законов или правил, которым и надлежит следовать впоследствии: никогда нельзя быстрые решения пилота обессиливать теоретическими соображениями. Спортсмен, обладающий осторожностью, смелостью и здравым смыслом, достигнет лучших успехов, чем «ученый» “пилот, мыслп и поступки которого озарены бледным светом теоретических умозрений. Разумная подготовка стремится лишь настолько близко познакомить пилота со свойствами его летательного аппарата, чтобы его соображение и решение инстинктивно направлялись на верные пути. Эти цели и преследует настоящая книжка. В ряде коротких разделов изложены важнейшие законы, которым подчиняется аэростат, многочисленные примеры стремятся объяснить менее доступные теоретические положения. Примеры, по возможности, даются численные, так как полного понимания количественного совместного влияния отдельных факторов можно достичь лишь при помощи количественных подсчетов в различных специальных сллмшх. Капитану кораблязнания только своего судна недостаточно. Большое значение для пего имеет и знание фарватера. То же самое относится и к пилоту аэростата; его фарватером является атмосфера, — метеорологическая подготовка и должна ему дать знания о свойствах последней. «Судно» рассматривается в этой книжке; вторая часть — «Фарватер», содержащая основы метеорологической подготовки пилота, я, надеюсь, скоро последует за ней. Р. Эмден.
§ 1. ПЛОТНОСТЬ ГАЗА Вес одного кубического метра газа называется плотностью газа и обозначается буквой р; плотность зависит от давления Ь„ измеренного в миллиметрах ртутного столба, и температуры, t в градусах Цельсия. Если обозначим показания барометра через bi, температуру— Ц и известную нам плотность — рь то для всех значений b и I с достаточной точностью получим плотность из следующей формулы p = Pi ь. [i-zCt-tO], (1) где а = — 0,003665. Так как при решении задач, которые воз- никают в практике воздухоплавателя, большой точности не требуется, да в большинстве случаев бывает трудно ее достичь, достаточно принять a F= 0,004 = 4700. Мы получаем таким образом правило: Плотность газа уменьшается или увеличивается на 4°/0о, если температура увеличивается или уменьшается на 1°, и плотность газа увеличивается или уменьшается на 1%, если барометрическое давление увеличивается или уменьшается на 1%. Примем во внимание затем нижеследующее правило: Барометрическое давление поднимается или опускается на 1%, если мы опускаемся или поднимаемся в атмосфере на 80 м. Под нормальной плотностью р0 газа мы подразумеваем плотность при й—760 мм и t — 0Q С. Нижепомещенная таблица газовых постоянных дает плотности газов, которые нас интересуют (воздух принят сухим: изменениями его плотности Вследствие присутствия Bi атмосферном воздухе водяного пара, который в 5/8 раза тяжелее воздуха, можно пренебречь). Под удельным весом s газа мы понимаем отношение весов равновеликих объемов газа и воздуха при условии, что давление и температура у них любые, по одинаковые. Так как, а в формуле (1) одинакова для Всех газов, то это позволяет ввести независимую от температуры и давления величину s. Умножая плотность воздуха р на s (см. таблицу газовых постоянных), получаем для этого газа при тех же значениях b и t: p' = Sp- (2) Если 1 .и3 газа весит о кг, то 1 кг его занимает объем v = - м3. р Ц
Этот объем единицы веса газа, таким образом, зависит от b и t по формуле v = £ [l-4-a(i —^)], (3) где vx отвечают Ь, и /, (табл, газовых постоянных дает значения v0 при 760 мм давления и при £ = 0°). Для каждого изменения температуры на один градус v меняет свое значение в прямой зависимости на 4°/00, а также на 1%, если давление изменяется в обратную сторону на 1%. Таблица га Газы Нормальная плотность кг Ро^ Нормальный объем \ м3/кг Воздух у/" Г 1,293 0,773 Водород чистый 0,089 11,23 Водород технический 0,15 6,67 Светильный газ 0,52—0,65 1,92—1,54 Светильный газ, средние величины .... 0,59 1,695 Пример 1. Не будет преувеличением утверждать, что плотность воздуха даже над самой поверхностью земли в местах подъема аэростата может быть совершенно разной. В Мюнхене во время летнего минимума, приблизительно при Ь = 700 мм и t;=25° вес 1 .м3 воздуха равнялся 1,09 кг; в Берлине во время зимнего максимума, при b — 770 мм и 1 =—15°, 1 .и3 воздуха весил 1,38 кг. Разность в весах этих обоих кубических метров составляет в круглой цифре 0,3 кг, или 25% нормальной плотности (40-4700 = = 16%' вследствие разности температур и 9%, вследствие разности показаний барометра). Аэростат, равный по объему цеппелину — 15 000 лР, вытесняет в этих местах массы воздуха, веса которых, а следовательно и айИвхоизмещения разнятся на 4500 кг. Пример 2. Змейковый аэростат (V = 600 .м3) должен подняться г» Мальзерхайдэ или в окрестностях Андермата (высота — 1500 .w; Z) = 630 мм), или в верхнем Энгадине (высота —1800 м; /> = 607 мм). Сколько потребуется баллонов сжатого водорода для его наполнения? При Ъ = 760 мм каждый баллон дает 5 .и3, поэтому Достаточно будет 120 баллонов. Но так как объем газа при изменении давления с 760 мм до 630 мм увеличивается в отношении 760 : 630, то для наполнения аэростата в указанных случаях потребуется 600-11^ = 407 И 600-^ = 479 М», следовательно, потребуется 100 и 95 баллонов. Таким образом можно сэкономить воздухоплавательному парку 20 баллонов1, т. е. 12
•оличество, для перевозки которого необходим один трехтонный Гр^17рим'бр 3. Дирижабль Цеппелина (I7 —15 000 .и3) стоит ночью совершенно выполненном состоянии в эллинге. Днем темпера-в а. эллинга, а следовательно', и температура газа в цеппелине поднимается на 5°. Сколько газа выйдет через аппендиксы? Так сак 1° увеличивает объем газа на 4700, а 5° — на 2с/б, то через аппендиксы выйдет 300 .и3. 10° повышения температуры дадут количество газа, требуемое для наполнения змейкового аэростата (600 №)• гг . ' Таблица 1 вых постоянных Удельный вес S Нормальная подъемная сила 1 м3 в кг Ро (1 - S) Подъемная сила 1 кг газа в кг 1 — 8 £ СО со 1 1 1 —S 1 0 0 ОО ОО 0,069 1,20 13,48 0,074 1,074 0,116 1,14 7,62 0131 1,131 0,402—0,503 0,77-0,64 1,49-0,99 0,67 -1,01 1,67—2,01 0,456 0,7 1,192 0,839 1,84 § 2. ЗАВИСИМОСТЬ ДАВЛЕНИЯ ВОЗДУХА ОТ ВЫСОТЫ И СЛЕДСТВИЯ, ОТСЮДА ВЫТЕКАЮЩИЕ Давление воздуха в каждом месте спокойной атмосферы определяется весом вышележащей массы воздуха. Если мы поднимаемся, то масса воздуха над нами уменьшается, а следовательно, уменьшается и ее давление. Закон этого уменьшения мы и должны изложить. На уровне моря, положим при 0°, давление, равно 760 мм рт. ст. Вес ртутного столба в 760 высотой и с поперечным сечением в 1 м2 весит юззо кг; так велико, следовательно, будет и давление атмосферы на 1 м2 поверхности. Кубический метр воздуха при 0° и 760 мм весит 1,293 Мг, т. е. в 7991 раз меньше давления атмосферы. Поэтому мы должны наложить друг на друга 7991 таких л3 весом каждый по 1,293 №, т. е. построить столб воздуха в 7991 м высотой с постоянной плотностью, так чтобы этот однородный столб воздуха давил па свое основание с такой же силой, с какой в действительности давит атмосфера. Иначе говоря, пусть мы находимся на месте, расположенном на любой высоте, определяемой показанием барометра b при ( = 0°; давление воздуха уменьшилось в отношении b : 760; но так как по формуле (1) вес 1 л3 воздуха, непосредственно нас окружающего, уменьшился в том же самом отношении, то мы опять сможем построить из этого воздуха однородный столб в 7991 м высотой, так чтобы он произ-
водил па свое основание то же давление Ьл которое мы наблюдаем вокруг себя. Таким образом, мы делаем следующее заключение: Если мы на каком-либо уровне в атмосфере построим мысленно однородный столб из воздуха, который нас окружает и которым мы в данный момент дышим, высотой в 7991 м, то у его основания будет такое же давление, какое мы в действительности наблюдаем на этом уровне в атмосфере. Мы называем высоту этого независимого от давления воздушного столба нормальной высотой однородной атмосферы, на практике принимаем ее с достаточной точностью в 8000 м и обозначаем через Но. При определении этой нормальной высоты мы приняли температуру во всем однородном столбе воздуха ратной 0°. Но так как для построения воздушного столба мы берем тот воздух, который нас в данный момент окружает, то мы должны и для воздушного столба взять соответствующую температуру. Высота столба увеличивается или уменьшается в зависимости от того, будет ди взятый для построения его воздух легче или тяжелее, благодаря отклонениям температуры от 0° (ср. § 1). Поэтому мы получаем высоту Н однородной атмосферы, не зависимую от плотности и давления, но имеющую следующую зависимость ст температуры: И = Но (1 + аГ) = 8000 (1 + at) М. (4) Эта высота изменяется на каждый градус приближенно па 4°/01), что составляет 32 м. Она играет настолько важную роль в аэрЬстатике и аэродинамике, что мы можем легко вывести из нее важнейшее положение аэростатики. В некотором месте О атмосферы пусть имеется давление b мм. Мысленно строим здесь столб однородной атмосферы, высотой в 8000 м. Если мы поднимемся от 0 на 1 м высоты, то само собой разумеется, что давление понизится на 1/800о своей величины. Но так как, соответственно* данному определению, воздушный столб построен из того самого воздуха, который составляет атмосферу, где находится место О, то мы получим то же самое понижение давления, поднимались ли мы на 1 м в действительной или в однородной атмосфере. Таким образом, мы получаем основное положение: Если мы поднл^^ся или опускаемся с любого места в атмосфере на 1 м, то давление понижается или повышается на 1/80Э0 своей величины; оно меняется на 1% при изменении высоты на 80 м. Если мы примем, что изменению высоты в 800 м соответствует изменение давления в 10°/o = 1/w, то конечное давление мы получим с точностью около 1Л|%; точность в 2% мы получим, если будем считать, что изменению высоты в 1600 м соответствует изменение давления ib 20%' = 1/5. Поэтому мы не должны рассчитывать на большую точность при измерениях отдельных высот в настоящем и последующих выводах. При постоянной температуре плотность изменяется пропорцио-14
нально давлению. ТЕсли пренеоречь изменен ями т-елшерш^утау лия— имеем следующее положение: 1 Если мы поднимаемся или опускаемся с любого места в атмо-cdjepe на 1 м, то плотности уменьшается или увеличивается на Voou своей величины; или, другими словами, — на 1°/с- при изме-яении высоты на 80 м. * А также: Если мы поднимаемся или опускаемся с какого-нибудь уровня на 1 м, то объем массы воздуха увеличивается или уменьшается w Veooa', на 1%, если изменение высоты равно 80 м. Этим определяется количество газа, выходящего через аппендикс выполненного поднимающегося аэростата. Мы добавим еще нижеследующие выводы: Если поднимается выполненный аэростат, снабженный открытым аппендиксом, с какого-нибудь уровня на 1 м, то подъемная сила уменьшается на 1/8ООо5‘ пли на 1% при подъеме на 80 м. Из этого положения вытекает нижеосвещенный закон действия балласта. Сопротивление воздуха движущимся телам, при прочих равных условиях, пропорционально плотности воздуха. Отсюда: Сопротивление воздуха, испытываемое дирижаблем, идущим на постоянной скорости, понижается или повышается на !%' в зависимости от изменения высоты полета на + 80 м. Высота однородной атмосферы изменяется на каждый градус температуры на 4°/О0 своего значения. Если средняя температура воздуха равна t°, то в выведенных нами законах мы должны вместо 80 м поставить 80 (1 + at°), что при больших разностях высот и должно быть принято во внимание. Если мы находимся не среди земной атмосферы, а в каком-нибудь месте иной газовой массы, например, внутри наполненного аэростата, и наблюдаем в этом месте давление в b мм, то мы также можем мысленно построить однородный газовый столб из того газа, который имеется в месте наблюдения, и точно измерить высоту этого столба. Рассуждения, подобные вышеприведенным, показывают, что эта высота не зависит от давления; НО' так как 1 л3 газа, удельный вес которого равен s, весит в s раз больше 1 м$ воздуха, то высота однородного газового столба будет в s раз меньше, чем высота однородного воздушного столба. Отсюда мы получаем: Высота однородного газового столба=^-°(1-[-&.() м. Для водорода (s = 0,069) и светильного газа (s = 0,46) нормальные Высоты однородных газовых столбов (при £ = 0°) соответственно! будут равны 115 940 \м и 17 390 м. Чтобы давление в этих массах газа, находящихся в равновесии под действием земного притяжения, уменьшилось на 1 %>, мы должны подняться в них приближенно на 1160 и 170 м. От превышения этих высот над 80 1и атмосферного воздуха лежит, как мы в дальнейшем увидим, возможность подъема аэростатов, наполненных этими газами.
Пример 4. В Мюнхене (высота = 520 л, Ь = 720 мм) поднимается змейковый аэростат, объемом to 600 л(3, на 1000 м над уровнем моря. а) Под каким давлением воздуха находится он на этой высоте? Так как давление воздуха при подъеме на 1 м уменьшается на Vsooo, то при подъеме на 480 и/ оно понижается на 480 720та=43 (или, тж как 480 = 6 • 80, то давление воздуха уменьшается на 6%, что опять-гаки составляет 43 мм). Давление воздуха на 1000 м составляет таким образом 677 мм (барометрическая формула высот дает 678 Л4м). Средняя температура воздуха принимается равной 0°. Если бы она в среднем равнялась 10°, то для 8000 надо было бы прибавить 10- 4®/00 = 4%! от этой величины; или проще: 43 мм понижения давления надо уменьшить на 4%', т. е. на 1,7 ми, тогда давление воздуха будет равно 679 мм. б) Сколько кубических метров газа выпустит при подъеме на эту высоту выполненный перед Взлетом змейковый аэростат? Так как при подъеме на 1 м объем газа увеличивается на 1/8000, то выпущенный объем газа будет или проще: так как 480 = 6-80, т. е. 6% от 600 = 36 м,3. Если температура воздуха будет 10°, то 36 .и3 уменьшатся на 10 • 4°/00 = = 1%, т. е. объем будет равен 34,5 м3 (при b = 679 мм и темпера- туре, равной 10°). Пример 5. Дирижабль Парсеваля, идя на высоте 100 м со скоростью 13 м/сек над Берлином, подвергается сопротивлению воздуха в 250 кг. Как велико будет это сопротивление, если дирижабль с той же скоростью пойдет на высоте в 900 .и? Сопротивление воздуха уменьшится при поднятии на 800 = 10 -80 м, на 10%' своей величины, т. е. на 25 кг. Так как уменьшение сопротивления на 10% соответствует увеличению скорости на 5%, если сила тяги винта останется той же самой, то, принимая данную предпосылку, получим, что скорость увеличится на 0,65 лг/сск = 2,3 км/час. При подъеме на 1600 м сопротивление уменьшится в круглой цифре на 50 кг, и, при той же силе тяги винтов, скорость увеличится па 4,7 км/час. Пример 6. В гощю^ аэростата, пролетающего над Мюнхеном (здесь Л = 714 л/м)? анероид показывает 556 мм. Какова будет разность высот? Так как при подъеме на 1 м давление уменьшается на 1/8иоо, то подъему на 1 м будет внизу соответствовать понижение давления на 714 : 8000, а вверху на 556 : 8000; в среднем, значит, 1 / 714 . 556 X 635 2 <8000 8000/ — 8000 ’ Газность в давлениях па 1 мм соответствует поэтому в среднем 16
— ——=— —V— =—-— -— — — — — Tao лица высотных чисел и | 1 0 2 1 3 1 4 1 5 1 6 7 1 | 8 9 ' 10 1,0 79 158 236 313 390 466 541 615 689 762 11 1 762 834 906 977 1 047 1 117 1 186 1 255 1 323 1 390 1 457 1,2 1 457 1 524 1 590 1 654 1 718 1 782 1 846 1910 1 973 2 035 2 097 1,3 2 097 2 158 2 219 2 279 2 338 2 397 2 456 2 515 2 573 2 631 2 688 1.4 2 688 2 745 2 802 2 858 2913 2 969 3 025 3 080 3 134 3187 3 240 1,5 3 240 3 293 3 346 3 398 3 450 3 502 3 553 3 604 3 655 3 705 3 7 55 1,6 3 755 3 805 3 854 3 903 3 952 4 001 4 049 4098 4 146 4 193 4 239 1,7 4 239 4 286 4 333 4 379 4 425 4 471 4 517 4 563 4 608 4 653, 4 698 1,8 4 698 4 742 4 786 4 829 4 872 4 916 4 959 5 002 5 045 5 088 5 130 1.9 5130 5 172 5 213 5 255 5 296 5 337 5 378 5 419 5 459 5 499 5 539 2 5 539 5 929 6 301 6 656 6 996 7 321 7 636 7 936 8 227 8 508 8 779 3 8 779 9041 9 294 9 540 9 778 10 010 10 237 10455 10 669 10 876 11 078 4 11 078 11 270 11 468 11 656 11 840 12 019 12 195 12 367 12 535 12 700 12 860 5 12 860 13ь20 13 175 13 327 13 475 13 622 13 766 13 908 14 047 14 185 14 318 6 14 318 14 452 14 580 14 708 14 833 14 957 15 079 15 200 15 317 15 434 15 549 7 15 549 15 663 15 776 15 885 15 924 16 101 16 208 16 312 16 415 16 517 16 617 8 16617 16 715 16814 16915 17 007 17 099 17 195 17 287 17 379 17 470 17 560 9 (7 560 17 646 17 734 17 820 17 906 17 990 18 074 18157 18 239 18 319 18 399 1:U 18 399 18 478 18 577 18 635 18712 18 789 18 865 18 940 19014 19 088 19 161 11 19 161 1 12 19 857 гз 20 496 1 14 21 088 ч f< 13 21 639 5 к 18 22 156 S Г? и 23 099 I 2(3 23 938 22 24 700 24 25 396 1 1 1 < разности высот 8000; 635 ,м; наблюдаемая разность давлении 714—556 = 158 мм таким образом соответствует: 158 .^=19У0 о35 лг. (Барометрическая формула высот дает 2006 м: но разница высот в 16 м сгладится уже, если к средней температуре этого воздушного столба прибавить 1ЦЛ) Средняя температура для измеряемого воздушного столба принималась равной 0°; если она равна. 8°, то высота увеличивается на S 4®/00=>з.2% от 1990, чт< «•оставит G4 м. • § 3. ВЫСОТНОЕ ЧИСЛО Только что выведенный закон, что при подъеме на 1 м давление атмосферы уменьшается на V^, а при подъеме на 80 м на !% своей величины, дает возможность все необюдшцые задачи а р. эимп Б1БЛК ’ \КА
решать в уме или при помощи счетной линейки с достаточной для практики точностью. Но не следует забывать, что иногда большинство необходимых для вычисления данных, и, прежде всего, щмпература наполняющего аэростат газа, распределение температур в атмосфере, плотность светильного газа, объем аэростата, изменившийся вследствие подвешенного груза, не известны достаточно точно, а следовательно, не может быть использована и точность формулы. Кроме того, иногда для пилота аэростата гораздо важнее получить быстрый приближенный подсчет, чем точные данные путем тщательного вычисления. Упрощение подсчета при полном использовании точности формулы, а также быстрое ознакомление с количественными соотношениями возможно при помощи таблицы высотных чисел. Разность высот двух мест А и В, определяемых давлением воздуха в ЪА и Ъв. дается так называемой «барометрической высотной формулой»: hA — he = 8000 (1 o.t°) In b,B- м = 18 400 (1 at°) 1g m, ®A где tc обозначает среднюю температуру атмосферных слоев, лежащих между этими двумя местами. Отношение давлений ЬА назовем высотным числом и обозначим его буквой щ Высотное число определяет разность высот обоих мест неза-'i висимо от их абсолютной высоты. Высотные числа в достаточной ' последовательности с соответствующими им разностями высот при / = о° даны в вышепомещеиной таблице высотных чисел. Нели температура будет /°, то высоты должны быть исправлены соответственно (ср. § 2) на t 47оо своего значения. Сд ь» be и пв= определяют раз- по отношению к третьему месту А и В определяется высотным Если два высотных числа пА = ность высот двух мест А и В С, то разность высот между числом п = Таблица эта в то же время щую Двум разным давлениям, влений, которые соответствуют данной разности высот, независимо от абсолютных высот. Пример 7. В гон^г^ аэростата Ь = 415 лык давление у земли 736 мм. Какова разность" рысот? Мы определяем nA f bB\ nB< bAj дает разность высот, соответствую-а также отношение этих двух да- 736 п — — 415 и берем из таблицы разность высот в 4576 м. Если средняя температура воздушного столба = 3°, то величина увеличивается на 3 - 4°/00 —1,2%. что составляет 50 л Во всех случаях на прэк-
тике п с достаточной точностью может быть вычислено при помощи счетной линейки. Пример 8. Замкнутый резиновый шар наполнен 1 м3 газа. До какого объема он расширился, если шар поднялся на высоту ooqo .и? (Повышение давления от растянутой оболочки принимается бесконечно малым.) Так как мы имеем [формула (2)] сверху : 1‘вьизу = ^низу : вверху > то находим высотное число внизу и = ъ----’ "вверху для разности высот в 9000 м при помогли таблицы получаем 3,054. Газ расширился в 3.084 раза, следовательно, до 3,084 .и3. Если тиар поднимется еще на 9000 .и, то объем увеличится опять в 3,084 раза; на высоте 18 000 м объем, следовательно, будет равен 3.084 х 3,084 = 9.51 .м3 (для 18 000 м таблица дает и = 9,51). Пример 9. Аэростат в 1000 м3 должен быть наполнен полностью водородом в Малом Шейдегге (Л = 2064 л) для перелета через Альпы. Сколько баллонов сжатого газа требуется для его наполнения? Объем одного баллона, при 6 = 760 мм, равен 5 м'А. Мы находим в таблице для h = 2064 м число п = 1,295; вычисляем ^0=770 мл и получаем -™ = 154 баллона. Так как 770.я3 расширяются при подъеме на 2464 .ц в 1.295 раза, то аэростат будет полностью выполнен до 100и .и3. <$ 4. ПО Д’ЕМКАЯ СИЛА АЭРОСТАТА II НАТЯЖЕНИЕ ОБОЛОЧКИ Механизм, заставляющий аэростат' подниматься, часто представляют совершенно '‘неверно. Плавающий в воздухе аэростат просто сравнивают с погруженным в воду твердым телом; но этс сравнение можно сделать лишь с большой осторожностью. Если под водой плавает в вертикальном положении деревянная призма, то подъемную силу можно представить просто как разность двух сил. которые действуют в противоположном направлении на верхнюю и нижнюю грань призмы, и эту разность принять, как силу, действующую на нижнюю грань призмы и стремящуюся вытолкнуть призму кверху. В применении к мягкому аэростату, снабженному открытым аппендиксом, подобное рассуждение' оказывается слишком поверхностным; это становится особенно ясно, если предположить, что вместо твердого дерева мы взяли наполненный воздухом пузырь, ввели его под воду и в каком-нибудь месте прокололи (открытый аппендикс). Рассмотрим наполненный газом до нижнего обреза открытого аппендикса аэростат, который со своим грузом плавает где-либо в атмосфере в состоянии равновесия. Анероид, погруженный у нижнего обреза открытого аппендикса попеременно то в газ, то непосредственно в нижележащий воздух, конечно, покажет то же *2 19
самое давление р, потому что граница между воздухом и газом не передвигается; следовательно, здесь нет разности в давлениях. Если мы поднимем анероид с этого места выше и поместим его рядом с аэростатом в атмосферу, то он будет показывать уменьшение давления, на каждый метр подъема равное 1 sooo^' На любой высоте в h м над нижним обрезом аппендикса давление уменьшается на J^p- На этой высоте оболочка аэро-k стала испытывает давление снаружи, равное р—р, нормальное к своей поверхности, потому что в состоянии покоя давление газа перпендикулярно к ограничивающей его поверхности. Если мы введем анероид внутрь аэростата, то он покажет также уменьшение давления, потому что в этом случае под анероидом остается масса газа, вес которой не принимается в расчет: но уменьшение давления здесь уже будет другое: по § 2 на 1 1.м давление умень-шается на р, где s обозначает удельный вес газа: для светильного газа. (5 = 046) и для водорода (5 = 0,069) уменьшение давления будет значительно меньше, чем для воздуха. При подъеме на 7/ м оно будет равно р, так что па. высоте Л м над нижним обрезом аппендикса стенки аэростата подвергаются перпендикулярному давлению изнутри наружу р— р. На этом уровне стенки аэростата испытывают перпендикулярное давление изнутри hs Л наружу, равное р— р и снаружи внутрь р—g=-( р: таким образом получается сверхдавление Др, действующее изнутри наружу, зависящее от и и равное р — (1—5 = 0-54 для светильного газа и 0.931 для водорода). Таким образом мы можем сделать вывод: Оболочка, находящегося в равновесии выполненного аэростата в каждой своей точке имеет перпендикулярно направленное давление изнутри наружу, получающееся от избытка внутреннего давления: ^ = ^1-8'>кг/м2- <в> Это сверхдавление пропорционально высоте й над отверстием аппендикса, а также и имеющемуся на уровне последнего давлению р, и поэтому оно понижается на v.%' всякий раз, как аэростат поднимается на 80 ль Зависимость от рода газа выражается при помощи 1. — 5. Так кат; по определению однородной атмосферы р = 8000 р (§ 2), то сверхдавление может быть выражено и в таком виде Др = 7<Р (1 — s) кг:м\ (Ва)
где р обозначает плотность воздуха, омывающего нижний обрез алирндикса. Так как подъемная спла Т одного кубического метра газа равна р (1 —$). что будет показано ниже, то' для ур получим выражение: Ур = йТ жг/.к* (66) где Т — подъемная сила 1 .и3 газа ня. нижнем обрезе аппендикса. Эти Сверхдавления представлены на фиг. 1 по их направлениям и величине; для Т принята величина в 1 кг-, др и h нанесены в одинаковом масштабе. Длина аппендикса принята ранной диаметра аэростата. Этими сверхдавлениями, способом подвески груза., раскроем оболочки аэростата и удлинением ее материи определяется форма наполненного аэростата. Эти сверхдавления и являются теми силами (см. ниже § 6), которые поднимают аэростат вверх; один гальке взгляд, брошенный па фиг. 1. убеждает нас. что ошг совершенно иначе распределены, чем силы, действующие на поверхности плавающего под водой твердого тела. Б. Предположим, что аэростат в каком-нибудь месте имеет
разрез в 1 .w длины; для того чтобы этот разрез не раскрылся и гад не вышел, края разреза должны быть стянуты под действием определенной силы. Эту силу называют силой натяжения оболочки, направленной перпендикулярно к разрезу: измеряют ее килограммами на погонный метр. Она в каждой точке определяется действующим там сверхдавлением Lp, распределением Др на этом участке оболочки, формой оболочки и направлением, в каком мы провели этот предполагаемый разрез. Для оболочки сферической, во всех направлениях подвергающейся равномерному натяжению, натяжение S в некоторой точке ее не зависит от направления, но зависит от радиуса 7?, как видно из следующего уравнения: S=bp- J = ЛТ J кг>. 17) «-> L-' В аэростате с сетью можно (натяжения оболочки считать равномерными приближенно до параллели, отстоящей на 30° от клапана. Что натяжение увеличивается с подъемной сплои газа Т н высотой h над отверстием аппендикса, само собой понятно. Нас бы слишком далеко завело исследование вопроса о том, что род и характер натяжения оболочки имеют чрезвычайно большое значение. Чем оболочка бывает более натянута, тем скорее она рвется: подобно натянутой струне на скрипке, которая тем скорей, лопается, чем менее она прогибается под действием смычка. Испытания на разрыв показали, что двойная прорезиненная материя, которая, как правило, употребляется для постройки свободных аэройДтов, разрывается только при натяжении большем чем 1000 кг/м: йо из предосторожности мы примем именно эту величину для сопротивления на разрыв. Следовательно, если в какой-нибудь точке Сверхдавление Др превзойдет известное значении Др.,, то при помощи формулы (7) получим 2000 147 = кг./м — -^- мм рт. ст.; (8) таким образом в этой точке аэростат лопнет, если только это h«* случилось уже раньше, вследствие неравномерного натяжения самой материи. В нижеследующей маленькой табличке даны разрывающие давления Др для некоторых размеров аэростатов. Таблица 8 Таблица разрывающих давлений R м Др5 кг/.и2 в мм рт. ст. 600 5,25 380 28 1000 6,2 322 23,5 1440 7 286 21 22Оо 8.1 247 18
Неравномерное натяжение оболочки понижает величины этих разрывающих давлений. Необходимо напомнить, что давление в 1 кг/м- равно давлению 1 .ил воды. Пример 10. Аэростат в 1440 л3 наполнен светильным газом о Т = 0,7. Груз подвешен при помощи пояса, расположенного' по экватору оболочки. Длина аппендикса, составляющая ‘До диаметра аэростата, равна 1.4 л. Каким запасом прочности на разрыв Обладает аэростат? Высшая точка аэростата лежит на 14 + 1,4 = 15,4 л над нижним обрезом аппендикса-, здесь имеется максимальное сверхдавление. равное 0,7 . 15.4= 11 кг/л2 = 11 лл Род. ст. = 0,84 лм рт. ст. Запас прочности на1 разрыв, следовательно, будет равен - . т. е. 26-кратный. Для (водорода он был бы равен тут. т. е. 15Ц-кратпый. Он увеличивается на 1%' при каждом подъеме аэростата на 80 л. Для аэростата в 2200 л3 этот запас прочности будет 20- и 11,5-кратный. При наложении на аэростат сети эти запасы прочности, сами по себе достаточно большие, еще значительно повышаются, так как часть натяжения будет восприниматься сетью. Так как в высшей точке аэростата ?/ приближенно (без аппендикса точно) равно 27?, то максимальное натяжение приближенно возрастает как квадрат радиуса аэростата. Пример 11. Аэростат, объемом в 1440 л3, из двойной прорезиненной материи, при 760 мм барометрического давления наполнен светильным газом с Т = 0,7. Аэростат начал 'взлет с завязанным аппендиксом. На какой высоте он лопнет? В высшей своей точке аэростат имеет сверхдавление, равное 11 кг/л2 (ср. пример 10). Аэростат лопнет после того, как сверхдавление достигнет 2S6 кг/м2. Пусть оболочка не растягивается; тогда при подъеме объем аэростата, а следовательно, и внутреннее давление в каждой точке не изменяется. Поэтому разрыв наступит после того, как внешнее давление уменьшится на 286—1 1 =275 кг/л2. На уровне взлета давление 'Воздуха составляет 10 330 кг. На каждый метр подъема оно уменьшается на 781Н)0, что составляет 1°’3 кг: для о -j|— ,и подъема — 1 кг. После взлета на 275 = 214 м наступит разрыв. Но аэростат в верхних своих частях усилен сетью; там, где оболочка не защищена сетью, сверхдавление приближенно равно 5 кг/м2. Для того чтобы аэростат разорвался в этих местах, внешнее давление должно еще уменьшиться на 11—5 = 6 кг. Для этого достаточно дальнейшее поднятие на высоту в 5 л. При дальнейшем же подъеме на 4 м может разорваться уже аппендикс, именно то место, которое при начале валета совсем не имело натяжения (при этом мы приняли, что это возрастающее внутреннее давление подвергает равномерным натяжениям и нижние части оболочки').
Высоты, на которых происходит разрыв аэростата, следующие: для аэростата объемом в ООО лг, наполненного водородом. — приближенно 300 .у. для аэростата 1000 .и3— около 250 л/. а для аэростата в 2200 лг3. наполненного светильным газом,—-только около 200 V Исли скорость Взлета равна приближенно 3 м/сек. то эти высоты достигаются уже через 2—3 минуты. В действительности материя оболочки аэростата не вполне нерастяжима. При взлете материя поддается возрастающему сверхдавлению, и увеличивающйся объем аэростата позволяет медленнее возрастать внутреннему сВерхдавлению. Линейное растяжение материи на 1 % увеличивает объем на 3%: для разрыва должно поэтому внешнее давление уменьшиться еще на з%, что в наступит при дальнейшем подъеме на 3 • 80 ==240 .«. Взлета, аэростата с -закрытым аппендиксом нужно избегать при всех обстоятельствах, так как по прошествии нескольких минут после взлета достигается опасная зона. Если, вследствие недосмотра, аэростат с закрытым аппендиксом вдруг пойдет вверх, то немедленно надо сильно и длительно потянуть за клапанную веревку и. по .возможности, постараться скорее спуститься, в случае если не удастся открыть аппендикс. Пример 12. Аэростат наполнили полностью в эллинге, вынесли ic завязанным аппендиксом наружу и поставили его под действие солнечных лучей. На- сколько градусов должна подняться средняя температура газа, чтобы наступил разрыв оболочки? Для примера возьмем аэростат в 1440 .и3. Для разрыва- внутреннее давление должно увеличиться приближенно до 275 аз: это составляет 2,6% от начального давления в ю ззо иг. Повышение температуры на один градус вызывает повышение давления на. O.lVoc. поэтому необходимое повышение температуры составляет всего лишь 6%°. Дальнейшее повышение до 7V20 выравняет 3-процентное увеличение объема путем растяжения оболочки. Выполненные аэростаты с завязанными аппендиксами, вынесенные под действие солнечных лучен, должны поэтому все время оставаться под наблюдением, и аппендиксы у них должны время от времени развязываться. Б. Если наполненный аэростат проколоть в каком-нибудь месте, то газ следует преобладающему7 в этом месте сверхдавленпю и вытекает. Сверхдавление, уменьшаясь по величине, удерживается до тех пор, пока имеются еще нижележащие массы газа. Эти нижележащие массы газа и уйдут через проколотое место: проведенная через прокол горизонтальная плоскость есть в сущности плоскость, на которой воздух и газ соприкасаются друг с другом под одинаковым давлением. Ниже ее оболочка аэростата находится только под натяжением своего веса, над вею преобладают сверхдавления и натяжения, которые можно вычислить по формуле (6), где для h нужно брать высоту7 над вышеупомянутой горизонтальной плоскостью. Соответственно с новыми условиями меняется и вид аэростата, и нарушается его шарообразная форма — па аэростате образуются складки. потому что перастягиваюшаяся 24
оболочка, раскроенная для шара, только при шаровой "форме-:не имеет складок. Спуск аэростата ниже зоны его выполнения сразу будет замечен внимательным пилотом, так как ппжвпе части аэростата, особенно аппендикс, теряя внутреннее давление, становятся вялыми, спадают. Если аэростат имеет форму кругового цилиндра < радиусом К, го. при равномерном натяжении оболочки, натяжение, перпендикулярное оси, составляет все еще &/>• 2 , но по направлению вдоль оси его величина, удваивается. Если же длина цилиндра больше радиуса в несколько раз. то оболочка по направлениям. перпендикулярным оси. имеет несравненно более сильное натяжение, так что при разрывах оболочки на дирижаблях разрыв проходит по направлению оси. 5. ИСТЕЧЕНИЕ ГАНОВ, ДЕЙСТВИЕ КЛАПАНА При открытии клапана и при разрывах оболочки аэростата газ выходит со скоростью, которая обусловливается сверх давлением у отверстия и плотностью газа. Пусть в каком-либо .месте разность давлений будет Ьр, среднее давление р и плотность р, р = я,81 •—ускорение силы тяжести, тогда скорость истечения газа выразится: (») Эта формула, дает еще при 20 (например, р = 7«>0 л.н. др = 40 мм) скорость истечения газа с точностью до 1%. Для р = 760 мы составили следующую таблицу. Таблица 4 I таблица скоростей истечения газа Др Скорость v м/сек 4Р Скорость v . ч;сек Воздух Светильный газ Водород Воздух ' Светильный ГИЗ Водород । 1 ЛИ ВОД. ст. 3,9 5,9 14,9 1 им/ рт. ст. 14,4 21,9 54,8 2 „ Э/5 8,4 21,0 2 „ ,. . 20,3 30,9 77,3 4 . 7,8 11.7 29,7 3 „ , . 24,9 37,8 94,8 7 . 10,3 15,7 39,3 4 . . „ 28,7 43,6 1б9 ТО „ У1 » 12,3 18,7 46,9 5 м » * 32,1 48,7 122 Если мы в формулу (9) подставим значение Др из формулы (ба), равное Zip (1—з), где р относится к атмосферному
воздуху v аппендикса, и заменим дробь Рвоздух- через 1, то по-" ‘ Ргаза s лучим ____ v = ।2gh лДсек, (10) где й — высота отверстия над нижней границей газа. Объем вытекающего газа получаем путем умножения на поперечное сечение выхода. Мы таким образом имеем: Скорость истечения газа не зависит от высоты, на которой находится аэростат. Если на разных высотах через равные промежутки времени клапан открывается на одинаковую площадь отверстия, то число вытекающих куб. метров газа не зависит от высоты: но вытекающая масса газа уменьшается всякий раз на 1% при подъеме аэростата на 80 м. Нижеследующая маленькая табличка выявляет зависимость скорости истечения газа от высоты /' выходного отверстия над нижней границей газа. Таблица 5 II таблица скоростей истечения Высота h Скорость a MjceK Высота h Скорость с м1сек Светильный газ Водород светильный газ Водород 1 5 16.3 10 16,0 51,5 2 7,1 23,0 12 17,5 56,5 4 10 32,5 16 20,0 65,0 6 12,4 39,9 20 22,6 72,0 8 14.3 46,0 Из этих чисел можно сделать с достаточной точностью следующий вывод: При одинаковой высоте h отверстия водород вытекает со скоростью в 3 раза большей,, чем светильный газ. Пример 13. Действие клапана у аэростатов разной величины, но наполненных одинаковым газом. Высота й клапана у выполнен ного аэростата равна его диаметру плюс длина аппендикса. Если мы принимаем длину аппендикса равной */1(, диаметра аэростата, го получаем эту высоту Л для аэростата в 600 м3—10,5 + 1 = 11,5 м . , „ 1000 . — 12,4 + 1,2 = 13,6 „ , „ , 1440 , —14 + 1,4 = 15,4 . . . „ 2200 . — 16 + 1.6=17,6 , Если мы возьмем соответствующие скорости истечения из вышерасположенной таблички, то видим, что объем здесь оказывает очень небольшое влияние.
Из формулы (10) следует, что истечение это пропорционально лишь степени */0 объема. Для. всех практических целей совершенно достаточно, w обращая внимания на величину аэростата, принимать скорость истечения из клапана для светильного газа равной 20 м/сек, а для водорода в 60 м/сек, совершенно независимо от высоты, на которой находится аэростат. Пилот должен помнить, что при одинаковом открытии клапана, и одинаковой длительности его хлопка у больших и малых аэростатов одинаково уменьшается подъемная сила (в абсолютном смысле). Если аэростаты неодинаковых размеров должны уменьшить свою подъемную силу в одинаковых процентах, то продолжительность открытия клапана должна быть пропорциональна объему аэростата (точнее равна диаметру в степени 7», если мы пренебрежем длиною аппендикса). Как дальше увидим. сопротивление воздуха, при равномерной ско]юсти спуска аэростата, пропорционально поперечному сечению аэростата, ему же должно быть пропорционально и время одинакового открытия клапана, чтобы находящиеся на зоне равновесия аэростаты получили бы одинаковую скорость спуска. Для данных выше четырех размеров аэростатов поперечные сечения относятся, как 1 : 1.4 : 1,8 : 2,3. Пример 14. Действие клапана, у аэростатов, наполненных различными газами. Как выше было сказано, достаточно принять скорость истечения, независимо от величины аэростата, для светильного газа равной 20 м/сек и для водорода равной 60 м/сек. Поэтому аэростат, наполненный светильным газом, теряет через каждый квадратный дециметр отверстия клапана в 1 сек. 1/5, а аэростат, наполненный водородом, — 3/5 мЛ газа, независимо от величины аэростата и высоты полета. Пилот должен помнить, что та же самая потеря в подъемной силе в процентах для аэростата, наполненного водородом, наступает в 3 раза скорее, чем для аэростата, наполненного светильным газом. Та же самая абсолютная потеря в подъемной силе для наполненного водородом аэростата наступает относительно еще скорее, потому что отношение 1 : з надо помножить еще на отношение подъемных сил светильного газа и водорода 0.7 : 1.2, вследствие чего первое отношение увеличивается до 1 : 5. Итак, аэростат, наполненный водородом, при одинаковом открытии клапана, реагирует на это действие в з и 5 раз сильнее, чем аэрюстат, наполненный светильным газом. Пилот, привыкший к полетам на аэростате со светильным газом, должен быть очень осторожен, если он хочет путем открытия клапана перевестп на спуск аэростат, наполненный водородом: при одинаковой продолжительности открытия клапана для водородного аэростата требуется пятикратное количество балласта для торможения спуска по сравнению с. аэростатом со светильным газом. Пример 15. Повреждения оболочки выстрелами. Повреждение оболочки тем опаснее, чем ближе место повреждения лежит к клапану: чем выше оно в аэростате, тем сильнее скорость истечения газа и тем больше будет окончательная потеря газа, так как через 27
пробоину вытекают нижележащие массы газа. При этом надо помнить, что истечение идет с уменьшающейся скоростью, так как при повышении нижней границы газа высота давления /1 [формула (10)11 уменьшается. Для того чтобы оценить это влияние. нужно принять во внимание то положение, что время, потребное для опорожнения аэростата через .клапан, в 7-, раза больше того времени, которое потребовалось бы для этой цели в случае, если бы начальное сверх-давлепие оставалось постоянным: время опорожнения нижней половины аэростата относится ко времени опорожнения верхней половины, как 2 : з. Если некоторое количество пробоин равномерно распределено ио поверхности аэростата, то для оценки их действия предположим что они расположены на петсоторой высоте h, равняй, примерно» 7 диаметра аэростата, и положим (ср. таблицу скоростей истечения газа 11). что скорость истечения для светильного газа равна. 15, а для водорода 45 м/сек (конечная потеря газа определяется наиболее высоко расположенной пробоиной). Если площадь пробоины равна 1 см3. то потеря для светильного газа равна 1.5, а для водорода 4.5 .i/cev. 1 .w" газа вытечет в круглых цифрах в 11 и 37.; мину'ты: потеря в подъемной силе в 1 кг наступит через 1(1 и через 4 минуты и может быть скомпенсирована расходом одного мешка балласта в 12 кг в 3 час. 10 мин. и в 37 минут. Входное и выходное отверстия 1-мм пули образуют в сумме площадь для истечения газа в о,77 см'3. Потеря подъемной силы вследствие пулевой пробоины может быть скомпенсирована 12 кг балласта у аэростата со светильным газом в течение 4 час. 7 мин.. у водородного же в течение is мин., и поэтому подобная пробоина 1ш является опасной. Залп в 5«> выстрелов уменьшит это время на 5 и 1 мин. времени. ю мешков с балластом в 12 кг каждый дадут возможность аэростату со светильным газом продержаться в воздухе еще ;д) мин. Одна 7-r.ii граната дает такое же поражение. как сотня 7 лам пуль. Если речь идет о том, чтобы провести аэростат через зону огня, то все преимущества оказываются на сто}юне аэростата, наполненного светильным газом; быстрое же проведение водородного аэростата через линию огня можно осуществить только в очень редких случаях. Правда, аэростат, наполненный водородом. как правило, будет иметь больше балласта, но не в отношении 5 : 1. что является необходимым условием для нейтрализации действия щюбоин. Пример 16. Опасно ли будет для аэростата, если при быстром взлете расширяющийся газ недостаточно быстро вытекает через открытый аппендикс? Для примера возьмем аэростат в 1440 лг: его вя!вешивают и дают ему сплавную силу в 100 кг, для чего сбрасывают около s мешков балласта. Мы увидим (§ 17). что даже в этом случае скорость взлета не достигнет 5 м/сек. Для того чтобы потерять 1%. газа. т. е. 14 v3, аэростат должен подняться па .v, на что и потребуется к; сек. времени: таким образом в секунду должно выходить 7/s .и8 газа. Аппендикс имеет длину 26
в ‘/io диаметра аэростата, при поперечном—диаметре в ‘/3 своей длины, что составляет 47 с. к и что соответствует площади отверстия в */„ .и2. Отсюда следует, что скорость прохождения газа чере-'. это отверстие, будет как раз около 5 .v/сск — скорость, которая но таблице скоростей истечения 1 наступает у светильного газа при разности давлений в 2 .и,и вод. ст. При увеличении размеров аэростата и увеличении количества выбрасываемого балласта эти отношения очень мало изменяются. Даже если аэростат попадет в вихрь и будет подброшен вверх со скоростью 30 м/сек, то скорость истечения через отверстие аппендикса будет около 30 м/сек. Такая скорость бывает при разности давления в 2 мм рт. ст. Даже при значительно больших скоростях в бурю. -при аппендиксе с диаметром, равным V-,, диаметра аэростата, очень редко возникает опасное натяжение оболочки вследствие увеличения внутреннего давления. Не раз бывало, что аэростаты взлетали вверх, уносимые мощными вертикальными токами бури. Пилот в таком' случае инстинктивно, вероятно, открыл бы клапан. Я считаю это нецелесообразным. С вертикальным воздушным потоком не надо бороться: абсолютная вертикальная скорость аэростата будет весьма незначительно гнарушена. но зато, когда прекратится действие вертикального потока, выпущенная в излишке газовая масса может впоследствии доставить неприятности. Во всех этих примерах температура наполняющего газа принимается равной 0е. Для каждого повышения температуры на 1° скорость истечения увеличивается для светильного газа приближенно на 470(), для водорода — около 270«; эти изменения не оказывают никакого существенного влияния. 6. ВОЗДУХОПЗМЕЩЕНИЕ, ПОДЕННАЯ СИЛА И СПЛАВНАЯ СИЛА В § 4 мы показали, что каждый элемент оболочки находится под действием внутреннего избытка- давления. На фиг. 1 эти сверхдавления представлены по своей величине и направлениям. Хотя вся оболочка ниже экватора испытывает давление, направленное вние, все же, как нас убеждает один только взгляд на фиг. I, перевешивают давления, направленные вверх; сумма всех избытков дав тений и будет силой, которая поднимает оболочку, а с ней п аэростат и которая, если аэростат находится в состоянии равновесия, уравновешивается * весом груза (исключая вес газа). Мы поэтому называем сумму сверхдавлений подъемной симй. Эту сумму сравнительно просто вычислить: мы же изложим для получения ее более наглядный метод. В каждой точке оболочки сверхд явлен не равно излишку внутреннего давления над давлением внешним. Мы получим подъемную силу, если возьмем сумму всех давлений, действующих на оболочку извне, и отнимем от нее сумму давлений, действующих на оболочку изнутри. Сумму всех давлений, действующих на оболочку члене. мы
называем воздухоизмещснием. Его величину мы получим таким образом: допустим, что оболочка, замыкающая газ, — жесткая. невесомая и вместо газа наполнена окружающим ее атмосферным воздухом. Она выравняла свое давление с давлением окружающей атмосферы через отверстие, которое мы потом закрыли. Замкнутый в оболочке воздух вполне соответствует окружающему воздуху; веса замкнутого воздуха и вытесненного оболочкой воздуха равны. Давления извне на оболочку остались те же самые; сумма их — воздухоизмещение — осталось тем же самым и его нетрудно определить, так как оболочка с ее содержимым, которая в безвоздушном пространстве, следуя силе, равной весу ее содержимого, стала бы падать, в действительности будет плавать (в атмосфере. Воздухоизмещение, следовательно, уравновесит вес. Отсюда следует: Если где-либо в атмосфере находится жесткая, не меняющая своей формы оболочка, то сумма. внешних давлений на нее — воздухоизмещение — направлена вверх и равна весу вытесненного воздуха. Для того чтобы суммировать давления на внутреннюю по-, верхиость предполагаемой жесткой и невесомой оболочки, мы представим себе, что окружающая атмосфера удалена и заменена атмосферой газа, которая па любом уровне соответствует массе замкнутого в оболочке газа. Вес замкнутого газа равен весу вытесненной газовой массы; во всякой точке внешнее давление равно внутреннему, но имеет противоположное направление. Сумма внешних давлений образует, как и раньше, силу, направленную вертикально вверх и по величине равную весу газа. Таким образом, мы находим: Сумма всех внутренних давлений по величине и направлению равна весу замкнутой массы газа и направлена вниз. Величина, которой определяется подъемная сила, выражается поэтому следующим основным законом: Подъемная сила находящейся, в равновесии где-либо в атмосфере газовой массы равна воздухоизмещению минус вес газа. Воздухоизмещение по величине равно, а по направлению противоположно весу вытесненной массы воздуха. Из этого закона выводим основную формулу: подъемная сила массы. гоза=вО8Духоизмещение— вес газа (11). Примечание. Мы говорим, все время только о подъемной силе' массы газа, но не аэростата. Для того чтобы масса газа могла плавать на постоянной высоте, должно быть установлено равновесие между подъемной силой, направленной вверх, и силой, направленной вниз. Последняя у свободного аэростата выражается в виде! веса всех его частей, поднятых газовой массой, Масса таза может быть, не (меняя ее высоты, нагружена весом, состоящим из оболочки и всего, что эта оболочка несет, и равным ее. подъемной силе. Если нагрузка меньше, то газовая масса поднимает ее выше, в противном случае эта газовая масса подвергается снижению. Если разность — подъемная сила минус нагрузка — имеет по-
ложительное значение, то мы называем ее сплавной силой, если же она выражается отрицательной величиной, то отрицательной сплавной силой или перегрузкой. Примечание. Мы сознательно избрали выражение „нагрузка", а непросто груз или подвешенный груз, потому что в последнем случае не принимается в расчет вес оболочки или общий вес аэростата. Вообще не существует для вышеприведенных понятий твердо установленных названий. В отдельных случаях это не имеет значения, если только надлежащему слову придается точный смысл; но отсутствие твердо установленной терминологии очень часто путает понятия и ведет при устных объяснениях к большим недоразумениям. Поэтому мы точно будем различать эти обозначения: воздухоизмещение, подъемная сила, сплавная сила и отрицательная сплавная сила или перегрузка. Пример 17. Два аэростата, каждый в 1000 л3, наполнены при /> ===== 7(>0 мм и t — cF один водородом, другой — светильным газом. Оба аэростата имеют одно и то же воздухоизмещение в 1000 • 1,293 = 1 293 кг (равное весу вытесненного воздуха; ср. таблицу газовых постоянных). Но водород в водородном аэростате весит 1000-0,089 = 89 кг, а светильный газ в наполненном пм аэростате 1000-0,59 = 590 кг. Подъемная сила массы водорода таким образом равна 1293—89 = 1204 кг, а. светильного газа 1293—590 = 703 кг. Если обе газовые массы нагружены согласно этим величинам оболочкой, сеткой, корзиной с ее содержимым и т. д, то тогда оба аэростата будут «Ьзвешены». Если каждый из аэростатов облегчить на Ю кг балласта, то оба обладают одной и той же начальной сплавной силой. Оба начнут подниматься до тех пор, пока разность — воздухоизмещение минус вес газа — для каждого из них не уменьшится на 10 кг, что, как мы увидим далее, для водорода составит Высоту7 в 66 м, а для светильного газа 144 м. Самой большой подъемной силой аэростат обладал бы в том случае, если бы вес наполняющего его газа был равен нулю. Вакуум-аэростат объемом в 1000 .и3 мог бы поднять только на S9 кг больше, чем наполненный водородом. Так как все приспособления, необходимые для придания жесткости вакуум-аэростагу, весят несравненно больше, чем Тюс газа, то нее стремления к его осуществлению соТлрршенно бесцельны. § 7. ДЕЛЕНИЕ АЭРОСТАТОВ НА ДВА КЛАССА А. Поместим газовую массу в оболочку таким образом, чтобы она при перемещениях в вертикальном, направлении могла бы беспрепятственно менять свой объем в зависимости от изменяющихся атмосферных давлений, но вместе с тем так, чтобы она не выходила бы из оболочки. Поэтому мы берем так называемый «невыполненный», только частично наполненный аэростат, или закрытый., исключительно легко расширяющийся резиновый аэростат. Нагружаем его согласно равенству подъемная сила = воздухоизмещение— вес газа: тогда он будет «взвешен». Он поднимается на какую-нибудь высоту. Предлоложпте.тъно вес газа остается постоянным. следсга-
тельно. изменение подъемной силы равно изменению воздухоиз-мещения. т. е. веса вытесненного воздуха. Всякий раз, как. мы . поднимаемся вверх или опускаемся вниз на ъо ,м, объем остающейся постоянной массы газа, а поэтому и объем: вытесненного воздуха увеличивается или уменьшается па 1%; при этом давление воздуха, а следовательно (§ I) и вес кубического метра вытесненного воздуха уменьшается или увеличивается на 1%. Изменение объема и изменение плотности взаимно уничтожаются, так что воздухоизмещение, а следовательно, и подаймная сила остаются постоянными. При этом может произвольно изменяться и температура, если она одинаково меняется и у газа и у вытесненного воздуха, так что какая-либо установившаяся вначале разность их температур остается постоянной. Так как при уве- . шчении или понижении температуры на каждый 1° объем вытесненного воздуха увеличивается или уменьшается на 4°/0|1. а плотность ’воздуха, наоборот, уменьшается или увеличивается на 4%.,. то опять-таки они взаимно компенсируются. Итак, мы имеем основное теоретическое положение: Газовая масса с постоянным весом имеет на всех высотам (при всем давлениях) одну и ту же подъемную силу, незавгюимо от ее температуры до тех пор. пока разность между ее температурой и температурой окружающей среды остается постоянной. Мы можем поэтому аэростат, на полненный газом с постоянным весом и уравновешенный где-либо в атмосфере, произвольно перемещать по вертикали: он будет 'в каждом месте оставаться «взвешенным» до тех пор, пока не будет нарушен закон температур. Совершенно иначе ведет себя аэростат, у которого газ сохраняет постоянный ойъем. как например, выполненный с открытым аппендиксом аэростат. Так. как объем должен оставаться постоянным, то щ»и подъемах газ должен выходить из оболочки, и в равенстве подъемная сила = воздухопзмещение— вес газа оба члена правой стороны, а также и левая сторона меняют свои величины. Подъемная сила постоянного объема газа зависит в исключительной степени от высоты (показания барометра), а также температуры и подчиняется другим законам. Поэтому мы разбиваем аэростаты на два класса, которые совершенно различны в отношении техники полета. Мы различаем: А) Аэростаты с постоянным объемом газа. Б) Аэростаты с постоянным [весом газа. .Я не мог подыскать кратких прилагательных, чтобы обозначить эти ,два рода аэростатов по. самой сути их различий. Еще недавне можно было по смыслу делать различие между «выполненным» и «невыполненным > аэростатами. Эти обозначения уже недостаточно точны после того, как в нежестких и полужестких дирижаблях баллонет (см. § 20) стал иметь такое большое значение. В таком аэростате, газовая масса которого поддерживается избытком давления на 30 ми вод. ст. при помощи баллонета, оболочка, сильнее натянута., она более выполнена, чем в самых «больших до настоящего времени построенных свободных аэ[»остатах.
Несмотря, однако, на сказанное, эти аэростаты в отношении техники полета не считаются выполненными, пока они не выпустят газ; их считают в данном случае невыполненными, потому что они летают не с постоянным объемом газа, а с постоянным весом газа. Большое значение имеют аэростаты класса Б, потому что всякий спускающийся, идущий на посадку аэростат, как и всякий аэростат, находящийся ниже достигнутой им максимальной высоты, принадлежит к этому классу. Бблыпий интерес представляет теория класса А потому, что, если не надо было бы считаться с изменением разности температур газа и атмосферы, то на основании вышеизложенного теоретического положения, никакой теории для класса Б не существовало бы Пример 18. Цеппелин перед взлетом был точно взвешен; каждый из его газовых баллонов был наполнен на 97% таким образом, чтобы газ начал выходить через клапаны только после расширения объема газа на з'%„ Тогда минимальная сплавная сила может поднять его на первые з • 80 = 240 м; он до тех пор остается аэростатом класса Б подобно дирижаблю Парсеваля, пока его баллоны не выпустят газа. При дальнейшем подъеме он превращается в аэростат класса А, в то время как дирижабль Парсеваля всегда принадлежит к классу В, и подъем его достигается только при помощи постоянно действующей сплавной силы (змейковое действие, расход бензина, возможная отдача балласта). Если цеппелин при его непрерывном подъеме достиг какой-нибудь высоты, допустим 1040 м (без действия рулей высоты он должен был облегчиться для этого от балласта и бензина приближенно на 1600 кг), а потом начал спускаться, то он опять переходит в класс Б. Если температурные условия благоприятны, то дирижабль можно посредством незначительной положительней или отрицательной сплавной силы поднять или опустить на всем интервале высот до 1040,.и; здесь он опять ведет себя подобно дирижаблю Парсеваля, без выпуска газа, и, как у последнего, у него расход бензина может иметь нежелательные последствия, потому что при этом расходе обнаружится явление, которое мы позднее более подробно разберем, как «переброс балласта». Короче говоря, если цеппелин идет ниже уровня достигнутой им ранее высоты 1040 м, то он относится к классу Б, если же он ее перейдет, — то к классу А. Вертикальное управление должно следовать совершенно разным законам при полете дирижабля выше или ниже уровня достигнутой им ранее максимальной высоты. Его максимальная высота зависит исключительно' от имеющейся ® распоряжении сплавной силы, следовательно, у дирижабля Парсеваля — от объема воздушных баллонетов. Б. Оба класса аэростатор отличаются также в отношении рода равновесия, когда они находятся ь этом)-состоянии. Аэростат с постоянным весом (класс Б), находясь в равновесии в любом месте атмосферы, останется в этом равновесии, если мы его слегка приподнимем или сдвинем в вертикальном направлении вверх или вниз, несмотря па небольшие сопровождающие эти перемещения 3 Р. Эмден 16 33
Изменения температуры! Или вторичные влияния. Такой аэростат находится поэтому в равновесии, которое мы в механике называем «безразличным». Достаточно приложить самую незначительную силу и произвести работу, чтобы переместить аэростат й вертикальном направлении на любое расстояние. Это привело к широко распространенному заблуждению, что аэростат класса Б (невыполненный аэростат) находится в неустойчивом равновесии. Это неверно. Аэростат находится в таком же положении, как шар на гладкой горизонтальной подставке; его равновесие безразлично. Мы можем кратко охарактеризовать его положение, если скажем, что он ни в каком направлении, ни вверх, ни вниз, не обладает устойчивостью. У выполненного аэростата с открытым аппендиксом, находящегося й равновесии, мы должны различать перемещение вниз от перемещения вверх. В первом случае аэростат ведет себя, кат; аэростат с постоянным! весом, по отношению же к перемещениям вниз его равновесие безразлично. При перемещениях вверх объем газа остается постоянным (класс А), аэростат выпускает газ, и если потерянная вследствие этого подъемная сила не скомпенсируется балластом (или изменениями температуры), то предоставленный самому себе аэростат начнет спускаться. Но с этим обратным движением он переходит в класс Б; полученная им отрицательная сплавная сила остается постоянной, и он спускается до земли (если он только не попадет в другие температурные условия. В отношении перемещений вверх равновесие аэростата с постоянным объемом неустойчиво. Всякий восходящий порыв ветра, если он не будет парализован балластом или изменениями температуры, влечет за собой в конечном счете посадку. Всякая отдача балласта ведет теоретически к посадке. Она придает аэростату незначительную живую силу, при помощи которой, как мы увидим далее, он поднимается на высоту, приближенно равную его диаметру, над новой зоной своего равновесия. Если это превышение зоны равновесия не компенсируется изменениями температур, то результатом спуска будет приземление. Почти каждая барограмма полета показывает, как часто отдача балласта, после достижения новой зоны равновесия, ведет к нежелательным результатам. Поэтому пилот должен со вниманием выждать конца действия сданного балласта, чтобы в нужном случае строго необходимым количеством дополнительного балласта приостановить спуск и удержать аэростат на новой зоне равновесия. Устойчивость этого аэростата й отношении спуска равна нулю, в отношении же подъема она обладает конечной величиной, потому что для подъема на 1 'м нужно приложить к аэростату силу, равную Veooo его подъемной силы. Третий класс аэростатов, которые отличаются постоянным весом газа й постоянным объемом, мы рассмотрим в разделе баллонетов. Высотный интервал, в котором могут перемещаться эти аэростаты, не теряя отличающих их свойств, очень незначителен. Если они в пределах этого интервала перемещаются вертикально вверх или вниз, то, будучи предоставлены самим себе, они возвра-
щаютея to свое начальное положение; их равновесие в обе стороны устойчиво, но их устойчивость имеет по обеим сторонам: нуля различные значения. § 8. НОРМАЛЬНАЯ ВЫСОТА Главная задача, предстоящая при теоретическом изучении аэростата, состоит в следующем: заданы надлежащим образом подобранные объем газа и род газа, его температура, температура окружающего аэростат воздуха, а также нагрузка. На какой высоте по вертикали над точкой, барометрические показания для которой известны, будет находиться аэростат в положении равновесия? Эта, казалось бы, сама собой понятная задача не дает точного решения, даже если только что упомянутые данные в точности известны. Точно может быть определено лишь показание барометра, относящееся к данному положению равновесия; но для того чтобы пересчитать его на высоту, должна быть дана средняя температура столба воздуха по вертикали между точкой и аэростатом. Если, например, to точке у основания этой вертикали барометр показывает 720 мл давления, а для зоны равновесия найдено давление в 436 Ш, то разность высот, в 3850, 4000 или 4090 м зависит от того, какую из температур Воздушного столба мы соответственно примем: —10°, 0° или +6°. Всякое изменение этой средней температуры на +1° изменяет высоту в 1000 м на + 4 м (см. выше § 2). Эта средняя температура крайне непостоянна; она меняется в зависимости от состояния погоды и времени года и перед полетом остается неизвестной, так что нельзя, не зная ее, рассчитать точно даже Высоты взлета1. Этот недостаток усугубляется еще тем, что наши знания о действительной температуре газа совершенно недостаточны. Дальше будет показано, что перемена температуры газа может изменить высоту зоны равновесия наполненного светильным газом аэростата на много сотен метров. Поэтому представляется возможным лишь составить формулу в общем виде, подставив в которую необходимые для вычисления высоты зоны равновесия данные можно было бы определить эту высоту с полной точностью. Уже из приведенных соображений видно, что этот сложный и недостаточно четкий способ имеет только академическое значение. Мы предлагаем для практических це-. лей другой чрезвычайно точный способ. Мы для этого вводим понятие «нормальной высоты». Определение нормальной высоты. Нормальная высота есть та высота, которую достигает аэростат в том случае, если температура газа и окружающего воздуха, так же как и средняя температура атмосферы под аэростатом равны 0°. 1 При учебных задачах следует остерегаться подгонять среднюю температуру к температуре на зоне равновесия, особенно если вместо средней температуры будет дано падение температуры в атмосфере (термический градиент). Задачу следует сначала разрешить в обратном порядке, т. е. подсчитать объем газа или груз, чтобы температуру воздуха па зоне равновесия получить равной температуре, определенной при помощи термического градиента.
Если эта чрезвычайно просто вычисляемая высота известна, то легко внести в нее поправки: а) мы примем во внимание вероятную действительную среднюю температуру атмосферы, б) по возможности, правильно вычислим температуру окружающего воздуха, причем и газу придадим эти же температуры и, наконец, в) больше того, мы примем, что у газа есть своя (предполагаемая) разность температуры по отношению к окружающей среде. Вычисленная таким образом высота подъема для всех практических целей достаточно точна; именно получается то преимущество, что мы ясно можем судить, какое значение принимаемые во внимание температуры имеют для различных родов газа и классов аэростатов. Знание нормальной высоты позволяет сделать также важные заключения о влиянии рода газа и о законе действия балласта. Как именно определить среднюю температуру атмосферы, которая должна быть известна для перевода нормальной высоты в действительную высоту подъема для данного времени года и данного состояния погоды, — дело метеорологического1 Обучения пилота. § 9. НОРМАЛЬНАЯ ВЫСОТА АЭРОСТАТА С ПОСТОЯННЫМ ОКЕМОМ Так как у этого класса объем газа остается постоянным, то мы, естественно, будем исходить из подъемной силы одного кубического метра. Так как уравнение (11): подъемная сила = воздухсизмещение — вес газа, всегда остается верным, то получаем, если обозначим плотность (см. § 1) воздуха через р , а плотность газа через р': подъемная сила, Т одного куб. метра = р — р' кг. Газ и окружающий воздух у этих аэростатов находятся, само собой понятно, под одинаковым давлением; если же температуры одинаковы, но произвольны и равны t°, то мы можем написать это уравнение, введя удельный вес s = -j- (см- § 1), таким образом: подъемная сила*^ одного кубического метра —р(1— s) кг (12). Нормальная подъемная сила, То определяется тем, что у воздуха и газа имеется общее давление в 760 и общая температура— 0 ; тогда р = ра = 1,2эЗ кг и мы имеем: Нормальная подъемная сила То одного куб. метра = = Ро (1—s) = 1,293 (1 — s) кг. (13) Для чистоГО водорода (s = 0,069) и светильного газа (s = 0,456) получаем нормальную подъемную силу в 1,2 и 0,7 кг\ в нижеследующих примерах приняты для вычислений именно эти величины г для других газов см. таблицу газовых постоянных). Если аэростат вмещает V л® и если мы пренебрежем незначительными изменениями плотности и давления газа и воздуха по 36
высоте его диаметра, то получим нормальную подъемную силу аэростата в V Т , кг. При 760 мм давления й 0° температуры мы имеем для V л3 газа G — V То кг уравновешивающей его нагрузки. Если поднимемся на большую вы(соЩу, т. е. по направлению к меньшим давлениям, то в уравнении (12) мы должны подставить р, соответствующее новой высоте (новому давлению). Отсюда получаем следующее положение (ср. § 2): Нормальная подъемная сила аэростата с постоянным объемом уменьшается на /%-' своей величины всякий раз, как аэростат поднимается на 80 м. Это положение мы будем еще разбирать при рассмотрении вопроса о действии балласта. Всякая высота при средней температуре воздушного столба в 0° определяется высотным числом п (таблица высотных чисел). Мы находим (см. § з) соответствующую этой высоте плотность (воздуха при 0°, причем ро = 1,293 делим на п. Итак, при этой температуре и на этой высоте подъемная сила 1 л3 будет равна кг, и для нагрузки G, которую поднимает неизменяемый объем газа V м3 на высоту, определяемую при помощи п, получаем уравнение условия равновесия (7 = ^ кг. (14) Если из четырех величин: нагрузки (G), объема (V), рода газа (То) и нормальной высоты (п), даны три, четвертая может быть вычислена при помощи этого уравнения. Это простое вычисление может быть произведено при помощи логарифмической линейки с совершенно достаточп|эй для практических целей точностью. Но и этого упрощенного вычисления можно избежать применением прилагаемых графиков Т и II. Описание графиков. На них изображено графически уравнение (14). Так как температуры имеют совершенно различное значение для наполнения водородом и светильным газом, то для каждого из этих газов имеется отдельный график. Для задач, в которых не принимается во внимание температура, можно пользоваться для обоих газов любым графиком. На каждом графике по горизонтальной оси нанесены нагрузки G в кг; деления идут от 450 до 1770 кг. По вертикальной оси справа и слева на каждом графике нанесены объемы газов: на графике для (водорода шкала объемов для водорода— слева, для светильного газа — справа; на графике для светильного газа наоборот. На каждом графике начерчен ряд прямых параллельных линий под углом в 45°. Каждая из этих прямых представляет высоту, величина которой обозначена справа вверху. Тысячные высоты обозначены жирными линиями. Между 0 и 1 000 м между двумя рядом лежащими линиями расстояние обозначает 100 м высоты, после 1000 ля—200 м высоты. Линии одинаковой разности высот должны бы быть не параллельными, ио равноотстоящими друг от друга, но так как на горизонтальной и вертикальной осях нанесены не прямо объемы и веса, а их логарифмы, то получается преимущество в том отношении, что на графиках
имеются только прямые линии: все промежуточные линии, которые иногда необходимо бывает нанести, проводятся при помощи линейки или прямоугольной полоски бумаги. Благодаря этому преобразованию равным разностям в весе и объеме при больших значениях последних соответствуют более короткие отрезки. Шкалы объемов для водорода и светильного газа с нормальной подъемной силой, соответственно равной 1,2 и 0,7 кг, равны друг другу и только отодвинуты друг от друга на определенный промежуток. Это дает возможность пользоваться этими графиками и для других нормальных подъемных сил, для газов с другими удельными весами и для смеси 'водорода со светильным газом. Мы находим для этого объем У наполненного водородом или''светильным газом аэростата, равного по подъемной силе аэростату с объемом в 1000 .ад3, но наполненного иным газом с нормальной подъемной силой То, из уравнения V -1,2^= 1000 То.' или V -0,7 = 1000 То и отмечаем |У на шкале объемов. На полоске бумаги наносим шкалу объемов и накладываем полоску так, чтобы объем 1000 совпал с отметкой для новой подъемной сйлы. Для каждой точки, лежащей на графике, определены для данного газового наполнения три друг от друга зависящие [величины: объем аэростата, высота и нагрузка, этим и решается уравнение (14). Горизонтальные линии по обе стороны шкалы весов и пересекающие их косые линии позволяют устанавливать влияние температуры; о них мы будем говорить дальше. Пример 19. Аэростат «Феникс», объемом в 1200 ле®, весом в 350 кг, несет на себе двух пассажиров общим весом 150 кг, 12 кг карт, инструментов и т. д. и, наконец, 3 мешка балласта весом каждый в 12 кг. На какую нормальную высоту он может подняться.? В высшей точке подъема он будет выполненным, и газ нагружен 350 -1- 150 + 12 + 36 = 548 кг. Мы ищем на одном из двух графиков (на каком, безразлично) точку, соответствующую объему светильного газа в 1200 .ад3 и 'весу в 548 кг, проводим из этих делений шкалы прямые — горизонтальную и вертикальную — и видим, что через точку их пересечения проходит прямая высоты 3420 1м. Это и будет нормальная высота. Аналитическое решение с помощью уравнения (14). Из уравнения 120^ °-7- = 548 находим, что п= 1,533 и по таблице высотных чисел отыскиваем соответствующую этому числу нормальную высоту в 3420 .ад. Пример 20. В научно-исследовательских целях должен быть построен аэростат, наполняемый водородом, который мог бы поднять нагрузку в 400 кг на нормальную "высоту в 5000 м. Как велик должен быть его объем? Мы восстанавливаем на одном из этих графиков из деления, соответствующего 400 1 кг, перпендикуляр, 1 На графике этой точки нет — она лежит (граф. II) влево от шкалы объемов водородных аэростатов. — М. К.
ищем точку его пересечения с линией высоты в 5000 м; проходящая через эту точку горизонтальная прямая указывает на водородной шкале объем в 625 Л(®. Аналитическое решение. Уравнение (14) дает, так как высоте 5000 соответствует высотное число 1,87, а отсюда +=625 лЛ Пример 21. Аэростат Петтенкофер, V =1440 .и®, вес — 410 кг, наполненный светильным газом (То^=0,7 кг), должен сделать йодъем для измерения содержания пыли в атмосфере и достигнуть нормальной высоты в 3500 М Какой максимальный полезный груз он может Ьзять? Горизонтальная прямая, соответствующая объему светильного газа 1440, пересекает прямую высоты 3500 м (которую мы легко можем нанести) <в точке, которой соответствует вес в 650 кг. Гондола на этой высоте может быть еще нагружена пассажирами, балластом и приборами на 650— — 410 =.240 кг. Уравнение (14) дает 1440-0,7 ——— = 650 кг. 1,55 Пример 22. Из осажденной крепости должен подняться аэростат «О», V = 637 м3, вес со снаряжением для свободного полета рассчитан в 232 кг, с одним пилотом (75 кг), 36 кг балласта и 60 кг — фотооборудование, почтовые голуби и депеши; во избежание неприятельского огня он должен взлететь на нормальную высоту в 1500 м. а) Можно ли это выполнить при наполнении его светильным газом при То = 0,7 кг? С помощью графика мы находим, что весу в 232 '+ 75 + 36 + 60 = 403 кг и нормальной высоте в 1500 м соответствует объем светильного газа в 695 м3. Аэростат, следовательно, на 58 м3 меньше, чем требуется. Для того чтобы он мог выполнить это задание, его нормальная подъемная сила должна увеличиться В 695 :637 раз, что дает , То = |§. о,7 = 0,76 кг. Аналитическое решение. Мы находим из уравнения (14), что = 403- То = 0,762 кг. б) Требуется очень экономно пользоваться имеющимся В наличии запасом водорода. Поэтому точно должно быть вычислено, сколько именно- м3 водорода необходимо примешать к светильному газу, чтобы аэростат выполнил требуемое задание. Смесь газа, которую нам нужно получить, должна обладать То в 0,76 кг/м3. Для того чтобы выяснить количественно составные части смеси, 39
надо обратиться к известному правилу смешения. Если два газа имеют нормальную подъемную силу Т, и Т2 и нужно полууйть смесь с нормальной подъемной силой в Г, то составные уасти т1 и т2 обоих газов в кубическом метре смеси будут Т1 — т/ Для нашего случая Т, —1,2; Т2 = 0,7; T=i0,76. Отсюда следует: . w^^0,12, ?щ = 0,88. В такой пропорции и надо составить смесь. Для наполнения нужно взять 0,12-637 = 76 м3 водорода и 0,88 • 637 = 561 № светильного газа. При недостатке газа и в случае неприятельского огня, для того чтобы быстрее набрать высоту, аэростат надо выпустить невыполненным. Ниже мы узнаем, из какого количества газа надо при этом исходить. Пример 23. Как изменяется нормальная высота аэростата при одинаковой нагрузке в зависимости от рода наполняющего газа,? В примере 19 мы нашли нормальную высоту для наполненного светильным газом и весящего 548 кг «Феникса», раёную 3420 м. Для наполненного чистым водородом «Феникса» мы тем же путем определим нормальную высоту в 7720 л/. Разность ® высотах будет 4300 м. Определим на одном из графиков высоты аэростатов, наполненных водородом и светильным газом и имеющих любые, но одинаковые веса; разность в 4300 м останется постоянной, потому что из параллельных, равно отстоящих линий высот выделятся всегда две линии с одинаковой разностью высот. То же самое мы получим, когда при равных весах перейдем к другим объемам аэростата, потому что шкалы для водорода и светильного газа равны и лишь отодвинуты друг от друга. Тот же самый аэростат, при одинаковой нагрузке, поднимется всегда при наполнении водородом на 4300 <м Выше, чем при наполнении светильным газом. Такая же постоянная, но только по численной .величине иная разность высот получается в тех случаях, если мы будем применять другие два рода газа; в последнем случае нам придется лишь вычертить другой график. Аналитическое решение. Если мы в уравнение (14) введем два рода газового наполнения с их нормальными подъемными силами Т, и Т2, то получим ГТ, nt щ и для разности высот высотное число, зависящее от обоих высотных чисел щ и n2t
В том случае, когда у нас наполнения будут из водорода и светильного газа » = ^=1.7U, этому числу соответствует разность высот в 4300 м. Итак, мы делаем следующий вывод: Одинаковые, всегда, одинаково нагруженные аэростаты, но наполненные различными газами, описывают траектории, вертикальные проекции которых, если пренебречь влиянием температуры, представляют параллельные линии, расстояние между которыми определяется не величиной или весом аэростатов, а, родом наполняющего их газа,. Эта разность высот будет: 4300 м для водорода 410 , . 762 „ „ светильного 720 . , То =1,2 То =1,2 газа То = 0,77 . То = 0,7 светильного водорода светильного газа То = 0,7 То = 1,14 газа То = 0,7 , То = 0,64 и и и Пример 24. В каком отношении находятся неравной величины аэростаты при одинаковом газе и равной нагрузке? Возьмем на одном из графиков горизонтальные линии для двух любых объемов одного и того же газа и они определят две линии с равной разностью высот для любых, но равных весов, из ряда параллельных равноотстоящих линий, независимо от того, воспользуемся ли Мы водородйой шкалой или шкалой для светильного газа. Отсюда следует правило: аэростаты неравной величины, но с одинаковым газом и при равной нагрузке описывают траектории, вертикальные проекции которых, если пренебречь влиянием температуры, представляют параллельные линии, расстояние между которыми обусловливается только соотношением объемов, независимо от веса и рода газового наполнения. Аналитическое решение. Уравнение (14) дает для обоих объемов и V2 уравнение, отвечающее нашему условию FiTn g F3To «1 п2 ’ отсюда получаем высотное число для разности высот, зависящее от высотных чисел пг и п2: TajK, например, аэростат с объемом в 1600 м3 при равной, но любой нагрузке и с одинаковым газовым наполнением поднимется всегда па 840 м выше, чем аэростат с таким же газом и такой же нагрузкой, но с объемом в 1440 ‘м?, независимо от того, будут ли наполнены они оба водородом или йэетильиым газом (подразумевается при равных температурных условиях). Пример 25. Эквивалентность аэростата. Гандикапирование. Эквивалентность аэростата может быть измерена общим весом, под- ' 41
иимаемым на определенную высоту, или высотой, которую он достигает при данном общем весе. Дело сводится к тому, что в обоих случаях для положения равновесия аэростата надо применить уравнение (14). Два аэростата эквивалентны, если для обоих или имеют одно и то же значение или на графике ими обоими определяется одна и та же точка. Путем вычисления или по графику можно из целого ряда аэростатов выбрать наиболее подходящий; также легко можно вычислить, как посредством запечатанного балласта .они могут быть гандикапированы на равную высоту. Например: >в состязании на (высоту принимают участие аэростаты: «О» (V = 637 .и3, вес снаряжения — 232 кг), «Георг» (1080 ле8, 325 кг), «Райхер» (1880 л«8, 350 кг), «Петтенкофер» (1440 м3, 410 кг) и «Меве» (1550 .и3, 430 кг). Аэростат «О» наполнен водородом (То = 1,2), все остальные светильным газом (То=о,7). Каждый пилот обязан для спуска сохранить 3 мешка балласта по 12 кг каждый. Если принять вес пилота в 75 кг, то каждый аэростат поднимет с собой на максимальную высоту еще 111 кг полезного груза; итак нагрузка выразится в 343, 436, 461, 521 и 541 кг. Чтобы избежать высоких температур газа, 'возникающих от действия солнечной радиации и имеющих различное влияние на водород и светильный газ, состязание должно состояться или до восхода солнца или после захода его. Нормальные высоты дают достаточные данные для определения высот, могущих быть действительно достигнутыми. а) Какой аэростат выберет себе. сведущий пилот? При помощи табл. 2 находим нормальные высоты: 6380, 4400, 4660, 5275 и 5340 м или из уравнения (14) высотные числа: 2,22; 1,735; 1,792; 1,935; 2,005. Самый маленький аэростат, благодаря своему наполнению водородом, имеет все преимущества перед остальными. б) Какое количество запечатанного балласта должен взять каждый аэростат, чтобы шансы на успех у всех аэростатов были уравнены? Мы должны просто пересчитать все аэростаты на самую малую высоту в 4400 м или с помощью уравнения (14) на высотное число 1,735. Тогда нагрузка будет 440, 436, 476, 581 и 626 кг, а количество запломбированного балласта 97, 0, 15, 60 и 85 кг. Дальше мы пустим на состязание (пример 37) все эти аэростаты при полном солнечном Свете и найдем, что их порядок и количество .балласта весьма сильно изменятся. Примечание. Как обстоит дело с нормальной высотой у аэростата с настоянным весом? Этот аэростат не имеет нормальной высоты. Если мы нагрузим постоянную газовую массу соответственно ее постоянной подъемной силе (§ 7), то аэростат на любой высоте будет находиться в состоянии равновесия. Если мы нагрузим больше, то аэростат не сможет подняться, если меньше — то он превратится с определенной высоты (высоты зоны своего выполнения) в аэростат с постоянным объемом, нормальную высоту которого, как было объяснено выше, мы можем уже определить, причем за объем принимают максимальный объем его оболочки.
§ 10. ЗАКОН БАЛЛАСТНОГО ДЕЙСТВИЯ Закон балластного действия показывает, как при расходе балласта меняется нормальная высота. Аэростат с постоянным весом не имеет, как мы только что видели, нормальной высоты, для него не существует закона балластного действия. Малейшая отдача балласта заставляет находящийся в равновесии невыполненный аэростат перейти высоту зоны своего выполнения и превращает его в аэростат с постоянным объемом. Положим, что аэростат с постоянным объемом газа поднялся выше своей зоны равновесия; мы назовем его аэростат В. Он подвергается меньшему давлению, и соответствующее количество газа выходит через аппендикс. Мы собираем этот газ в порожнюю, невесомую, легко растягивающуюся оболочку — аэростат Ь. На основании вышеуказанного теоретического закона постоянное по весу количество газа обладает всюду одной и той же подъемной силой. Аэростат В и аэростат Ь, вместе взятые, имеют, следовательно, всюду одну и ту же подъемную силу; то, что теряет в подъемной силе аэростат В, приобретает аэростат Ь; при этом оба аэростата эту подъемную силу распределяют между собой пропорционально своим объемам. Но всякий раз, как мы поднимаемся на 80 м, аэростат b увеличивается (§ 2) на 1 %> объема аэростата В. Всякий раз, как мы поднимаемся на 80 м, аэростат В теряет, вследствие выпуска газа, 1% своей подъемной силы, независимо от абсолютной величины своего объема и рода газа). Это самое положение мы уже вывели раньше, ио несколько в иных выражениях. Следовательно, если мы облегчаем какой-нибудь аэростат с постоянным объемом на Г.% его общей нагрузки, то он этим самым увеличивает свою сплавную силу и поднимается на новую зону равновесия, которая находится на 80 л выше. Итак, мы имеем следующее теоретическое положение: Всякий аэростат с постоянным объемом газа повышает свою нормальную высоту на. 80 м всякий раз, как мы уменьшаем его нагрузку на 1%, независимо от его объема., общего веса, рода наполняющего его газа и высоты, на которой происходит это уменьшение в весе. * Это положение мы могли бы вывести и при помощи наших графиков. При подъеме мы должны следошть по горизонтальной линии, проходящей через объем аэростата, к линиям возрастающих высот, И так как последние! равно отстоят друг от друга, то, вследствие одинаковых разностей высот, на шкале Ьэсов получаются одинаковые отрезки. На последней нанесены логарифмы весов, поэтому одинаковым отрезкам соответствуют одинаковые процентные части надлежащих величин шкалы. Отклонения нормальных высот не настолько значительны, чтобы последние не могли быть в действительности достигаемыми на практике высотами. Теоретический закон балластного действия мы можем применить поэтому для практических целей с достаточной точностью, внося в необходимых случаях, как указано в нижеследующих примерах, небольшую поправку. Только если тем-43
пературные условия изменяются резко или скачками, то, конечно, тогда этот закон делается неприменимым. Как поступать в этом случае, будет указано в приведенных ниже законах 'влияния температуры. Мы можем этот закон легко выразить при помощи формулы. Если нагрузка, т. е. подъемная сила, равна G кг, то аэростат при облегчении на 1 %, т. е. на кг, поднимается на 80 м. На каждый килограмм уменьшения в весе аэростат поднимается, следовательно, 8000 на м. И если уменьшение в весе равно g кг, то увеличение высоты подъема Мг = 8000 (15) Хотя эта формула и достаточно точна для требований, предъявляемых практикой, мы можем легко- придать ей еще большую точность. Так, если мы Ьыбропвднную порцию балласта, выраженную через g, разделим на две равные части g, и g2, то g2 даст большее увеличение высоты, чем g15 потому что при расходовании части gj вес G формулы (15) уже уменьшился на gi (см. пример 26). Мы получим поэтому весьма большую точность, если дадим G среднее значение, отняв от него половину израсходованного балласта. Итак, мы имеем: Дй = 8000 —&—'м. (15а) Если мы примем ,G, то по формуле (15) получим, по сравнению с точно вычисленными высотами, меньше на 40 м, а по формуле (15а) лишь на з м меньше. При отдаче балласта в 20%| (g—Hi, G) формула (15а) дает ошибку только в 31 м. Если средняя температура на интервале высоты разнится от 0°, то изменение высоты происходит в том же порядке, как и изменения температуры, т. е. на каждый градус высота изменяется на 4%0 Своего значения. Примечание. Закон балластного действия и формулы (15) и (15а) мы можем применять только при уменьшении веса; + g равно уменьшению веса. Всякое увеличение веса, будь то от тумана, дождя, снега, превращает аэростат в аэростат постоянного веса, и появившаяся отрицательная сплавная сила вызовет спуск аэростата до земли, если только он не вступит в другие, противоположно действующие температурные условия. Пример 26. Аэростат «Петтенкофер», Ер=1440 м*, наполненный светильным газом, взвешен в Мюнхене перед взлетом; нагрузка составляет 960 кг. Мешки с балластом весят каждый 12 ед. Отдача первого мешка балласта (теплых шли холодных приземных слоев нет) поднимет его на 8000 100 м. Уим Если израсходовано будет 10 мешков, то нагрузка составит только 44
840 кг и расход одиннадцатого мешка балласта увеличивает вы-соту на 8000-^ = 113 м, o4U 21-й мешок поднимет аэростат на 123 Пилот может заметить, что с увеличением высоты полета действие равной порции балласта увеличивается, следствием этого является тот факт, что по формуле (15) для больших значений g мы получаем несколько малое Lh. Однако мы не должны быть излишне осторожны, как об этом уже выше говорили, в применении этой формулы. Если мы облегчили аэростат на 5 мешков, то по формуле (15) Д^ = 8000-^ = 500 м. 960 Если же мы воспользуемся нашими графиками, то отыщем соответствующую— для У=1440 м3 светильного газа и 960 кг — высоту и отсюда, следуя к меньшему на 60 кг G влево, найдем увеличение высоты в 520 м. Ошибка, следовательно, составляет только 20 м; Итак, мы видим, что по графикам можно также опре-полнены: первый — водородом, остальные — светильным газом. Пример 27. Если мешки балласта у аэростатов различных величин и наполненных различными газами должны произвести одинаковое действие, то, само собой понятно, что мешки не должны быть одинакового веса. Например, аэростат «О», V = 637 м3, аэростат «Райхер», У = 1180 м3, аэростат Мёве, У = 1550 м3, наполнены: первый водородом, остальные —• светильным газом. Для того чтобы с одинаковой высоты все аэростаты поднялись на вышерасположенную одинаковую зону равновесия, веса мешков должны находиться в следующем соотношении: 637 • 1,2 : : 1180 - 0,7 :1550 • 0,7 = 764 : 826 :1085. Если балластные мешки на «Райхере» весят каждый по 12 кг, то на аэростате «О» они должны весить по 11 кг, па Мёве* по 16 кг. Если же аэростат, вместо светильного газа, будет наполнен водородом, то действие мешков балласта должно измениться в сторону уменьшения в отношении 0,7 :1,2; одному мешку в 12 кг будет соответствовать Вогда мешок в 21 кг. Если для разных аэростатов имеются налицо только одинаковые мешки (одинаковой емкости), то пилот должен принять во внимание, что их действие не одинаково на разных аэростатах. Пример 28. Цеппелин, У=:15 000 м3, взвешен выполненным перед взлетом в Фридрихсгафене, высота над уровнем моря 400 м, t=15°; его нагрузка 16 000 кг. Он должен держаться над землей на высоте 200 -м; итти в Мюнхен по линии железной дороги Кемп-тен-Бухлоэ, которая у Гюнцаха достигает своей высшей точки — 800 м над уровнем моря. а) Сколько балласта необходимо сдать с дирижабля, если отказаться от действия его динамической подъемной силы? Аэростат должен подняться на 600 м — 7^ 80 м над уровнем своей точки
взлета.; для этого ой должен отдать 7,5% своей нагрузки, что составляет 1200 Кг. б) Если аэростат был наполнен только на 97 %, то на первые 3 80 = 240 м он, может подняться без отдачи балласта; необходимая же отдача балласта (включая и расход бензина) составит еще 4%% f= 720 кг; только на эти 480 кг дирижабль и мог бы быть нагружен меньше перед взлетом. Часть необходимого для сброса балласта могла бы быть заменена действием динамической подъемной силы за счет уменьшения скорости. Если дирижабль, чтобы сэкономить на подъфе у Гюнцаха, возьмет курс на Ульм, то ему нужно достичь лишь высоты <в 320 м, так как Мюнхен лежит на высоте 520 1да над уровнем моря, для чего ему необходимо получить сплавную силу в 4% =64О к<г. Для каждых 100 м увеличения высоты подъемная сила наполняющего газа уменьшается на 200 кр. Пример 29. В книге «Воздухоплавание», написанной графом Ф. Цеппелином и другими специалистами, на стр. 99 читаем: «Воздушный корабль Цеппелина, образца 1907 г., по сдаче или израсходовании всего балласта, мог бы достичь высоты в 3600 м. На высоте в 1000 м он мог бы еще нести на себе (в круглых цифрах) 900 кг горючего». Эти 3600 да являются или ошибкой или опечаткой. Так как 3600 да соответствует высотное число п = 1,57, то на этой высоте корабль, согласно формуле (14), смог бы иметь на себе нагрузку 15000-1,3 , , G — —— 11 460 кг. 1,57 Так как его подъемная сила на уровне моря равна 15 000 -1,2 — —18 000 кг, то для подъема на 3600 да должно быть отдано балласта 18 000 —11 460 = 6540 кг, что в действительности невозможно. Если мы примем общее возможное облегчение в 3000 кг, то максимальная высота по формуле (15а) будет 8000 .-^-=1200 м, 1Ь 5GO которая и может быть превзойдена лишь при помощи дипамиче-ского подъема (см. § 21) на несколько сот метров. Вероятно, 3600 'да является просто опечаткой, потому что если из принятых нами 3000 кг балласта мы израсходуем 3000 — 900 = 2100 кг, то по формуле (15а) получим высоту (в 8000900 м- т. е. полное совпадение с тем, что сказано во второй половине вышецитированной выдержки. Пример 30. Два аэростата одинакового объема в 1440 да3, один— наполненный водородом, другой — светильным газом, находятся во время полета на зонах равновесия. Оба пилота сдают по 20 кг балласта и оба аэростата поднимаются на одну и ту же высоту. 46
Как велика была разность высот их Первоначальных зон равновесия? Чтобы одинаковое количество балласта вызвало одинаковое действие, необходимо, чтобы оба аэростата были равно нагружены. Два аэростата одинакового объема и с одинаковой нагрузкой, наполненные различными газами, по примеру 23, всегда будут иметь разность в высотах, равную 4300 pt. § 11. ЧЕТЫРЕ ЗАКОНА ТЕМПЕРАТУРНОГО ВЛИЯНИЯ При вычислении подъемной силы газа мы всегда исходим из предположения, что температуры газа и окружающего Воздуха равны 0°. В действительности же температура воздуха разнится от температуры газа; влияние этих изменяющихся температур можно выразить в виде четырех чрезвычайно наглядных законов. Само число этих законов вытекает из сущности рассматриваемого вопроса. Во-первых, мы должны рассмотреть общую температуру воздуха и газа и, во-вторых, ввести действительно существующую разность температур. Нам надо исследовать отдельно действие этих обоих явлений на аэростат с постоянным объемом газа и на аэростат с постоянным весом газа. Пятое влияние --это влияние нормальной высоты, заключающееся в том, что средняя температура столба воздуха, доходящего до этой высоты, разнится от 0°, — ничего общего не имеет с техникой пилотажа аэростата. Если эта средняя температура + t°, то мы поступаем так, как уже было выяснено выше: с достаточной точностью мы изменяем нормальную высоту на + t 4°Дь ее величины и слою воздуха, окружающего аэростат, вместо 0° придаем его действительную температуру, после чего и применяем законы влияния температур на нормальную высоту, соответственно измененную в зависимости от существующих условий. Мы исходим из уравнения (11): подъемная сила = воз духоизмещение—вес газа. А) Газ и окружающий воздух имеют одинаковую, но меняющуюся температуру. а) Аэростат с постоянным весом газа. Этот случай был уже рассмотрен нами выше. Мы имеем: Закон 1. Подъемная сила аэростата с постоянным весом газа, постоянна, пока газ и воздух обладают любой, но одинаковой температурой. б) Аэростат с постоянным объемом газа. При повышении общей температуры газа и воздуха газ выходит черев аппендикс. Уходящий из аэростата В (ср'. вышесказанное по этому поводу) газ собираем в растяжимую оболочку Ь. Аэростаты В и b совместно, по закону 1, обладают постоянной подъемной силой; что теряет'аэростат В, то получает аэростат Ь; наоборот, при понижающейся температуре В приобретает за счет Ь. Подъемная сила у обоих аэростатов В и Ъ распределяется пропорционально их объемам; для каждого градуса изменения температуры b изменяет Свой 'объем на 4°/00 объема В. Мы имеем таким образом: х
Закон 2. Если одинаковая температура у ваза U воздуха изменяется на +1°, то подъемная сила массы газа изменяет свою величину на t - 4°/00 в обратную сторону. Б. Температура газа разнится от температуры окружающего воздуха на + 1\Г. Аэростат с постоянным объемом газа. Из уравнения (11) имеем, что если ‘вытесненный воздух в отношении своей плотности и своего объема остается постоянным, то и воздухоизмещеиие постоянно; но вес газа изменяется. Для каждого градуса изменения температуры изменяется плотность воздуха (§1), а также и вес остающегося постоянным объема газа в обратную сторону на 4°/00 своей величины. Принимая во внимание, что в уравнение (11) вес газа входит с минусом, мы имеем: Закон 3. Если постоянный объем газа изменяет свою разность температуры с окружающим воздухом на + М0, то изменяется и его подъемная сила, на, + Д t 4°/00 от веса газа. Аэростат с постоянным весом газа. В уравнении (11) вес газа остается постоянным. Для каждого градуса повышения температуры газа объем вытесненной массы воздуха увеличивается на 4°/00 своей величины; а так как давление и температура последнего не изменяются, то на такую же величину увеличится его вес, т. е. воздухоизмещеиие. Таким образом мы имеем: Закон 4. Если постоянный вес газа меняет свою разность температуры с окружающим воздухом на+ЬЛ°, то его подъемная сила изменяется на + д£4°/00 от возОужоизмещения. Мы видим, что по законам 2, 3 и 4, один из членов уравнения (11) меняет с'еою величину, по закону же 1 они все /вместе остаются постоянными. Весь внутренний механизм этого основного уравнения, таким образом, становится совершенно ясным. В следующих параграфах мы исследуем значение этих законов для техники пилотажа аэростатов. § 12. ВЛИЯНИЕ ОБЩЕЙ ДЛЯ ГАЗА И ОКРУЖАЮЩЕГО ВОЗДУХА ТЕМПЕРАТУРЫ НА ПОДЪЕМНУЮ СИЛУ И НОРМАЛЬНУЮ ВЫСОТУ АЭРОСТАТА С ПОСТОЯННЫМ ОБЪЕМОМ Из закона 2 (§ 11) мы имеем, что подъемная сила уменьшается или увеличивается на 4°/Оо своей величины всякий раз, как общая температура газа и воздуха увеличивается или уменьшается на 1°. Если при общей температуре в 0° подъемная сила равна G кг, новая общая температура равна t°, то увеличение Д G подъемной силы, если вместо 4°/00 подстаним а (ср. § 1), ДСг = —atG кг. (16) При помощи закона балластного действия [формула (15)] мы тотчас же можем придать нормальной высоте следуемую ей Д7?, которая зависит от д<д. Так как по формуле (15) сплавная сила в g кг вызывает изменение высоты в 8000 , то, если мы вместо
сплавной силы g кг подставим дО из формулы (16), то получим увеличение нормальной высоты: д/г = — 8000'4 = — 30/ м (17) (а — 4°/00 дает 32 t м, точное значение а = 0,003665 дает 29,3 .«). Поэтому мы с большей точностью вносим легко запоминающийся множитель, равный 30, и получаем положение: Нормальная высота аэростата с постоянным объемом увеличивается или уменьшается на 30 м всякий раз, как общая температура воздуха, и газа уменьшается или увеличивается на 1°, независим от объема., высоты и роба наполняющего аэростат газа. При применении этого закона надо тщательно следить за тем, чтобы аэростат имел бы все время постоянный объем. На больших высотах или зимой нам придется почти всегда иметь дело с температурами ниже 0, что даст возможность применять уравнения (16) и (17); если же при облачном небе поднимающийся аэростат вдруг попадет в более холодный слой воздуха, то он при сжатии газа превратится в аэростат с постоянным весом газа. Изменение нормальной высоты Mi можно получить применительно к формуле (17) без особых вычислений; Д/i можно получить по графикам I и II так же, как и AG формулы (16). Так как в эти формулы не входит род наполняющего газа, то совершенно безразлично, будем ли мы пользоваться графиком для водорода или графиком для светильного газа. Внизу на графике параллельно шкале весов нанесены по обе стороны ее линии постоянной температуры с промежутками в 10°. Эти последние пересекаются параллельными, идущими наклонно слева сверху вниз вправо сплошными линиями; они показывают направление, по которому от одной температурной линии следует переходить к другой. Небольшое рассуждение' даст нам возможность установить, должны ли эти линии, согласно знаку в формулах (16) и (17), итти влево или вправо х. (По графикам получается гораздо более ясное представление, а пользование ими проще, чем если бы в вопрос о направлении мы ввели особые вычисления.) Этими линиями пользуются следующим образом. Пусть подъемная сила какого-нибудь аэростата при определенной нормальной высоте будет G=930 кг, на этой высоте общая температура воздуха и газа пусть будет +12°, тогда проводим мы через точку G=930 линию, параллельную наклонно проведен- 1 Принимая общую температуру для газа и воздуха t° [уравнение (14)] G = (1 — at), п ' ' мы на диаграмме должны построить уравнение Ig С? = lg F + lg То — Igw +lg(1 —at); так как a очень мала, то мы с достаточной точностью вместо lg(l — at) подставляем—at, делим на модуль 2,3 и строим семейство сплошных пацал-0,003665 лельных линий, тангенсы угла -—---= 0,00159 в масштабе чертежа,. 4 р. Эмден 16 49
иым сплошным линиям, доводим ее До Пересечения с горизонтальной прямой, соответствующей 12°, прочитываем на горизонтальной шкале опять соответствующее G и находим, безразлично, будем ли мы делать это вправо или влево (если деление незначительное, мы совсем не принимаем его во внимание), AG = 40 кг, тогда получаем 890 или 970 кг. Так как повышение температуры означает .уменьшение подъемной силы, то мы знаем, что нам надо итти влево. Если же мы хотим получить изменение нормальной высоты, то мы должны, так как мы переходим к меньшей высоте, итти вправо; итак, проводим два перпендикуляра через G = 930 и G = 970 и доводим их до пересечения с какой-нибудь подходящей горизонтальной линией и находим, что новая зона равновесия будет на 370 ‘м ниже. Если же нам надо узнать только разность, то мы можем с тем же успе1хом итти влево; по если нормальная высота нам задана, то мы находим нрвую высоту путем откладывания вправо. Пример 31. Аэростат «Петтенкофер», У =1440 л3, наполнен светильным газом, То!=^0,7 кг, в Мюнхене (высота над уровнем моря 520 м) и взвешен в закрытом помещении (в эллинге). Температура наполняющего газа поэтому принимается равной 15° — температуре воздуха. Какая будет нагрузка у газа? Мы на графике по горизонтальной прямой от V =1440 м? светильного газа доходим .до линии высоты в 520 м и находим на шкале весов соответствующее G = 945 кг (это будет подъемная сила, но при общей температуре в 0°). Проводим из точки G = 945 прямую, параллельную сплошным направлениям температур, идем по ней, так как подъемная сила уменьшается, влево вверх до горизонтали, соответствующей 15°, и находим па вертикали под точкой пересечения искомое G=895 кг. Повышенная температура воздуха уменьшила подъемную силу па 50 кг, что составит приближенно 4 мешка балласта, по 12 кг каждый. По формуле (16) мы получили бы 15 • 4°/00 = б%! |от 940, т. е. 56 кг (получилось некоторое превышение, так как а немного меньше, чем 4°/00, но все же это число достаточно точно). Если при полетах летом и зимой разность температур воздуха составляет 30°, то проводим, чтобы найти влияние температур, через G = 945 прямую, параллельную направлениям температур. Отрезок ее, лежащий между двумя горизонтальными линиями температур с разностью в 30°, спроектированный на ось G, и дает соответствующую величину в 100 1^, т. е. разность в подъемных силах. Пилот должен обратить внимание на исключительное влияние температуры воздуха на грузоподъемность; плохая грузоподъемность часто оттти-бочно приписывается плохому качеству светильного газа, вместо повышенной температуры воздуха. У дирижабля с размером, равным ZII, f=i 15 000 л3, каждый градус температуры воздуха изменяет при^талете грузоподъемность дирижабля приближенно па 65 кг; 10° вызовут изменение в числе пассажиров;, равное! приближенно 8 человек.
Пример 32. Аэростат достиг нормальной высоты в 3500 м. На этой (высоте температура воздуха равна —10°’; небо затянуто облаками и вследствие этого газ принял температуру окружающего -воздуха. На сколько метров :в дейспвитеотьности достигнутая высота превышает нормальную высоту? Мы берем на линии высоты в 3500 м какую-нибудь точку, от нее спускаемся по вертикали на линию весов, следуем по прямой, параллельной сплошным направлениям температур, до параллели 10° влево (потому что мы должны подняться на более значительную высоту), затем по перпендикуляру поднимаемся вверх к той же линии объема, от которой мы исходили, Ц находим, что ее пересекает в этой точке прямая высоты в 3790 iM. Увеличение Высоты составляет 290 м; вычисляя по формуле (17), мы бы получили 300 м. Так как 290 приближенно равно 3,5 • 80, то при температуре (воздуха 0° аэростат должен сдать ЗУэ%' своей нагрузки, чтобы достичь этой увеличенной высоты. Пример 33. Аэростат «О», V= 637 .и3, наполненный водородом, начал взлет летом при тихой погоде перед восходом солнца и встретил на высоте 300 м над Мюнхеном инверсию температуры. Он находится в слое воздуха с температурой 3°, ,а над этим слоем лежит слой с температурой 12°. Сколько балласта должен сдать пилот, чтобы пробить этот слой? На границе этих двух слоев аэростат идет на высоте 820 м над уровнем моря; мы следуем по горизонтали, соответствующей 637 .w3 водорода, до линии высоты 820 и находим на оси весов С=740 кг. Это будет нагрузка при температуре воздуха 0°. Вдоль линий температуры идем до параллели 3° влево, находим G=730 кг (это и есть действительная нагрузка) и еще раз следуем до 12—3=9° влево и находим G = — 705 кг. Пилот, таким образом, должен сдать 730—705 = 25 кг балласта, чтобы преодолеть эт|от слой. По опыту мы знаем, что летом, при тихой погоде перед восходом солнца или после захода его, на высоте в несколько сот метров мы встречаемся с инверсией температуры; то же имеет место и зимой при длительной ясной морозной погоде. Об этот более теплый слой воздуха аэростат со слишком малой сплавной силой ударяется как в невидимый потолок. Пилот должен быть готов к требуемой сдаче балласта. Наоборот, как здесь было показано, при правильном ведении записей в бортовом журнале и при обдуманном пилотаже аэростата, по необходимым расходам балласта можно сделать важные заключения о распределении температурных слоев в атмосфере. § 13. ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ГАЗА Н 4 ПОДЪЕМНУЮ СИЛУ И ВЫСОТУ АЭРОСТАТА С ПОСТОЯННЫМ ОБЪЕМОМ Здесь применяется закон температур 3 (§ 11). Если постоянный объем газа изменяет свою температуру по отношению к окружающему воздуху на + то изменяется и его подъемная сила на 4 М 4°/оо от его веса. Если аэростат с объемом V, наполненный газом с удельным весом s, находится в слое воздуха с плотнс ‘ ц р, •4 51
то газ весит Гр s кг. Если температура газа изменяется ИД Hr A F по отношению к воздуху, имевшему вначале общую с газом температуру, то по закону з изменение AG подъемной силы будет: AG = + Vps • аМ кг. При равных начальных температурах подъемная сила G [формула (12)J будет: 1 । ( G = рр(1—s) кг\ подставив в предыдущую формулу вместо веса газа подъемную силу, получим: AG = + кг. (18) Так как выигрыш AG ;в сплавной силе может быть получен также путем сдачи балласта в g— A G кг, то мы найдем надлежащее приращение А Д к высоте, если мы в балластной формуле (15) заменим через из формулы (18) и получим: Д/г = + 8000 • аМ м. (19) Множитель (именно при малых значениях s) изменяется исключительно в зависимости От s. Для водорода он будет (s=0,069)— = 0,074; для светильного газа (s = 0,456) = 0,839 (другие значения находятся по таблице газовых постоянных). Умножив на а = 0,003665 и на 8000, получим: AG = +0,000271 Л/G кг для водорода, (18а) AG =+0,00307 AiG кг для светильного газа v и А7г =-|— 2,17 Л/ м для водорода, „ ., , , (19а) АЛ = + 24,6 сЛ м для светильного газа. Мы видим, что аэростат, наполненный водородом, в 11 раз менее чувствителен как в отношении подъемной силы, так и высоты к изменениям температуры газа, чем аэростат, наполненный светильным газом. Для практических целей мы с достаточной точностью можем принять изменения подъемной силы соответственно в 0,3°/00 и 3°/00 от подъемной силы, а изменения в высоте соответственно в 2 или 25 м на каждый градус изменения температуры. Для водородного аэростата, можно обоими этими изменениями пренебречь. Итак, ясно, что с увеличением удельного веса газа это влияние температуры увеличивается. Так как это увеличение подъемной силы происходит из-за уменьшения 'веса газа (подъемная сила = воздухоизмещение — — вес газа), ТО1 чем тяжелее газ, тем больше уменьшается его вес 5i
па каждый кубический метр вытекающего из оболочки вследствие нагревания газа. Изменения &G и Д/? мы можем вычислить по формулам (18а) и (19а) или же по простому вышеуказанному правилу решить в уме. Мы можем также использовать наши графики. Теперь понятно, что мы выберем график, соответствующий тому газу, каким наполнен аэростат (на практике достаточно точно будет если, как было указано выше, Д/G и Д/z для водородного аэростата почти во Всех случаях принимать равным нулю). Горизонтали температур пересекаются взаимно параллельными пунктирными (сложный пунктир) линиями направлений температур, идущими слева сверху и вправо вниз. Мы проводим от данного деления весовой шкалы такую прямую и ведем ее через разность температур Lt; следует ли ее вести вправо или влево, или же безразлично в каком направлении, покажет нам самое простое рассуждение. Заключенный в этом интервале температур Lit отрезок прямой проектируем на ось весов и получаем, таким образом, искомое LG. Если требуется найти разность высот, мы по перпендикулярам, восстановленным ib его концах, идем вверх до любой горизонтали объема, — через точки пересечения пройдут две высотные прямые искомой разности Ч При применении этих законов температур надо внимательно следить, сохраняет ли аэростат при образующейся разности в температурах Lt постоянный объем. Различие температуры газа и воздуха, что для пилотажа аэростата играет первенствующую роль, происходит от влияния лучеиспускания, изменения же температуры газа вследствие сжатия и расширения при подъемах и спусках будут рассмотрены в другом месте (теория спуска). При увеличении солнечной радиации Выполненный аэростат всегда остается выполненным; изменение солнечной радиации вследствие появления легких циррусов, заслоняющих солнце, или даже тень от облака действуют так, что Lt, а вместе с ними и объем газа, уменьшаются и превращают аэростат (если только не будет сброшено достаточно балласта, чтобы подняться на большую высоту) в аэростат с постоянным весом и L-G не может уже больше вычисляться по уравнению (18) (см. ниже § 14). С другой стороны, этот закон температур может применяться даже при отрицательном Lt, когда температура наполняющего газа ниже температуры воздуха; так, при ночном полете, 1 Для построения мы пользовались уравнением (14), которое имеет вид: 11 I 1 — s J ’ или в логарифмических координатах: lg G = 1g V + 1g То — 1g п + 1g j ; lg o/| с достаточной точностью заменяем через g at После деления на модуль 2,3 имеем 0,00012 для водорода и 0,00137 для светильного газа; соответственно масштабу чертежа и тангенсам угдор раклоид д проведены пунктирные прямые (сложный пунктир),
при ясном небе, температура газа, «вследствие излучения тепла через оболочку, становится ниже температуры воздуха, и, несмотря на это, &G и' Д/« могут быть вычислены по формулам (18) и (19) в том случае, если аэростат остается выполненным. К сожалению, наши сведения о действительно устанавливающихся температурах газа крайне недостаточны. Надо с большой осторожностью относиться к произведенным до сих пор измерениям, так как очень трудно предохранить введенный внутрь аэростата термометр от влияния радиации оболочки. При полете в октябре, при полном солнечном сцянии, Бонансой и Эрмит наблюдали на высоте 1400 м температуры газа в 45—47° при температуре воздуха в 13—16°; следовательно, д# = зз°; а несколько дней спустя, на высоте в 2300—2400 м Lt было раЫно 25—27°. Такие температуры летом при полном солнечном сиянии могут встречаться и на бблыних высотах. На основании опытов, произведенных фон-Зигсфельдом, М может достигать 40—50°; с другой стороны, он же наблюдал «в ноябре в ясную ночь д£=—13°'. Надо заметить, что д£ в формулах (18) и (19) йе относится в какому-нибудь определенному месту в аэростате, но представляет среднее превышение температуры всей массы газа. Дальнейшие тщательные измерения могут иметь громадное значение для теории спуска и для управления высотой на дирижаблях. В каких именно пределах изменяется kt, можно было бы установить при полетах, начинающихся при полном солнечном сиянии и продолжающихся ночью, если бы тщательно' велся в это время контроль балласта с одновременным измерением температур воздуха и высот (ср. § 14, пример 41). Известные мне подобные описания оставляют желать еще многого в том или другом отношении. Какую массу ценнейшего материала можно было бы получить при состязаниях на кубок Гордон-Беннета и при других продолжительных полетах, если бы здесь преследовались не только' спортивные цели. Увеличиваюи/дяся радиация повышает Д£; аэростат, наполненный водородом, в 11 раз менее восприимчив к ее действию, чем аэростат, наполненный светильным газом; принято ли это во внимание в технике полетов4? Если дело идет о том, чтобы действие солнечной радиации использовать для увеличения подъемной силы или для подъема на большую высоту, то аэростат, наполненный светильным газом, для этого более подходит. Повышение температуры газа на Д t = 40° повысит его нормальную высоту па 1000 м. I j Пример 34. Аэростат «Феникс», V = 1200 ,«3, наполненный светильным газом, находится на зоне равновесия на высоте 2000 м при облачном небе. Облачный покров расходится, и газ повышает Свою температуру на 25°. На сколько метров поднимется аэростат? На графике для светильного газа мы спускаемся от точки, определенной объемом и высотой, до «весовой шкалы, наносим прямую, параллельную пуктирпым прямым (сложный пунктир) температуры, и по пей идем влево вверх через Д£ = 25°, а потом по вертикали вверх до прямой объема 1200, Через точку пересеце-
ния проходит прямая высоты в 2620 м,; повышение высоты таким образом будет 620' м. Для большей конкретности примера мы дали объему аэростата и высоте определенные значения. Повышение высоты не зависит от этих обеих величин и определяется одним Lt; и всегда но графику, произведя указанное построение, мы получим для Lt —25° Д//, = 62О м. Только для вычисления абсолютного прироста подъемной силы берутся объем и высота; они определяют G формулы (18). Влияние высоты заключается только в том, что на больших высотах солнечной радиации надо пройти по пути к аэростату меньшую массу воздуха, а поэтому действие радиации будет сильнее. Если бы мы определили Lh из простого выражения 25 - Lt, то получили бы число 625 м, очень близкое к предыдущему. Аэростат, наполненный водородом, при том же действии солнечной радиации (равном Lt) поднялся бы только на 50 м. Пример 35. Аэростат «Петтенкофер», У = 1440 .и8, наполнен светильным газом в Мюнхене (520 м над уровнем моря) и взвешен при температуре воздуха в 15°; температура газа равна 40°. Какова будет нагрузка газа? По графику для светильного газа от точки, определяемой V = 1440, h = 520, спускаемся до весовой шкалы и находим 940 кг нагрузки для того случая, когда общая температура воздуха и газа равняется 0°. Принимаем сперва для газа температуру воздуха в 15°, проводим через G = 940 соответствующую сплошным линиям температуры (§ 12) параллель, по ней идем влево кверху и останавливаемся на f=15°. На шкале весов этой температуре соответствует точка 890 ка; повышенная температура воздуха понизила таким образом подъемную силу на 50 кг. Через точку, на которой мы остановились на сплошной температурной прямой, проводим теперь линию, параллельную пунктирным (сложный пунктир) прямым температуры, и так как превышение температуры газа равно 25°, следуем по этой линии от 25° вправо вниз, и таким образом дойдем до G = 960 кг. Это и есть искомая нагрузка; она увеличилась вследствие влияния обеих температур только на 10 кг против веса, соответствующего общей температуре в 0°. I Освоившись с решением подобных задач, можно поставленную задачу решить простым вычислением. На уровне моря аэростат может поднять 1440-0,7 = 1010 кг; чтобы подняться на 520 = = 6,5 • 80 м, по балластному закону надо пожертвовать 6,5 % подъемной силы, т. е. 65 кг. В Мюнхене аэростат еще поднимает 945 кг. Каждый градус температуры воздуха понижает (§ 12) подъемную силу на 4°/00; 15 • 4°/ов = б%' от 945 дает 55 к!? и аэростат поднимет таким образом 890 кг, а 25° превышения температуры газа увеличивают подъемную силу на 25 - з0/оо = 7,5 % от 890, т. е. на 70 кг. Мы опять приходим к подъемной силе ® 960 кг. Если при этих же данных наполним аэростат водородом, то при общей температуре в 0° получим подъемную силу, равную 1620 кг, а температура воздуха понизит ее на 100 кг, температура газа увеличит подъемную силу только иа 10 кг; подъемная сила таким
образом будет 1530 кг. Итак., в этом случае мы получаем уменьшение подъемной силы на 90 кг, в то время как при светильном газе получили увеличение на 10 кг. Пример 36. Аэростат «феникс», V =>1200 м5, наполненный светильным газом, начал взлет. У земли температура 15°, в атмосфере температура при подъеме на каждые 100 м понижается на 0,6°. Газ повысил свою температуру на 30° против окружающего Ьоздуха. На какой высоте уравновесится «Феникс», если нагрузка его равна 548 кг? В примере 19 мы нашли при этой нагрузке нормальную высоту для «Феникса» равной 3420 Ж (это была бы действительная высота, если бы средняя температура воздушного столба, температура газа и температура окружающего воздуха равнялись бы 0°). На высоте 3420 м, при принятом температурном падении, температура будет равна —5,5°. Средняя температура воздушного столба тогда будет = 4,8° вместо принятой температуры 0°, следовательно, высота увеличивается (§ 12) на 4,8 1 4%0 — 2%.', т. е. до 3490 ж. На этой высоте температура равна —6°. Мы можем, следовательно, принять, что аэростат уравновесился на этой высоте и при помощи графика для светильного газа произвести подсчеты, аналогичные примеру 34. Удобнее и значительно точнее будет сделать это при помощи пе-расчетов температуры. Температура воздуха —6° увеличит высоту на 6-30 = 180 л; превышение температуры газа — еще на 30 • 25 = 750 м, так что действительная высота «Феникса» будет 4420 м. Если мы хотим вычислить еще точнее, то мы должны учесть, что на этой высоте температура воздуха будет —9 °- вместо принятых —6°. Таким образом мы должны внести поправку в Высоту еще раз на 3 • 30 =90 м, что составит 2 % ее прежней величины. Но- эта точность не имеет реального значения. Во-первых, мы перед полетом не осведомлены о состоянии температуры в атмосфере, поэтому можем оценивать ее только при помощи градиента температуры и, во-вторых, нам не известна температура наполняющего газа. Легкая мгла в атмосфере может уменьшить интенсивность солнечной радиации, а следовательно; значительно понизить температуру. Для теории пилотажа абсолютные значения высоты и подъемной силы имеют меньшее значение, как это видно из сказанного, так как последние могут изменяться под влиянием чисто внешних причин. Пример 37. В примере 25 мы выпустили 5 аэростатов в полет на состязание в высоте, вычислили нормальные высоты и вес запломбированного балласта, который необходим для поднятия всех аэростатов на одинаковую высоту. Еще раз сопоставим здесь результаты (см. табл, на стр. 57). Взлет начался при отсутствии солнечной радиации, температура газа была уравнена с температурой воздуха и для оценки эквивалентности и гандикапирования в основу была положена нормальная Высота. Предположим теперь, что при оценке аэростатов надо принять во внимание соднечую радиацию, повышаю-56
Аэростаты .0“ „Георг” „Райхер4 „Петтенкофер * „Мёве” Объемы, .и3 . 637 1080 1180 1 440 1 550 Наполнение . водород свет, газ свет, газ свет, газ свет, газ Нагрузка, кг . Нормальная 343 436 461 521 541 высота, м , Добавочный 6 380 4 400 4 660 5 275 5 540 балласт, кг . 95 — 15 60 85 щую температуру газа на 40° против температуры воздуха. У земли последняя равна 15°. Понижение температуры в атмосфере составляет 0,6 ° на каждые 100 'м высоты. Каких высот можно ожидать и как надо гандикапирсхвать аэростаты? По принятым предположениям находим температуры воздуха для указанных высот: — 23°, —11,5°, —13°, — 17'11-18°. Средняя температура воздушного столба до этих высот равна: — 4°, +3°, +1°, — 1 и — 1,5°. Вследствие этого нормальные высоты изменяются (см. пример 36) на — 100, 4 50, 4 20, — 20 и — 30 М. На этих новых [высотах будут температуры, которые мы можем с достаточной точностью принять равными температурам на нормальных Высотах. Для дальнейших (выводов мы можем использовать наши графики или же с достаточной точностью сделать вычисление, приведенное нами В примере 36. Под влиянием температуры 'воздуха высоты изменяются на каждый градус на 30 м в обратном отношении; это дает, таким образом, следующие изменения: 4 690, 4 310, 4 390 4 510 и 4 540 м. Повышенная на 40° температура газа увеличит высоту для аэростата с водородным наполнением на 80 и с наполнением светильным газом на 1000 м. Ожидаемые высоты приведены в нижеследующей таблице. Для гандикапирования на высоту надо все состязующиеся аэростаты привести в соответствие с 5790 м, достигаемых аэростатом «Георг». Для этой цели мы пользуемся балластным законом — высота увеличивается на 80 м при каждом уменьшении веса на 1%. [формула (15)] и, исходя из этого, вычисляем количество балласта, которое должен израсходовать каждый аэростат, чтобы от 5790 перейти на свою вычисленную для него высоту, причем получаем количество потребного для гандикапирования запломбированного балласта. Получается такая картина. Г57
Аэростат 0“ „Георг" „Райхер" „Петтенко-фер" „Мёве“ Нормальная высота, м . 6 380 4 400 4 660 5 275 5 540 Температура на этой высоте, °C.. — 23 — 11,5 — 13 — 17 -18 Высота с учетом температуры воздуха, м . . 6 970 4 790 5 070 5 763 6 050 Действительная высота, м Добавочный балласт для гандш/апи-рования, кг. 7 050 5 790 6 070 6 760 7 050 45 — 15 60 90 Мы видим, что расчет по Нормальной высоте дает ту же картину, что и вычисление при учете температуры воздуха; соответствующее гандикапирование также привело бы аэростаты с совершенно достаточной для практики точностью (мы ведь не знаем температур воздуха и газа) на высоту «Георга» — 5790 м. Если я^е принять во внимание солнечную радиацию, то увидим, что картина резко меняется. Аэростат «О», наполненный водородом, потерял свое преимущество, и его настиг «Мёве». Он еще бы сильнее отстал, если бы в силу своей нормальной высоты не поднялся в очень холодные, хорошо поддерживающие слои воздуха. В отношении добавочного балласта он отодвинулся с первого места па третье; итак, действие солнечной радиации чрезвычайно помогает подъему аэростата, наполненного светильным газом. Оба последние примера показывают, как просто, ясно и с достаточной точностью можно разрешить эти и им подобные задачи, если ввести ® решение нормальную высоту и оба температурных фактора. Если мы нормальную высоту обозначим через , среднюю температуру воздуха до этой высоты через tm , температуру воздуха на этой высоте через #, температуру газа через t', тогда действительно достигаемая высота & будет: ^ = ^п(1+а^1) — ЗО^-ф- 2(t'— i) м для водорода (! + a#m) — sof ф-25 («' — f) м для светильного газа, 58 (20)
§ 14. ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ГАЗА НА ПОДЪЕМНУЮ СИЛУ И ВЫСОТУ ЗОНЫ ВЫПОЛНЕНИЯ АЭРОСТАТА С ПОСТОЯН- НЫМ ВЕСОМ ГАЗА. ПЕРЕБРОС БАЛЛАСТА 1. ПОДЪЕМНАЯ СИЛА Аэростат с постоянным весом газа находится (ср. § 7) в безразличном равновесии до тех пор, пока разность температур воздуха и газа не изменяется; его устойчивость вверх или Вниз равна нулю. Малейшая положительная или отрицательная сплавная сила пронесет его вверх или вниз через интервал высоты, который он сможет пройти без выпуска газа. Если мы оболочку наполним Я50 м3 газа с удельным весом s при температуре 0° и давлении в 760 .w.w, то его подъемная сила в воздухе с равной температурой будет: Подъемная сила = Я30р0 — Я%р0 s = ^oPo (1 — s) = 2301,293(1—s) кг. ЯЗоРо обозначает воздухоизмещение, т. е. вес вытесненного воздуха. Если мы изменим общие величины для давления и температуры, то изменится объем ЯЗ и плотность воздуха р, но так, что йр останется постоянным и равным $0р0 (ср. § 6). Итак, мы всегда имеем такую подъемную силу. Подъемная сила = ЯЗр (1 — s) = Я?о 1,293 (1 — s) кг, где Я?р есть постоянное воздухоизмещение в S3-1,293 кг. Если мы введем еще нормальную подъемную силу То для 1 л<3 [Т0 = р0 (1—8) (ср. § 9)], то получим Подъемную силу (т = ЭЗр(1 —8) = ЯЗоТо кг, (21) независимую от давления и общей температуры, пока масса (вес газа) остается постоянной. Так как объем 23 массы газа меняется, но сама масса остается постоянной, то часто бывает целесообразно выразить подъемную силу через вес газа, наполняющего аэростат. Если плотность газа раина р', то 1 кг занимает пространство в р- м3. Это пространство, заполненное 1вытесненным воздухом с плотностью, равной р, весит Л кг. Если газ и воздух находятся под одинаковым давлением и температура их равна, то p' = ps (ср. § 1) и мы имеем: 1 j Подъемная сила 1 кг = —---1 — —— кг. (22) Отсюда получим: Подъемная сила 1 кг водорода =13,48 кг Подъемная сила 1 кг светильного газа= 1,19 „ (Для других газов см. табл. 1 газовых постоянных.) Если оболочка наполнена Q кг газа, то подъемная сила этой массы газа будет: < i Подъемная сила (? = - — а) кг, (23) с
где = Fp обозначает остающийся постоянным вес вытесненного воздуха — воздухоизмещеиие. Таким образом мы получаем возможность с новой, очень поучительной стороны 'взглянуть на ;внутренний механизм подъема выполненного аэростата. Так как подъемная сила 1 кг наполняющего газа не зависит от высоты, то имеем такое положение: За каждый килограмм балласта, отданного на любой высоте, выполненный аэростат поднимается на такой интервал высоты, при котором выходят = 0,074 Кг водорода или же = 0,839 кг 10)4:0 1,1У светильного газа. Вес наполнения и нагрузка всегда находятся в отношениях 1 :13,48 и 1 :1,19. Формула (21) дает количество кубических метров, которыми должен быть наполнен аэростат, чтобы перед взлетом при нагрузке в G, кг он мог быть уравновешен; предполагается одинаковая температура газа и 'воздуха (отсутствие влияния солнечной радиации). Во всяком случае мы получим объем S30 , соответствующий общей температуре в 0°; если она будет + t°, то мы должны увеличить на + t • 4°/00. Если будет дана самая незначительная сплавная сила, то аэростат поднимется (если газ не охладится вследствие излучения ниже температуры окружающего воздуха) до высоты своей зоны выполнения. 2. ЗОНА ВЫПОЛНЕНИЯ Под нормальной высотой зоны выполнения мы понимаем высоту, до которой должен подняться аэростат, с тем, чтобы масса газа, др сих пор бывшая постоянной, заняла бы наибольший имеющийся у аэростата объем V, причем температура для газа и воздуха принимается в 0°. Для того чтобы достичь высоты зоны выполнения, соответствующей общей для газа и воздуха температуре + t°, мы должны вместо V просто^ подставить такой объем, который при изменении от 0°' до +1° становится равным V; мы находим этот объем, увеличивая или уменьшая V на + t°‘ 4°/00. Но так. как изменение объема на + 4°/00 можно достичь при подъеме или спуске на 30 М, (§ 12), то мы имеем следующее положение. При общих для газа и воздуха температурах + t° высота зоны выполнения разнится на +зо t м от нормальной высоты зоны выполнения. Нормальную высоту зоны выполнения легко найти. Если газ (всегда при 0°) при давлении bt занимает объем , а при меньшем давлении Ь2 объем , то имеем пропорцию '”2 bi: : т2. Для того чтобы получить искомую раз- ность высот при помощи объемов и определяем высотное число (ср. § з): । о2 т3
и по таблице высотных чисел находим соответствующую разность высот. Чтобы найти высоту зоны выполнения, подставляем от2 = 1, (55, = Р) и получаем нормальную высоту зоны выполнения аэростата, наполняющий газ которого занимает m-ую часть объема па уровне, лежащем ниже на расстоянии, определяемом высотным числом ' I • I 1 п =— т Как находить высоту зоны выполнения при помощи графиков, будет показано в примере 39. 3. ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ГАЗА Здесь применяется 4-й закон температур (§ 11): если постоянный вес газа изменяет разность своей температуры по отношению к окружающему воздуху на + At°, то подъемная сила изменяется на+ At 4°/оо от воздухоизмещения. Для воздухоизмещения, т. е. для веса вытесненного • воздуха, мы нашли Ь разделе 1 два выражения; если мы вместо 4°/со подставим опять а, то получим для изменения подъемной силы ДО при изменении температурной разности на+ Д/°: ДО = + ЖраЛ£ = + 1,293 $ВояД£ = + -у- ''М кг (21) Это изменение подъемной силы является максимальным для аэростата. Все другие до сих пор рассмотренные влияния температуры выражались b изменении на 4%0 на 1 градус подъемной силы или веса газа, а это- последнее выражается в изменении веса вытесненного Воздуха., Различия в роде газа здесь больше не существует. Аэростат со светильным газом при постоянном объеме своего газа, как мы видели, в 11 раз чувствительнее к изменению температуры газа, чем аэростат с водородным наполнением; при постоянном же (весе газа первый ведет себя так же, как аэростат, наполненный водородом. (Род газа только по видимости входит под буквой s в последний член уравнения (24), так как Q пропорционально s; 9?р В некоторых случаях применения этой формулы AG удобнее выразить при помогли G. Обратим внимание на выражения для G (22) и (23) и с помощью уравнения 24 получим: AG = + —-—а • Д£ G кг (25) 1 — s v ' t | — 1,074 для водорода, 1 — 8 | = 1,841 для светильного газа. Отсюда следует: = + 0,0039 Д/ • G для водорода, = + 0,0067 Д£ • G для светильного газа. ^25 61 Д£
(Род газа ьходит сюда только По видимости, так как G и 1 — 5 при равных объемах S3 обоих родов газа пропорциональны друг ДРУГУ)- Лб' легко вычислить при помощи (24) или (25). Мы можем также получить его величину по нашим графикам; так как графики построены по уравнению (25), то мы должны избрать гра-' фик, соответствующий данному роду газа. Горизонтальные прямые по обе стороны оси G пересечены пунктирными, параллельными между собой прямыми температур, идущими слева сверху вправо вниз. Мы проводим из надлежащей точки оси G такую прямую, идем по ней в требуемом направлении через интервал температур д/и находим затем на оси G соответствующее AG1. Эту 'вариацию ДО мы не можем изменять на высоте, как это делалось с Д{? уравнения (16), при помощи балластного закона. Малейшая положительная или отрицательная сплавная сила+ ДО поднимет аэростат до высоты его зоны выполнения или спустит до земли, если только изменение радиации или большие изменения температуры в атмосфере не аннулируют ДО. При этом мы не должны упускать из вида, что высота зоны выполнения определяется температурой газа t°' и соответствующим ей изменением объема газа S3 (ДЭЗ = + а 1° 4С/ГО33). При этом мы изменяемое соответствии с максимальным объемом оболочки V на ДП = + t 4%0 V. Всякое изменение ДУ на 4°/00 может быть восстановлено изменением высоты на 30 м (ср. выше 2.— Зона выполнения). Тогда получим такое положение: Если температура газа равна + t°, то в силу этого высота зоны выполнения аэростата с постоянным весом газа, будет на 30 • t м ниже или выше. Изменение подъемной силы у выполненного, находящегося на зоне равновесия аэростата, вследствие охлаждения газа, гораздо больше, чем при нагреве газа на то же самое количество градусов. В первом случае оно пропорционально весу вытесненного воздуха V р (потому что аэростат невыполненный), а. во втором — пропорционально весу газа V ps (потому что аэростат остается выполненным); они относятся, следовательно, друг к другу, как 1 : s. При наступившем охлаждении газа уменьшение’ подъемной силы у аэростата со светильным газом будет в =, 2,2, а с водородом в =14,5 раз больше, чем увеличение подъемной силы при нагреве газа на то же самое количество градусов. 1 Для построения взято уравнение (14) в виде: или в логарифмических координатах lgG = lg»o + lgTo-lg^ + lg(l+r^aM) ; lg ( 1 + 1 „ “At j заменяем равным ему a At; делим на модуль 2,3 и по- лучаем для водорода 0,00170 и для светильного газа 0,00284. Веря эти углы и переводя их в масштаб чертежа, мы наносим пунктирные прямые. 62
4. ПЕРЕБРОС Б АЛ А ЛОТА Если газ, наполняющий свободный, находящийся на зоне равновесия аэростат, начнет охлаждаться, то последний, вследствие сжатия объема. газа, превращается в аэростат с постоянным весом газа. Как вычислить это уменьшение в подъемной силе, происходящее от такого превращения, вследствие изменения температуры на —дГ, показано ниже в примере 42. Приобретенная таким образом отрицательная сплавная сила, если только аэро, стат случайно не Попадей в другие температурные условия, при щодит его к посадке; если же требуется избежать последней, то пилот должен сбросить балласт. Только случай может ему помочь точно определить количество нужного для сдачи балласта, чтобы парализовать действие отрицательной сплавной силы и прекратить спуск аэростата (ср. § 17). Слишком малая сдача балласта исключена, так как тогда не будет достигнута поставленная цель; пилот всегда сдаст больший или меньший избыток балласта, т. е. произойдет то, что по воздухоплавательной терминологии называется «переброс балласта». Аэростат вследствие этого приобретет положительную сплавную силу; он возвратится в свое первоначальное положение (на высоту своей зоны выполнения), причем сплавная сила, так как до> этого он оставался аэростатом с постоянным весом газа, сохраняет свою величину постоянной. В конечном счете сплавная сила поднимет его выше этой воны на ту высоту, на которой, следуя балластному закону, она полностью аннулируется. Это превышение первоначальной высоты увеличивается, если при этом исчезает причина, вызвавшая у аэростата перегрузку; новая высота будед такой же, как и в том .случае, если израсходованное при этом маневре все количество балласта было бы сброшено с первоначальной высоты. Если требуется затормозить спуск аэростата с больших высот, например перед посадкой, или спуск, вызванный невнимательностью пилота, то для этого необходимо сбросить большое количество балласта; при этом пилот, если он нервничает, может сбросить относительно большой излишек последнего. Даже сбрасывание небольших порций балласта, Вызываемое постоянно меняюпщмися условиями температуры и радиации, неизбежно сопровождается незначительным перебросом. Высота полета всегда поэтому увеличивается с каждой сдачей балласта: весь израсходованный во вр'емя полета балласт fe конечном счете идет на то, чтобы поднять аэростат по закону балластного действия на его конечную максимальную высоту. Чем менее постоянны условия температуры и радиации, тем больше расход балласта, причем здесь всегда имеет место переброс, а вследствие этого сокращается и время полета. Постоянные условия радиации во время ночного полета, при незначительном расходе балласта, дают возможность аэростату итти на незначительно возрастающих высотах, если только он приспособился к новым температурным условиям при переходе do дня на ночь; тогда расход балласта, а с ним' и переброс его реже имеют место и полет может длиться дольше. —ч I
Ё отношении переброса балласта выявляется при дневном полете большое преимущество аэростата с водородным наполнением перед аэростатом со светильным газом, потому что у обоих аэростатов пилот при торможении незначительного спуска сбросит по • абсолютной !величине одинаковые количества балласта. Влияние абсолютно равной сдачи балласта измеряется (формула 15) отношением нагрузок. Нагрузка, при равных условиях, для аэростата 1.2 ™ с водородным наполнением составляет «=1,7, т. е. на 70/» больше, чем у аэростата со светильным газом. Превышение над прежней зоной равновесия вследствие переброса будет, таким образом, для водородного аэростата в среднем меньше на 70%, чем у аэростата, наполненного светильным газом. В этом же соотношении при полете 'водородного аэростата будет меньше подниматься барограмма, меньше будет вытекать газа и меньше будут потери в подъемной силе. Это меньшее на 70% реагирование на переброс и является основнием, дающим по технике пилотажа водородному аэростату предпочтение перед аэростатом со светильным газом. Чтобы избежать недоразумений, нужно обратить внимание на то, что превышение первоначальной зоны равновесия вследствие переброса может быть гораздо больше той величины, которую мы получаем при вычислении по закону балластного действия. Если наступило даже незначительное охлаждение, а следовательно, и незначительное уменьшение объема газа, или же произошло открытие клапана, то высота зоны (выполнения вследствие переброса еще более поднимется, и если охлаждение газа в это время не устранится, то естественно, что на каждый градус охлаждения она поднимется на 30..и. над начальной зоной. Только, исходя из этой новой высоты зоны выполнения, и возможно будет вести расчет при помощи закона действия балласта. Даже самый минимальный переброс поднимает аэростат на эту новую зону (выполнения, которая может отличаться от начальной на большой интервал высоты (ср. пример 40). Преимущество аэростата с водородным наполнением и выявляется этим меньшим превышением действительной зоны равновесия над вычисленной по балластной формуле. Пример 38. Аэростат, V = 800 м3, в Мюнхене (520 м над уровнем моря) при температуре в 15° наполнен 700 м3 водорода п взвешен. Он был выставлен затем на солнце, и температура газа поднялась на 20° выше температуры воздуха. Сколько он выиграет в подъемной силе? 700 м3 не изменят своей подъемной силы, если мы общую температуру газа и воздуха вместо 15° примем во0 (1-й закон температуры). Вследствие этого газ сожмется на 15 • 47О0 своего объема, т. е. на 40 .м3, или до 660 м3. На графике для аэростата с водородным наполнением находим У = 660 м3 и от этой точки идем по горизонтали до линии высоты 520 и находим затем по вертикали, проведенной из этой точки, внизу Gp=742 кг (это нагрузка в эллинге). От этой точки G = 742 кг проводим параллель пунктирным прямым температуры, идем по ней до парал-64
л ели 20° вниз вправо; новое G будет 800 кг. Следовательно, увеличение подъемной силы составит 58 кг =5 мешков. Формула (25а) дает соответственно Дб = 0,0039 - 20- 742 = 58. Если бы мы наполнили аэростат светильным газом, то такое же построение на графике для светильного газа [или по формуле (25а)] дало бы повышение подъемной силы с 432 до 490 кг, т. е. на то же самое количество килограммов. Если бы аэростат меньших размеров был в эллинге выполнен 700 ли3, то (ср. пример 31) при водородном наполнении мы получили бы для него увеличение подъемной силы только на 4 кг, т. е. в 14,5 раза меньше; для наполнения же светильным газом — на 27 кг. т. е. в 2,2 раза меньше. Пример 39. «Феникс», ‘7=1200 ,«3, наполнен в Мюнхене (520 м над уровнем моря) 800 м3 1водорода.. Какой нагрузкой он уравновешен и какая у него будет нормальная высота зоны выполнения? 800 м3 водорода облагают нормальной подъемной силой в 960 кг. Для 520 м имеем высотное число 1,067; следовательно, подъемная сила равна =900 кг (ср. пример 20); так как аэростат вьь полнен только на 2/3 (т = 73, см. выше, раздел 2), то высота зоны выполнения определяется высотным числом п = 3/2 = 1,5, которому и соответствует разность высот в 3240 м. Следовательно, высота зоны выполнения лежит на 520 + 3240 = 3760 м над уровнем моря. Чтобы решить эту задачу при помощи графиков I и II, идем по линии объема 800 до линии высоты 520 и читаем на шкале весов 900 Кг. Так как при взлете подъемная сила остается постоянной, то мы по вертикальной прямой от G=900 идем вверх и, таким образом, можем прочитать для каждой высоты объем, до которого расширился газ. На высоте 3670 м объем станет 1200 м3. т. е. аэростат достигнет свЬей зоны выполнения. При этом все температуры были приняты равными 0°. В задачах подобного рода, несмотря на то, что они имеют на практике большое значение, не учитывают отличные от 0° температуры, потому что число кубических метров наполнения в большинстве случаев точно неизвестно. Если температура Воздуха, t°, а температура газа *Г°, то для того чтобы найти влияние этих температур, следует поступать так, как указано в примере 38, или принять аэростат за аэростат с постоянным объемом в 800 м3, что приведет нас к вопросу о температурах, разобранному в § 13 (ср. пример 35). Для (=10° и f = мы найдем, что подъемная сила уменьшилась до 870 кг. [Если мы взяли бы 800 м3 светильного газа, то при общей температуре 0° мы получили бы подъемную силу, равную 525 кг, которая при указанных температурах поднялась бы до 545 кг]. Если на зоне выполнения температура газа равна 30°, то в силу этого нормальная высота зоны выполнения лежит на 900 м ниже, т. е. она будет лежать на высоте 2860 м, независимо от рода наполняющего аэростат газа. Если мы наполнили бы в Мюнхене при общей температуре в 0° «Феникс» полностью, то, в соответствии с увеличением наполнения на 400 м3 водорода, он мог бы поднять 5 р. Эмден и _ 65
на. 450 кг больше. Но для того чтобы достичь высоты зоны выполнения, надо было бы Рее приращение в подъемной силе израсходовать в качестве балласта, потому что на определенной высоте подъемная сила равнозначно определяется и объемом газа и температурами, независимо от предыдущего состояния аэростата. Пример 40. «Феникс», V =>1200 м3, наполненный светильным газом, на высоте в 3000 м перешел на спуск. Вызвано это сильным охлаждением газа. При торможении этого спуска пилот перебросил балласт на 1 мешок в 12 кг. На какую высоту поднимется «Феникс», если пилот не исправит этот переброс путем открытия клапана? Аэростат возвращается па свою исходную высоту, опять на этой высоте становится выполненным и превышает ее соответственно величине сданного балласта в 12 кг. Для этой цели с достаточной точностью принимаем, что у воздуха; и у газа общая температура раРна 0°, и с помощью графиков находим нагрузку «Феникса» на высоте 3000 м равной 580 кг. Превышение этой вы-12 соты получим (формула 15) ДЛ- = 8000^= 165 м. Итак, «Феникс» поднимется на Высоту в 3165 м. При наполнении водородом нагрузка на исходной высоте будет равна 990 кг, а превышение зоны равновесия будет равно [формула (15)] 4/1 = 8000-^=95 л, т. е. на 70%j меньше (ср. с разъяснениями, приведенными выше, относительно преимуществ водородного аэростата). Пример 41. Аэростат «Петтенкофер», V = 1440 м3, наполненный водородом, должен совершить высотный полет и при этом быстро достичь зоны равновесия на высоте в 5000 м. Для быстрого взлета ему при старте дают 4 мешка по 20 кг = 80 кг сплавной силы. Как велико будет наименьшее количество водорода, потребное для его наполнения? При помощи таблицы мы находим (ср. пример 20), что «Петтенкофер» на высоте в 5000 !.« может иметь нагрузку в 925 кг. Таким образом мы должны так наполнить газом аэростат, чтобы подъемная сила его была 925 + 80 = 1005 кг, а это будет при 840 уи3. «Петтенкофер» поднимается с постоянной сплавной силой, пока он не достигнет своей зоны выполнения на 4330 м, сплавная сила поднимет его, согласно балластной формуле, еще на 670 М; т. е. на высоту в 5000 м. о. ПЕРЕХОД С ДНЕВНОГО ПОЛЕТА НА НОЧНОЙ Если полет начался в утренние часы, то аэростат при ясном небе подвержен, до наступления высшего солнцестояния, действию увеличивающейся солнечной радиации, и наполняющий его оболочку газ поднимает свою температуру выше окружающего воздуха. Под влиянием этого увеличения радиации у свободного аэростата зона равновесия поднимается на все большие высоты, ее
ппичем, так как мы всегда имеем дело с аэростатом постоянного объема, аэростат, наполненный светильным газом, использует это повышение температуры в 11 раз интенсивнее, чем наполненный водородом (ср. § 13). Но условия совершенно изменяются, когда аэростат продолжает свой полет в вечерние или ночные часы. Температура газа падает, объем газа становится меньше и аэростат превращается в аэростат с постоянным весом газа. Тогда применяется 4-й закон температур, так как различие в роде наполняющего газа уже не играет роли. Чтобы выравнять потерю в подъемной силе, связанную с понижением температуры газа, надо сдавать балласт до- тех пор, пока аэростат не приспособится к новым условиям радиации. Чем выше была дневная температура и чем ниже она становится ночью, тем больше будет вынужденный расход балласта. Расход балласта, необходимый для перехода от дневного полета к ночному, будет как для водородного аэростата, так и для аэростата, наполненного светильным газом, одинаковым и определяется только объемом и высотой полета. Так, если температура аэростата с постоянным весом газа меняется (4-й закон температур) на + Д/° против окружающего воздуха, то изменение в подъемной силе равно 4 Ai 4°/00 воздухоизмещепия, т. е. веса V р вытесненного воздуха [ср. формулу (24)]. В нижеследующей таблице даны произведения aV р кг для" некоторых употребляемых размеров аэростатов, для разных высот, на которых аэростаты будут выполненными и где газ претерпевает понижение температуры Af. Таблица 6 Таблица вытесненных весов воздуха, умноженных на а Высота 600 М3 1000 м3 1 440 Л»3 Высота 600 м3 1000 м3 1440 м3 «м кг м кг 0 2,84 4,74 6,82 3000 1,95 3,26 4,69 500 2,67 4,45 6,41 3500 1,84 3,06 4,41 1000 2,51 4,18 6,02 4000 1,72 2.87 4,13 1500 2,36 3,93 5,66 4500 1,62 2,70 3,88 2000 2,21 3,69 5,32 5000 1,52 2,53 3,64 2500 2.08 * 3,47 5,00 Температура воздуха на этих высотах с достаточной точностью принята за 0°. Если, например, у аэростата в 1000 м3, выполен-ного на высоте 1000 м и находящеюся в равновесии, произойдет понижение разности температур против окружающего воздуха на 15°‘, то он приобретет вследствие этого отрицательную сплавную силу (В 15 • 4,18 = 62,7 кг, независимо от рода наполнения. Ту же самую отрицательную, сплавную силу мы, попятно, получим, если по известному способу вычислим подъемную силу аэростата, при-5*
меняя формулы (25) или (25а) (причем опять-таки имеем отсутствие зависимости от рода наполняющего газа) или же воспользуемся графиками (ср. пример 38). В большинстве случаев для получения достаточно точных (результатов очень удобно пользоваться этой маленькой табличкой. Мы видим, что те же самые температурные изменения имеют тем меньшее влияние, чем выше находится аэростат. Так как они уменьшаются по мере удаления от земли, то с увеличением высоты полета аэростат меньше подвергается влиянию изменения температуры; чем ниже высота полета, тем труднее управление аэростатом. Пример 42. Аэростат «Петтенкофер», У =1440 лг3, выполненный во время высшего солнцестояния, уравновесился на высоте в 1500 м, и пилот намеревается продолжать полет ночью. По опыту известно, что расход балласта продолжается в первые ночные часы до тех пор, пока газ не охладится до своей низшей температуры вследствие излучения тепла оболочкой. Пусть в течение дня температура газа превышает температуру воздуха на 25°, ночью же она понижается на 5° ниже температуры воздуха, так что мы имеем дело при расчетах с Lt~ 30° (таким образом температура воздуха не принимается во внимание при наших расчетах; изменения общей температуры газа и воздуха не влияют на аэростат с постоянным весом газа). Если пилот хочет удержать аэростат путем сдачи балласта на его высоте в 1500 л, то к>п должен в итоге израсходовать 30-5,66 = 170 кг балласта. Но ему придется тогда вести невыполненный аэростат, который будет поднят до его зоны выполнения малейшей сплавной силой, малейшим перебросом балласта. Так как уменьшение объема вследствие охлаждения на 1° всегда компенсируется подъемом на ,30 м, то «Петтенкофер» постепенно поднимется на высоту 1500 + 30 • 30 2400 м. При этой нормальной схеме выравнивания колебаний температуры путем отдачи балласта одновременно будет иметь место подъем аэростата на новую зону выполнения, не требующий никакой жертвы балласта, но этот прием может проводиться лишь в исключительных случаях. Скорее пилот воспользуется распределением температур в атмосфере, которое устанавливается часто ночью, именно при тихой (погоде. В различных слоях атмосферы присутствие пыли и органических частиц может сильно и скачкообразно изменяться. Маленькие твердые частицы излучают тепло и охлаждают значительно менее способные к излучению слои воздуха, в которых они плавают, и тем .больше, чем в большем количестве они там находятся. Именно прилегающие к земле, особенно сильно загрязненные слои воздуха охлаждаются вследствие излучения так сильно и быстро, что вскоре после захода солнца образуются холодные приземные слои ,(так называемые инверсии температуры), которые с восходом солнца вновь исчезают. После ясных безветренных летних дней можно с уверенностью рассчитывать на образование таких слоев. Во время безветренной морозной погоды под влиянием другого явления, которое мы здесь подробно разбирать не будем, образу-68
ются холодные приземные слои, которые бывают как днем, так и ночью. Эти холодные слои пилот использует иногда бессознательно. Аэростат, попавший при спуске на более холодный слой воздуха, начинает на нем плавать. Если этот слой на Lt° холоднее над ним лежащего слоя, то разность температур газа и воздуха составит Д£°'. Тут мы применяем 4-й закон температур: вес вытесненного воздуха определяется объемом аэростата и максимальной высотой, которую он достиг; можно при этом воспользоваться числами, данными в вышепомещенпой табл. 6. Если аэростат в 1440 м3, спускающийся со своей максимальной высоты в 2000 л, встретит где-либо слои с температурой на 5° ниже, то его отрицательная сплавная сила уменьшится на 5 • 5,32 = 27 кг; если опа. раньше была меньше, то аэростат остановится. Если аэростат спускается в такой слой, после того как он в первые вечерние часы, вследствие излучения, потерял большую часть перегрева своего газа, то он, поддерживаясь этим слоем, может часами итти с минимальным расходом балласта. Большинство ночных полетов проходит по этой схеме. Если восходящее солнце в утренние часы сообщит газу имевшуюся у него в предыдущий день температуру, то весь ночной расход балласта окажется лишь вынужденным большим перебросом. Дальнейшая барограмма полета, а следовательно, и высоты его следуют таким образом, как будто бы весь расход балласта произошел на максимальной высоте предыдущего дня; ночной эпизод для дальнейшего полета имеет несущественное значение; он послужил только к тому, чтобы поднять аэростат и этим сократить полет. Если это сокращение времени полета должно быть по возможности меньшим, то надо этот переброс, этот ночной расход балласта, по возможности, свести к минимуму; поэтому надо начинать полет в поздние часы с ужй охлажденным аэростатом. Если же надо провести ночной полет njo первой указанной схеме, то путем измерения температур воздуха, при точном контроле балласта., можно сделать важные выводы относительно разности температур газа днем и ночью. При этом надо только быть уверенным, что на аэростат не будет осаждаться роса, потому что вследствие излучения при ясном небе он может легко охладиться ниже точки насыщения окружающего воздуха, и оболочка поэтому покроется влагой. При полете во влажном воздухе и при ясном небе могут конденсироваться значительные количества водяного пара, который, как часто наблюдалось, подобно настоящему дождю падает с оболочки в корзину. Пример 43. Еще яснее становятся все рассмотренные условия при обстоятельном изучении барограммы аэростата «Гельвеция» (пилот полковник Шек) во время полета при состязаниях на кубок Гордон-Беннета в 1908 г. (Ill. Aeron. Mitteil., 1908, стр. 732). В ночь с 11 на 12 октября аэростат находился приблизительно ца высоте в 250 'м, чтобы в 10 час. утра достичь максимальной высоты в 2200 ‘м. Полет в ночь с 12 на 13 октября происходил на высоте в 100—200 1м с тем, чтобы 13 октября после восхода солнца
(до 11 час.) подняться до 3400 м. Полет ночью потребовал расхода балласта, который на следующее утро выявился как переброс, вызвавший подъем барограммы на 1200 м. Утром же 14 октября в 9 час. высота ночного полета с 250—1000 м поднимается до 4500 м; ночной полет потребовал опять переброса балласта, соответствующего 1100 м подъема. § 15. ПОВТОРЕНИЕ 1. Равные объемы водорода и светильного газа могут быть на равной Высоте нагружены в отношении 12:7 (вообще в отношении их нормальных подъемных сил). Аэростат с водородным наполнением может на равном уровне поднять на 70 % 1 больше груза, чем аэростат такого же размера, наполненный светильным газом. 2. Нормальная высота аэростата, наполненного водородом, всегда на 4300л; больше, чем таковая аэростата равного с ним размера и равной нагрузки, но наполненного светильным газом. (Вообще эта. разность высот определяется высотным числом, равным отношению нормальных подъемных сил.) 3. Аэростат, наполненный водородом, и аэростат, наполненный светильным газом, подчиняются одному и тому же закону балластного действия: нормальная 'высота увеличивается всякий раз на 80 м при уменьшении полной нагрузки на 1 %1 своей величины. 4. Второй вид закона балластного действия. Если аэростат находится па зоне равновесия, то вес газа и вес нагрузки при водородном наполнении относятся, как 1 :13,48; при наполнении светильным газом — как 1 :1,19. Если сбрасывается g кг балласта, то аэростат поднимается на такую высоту, что —0,074 кг водорода или — = g 0,839 кг светильного газа должны выйти через аппендикс. 5. Закон температур 2. Изменение общей температуры газа и несущего слоя воздуха производит одинаковое действие как на водородный, так и на наполненный светильным газом аэростат постоянного объема. Если эта общая температура равна + t°, то для обоих аэростатов_изменяется: а) при неизмепяющейся высоте подъемная сила на t • 4°/00 своей величины, б) (при неизменяю-щейся нагрузке их высота на + t 30 м. 6. Закон температур 3. Разность температур газа и несущего слоя воздуха оказывает на аэростат с постоянным объемом, наполненный светильным газом, действие, в 11 раз более сильное, чем на вОдородный аэростат. Если газ имеет перегрев на + ДГ, то изменяются: а) на постоянной высоте подъемная сила на + 0,00307- Д’/ своей величины при наполнении светильным газом; на + 0,00027 • • Д/° своей величины при наполнении водородом; б) при постоянной нагрузке высота па +24,6 М м у аэростата, наполненного светильным газом, и на + 2.17 Д# м у аэростата, наполненного водородом.
7. Закон температуры 1. Если температуры газа и несущего слоя воздуха изменяются таким образом, что их разность остается постоянной, то это изменение не оказывает никакого влияния на аэростат с постоянным весом газа. 8. Закон температуры 4. Если изменяется разность температуры газа и Ьоздуха па + А то изменяется и подъемная сила аэростата с постоянным весом, независимо от рода газа, на + Д / 4700 веса вытесненного воздуха. 9. Увеличение или уменьшение лучепоглощения действует на выполненный, находящийся на зоне равновесия аэростат, в зависимости от знака, совершенно различно. Увеличение лучепоглощения действует на аэростат, наполненный светильным газом, в 11 раз сильнее в отношении подъемной силы (или высоты), чем на водородный аэростат; уменьшение же лучепоглощения оказывает па оба аэростата равное и в одинаковой степени сильное влияние. Уменьшение подъемной силы вследствие уменьшения температуры газа у аэростата, наполненного светильным газом, в 2,2 раза, а у водородного в 14,5 раз больше, чем ее увеличение при таком же повышении температуры. 10. Если надо использовать действие солнечной радиации для увеличения подъемной силы или высоты, то преимущество оказывается на стороне аэростата, наполненного светильным газом, против водородного аэростата. С другой стороны, в отношении техники полета последний находится в более выгодном положении: на равный переброс балласта он реагирует на 70'% меньше; в соответствии с этим барограмма поднимается медленнее, расход балласта (относительно полной нагрузки) меньше и длительность полета увеличивается. S 16. СПУСК Всякий спускающийся со своей зоны равновесия аэростат является аэростатом с постоянным весом газа. Теория спуска частично выводится из учения об аэростате с постоянным весом газа, которую мы по существу и разобрали в '§ 14. Ее основная задача заключается в том, чтобы определить количество балласта, которое должно находиться в распоряжении пилота для того, чтобы он мог безопасно провести спуск. Этой частью проблемы спуска мы и займемся в этом параграфе. Спокойная посадка, как правило, состоит в том, что пилот затормаживает спускающийся аэростат вблизи земли, т. е. путем отдачи балласта переводит его в состояние (равновесия или же скорость спуска доводит до достаточно малой величины — и только после этого производит окончательную посадку. Необходимое для торможения количества балласта, которое может быть или в форме песочного балласта или гайдропа, мы называем тормозным балластом, а необходимый' для окончательного приземления балласт — посадочным балластом. Количество последнего теоретически нельзя определить; характер местности, провода телеграфные и высокого напряжения, близость зданий и
населенных пунктов, недостаточная скорость ветра, ценность и хрупкость находящихся на аэростате приборов в первую очередь озабочивают опытного пилота, когда он определяет запас этого балласта; он должен всегда помнить, что излишек никогда не повредит, а недостаток может привести к роковым последствиям. Тормозной балласт мы принимаем равным количеству балласта, необходимого для отдачи с целью уменьшить отрицательную сплавную силу спускающегося аэростата. В безвоздушном пространстве спуск продолжался бы без ускорения с постоянной скоростью; в действительности же сопротивление воздуха понизит скорость на величину, которую не следует принимать в расчет, именно приближенно лишь на г/20 ее значения, причем аэростату надо пройти расстояние, приближенно равное тройному его диаметру; выпущенный гайдроп даже на еще меньшем расстоянии предотвратит падение. Если при спуске аэростата газ и атмосфера будут иметь постоянную температуру, или если температуры у обоих будут так изменяться, что разность их будет оставаться постоянной, то проблему спуска можно будет решить очень просто. При этих условиях отрицательная сплавная сила аэростата осталась бы постоянной, потому что он обладает постоянным весом газа. Если бы аэростат на высоте получил отрицательную сплавную силу в п кг благодаря росе, дождю, туману или хлопку клапана, или же вследствие тени от облака, то отдача балласта в п кг, произведенная в любом месте, затормозила бы его; малейший переброс поднял бы его по крайней мере до его исходной Высоты. Эта необходимость учета изменения температур потребовала много размышлений и дала повод, несмотря на простоту разрешения этой задачи, к самым разнообразным недоразумениям и неясностям. Прежде всего ясно, что дело идет о влиянии температур на аэростат с постоянным весом газа; род газа, наполняющего оболочку, не оказывает никакого [влияния (4-й закон температуры, § 15, п. 8). При равных изменениях температуры равные по размерам аэростаты, спускающиеся с равных высот, требуют равных количеств тормозного балласта, независимо от рода наполняющего их газа. При равных условиях один и тот же аэростат, наполнен ли он водородом или светильным газом, требует одинакового количества тормозного балласта. Дальше уже становится ясным, что если 4-й закон температуры применим, то вое влияния температуры пропорциональны весу вытесненного воздуха. Но этот вес -остается постоянным1 в течение всего спуска и определяется только (максимальной) высотой, с которой спускается аэростат; чем больше высота, тем меньше этот вес. Отсюда следует: при равных изменениях температур тот же самый аэростат расходует тем меньше тормозного балласта, чем больше та максимальная высота, с которой он на 1 Мы всегда теперь учитываем разность: температура газа—температура воздуха; если эта разность постоянна, то вес вытесненного воздуха не зависит от температуры.
чал спуск. А для пилота вытекает следующее «золотое» правило' чем меньшей высоты достиг аэростат, тем тщательнее надо проверить количество балласта, оставленное для спуска. Умноженные на а — 4°/00 'веса вытесненного воздуха мы находим на вышетюмещепной табл. 6; исходя из объема в 1000 м3, можно легко вычислить эти величины для аэростатов других объемов; для высот, лежащих в пределах данных высот, нужно-интерполировать; для бблыпих высот величины, относящиеся к высоте te 0 м, делятся на соответствующее высотное число. Температура воздуха на этих высотах с достаточной точностью может быть принята за 0°. Чтобы достичь полной точности гав в объеме выполненного аэростата со своей температуры должен быть приведен к температуре в 0°, а вес воздуха должен быть принят в этом исправленном объеме, который не зависит от любой общей для газа и воздуха температуры. Такой, в большинстве случаев меньших размеров, аэростат представляет собой аэростат с постоянным весом газа; этот аэростат вследствие повышения температуры газа превращается в выполненный аэростат, из чего мы и исходили. Также, если мы рассчитываем при помощи формул (25) и (25а) или пользуемся нашими графиками, надо с полной точностью произвести эту поправку, как это будет показано в примере 44. Для всех же случаев, встречающихся в практике, совершенно достаточны числа, приведенные в табл. 6. Вес этого вытесненного воздуха Vp = (ср. § 15) для сокращения обозначим буквой L. Тогда подъемная сила массы газа будет L (1 — s) при равной температуре у газа и воздуха. Если температура газа отличается от температуры воздуха на М, то подъемная сила газа [формула (24)] изменится на L (1 —s) + + а № L. __ Если мы обозначим температурную разность на высоте М и внизу М, то получим: подъемная сила на высоте . . . £(1 — s)-\-aAt-L, подъемная сила внизу...........L (1 — s) -ф abt-L. Если мы обозначим превышение подъемной силы на высоте буквой д, то получим: д = а£-Д£—a.L-Lt — aL(Lt — Д/) кг, (26) где, как сказано, aL можно взять из табл. 6. Если ДТ больше \'t, то естественно, что g будет отрицательным. Если отрицательная сплавная сила на высоте gj кг, то при спуске аэростата она увеличивается и внизу будет gi + 9 кг. Чтобы затормозить аэростат, надо отдать gi+g кг балласта; это и является требуемым тормозным балластом. Слагаемое gj , которое остается постоянным во время спуска, естественно, не подлежит дальнейшему теоретическому рассмотрению; оно появляется вследствие утяжеления благодаря росе, дождю, снегу или хлопкам клапана. Если же спуск аэростата, как это бывает
в большинстве случаев, наступает сам по себе, будь то вследствие незначительного уменьшения лучепоглощения или увеличения лучеиспускания оболочкой, то gt может быть принято равным 0. Величина g определяется четырьмя температурами,—температурами газа и воздуха вверху и внизу. Распределение температур в атмосфере можно установить во время подъема; если спуск начинается не через слишком большой промежуток времени после взлета или не па слишком большом расстоянии от места старта, то эти температуры, если исключить местные условия и перемену погоды, очень мало изменяются. В общем температура воздуха с высотой уменьшается в такой степени, как это определяется состоянием погоды; пилоту, знающему метеорологию, карта погоды укажет самые важные элементы метеорологической обстановки. В среднем можно считать, что падение температуры в нижних 3 км] будет происходить по' о,5° на каждые 100 м'высоты, что с увеличением высоты это падение замедляется, а на высоте в 6—7 км оно поднимается на 0,7° на каждые 100 м Все же в целом ряде случаев в теплые летние дни, мри тихой погоде, падение температуры В нижних слоях будет быстро увеличиваться и подниматься до 1° и выше на каждые 100 .м. НадЬ обратить внимание на то обстоятельство, что прилегающие непосредственно к земле слои воздуха летом могут быть несравненно более теплыми, а зимой несравненна более холодными. Температуры газа обусловливаются двумя совершенно различными факторами. Первый из них — это условия радиации. В общем, при одинаковом: положении солнца, интенсивность лучепоглощения увеличивается с высотой. На этом основании A t будет немного меньше, чем At. В исключительных случаях как-раз может происходить’обратное явление, например, когда спуск аэростата начался при облачном небе, а затем облака рассеялись. Второй фактор стремится, наоборот, значительно увеличить At против At. Известно, что все газы охлаждаются при расширении и нагреваются при сжатии (пневматическое огниво, фен). Если сжать атмосферный воздух при 0° и 380 ди, давления (соответствующих нормальной высоте в 5540 м) до 760 мм (без отдачи тепла окружающей среде довести этот воздух до земли), то температура его поднимется на 59,8°. Это изменение температуры легко вычислить, если известна одна величина — отношение теплоемкостей газа. Для водорода и атмосферного воздуха оно равно 7/s; для светильного газа имеем лишь немного отличную величину, так что мы с достаточной точностью можем и ее принять равной 7/б. Если разность В высотах двух мест определяется высотным числом п, то, как учит пас механическая теория тепла, спускающийся с верхней зоны аэростат с газовым наполнением, имеюшдм температуру t0°‘, достигнет нижележащей зоны с температурой i 1 t° = (273 + t0°) п'Ь — 273.
Вычисление показывает, что при прохождении небольших интервалов высоты повышение температуры райпо 1° на 100 м высоты и слегка возрастает с увеличением пройденного расстояния, так что при спуске с 5—6 км па каждые юо м температура увеличивается на 1,1°. С достаточной точностью можно поэтому принять следующее положение: газ, наполняющий аэростат, изменяет всегда свою температуру на +1" всякий раз, как аэростат спускается или поднимается на 100 м1. При этом, понятно, надо сделать предпосылку, что нет притока или расхода тепла из какого-либо другого или в какой-либо другой внешний источник. Последнее условие в действительности, даже при постоянной солнечной радиации, никогда не осуществляется. Нагретый аэростат проходит большей частью более холодные слои воздуха и соприкасающийся с оболочкой воздух сильно охлаждает последнюю; спускающийся аэростат ведет себя, как аспирационный термометр. Охлажденная оболочка понижает температуру прилегающих к пей слоев газа, и возникающие в газе токи понижают равномерно температуру всего наполнения. В действительности это изменение температуры неравномерно и меньше, чем 1° на 100 м; если бы это изменение температуры не было меньше, то при нормальных атмосферных условиях, как это будет показано, закрытый растягивающийся резиновый шар (шар-зонд) очень скоро перестал бы подниматься вверх, а свободный аэростат без помощи клапана не мог бы начать спуск со своей зоны равновесия. Как эти различные факторы действуют друг па друта, мы лучше всего можем проследить по нижеследующей диаграмме (фиг. 2). По горизонтальной оси нанесены температуры, по вертикали высоты и взят такой масштаб, чтобы 1° выражался бы таким же отрезком, как 100 м Понижение температуры на 1° па каждые 100 м увеличения высоты показывает прямая, идущая под утлом в 45° справа снизу и вверх Влево; чем меньше падение температуры, тем менее наклон прямой. Температуры газа на высоте и внизу обозначаем через f и t', температуры воздуха — соответ-ственно через t и t. На Высоте в 2500 м примем, что аэростат с температурой газа, равной Г, находится в равновесии, и сообщим ему крайне малую отрицательную сплавную силу д' (на практике равную 0); температура газа сейчас же начнет равномерно подниматься; мы примем 0,4° на 100 М, так что ход температуры будет выражен прямой В. Температура воздуха t на высоте в 2500 м пусть на 15°' ниже и повышается по мере спуска, так что ход по высоте можно представить также прямой L. Таким образом нам надо различать три разных случая. 1-й случай. Прямая Ы параллельна В, разность температуры Af остается постоянной, д£ — 'At. Отрицательная сплавная 1 Постоянное изменение температуры около Г на 100 м имеет место в том случае, если температура проходимых атмосферных слоев всегда совпадает с изменяющейся температурой газа.
сила не изменилась; соответственная формула (26) дает 3=0. Если чрезвычайно малая отрицательная сплавная сила, равная glf привела аэростат к спуску, то она остается во все время спуска постоянной; аэростат спускается с постоянной чрезвычайно малой скоростью и может быть заторможен минимальной отдачей балласта 0! кг. Если qi имеет любое значение, то мы имеем и соответствующие по величине остающиеся постоянными скорости спуска (ср. § 17) и все же отдачей gt кг балласта аэростат может быть заторможен. 2-й случай. Температура атмосферы поднимается с уменьшением высоты быстрее, чем температура газа, прямая LII более наклонена, чем В. Тогда, как показывает диаграмма, Д t меньше Lt, аэростат обладает внизу меньшей подъемной силой, чем вверху, g формулы (26) имеет конечную положительную величину. Отрицательная сплавная сила, которая привела аэростат к спуску, растет соразмерно уменьшению Lt при спуске; скорость спуска увеличивается и количество тормозного балласта становится на 0 кг больше, чем отрицательная сплавная сила 0ь которая вызвала спуск. I з-й случай. Температура атмосферы поднимается с уменьшением высоты слишком медленно по сравнению с температурой газа. Прямая LIII менее наклонна, чем В. Тогда Lt больше, чем Lt, аэростат внизу обладает большей подъемной силой, чем вверху; g в формуле (26) становится отрицательным. Отрицатель-76
лая сплавная сила, вызвавшая спуск, и скорость спуска уменьшаются и могут при небольших величинах, бывших вначале, совсем исчезнуть. Только вследствие повторных хлопков клапана аэростат может спуститься. Если же его спустила вниз большая начальная отрицательная сплавная сила сц то для торможения аэростата требуется меньшая на g кг отдача балласта. Атмосферные слои с небольшими падениями температуры поэтому обыкновенно называют также «.хорошо несущими» или «устойчивыми» слоями. Так скак падение температуры в атмосфере, как правило, меньше 1° па 100 м, то в том случае, когда газ нагребается на 1° на 100 м, мы, как правило, должны иметь дело с третьим случаем. Это 'Противоречит, однако, Ьпыту, который показывает, что в подавляющем большинстве мы имеем дело со вторым случаем. Отсюда следует, что градиент температуры газа меньше среднего температурного градиента атмосферы, следовательно, меньше 0,5° на 100 м. Те же рассуждения можно применить и при подъеме. В случае 1 поднимается аэростат с постоянным бесом (резиновый шар) с постоянной сплавной силой и с постояшюй скоростью; в случае 2 обе эти величины увеличиваются; в случае 3 подъем может остановиться. В действительности же условия так складываются, что при меняющемся с высотой градиенте атмосферы спускающийся аэростат может поочередно пройти через все три разобранных случая. Каждый случай действует по-своему, причем для протекания его очень важно, какой именно отрицательной сплавной сиАой обладает аэростат, когда он попадает в новые условия. Так, аэростат с небольшой отрицательной сплавной силой, входящий в изотермальный слой, который как-раз особенно ярко характеризует случай 3, может остановиться, пока он не отдаст избыток своего тепла окружающей среде. Что все эти три случая могут происходить, причем меняется их интенсивность или они друг друга взаимно уничтожают, показывает меняющаяся скорость спуска, что легко можно усмотреть на барограмме. Особенное внимание пилот должен обратить на слои, прилегающие к земле. В жаркие безветренные дни быстрое уменьшение температуры на последних 100 м может потребовать чрезмерно1 большого, расхода балласта, в то время как б ясные холодные зимние дни можно вызвать спуск только длительным открыванием клапана. Эти рассуждения проливают свет на долго остававшийся спорным .вопрос, что лучше: немедленно ли на высоте парировать тень рт облака или же после снижения внизу? В случае 2, чаще всего встречающемся, количество .потребного для этого балласта возрастает по мере спуска; в случае з количество необходимого балласта, наоборот, уменьшается со спуском; при этом возрастает (вероятность, что тень от облака рассеется до отдачи балласта и можно будет избежать переброса (ср. с этим дальше § 19). Так как всякий расход или приток тепла происходит как благодаря теплопроводности, так и вследствие радиации оболочки, то он уменьшается с увеличением диаметра аэростата. Из этого сле
дует, что при равных внешних условиях наполняющие газы тем медленнее меняют свои температуры, чем больших размеров аэростат. Большой аэростат менее подвержен внешним влияниям, стремящимся изменить его температуру, чем малый. Чем больше аэростат, тем ме|ньше тепла поступает и отдается через его оболочку в слои воздуха, через которые он проходит, тем более приближается увеличение температуры газа к 1° па 100 ии, тем более использует он теплоту от сжатия газа и тем медленнее увеличивается во время спуска его отрицательная сплавная сила. О величиной аэростата, при равных внешних условиях, уменьшается относительно и количество необходимого тормозного балласта. Чем меньше аэростат, Рем с большей тщательностью должен относиться пилот к необходимому для спуска балласту. Из всего сказанного видно, что самым важным моментом в вопросе определения количества тормозного балласта является чисто температурная проблема. Спуск, удовлетворяющий всем требованиям, которые можно предъявить к разумному пилотажу, возможен лишь тогда, когда пилоту известны при подъеме температурные условия в атмосфере. Пример 44. «Петтенкофер» объемом 1440 м3 перешел на спуск с высоты в 3000 Mj, так как у него появилась чрезвычайно малая отрицательная сплавная сила вследствие заслонившей солнце легкой дымки циррусов. Температура газа выше температуры воздуха на 30°; температура у земли 20°' и уменьшение температуры в атмосфере равно 0,6° на каждые 100 Сколько килограммов тормозного балласта должен израсходовать пилот, предполагая, что при спуске газ нагревается на 0,3° на каждые 100 м? Приняв эти данные, получаем, что температура воздуха t на высоте 3000 м равна 2°, а температура газа t' — 32°'. 1. Решение при помощи таблицы 6 весов вытесненного воздуха. Из таблицы мы берем вес воздуха, вытесняемый аэростатом в 1440 jw3 на высоте 3000 |м и уже помноженный па а, что составляет 4,69 кг. Эта величина достаточно точна. Чтобы получить еще большую точность, надо привести объем’ газа от 32° к 0°, ч>го составит 1290 №. Невыполненный аэростат объемом в 1440 м3 при общей температуре в 0° и наполненный 1290 и3 газа будет соответствовать аэростату, имеющему температуру газа в 32° и на-хкЦщщемуся в воздухе с температурой в 2°. Вместо 4,69 км мы точно получим а 1290 = 4,20 кг. Каждые 100 м спуска аэростата уменьшают разность температуры газа и [воздуха па 0,3°; таким образом в течение всего спуска уменьшение это составит 9° (Г= 2°; £ = 20°; Г = 32°; f = 41°'; Д£ = 30°; Д1 = 21°). Соответственно этому тормозной балласт будет равен 9 • 4,69 = = 42 кг или точнее 9 • 4,2 = 38 кг; эту разницу не принимают во внимание. 2. Решение с помощью формулы (25). Чтобы получить пол-"78
jo точность, мы должны вычислить G того невыполненного аэростата из которого мы получаем рассматриваемый нами аэростат, если’мы нагреем газ па Ai₽30° по отношению к воздуху; невыполненный аэростат не меняет своего G, когда мы его приводим к общей температуре 0°'. Мы можем, таким образом, 1440 л3 при 32° прямо привести к 0° и получим 1290 .и3. При наполнении светильным газом, произведя известный уже нам расчет, получим, что на высоте 3000 м подъемная сила G = 627 кг, а по формуле (25а) получаем тормозной балласт g = 0,0067 • 9 • 627^=38 кг. С достаточной точностью мы можем для нормальной подъемной силы аэростата в 1400 .и3 на высоте 3000 м принять G = 695 кг и тогда получим д = 42 кг. При наполнении водородом мы получим для G аэростата в 1290 м3 и 1440 соответственно 1060 й 1190 кг, а по формуле (25а) для й — 38 и 42 кг, т. е. те же самые величины, потому что природа газа не оказывает здесь никакого влияния. 3. Решение с помощью графиков. Так как природа газа не имеет значения, то безразлично, какой мы возьмем график. Если мы выберем график для светильного газа, тогда для 1440 .и3 на высоте Р 3000 м найдем нормальную подъемную силу в 695 кг. Если мы проведем от этой точки (§ 14) параллель пунктирным прямым температуры до 9 °' влево вверх, то мы придем к величине G, меньшей на 42 к1г; отсюда следует й = 42 кг. Если мы хотим более точно разобрать этот вопрос, то надо посмотреть, как меняется подъемная сила этих 695 кг при понижении температуры газа на 30°. Для этого проРедем параллель пунктирным прямым (сложный пунктир) направления температуры до 30°, проходящую через G — 6Q5 вверх влево, и придем к G 1=630. Проведенная через эту точку параллель пунктирным прямым до 9° вверх Влево дает нам д = 38 кг, а следовательно, и меньшую величину G. Полученное количество тормозного балласта, которым может служить и гайдроп, кажется для летних условий несколько малым, Возможно, что согревание газа в аэростате меньше, чем 0,з°, па 100 м; при величине 0,2° количество тормозного балласта поднимется на 14 или 12 кг. С другой стороны, так как аэростат является исключительно чувствительным радиационным термометром, то на него может оказывать влияние и уменьшенная внизу солнечная радиация. Если разность температуры воздуха и газа понизится на 5°, то балласта будет израсходовано на 2з—21 кг больше. Если же спуск вызван путем энергичных хлопков клапана, вследствие которых аэростат теряет й1 кг своей подъемной силы, то только что рассчитанное количество балласта увеличится’ на й! кг. < Пример 45. В теплый летний день, после длительной хорошей погоды, «Петтенкофер» спускается после полудня с 1000 м своей максимальной высоты, причем газ при спуске на 100 м нагревается на 0,з°‘. Градиент температуры атмосферы равен 1°
на 100 м. Теплый приземный слой воздуха незначительной толщины еще нагрелся в течение дня на 3°, что благоприятствует увеличению этого градиента. Сколько требуется тормозного балласта? Разность температуры при спуске уменьшается на 10°. С помощью таблицы мы определяем количества тормозного балласта в 10 -;б —60 кг. Приземные слои воздуха могут еще в некоторых местах легко нагреться па 5°. Аэростат при погружении в нижние, содержащие пыль слои атмосферы может потерять свой перегрев вследствие уменьшения радиации на 3°. Тормозной балласт поднимется до 90 кг. При спуске в жаркие безветренные летние дни пилот должен чрезвычайно тщательно подсчитать количество балласта, необходимого для спуска. Пример 46. Аэростат идет на спуск с высоты ® 3200 м в ясный •зимний день. Падение температуры в атмосфере с уровня 200 л высоты составляет 0,5° па 100 от земли до 200 м высоты лежит изотермальный приземный слой. Спуск вызван крайне малой отрицательной сплавной силой; принимается, что газ в аэростате нагревается на 0,3% на 100 м. Какую температуру должен иметь приземной слой, чтобы аэростат, погружающийся в этот приземный слой, автоматически затормозился? При указанных условиях разность температур газа, и воздуха в момейт соприкосновения с этим холодным слоем па верхней границе его уменьшится на 30 0,2 = 6°. Если в этом слое тем? пература воздуха понижается еще на 6°, то тогда разность будет выравнена и аэростат заторможен. Если же температура воздуха на высоте в 3200 > была —9°, То на высоте 200 м оиа стала +6°; изотермальный нижний слой в 0° мог бы остановить аэростат. Если же температура его равнялась бы —5°, то путем хлопков клапана мы должны были бы дать аэростату отрицательную сплавную силу, чтобы пойти далее вниз. Эта последняя, конечно, зависит от величины аэростата и достигнутой максимальной высоты. .Для 1440 ш3 в данном случае с помощью нашей таблички мы находим, что отрицательная сплавная сила должна быть равна 5 • 4,6 кг — 23 кг. Поэтому мы должны израсходовать около = 30 Л43 светильного газа или = 20 м3 водорода. Эти примеры достаточно ясно подтверждают вышеприведенное положение, что проблема спуска — это прежде всего проблема температуры. Температурные величины, с которыми здесь приходится оперировать, не поддаются точному учету и в отдельных случаях могут быть оценены лишь относительно. Но так как расчет количества тормозного балласта представляет исключительно, важную проблему пилотажа, то не надо упускать ни одного фактора для ее разрешения. Как можно приближенно подсчитать количество тормозного балласта при спуске, будет показано в следующем параграфе.
§ 17. ПОДЪЕМ и СПУСК; КОЛЕБАНИЯ АЭРОСТАТА Воздух оказывает сопротивление силам, приводящим аэростат к подъему или спуску. Мы принимаем сопротивление W = кг, & 9 где р — плотность воздуха, д — ускорение силы тяжести, равное 9,8 м/сек2, F — поперечное сечение аэростата перпендикулярно направлению движения, и о.— скорость в м/сек. При расчетах, относящихся к сферическому аэростату, берется множитель Vs; к мы принимаем за 0,7, благодаря чему сопротивление поверхности в 1 .м2, движущейся в воздухе с нормальной плотностью со скоростью в 1 м/сек, составляет 90 г. Так как в дальнейшем нам надо только принципиально выяснить некоторые ©опросы, а не получить точные численные значения, то мы принимаем всегда температуру газа и атмосферы за 0°. Тогда плотность 'воздуха р уменьшается с высотой h по из-— h вестному закону р — рое п , где Н~ высота однородной атмосферы, равная 8000 д, и р0 относится к исходному уровню. Если мы имеем дело с аэростатом, поперечное сечение которого остается постоянным, т. е. приближенно со взлетающим выполненным свободным аэростатом, то мы можем сопротивление принять как функцию высоты W=Rae %2, т?0 *j у Если же мы имем дело с аэростатом с постоянным весом газа, то при взлете меняется его объем и поперечное сечение. Если] мы принимаем такой аэростат приближенно сферическим, то увеличе-2 ние его сечения обратно пропорционально р 3, где р есть давле-h ние, уменьшающееся с высотой по закону р = рое в . Для сферического аэростата с постоянным весом газа мы имеем, следовательно: I __ л где индекс 0 относится к исходному уровню. 1. ВЗЛЕТ АЭРОСТАТА С ПОСТОЯННЫМ ОБЪЕМОМ ГАЗА Аэростат уравновешен и путем отдачи балласта ему дается сплавная сила в g кг. Пусть нормальная высота, которую он достигает. Наполняющий газ поднимается ©верх, а вместе с ним всеГ что он несет. При взлете уменьшается воздухоизмещение, так же как вес наполняющего газа, и мы оказываемся перед очень интересным вопросом — мы имеем возможность изучить 6 Р. Зыдон 16 8V
движение системы с переменной массой. При этом обнаруживается замечательное явление: если мы рассматриваем изменения массы и подъемной силы с точки Прения высоты, то мы с полной точностью можем вычислить скорость для любой точки 1по высоте; когда же мы принимаем массу и воздухоизмещение постоянными, что бывает у аэростата с постоянным весом газа, то эти вычисления можно сделать только с большим приближением. Простое рассуждение при помощи уравнения (11) показывает, что ’вся взлетающая масса Ж, т. с. наполняющий газ плюс нагрузка, всегда равна массе вытесненного воздуха и поэтому уменьшается Л по закону М^М0 е н. Для большей ясности введем еще вспомогательную длину о: с = =-5- = -?- м — 20 м (с округлевием), К 0,7 где D — диаметр аэростата. Так как при увеличении объема аэростата с 600 м3 до 2200 м3 диаметр аэростата увеличивается с 10,5 до 16,2 и, то с достаточной точностью можем принять а = 20 М. Здесь мы рассматриваем только интересующий нас случай, причем мы примем, что сплавная сила g настолько велика, что аэростат поднимается па зону равновесия с высотой, значительно большей, чем с, но не выше 1000—-1500 м. Тогда исследование показывает следующее:.скорость взлета вначале быстро увеличивается, потому что аэростат из состояния покоя переходит в движение. Уже на высоте около 4 а, т. е. около 80 м, аэростат начинает замедлять свой взлет и поднимается затем с постоянно уменьшающейся скоростью до обусловливаемой подъемной силой зоны равновесия. Все же и на этой высоте его скорость не становится равной нулю, живая сила заставляет его перейти на известное расстояние эту высоту, расстояние это для всех аэростатов, независимо от рода наполняющего газа, равно а =20 м. На этой новой высоте аэростат уже не может находиться в равновесии; вследствие превышения своей нормальной высоты оп приобрел отрицательную сплавную силу, которая по балластному закону будет равна % % его подъемной силы; эта отрицательная сплавная сила, спуская его вниз, превращает его to аэростат с постоянным весом газа и 'ведет до земли. На самом деле на многих барограммах видно, что аэростат стремится вниз, как только прекращается действие сданного балласта. Пилот может это предотвратить: кЬгда он заметит, что взлет аэростата прекращается, он должен отдать 1—2 кг, балласта подъемной силы). Теоретически каждая отдача балласта должна привести аэростат к тому, что он превысит зону равновесия, и это приведет его к последующему спуску. Положение, что не всегда отдача балласта вызовет реакцию «пуска, основано на том, что мы при этих вычислениях и рассуждениях не учли температурных изменений. При дневных полетах газ Вследствие действия солнечной радиации всегда теп-82
лее, чем окружающий воздух. Если аэростат поднимается, то газ охлаждается вследствие своего расширения (ср. § 16), а также и потому, что более холодный воздух соприкасается с оболочкой. Если же аэростат приходит в состояние покоя, то его температура быстро поднимается и обусловленное этим приращение в подъемной силе заменяет вынужденную отдачу балласта. Так как большая часть Времени взлета падает на среднюю фазу, то для практических целей время взлета можно вычислить с достаточной точностью, если мы учтем незначительность интервалов высоты, проходимых аэростатом в начале и конце движения. Если мы нормальную подъемную силу газа обозначим через Т„, диаметр аэростата через D, достигнутую вследствие отдачи балласта g высоту через £>, то для времени взлета Z с достаточной точностью получим: И =38,5]/^- = -^—Kg сек. (27) Диаметры аэростатов в 1200—1600 .и® мы можем с достаточной точностью принять за 14 м (соответствующее 1440 л3) и получим: Для D = 14 м и при наполнении светильным газом Z -12 К§ = 34 Kg сек. Для 79 = 14 м и при наполнениии водородом £=9,5 Кб = 20 Kg сек. Для 77=10,5 м (У = 600 ж3) при наполнении водородом Z = 10,5 к^ = 36 Kg сек. При этом надо заметить, что самая верхняя часть всей траектории взлета занимает несоразмерно больше времени. Примерно верхняя четверть высоты займет J/2, а верхняя сотая — 1Д0 всего времени взлета. 3. СКОРОСТЬ ПОДЪЕМА И СПУСКА АЭРОСТАТА С ПОСТОЯННЫМ ВЕСОМ ГАЗА Здесь условия существенно проще, чем в случае 1. Если мы пренебрежем колебаниями температуры, то положительная или отрицательная сплавная сила аэростата g ниже зоны выполнения остается постоянной; для массы его это само собой понятно. И все-таки только с известным приближением можно решить уравнение движения. Получается следующее: если аэростату, находящемуся на зоне равновесия, сообщается положительная или отрицательная сплавная сила, то он приходит в движение вначале с быстро возрастающей скоростью вверх или вниз. Но уже вскоре после того, как аэростат прошел расстояние в 60—80 д (За — 4 а), эта скорость начинает так медленно возрастать, что ее увеличение на каждые пройденные 1000 м едва составляет 2%. На практике эта скорость, так как мы пренебрегаем колеба-6* 83
нйямй температуры, может быть принята за постоянную. Тогда она будет равняться: ° ~ П м/сек, (28) где 7?о обозначает сопротивление .воздуха, относящееся к исходному уровню. Если мы будем иметь дело даже не с невыполненным сферическим аэростатом, то с достаточной для применения на практике точностью можем принять для аэростата его самое большое поперечное сечение. Мы можем, таким образом, для аэростатов в 600 и 1400 ,м3 сопоставить в нижеследующей табл. 7 положительную и отрицательную сплавную силу с соответствующими вертикальными скоростями. Числа в этой маленькой таблице представляют двойной интерес для разумного пилотажа. Таблица 7 Таблица скоростей подъема и спуска Сплавная сила g кг V = 600 л3 Г = 1 440 м- Сплавная сила g кг V = 600 V = 1 440 .М3 ' м/сек м сек м/сек м/сек 10 1,9 1.5 €0 4,7 3,6 20 2,7 2,1 7G 5,! 3,9 33 3,4 2,5 80 5,5 4,2 40 3,9 2,9 90 5,3 4,4 50 4,3 3,3 100 6,1 4,6 Скорости, сами по себе небольшие (прыжок с высоты в 1 .« дает конечную скорость ® 4,5 м/сек'), медленно ’возрастают с увеличением сплавной силы. Если аэростат спускается со скоростью в 2—3 м/сек, то спуск может быть ускорен только сильным открытием клапана. Если скорость спуска аэростата в 1440 № составляет 2,5 м/сек и должна увеличиться на 1 м/сек, то падо настолько открыть клапан, чтобы необходимое количество тормозного балласта увеличилось на 30 кг. Если аэростат спускается со скоростью 2—з м/сек, то пилот должен только в исключительных случаях, когда посадка необходима по эту сторону от определенного места, ускорить спуск открытием клапана; выигрыш во времени не находится ни в какой связи с увеличением количества необходимого балласта. Из скорости спуска можно сделать вывод о величине отрицательной сплавной силы. Если пилот произведет отсчет времени, в течение которого анероид покажет падение высоты на 100 м, то он тем: самым уже определит отрицательную сплавную силу, т. е. необходимое в данный момент количество тормозного балласта. Сконструированный д-ром Бештельмейером аэростатный ва-81
риометр дает возможность сразу прочитать эту скорость. Даже простое применение общеизвестных нарезанных бумажек, различно окрашивающихся в зависимости от скорости их падения, оказывает большую услугу. Пилот аэростата средней величины, измеряющий часто время, соответствующее прохождению высоты в 150 м, и отдачей балласта не допускающий, чтобы оно превышало 1 мин., что соответствует скорости спуска в 2,5 м/сек, может удерживать перегрузку ниже 30 кг с тем, чтобы она могла быть погашена при помощи гайдропа. Если нет теплых приземных слоев, то можно быть застрахованным от всех неприятных неожиданностей при посадке. Этот способ так удобен и требует так мало времени и внимания для его проведения, что, в интересах большей безопасности при посадке, он должен по возможности всегда применяться. Очень интересно' и важно сравнить скорости взлета выполненных и невыполненных аэростатов. Можно сделать такой вывод. Если выполненный и (достаточно) невыполненный аэростаты одинаковой величины, находящиеся на одном уровне, облегчены на одно и то же число кг, то для достижения своей новой зоны равновесия первый требует вдвое больше того времени, которое необходимо второму для взлета на ту же самую высоту. Какое практическое значение имеет этот вывод, показано в примерах 47—49. 3. ТОРМОЖЕНИЕ АЭРОСТАТА Если отдается строго необходимое количество балласта для торможения аэростата, то его отрицательная сплавная сила становится равной нулю; но он все же продолжает опускаться вследствие своей живой силы. Его скорость быстро уменьшается, но совсем исчезнуть не может. После прохождения расстояния в 4 <7 — 80 м скорость уменьшится до 1/50 своей первоначальной величины, так что можно с этого момента на практике не принимать ее во внимание; только посадка прекращает это движение. По прохождении расстояния в 20 м скорость уменьшается приближенно до 2/5, мосле 40 м приближенно до 1/8. Если надо совершенно затормозить спуск на коротком расстоянии, то это возможно произвести только при помощи переброса и при том большого переброса балласта. Если переброс будет 100%, т. е. отдано двойное количество тормозного балласта, то аэростат пройдет еще 7ю ° = 13 1м ниже; при перебросе в 50%' — еще 20 м, при 10%—еще 50 м, Отсюда следует, что именно при посадке, при отсутствии гайдропа, переброс будет неизбежным. Здесь принимаются во внимание, конечно, интервалы высоты в 70—80 м; если на более коротком расстоянии аэростат должен быть остановлен, то надо перебросить более 10% и вновь приобретенная сплавная сила должна быть парализована в соответственный момент путем открытия клапана. Самое верное средство предотвратить переброс при посадке — это гайдроп. Но пилот всегда должен не упускать из виду, что влияние сброшенного балласта практически обнаруживается только по истечении некоторого времени. Если, напри-85
мер, тормозной балласт был отдан в то время, когда аэростат спускался со скоростью з м/сек, то он пройдет следующие 40 и, причем скорость уменьшится до 1/во в течение1 Р/2 мин. Если у аэростата в момент отдачи балласта была другая вертикальная скорость, то эти времена будут ей обратно пропорциональны. Если не обращать вжимания на это соотношение, а также при известной нервности too время отдачи балласта, можно легко перебросить 50%, а потому правильно и точно рассчитанный тормаз-ной балласт окажется недостаточным. Регулирование скорости спуска, как это было разъяснено в разделе 2, и окончательное торможение при помощи гайдропа будет самым верным средством для предотвращения переброса и перерасхода балласта. 4. ТОРМОЖЕНИЕ ПРИ ПОМОЩИ. ГАЙДРОПА Аэростат в конечном счете обладает еще перегрузкой, которая меньше веса гайдропа. Если 1 м гайдропа весит р кг, то перегрузка эта аннулируется, когда, после того как гайдроп коснется земли, аэростат спустится еще на М и ph станут равны перегрузке. Сам же аэростат обладает тогда еще живой силой и спускается, независимо от веса гайдропа, на расстояние о, приближенно ранное 20 м (это то расстояние, на которое поднимающийся аэростат переходит Свою зону равновесия, ср. раздел 1). Вследствие этого аэростат приобретает сплавную силу, равную весу 20-.V гайдропа и опять поднимается вверх, выбирая гайдроп; постепенно таким образом увеличивая свою нагрузку, он с уменьшающейся скоростью возвращается в свое положение равновесия, переходит его вверх и колеблется, таким образом, около него, причем эти колебания быстро затухают. Только при очень легком гайдропе, метр которого весит менее 100 г, он будет, идя вверх с постоянно1 уменьшающейся скоростью, апериодически стремиться занять свое положение равновесия. Так как, спускаясь, аэростат переходит приближенно на 20 м свое положение равновесия, то, принимая высоту домов, деревьев и т. д. около 20—зо.и, последнее должно лежать на высоте около 50 м над землей, а поэтому гайдроп не должен быть слишком коротким. Целесообразнее tooero составлять его из двух частей так, чтобы около 50 м легкого каната связывало аэростат с тяжелым канатом, который в сущности и является средством для разгрузки аэростата. Пример 47. Из осажденной крепости вылетели: аэростат в 600 .и3 наполненный водородом, и аэростат в 1440 м3, наполненный светильным газом; оба выполненные: первый с 7, а второй с 9 мешками сплавной силы. Какое расстояние они прошли до достижения своих нормальных высот при скорости ветра в 10 м/секУ При помощи наших графиков мы находим что нормальные высоты их будут соответственно 990 и 910 м. Формула (27) дает время взлета в 330 и 555 сек. Пройденное расстояние равно приближенно 3,5 км, причем меньший аэростат, наполненный водородом, при почти равном полезном- грузе поднялся приближенно на 100 м 86
выше. Всякий невыполненный аэростат с одинаковой сплавной силой достиг бы своей высоты ® два раза скорее. Пример 48. Из осажденной крепости должен вылететь аэростат в 600 м3, причем он должен достичь высоты, по крайней мере, в 2500 м Скорость ветра 36 тйи в час; аэростат должен достичь высоты в 2000 'М, прежде чем он пройдет путь в 5 км. Сколько куб. метров водоррда потребуется для его наполнения, чтобы он мог захватить с собой максимальное количество документов, подлежащих (вывозу? Мы находим при помощи наших графиков I и II, что мы можем 600 м3 водорода на высоте в 2500 м нагрузить 526 кг. Это, следовательно, и будет наибольшая возможная нагрузка. Для получения большой скорости при взлете мы вылетим на невыполненном аэростате, а в интересах достижения наибольшего полезного груза зону выполнения подсчитаем на высоте 2000 м. С помощью высотных чисел или же нашего графика мы находим, что нам надо наполнить аэростат 467 м3 водорода, которые могут поднять 560 кг. Скорость ветра требует, чтобы аэростат взлетел со скоростью в 4 м/сек; с этой целью мы должны ему дать, согласно вышепомещенной таблицы, сплавную силу в 40 кг; нагрузка при взлете может поэтому равняться 520 кг (следовательно, меньше, чем допустимая нагрузка для высоты в 2500 м). Если мы примем вес аэростата в 232 кг, вес пилота в 76 кг, 6 мешков балласта для полета в 72 кг, то для депеш и прочего груза остается еще 140 кг. Нагруженный таким образом и наполненный 470 л® водорода аэростат взлетит в течение 8‘/3 мин. на высоту в 2000 м, чтобы в следующие 3®/4 мин. достичь своей зоны равновесия на высоте в 2600 лг.' Пример 49. Офицеру-воздухоплавателю дано важное задание выпустить днем свободный аэростат из осажденной крепости, чтобы он не пострадал от неприятельского огня. Дело здесь в определении скорости взлета, которая должна быть дана аэростату, чтобы ветер определенной скорости не отнес бы его в зону огня неприятельской батареи. Как надо поступить В этом случае, можно показать на простом примере. Стреляющие на дистанцию 7 км орудия для настильной стрельбы находятся по направлению ветра в 12 км расстояния. Если принять, что при максимальной дальности стрельбы траектория снаряда поднимается на высоту 1000 м, а угол падения снаряда достигает около 60°, то мРжно обезопасить аэростат, если после сноса аэростата ветром на 6 юи он поднимется на высоту 1 км. Отсюда вытекает правило: скорость взлета должна равняться Ч6 скорости ветра. Это правило может оказать хорошие услуги и в других условиях. Отсюда можно составить для водородного аэростата в 600 м3 следующую небольшую таблицу (табл. 8). Мы видим, что надо начинать с малых сплавных сил. При этом аэростат не должен быть выполненным, но соответственно с его зоной выполнения в 1000 м он должен быть наполнен 530 м3. При этом количестве водородного наполнения и при данной сплавной силе аэростат достигает и данных нормальных высот.
Таблица 8 Таблица скоростей ветра и подъема Скорость ветра м/сек Скорость взлета М/Сек Сплавная сила кг Нормальная высота м 3 0,5 1 1010 6 1 3 1030 9 1,5 6 1070 12 2 10 1120 15 2,5 17 1200 18 3 24 1300 Если опасаются за безопасность аэростата при расстоянии места старта от батареи в 12 к!м, и находят, чтЬ лишь на высоте в 2000 м можно считать себя безопасным, то числа в первых трех столбцах этой таблицы остаются в данном случае применимыми. •Но тогда надо только наполнить аэростат 405 л3, и высота зоны 'выполнения поднимется на 'высоту в 2000 м. 5. КОЛЕБАНИЯ АЭРОСТАТА Все рассуждения в этом параграфе велись без учета изменений температуры газа и атмосферы. Последние надо принимать тем больше во внимание, чем меньшая положительная или отрицательная сплавная сила чисто механического происхождения действует на аэростат. Вместо ожидаемого подъема или спуска аэростата могут наступить переменные движения его вверх и вниз, колебания возле среднего положения равновесия. Если аэростат пошел вниз, следуя очень малой перегрузке, может быть оттого, что отдача балласта или порыв ветра подняли его над зоной равновесия, а затем вследствие сжатия температура его газа поднялась быстрее, чем температура проходимых им сиое’о воздуха, тогда аэростат приобретает сплавную силу, и, наоборот, когда он поднимается опять вверх в свое положение равновесия, газ охлаждается ниже температуры окружающей атмосферы. Для того чтобы таким образом всегда при переходе зоны равновесия появлялась сила, направленная в этой з'оне, как у качающегося маятника, должен просто иметь место случай L III (фиг. 2). При незначительности действующих сил получаются небольшие скорости, так что сопротивление воздуха очень мало умеряет эти колебания. Продолжительность этих колебаний (это слабо затухающие гармонические колебания) легко можно вычислить. Если при проходе по вертикали на 100 м изменится температура газа па у °, а температура атмосферы на ₽°, то для полного колебания, независимо от амплитуды отклонения, продолжительность сек. С29)
Если мы примем за крайний случай в нормальных атмосферных условиях изотермальный слой, ₽ =0, а для у его самое большое возможное значение, равное 1, то получим, что Т~5 мин. Это самое быстрое из возможных колебаний. Продолжительность колебания может с этого момента бесконечно увеличиваться (Y = p); но слишком медленные колебания уже не будут на практике иметь места, так как при наличии последних для газа было бы достаточно времени, чтобы уравнять свою температуру с окружающим воздухом. Пример 50. Пусть (ср. примеры 44—40) у = 0,4; р=о,2; продолжительность колебания имеем в 112/3 мин.; у—0,4, ₽ = 0,3 или у. = 0,3, р =0,2; тогда время на прямой и обратный ход поднимается до 16% мин. На многочисленных барограммах мы видим колебания, имеющие как-раз такую же продолжительность. 18. ХОД ПА ГАЙДРОПЕ В § 17 мы рассмотрели гайдроп, который при правильном его употреблении является верным вспомогательным средством для защиты от переброса балласта. Имея часть гайдропа на земле, невыполненный аэростат идет в положении устойчивого равновесия; при своих движениях вверх или вниз он приобретает благодаря выбранному или легшему на землю куску гайдропа надлежащую отрицательную или положительную " сплавную силу, приводящую его обратно в положение равновесия. Слабый ветер его слегка прижимает, более сильный ветер позволяет ему итти па гайдропе. ! Эти условия надо разобрать более подробно; самое существенное из этих условий мы находим в более упрощенном виде у привязного аэростата. Привязной аэростат поднимается при полном штиле; 1 ,м троса весит р кг. Мы должны различать, является ли поднимающийся аэростат аэростатом с постоянным объемом или с постоянным весом газа. Аэростат с постоянным объемом V, например выполненный свободный аэростат или змейковый совершенно выполненный аэростат, при подъеме выпускающий газ через клапан, уменьшают подъемную силу на 1/8000 своей величины всякий раз, как они поднимаются на 1 м. Если подъемная сила газа на месте подъема равна Т кг, то наполняющий газ обладает на высоте h м подъемной силой, равной У Т—УТкг. Если газ был нагружен на месте подъема G кг, то нагрузка на высоте h увеличилась на вес выбранного троса, на ph кг. Максимальная высота поэтому определяется следующим уравнением: откуда получаем: нт-Г Д = 8000-р..г м. (30)
Если же, с другой стороны, аэростат наполнен только V м3, потому что он до того спустился с максимальной достигнутой им высоты, и мы вторично производим подъем змейкового аэростата, не подполнив его газом (объем газа У' в месте подъема тогда бу-v дет равен —, где п есть высотное число, соответствующее максимальной достигнутой до этого Высоте), то он будет подниматься с постоянной подъемной силой V'T, а максимальная высота подъема, на которой нагрузка будет опять равна G + ph, определяется П'Т— (1 (30а) (Для змейкового аэростата в обеих случаях' получим одну и ту же величину.) Допустим, что трос поднимается от лебедки вертикально вверх, натяжение на лебедке равно нулю. В то время как аэростат находится на своей возможной максимальной высоте, поднимается ветер силой в w м/сек; давление его на аэростат пусть равно К кг; давление его на трос не принимается во внимание. Трос от лебедки уже не будет подниматься вертикально вверх, но, если пренебречь его несовершенной гибкостью, оп при малейшем движении воздуха отклоняется от вертикали и образует кривую, так называемую цепную линию, идущую вверх к аэростату, находящемуся под (влиянием подъемной силы, натяжения троса и давления ветра в положении равновесия на более умеренной высоте. Подъемная сила аэростата осталась постоянной, так как он остановился па меньшей Высоте. Натяжение на лебедке теперь уже не равно нулю, но на нее действует горизонтально направленная сила, равная давлению ветра на аэростат, следовательно, К кг. Если лебедка не заторможена и барабан ее расположен достаточно высоко, то трос разворачивается больше, сперва он спускается, а затем, после прохождения низшей точки своего провеса, поднимается к аэростату, который спускается вое ниже; но длина троса от нижней точки его провеса до аэростата всегда, остается равной h м, и натяжение троса в нижней точке провеса будет постоянно К кг и направлено горизонтально. Если же лебедка заторможена, то новая меньшая высота /ц аэростата находится путем следующего построения (фиг. з). Пусть А — точка прикрепления троса, В — аэростат на максимальной высоте при штиле, так что мы имеем АВ перпендикулярным и равным h м. Проводим через В горизонтальную прямую и наносим на ней отрезок ВС так отложенный, чтобы он ® определенном масштабе соответствовал куску троса длиной ВС, весящему К кг; К — давление ветра на аэростат. Из точки С радиусом, равным ВС, описываем окружность, которая пересекает прямую, соединяющую Л с С, в точке D. Тогда h1 = AD есть максимальная высота подъема при этом ветре. Если скорость последнего увеличивается, то ВС увеличивается до ВС'. Радиус окружности 90
увеличивается, расстояние AD', а следовательно, и высота аэростата становится меньше. Это построение мы можем выразить при помощи формулы: fci = ~ - К] м. (31) При этом, как было сказано, не принимается во внимание давление ветра па трое; последнее легко может понизить эту высоту приближенно на 10%1. Похожими, но только более сложными, будут эти условия в том случае, когда аэростат не достигает своих максимальных высот, т. е. когда во время штиля натяжение на лебедке не равно ну- о г, лю. Для наших целей ®_________________£_________£____________. будет достаточным более - Т / | простой случай, потому L / / / ;что уравновешенный при у* / / / помощи гайдропа свобод- \\ / / / •ный аэростат является \ х. / / Привязным аэростатом на \ •своей максимальной вы- \ /^ / 'соте. / ’ Допустим, что бара- /Хчх/ j6an лебедки заторможен, / до лебедочная повозка / /и --------------------- ;сама не закреплена на / месте и лишь ее колеса / _ / слегка подторможены, так / 7 что силой к она может / / катиться по направлению / ветра. Если натяжение / троса, которое мы опре- э !/ делили в К кг, больше к, 7 то аэростат потянет за. собой повозку. Если гори- фиг’ ’ вонтальпая скорость, ко- торую *0 это время достигнет аэростат, будет равна и м, те ветер будет обдувать аэростат со скоростью (го— и) м/сек, и давление ветра К, соответствующее скорости го, уменьшится до давления К', соответствующего скорости (го— г). Пока К' остается больше к, скорость Движения повозки увеличивается до тех пор, пока, наконец, скорость v не достигнет такой величины, когда давление ветра К', соответствующее: скорости w — и, станет равным к кг. Аэростат находится теперь только под дейсвием ветра w— v, горизонтальное натяжение на лебедке- равно К' ~к кг. Условия, следовательно, будут такими же, как если бы лебедочная повозка оставалась на месте, а скорость ветра w уменьшилась бы д0 w — у) м/сек. Мы получим, таким образом, высоту подъема аэростата при двигающейся повозке, если в формуле (31) вместо К подставим силу, необходимую для движения повозки, потому что к равно К’, соответственно скорости -ветра (w — v). Чем сильнее
заторможена повозка, тем меньше будет скорость V, приобретаемая ею (она может оставаться равной нулю до тех пор, пока давление ветра не будет больше к), тем больше будет (w — V) и тем, следовательно, ниже высота подъема. Если повозка катилась бы согвер-шенио без трения, то высота подъема была бы точйо такой же, как при штиле, потому что аэростат достиг бы скорости w, и давление ведра стало бы равным нулю. Приложение всех этих разъяснений к спускающемуся свободному аэростату необыкновенно просто. Пусть последний при штиле спустился с отрицательной сплавной силой, меньшей веса гайдропа, длину которого мы обозначим через АВ. Кусок гайдропа длиной в АС, по teecy равный перегрузке аэростата, ляжет на землю и на высоте СВ на (вертикали С будет находиться аэростат в положении устойчивого равновесия. Эта высота вычисляется по формуле (30а); условия будут те же самые, что и у привязного аэростата, находящегося при штиле иа свой максимальной высоте. Для того чтобы [волочить по неровной почве конец гайдропа АС, надо приложить силу тяги в к кг. Но вот поднимается ветер W, давление ветра К на аэростат меньше к; тогда лежащий конец гайдропа остается спокойно лежать на земле, но кусок СВ не пойдет уже по вертикали, а касаясь в точке С земли, поднимается в виде цепной линии к аэростату, который опустится ниже. Мы имеем, таким образом, здесь случай привязного аэростата с неподвижной лебедкой; высота его вычисляется по формуле (31). Если же скорость ветра увеличивается таким образом, что давление ветра 'К становится больше к, то самая нижняя часть куска гайдропа СВ, всегда горизонтально лежащая, поволочит за собой часть АС, нс поднимая ее с земли. Тут мы имеем случай привязного аэростата, увлекающего за собой повозку. Аэростат двигается со скоростью V, причем эта скорость должна быть такой, чтобы ветер, обдувающий аэростат со скоростью (w— г>), производил бы па него давление К' ?= к кг, необходимое для того, чтобы аэростат поволочил за собой часть гайдропа АС постоянной длины. Пусть скорость ветра как угодно увеличивается, отрезки АС и СВ гайдропа не меняют своей длины, а скорость движения аэростата всегда устанавливается такой, чтобы давление ветра, соответствующее скорости (w-—v), оставалось равным к. Высота аэростата над землей определяется по формуле (31), где вместо >К Подставляют равное ему по величине к. Если приближенно принять положение, что трение гайдропа о землю следует законам скользящего трения, где сопротивление не зависит от скорости, То- к остается постоянным, а отсюда вытекает: высота над землей, на, которой находится идущий на гайдропе аэростат, не зависит от скорости ветра. С увеличением скорости ветра w увеличивается и скорость движения аэростата v таким образом, что (w — v), К'— к и высота его над землей h, остаются постоянными. Эта высота исключительно зависит от свойств поверхности земли, по которой волочится гайдроп. Чем большее сопротивление встречает волочащийся гайдроп, тем больше будет сила тяги, требуемая для его движения, с тем большей скоростью (w — w) дод-92
леей ветер обдувать аэростат; аэростат движется вследствие этого медленнее, и увеличивающееся давление ветра уменьшает его высоту. Чем легче скользит гайдроп, тем скорее ход аэростата, тем меиыпее давление ветра он претерпевает и тем больше увеличивается его высота. Если гайдроп, волочившийся по вспаханному полю или по сверщикам деревьев, переходит на луг, где он встречает значительно меньшее сопротивление, то аэростат немедленно поднимается Вверх. Пилот не должен в этом случае ошибочно приписывать аэростату новую сплавную силу, потому что ведь длина СВ гайдропа остается постоянной. При некоторых предварительных ориентировочных опытах, когда 60 м Ролочащегося гайдропа весили от 18 до 28 кг выявилось, что необходимая сила тяги по ровной почве не зависит; от скорости; удивительно, что при волочении по твердой песчаной дороге у обоих сортов гайдропа эта сила оказалась почти равной приближенно 25—28 кг. Это можно объяснить тем, что тяжелый гайдроп прокладывает себе борозду, по которой он легче скользит. При ’волочении по высокой мокрой траве потребовалось 23—30 кг. Для волочения по деревьям тяжелый гайдроп требует 44 кг, через деревянный забор, телеграфные провода и по лугу — 59 кг. Для волочения по густому лесу, несомненно', потребуется еще большая сила. Прежде чем мы сделаем отсюда выводы для применения гайдропа на практике, выясним количественные соотношения на нескольких примерах. Пример 51. Аэростат «О», V 637 м3, вес 232 кг, был использован в Пфальце для учебных целей в качестве привязного аэростата; аэростат наполнен светильным газом. Барометрическое давление было 750 мм. 1 м привязного троса весил 0,13 кг-, в гондоле, кроме наблюдателя весом в 75 кг, находилось еще 23 кг балласта и приборов. Какова будет максимальная высота подъема при штиле? При барометрическом давлении Ь 760 мм подъемная сила газа, наполняющего аэростат, равна 637 • 0,7 = 446 кг; более низкое давление понижает ее до 440 кг. По формуле (30) получаем высоту: п _ 80Э0 44О + еооо.01з — 595 М. При этих условиях аэростат вполне возможно применять в качестве привязного. Но поднимается ветер со скоростью 5 м/сек. Поперечное сечение аэростата равно 90 л2; если мы принимаем, что и при ветре аэростат сохраняет свою сферическую форму, то давление Ьетра будет (см. выше): /б =0,9-у-90-52 = 67,5 кг, и новая высота подъема по формуле (31) будет: h = Q/0,132-5952-j~ 67,52 — 67,5 j = 270 м. H/f
Вследствие своей незначительной сплавной силы, даже при небольшом ветре, этот аэростат не может быть применен в качестве привязного. Если же мы наполним его водородом, То?=1,2 кг, и возьмем в корзину еще одного наблюдателя, больше балласта и приборов, всего 450 кг, то при штиле максимальная высота подъема будет 1360 л; при ветре со скоростью в 5—10 м/сек она уменьшится соответственно до 940 и 400 м. Если аэростат должен быть использован И качестве привязного, то уже при умеренных ветрах надо отказаться от больших высот подъема, чтобы иметь возможность противопоставить давлению ветра увеличенную за счет веса троса сплавную сцлу. Уже при скоростях ветра от 10 до 12 м/сек, которые современный дирижабль, преодолевает без всякой для себя опасности, приходится, как показал опыт, отказаться пользоваться сферическим аэростатом в качестве привязника. Змейковый же аэростат, наоборот, пригоден для этой цели и при скорости ветра до 20 м/сек. Равным образом с объемом в 630 ж3, 'При собственном весе в 360 кг, он с добавочной нагрузкой в ПО кг может достичь максимальных высот в Берлине (при й = 760 мм) —1140 м и в Мюнхене (при Ь = 716 мм) — 930 jm. (С вершины Цугшпитца он может еще подняться на 140 м). Объем баллонета (130 л3) допускает еще несколько увеличить эти высоты (об этом см. § 20); однако приходится считаться с теттью от облаков или вообще с ослабленным лучепоглощепием, которое, особенно при выбирании лебедкой, сильно понижает грузоподъемность аэростата с постоянным весом газа; можно поэтому подниматься только на более умеренные высоты, чтобы быть уверенным, что при самой незначительной грузоподъемности вылущенный трас смог бы быть намотан на барабан с некоторым натяжением. Пример 52. Аэростат идет на гайдропе. Скорость ветра w м/сек. Какова будет скорость v аэростата? Ведер обдувает аэростат со скоростью («> — и) м/сек и производит на него горизонтально направленное давление K=R(w-~и/кг-, B = ±.o,O9~\ Эта сила должна быть равна по величине силе к, потребной для преодоления трения волочащегося по земле конца гайдропа. При помощи этих уравнений получаем: 6,5, г-г , v = w — у к м/сек. Отсюда для аэростата в 600 м3 v = w — 0,6 Vk м/сек, для аэростата в 1440 м3 v = w — 0,45 /fc м/сек. Для гайдропов, которые обычно употребляются, мы считаем к при (волочении .по лугу в 25 кг-, скорость аэростатов тогда будет на з и 2% м/сек меньше скорости ветра. Если к увеличивается 64 <
па 50 кг, то, разность скоростей будет 4J4 и 3 м/век. В действительности разности эти значительно меньше, так как ветер обдувает не сферический аэростат, а задерживается в «ложках» невыполненного аэростата. Множитель R может легко увеличиться вдвое, так что рассчитанные разности скоростей могут уменьшиться круглым счетом на 40%. Тайдроп должен, таким образом, подвергнуться очень сильному трению, чтобы удержать скорость аэростата в пределах на 2—3 м/сек меньше скорости ветра. Пример 53. На какой высоте идет аэростат на гайдропе? Допустим, что спускающийся аэростат уравновешен при штиле и идет на высоте ,h м над землей. Если поднимается постепенно усиливающийся ветер, то, пока гайдроп не движется, высота эта продолжает постепенно снижаться до тех пор, пока возрастающее давление ветра не заставит аэростат поволочить гайдроп. С этого момента высота при одинаковых свойствах почвы остается постоянной; с увеличением скорости ветра аэростат ускоряет свой ход на высоте, обусловливаемой только трением гайдропа. Очень трудно точно определить эту высоту, если гайдроп составлен из двух частей, обладающих разными свойствами, и отрезок из обеих этих частей лежит на земле. Мы возьмем гайдроп в 100 м длины и 36 кг весом, состоящий из 50 м каната весом в 26 кг, который прикреплен к аэростату при помощи брлее тонкого каната, тоже в 50 м длины, а весом в 10 кг. Легло как-раз 50 м каната, так что аэростат при штиле находится на высоте 50 м. Если аэростат идет, то мы можем новую высоту h вычислить по формуле (31), где кг- Тогда мы находим: к = 25 кг, ^ = 10 м, к = 50 кг, кЛ = 5 м. Такое громадное снижение мы могли уже ожидать по примеру 51. Если аэростат любой величины подвергнется на таком гайдропе торможению в 50 кг, например при ходе над лесом, то гондола глубоко врежется в верхушки деревьев. Над ровными лугами аэростат будет итти на высоте 10 л. Если мы пользуемся гайдропом, на поем своем протяжении имеющим одинаковую толщину, длиной в 100 м и весом в 36 кг, то 50 м первоначальной высоты при ветре снизятся до 16 и 9 уи. И тут при ходе над лесом гондола может оказаться ниже верхушек деревьев. Если гайдроп состоит из каната длиной в 60 м, весом в 28 и каната в 40 м, весом в 8 кг, причем эти 60 м будут лежать на земле, то высота аэростата будет только 6,5 и 5.5 м. Отсюда следует: Если аэростат должен итти на гайдропе, то волочиться по земле должен возможно короткий его отрезок. Если кусок гайдропа, который выбрал аэростат, слишком легок, то быстрое, сильное возрастание к, например вследствие того что какая-
нщбудь изгородь затормозила ход гайдропа, может повлечь удар корзины, столкновение ее с землей на почти полной скорости ветра (см. пример 52). Если этот кусок слишком легок, то аэростат слишком разгружен и получается своеобразный ход на гайдропе; этого надо при всех обстоятельствах избегать, даже уже при скорости ветра в 2— 3 м/сек. Если мы, с другой стороны, уравновесили при помощи гайдропа, обладающего одинаковыми свойствами на всем своем протяжении, аэростат на высоте в 70 м, то он пошел бы в этом случае! на высоте 29 и 16,5 м. Чтобы избежать всех недоразумений, я повторяю еще раз, что эти высоты не зависят от скорости ветра, а обусловливаются исключительно свойствами земной, поверхности. Пример 54. Как протекает ход аэростата па гайдропе над неровной земной поверхностью? Это тот случай, когда мы имеем дело с малыми неровностями, которые отзываются па увеличивающемся трении; теоретически его довольно трудно разобрать. Мы примем такое положение: аэростат идет над повышающейся местностью. Часто рассуждают при этом следующим образом и приходят к неправильным выводам. Чтобы аэростат не пришел в столкновение с повышающейся местностью, он должен подняться, уменьшающаяся же на более значительной высоте подъемная сила должна быть уравновешена дальнейшим оседанием гайдропа на землю, но скорость подъема вследствие подобной отдачи балласта мала: поэтому при значительном ветре и больших повышениях земной поверхности ход на гайдропе должен скоро прекратиться. Здесь, однако, допущено двойное заблуждение. Идущий на гайдропе аэростат является невыполнении аэростатом, подъемная сила которого не! зависит от высоты. Если аэростат, следуя по ветру, выбирает часть лежащего на земле гайдропа, что обозначает увеличение к, то он приобретает постоянную высоту над землей. Дальше ветер дует to таких случаях не в горизонтальном направлении, но принимает в нижних слоях, в которых идет аэростат, направление соответственно рельефу земной поверхности. Эти поднимающиеся ветры дают возможность самому аэростату преодолевать большие и расположенные на большом протяжении неровности земной поверхности; траектория движения аэростата воспроизводит в несколько ослабленной форме рельеф земной поверхности. Очень большой теоретический интерес представляет часто встречающийся на практике случай: идущий па гайдропе аэростат вдруг встречает неожиданные препятствия в виде участка леса, стены, дома и т. д., которые аэростат переходит. Какое-то место свисающей части гайдропа приходит в соприкосновение с верхней границей препятствия и давление в этом место выступает в виде новой силы, прибавляющейся к трем силам, находившимся до сих пор во взаимном равновесии (давление ветра, сплавная сила, натяжение каната); эта новая сила позволяет, не при слишком слабом ветре, осесть выбранйой части гайдропа и опять ее выбрать за препятствием. Так, например, для аэростата оказывается воз-96
ножным волочить лежащий гайдроп над лесом и домами, если скорость ветра превосходит определенную величину. Если же мы имеем дело’ с таким препятствием, которое превышает возможности аэростата, например, со скалой, то столкновения следует опасаться только при очень слабом ветре. Какое-нибудь ясно выраженное воздушное течение этим же препятствием отводится вверх и поднимает аэростат над препятствием. Вышеприведенная табл. 7 скоростей подъема и спуска показывает, что даже очень слабые ветры могут высоко поднимать аэростат. Именно с точки зрения рассмотренных в примере 53 условий можно сделать такой вывод: гайдроп, составленный из двух неравномерных частей, имеет свои недостатки. Гайдроп должен быть не слишком тяжелым, чтобы при благоприятных температурных условиях (см. § 17) не представлять собой ненужного балласта. Зимой лучше, пользоваться более легким гайдропом, чем летом. При этом гайдроп не должен быть слишком коротким, чтобы сохранялось достаточное расстояние между землей и аэростатом, а уравновешивание он должен допускать быстро и на коротком расстоянии. Этих преимуществ можно достичь путем составного гайдропа, что имеет большое значение при штиле. Но уже при сильном ветре эти преимущества превращаются в недостатки. Чем тяжелее волочащаяся по земле часть гайдропа, тем сильнее давление ветра на аэростат; чем легче гайдроп, тем это давление меньше. Чтобы избежать этих недостатков, пилот должен держаться следующего правила: если надо вести аэростат на гайдропе, то волочить по земле надо возможно короткий его конец. § 19. ПОЛЕТ «Quidquid agis, prudenter agas, et respice finem». «Обдумай всякое твое действие и помни всегда при этом о конце1», т. е. о конце полета, о спуске. Это прекрасное изречение должен всегда помнить каждый пилот. Всякий полет па аэростате распадается на три фазы: взлет, собственно полет и спуск. 1. ВЗЛЕТ Мы считаем само собой понятным, что аэростат должен отправляться в полет в безукоризненном состоянии и с неперэпутан-ными ©ерпвками управления. Многие с восхищением смотрят на «прекрасно выполненный аэростат» и с удовлетворением отмечают большое количество взятого балласта. Но это ошибочно. Взлет на выполненном аэростате имеет свои недостатки и должен применяться только в двух случаях: 1) если требуется возможно низкое положение первоначальной зоны равновесия для какого-нибудь целевого полета, например, для научно-исследовательских целей; 2) если дует порывистый или весьма сильный ветер, который при вялой оболочке невыполненного аэростата оказывает более сильное 7 Р. Эмдеп- 97
и неприятное воздействие на аэростат при 'взвешивании и выпуске последнего. 1 Во всех других случаях невыполненный аэростат представляет существенные преимущества. Способность у выполненного аэростата брать большое количество балласта является сомнительной; дойдя до высоты невыполненного, он не может: иметь на себе балласта больше, чем последний. Всякий избыток балласта должен быть отдан при предполагаемом подъеме вверх, что требует особого внимания и отнимает время у пилота. Вез всякой помощи, которая необходима только при инверсии температуры и при слишком слабой сплавной силе, невыполненный аэростат поднимается выше своей зоны выполнения; так как его воздухоизмещение до высоты его зоны выполнения остается постоянным, то поднимается он на эту высоту (§ 17) вдвое скорее выполненного аэростата; приблизительно в два раза скорее он поднимается на такой уровень, при достижении которого расположенные на земле здания, телеграфные и высокого напряжения провода не могут быть опасны для него или для свешивающегося вниз гайдропа. Кроме того, он лучше защищен от непредвиденных неожиданностей во время взлета, чем аэростат, сплавная сила которого постоянно уменьшается. К этим ценным преимуществам присоединяется еще одно — это значительная экономия газа, что во время войны, прп осаде крепостей может иметь значение. Если высота зоны выполнения лежит на 470 м над точкой, взлета, а поднимающийся выше, благодаря своей сплавной силе, аэростат окажется па первоначальной зоне равновесия между 500 и 600 м, то он может быть наполнен только на 94%. (соответствующее 470 м высотное число равно 1,06). Если аэростат наполняют из труб или в эллинге и допускают, что на солнце газ нагревается только на 10°', тЬ эйо означает уже увеличение объема на 10- 4°/0(1 i= 4 % таким образом в данном случае 10!%. газа может быть сэкономлено, что прп 10 полетах даст газ для одиннадцатого. Кроме того, выполненный аэростат растягивает свою оболочку на солнце (предосторожность против разрыва оболочки, ср. пример № 12), если после взвешивания аппендикс развязывают, то оболочка опадает. Тогда может быть и такой случай, что. несмотря на тщательное вз'озшивание, аэростат не поднимется. Поэтому, если только возможно, надо взлетать на невыполненном аэростате. Порывистые ветры — это злейший враг для начавшего взлет аэростата. Они придавливают его книзу, заставляют его спускаться даже тогда, когда они дуют 'в совершенно горизонтальном направлении, так как вследствие инерции аэростат не может сразу принять их скорость. Встречая на своем пути аэростат, они образуют на оболочке «ложки», а следовательно, известное количество газа уходит. Если в аэростате вследствие давления ветра образуется избыток давления в 1 рт. ст., то светильный газ выходит из аппендикса оо скоростью в 20 м/сек (ср. табл, скоростей истечения газа); из аппендикса с радиусом в 35 см в 1 сек. уходят 8 .к3; в течение з сек. аэростат приобретет перегрузку в 17 Кг и спустится. Водородный аэростат при этих же условиях
приобрел бы пятикратную перегрузку! Если же ветер дует порывами, то аэростату надо дать большую сплавную силу и выпустить с собранным гайдропом после того, как его взвесят, укрыв от ветра в каком-либо здании. Дымовые заводские трубы гораздо опаснее для взлетающего аэростата, чем здания равной с ними высоты. Высокие здания отклоняют ветер йверх и благодаря этому аэростат проносится над ними. Следовательно, тогда опасность столкновения значительно уменьшается. В данном случае- еще раз подтверждаются преимущества невыполненного аэростата, так как он несравненно' быстрее поднимается вверх. Метеорологически подготовленный пилот, который производит взлет в ясные зимние дни или в тихую летнюю погоду до восхода солнца или после его захода, всегда помнит, что он может встретить на высоте в 300 м или далее ниже инверсию температуры. Он поэтому будет всегда держать наготове достаточное количество балласта, чтобы, столкнувшись с этим невидимым потолком, его пробить (ср. § 12). И опять преимущество остается за невыполненным аэростатом, так как в более теплом воздухе газ поднимает свою температуру до той же разности температур с окружающей средой, которая была раньше; тогда без отдачи балласта пилот может пройти этот потолок. Если аэростату удалось преодолеть эти препятствия и он достиг на высоте в 300—400 м своей зоны равновесия, то начинается новая фаза его полета. 2. СОБСТВЕННО ПОЛЕТ Многие имеют неправильное представление о тех возможностях, которыми располагает пилот для управления своим аэростатом. Само собой понятно, что управлять аэростатом в горизонтальной плоскости невозможно. Пилоту часто приписывается возможность управлять своим свободным аэростатом в вертикальной плоскости, а также прп наличии благоприятных воздушных течений, хотя и в весьма ограниченном размере, влиять на направление и скорость полета. Это большое заблуждение. Управление в вертикальной плоскости, за исключением короткого времени, также лежит вне сил пилота; перед ним стоят ,в каждый момент две возможности: или вести аэростат на гайдропе или же вне зависимости от своего желания подниматься в более высокие слои. Обсуждение этих соотношений поможет нам решить следующий важный вопрос. Выполненный, построенный из хорошей материи аэростат, даже с открытым аппендиксом, может долго стоять н эллинге, не теряя сколько-нибудь заметно в подъемной силе. Количество балласта, потребное, чтобы компенсировать это уменьшение, представляет весьма незначительную величину по сравнению с тем расходом балласта, который необходим за тот же промежуток времени Ь полете, даже при благоприятных условиях в отношении ветра и радиации. Взаимный обмен молекул газа и воздуха через оболочку и 7* • 99
аппендикс (происходит при полете не в большей степени, чем при стоянке в эллинге; загрязнение газа играет здесь, как и у дирижабля, второстепенную роль. Необходимого по правилам количества балласта хватило бы для нейтрализации этого явления на много дней; и все же при самом тщательном пилотаже полет должен прекратиться через несколько часов. Ответ на оба вопроса дает следующее положение: невозможно лететь на невыполненном аэростате' — это возможно лишь тогда, когда он будет плавать на холодном слое ^воздуха. Удержать постоянную высоту на невыполненном аэростате так же невозможно, как удержать в покое идеальный шар на гладкой, лишенной трения плоской поверхности. Подобное равновесие было бы безразличным (неустойчивым) и устойчивость равнялась бы нулю; минимальная отрицательная или положительная сплавная сила спустила бы аэростат на гайдроп или подняла бы до своей зоны выполнения (если пренебречь случайными температурными влияниями). Но у пилота имеются вспомогательные средства в виде клапана и балласта. Действие балласта мы уже исчерпывающе разобрали в § 17. Всякая отдача балласта, которая поднимает аэростат во время его спуска, — это переброс; цель может быть достигнута лишь .в том случае, если отрицательная сплавная сила была бы совершенно или частично нейтрализована холодным воздушным слоем, на котором смог бы плавать аэростат. Если отрицательная сплавная сила в точности аннулируется отдачей балласта, то аэростат ни в коем случае не останавливается, а продолжает спускаться вниз, только с уменьшающейся скоростью; лишь после 60 м последняя уменьшается до едва ли достойных внимания величин; почти во всех случаях температурные услов!ия таковы, что при спуске появляется добавочная перегрузка. Чтобы полностью прекратить спуск, всегда приходится истратить гораздо больше балласта, чем это* требуется для парализования перегрузки. Вследствие отдачи балласта наступает состояние полного прекращения спуска, но не состояние покоя; здесь имел место переброс, аэростат изменяет направление своего движения и идет вверх на новую зону равновесия, которая всегда выше начальной зоны. Последняя всегда бывает превзойдена и при некоторых обстоятельствах довольно значительно, если причина, вызвавшая спуск, в это время исчезла, потому что весь отданный балласт тогда является переброшенным балластом; увеличение высоты полета будет таково же, как если бы балласт был сброшен с начальной зоны. Всяким сбросом балласта, который не будет поддержан благоприятным в отношении температуры слоями, возможно только или оттянуть спуск или превратить его в подъем, но не привести аэростат в полное состояние покоя. Всякая отдача балласта, препятствующая спуску на гайдроп, является перебросом. Исследуем дальше действие клапана. Невыполненный аэростат поднимается вверх, и открытием клапана он должен быть приведен В состояние равновесия. Практически сделать это невозможно, too
даже если вышедшее количество газа случайно в точности и уравняло бы сплавную силу, и аэростат, поднимаясь вверх приблизительно на 60 уи> обладал бы еще лишь незначительной скоростью; все равно, всегда имеющие место колебания радиации и температуры сейчас же бы нарушили его движение. Слишком малое открытие клапана подняло бы только высоту его зоны выполнения; в Другом случае аэростат спустился бы ниже своего прежнего положения. Отдача балласта действует слишком слабо или поднимает аэростат выше желательного положения. Попеременно пользуясь клапаном и балластом, пилот может заставить невыполненный аэростат колебаться некоторое время около среднего положения подобно тому, как можно помешать упасть шару с доски, наклонйя ее то в ту, то в другую сторону.) Расход газа и балласта был бы при этом настолько велик, что пришлось бы прекратить полет через несравненно более короткий промежуток времени, чем в том случае, если позволить стремящемуся вверх аэростату подниматься. Каково же действие клапана на поднимающийся выполненный аэростат? Последний выпускает газ через аппендикс до тех пор, пока не будет аннулирована его сплавная сила. Если в это время открыть клапан, то вся разница будет заключаться только в том, что газ, вместо того чтобы выходить через аппендикс, выйдет через клапан, а при слабом открытии клапана через оба эти отверстия. Если закрыть клапан преждевременно, то аэростат будет двигаться в том направлении, куда бы он пошел и без открытия клапана, или аэростат пойдет с гайдропа вниз, если Только вследствие отдачи балласта он не поднялся до зоны равновесия, которая стала выше по причине открытия клапана Пусть пилот запомнит поэтому золотое правило: всякий хлопок клапана увеличивает высоту зоны равновесия аэростата в том случае, если весь дальнейший полет не будет заключаться лишь в ходе на гайдропе. Пусть он внимательно оценит сложившуюся обстановку, несколько раз взвесит все последствия, прежде чем возьмется за клапанную веревку, так как всякий хлопок клапана равносилен укорачиванию времени полета. Открывать клапан следует, например, ® том случае, если в целях ориентировки нужно спуститься ниже облаков, когда имеются данные, что необходимо сделать посадку; здесь поднятие барограммы опять идет за счет укорачивания продолжительности полета. Открытие клапана целесообразно', если надо быстро прекратить полет и нельзя ждать нормального спуска или если надо встать на гайдроп. Но подобные случаи встречаются относительно редко. Существует только один случай, когда пользование клапаном не только целесообразно, но и необходимо, — это тот случай, когда он служит при намеренной посадке для предотвращения действия переброса балласта. Большое число полетов проходит без пользования клапаном; в преобладающем большинстве случаев пользуются им лишь в конце полета, если к этому вынуждает переброс. С положением, которое кажется парадоксальным, что всякое
открытие клапана при продолжении полета, ведет к подъему 'Вверх, мы можем рядом поставить и другое не менее удивительное положение: всякая нагрузка, отягощающая аэростат — будь то роса, дождь или снег, — ведет к увеличению высоты полета; это объясняется тем, что всякое увеличение нагрузки принуждает аэростат к спуску и требует, если необходимо избежать посадки, отдачи балласта. Если балласт и останавливает падение аэростата, то при неизбежном перебросе барограмма поднимается. Длительные осадки, требуя непрекращающегося переброса, гонят аэростат вверх, если только не удастся быстро замедлить его падение. Если балласта не хватает, чтобы уравнять и превзойти это увеличение нагрузки, то полет быстро приходит к концу; в другом случае происходит подъем барограммы, соответствующий перебросу, и соответственно с этим укорачивается продолжительность полета. Очень трудно вычислить увеличение нагрузки, которое получает аэростат вследствие атмосферных осадков. Если принять, что последние виде воды равномерно распределяются по верхней половине аэростата, образуя слой толщиной в 0,5 Мм, то вес их в килограммах выражается тем же числом, как и поперечное сечение аэростата в квадратных метрах. Таким образом аэростат в 600 м3 отягощается на 85 кг, а в 1440 м— на 150 «т. Соответственно этим данным можно вычислить вес слоев и другой толщины. Что касается снеговой перегрузки, то на этот счет не имеется никаких опытных данных. Если же, наконец, снег или дождь прекращаются и, благодаря испарению, аэростат становится сухим, то все отданное количество балласта становится переброшенным балластом, и барограмма быстро идет вверх. И в конечном счете всякое уменьшение лучепоглощения, всякая облачная тень, которая не проходит быстро, увлекает аэростат вверх. Первое действие — это уменьшение температуры и уменьшение объема газа, вызывающие нередко очень большую' перегрузку, влекущую за собой падение аэростатов. Мы знаем (§ 14), что всякое уменьшение температуры газа вызывает отрицательную сплавную силу в 4°/00 от веса вытесненного воздуха. Величину ее наиболее просто можно представить, если заметить, что на высоте 2000 м 1 ,.м3 воздуха с допустимым приближением весит 1 кг. Аэростат в 1000 м3 приобретает, независимо от рода наполнения,-на каждый градус понижения температуры наполняющего газа отрицательную сплавную силу округленно в 4 кг. Если облачность понижает температуру газа на 10°, то, чтобы затормозить падение, потребуется 40 кг балласта. Каждый пилот может вспомнить из своей практики случаи излишне больших расходов балласта, (вызванных облачностью. В этих случаях нужно учитывать неизбежный переброс балласта, который заставляет барограмму подниматься. Если лучепоглощение опять достигнет своей начальной {величины, то благодаря переброшенному балласту, правда, увеличится -высота зоны равновесия, но зато сократится продолжительность полета. Всякая облачная тень, быстрое рассеяние которой не предвидится, заставляет аэростат подниматься вверх. То, 102
что' получается при рассеянии облачности, повторяется, но в гораздо большем масштабе, при переходе ото дня к ночи. Исключительный расход балласта, который, требуется при переходе от дневного к ночному полету, с .проходом солнца обнаруживается как вынужденный переброс. jfw видим, что всякое нарушение равновесия, направлено ли его действие вверх или вниз, поднимает в конечном счете аэростат вверх за счет балласта и длительности полета. Также и повышение температуры газа вследствие солнечной радиации в этом отношении является вредным, как только полет будет продолжаться to дневные часы при уменьшившейся радиации. При постоянных соотношениях температуры и нагрузки аэростат в спокойной атмосфере, при полете на одинаковой высоте, не уменьшал бы своей подъемной силы и вел бы себя подобно аэростату, находящемуся в спокойном положении в эллинге. Всякое возмущение равновесия, которое он претерпевает, вынуждает пилота пользоваться балластом, что сокращает продолжительность полета. Полет продолжается до заключительной своей фазы — спуска — до тех пор, пока аэростат не достиг своей максимальной высоты, которую мы называем конечной высотой. Эта конечная высота, при данных величине' аэростата и роде наполняющего газа, определяется количеством балласта, который может быть израсходован до начала спуска, а также конечными температурными условиями. Не всегда бывает возможно достичь конечной высоты. Нагрузка от дождя или снега, слишком недостаточный запас балласта при длительной облачности или при полете, продолжающемся и ночью, могут и раньше заставить окончить полет. Конечная Высота определяется законом балластного действия и данными температурами газа и воздуха. Пример 55. Если аэростат «Петтенкофер» наполнен в Мюнхене в эллинге при 6 = 715 мм и 0=15°, то газ можно нагрузить весом около' 900 кг. До начала спуска может быть израсходовано 140 кг балласта, тогда соответствующая высота получится приближенно в 1350 \м (§ 10); температура воздуха в 7°' снизила бы ее на 200 м (§ 12), по нагрев светильного газа на 40° выше температуры Воздуха поднял бы аэростат приближенно на 1000 м выше (§ 13), так что высоту над Мюнхеном в 2150 или 2670 м можно считать абсолютной конечной высотой. Когда аэростат достигнет этой высоты, безразлично в короткий или же длительный промежуток времени, надо считать, что собственно полет закончится. Искусство пилотажа состоит в том, чтобы эта конечная высота была достигнута при возможно медленном подъеме и в возможно длительный промежуток времени. (Полет на высоту с точки зрения техники пилотажа не является искусством; если имеющееся в запасе количество балласта уже израсходовано, то значит в этот момент аэростат и достиг своей максимальной высоты.) Об искусстве пилотажа можно судить только при полете на продолжительность; полет на расстояние в> большинстве случаев
зависит Ьт случайности, так как нилот не может на продолжительное время выбирать высоту своего полета: условия ветра в более высоких слоях можно узнать лишь путем подъема вверх, а следуемый за этим возврат в нижние, оказавшиеся более благоприятными для длительного в них пребывания, слои уже невозможен. Конечная высота, при одинаковой величине аэростата и одинаковом количестве балласта, зависит от рода наполняющего газа и условий радиации. Чтобы быть независимым от этих двух факторов при оценке «доброкачественности» полета, вводят вполне целесообразно, вместо барограммы, другую оценку, а именно средний расход балласта в единицу времени, а именно в час. Чем он меньше, тем медленнее поднимается аэростат до своей конечной высоты. Применяя этот масштаб, мы можем сравнивать в отношении техники пилотажа аэростаты, наполненные водородом, с аэростатами, наполненными светильным газом. В отношении лучепоглощения эти аэростаты ведут себя различно; но это обстоятельство мы можем теперь не принимать во внимание, так как окончательная высота барограммы не связана с расходом балласта. Наоборот, все, что заставляет оба аэростата спускаться вниз, влияет на них в абсолютно одинаковом отношении. Что касается нагрузки от осадков, то это понятно: понижение температуры газа вызывает проявление отрицательной сплавной силы в 4°/со от вытесненного веса воздуха (§ 14). Необходимое количество тормозного балласта, таким Ьбразом, не зависит от природы наполняющего газа; количество же переброшенного балласта будет увеличиваться или уменьшаться в связи с израсходованным количеством балласта и в среднем составит постоянный процент, который зависит от искусства пилота. Отсюда следует: часовой расход балласта, при равной величине аэростатов, не зависит от рода наполняющего газа, а при равном количестве балласта также и от длительности полета. В отношении же подъема барограммы получается существенная разница. При равной величине аэростатов нагрузка водородного аэростата, если пренебречь температурными влияниями, на 70% больше, чем при наполнении светильным газом. По закону балластного действия в первом случае повышение барограммы при абсолютно равном расходе балласта на 70% меньше, конечная высота па 70%. меньше той, которую может достичь при равном запасе балласта аэростат, наполненный светильным газом. Барограмма аэростата, наполненного водородом, будет подниматься на 70% медленнее, а это большое преимущество с точки зрения пилотажной техники, если необходимо использовать благоприятное течение воздуха. Эти рассуждения применимы в предположении, что величина обоих аэростатов' и количества имеющегося в запасе балласта равны. Но в действительности редко случается, чтобы эти оба предположения имели место. На 70 %! большая подъемная сила водородного наполнения только в весьма редких случаях уравновешивается весом, не расходуемым во время полета; запас балласта обычно бывает значительно больше, а так как часовой расход 104
его остается таким же. то продолжительность полета пропорционально увеличивается. В большинстве зге случаев большая подъемная сила водородного аэростата реализуется меньшим объемом аэростата; количество тормозного балласта, необходимое при одинаковом понижении температуры газа, пропорционально объему. При одном и том же облачном покрове аэростат в 600 м3, наполненный водородом, приобретет почти вдвое меньше отрицательной сплавной силы, чем аэростат, наполненный светильным газом, объемом в 1200 .и3; количества тормозного балласта будут относиться, как 1 :2, и так же будут Ьтнсситься приближенно и количества переброшенного балласта. Таким образом выявляется, с точки зрения техники пилотажа, исключительные преимущества водорода. Итак, вследствие перехода к аэростату меньшего объема, уменьшается часовой расход балласта, удлиняется, при одинаковом запасе балласта, полет; подъем барограммы, и без того уже при равных размерах аэростатов на 70 % i меньший, еще более уменьшается. Вне зависимости от желания пилота барограмма у малого водородного аэростата будет подниматься медленнее. Эти последние рассуждения, само собой понятно, относятся и к аэростатам различной величины и одинакового наполнения. Сопоставим еще раз эти различные свойства у аэростатов, наполненных водородом и светильным газом: 1. Если балласт рассматривать, как определенную часть подъемной силы наполняющего газа, то при полете на 'высоту все исключительные преимущества находятся на стороне аэростата, наполненного светильным газом. 2. У аэростатов равной величины часовой расход балласта один и тот же|; но все же барограмма водородного аэростата поднимается почти на 70% медленнее. 3. Если количества балласта, имеющиеся в» запасе на аэростате с водородным наполнением и с объемом и на аэростате, наполненном светильным газом, с объемом V,, обозначим через иЖ2, то израсходованные в час количества балласта относятся, как V, : V2 и возможная продолжительность полета, как F2^i : Fi^. И без того, согласно п. 2, несравненно меныпий подъем барограммы еще раз уменьшается в отношении Vi: V2. Подъем барограммы у аэростата, наполненного светильным газом, при этом дан таким, каким он обусловливается только расходом балласта, без учета полезного действия лучепоглощепия. Так как очень важно произвести с данной массой газа возможно длительный полет, приходится искать способы для уменьшения расхода балласта и понижения подъема кривой барограммы. Этого принципиально можно добиться двумя путями: или снабдить аэростат соответственным механизмом, или снабдить пилота приборами для немедленной верной оценки поведения аэро-6 Ш Вернее всего поставленная цель была бы достигнута в том случае, если бы аэростату была сообщена так называемая «динамическая» подъемная сила, хотя бы при помощи подъемных винтов. Винт, подъемная сипа которого соответствовала бы перегрузке спу-
сдающегося аэростата, сделал бы ненужной всякую Ьтдачу балласта; можно было бы на невыполненном аэростате итти на любой высоте. Опытов в этом отношении произведено не было; снаряженный таким образом аэростат утратил бы свою простоту и, несмотря па значительные преимущества, мог бы быть использован ® очень ограниченных случаях. Более подходящей является мысль снабжать аэростат баллонетом. Теорию баллонета мы изложим в: следующем параграфе. Там мы увиддм, что при его помощи можно уменьшить подъем барограммы до нуля, однако без соответственной экономии балласта. В § 20 будет дана также теория «кольца Пешеля», которое преследует ту яге цель. Следует также испытать еще одно средство, обещающее, несмотря на Свою исключительную простоту, реальные результаты. Оно заключается в том, чтобы сделать оболочку, по возмояшости, более отражающей солнечные лучи путем ее металлизирования. В такой оболочке газ значительно меньше будет нагреваться под влиянием солнечной радиации; получится то яге, что мы имеем, когда подвергаем действию солнца ртуть в термометре, шарик которого посеребрен снаружи или закопчен. Аэростат, наполненный светильным газом, только Ь очень незначительной степени использовал бы лучепоглощение и утратил бы в высоте подъема. Прибли-ягенно в той ясе степени, как замедляется повышение температуры газа, уменьшается и падение температуры при ослаблении радиации.; Если бы облачность уменьшила бы вдвое разность температур газа и (воздуха и если металлизирование допустило бы поднятие температуры газа только' на половинное ее значение, то потребовалось бы в два раза меньше тормозного балласта, и приближенно в такой же степени уменьшились бы переброшенный балласт, расход балласта в час и подъем барограммы. Кроме того, радиация самой оболочки также уменьшится, наступающее при ночных полетах понижение температуры газа по отношению к температуре воздуха уменьшится, уменьшится расход балласта и в значительной мере устранится возможность нагрузки оболочки росой. Крайне желательно было бы поставить опыты, касающиеся веса и устойчивости металлизирования, и определить, в какой степени оно в действительности может привести к ожидаемым результатам. Ту яге цель — понижение температуры газа — можно было бы достичь путем применения предохранительной оболочки, покрывающей на некоторой площади верхнюю часть аэростата, если только в промежутке между этими оболочками будет происходить достаточно интеиейв'ная вентиляция. Можно ли достичь этой вентиляции простым способом — это вопрос; опасность образования росы (весьма мало уменьшится, аэростат потеряет в простоте и вес его увеличится. Тех же результатов, ио гораздо более ощутительных и гораздо' более 'простым путем можно достичь металлизированием. Преяеде чем рассматривать приборы, которые находятся в распоряжении пилота, следует вспомнить, что все наши рассуждения о высотах подъема, расходе балласта, действии балласта, наше
рушении равновесия и т. п. имели в виду наличие в вертикальном направлении неподвижной атмосферы. Движения воздуха с вертикальными компонентами, однако, как раз встречаются очень часто, и даже при малых скоростях последние производят крайне сильное действие, на аэростат, как это может показать вышепомещен-ная таблица 7 вертикальных скоростей при подъеме и спуске. При этом эффект восходящих и нисходящих токов различен. Поднимающийся, без расхода балласта, под действием восходящего потока аэростат приобретает отрицательную сплавную силу, которую легко вычислить по балластной формуле, и при малой скорости он достигнет своего положения равновесия несмотря на наличие отрицательной сплавной силы вследствие давления воздуха снизу. Наоборот, направленному вниз Воздушному потоку противостоит аэростат, сделавшийся невыполненным, с нулевым сопротивлением, и мале|йший нисходящий ток воздуха может спустить аэростат на гайдроп, тем более что в таких случаях редко можно ожидать остановки из-за изменения температуры. Если над местностью, менее нагретой солнечной радиацией, чем окружающая ее среда, например, над озерами, реками, болотистыми местами, даже лесами, образуются нисходящие воздушные течения, которые, по опыту, достигают значительных высот, то эти течения привели бы неспособный противостоять им аэростат на гайдроп, если не противодействовать этому путем отдачи балласта, который проявится затем как переброс, когда аэростат окажется после над более благоприятной для него местностью. Нельзя установить определенные правила, как должен себя вести пилот в тех случаях, когда он попадает в вертикально направленные воздушные течения; только опыт и известного рода инстинкт помогут ему правильно вести аэростат. При больших вертикальных скоростях пилоту лучше всего не трогать ни клапана, пи балласта; перегрузка и сплавная сила, которые он может сообщить аэростату, в большинстве случаев очень малы по сравнению с внешними силами, действующими на аэростат; восходящий воздушный поток со скоростью 10 м/сек поднимет выполненный аэростат в 1440 ,и3 с силой, равной 0,09 73 • 150 • 102 = 450 кг. Недостаточное открытие клапана окажет только то- действие, что газ будет уходить, кроме аппендикса, еще и через клапан, не понижая высоты подъема. Слишком же длительное открытие клапана может легко сделать потерю газа чрезвычайно опасной. Если воздушное течение гонит аэростат Щ'зрх на высоту, па которой, благодаря имеющемуся еще на нем запасу балласта, аэростат не может быть уже уравновешен, то тогда появляются такие неблагоприятные условия, с которыми бессильно бороться какое бы то ни было управление аэростатом и которые можно только смягчить тщательно соразмеренным резервным балластом. В большинстве случаев увлекаемый вверх аэростат можно облегчать еще отдачей балласта. Последний .вскоре потребуется, когда воздушное течение прекратит свое действие; уже облегченный аэростат тогда быстро выравняется и общий расход балласта будет меньше. С другой стороны, кажется, что при сильном снижении аэростата следует, по возможности, дольше воз-10?
держиваться от отдачи балласта, чтобы избежать большого переброса, в случае, если воздушное течение прекратится. Если балласта недостаточно, чтобы затормозить аэростат на высоте 200 — 300 м, то обычно обстоятельства складываются так, что пилот становится бессильным в борьбе с ними. Если вертикальные перемещения слабы, то пилоту следует переждать, пока они не прекратятся. Следует помнить, что всякий кубический метр газа, вышедший через клапан, каждый сброшенный килограмм балласта могут стать напрасными затратами, которые вернуть нельзя и которые могут привести в дальнейшем к тяжелым последствиям. Очень часто аэростат, особенно идущий на границе двух неодинаково на,гретых воздушных слоев, испытывает волнообразные движения воздуха. Если это движение прекращается, то аэростат продолжает двигаться в горизонтальном направлении. Всякая попытка успокоить поднимающийся и опускающийся аэростат путем открытия клапана или отдачи балласта привела бы в настоящем случае к бесполезному подъему барограммы и сократила бы длительность полета. Если аэростат меняет свою [высоту, то пилот, в первую очередь, должен выяснить, чем это Вызвано: возмущением равновесия или действием на аэростат вертикального течения воздуха. Все приборы, которые показывают изменения высоты по изменениям давления воздуха, как то: барометр, статоскоп, вариометр, не решают этого ’вопроса. С другой стороны, вертикальный анемометр или выброшенные полоски бумаги указывают тольйо на движение по отношению к окружающему воздуху. Эти оба рода приборов, таким образом, действуют совершенно различно. Барометрические приборы могут совершенно не реагировать, в то время как другие' продолжают действовать. Это тот случай, когда на аэрбстат давит вертикальный поток вверх или Вниз, равный по величине сплавной силе или перегрузке. В данном случае мы имеем дело, несмотря на то, что высота нс изменилась, с неуравновешенным аэростатом. В противоположность нереагирующему анемометру, барометры могут показывать при этом изменение высоты; аэростат бывает часто выведен из своего положения равновесия и приведен в движение этими вертикальными токами. (Наблюдениями, произведенными над обоими видами приборов, может быть вычислена скорость вертикальных токов). Прежде чем пилот предпримет те или иные меры, пусть он Пыяснит сперва, с какого рода возмущением равновесия он имеет дело. Следуя нашим вышеприведенным указаниям, он не будет стремиться что-либо предпринимать, если причиной колебаний аэростата было движение воздуха, потому что после прекращения его он сможет успокоить аэростат самой незначительной порцией балласта. 'Всякое воздействие, будь то открытие клапана или отдача балласта, на Движущийся по волнообразной траектории аэростат, вне зависимости от того, следует ли он волнообразному движению атмосферы или сам «колеблется» (см. § 17), вызовет только нарушение его равновесия, что в полной мере обнаружится тотчас после того, как воздушное течение станет опять горизонтальным
или прекратятся колебания. Пилот должен остерегаться немедленно реагировать на показания барометрических приборов. Надо особенно осторожно относиться к показаниям такого чрезвычайно чувствительного прибора, каким является статоскоп. Хотя этот прибор и оказывает неоценимые услуги при умелом пользовании, но все же часто побуждает к напрасной трате балласта. Нам надо выяснить еще один спорный вопрос. Аэростат приобрел отрицательную сплавиую силу и спускается. Должен ли пилот возможно раньше или возможно позднее отдать тормозной балласт, если предполагается, что аэростат не должен итти на посадку? Если можйо выждать исчезновения возмущающей причины, то естественно, что в это время не последует никакой отдачп балласта. Действие небольшого, быстро проходящего, закрывающего солнце облака, например, можно нейтрализовать и без значительного переброса балласта. Как надо поступать в других случаях, становится ясно при рассмотрении фиг. 4 (ср. с фиг. 2). При атом мы примем, как это и бывает в большинстве случаев, что причиной уменьшения подъемной силы является уменьшение температуры газа. Это поможет нам приспособиться и к другим конкретным условиям. Аэростат идет на высоте h; температура воздуха — L, температура газа В сразу падает до температуры В„ причем аэростат приобретает отрицательную сплавную силу, пропорциональную BJ3. Для упрощения мы выразим количествами балласта сплав
ную силу и перегрузку в виде прямолинейных отрезков, которые пропорциональны им. Итак., аэростат спускается с первоначальной перегрузкой В,В вниз; при этом пусть ход разогревания газа вы-ражен'прямой BJh' (§ 16). Через точки L и В проводим прямые Щ’ и ВВ' параллельно BjB/. На высоте ht температура газа стала Bi. Изменение температуры 'воздуха с высотой представлено прямыми /, II, 111 в зависимости от того, увеличивается ли она со спуском равномерно, быстрее или медленнее, чем температура газа. Как правило, встречается случай II (§ 16). На |высоте господствует температура воздуха. Д'; часть подъемной силы, ко-то(рая получилась от превышения температуры газа над температурой воздуха и на высоте Л была равна LB,, уменьшилась на L/Bi. Чтобы уравновесить аэростат па высоте hlt требуемое количество тормозного балласта будет равно + Д'В/, что становится ясным после небольшого рассуждения. Но так как остановиться на невыполненном аэростате нельзя, то аэростат должен опять подняться до высоты h своей зоны выполнения. Для этого достаточно малейшей сплавной силы. С увеличением высоты увеличивается опять разность температур газа и воздуха, и аэростат при температуре Bt опять достигает высота h, потому что, как видно непосредственно из чертежа, имел место переброс балласта в Д'Д'. В То' же время чертеж показывает: чем ниже будет заторможен аэростат, тем большее количество балласта Ц'Ц' будет вынужденно переброшено. Практически оно равно нулю в непосредственной близости к высоте h, и количество тормозного балласта равно необходимому минимуму BJ3 (и это количество стало бы тоже переброшенным балластом, если бы вдруг вно'оь появилось солнце). Если в редко' бывающем случае III аэростат уравновесится на высоте то должно быть отдано, как показывает чертеж, только количество балласта В, В' — Д'Д' (потому что разность температур 'воздуха и газа увеличилась па Д'Д'). Теперь количество переброшенного балласта не только равно нулю, но стало величиной отрицательной. Поэтому, чтобы опять подняться на высоту зоны выполнения Л, должно быть отдано количество балласта Д'Д'. Здесь мы встречаемся с часто уже упоминавшимся случаем, что на невыполненном аэростате можно некоторое время итти на одной высоте; аэростат, правда, не останавливается в скачкообразно охлаждающемся слое, но в атмосфере, которая внизу будет относительно аэростата всегда холоднее. Каждый пилот знаком с такого рода 'Слоями, которые «хорошо держат». Этим и решается поставленный вопрос. Если температурные условия в атмосфере такие, как to случае П,.а это является правилом, то количество отданного и переброшенного балласта будет тем меньше, чем быстрее будет парализована появившаяся перегрузка. Как раз противоположное происходит в том случае, когда условия таковы, как в случае III. Здесь вообще не бывает переброса, и необходимое количество балласта, благодаря которому аэростат поднимется на свою прежнюю высоту, равно строго необходимому минимальному количеству В)В. Вез расхода балласта аэростат может быть автоматически заторможен только в холодных слоях в холодные ясные зим
ние дни. В редком случае I место отдачи балласта безразлично. Если пилоту не ясно распределение температур, то он правильно поступит, если примет случай II, который в дейспвительно-сти чаще всего встречается, и, по возможности, скорее затормозит аэростат; таким образом он скорее всего может избежать возможного переброса. На этом примере мы опять видим, что удовлетворяющий всем предъявляемым требованиям правильный пилотаж аэростата возможен только тогда, когда пилот во время подъема, путем замера температур, уяснил себе их распределение в атмосфере;. 3. СПУСК Собственно полет кончается, как только израсходуется балласт, за исключением того количества, которое оставлено для спуска. Если последнего окажется меньше, чем необходимо, то пилот лишается власти над своим аэростатом как раз в тот момент, когда это является наиболее необходимым, а сам спуск становится игрой случая. Только при знании распределения температур в атмосфере можно правильно рассчитать необходимый для спуска балласт. Если случайно аэростат попадет под облака, то он приобретает отрицательную сплавную силу, с которой можно бороться только соответственно увеличенным запасом балласта. Но особенно осторожно пилот должен относиться к своим запасам балласта тогда, когда требуется произвести спуск в послеполуденные часы в жаркие летние дни. По опыту можно сказать, что количество балласта бывает недооценено. Теплые приземные слои могут потребовать для аэростата средних размеров до 100 кг тормозного балласта. Пилот должен помнить, как уже было указано, что на каждые 1000 л3 объема газа уменьшение разности температур газа и воздуха при спуске на 1° требует 4 кг тормозного балласта. Если аэростат идет на посадку, то гайдроп должен быть выпущен, все веревки управления не перепутаны и расположены так, чтобы их можно было легко и удобно достать, весь балласт, приготовленный для отдачи, должен быть расположен у обращенного к гайдропу борта корзины, все тяжелые, подвижные предметы закреплены. Как правило, пилот должен выждать, пока, вследствие какого-либо возмущения равновесия аэростат сам не перейдет на спуск. В исключительных случаях, когда необходимо возможно скорее закончить полет, например, при начинающейся грозе или когда требуется не переходить определенной границы, аэростату дается коротким хлопком клапана небольшая отрицательная сплавная сила. Если аэростат должен без хода на гайдропе произвести посадку, по возможности ближе к определен ному месту, например, у линии железной дороги, то пилот должен на определенном расстоянии D начать такой спуск, который определяется высотой аэростата ft, скоростью спуска v и силой ветра w, с тем чтобы время ,lv, потребное для спуска аэростата, равнялось бы времени —, необходимому для прохождения расстояния D. Отсюда ш
определяется . Так как мы за нормальные условия для и можем принять 3 м/сек, то получим, как показывает следующий пример, удобное для запоминания правило. Пример 56. Аэростат идет на высоте 2500 м со скоростью в 35 км/час. На каком расстоянии по эту сторону от намеченной цели должен начаться спуск? Мы принимаем среднюю скорость спуска р = з м/сек, которую при нормальных условиях пилот в силах удержать; з м/сек с достаточной точностью равны Ю км/час. Если мы Л выразим тоже 'о километрах, то получим расстояние Л ==2,5 = 874 км; через 15 минут аэростат встанет на гайдроп. В общем мы имеем правило: чтобы найти D, надо высоту полета аэростата, выраженную в километрах, умножить на десятую часть скорости ветра в километрах. При этом, что редко встречается на практике, скорость ветра надо брать вне зависимости от высоты. Пилот же, получивший во время подъема полное представление о распределении ветра, может, согласно имеющимся данным, видоизменять вычисленное D, которое должно указать начало спуска. Если спуск начался, то дальнейший ход его зависит от температурных условий в тех слоях, через которые придется проходить, как это разобрано было;выше. Если перед нами будет случай III, т. е. воздух постепенно или скачкообразно становится холоднее, чем наполняющий газ, то аэростат может быть принужден к спуску только при помощи клапана. Так как такие условия большей частью бывают только в спокойной атмосфере, то они не усложняют управления аэростатом. В другом случае, который, как правило-, и бывает на практике, отрицательная сплавная сила увеличиваемся. Когда пилот должен начать отдачу балласта? Мы выше уже показали, что в случае продолжения полета наименьший расход балласта будет тогда, когда он будет отдан возможно скорее. Если же надо произвести посадку^ то предназначенное к отдаче количество балласта определяется исключительно подъемной силой у поверхности земли и поэтому безразлично, будет ли оно израсходовано по частям при спуске или целиком отдано при конце его. Сообразительный пилот, при определенных обстоятельствах, предпочтет последнее, именно тогда, когда надо возможно скорее совершить посадку. Любая скорость спуска, после отдачи тормозного балласта, понижается до 1/5„ своей величины лишь после прохождения интервала высоты в 80 м; если не удастся затормозить аэростат в нижних 200—300 м, то это значит, что находившееся в распоряжении количество- балласта было слишком мало, и конечный результат будет поэтому такой же, как если бы аэростат вошел в эту конечную зону с уже уменьшенной скоростью. Чтобы, по возможности, предотвратить переброс и не отвлекать слишком внимания пилота в эти последние критические минуты отдачей балласта, за выбрасывание балласта следует приниматься только лишь тогда, когда скорость спуска превзойдет определенную величину, около 2 Уз—-3 м, что легко можно 112
установить путем наблюдений над клочками бумаги, вариометром или барометром (аэростат должен проходить примерно 150 л в 1 мин.). Отрицательная сплавная сила никогда не будет тогда больше, чем вес гайдропа. Какого метода следует держаться? Пилот всегда, должен помнить, что в тихие жаркие летние дни в самом конце спуска он может встретить относительно низкие теплые - приземные слои, которые могут ему доставить много неожиданных неприятностей. Осторожный спуск в большинстве случаев происходит таким образом, что аэростат в конце концов уравновешивается на гайдропе. Мы стоим перед вопросом: должно ли это уравновешивание происходить возможно ближе или возможно дальше от земли. Это всецело зависит от того, как думает поступать дальше пилот. Если аэростату надо пройти некоторое расстояние на гайдропе для того, чтобы выбрать наиболее благоприятное место для посадки или добраться до железнодорожного пути, то уравновесить аэростат надо 'возможно выше. Об этом мы уже говорили. Хода на гайдропе вблизи от земной поверхности надо- избегать; чем ближе к земле, тем сильнее к пей будет прижиматься аэростат благодаря увеличивающемуся трению каната и тем больше- опасность толчка и волочения корзины по земле. Если же надо тотчас произвести посадку, то рекомендуется незначительная высота, в случае, если пилот не намеревается вообще уравновешиваться, а решил сразу, хотя бы с помощью клапана, окончательно спуститься и вскрыть разрывное приспособление. Если в направлении полета ему могут угрожать здания, телеграфные и высокого напряжения провода, то надо принять решение спуститься немедленно. Пилот должен своевременно себе уяснить, как ему следует провести окончательную посадку. В этой последней стадии спуска, именно в том случае, кОгда пилот допустил большие- скорости снижения и ’вследствие- этого вынужден прибегнуть к. сбросу значительного количества балласта, т> тот момент, когда, гайдроп уже лег па землю, в силу излишне большого переброса может получиться такое положение, что весь гайдроп опять будет выбран аэростатом, и последний вновь поднимется вверх. ТЬгда наступает один из таких исключительных случаев, когда пользование клапаном является настоятельной необходимостью. Ни при каких обстоятельствах нельзя допускать, чтобы аэростат опять поднялся вверх (он значительно перейдет тогда ’высоту своей зоны выполнения); этот подъем разрешается только при таком запасе балласта, который может обеспечить полное проведение второго спуска после случайного дальнейшего полета до удобного для посадки места.. Если же, как это чаще все-го бывает, весь балласт окажется израсходованным, то па до избежать подъема, вверх и обязательно произвести окончательную посадку. 20. БАЛЛОНЕТ И КОЛЬЦО ПЕШЕЛЯ Есе паши рассуждения касались двух совершенно различных в отношении техники пилотажа типов аэростатов: А. Аэростата с постоянным объемом газа и изменяющимся весом газа. 8 Р. Эмяен. К 113
В. Аэростата с постоянным весом газа и изменяющимся объемом газа. Возможны еще два других типа: С. Аэростат с постоянным объемом газа и постоянным весом база. D. Аэростат с изменяющимся объемом газа и изменяющимся весом газа. Мы можем их построить, пользуясь баллонетом. Баллонет — это воздушный мешок, объем v которого может изменяться от притока воздуха; баллонет, помещенный внутри оболочки аэростата, занимает постоянный объем v, когда газовому наполнению аэростата предоставлен объем V — v. Дри этом имеются еще две возможности. Этот объем газа V — v может быть герметически закрыт от доступа окружающей атмосферы— тогда это тип С; или он связан с последней клапаном, который открывается при весьма незначительном излишке давления (которое при известных обстоятельствах может быть равно нулю)—тогда это тип D, объединяющий характерные свойства типов А и В. Тип аэростата С обладает двумя исключительными преимуществами: 1) при полете он находится в устойчивом равновесии и 2) совершенно не чувствителен к радиации. Так как он при постоянном весе вытесняет постоянный объем воздуха, то, как показывает простое рассуждение, будучи перемещен из своего положения вверх или вниз, он вновь в него возвращается. Следовательно, он как свободный 'выполненный аэростат может быть поднят на определенную высоту только определенной силой и, в противоположность невыполненному, спускающемуся аэростату, только определенной силой па определенный интервал высоты спущен вниз. Так как изменение температуры наполняющего газа не влияет на его вес и объем, то на него не оказывает ^лияния и радиация. Этот идеальный летательный аппарат, как указывал его изобретатель Менье, чей глубочайший, гениальный охват и знание всех проблем воздухоплавания не могут быть еще в достаточной мере оценены, вследствие слишком незначительной прочности материи аэростатов не может быть, однако, с успехом применен па практике. Такой аэростат представляет собой замкнутую оболочку, на-, полненную газом, в которой ©следствие ©пуска в баллонет воздуха поддерживается большее давление, чем давление окружающей атмосферы, и интервал (высот, как и интервал температуры, в которых этот аэростат проявляет свои характерные свойства, слишком незначительны. При подъеме он будет вести себя как выполненный свободный аэростат с завязанным аппендиксом и (ср. § 4) разорвется уже на высоте нескольких сот метров. Если газ находится под сверхдавлением около 50 мм вод. ст. (50 кг/м2) и если мы вспомним, что на тех высотах, которые мы принимаем во внимание, подъему по вертикали па 1 м соответствует изменение давления в 1 кг/м2 (точно^—^), то при спуске приблизительно па ш
ь6 .« внутренний избыток давления скомпенсировался бы и аэростат стал бы невыполненным. Так как, с другой стороны, изменение температуры па 1° вызывает изменение давления на 4°/00, тю при давлении газа 10 000 кг/м2 (немного меньше 1 атмосферы) понижение температуры на 1 ° понизило бы давление на 40 кг/,м2, попи-жкщпе на 2° сделала бы аэростат уже невыполненным, а несколько градусов повышения температуры повели бы к разрыву аэростата. Во избежание разнообразных распространенных заблуждений, надо особенно подчеркнуть следующее положение: для вычисления подъемной силы аэростата, снабженного баллонетом, надо просто подставить объем газа, равный V—v; объем баллонета v, как и в выводе уравнений Движения, пе принимается во внимание; если перемещается аэростат, то перемещается в окружающей атмосфере и замкнутая в v равная масса воздуха. Поэтому совершенно ошибочно принимать Введенный в баллонет воздух за воздушный балласт, отягчающий аэростат. Это было бы допустимо, если воздух в баллонете обладал бы плотностью, существенно отличающейся от плотности воздуха, окружающего аэростат. Уже с точки зрения прочности материи это невозможно. Если мы возьмем аэростат, находящийся на высоте в 1000 да при давлении воздуха в 660 жи рт. ст., и (в баллонет, емкостью в. 300 л3, введем дополнительно еще 10 м3 воздуха, т. е. около 1о кг, то давление в последнем поднимется на V-o, т. е. на 22 мм рт. ст.— 300 кг/м2, что превышает про’пюсть материи аэростата. Если же принять, что материя растягивается, то никогда не получим такого увеличения плотности. Во всех заслуживающих внимания случаях применения не приходится говорить о разности плотностей между Воздухом bi баллонете и окружающим воздухом, а следовательно, и о воздушном' балласте. Баллонет в данное время почти исключительно применяется, чтобы придать мягкой оболочке с постоянным объемом определенную жесткость путем создания внутреннего сверхдавления. Мы разберем этот механизм в следующем параграфе. В редких случаях свободный аэростат также снабжается своеобразным баллонетом; это' дает чистый тип аэростата D, который мы ниже разберем. Баллонет в данном случае устраивается так, чтобы между двумя параллелями, лежащими ниже экватора аэростата, оболочка была двойной, благодаря чему образуется замкнутая кольцеобразная полость, объем которой v, вследствие накачивания воздуха, может изменяться по желанию от нуля до максимальной величины. С этой целью эта полость соединена с вентилятором, шланг которого может быть задросселирован или совсем закрыт. Собственно аппендикс аэростата может быть открытым; целесообразно закрывать его клапаном, который прп избытке даЪления в несколько миллиметров водяного столба (около 10 мм) автоматически открывается. Газу предоставляется объем V (постоянный) — v (переменный). Прежде всего становится ясным что клапан может быть устра-*8 115
йен баллонетом,—©место того чтобы выпускать газ через клапан, можно его, в силу раздувания баллонета, выпускать через аппендикс. Этот способ обладает тем преимуществом, что газ из аэростата уходит, но аэростат остается выполненным. Работу, производимую вентилятором, легко рассчитать. При постепенном наполнении баллонета мы ясно видим, что внутри аэростатной оболочки наполняющий газ и воздух баллонета располагаются как две жидкости с различным удельным весом. Тяжелый воздух располагается настолько низко, насколько это допускают стенки баллонета (поэтому предупреждаем, что при устройстве баллонета надо следить, чтобы он не закрыл аппендикса и доходил бы лишь до высоты h над отверстием аппендикса, вообще над нижней границей газа), и граничит здесь, если мы пренебрежем весом разделяющей материи, по горизонтальной поверхности с вышележащим газом. На этом уровне давление воздуха в баллонете равно давлению газа. Так как это последнее (см. § 4) на 7гТ больше, чем атмосферное давление на том же уровне, 'го ЛТ является также сверхдавлением и в баллонете. Если мы продвинемся ниже вглубь баллонета и его шланга и на такое же расстояние спустимся в окружающей атмосфере, то давление и в том и другом случае увеличится на одинаковую величину, так как можно пренебречь разностью плотности (воздуха в баллонете и окружающего воздуха. Отсюда следует: во всех точках баллонета и его шланга внутреннее сверхдавление но отношению к окружающему воздуху постоянно и равно ItT кг/м2. Оно увеличивается в такой же степени, в какой поднимается диафрагма баллонета. Так как h равно лишь нескольким метрам, j •> Q ? Т для водорода равно ~ , для светильного газа — кг/мЛ (п — высотное число), то мы видим, что максимальная работа вентилятора должна состоять В» преодолении избытка давления лишь в несколько миллиметров водяного столба.. Так как аэростат в 1440 л/3, при скорости спуска, в 3 м/сек, уменьшает объем своего газа в секунду приближенно' на Иг л/3 (при спуске на каждые 80 ® на 1%), то для действия баллонета на этом аэростате совершенно достаточно будет иметь ручной вентилятор. Так как затем и баллонет и шланг находятся под избытком давления, то, при выключенном вентилятора, воздух из баллонета будет вытекать со скоростью, которую мы можем регулировать дросселированием шланга; соответственно этому наполняющий газ устремляется вверх, занимая освобождающееся пространство. Если аэростат поднимается, то его можно предохранить от потери газа, давая возможность соответственно выходить воздуху из баллонета; таким образом мы можем .рйулировать скорость подъема в определенных пределах путем дросселирования, именно тогда, когда, во-избежание потери газа, закрываем аппендикс при помощи клапана, который при избытке давления в несколько миллиметров водяного столба автоматически открывается. Следовательно, с по
мощью баллонета мы можем, как это увидим, регулировать не только высоту, но и старость подъема. С помощью этого баллонета мы можем невыполненный свободный аэростат превратить в выполненный и этим баллонет оправдывает свое назначение. Известно, что если свободный аэростат с объемом V опускается со своей зоны равновесия и, если рп не должен встать на гайдроп, то для выравнивания его надо перебросить очень небольшое количество балласта, и тогда он возвратится в свое исходное положение. Если же ко времени выравнивания аэростата газ сжался до объема V —<г>, и мы наполнили баллонет до объема v и закрыли его шланг, то газу будет предоставлен в дальнейшем лишь объем V — следовательно, мы аэростат с объемом V превратили в аэростат с новым постоянным объемом V—ю. Он* уже больше не возвращается в свое исходное положение, так как высота выравнивания одновременно является и высотой его воны выполнения; и даже переход ее, вследствие происшедшего до того переброса, можно предотвратить тем, что баллонет наполняется до объема немного большего, чем объем щ это — хлопок клапана, при котором аэростат нс становится невыполненным. Мы однако видим, что баллонет с максимальным объемом v является действительным только на ограниченном интервале высот, так как если последнему соответствует интервал давления, благодаря которому газ с объемом V сильно сожмется, именно более чем до V— г, то баллонет уже не в состоянии образовать выполненный аэростат с объемом V — V. Как определяется объем баллонета, покажем на примере. Пример 57. Какого объема v надо построить баллонет, чтобы в аэростате с объемом V его- действие имело место на всем интервале высоты в h м? Мы находим в таблице высотных чисел п, соответствующее /?. Если газ заполняет полностью объем V и аэростат спустится па W м ниже, то газ сожмется до объема V — v = = Отсюда получаем объем баллонета: 71 - 1 ут- v =-----V. п Если интервал высоты, например, 2000 м, то п = 1,284, = = 0,221; баллонет аэростата в 1440 л3 должен обладать объемом в 0,221 1440-=320 .и-3. Это мы можем вывести и по графикам. Если мы пойдем от объема V =1440 м3 Wi горизонтали до прямой высоты в 2000 м, а затем по перпендикуляру к линии высот до высотной линии нуль, то здесь мы и найдем конечный объем газа в 1120 лг; это даст объем баллонета в 320 лг3. Так как равным интервалам высот соответствуют равные высотцые числа (отношение давлений), то баллонетом можно пользоваться, когда аэростат спускается с 4000 м до 2000 м, или с 3000 м до юоо м, или с 2000 м до 0; при спуске с 3000 м до 0 объем в 1400 м3 уменьшился бы ДО 4^'= 990 •1/3’ н 11аш баллонет оказался бы на 130 м3 меньше, чем необходимо.
Мы приводим здесь маленькую таблицу объемов баллонетов D процентах от максимального объема оболочки аэростата. Этот интервал высот на практике равен статическому потолку. Таблица в Таблица объемов баллонетов Статический потолок в м Величина баллонета в > Статический потолок в м Величина баллонета в % 500 6 2500 27 1000 . 12 3000 31 1500 17 4000 39 2000 22 5510 50 В действительности баллонеты должны строиться несколько большего объема, потому что мы должны считаться с тем обстоятельством, что газ, вследствие снижения температуры, будет сжиматься; если принять, что последняя внизу понизится на Af°, то благодаря этому образуется незанятое пространство в 4%0 A t м\ На эту величину и должны быть увеличены объемы баллонетов. Пример 58. Как и для чего пользуются баллонетом, мы покажем на конкретном примере. Предположим, что пилоту задано или он считает необходимым не переходить 1000 м над уровнем моря или с самого начала полета итти на этой высоте. В последнем случае он начнет взлет на. невыполненном аэростате и быстро достигнет желаемой высоты; в первом же случае он будет ждать, пока барограмма не поднимется до 1000 м или немного выше. В обоих случаях до этого момента баллонетом не пользуются. Если по какой-либо причине, например благодаря облачности, аэростат приобретает перегрузку, то он начинает спускаться. Тогда пилот берется за балласт и при помощи наполнения баллонета воздухом препятствует переходу аэростата в невыполненное состояние. Если тормозной балласт израсходован и получился некоторый переброс, то выключается вентилятор и путем дросселирования шланга регулируется скорость подъема. Достигнув высоты несколько' более 1000 л, пилот'должен закрыть шланг совсем и аэростат, как выполненный аэростат с объемом V — V, еще немного поднимется выше, соответственно переброшенному балласту. Этого превышения высоты можно избежать дальнейшим наполнением баллонета; и это будет достигнуто даже в том случае, если облачность илй вообще какая-либо причина, вызвавшая спуск аэростата, в это время исчезнет. Аэростат уравновесится на высоте юоо м, в то время как без баллонета он поднялся бы (выше 1з соответствии с общим количеством отданного балласта. Но в обоих случаях расход балласта будет одинаков, и аэростат имеет одно и то же весовое количество наполняющего' газа как с балле-its
петом при объеме в У-—г, так и без баллонета с объемом V. Все это снова повторится при новом нарушении равновесия. Из данного примера мы видим: с помощью баллонета можно избежать последствия переброса и можно удержать постоянную высоту, но без экономии в балласте и в газе. Если балласт израсходован, то аэростат содержит то же самое весовое количество газа, как и без баллонета, на своей конечной высоте. Часовой расход балласта у аэростата с баллонетом будет больше, так как по правилу с увеличением высоты все возмущения равновесия уменьшаются. Для длительного полета баллонет не годится, так как необходимый для полета балласт должен быть взят в количестве, уменьшенном на вес всего дополнительного оборудования баллонета, и управление аэростатом усложнится. Сам по себе баллонет имеет неоценимое преимущество в том отношении, что с его помощью пилот легко справляется с вертикальным управлением. Оп может сам выбирать и высоту полета и воздушные течения, и поэтому баллонет является важным вспомогательным средством при полетах на высоту. Для целей фотосъемок или военной разведки очень важно бывает удержаться на определенной высоте (например, если имеется большая облачность, то можно, поддерживая определенную высоту, избежать погружения в облака). При помощи баллонета можно избежать также больших конечных высот, что случается с аэростатами больших размеров во время длительных полетов и создает для них крайне неблагоприятные условия; баллонет может оказать большие услуги, когда полет происходит (вблизи морского берега в туманную погоду. Недостаток аэростата с баллонетом заключается в том (если пренебречь увеличением веса, который с увеличением размеров аэростата относительно уменьшается и может быть доведен менее чем до 100 к'г), что такой аэростат лишается классической простоты своего устройства. С точки зрения исключительных преимуществ' аэростата, снабженного баллонетом для определенных целей, было бы крайне желательно путем опыта выработать наиболее рациональные методы обращения с таким аэростатом в полете путем развития надлежащих навыков у пилота. Аппендикс спускающегося невыполненного аэростата закрывается (ср. § 4) так, что наполняющий газ предохраняется от смешивания с вЬздухом, и масса газа внутри оболочки остается постоянной. Это закрытие аппендикса до последнего времени рассматривалось как преимущество, и при помощи механических вспомогательных средств, например, так называемых «ножниц», старались сделать закрытие более действительным. Напротив, иногда аппендикс стараются держать, по 'возможности, открытым при помощи кольца, примененного (впервые д-ром Петель и названного поэтому «кольцом. Пешеля». Мне бы хотелось вкратце разобрать все преимущества и недостатки аппендикса, который держат открытым. На поднимающийся аэростат кольцо это, понятно, не оказывает никакого влияния; спускающийся же аэростат, при достаточ- но
но широком аппендиксе, олагодаря втеканию 'внутрь его (воздуха, гарантирован от превращения в невыполненный аэростат; он сохраняет свою форму выполненного аэростата. Нужно различать два случая: Случай 1. Если воздух втекает не слишком сильно, то возможно, что он не смешивается с легким газом, по остается отделенным пограничной поверхностью и располагается ниже газа. В данном случае кольцо позволяет аэростату сохранить свою сферическую форму, не оказывая никакого другого влияния. Мы можем себе представить, что по разделяющей поверхности как бы проложена тонкая перепонка, и тогда пространство, заполненное воздухом, будет выполнять просто все функции баллонета. Если аэростат поднимается, то воздух Ьновь вытесняется; аэростат остается аэростатом с постоянным весом газа, и при том газа, не изменившего своей природы. Кроме влияния на сохранение аэростатом своей формы, кольцо не проявило здесь никакого другого действия. Случай 2. Происходит полное перемешивание газа и 'воздуха. Тут соотношение совершенно меняется. Тогда это уже пе аэростат с постоянным весом газа, а выполненный аэростат, наполненный новым газом, удельная подъемная сила которого уменьшилась соответственно количеству втекающего .воздуха. Если спускающийся аэростат заторможен, то он при перебросе уже не возвратится па свою исходную высоту, но поднимется, согласно балластному закону, как выполненный аэростат. Кольцо в этом случае устраняет .'все последствия переброса, и дальнейший полет протекает, как па выполненном аэростате, наполненном худшим газом. Устойчивость при движении 'вверх, однако, идет за счет достигаемой высоты, никакой экономии в балласте не будет, и при дальнейшем полете ничего но изменится в расходе балласта, за исключением лишь того, что аэростат, оставаясь в нижних слоях, находится в менее благоприятных условиях полета. Возьмем, например, аэростат в 1440 м\ наполненный сшгильным газом с подъемной силой То = о,7, и допустим, что он спустился со своей зоны 14 О равновесия на 1190 .и; высотное число п — 1.16. Так как-j 6— = 1240, то следует, что газ сжался до 1240 .и3 и при открытом аппендиксе пошло 200 .и3 воздуха. При смешивании их с 1240 м3 светильного газа подъемная сила наполнения не изменится,-но оболочка будет теперь наполнена 1440 л3 газа,, подъемная сила ко-1210-0,7 торого, как показывает простое рассуждение, выразится — = 0,60 кг/м3. Дальнейший полет продолжается после выравнивания, как у выполненного аэростата, с подъемной силой То = = 0,6 кг/м5: так как высотному числу = 1,17 соответствует разность 'высот в 1255 м, то следует (§ 9), что мы вследствие действия кольца потеряли 1255 м высоты, которую мы могли бы достичь. Итак, мы видим: если происходит полное смешение, то кольцо Пешеля предохраняет от переброса, оно обеспечивает аэростату устойчивость от движения вверх, но за счет высоты полета. Всякий
спуск аэростата связан с потерей возможности подняться на достигнутую высоту, и этого1 следует всемерно избегать to том случае, когда надо подняться на большую высоту. Успешное выполнение кольцом своего назначения зависит от того, насколько полно перемешивается газ с воздухом. Если перемешивание происходит только по разделяющей их поверхности, то аэростат поднимается как (выполненный аэростат до тех пор, пока из аппендикса выходит нижележащий несмешанный воздух; to этот период кольцо не оказывает никакого влияния. Когда же начинает выходит смесь газа с воздухом, аэростат превращается в аэростат с постоянным объемом, который, следуя сложному закону балластного действия, стремится достичь новой зоны равновесия, совпадающей с исходной высотой, если, благодаря большому перебросу, уйдет вся смесь и опять останется только чистый газ. Чем шире аппендикс и чем быстрее спуск, тем сильнее будет происходить перемешивание и тем интенсивнее будет оказывать свое действие кольцо; последнее, в зависимости от цели полета, может или применяться или бездействовать. Для специальных полетов кольцо может оказать цепную услугу, если дело доходит до сильного перемешивания воздуха с газом. Окомчататьиые Выводы могут дать только опыты, которые крайне желательно поставить. $ 21. ОБ УПРАВЛЕНИИ ВЫСОТОЙ НА ДИРИЖАБЛЕ В нижеследующих выродах будет по возможности кратко показано, как применять важнейшие выведенные из предыдущих рас-суждений положения при полете на дирижабле. Для того чтобы при полете распределение давлений ветра и подвешенных нагрузок произвольно не изменялось бы на несущей оболочке, она должна быть достаточно жесткой. Это свойство в необходимой мере может быть сообщено мягкой оболочке: с помощью баллонета наполняющий газ подвергается незначительному сверхдавлению; давление в 30 лш вод. ст. = 30 кг/.м2 обычно бывает достаточным. При отсутствии баллонета оболочка должна быть построена из достаточно прочного материала; причем с точки зрения техники пилотажа безразлично, будет ли она включать в себе только газ (Шварц) или собственно несущие тела (Цеппелин)- Мы различаем поэтому жесткие дирижабли без баллонета и мягкие дирижабли с баллонетом; тогда баллонет должен выполнять те же функции, что и в свободном аэростате (ср. § 20). Оба вида дирижаблей снабжены органами высотного управления, т. е. приспособлениями, которые позволяют им приобретать положительную или отрицательную подъемную силу без пользования балластом и клапаном, «динамически», как называется технически этот способ управления. Вез этих органов, которые некоторыми рассматриваются только лишь как приятная придача, всякий дирижабль, и особенно жесткий, лишился бы большей части своего практического применения. Последний сохранил бы еще способность управления в горизонтальной плоскости, но, практически. он был бы лишен возможности избирать высоту полета:
дирижабль стал бы вести себя, как свободный аэростат, который только при ходе на гайдропе или при постепенно возрастающих зонах равновесия может длительное время продержаться в .-воздухе (§ 19). Нежесткий дирижабль, напротив, как свободный аэростат, снабженный баллонетом, сам мог бы избирать высоту полета, однако лишь за счет балласта и газа. Небольшой избыток давления совсем нечувствительно меняет соотношение, указанное для свободного аэростата, потому что при сверхдавлении в 2 мм рт. ст., при показании барометра в 060 мм- (около 1000 л высоты) плотность увеличивается только на l/&se, что может не приниматься совершенно во -внимание. Высоты, которых можно достичь, ограничиваются у жесткого- дирижабля - количеством находящегося в его распоряжении балласта и динамической подъемной силой, у нежесткого яге дирижабля — объемом его баллонета (ср. таблицу объемов баллонетов.) Прежде чем мы будем говорить об управлении высотой, нужно обратить внимание на главный недостаток баллонета. Он состоит в трудности быстрого вИода в него больших количеств воздуха Если мы возьмем шланг, который идет от вентилятора, расположенного в гондоле, с диаметром около 35 ом, то воздух должен проходить в нем со скоростью 10 м/сек, чтобы давать 1 м3/сек. Пропустить более значительное количество воздуха было бы поэтому затруднительно. Но так как (§ 2) объем воздуха V при вертикальном перемещении 11 Н 1 м изменяется на + , то при скорости спуска Ь v м/сек проходящее в секунду количество воздуха должно было бы составлять .и3; например, при V = С000 .и3 и и ч= 2 м/сек мы будем иметь 1 JZ_> м3. Более высоких скоростей спуска, чем 1 м/сек, пилот будет избегать, причем для замедления он будет спускаться по спирали. Также быстрое охлаждение газа, например, благодаря облачности, может чрезвычайно затруднять полет, так как 1°' изменяет объем на 4°/00. Это незначительное охлаждение при объеме в 6000 м3 потребовало бы притока воздуха в 24 м3. Избежать этих нежелательных последствий пилот лучше всего может при помощи подъема вверх; он сможет тогда относительно их обезвредить, потому что (ср. § 2) уменьшение объема при понижении температуры па 1° будет -выравнено соответствующим уменьшением давления при подъеме па 30 .it. Опорной точкой для расчета скорости изменения температуры наполняющего дирижабль газа является то обстоятельство, что свободный аэростат при спуске на 100 ш нагревается не на 1°, а только приближенно на 0,4°' (ср. § 16); если при этом принять за скорость спуска 3 м/сек, то получим, что понижение температуры аэростата при соответствующем обдуве его воздухом составляет 1 ° в минуту. (Чтобы судить о действии управления высотой, мы введем упрощение, заключающееся в том, -что возмущения равновесия, как вследствие изменения температуры, так и вследствие расхода горючего, исключены. Аэростат с постоянным весом газа Ьовсе не обладает устойчивостью, поэтому для изменения высоты доста-122
точно малейшей силы, сообщаемой органами управления, чтобы вести всякий дирижабль, будь то жесткий или нежесткий, по желанию ниже достигнутой путем отдачи балласта максимальной высоты, или удержать его в этом интервале на выбранной для полета высоте. Причем эта максимальная высота, если не произошло подполнения, может быть высотой предыдущего полета. То же самое имеет место, когда жесткий дирижабль взлетает невыполненным.. Пусть, например, газовые баллоны цеппелина равномерно наполнены только на 95%, поэтому и интервал высоты до 5 80 = 400 jh, без каких-либо трудностей для управления высотой, вполне может быть весь использован для полета. То же самое происходит при полете нежесткого дирижабля ниже высоты его зоны выполнения, если мы так будем называть ту высоту, выше которой газовый баллон начнет выпускать наполняющий его газ. Выше зоны выполнения обстоятельства складываются совсем иначе; дирижабли начнут выпускать газ через предохранительные клапаны; тут находят уже применение законы аэростата с постоянным объемом, и для всякого увеличения высоты на 80 м может быть применена, 'вместо отдачи балласта, динамическая сила, равная 1% подъемной силы наполняющего газа. Так как нормальная подъемная сила цеппелина при объеме в 15 000 м3 составляет 18 000 кг и действие органов управления высотой выражается в 700 кг, то динамически может быть достигнуто увеличение вы- соты на 80. “ — 310 м. «Парсеваль» с V —6500 м°, преодолевающий динамически 600 «и высоты, должен для этого развить подъемную силу около 600 кг. С увеличением высоты уменьшается подъемная сила дирижабля в той же самой степени, как плотность воздуха, а при равной скорости полета — также и действие органов управления высотой, так что данные интервалы высот остаются постоянными. Лели, начиная от вон выполнения, эти динамически достигаемые высоты требуется еще увеличить, то это можно сделать только за счет облегчения веса дирижабля. Ниже достигнутой таким образом максимальной высоты, благодаря действию органов управления, дирижабль может быть поднят или спущен. Расход балласта можно поэтому довести до незначительных величин. Отбросим теперь -все стеснявшие нас предпосылки. Возмущения равновесия (если пренебрежем нагрузками от дождя, снега и росы, которые не нуждаются в дальнейшем рассмотрении) происходят у дирижаблей от уменьшения груза вследствие расхода различных материалов (бензин, охлаждающая вода и смазочное масло), от влияния температуры и от вертикального движения воздуха. Дирижабль жесткий или нежесткий, который перешел высоту'своей зоны выполнения, следует тем же законам температуры, как и поднимающийся выполненный свободный аэростат (ср. § 12). При наполнении 'водородом он почти совсем не чувствителен к повышению радиации; на 1 ° повышения температуры, но сравнению с. окружающим воздухом, он реагирует только подъемом на 2,2 м, или увеличением подъемной силы на 0,3°/оо; влияние на него ока-
бывает только температура воздуха. Но если уменьшающаяся радиация превращает дирижабль в невыполненный аэростат, или он идет ниже своей зоны выполнения, то он реагирует только1 на изменение разности температур газа и воздуха, независимо1 от величины последних. Принимая во внимание § 13, мы можем изменение подъемной силы аэростата в F .и3 при изменении разности температур на + Д£° выразить таким образом: ДС= + 4.Лг’.Ъ-«. Л£= + 10° изменит подъемную силу у дирижабля «Парсе-валя» с V — 6500 м3 на + 260 кг; если у цеппелина с V = => 18 000 м3 Lt падает после захода солнца па 12°, то для компенсации необходимо максимальное действие органов управления высотой. Так. как у свободного аэростата Lt днем может подниматься на 40—50°, а ночью падать от —10 до —20°, то у дирижабля, охлаждаемого потоком воздуха и защищенного1 от действия радиации, трудно будет избегнуть Lt® пределах лишь 10—20°, для нейтрализации которой динамическая подъемная сила, однако, уже будет недостаточной. Выигрыш в подъемной силе, вследствие расхода горючих и смазочных материалов, может быть принят в 30—40 кг В час на 100 л. с. Если дирижабль начал взлет без подполнения или вообще невыполненным и неточно взвешенным, то он достигнет высоты Своей зоны выполнения в кратчайший срок и дальнейший подъем происходит с потерей газа, причем одновременно расходуются 0,074 кг наполняющего газа и 1 кг горючего. Удержаться на определенной высоте полета возможно только до тех пор, пока направленное вниз давление органов управления высотой может компенсировать расход горючего. С этого момента дирижабль поднимается как обыкновенный свободный аэростат, если только не произойдет нагрузки балласта при промежуточной посадке, или открытия клапана, или раздутием баллонета не будет выжат газ и управление высотой не будет разгружено. Облегчение дирижабля вследствие расхода горючего не является поэтому выигрышем, но безостановочным сбросом балласта, который заставляет дирижабль подниматься выше и, вследствие этого, укорачивает продолжительность полета. Кажущееся преимущество постоянной разгрузки на самом деле является главным недостатком дирижабля, с которым приходится бороться* выпуском газа или промежуточными посадками для принятия балласта, если случайные изменения температуры, например, наступление ночи, не разгрузят управление высотой. Что касается вертикальных воздушных течений, то они имеют громадное значение, как это было уже разобрано при рассмотрении их влияния па свободный аэростат. Силы, с которыми встречаются несравненно большие дирижабли, так велики, что всякое противодействие им уже при малых скоростях этих течений напрасно. Положим, что у цеппелина, длиной в 136 м и диаметром в 13 м, продольное сечение равно 1500 .и2; если мы возьмем ранно-124
великий цилиндр, .введя для этого множитель 2/3, то получим, что ветер, дующий перпендикулярно продольной оси, со 'скоростью г? 1 м/сек, производит давление около 100 кг. Вертикальный ветер со скоростью только в 2,С м/сек дал бы давление 700 кг, равной максимальному эффекту органов управления высотой. Вертикальные ветры со скоростью в 4—5 м/сек дали бы минимальное давление в 1600—2500 кг. При этом мы рассматривали дирижабль в спокойном состоянии; давление же ветра чрезвычайно повышается, когда дирижабль обладает еще горизонтальной скоростью. Если обозначим последнюю через V, а вертикальную скорость ветра. — через w м/сек, то давление ветра увеличгсвается, как это легко показать (так как последнее пропорционально синусу угла скоростей), в отношении w2: w2 |/1 + -^. следовательно больше, чем w2 :w • v, если только дирижабль не подчиняется совершенно другим законам, чем горизонтально движущаяся плоская пластинка. Давление вертикального потока в з м/сек может легко увеличиться в 4 раза благодаря горизонтальной скорости дирижабля в 12 м/сек. В жаркие летние дни вертикальные воздушные течения, которых невозможно избежать, могут увлечь дирижабль со значительной скоростью на нежелательные высоты (ср. ниже пример 59), а незначительные нисходящие ветры вынудить его к посадке. Очень неприятные напряжения в органах управления высотой могут возникнуть, если все газовое пространство не является сплошным, но разделено на отдельные отсеки, как например у цеппелина. Тюком воздуха при полете передние баллоны охлаждаются сильнее, чем лежащие позади; кроме того, эти последние сильнее нагреваются солнечной радиацией, когда дирижабль держит курс на север. Если дирижабль идет не ниже своей зоны выполнения, то он при водородном наполнении почти нечувствителен к этому неравномерному нагреву своих выполненных баллонов. Но если к вечеру начинает преобладать лучеиспускание, то температура газа понижается и баллоны становятся невыполненными; так как законы температуры для невыполненного аэростата применимы и здесь, то дирижабль подвергается действию опрокидывающего момента, который направляет нос корабля вверх. Если объем каждого баллона 1000 м3 и мы примем, что установившаяся днем разность температур газа и воздуха у заднего баллона уменьшится на 10°' по- сравнению с передним баллоном, то последний в конечном счете будет обладать подъемной силой на 40 t/г больше, чем задний, и эта сила будет действовать на плечо рычага, равного расстоянию между центрами подъемных сил этих баллонов. Вследствие совместного действия многих баллонов нос дирижабля может высоко подняться, что становится особенно нежелательным, когда для управления дирижаблем необходимо, чтобы нос его был направлен вниз. Пример 59. О полете воздушного корабля Цеппелина, происходившем 4 августа 1908 г., в книге Ф. Цеппелина и других специа-125
листов «Воздухоплавание», стр. 115, мы читаем следующее: «Увеличившаяся к полудню в Рейнской долине жара стала сказываться. Сама по себе прекрасно продуманная изоляция внутренних газовых баллонов от наружной оболочки все-таки оказалась недостаточной; расширившийся вследствие нагрева и получивший более легкий удельный вес водород сильно увеличил подъемную силу дирижабля, которую при медленном полете нельзя было преодолеть динамическими средствами. Дирижабль поднялся гораздо выше 1000 .и». Такое объяснение указанного явления надо считать совершенно недостаточным. Поднимающийся дирижабль должен был следовать законам температуры выполненного аэростата, который, будучи наполнен водородом, практически нечувствителен к увеличению температуры газа. Повышение температуры газа на 1°_против температуры воздуха подняло бы дирижабль на 2,2 м, 50° — только на ПО лк Весь водород, наполняющий дирижабль при 0° и 760 мм давления, весит 15 000 • 0,089 ;= 1335 ка; нагрев па 50° удалил бы около 250 кг газа. Если, кроме того, слово «жара» надо понимать в том смысле, что дирижабль оказался в воздухе с высокими температурами, то на каждый градус выше нуля зона равновесия понизилась бы на 30 ,м (ср. § 12). «Жара» не может, следовательно, быть причиной высокого подъема. Вернее полагать, что при замедленном полете динамический эффект был недостаточным, чтобы компенсировать все возрастающую, вследствие расхода горючего, сплавную силу. Затем в освещенной солнцем долине должны были образоваться восходящие токи воздуха. Чтобы поднять дирижабль на 800 .и, нужнанпо балластному закону сила, самое большее, в 1800 кг. Если принять указанное продольное сечение корабля округленно около 1000 л2, а . его горизонтальную скорость в 10 м/сек, то восходящий ток воздуха b 1,8 м/сек был бы достаточен, чтобы поднять дирижабль на 800 м. Если, после промежуточной посадки вечером 4 августа, кораблю без подполпения дали бы сплавную силу, то он должен был бы достигнуть,по крайней мере высоты предыдущего подъема и, начиная с этого момента, благодаря расходу горючего увеличивая свою сплавную силу, стремился бы достичь еще больших высот. Пример 60. В книге Неймана «Международные дирижабли» (стр. 21) мы читаем относительно «Парсеваля» А2 (Е^=4000 м3): «В октябре 1908 г. аэростат поднялся на винтах до 1100 м и затем, после отдачи балласта — до 1600 .и; на последней высоте дирижабль шел около 1 часа. Это является наибольшей высотой, на какую до тех пор поднимались дирижабли «Парсеваля». Это утверждение без надлежащих выводов может допустить неправильное толкование, будто бы 1100 м— это самая большая высота, какую динамически мог достичь этот дирижабль. Если мы наполним дирижабль только 3500 .и3 водорода, то он уже сможет подняться без малейшей динамической поддержки на высоту своей зоны выполнения в поо м, а также и до 1600 если он будет наполнен 3300 .и3 и сможет оторваться при этом наполнении от 126
земли. Если перед взлетом воздушные баллонеты Полностью выполнены до их максимального объема и дирижабль начал взлет, то он без всякой помощи поднимается до своей максимальной высоты, предел которой зависит от объема баллонетов. При этом управление высотой должно содействовать не подъему вверх, а прижимать дирижабль вниз, чтобы Вследствие расхода бензина и т. и. не была перейдена допускаемая максимальная высота. Вообще у дирижаблей в большинстве случаев управление высотой должно быть направлено не на подъем, а использовано в обратную сторону, чтобы уравнять нежелательное увеличение подъемной силы от расхода горючего. Соответствующее положение оси корабля (нос дирижабля всегда должен быть направлен вниз) автоматически устанавливается, когда у дирижаблей, имеющих две гондолы, в задней гондоле расход горючего повышается помощью установки болс!е мощных моторов. Само управление высотой происходит следующим образом. У большинства дирижаблей, в том числе и у жестких, нос посредством этого управления поднимается или опускается; но корабль Цеппелина допускает и другого рода управление высотой. Находящиеся впереди и сзади рули высоты могут быть поставлены наклонно, и при горизонтальной оси корабля сами испытывать сильное давление. Для данного рода управления высотой можно вывести весьма интересное положение. Примем, что вредным сопротивлением рулевых плоскостей можно пренебречь, когда эти плоскости установлены параллельно направлению полета и когда их сопротивление, по сравнению с сопротивлением самого корабля, будет весьма малым, примем затем, что тяга пропеллера не зависит от скорости полета. Тогда получаем: 1) с увеличением площади рулевых плоскостей их давление вверх или вниз может быть произвольно увеличено, 2) при этом скорость полета никогда не может упасть больше, чем на 30% по сравнению со скоростью при неиагруженных рулях высоты. Упомянутые способы управления высотой — наклонно поставленная ось корабля и корабль с горизонтальной осью— не дают никаких количественно точных величин, поэтому мы весьма мало можем ориентироваться в величине и направлении воздушного сопротивления при такой установке корабля. Если центр тяжести обладающего положительной или отрицательной сплавной силой в G кг дирижабля движется по горизонтальной траектории, то ось корабля должна быть наклонена под некоторым углом а, который должен быть так рассчитан, чтобы G, тяга пропеллера Z и сопротивление воздуха W уравновешивались. (.Только, когда G=o, W совпадает по направлению с 7 и корабль перемешается без змейкового действия по направлению своей оси.) Если G и Z заданы, то угол а зависит в исключительной степени от скорости полета; sin а приближенно обратно пропорционален V4. Малые наклоны оси, небольшие подъемы или спуски могут быть таким образом достигнуты без заметной потери в скорости; замедление полета наступает только при большем угле атаки.
Вспомним еще раз важность управления высотой. Свободный аэростат по природе своей предназначен для хода на гайдропе или для полета на своей зоне выполнения; воздушный баллонет позволяет избрать высоту полета, но при этом без экономии (в балласте; управление же высотой позволяет вести полет ниже зоны выполнения без расхода балласта и газа. Радиус действия дирижабля, по широко распространенному мнению, определяется количеством взятого с собой запаса горючего; мне кажется, что это ошибочное мнение. В таком случае весьма просто определяется предельная граница полета дирижабля; в первую очередь, именно при полетах над неприятельской территорией, эта граница определяется тем условием, что ее можно достичь без промежуточной посадки. Практически ее можно досттгчь, если возмущающие равновесие силы так сложатся, что управление высотой сможет их компенсировать при полной своей нагрузке. Жертвуя балластом или газом, или при известных обстоятельствах делая промежуточную посадку для подполнения водяного балласта, можно добиться, чтобы управление высотой было облегчено; также облегчают его и температурные изменения. Если же эта возможность не предвидится, то дирижабль ведет себя, как свободный аэростат, но очень неподходящей формы и с небольшим запасом балласта по отношению к своему объему, так что полет быстро приходит к концу, а при порывистом ветре, пожалуй, и совсем невозможен. Всякий дирижабль обладает еще в слишком большой степени свойствами свободного аэростата; он отличается от последнего только до тех пор, пока нагрузка на управление высотой не доведена до максимума. Если после 20 — 30-ча-сового полета динамический эффект уже полностью использован, то запасы бензина для дальнейшего 60-часового полета должны рассматриваться, в первую очередь, только как балласт, подлежащий расходу. Неисправность моторов может быть губительной не потому, что скорость полета уменьшается, а потому, что действие управления высотой, пропорциональное квадрату скорости, сильно понизится. Эти последние рассуждения имеют также большое значение при решении вопроса, как должен поступать пилот во время бури. Для нежесткого дирижабля этот вопрос имеет мало значения, так как последний, после проведенной удачной посадки, при помощи разрывного- приспособления может легко- быть опорожнен от газа. Но приземлившийся в бурю жесткий дирижабль ведет себя так же, как корабль во время прибоя у морского берега, и гибнет, если его якоря не выдерживают напора. Как корабль стремится в открытое море, так и жесткий дирижабль устремляется в верхние слои воздуха. Правда, и здесь его ждут опасности, -порывистые юетры не сулят ему ничего хорошего, но несравненно опаснее его положение на якоре. Поэтому в данном случае надо всеми силами стремиться избежать посадки. Правда, это относится только к тому случаю, когда воздушный корабль слушается управления и, именно, управления -высотой. Вследствие своей формы дирижабль ведет себя при порывистых ветрах не как свободный аэростат; сравнительно небольшой запас 128
балласта tie даст дирижаблю возможности провести длительный полет. Пилот должен прежде всего определить, как долго у него будет возможность управлять дирижаблем; он тогда должен будет решиться, пока еще не потеряна эта возможность управления, произвести Посадку па относительно благоприятном для этого месте, потому что, упустив момент, он рискует погубить и корабль и жизнь своих спутников. Это ухудшение управления высотой благодаря постоянно возрастающему расходу горючего имеет еще значепие и в другом отношении. Обыкновенно стремятся поднять скорость водушного корабля путем использования большей мощности моторов. При горизонтальной оси корабля этого можно достичь применением вышеуказанного средства. Но управление высотой ухудшается пропорционально расходу горючего, и скорость падает. Чем больше лошадиных сил Введено, тем больше расход горючего и тем скорее уменьшается скорость. Поэтому может произойти и такой случай, что быстроходный дирижабль при длительном полете становится тихоходным. Средняя скорость при длительном полете определяется не только мощностью моторов, но в большой степени и нагрузкой на органы управления 'высотой, которая увеличивается при большем расходе горючего быстрее, чем мощность моторов. Поэтому определение мощности моторов, соответствующей типам дирижаблей и предполагаемому применению последних, становится важной задачей для опытного исследования. § 22. ОБ УПРАВЛЕНИИ В ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ ПЛОСКОСТИ НА ДИРИЖАБЛЕ Управление дирижаблем в горизонтальной плоскости, как и для каждого корабля, служит для удержания определенного курса. Без указанного управления происходит постоянное изменение направления; только при помощи управления можно взять новый курс. Если у дирижабля свободно отпустить руль направления, то дирижабль будет отклоняться от направления своего полета вправо или влево, — это определяется неизбежной асимметрией его корпуса. Центр тяжести его описывает сперва кривую, о которой мы будем говорить ниже. Очень скоро, примерно, когда дирижабль повернулся на 90°, кривая эта станет окружностью — мы агавовом ее рулевым кругом, который описывается дирижаблем таким образом, что направление его киля с проходящей через центр тяжести касательной к этой окружности образует внутренний постоянный угол. В то время как центр тяжести описал полную окружность, корабль повернется на 360° вокруг вертикальной оси и опять станет параллельно первоначальному положению. Радиус этой окружности и скорость дирижабля определяются таким образом, что тяга пропеллера, воздушное сопротивление и центробежная’ сила взаимно уравновешиваются. Вместо того, чтобы руль свободно отпустить, можно закрепить его в любом положении. Тогда в сущности ничего не меняется; только соответственно изменившемуся сопротивлению воздуха изменится только что упомянутая ₽ Р ймпен 16 ’^9
окружность, и взамен ее получится новый рулевой круг уже другого радиуса, который будет описываться уже с другой скоростью и при другом направлении киля. Будет ли атмосфера в состоянии покоя или будет дуть ветер с равномерной скоростью, — это дела не меняет; в последнем случае рулевой круг переместится над землей со скоростью ветра. Тот факт, что при свободном или закрепленном в любом положении руле дирижабль описывает рулевой круг, дает возможность измерить во время полета направление и силу ветра, не зная воздушной скорости дирижабля. Таким образом если дирижабль описал один раз рулевой круг, то это показывает, что его килевое на-правлшие стало параллельным исходному направлению, т. е. он вернулся как бы опять к тем частицам воздуха, которые он покинул; тут он опять мог бы встретить небольшой выпущенный с него уравновешенный аэростат. Отсюда мы можем сделать такой простой Вывод: если во время полета необходимо измерить скорость ветра, то рурть должен быть отпущен или же закреплен в любом положении; если дирижабль повернулся приближенно на 90°, то мы можем принять, что дирижабль стал описывать рулевой круг. Обозначим время через Z15 отметим направление киля помощью компаса иля по какой-нибудь достаточно удаленной точке на земле и нанесем на карту место А, над которым мы в данный момент находимся. Выждем, пока направление киля не приняло своего прежнего положения, что легко установить компасом или ориентиром; отметим место В, над которым мы находимся, и время Z2. Тогда АВ покажет направление ветра, а его скорость будет равна расстоянию АВ, деленному на время Z2—Zr. Весь этот замер занимает несколько минут времени; точность его зависит только от того, в какой степени в течение этого короткого промежутка времени направление и сила ветра оставались постоянными. Если на основании этого замера дирижабль пройдет затем ж направлю нию ветра или обратно в продолжение еще нескольких минут, то его воздушную скорость получим путем измерения путевой скорости. Если известна воздушная скорость дирижабля, а также направление и скорость Ветра, то важнейшей задачей управления в горизонтальной плоскости является определение курса, по которому надо вести дирижабль, чтобы выполнить предписанный перелет. Если дирижабль должен итти из места А в место В, то можно поставить две следующие задачи: каков должен быть курс, соединяющий А и В, чтобы при данном направлении и силе ветра время перелета было минимальным и 2) расход бензина тоже был минимальным? Изестно, что оба пути — путь в кратчайшее время и путь наименьшей затраченной работы — совпадают с крат -чайшим расстоянием, т. е. с прямой АВ. Ее очень просто найти при помощи прилагаемого графика горизонтального управления (график Ш); как им пользоваться, мы покажем па фиг. 5 и на примере. На графике проведены вертикальные прямые. — линии постоянно
ной скорости в км/час, в масштабе 1 км/час — 1 мм. Кроме горизонтальной оси, на вертикальной средней линии нанесены те же деления скоростей. График в дальнейшем дает розу ветров, а также систему вспомогательных кругов на расстоянии в 1 см. График накладывается на карту таким образом, чтобы центр совпадал с точкой нахождения дирижабля, а вертикальная серединная линия — с желательным направлением полета. Мы идем (фиг. 5) по напра- влению ветра от точки О, пока не встретим вертикальную прямую скорости, 'Соответствующую воздушной скорости дирижабля; место пересечения обозначим точкой А; затем мы двигаемся по кругу, проходящему через А, пока на другой стороне от серединной линий мы не встретим вертикальную прямую скорости, соответствующую скорости ветра; место встречи обозначаем точкой В. Тогда QB и будет как-раз то направление, по которому надо итти. чтобы не сбиться с заданного курса. Пример 61. Мы различаем два случая, когда угол направления ветра с желательным курсом полета меньше или больше 90°. Случай 1. Скорость ветра 30 км/час в направлении OW (фиг. 5), скорость дирижабля 50 км/час. Указанным Построением получим направление, по которому надо1 вести дирижабль. Мы сейчас же из) построения видим, что при скоростях ветра выше 70 км/час вспомогательный круг уже не пересекает соЬтветствую- 9* ’31
щие прямые скоростей; мы, таким образом, можем определить максимальную скорость ветра, при которой еще возможна итти по требуемому курсу. В таком случае дирижабль надо вести под прямым углом к направлению курса. Продолжив OW в обратном направлении, мы Ридим, что при скоростях (ветра между 70 и 50 км/час (последняя скорость равна воздушной скорости корабля) придем к двум точкам пересечения, лежащим выше, чем обратное продолжение OW. В данном случае направление полета возможно удержать при двух путевых углах, причем в одном из них получим ббльшую, а в другом меньшую путевую скорость. При скоростях ветра, меньших скорости дирижабля, возможен только один курс, потому что, как мы видим, можно пользоваться только той точкой пересечения, которая лежит выше направления OW. Непригодность использования второй точки пересечения становится понятной, когда мы определим при существующих условиях путевую скорость. Для этого по направлению ветра отложим расстояние, равное скорости ветра. При пЬмощи круга и делений серединной линии легко получить, таким образом, точку С, а также по направлению курса на расстоянии, равном скорости дирижабля, точку D. Находим четвертую угловую точку параллелограмма OCDE-, она лежит, очевидно, на серединной линии; при помощи делений последней путевую скорость определяем в 66 км/час. Случай 2. Продолжим направление ветра OWi в обратном направлении. Через точку пересечения Аг с вертикальной прямой, соответствующей воздушной скорости дирижабля, проводим вспомогательную окружность. На том же основании, как в случае 1, можно воспользоваться лишь одной точкой пересечения с вертикальной прямой, которая соответствует скорости ветра; если точка пересечения лежит выше направления 0W1; то мы видим, что скорость ветра в этом случае не должна быть больше скорости дирижабля. Если последняя опять равна 30 км/час, то получаем точку пересечения а отсюда и направление ОБг, по которому надлежит вести дирижабль; чйобы найти путевую скорость, строим, как и в случае 1, параллелограм OCtDJUi, 4-я угловая точка Ег дает путевую скорость, которая в данном случае' равна 28 км/час. Если при больших скоростях ветра и направлениях, которые мало отклоняются от курса, мы не сможем получить точек пересечения с прямыми направлений и скорости, то можно чертеж вычертить Ь масштабе, меньшем в % или Уз, что достигается удвоением пли утроением нужных скоростей. Так же просто при помощи этого графика можно решать и некоторые другие задачи, связанные с управлением в горизонтальной плоскости. Если известны направление и скорость ветра, то можно с помощью графика легко определить по путевой скорости воздушную скорость дирижабля. Если дирижабль идет по замкнутому пути, то во время полета (в противоположность ранее существовавшему мнению) сказывается влияние скорости ветра, потому что если скорость ветра будет больше скорости дирижабля, то вообще нельзя пройти по замкнутому пути. В какой мере сила ветра влияет на время полета, покажем на простом примере.
Пример 60. Дирижабль (или самолет) с постоянной скоростью v м/сек идрт по кругу, т. е. проекция траектории его полета на землю представляет окружность с радиусом г м. Скорость ветра w м/сек. В какое время Z дирижабль опишет эту окружность? Результаты вычислений1 мы сопоставляем в нижеследующей маленькой таблице. Пусть v — 20 м/сек ^=72 км/час, w выражается в дробях от V. Числа таблицы, помноженные на г, дают время Z в сек. Для других скоростей щ надо их увеличивать в отношении v: vx. Таблица JO. Таблица путевых скоростей для v = 20 м/сек = 72 км/час IV = 0 V Z — 0,3142 сек К IV = 0,60 V у — = 0,4429 сек Т 0,10 , 0,3164 , 0,70 . 0,5514 , 0,20 „ 0,3216 . 0,80 . 0,7100 . 0,30 , 0,3369 , 0,90 , 2,9100 „ 0,40 , 0,3593 „ 1,00 „ оо 0,50 „ 0,3912 „ Мы видим, что влияние скорости ветра, вначале очень незначительное, быстро увеличивается. Скорость ветра, равная половинной воздушной скорости дирижабля, повышает 'время полета по сравнению со штилем уже почти на 25'%. Очень похожи условия и при других замкнутых криволинейных траекториях. Если, как обычно, без учета скорости ветра, скорость дирижабля определяется промежутком ’времени, необходимым для облета им замкнутой кривой, то пилот может пользоваться этим способом лишь в том случае, когда он летит при самом слабом ветре. Мы видели выше, что дирижабль при закрепленном руЛе описывает рулевой круг. Разберем еще, каким образом он выходит из этого круга. Пусть килевое направление АВ (фиг. 6) есть первоначальное направление полета. Винт с тягой Z кг работает всегда в килевой плоскости, проходящей через центр тяжести корабля £ Руль St быстро перекладывается вправо, как показывает фиг. 6, и это положение сохраняется. Чтобы исследовать давление Р, действующее на руль St. которое с достаточной точностью можно принять перпендикулярным к St, поступаем следующим образом: через центр тяжести S приводим Векторы сил Рг и Р, равные Р (Pt —• параллельно Р и Р? — в обратном направлений, вследствие чего они взаимно уничтожаются). Из этих четырех сил Р, Рг, Рг и Z, силы Р и Р2 вызовут вращающий момент, который заставляет корабль поворачи- * V- 1 Вычисление даст: Z==_J1™ .Е( Г2 — ГДР ц _ обовначает полный эллиптический интеграл 2-го вида модуля Щ.'2 7i2 = ~ . V-

ваться по часовой стрелке вокруг своего центра тяжести, а Рх и Z в это время образуют равнодействующую, которая, действуя на центр тяжести S, продвигает дирижабль вперед. У морских судов при большом боковом сопротивлении в действие вступает практически только та составляющая силы Р1; которая, совпадая с килевым направлением, направлена противоположно Z, и судно быстро’ ложится на курс, обозначенный на фигуре пунктиром. При небольшом боковом сопротивлении у дирижабля Л действует полностью и под (влиянием равнодействующей R дирижабль относится в сторону от пунктирной кривой, подобно автомобилю на скользкой дороге. Вместо того, чтобы отклониться вправо, дирижабль движется сперва по пути S1S'2>S'3... влево, под действием пары сил РР2 он поворачивается одновременно вправо. Только от положения Ss, в которое он пришел, уже повернувшись на 90 °, путь его с достаточной точностью начинает совпадать с окружностью. Если при отклонении траектории полета слегка, влево встретится какое-нибудь препятствие, то на пего можно’ натолкнуться, если штурвальный попытается его избежать, повернув руль вправо и двигаясь по кривой вправо; напротив, при коротком повороте рулем влево он даст возможность дирижаблю, изменившему свое направление слегка вправо, пройти мимо этого препятствия. Если дирижабль должен отклониться на 90° вправо, то в положении & вернуть руль в его нейтральное положение нельзя, дирижабль тогда будет продолжать поворот: руль у дирижабля должен быть переложен в обратную сторону для того, чтобы живая сила вращения могла быть постепенно погашена сопротивлением воздуха. Если сопротивление воздуха вдруг исчезло бы, то тогда дирижабль начнет поворачиваться вокруг своего центра тяжести с постоянной угловой скоростью и с постоянной скоростью будет продолжать прямолинейное движение по касательной к траектории. Если же корабль должен сохранить направление, указанное положением S3, то коротким поворотом руля влево будет прекращено действие живой силы при повороте. Вследствие незначительного сопротивления при небольшой скорости вращения, поворот руля действует не только в То’ время, пока происходит этот поворот, но подобно’ удару бича о вращающийся волчок, действие его продолжается более длительное время.
Редактор Р. С. Шаховской. Техн, редактор А. И. Савари. Издат. № 33. Индекс 40-5-3. Тираж 2000. Сдан> в набор 11/1-36 г. Подп. в печ. 25/IV-36 г. Формат бумаги 62X04. Уч.-авт. лист. 10,19. Бум. л. 8'/2 -|- 3 вкл. Печ. зн. в бум. л. 101 000. Зак. 16. Уполном. Главлита № В-35516. Выход в свет июнь 1936 г. 3-я тип. ОНТИ им. Бухарина. Ленинград, ул. Моисеенко, 10.
Опечатки Стр. Строка Напечатано Следует читать 38 15 сверху То Т 9 хо 38 15 » = 1000 т0 = 1000 То' 45 17 полнены: первый — водородом, остальные — светильным газом. делить влияние любого количества сброшенного балласта 50 12 и линией и находим линией постоянного объема аэростата н находим 78 9 снизу 4,69 км 4,69 кз Кроме того на стр. 53, 54, 55, 79 вместо «сложный пунктир" следует читать «простой пунктир". Р. Эмден, Основы пилотажа авростатов. Закаа 16.