Sterowiec próżniowy - Vacuum airship

Koncepcja latającej łodzi Francesco Lana de Terzi ok. 1670 r

Sterowiec próżni , znany także jako balonik próżniowej , to hipotetyczny statek powietrzny , który ewakuowano zamiast wypełniona lżejszym od powietrza gazów, takich jak wodór lub hel . Po raz pierwszy zaproponowany przez włoskiego księdza jezuitę Francesco Lanę de Terzi w 1670 roku, balon próżniowy byłby ostatecznym wyrazem siły podnoszenia na przemieszczoną objętość.

Historia

Od 1886 do 1900 Arthur De Bausset na próżno próbował zebrać fundusze na budowę swojego projektu sterowca z „rurką próżniową”, ale pomimo wczesnego poparcia w Kongresie Stanów Zjednoczonych opinia publiczna była sceptyczna. Historyk z Illinois Howard Scamehorn poinformował, że Octave Chanute i Albert Francis Zahm „publicznie potępili i matematycznie udowodnili błędność zasady próżni”, jednak autor nie podaje swojego źródła. De Bausset opublikował książkę o swoim projekcie i zaoferował 150.000 dolarów akcji Transcontinental Aerial Navigation Company z Chicago. Jego zgłoszenie patentowe zostało ostatecznie odrzucone, ponieważ było „całkowicie teoretyczne, wszystko opierało się na obliczeniach, a nic na próbie lub demonstracji”.

Błąd podwójnej ściany

W 1921 r. Lavanda Armstrong ujawnia kompozytową konstrukcję ściany z komorą próżniową „otoczoną drugą osłoną skonstruowaną tak, aby utrzymywać powietrze pod ciśnieniem, ściany osłony są oddalone od siebie i związane ze sobą”, w tym komórka przypominająca plaster miodu. Struktura.

W 1983 roku David Noel omówił zastosowanie kuli geodezyjnej pokrytej folią z tworzywa sztucznego i „podwójnego balonu zawierającego sprężone powietrze między powłokami i próżnię w środku”.

W latach 1982-1985 Emmanuel Bliamptis opracował źródła energii i zastosowanie „nadmuchiwanych pierścieni rozpórkowych”.

Jednak projekt dwuścienny zaproponowany przez Armstronga, Noela i Bliamptisa nie byłby zbyt optymistyczny. Aby uniknąć zawalenia się, powietrze między ścianami musi mieć minimalne ciśnienie (a zatem również gęstość) proporcjonalną do części całkowitej objętości zajmowanej przez sekcję próżniową, aby całkowita gęstość jednostki nie była mniejsza niż otaczająca powietrze.

21. Wiek

W latach 2004-2007 Akhmeteli i Gavrilin zajmują się doborem materiałów („beryl, ceramika z węglika boru i diamentopodobny węgiel” lub aluminium) w rzemiośle dwuwarstwowym o strukturze plastra miodu, aby rozwiązać problemy z wyboczeniem.

Zasada

Sterowiec działa na zasadzie wyporu , według zasady Archimedesa . W sterowcu powietrze jest płynem, w przeciwieństwie do tradycyjnego statku, w którym płynem jest woda .

Gęstość powietrza w normalnych warunkach temperatury i ciśnienia, 1,28 g / l, a więc 1 litr przemieszczonych powietrza ma wystarczającą siłę wyporu do wyciągu 1,28 g. Sterowce używają worka do wypierania dużej ilości powietrza; worek jest zwykle wypełniony lekkim gazem, takim jak hel lub wodór . Całkowity udźwig generowany przez sterowiec jest równy ciężarowi powietrza, które wypiera, pomniejszonym o ciężar materiałów użytych do jego budowy, w tym gazu użytego do wypełnienia worka.

Sterowce próżniowe zastąpiłyby hel środowiskiem zbliżonym do próżni . Przy braku masy gęstość tego ciała byłaby bliska 0,00 g/l, co teoretycznie byłoby w stanie zapewnić pełny potencjał nośny wypartego powietrza, więc każdy litr próżni mógłby unieść 1,28 g. Na podstawie objętości molowej ustalono, że masa 1 litra helu (przy ciśnieniu 1 atmosfery) wynosi 0,178 g. Jeśli zamiast podciśnienia stosuje się hel, siła podnoszenia każdego litra jest zmniejszona o 0,178 g, co oznacza zmniejszenie efektywnego podnoszenia o 14%. Objętość 1 litra wodoru ma masę 0,090 g.

Głównym problemem związanym z koncepcją sterowców próżniowych jest to, że przy prawie próżni wewnątrz poduszki powietrznej zewnętrzne ciśnienie atmosferyczne nie jest równoważone żadnym ciśnieniem wewnętrznym. Ta ogromna nierównowaga sił spowodowałaby zapadnięcie się poduszki powietrznej, chyba że byłaby wyjątkowo silna (w zwykłym sterowcu siła jest równoważona przez hel, co czyni to niepotrzebnym). Zatem trudność polega na skonstruowaniu poduszki powietrznej z dodatkową wytrzymałością, aby oprzeć się tej ekstremalnej sile netto, bez obciążania konstrukcji tak bardzo, że większa siła podnoszenia próżni zostanie zanegowana.

Ograniczenia materiałowe

Wytrzymałość na ściskanie

Z analizy Achmeteli i Gavrilina:

Całkowita siła wywierana na półkulistą powłokę o promieniu przez ciśnienie zewnętrzne wynosi . Ponieważ siła na każdej półkuli musi równoważyć się wzdłuż równika, naprężenie ściskające będzie, zakładając:${\ Displaystyle R}$${\displaystyle P}$${\ Displaystyle \ pi R ^ {2} P}$${\ Displaystyle h<<R}$

${\ Displaystyle \ sigma = \ pi R ^ {2} P / 2 \ pi Rh = RP / 2 h}$

gdzie jest grubość powłoki. ${\ Displaystyle h}$

Wyporność obojętna występuje, gdy powłoka ma taką samą masę jak wyparte powietrze, co ma miejsce, gdy , gdzie jest gęstością powietrza, a jest gęstością powłoki, przyjętą za jednorodną. W połączeniu z równaniem naprężeń daje ${\ Displaystyle h / R = \ rho _ {a} / (3 \ rho _ {s})}$${\ Displaystyle \ rho _ {a}}$${\ Displaystyle \ rho _ {s}}$

${\ Displaystyle \ sigma = (3/2) (\ rho _ {s} / \ rho _ {a}) P}$.

Dla warunków aluminiowych i lądowych Akhmeteli i Gavrilin szacują naprężenie jako Pa, tego samego rzędu co wytrzymałość stopów aluminium na ściskanie. ${\ Displaystyle 3.2 \ cdot 10 ^ {8}}$

Wyboczenie

Akhmeteli i Gavrilin zauważają jednak, że obliczenia wytrzymałości na ściskanie pomijają wyboczenie i wykorzystują wzór R. Zoelli na krytyczne ciśnienie wyboczeniowe kuli

${\ Displaystyle P_ {cr} = {\ Frac {2Eh ^ {2}} {\ sqrt {3 (1-\ mu ^ {2})}}} {\ Frac {1} {R ^ {2}}} }$

gdzie jest modułem sprężystości i jest współczynnikiem Poissona powłoki. Zastąpienie wcześniejszego wyrażenia daje warunek konieczny dla wykonalnej powłoki balonu próżniowego: ${\ Displaystyle E}$${\ Displaystyle \ mu}$

${\ Displaystyle E / \ rho _ {s} ^ {2} = {\ Frac {9P_ {Cr} {\ sqrt {3 (1-\ mu ^ {2})}}} {2 \ rho _ {a} ^{2}}}}$

Wymóg dotyczy . ${\ Displaystyle 4,5 \ cdot 10 ^ {5} kg ^ {-1} m ^ {5} s ^ {-2}}$

Akhmeteli i Gavrilin twierdzą, że nie da się tego osiągnąć nawet przy użyciu diamentu ( ), i proponują, że odrzucenie założenia, że ​​skorupa jest jednorodnym materiałem, może pozwolić na zastosowanie lżejszych i sztywniejszych konstrukcji (np. struktury plastra miodu ). ${\ Displaystyle E / \ rho _ {s} ^ {2} \ około 1 \ cdot 10 ^ {5}}$

Ograniczenia atmosferyczne

Sterowiec próżniowy powinien przynajmniej unosić się na wodzie (prawo Archimedesa) i opierać się ciśnieniu zewnętrznemu (prawo siły, w zależności od konstrukcji, jak powyższy wzór R. Zoelli na kulę). Te dwa warunki można przepisać jako nierówność, w której zespół kilku stałych fizycznych związanych z materią sterowca ma być mniejszy niż zespół parametrów atmosferycznych. Tak więc dla kuli (kula pusta i, w mniejszym stopniu, cylinder są praktycznie jedynymi konstrukcjami, dla których znane jest prawo wytrzymałości) jest , gdzie jest ciśnienie wewnątrz kuli, natomiast («współczynnik Lana») i («Lana stosunek atmosferyczny») to: ${\ Displaystyle k_ {\ rm {l}} < {\ sqrt {1-{\ Frac {P_ {\ rm {int}}} {p}}}} \ cdot L_ {\ rm {a}}}$${\displaystyle P_{\rm {int}}}$${\displaystyle k_{\rm {L}}}$${\ Displaystyle L_ {\ RM {a}}}$

${\ Displaystyle k_ {\ rm {l}} = 2,79 \ cdot {\ Frac {\ rho _ {s}}{\ rho _ {\ rm {atm}}}} \ cdot {\ sqrt {\ Frac {P_ { \rm {atm}}}{E}}}\cdot (1-\mu ^{2})^{0.25}}$(lub, gdy jest nieznany, z błędem rzędu 3% lub mniej);${\ Displaystyle \ mu}$${\ Displaystyle k_ {\ rm {l}} \ około 2,71 \ cdot {\ Frac {\ rho _ {s}} {\ rho _ {\ rm {atm}}}} \ cdot {\ sqrt {\ Frac {P_ {\rm {atm}}}{E}}}}$

${\ Displaystyle L_ {\ rm {a}} = {\ Frac {\ rho _ {a}}{\ rho _ {\ rm {atm}}}} \ cdot {\ sqrt {\ Frac {P_ {\ rm { bankomat}}}{P}}}}$(lub, gdy nie wiadomo, ),${\ Displaystyle \ rho _ {a}}$${\ Displaystyle L_ {\ rm {a}} = 10 \ cdot {\ sqrt {\ Frac {P_ {\ rm {atm}}} {P}}} \ cdot {\ Frac {M_ {a}} {T_ { a}}}}$

gdzie i są ciśnieniem i gęstością standardowej atmosfery ziemskiej na poziomie morza oraz są masą molową (kg/kmol) i temperaturą (K) atmosfery na powierzchni pływającej. Ze wszystkich znanych planet i księżyców Układu Słonecznego tylko atmosfera Wenus jest na tyle duża, że ​​przewyższa takie materiały jak niektóre kompozyty (poniżej ok. 15 km) i grafen (poniżej ok. 40 km). Oba materiały mogą przetrwać w atmosferze Wenus. Równanie pokazuje, że egzoplanety z gęstą, zimną i wysokocząsteczkową atmosferą ( typ , , ) mogą być odpowiednie dla sterowców próżniowych, ale jest to rzadki typ atmosfery. ${\ Displaystyle P_ {\ rm {atm}} = 101325}$ ${\ Displaystyle Pa}$${\ Displaystyle \ rho _ {\ RM {atm}} = 1,22}$ ${\ Displaystyle kg/m ^ {3}}$${\ Displaystyle M_ {a}}$${\displaystyle T_{a}}$${\ Displaystyle L_ {\ RM {a}}}$${\displaystyle k_{\rm {L}}}$${\ Displaystyle L_ {\ RM {a}}}$${\displaystyle CO_{2}}$${\displaystyle O_{2}}$${\displaystyle N_{2}}$

W fikcji

W powieści Edgara Rice'a Burroughsa Tarzan at the Earth's Core Tarzan podróżuje do Pellucidar w próżniowym statku powietrznym zbudowanym z fikcyjnego materiału Harbenite.

W Passarola Rising powieściopisarz Azhar Abidi wyobraża sobie, co mogłoby się stać, gdyby Bartolomeu de Gusmão zbudował i pilotował sterowiec próżniowy.

W powieści Neala Stephensona Wiek diamentu można dostrzec sferyczne sterowce z korpusem próżniowym wykorzystujące efekt Magnusa i wykonane z karbynu lub podobnego supertwardego węgla .

W Maelstrom i Behemoth:B-Max autor Peter Watts opisuje różne urządzenia latające, takie jak „gątki” i „podnośniki”, które wykorzystują „pęcherze próżniowe”, aby utrzymać je w powietrzu.

W Feersum Endjinn przez Iain M. Banks , balon próżnia jest używany przez narracyjnej postaci zwodzony w jego dążeniu do ratowania Ergates. Sterowce próżniowe (sterowce) są również wymieniane jako ważna cecha inżynierska utopijnej cywilizacji podróżującej w kosmosie. Powieść Culture in Banks Look to Windward , a ogromny sterowiec próżniowy Equatorial 353 jest kluczowym miejscem w ostatniej powieści Culture, The Hydrogen Sonata .

Zobacz też

• Aerostat

Bibliografia

Dalsza lektura

• Alfred Hildebrandt (1908). Przeszłość i teraźniejszość sterowców: wraz z rozdziałami o wykorzystaniu balonów w związku z meteorologią, fotografią i gołębiem pocztowym . D. Van Nostrand Company. s.  16 –.
• Collins, Paweł (2009). „Wzrost i upadek metalowego sterowca”. Nowy naukowiec . 201 (2690): 44–45. Kod Bib : 2009NewSc.201...44C . doi : 10.1016/S0262-4079(09)60106-8 . ISSN  0262-4079 .
• Zornes, Dawid (2010). „Wyporność próżniową zapewnia worek próżniowy składający się z folii próżniowej owiniętej wokół trójwymiarowej (3D) ramy w celu wypierania powietrza, na której grafen 3D „unosi się” pierwszy stos dwuwymiarowych planarnych arkuszy sześcioczłonowych atomów węgla W tej samej przestrzeni 3D, co drugi stos grafenu zorientowany pod kątem 90 stopni”. SAE Międzynarodowy . Seria papieru technicznego SAE. 1 . doi : 10.4271/2010-01-1784 .
• Timothy Ferris (2000). Życie poza Ziemią . Szymona i Schustera. s. 130–. Numer ISBN 978-0-684-84937-9.
• http://ddata.over-blog.com/xxxyyy/0/31/89/29/Fusion-105/F105.2.pdf