飛行船 (ツィオルコフスキー)

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飛行とその手段
飛行とは、陸地や海などの液体に触れずに移動することである。対流圏では高度12kmまで、成層圏はさらに高い高度まで、そして大気圏外は300〜500km以上の真空まで、飛行することができる。(1kmを略してverstと呼んでいる)

飛翔の方法には、1)運動(投げた石、砲弾、天体)、2)空気環境の反発(飛行機、鳥)、3)砲弾自体に蓄えられた物質の反動(ロケット)、4)アルキメデスの法則による環境の圧力(風船)などがある。例えば、飛行船は船のように媒体の圧力に支えられて風で動き、同時に空気のプロペラが媒体を反発させる。また、ストラトプレーン(高高度航空機)では、ジェット方式とプロペラ方式の両方を使用することができる。また、すべての機体は体積を有するため空気中でその重量がある程度失われる。そのため、アルキメデスの法則も使われている。

第一の方法、すなわち地上からの投擲は、空中でも、真空中でも、重力のある媒体でも、重力のない媒体でも機能する。

媒質の反発は、もちろん媒質が存在しない場所、例えば真空中には適さない。ここでは、蓄積された支持体が作用するだけである。

もちろん、アルキメデスの法則も媒体と重力がなければ適用できない。


飛行機と飛行船
実際には、対流圏の12km以下の飛行には、飛行機と飛行船の2種類がある。

飛行機は、例えば五月蝿いカブトムシのように、硬い上翅を広げて細い翼を全速力で羽ばたかせる剛翼の昆虫に似ている。カブトムシのプロペラの動きは振動的であり、飛行機の動きは回転的であるため、この例えは不完全である。私たちは、自然界における飛行機の完全な姿を知らない(ついでに言えば、他の多くの機械の姿も知らない)。(動物の正確な再現は不成功)。

一方、飛行船は、潜水艦に例えると、水の800倍の軽さの環境に包まれていることになる。また、プロペラで推進し、媒体の圧力で重量を支えている。(アルキメデスの法則による)

気球(1783年)と飛行機(1904年)が最初に誕生したにもかかわらず、飛行船は最近、その完成度のほぼ限界に達しているが、飛行機はまだその域に達していない。飛行船は147年前、飛行機は26年前のものである。

しかし、飛行機の概念は、飛行船の概念よりもはるかに早い時期に生まれている。前者は、地球上のほとんどの最初の人々が夢見たもので、無数の昆虫や鳥が飛ぶのを見た。しかし、空飛ぶ雲(密度が高く重いと考えられていた)もまた、太古の昔から人間に別の種類の飛行のアイデアをもたらした。熱せられた空気、立ち上る煙、軽い体は、異なる飛行方法を示唆していた。人間の暖かい息で膨らんだシャボン玉が、最初に熱気球の発明を示唆したのだと思われる。モンゴルフィエは、火が近くにあることで、火にかかっているスカートが膨らんで盛り上がることに気がついた。これが、1783年に彼が発明した熱気球の理由である。翼のある装置よりも身近な存在であるため、早くから実現していた。

気体に対する透過性のない殻を持つ風船は、動力を使わずに永遠に空中に浮くことができる。それはまるで船やボートのように、海流の意思で運ばれていた。もし、気球の殻を不透過性で安価に作る方法が見つかり、空気の流れを利用する方法があれば、この運動方法は世界で最も経済的なものになるだろう。ただし、ボートは水面上の位置を維持し、気球は気象学的な影響を受けて上昇・下降する。そのため、使用方法も複雑になっている。

さて、次に飛行機の話をしよう。急速な前進によってのみ空中に留まることができるが、そのためには、第一に重力に打ち勝つため、第二に空気の抵抗に対抗するために、多くの仕事をしなければならない。一般的に、どちらも1人当たり30~300馬力を消費して飛行する必要がある。

飛行機の揚力が低ければ低いほど、飛ぶための相対的なエネルギー消費量は少なくなる。一般的には、一人乗りの飛行機でも50~100馬力は必要とされている。この消費を避けることはできない。しかし、小型飛行機は経済的ではない。経済的な飛行機は、1人以上の乗員がいて、その5倍以上の乗客がいなければならない。例えば乗員が5人であれば、25人の有料乗客が必要となり、全部で30人が乗れる機体が必要となる。そうして初めて、少なくとも旅行の利便性と安全性が得られるのである。そのためには、大型で相対的なエネルギー消費量が少ない大型の飛行機が必要となる。

飛行機は、手紙や高価な荷物、旅費を惜しまない人たちを運ぶ役割しかないことは明らかである。

貨物機はまだまだ発展途上の時代でまだまだ高みに到達し、ある程度の経済性を持つようになるだろう。しかし、その下限は常に高くなる。海や砂漠を素早く横断したり、一般的な長旅を短時間で行う必要がある人は、飛行機に頼るだろう。(数十人を乗せ、乗客にささやかな快適さを与えるものの、蒸気船や未来の飛行船の快適さには遠く及ばない)。

後者は、飛行機よりもゆっくりと動き、巧みな気流を利用し、巨大なサイズで、ゴンドラに何千人もの人を乗せることができる。そのため、飛行機よりも飛行船で移動した方が、より美しく、より安く移動することがでる。

飛行船は、安価な貨物や、多額の旅費や転居費を出せない、あるいは出したくない簡単な乗客を運ぶ役割を果たす。

飛行船は、飛行機よりもさらに発展期にあり、完成度の限界からはさらに遠い。

飛行船の構造は、潜水艦と似ている。同じモーター、同じプロペラで、縦軸の安定性と海面に対する位置関係に苦労した。

潜水艦にとってこの闘いは一方では容易であり、他方では、空気の欠如、光の弱さ、水の巨大な外圧のために、同じ闘いがより困難になる。


3世代の飛行船
実際には、軟式、硬式、半硬式の3種類の飛行船がある。

1つ目は、ゴンドラとエンジン以外のすべての部品が、ゴム引きの布やロープなどの柔らかい素材でできている。Parsevalはプロペラを柔らかくすることにも成功した。飛行船の建造は、このような飛行船から始まりまった。その理由は、最初のブリムのサイズが小さかったことと、非常に軽い殻が必要だったからである。

硬質飛行船も同じように配置されているが、硬いケージ、骨格、あるいはターポリンのようなもので覆われた船体を持っている。これは、比較的巨大なサイズでなければ作れない。

半剛性飛行船は完全な骨格を持たない。飛行船の下半分、底面はほとんどが立体的な格子状になっている。これらの飛行船は中規模のサイズである。

最後の2つのカテゴリーの飛行船は、柔らかい飛行船よりも遅くに発明され、実用化された。

これらのシステムはすべて実用化されており、いわば市民権を得ているといえる。

他のシステムの飛行船を作ろうとしたり、少なくともデザインを作ろうとしたこともある。しかし、それらはまだ成功していない。これについては後述する。

ここで紹介した3つの主な船種には、多くの共通点がある。

1)すべての飛行船は、内部に空気の入った特別なコンパートメントを持っている。そのため、外観の形状や体積は変わらないようにしている。そのために、骨格のあるものもないものもある。飛行船の甲板に充填されている軽いガスが膨張すると、空気の一部が押し出さる。ガスが圧縮されると、同じ空気が飛行船内に流れ込み、体積が増える。

2)飛行船の柔らかい部分は可燃性であり、時には木でできた機体自体も可燃性である、など。

3) すべての軟性区画は、ガスや空気に対して透過性がある。フレームはもちろん、スルーケージなので、ガスを入れることはできません。

4) ガスは可燃性である。空気と混ざると、火薬のような爆発性のある混合物になる。不燃性のヘリウムは、これまでアメリカの飛行船にしか使われていなかった。しかし、水素の2倍の重さがある。また、船殻の外でも内でも火を消すことはできない。

このことからもわかるように、現代の飛行船はすべて内部火災と外部火災が可能であり、乗客にとっては、タバコを吸っている人が火薬の入った樽の上に座っているのと同じ危険性がある。

最も成功したのは硬式飛行船であり、しかも特殊なシステムであった。その骨格のおかげで、巨大なサイズと同じ積載量を実現している。海の上、砂漠の上、大陸の上、さらには世界一周の旅にも出た。しかし、小型の軟式飛行船も使われなくなったわけではなく、利点もある。

硬質飛行船 そのような飛行船について説明しよう。この飛行船は、飛行船製造の最後の本物であり、最も完璧な製品と考えられている。

飛行船は、空気を含んだ流線型の形状が良い。この形状は、非常に複雑で高価な金属製の骨格によって維持されている。骨格を製造しているツェッペリン造船所のイラストを見ただけで、その複雑さとコストの高さに愕然としてしまう。

気嚢はワイヤーネットで15~20の区画に分けられ、その中には普通のヘリウム風船が入っている。また、空気密度(以下)の可燃性ガスの袋も置かれている。そして、まだ空気が占める広大な空間が残っている。フレーム全体を1~2枚の平行したターポリンで包む。

プロペラ、モーター、ラダー、フィンなどの話はない。これはどの飛行船でもほぼ同じである。

飛行船はどのようにして操縦するのか?制御可能性を分けていく。1)ピッチ軸(上昇、下降、高度の維持)、2)ヨー軸(水平方向の前進)、3)ロー軸(軸の水平、またはその若干の傾斜)の3つである。

1.ピッチ軸の操舵性

エンジンで気体燃料を燃焼させても、飛行船の揚力は変わらないので、海上での高さも変わらない。エンジンでガソリンやオイルを燃やすと軽くなって上昇するが、浸透によるガスの損失がこの欠点を打ち消すことがある。

しかし、太陽の光で船殻(とガス)が熱せられ、飛行船が急上昇してきたらどうするのか。高価なガスの放出は避けられません。また、その後、空が雲に覆われると、飛行船は冷えて落下してしまう。どのようにして浮力を維持するのであるか?バラストの損失は避けられない。それは自重であり、その蓄えは大きなデメリットである。ガソリンの燃焼は、現在使われている燃焼生成物を水に凝縮することで、部分的にバランスをとることができる。急激な冷暖房や半端な曇り空では、ガスやバラストの損失でしか対処できない。

均衡が保たれていれば、飛行船を少しだけ(前進中に)傾けることで、希望の高さまで沈んだり上がったりすることができます。これにより揚力も変化し、あたかも配管で制御しているかのような役割を果たしている。

しかし、残念ながら計算上は、この方法で得られる揚力は非常に限られたものであり、気象の影響に対抗することはできませんでした。

2 プログレッシブステアラビリティは、エンジン操作による船の独立した速度が風速よりも大きい場合に達成される。後者の速度が有意な値に達すると、飛行船のエンジンの出力は大きくなるはずである。しかし、多くの場合は小さくても構わない。例えば、次のような場合である。1)風速が弱い場合、2)テーラーメイドの場合、3)風向きから道が少しずれている場合。

操舵性についても、直進性と希望するプログレッシブ・スピードの変化を考慮している。真っ直ぐさは、長手方向の軸が水平であること、または希望する一定の傾きがあることが条件となる。また、動きの速さは、モーターの可変性と望ましい動作によって決定されます。どうやら、現代の飛行船はこの特性を十分に持っているようで、そうでなければ着陸が困難になる。離陸時とテイクオフ時には、飛行船の独立した速度が最初の風速と等しく、逆(方向)でなければならない。そうして初めて、旅の始まりと終わりの瞬間が豊かになり、均衡のとれた動きがプラム(極)になるのである。

3. 多くの仕切り、水平方向の舵(高さ)、羽目板、ゴンドラ内の貨物の動きなどのおかげで、船の縦軸の方向は十分に保存されているようである。しかし、ツェッペリンの船長の一人であるブルンズ博士からは、飛行船の傾きが強いという苦情を聞いている。サイクロンが生み出す傾斜には、ツェッペリンによる対処法では十分とは言えません。不可抗力の傾斜により、船の前進速度や船体の健全性までもが大きく影響を受ける可能性がある。

軽いガスを保存するために、ボールとなるリザーバーは牛の腸で作られている。それを何十万個も布で巧みに接着して、通気性のある小さな球状の袋を作っている。

説明した飛行船の欠点はやはり以下の通り。

1. 工事中の高所作業に費用がかかり、困難である。その際の高価な造船所の必要性。

2. 極端な火災の危険性。縮んだり膨らんだりしているボールの軟らかい組織同士が擦れ合って、電気の火花が出て、気体燃料に火がつくことがあるのである。また、消防車、ガソリンやオイル、乗員や乗客の不注意なども火災による死亡の原因となる。

3. エアコンパートメントは、飛行船の体積を増やし、移動時の空気抵抗を増加させます。また、内部の火災にも貢献している。

4. ヘリウムは、水素の2倍の重さがあり、ヨーロッパには存在せず、その価値の高さから入手できない。また、ガス状の推進剤や空気、有機物を含んだシェルが気嚢に入っていることを考えると、火災の危険性は全くないとは言えない。

5. 操舵性は弱い。均衡は、ガスとバラストの損失なしには達成されない。これがないと(気象の影響に)対抗できない。骨格とヘリウムを除く飛行船のすべての部品が可燃性であるため、ガス暖房は適用できない。

6. 船の縦軸の安定性が不十分なため、たっぷりとした安定翼を使用している。また、空気抵抗も大きくなります。

7. システム全体の脆弱性 垂直方向の制御性が低いため、降下中などに軽い衝撃を受けただけでも非常に危険である。そのためには、乗客の出入りのためのリフトを備えた精巧な構造のバーシングタワーを使用する必要があります。

8. 空気の振動運動(波状、流れの不揃い、突風)は、外殻飛行船のベンド(周方向のトラス)とストリンガー(縦方向のトラス)の間に張り巡らされたフラッターにつながり、空気の巨人の前進時に環境の抵抗を大きく増加させることになる。

9. 複雑な構造を持つ飛行船は、重量が大幅に増加し、有用な積載量が減少します。

10. また、強度が低下し、構造が複雑でなければ大きくできる寸法も制限されてしまいる。また、寸法を大きくすると、前進速度が速くなったり、同じ速度での燃料消費量が減ったりします。

11.大量のボールを縦に発射すると、一度に30個もの穴が開き、そこから高価なガスがどんどん抜けていく[13]。

12.外殻の強度や剛性が不十分なため、寒冷地での除雪や温帯地域での冬場の除雪には不便である。

13. 急速な分解性と有機物の腐敗。

14. 骨格の存在により)外形の角張った部分ができ、空気抵抗が増加する。

15. まだ欠点が多いという話ではありません。

アメリカの飛行船は、金属製の外殻の形状や容積が変わらない。 飛行船の外殻を金属製にして、ガスを通さないようにしようとしている。それに、飛行船の形は変えたくない。

後者の場合、ツェッペリンの骨格が必要になります。気嚢や空気の袋を避けることはできません。

大気の圧力は、気象条件、飛行船の昇降、気温の変化など、さまざまな原因で常に変化している。この圧力を内側からバランスさせるのはなかなか難しい。

内外の圧力差がわずかに乱れるだけで、機体は微妙に形を変え、金属シェルはひび割れ、しわ、不規則な折り目や亀裂が入る。ガスが漏れる、ガスが持たない。その結果、[14]15-程度のボディシェルやゴム製の布製ボールが必要になります。また、バルクヘッドがないとどうにもなりません。それらは、フレームの不変的な形状と同時に求められる。

最終的には、同じツェッペリンが出来上がりますが、船殻が重くなり、火災の危険性が少し減る。

一般的には、ここで得るものはほとんどありません。ツェッペリンの造船所は、非常に賢明にも、外部から伸縮する軽量のターポリンを採用した。

全金属製で容積可変の飛行船。 空気室のない昔の柔らかい飛行船のように、大気の外圧に応じて飛行船の体積や形状が変化するのであれば、永久に膨らむ空気室を使用する必要はありません。また、小さな過圧によってガスがシェルの端から端まで押し寄せてくると、飛行船の長手方向の軸が傾き、機首が上または下に押し上げられて、操縦ができなくなる。

私が1892年に論文で説明した波型金属製の全金属製飛行船は、(バロネットも骨格もない)柔らかいように体積と形状を変化させますが、不規則な巨大なひだを形成せず、形状の滑らかさを変えず、鼻をほじらないのである。

前者は横方向の波板によって、後者はコンストリクトシステムによって達成されます。

この形状を維持するための内圧は、エンジンのシリンダーから出る燃焼生成物が船殻を強く、あるいは弱く加熱することで得られます。

これらのことは、以下の説明と図面から明らかになる。(金属製飛行船の特別記述を参照)。

脚注[編集]


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