Sterowce – ponowny renesans w świecie coraz wyższych cen paliw. XXII wiek

Sterowce – zapomniany rodzaj statku powietrznego, który może czekać ponowny renesans w świecie coraz wyższych cen paliw oraz kurczących się mimo wszystko zasobów ropy.

Pomysł wykorzystania statku powietrznego wypełnionego gazem lżejszym od powietrza pojawił się niemal 100 lat temu, w latach między pierwszą a drugą wojną światową było mocne parcie na sterowce. Prym wiedli Niemcy. Wszystko wskazywało na to, iż w wieku 20–stym potężne maszyny lżejsze od powietrza będą transportować ludzi po całym świecie w luksusowych warunkach, przy relatywnie niskich kosztach operacyjnych w porównaniu do samolotów oraz z większym poziomem bezpieczeństwa niż w ówczesnych samolotach. Niemcy budowali ciekawe konstrukcje takie jak Zeppelin, szczytowym osiągnięciem był flagowy niemiecki sterowiec Hindenburg.

Loty transatlantyckie zajmowały zdecydowanie mniej czasu niż rejs statkiem przy prędkości 135 km/h taki rejs zajmował ok. 48 godzin przy jednocześnie większym komforcie (trudno o chorobę morską w sterowcu).

Niestety w roku 1937 Hindenburg uległ wypadkowi z niepoznanych do końca przyczyn wybuchł wodór w zbiornikach. Zginęło 35 osób z 97 na pokładzie, co jest oczywiście tragicznym wydarzeniem, ale warto pamiętać, że bilans katastrof lotniczych na ogół jest gorszy.

Opinia publiczna zniechęciła się do sterowców, następował stopniowy rozwój szybszych samolotów, paliwo było tanie a na dodatek chwilę później wybuchła druga wojna światowa. Sterowiec z oczywistych względów nie mógł być wykorzystywany do celów militarnych, ogromna powierzchnia poszycia czyniłaby go łatwym celem zarówno dla myśliwców, jak i obrony przeciwlotniczej naziemnej, do tego niska prędkość i kiepska zwrotność uniemożliwiała opuszczenie niebezpiecznego rejonu w krótkim czasie.

Cała para przemysłu lotniczego poszła w samoloty, zarówno po jednej jak i drugiej stronie Atlantyku rozwijano tylko samoloty, o sterowcach niemal zapomniano. Przez sześć lat 2 wojny światowej samoloty ze ślamazarnych dwupłatowców przekształciły się w szybkie również odrzutowe maszyny, do tego znacząco udało się wydłużyć zasięg lotu i nawet loty za ocean nie stanowiły już problemu.

Po drugiej wojnie nastąpił dalszy rozwój samolotów. W latach 60 tych już większość pasażerskich samolotów zaczynała mieć silniki odrzutowe, wydawało się ,że przyszłością będą jeszcze szybsze maszyny naddźwiękowe, w roku 73 pojawił się Concorde, jeden z najszybszych samolotów pasażerskich na świecie oraz konkurencyjny TU – 144 osiągający 2500 km/h, samoloty te spalały koszmarne ilości paliwa, ale w tamtych czasach wszystkim się wydawało, że teraz to już będzie tylko szybciej, wyżej i w roku 2020 samoloty pasażerskie będą już latały w górnych warstwach atmosfery z prędkościami ponad mach 3.

Niestety ceny paliw zaczęły iść w górę, zaczynały się pierwsze doniesienia o peak-oil, czyli o tym, że prawie całą ropę naftową można wyciągnąć z ziemi i spalić w silnikach oraz w elektrowniach raz na zawsze, tak czy inaczej samoloty naddźwiękowe skończyły się wraz z Concordem w roku 2003 i już prawdopodobnie nigdy nie wrócą. Nie wytrzymały próby czasu, wysokich cen paliw oraz wysokich kosztów obsługi (a ta musiała być perfekcyjna ze względu na pułap lotu i prędkość), nie bez znaczenia był też wypadek Concorda w roku 2000, który to również przyczynił się do zniechęcenia potencjalnych klientów tej maszyny. Po Concorde do dnia dzisiejszego królują samoloty poddźwiękowe, były cały czas udoskonalane pod względem konstrukcji płatowca oraz silników np. Dreamliner pali o 20 proc mniej paliwa od poprzednika 767, ale już bardziej nie da się zmniejszyć spalania, może jeszcze uda się ugrać kilka procent.

Wydajniejszy jest nowoczesny napęd turbośmigłowy z nowoczesną geometrią śmigieł wykonanych z kompozytów, ale kolejna oszczędność paliwa o ok 7 proc., może 10%, będzie okupiona spadkiem prędkości przelotowej z 900 km/h do 700 km/h. Nic więcej już się nie da osiągnąć w samolotach, paliwa będą drożały i może się okazać, że w wieku 22 nie jak to wszyscy oczekiwali, nie tylko nie będziemy podróżować z prędkością naddźwiękową, lecz nie będziemy podróżować wcale drogą powietrzną ze względu na zaporowe koszty paliwa.

Ratunkiem dla przemysłu lotniczego może być powrót do starej koncepcji statku powietrznego wypełnionego gazem lżejszym od powietrza, czyli sterowca, ale w zmodernizowanej formie na miarę 22 wieku.

Dlaczego akurat sterowiec wydaje się być najbardziej sensownym rozwiązaniem na transport powietrzny przyszłości? Zalet jest wiele, są też wady.

Największą zaletą tych maszyn jest niższe spalanie.

Spalanie w sterowcach jest zdecydowanie niższe niż w samolotach, z uwagi na mniejsze zapotrzebowanie na moc sterowce palą od 2 do nawet 8 razy mniej paliwa na tonę przewiezionego ładunku, widełki są dość duże, a to z racji tego do jakich źródeł sięgniemy, są różne typy sterowców z różną aerodynamiką,mocą silników, prędkością przelotową, ale przyjmijmy średnio niższe spalanie o 4x w naszym sterowcu 22-go wieku, żaden samolot nie ma szans.

Kolejną zaletą jest bezpieczeństwo, współczesne samoloty są również bardzo bezpieczne, ale sterowiec ma jedną zaletę. W razie jakichkolwiek problemów może lądować w przygodnym terenie, a samoloty są „przykute do lotnisk”, prędkości też są dużo niższe, więc skutki ewentualnego zdarzenia będą dużo mniej groźne.

Samoloty potrzebują bardziej rozbudowanej i kosztowniejszej infrastruktury, długie pasy startowe, zaawansowane technologie kontroli lotów, bazy paliwowe do obsługi lotnisk. Sterowiec zadowoli się portem sterowcowym o znacznie mniejszych wymiarach, a tymczasowo na np. okres letni można przygotować nawet trawiaste lądowiska.

Oczywiście lata 30 dwudziestego wieku i cenne doświadczenia, które zostały zebrane głównie przez Niemców podczas rozwoju tej technologii ujawniły pewne wady takie jak np. podatność na boczne wiatry podczas cumowania, słaba zwrotność, mimo wszystko niska prędkość przelotowa, niebezpieczeństwa z używaniem wodoru jako czynnika nośnego, pewne problemy ze sterowaniem wysokością, jest jeszcze pewien problem, o którym nie traktują żadne źródła ale jestem pewien, że taki wystąpi – oblodzenie konstrukcji . Mając doświadczenia z przeszłości i współczesną technikę można te wszystkie problemy wyeliminować bądź przynajmniej ograniczyć.

Jak wyobrażam sobie sterowiec na miarę 22 wieku?

Na pewno będą różne wersje z różnymi napędami do różnych zadań, tak jak dzisiaj są różne samoloty krótkiego, średniego, dalekiego zasięgu z różną liczbą miejsc.

Najważniejsze są trzy czynniki: Na pierwszym miejscu aerodynamika, na drugim masa, na trzecim wydajność układu napędowego.

Sterowiec dalekiego zasięgu obsługiwałby najdłuższe trasy, powinien mieć takie cechy, jak dość wąski kadłub, maksymalnie zbliżony kształtem na ile to możliwe do kropli wody (to najbardziej aerodynamiczny kształt), wystające elementy ograniczone do minimum, gondola pilotów przeniesiona do wnętrza, cylindra, lub podwieszona, tak jak w historycznych konstrukcjach, lecz z lepsza aerodynamiką również zbliżoną do kropli wody. To jest najważniejsze na długich trasach globalnych, wzrośnie prędkość i spadnie zużycie paliwa.

Konstrukcja nośna w latach trzydziestych – do dyspozycji była tylko stal oraz aluminium choć i z alu. były problemy, nasz sterowiec 22 wieku miałby konstrukcje nośną wykonaną z carbonu, czyli kompozytów węglowych, wszystkie śruby i sworznie gdzie występują duże obciążenia wykonałbym z tytanu, tam gdzie obciążenia są mniejsze i połączenia nie wpływają bezpośrednio na bezpieczeństwo użyłbym aluminium lotniczego lub magnezu.

Poszycie wykonałbym z najlżejszych i najwytrzymalszych materiałów syntetycznych zbrojonych kevlarowymi nićmi. Wszelkie powierzchnie przeszklone tylko z plexiglasu. Prekursorzy w latach 30-stych nie mieli takich materiałów. To wszystko spowoduje jeszcze większą oszczędność paliwa i wzrost prędkości.

Układ napędowy – tutaj robi się bardzo ciekawie, bo sterowiec ma tą przewagę nad samolotem, że można użyć rożnych rodzajów układów napędowych ze względu na mniejsze zapotrzebowanie na moc.

Silniki diesla – jak najbardziej taki napęd nadaje się do sterowca, z resztą niemieckie sterowce miały napęd wysokoprężny, dzisiaj mamy tą przewagę, że diesle są mocniejsze przy niższej masie oraz spalają mniej paliwa. Nasz sterowiec 22 wieku może mieć mocne silniki diesla z turbodoładowaniem i wtryskiem typu common rail. Ile powinien mieć cylindrów i w jakim układzie? Ja stawiam na silniki rzędowe od 6 do 9 cylindrów. Taki układ sprawi, że silniki będą wąskie i długie, co zmniejszy opór aerodynamiczny. Ze współczesnymi dieslami prędkość jeszcze bardziej wzrośnie a spalanie spadnie.

Inny rodzaj napędu do sterowca dalekiego zasięgu to turbina gazowa. Turbiny gazowe już dziś są używane w samolotach turbośmigłowych, śmigłowcach, a nawet w czołgach Abrams. Zalety turbiny gazowej to niska masa, wąski kształt (aerodynamiczny ), bardzo duża moc w porównaniu do masy. Turbiny gazowe mogłyby napędzać nowoczesne kompozytowe śmigła o zmiennej geometrii w sterowcu, pracując na nafcie lotniczej, biopaliwie, gazie ziemnym, oleju napędowym, benzynie wytworzonej nawet z węgla jak będzie trzeba – tak turbina gazowa może pracować na różnych rodzajach paliwa. Minusem są gorące gazy oraz nieco wyższe spalanie jak w dieslu.

Pomysł najbardziej szalony, kontrowersyjny, ale nie tak wcale nierealny w sterowcu. Napęd nuklearny. W czasach zimnej wojny zarówno USA, jak i Związek Radziecki pracowały nad napędem atomowym do bombowców strategicznych: Powstały samoloty eksperymentalne takie jak Convair X-6 oraz Radziecki przerobiony eksperymentalny TU -95. Największym problemem było przełożenie mocy cieplnej reaktora na użyteczny ciąg. Reaktor daje temperaturę, a samolot potrzebuje ciągu, ale dało się jako tako rozwiązać ten problem, kolejny problem to ekranowanie – osłony są ciężkie, a samolot musi być lekki. W sterowcu łatwiej taki napęd zainstalować bo zapotrzebowanie na moc jest mniejsze więc zarówno hipotetyczny reaktor byłby mniejszy jak i osłony byłby lżejsze. Cena biletu powinna być bardzo niska przy takim napędzie. Otwartą kwestia pozostaje zagrożenie radioaktywne w razie katastrofy lub zamachu.

Podsumowując – nasz sterowiec dalekiego zasięgu, oczywiście wypełniony helem, powinien osiągać prędkości ok 300 km/h, lub więcej, latając na wysokości 3000 m n.p.m. Skąd ta wysokość? Na pewno nie z kapelusza – na tej wysokości większość ludzi nie odczuwa negatywnych skutków rozrzedzonego powietrza, natomiast opór powietrza ze względu na jego mniejszą gęstość poprawi osiągi i ekonomikę naszego statku.

Sterowiec krótkiego zasięgu, obsługujący trasy lokalne np. Trójmiasto – Zakopane lub Nowy Targ, tutaj jak na miarę 22 wieku przystało, zaryzykuję napęd elektryczny. Istnieją już akumulatory grafenowo–polimerowe, które mają pojemność czterokrotnie większą od współczesnych znanych nam z laptopów lit-jon (przypominam, że grafen wynaleźli Polacy) do tego wytrzymują więcej cykli ładowań. Dodatkowo można umieścić lekkie, organiczne, elastyczne panele PV na kadłubie takiej maszyny, co dodatkowo zwiększyłoby zasięg lub pozwoliło na darmowe ładowanie na postoju w słoneczny dzień.

Konstrukcja w sterowcu krótkiego zasięgu może być z najlepszych obecnie znanych stopów aluminium lotniczego i z wysokojakościowej stali. Masa owszem jest kluczowa, ale jednak ta maszyna ma latać wolniej niż wersja dalekobieżna. Prędkość przelotowa powinna wynosić ok. 180-220 km/h.

Areodynamika jest jak zawsze kluczowa, będzie oczywiście dopracowana, ale nie musi być aż tak smukła jak w wersji dalekiego zasięgu. Takie sterowce będą konkurencją dla linii kolejowych, nie trzeba budować torów, trakcji i całej niezwykle kosztownej infrastruktury kolejowej, do tego czasy przelotów jak ich cena zdeklasują pasażerskie przewozy kolejowe na trasach między dużymi miastami.

Zarówno wersja dalekiego jak i krótkiego zasięgu będzie miała coś czego nie miał Hindenburg, dość mocne silniki manewrowe umiejscowione po bokach na stale bądź wysuwane z konstrukcji w celu zmniejszenia oporu powietrza. Podczas przelotu zapewnią one pełną kontrolę nad maszyną, podczas cumowań w mocno zurbanizowanych terenach. Nagłe nieoczekiwane podmuchy wiatru nie spowodują utraty kontroli. Obydwie wersję będą miały najnowsza awionikę zaczerpniętą z obecnych samolotów ale zaadaptowaną na potrzeby sterowców z radarami pogodowymi włącznie.

Podsumowując transport lotniczy z 20 jak i 21 wieku przyczynił się do poprawy jakości życia, większej globalizacji, ale również do tego, że świat mocno przyspieszył i żyjemy dzisiaj w silnym stresie mimo tego, iż często niczego nam nie brakuje. Do tego przyczynił się też w jakimś stopniu do degradacji środowiska.

Wykorzystanie dawnej technologii pojazdów wypełnionych helem lżejszym od powietrza (ale uzupełnionej o nowatorskie rozwiązania) sprawi ,że paradoksalnie jakość życia wzrośnie, nie będziemy aż tak gonić, bo nie sądzę, żeby sterowce nawet najlepsze były szybsze niż 350 km/h, do tego warunki podróży mogą być bardziej komfortowe. Wiek 22 to będzie wiek właśnie takich rozwiązań, nieco bardziej zrównoważonego rozwoju oraz dostrzegania innych wartości niż tylko dobra materialne.

cdn…

Andrzej Nowacki