Aerostat - Aerostat

Aerostat (od greckiego ἀήρ aer (powietrze) + στατός Statos (stoi), dzięki francuskim) jest lżejszy od powietrza statek powietrzny, który zyskuje swoją windę przez zastosowanie wyporu gazu. Aerostaty obejmują balony bez napędu i sterowce z napędem . Balon może latać swobodnie lub być na uwięzi . Średnia gęstość statku jest niższa niż gęstość powietrza atmosferycznego, ponieważ jego głównym składnikiem jest jedna lub więcej poduszek gazowych, czyli lekka powłoka zawierająca gaz unoszący (w tym ogrzane powietrze, a także gazy o mniejszej gęstości niż powietrze) w celu zapewnienia wyporność , do której przymocowane są inne elementy, takie jak gondola, w której znajduje się sprzęt lub ludzie. Zwłaszcza w przypadku sterowców poduszki gazowe są często chronione przez zewnętrzną powłokę.

Aerostaty są tak nazwane, ponieważ używają aerostatycznym windy, która jest siła wyporu, która nie wymaga przepływu przez otaczającej masy powietrza. Kontrastuje to z ciężkimi aerodynami, które wykorzystują głównie siłę nośną aerodynamiczną, która wymaga ruchu powierzchni skrzydła przez otaczającą masę powietrza. Termin ten był również używany w węższym znaczeniu, w odniesieniu do balonu na uwięzi, w przeciwieństwie do sterowca latającego swobodnie. W tym artykule używa się tego terminu w szerszym znaczeniu.

Terminologia

W konwencjonalnym użyciu termin aerostat odnosi się do każdego statku powietrznego, który utrzymuje się w powietrzu, głównie przy użyciu wyporu aerostatycznego .

Historycznie wszystkie aerostaty nazywano balonami. Typy z napędem zdolne do lotu poziomego określano jako sterowce balony lub po prostu sterowce (z francuskiego sterowiec oznaczający sterowalny). Te zasilane aerostaty nazwano później sterowcami , a określenie „ balon ” zarezerwowano dla typów bez napędu, zarówno na uwięzi, jak i swobodnie pływających.

Niedawno US Government Accountability Office użyło terminu „aerostat” w innym znaczeniu, aby odróżnić balon na uwięzi od statku powietrznego latającego swobodnie.

Rodzaje

Balony

Balon to pozbawiony napędu aerostat, który nie ma żadnego napędu i musi być albo uwiązany na długim kablu, albo swobodnie dryfować z wiatrem.

Chociaż balon swobodny porusza się z prędkością wiatru, porusza się z wiatrem, więc pasażerowi powietrze wydaje się spokojne i bezwietrzne. Aby zmienić swoją wysokość nad ziemią, musi albo dostosować wysokość podnoszenia, albo odrzucić balast. Godne uwagi zastosowania balonów do swobodnego latania obejmują balony meteorologiczne i balony sportowe.

Uwięzi balon jest przytrzymywany przez jednego lub więcej cumy lub uwięzi. Ma wystarczającą siłę nośną, aby utrzymać napiętą linkę, a jej wysokość jest kontrolowana przez wciąganie lub wyciąganie linki. Balon na uwięzi czuje wiatr. Okrągły balon jest niestabilny i kołysze się przy silnym wietrze, więc balon latawca został opracowany z aerodynamicznym kształtem podobnym do niesztywnego sterowca . Zarówno balony latawca, jak i sterowce niesztywne są czasami nazywane „sterowcami”. Godne uwagi zastosowania balonów na uwięzi obejmują balony obserwacyjne i balony zaporowe, a godne uwagi zastosowania balonów na uwięzi obejmują balony szpiegowskie i balony ogniowe .

sterowce

Sterowce Goodyear to sterowce niesztywne

Sterowiec to zasilany, latający swobodnie aerostat, którym można sterować. Sterowce dzielą się na typy sztywne , półsztywne i niesztywne, przy czym te ostatnie często nazywane są sterowcami .

Sztywny sterowiec ma zewnętrzną ramę lub powłokę otaczającą podnoszące poduszki gazowe wewnątrz. Zewnętrzna powłoka zachowuje swój kształt, nawet jeśli poduszki gazowe są opróżnione. Wielkie sterowce zeppelinów XX wieku były typami sztywnymi.

Niesztywny sterowiec lub sterowiec opróżnia się jak balon, gdy traci gaz. W sterowce Goodyear wciąż częsty widok w USA.

Półsztywny sterowiec ma nadmuchiwaną poduszkę gazową, podobną do niesztywnej, ale z konstrukcją nośną, która pomaga utrzymać jego kształt podczas lotu. Pierwszy praktyczny sterowiec, Santos-Dumont nr 6, był półsztywny.

Niektóre sterowce uzyskują dodatkową siłę nośną aerodynamicznie podczas podróży w powietrzu, wykorzystując kształt ich powłoki lub poprzez dodanie płetw lub nawet małych skrzydeł. Typy zaprojektowane do wykorzystania tego efektu wznoszenia podczas normalnego rejsu nazywane są sterowcami hybrydowymi .

Aerostaty hybrydowe

Typ hybrydowy wykorzystuje zarówno statyczną pływalność, jak i dynamiczny przepływ powietrza, aby zapewnić siłę nośną. Dynamiczny ruch można wytworzyć albo za pomocą napędu jako hybrydowego sterowca, albo przez wiązanie na wietrze jak latawiec, jako helikite lub kytoon .

Allsopp Helikite to połączenie balonu wypełnionego helem i latawcem do utworzenia pojedynczego, aerodynamicznie dźwięku uwięzi samolotu, który wykorzystuje zarówno wiatr i helu do jego wyciągu. Helikity są półsztywne. Helikity są uważane za najbardziej stabilne, energooszczędne i ekonomiczne aerostaty z dostępnych. Daje to Helikites różne zalety w porównaniu z tradycyjnymi aerostatami. Tradycyjne aerostaty muszą wykorzystywać gaz helowy o stosunkowo niskim udźwigu do zwalczania silnych wiatrów, co oznacza, że ​​muszą mieć dużo gazu, aby sobie z nimi poradzić, a więc są bardzo duże, nieporęczne i drogie. Helikity wykorzystują siłę unoszenia wiatru, więc muszą być tylko ułamkiem wielkości tradycyjnych aerostatów, aby działać przy silnym wietrze. Helikity latają wielokrotnie wyżej niż tradycyjne aerostaty tej samej wielkości. Będąc mniejszymi, z mniejszą liczbą szwów konstrukcyjnych, Helikites mają minimalne problemy z wyciekiem gazu w porównaniu z tradycyjnymi aerostatami, więc Helikites zużywają znacznie mniej helu.

Helikity nie potrzebują balonów, a więc są prostsze w budowie niż tradycyjne aerostaty, a helikity nie potrzebują stałego zasilania elektrycznego, aby utrzymać je w powietrzu. Helikity są również niezwykle stabilne, podobnie jak dobre platformy powietrzne do kamer lub instrumentów naukowych. Tiny Helikites będzie latać w każdą pogodę, więc te rozmiary są popularne, ponieważ są bardzo niezawodne, ale nadal łatwe w obsłudze i nie wymagają dużych drogich kabestanów. Helikity mogą być wystarczająco małe, aby zmieścić się w pełni napompowanych w samochodzie, ale mogą być również duże, jeśli do latania na dużych wysokościach wymagane są ciężkie ładunki. Helikity są jednymi z najpopularniejszych konstrukcji aerostatów i są szeroko stosowane przez środowisko naukowe, wojsko, fotografów, geografów, policję, ratowników. Helikity są używane przez firmy telekomunikacyjne do podnoszenia stacji bazowych 4G i 5G na obszarach bez zasięgu telefonii komórkowej.

Helikity mają rozmiary od 1 metra (objętość gazu 0,13 m 3 ) przy udźwigu czystego helu 30 g, do 14 metrów (objętość gazu 250 m 3 ) zdolna unieść 117 kg. Małe helikity mogą latać do wysokości 1000 stóp, a średnie helikity do wysokości 13 000 stóp, podczas gdy duże helikity mogą osiągnąć wysokość 7000 stóp.

Piasecki Helicopter opracował Piasecki PA-97 Helistat, wykorzystując układy wirników z czterech przestarzałych śmigłowców i nadwyżek sterowca Navy, aby zapewnić zdolność do podnoszenia cięższych ładunków, niż mógłby zapewnić pojedynczy śmigłowiec. Samolot uległ śmiertelnemu wypadkowi podczas lotu testowego. W 2008 roku Boeing i SkyHook International przywróciły koncepcję i ogłosiły proponowany projekt SkyHook JHL-40 .

Gazy unoszące

Aby zapewnić pływalność, każdy gaz unoszący musi mieć mniejszą gęstość niż otaczające powietrze. Balon na gorące powietrze jest otwarty na dole, aby umożliwić wejście gorącego powietrza, podczas gdy balon gazowy jest zamknięty, aby powstrzymać ulatnianie się (zimnego) gazu unoszącego się. Typowe gazy unoszące obejmują wodór, gaz węglowy i hel.

Gorące powietrze

Po podgrzaniu powietrze rozszerza się. To obniża jego gęstość i powoduje uniesienie. Małe balony na ogrzane powietrze lub latarnie latają w Chinach od czasów starożytnych. Pierwszym nowoczesnym aerostatem do podnoszenia ludzi, wykonanym przez braci Montgolfier , był balon na ogrzane powietrze. Większość wczesnych balonów była jednak balonami gazowymi. Zainteresowanie balonem na ogrzane powietrze obudziło się ponownie w drugiej połowie XX wieku, a nawet kilka sterowców na ogrzane powietrze było latanych.

Wodór

Wodór jest najlżejszym ze wszystkich gazów, a wkrótce po braciach Montgolfier poleciano załogowym balonem z wodorem. Nie ma potrzeby spalania paliwa, więc balon z gazem może utrzymać się w powietrzu znacznie dłużej niż balon na ogrzane powietrze. Bezpieczniej jest również, gdy na pokładzie nie ma płomienia, ponieważ materiały używane do produkcji aerostatów są łatwopalne. Wodór wkrótce stał się najpopularniejszym gazem unoszącym zarówno balony, jak i później sterowce. Ale sam wodór jest łatwopalny i po kilku poważnych katastrofach w latach 30. wyszedł z użycia.

Gaz węglowy

Gaz węglowy składa się z mieszanki metanu i innych gazów i zazwyczaj ma około połowę siły podnoszenia wodoru. Na przełomie XIX i XX wieku miejskie gazownie stały się powszechne i stanowiły tanie źródło gazu podnoszącego. W ramach niektórych prac udało się wyprodukować specjalną mieszankę na imprezy balonowe, zawierającą wyższy udział wodoru i mniej tlenku węgla, aby poprawić jego siłę nośną.

Hel

Hel jest jedynym gazem unoszącym, który jest zarówno niepalny, jak i nietoksyczny, i ma prawie taką samą (około 92%) siłę podnoszenia jak wodór. Odkryto go w ilościach dopiero na początku XX wieku i przez wiele lat tylko USA miały wystarczająco dużo do wykorzystania w sterowcach. Prawie wszystkie balony gazowe i sterowce używają teraz helu.

Gazy niskociśnieniowe

Chociaż obecnie nie jest to praktyczne, możliwe jest zbudowanie sztywnej, lżejszej niż powietrze konstrukcji, która zamiast nadmuchiwania powietrzem, znajduje się w próżni w stosunku do otaczającego powietrza. Pozwoliłoby to obiektowi unosić się nad ziemią bez żadnego ciepła lub specjalnego gazu unoszącego, ale strukturalne wyzwania związane z budową sztywnej komory próżniowej lżejszej od powietrza są dość znaczące. Mimo to, może być możliwe poprawienie osiągów bardziej konwencjonalnych aerostatów poprzez zamianę masy gazu na masę strukturalną, łącząc właściwości unoszące gazu z próżnią i ewentualnie ciepłem w celu zwiększenia siły nośnej.

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki