Sterowiec próżniowy

Koncepcja łodzi latającej Francesco Lany de Terzi ok. 1670 r

Sterowiec próżniowy , znany również jako balon próżniowy , to hipotetyczny sterowiec , który jest ewakuowany , a nie wypełniony gazem lżejszym od powietrza, takim jak wodór lub hel . Po raz pierwszy zaproponowany przez włoskiego jezuitę , księdza Francesco Lana de Terzi w 1670 roku, balon próżniowy byłby ostatecznym wyrazem siły nośnej na przemieszczoną objętość. (Zwany także „FLanar”, dla F.Lana i portugalski dla wędrówki)

Historia

Od 1886 do 1900 roku Arthur De Bausset bezskutecznie próbował zebrać fundusze na budowę swojego projektu sterowca „z rurą 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 potępił i matematycznie udowodnił błędność zasady próżni”, jednak autor nie podaje swojego źródła. De Bausset opublikował książkę o swoim projekcie i zaoferował akcje Transcontinental Aerial Navigation Company z Chicago za 150 000 dolarów. Jego wniosek patentowy został ostatecznie odrzucony na tej podstawie, że był „całkowicie teoretyczny, wszystko opierało się na obliczeniach, a nic na próbie lub demonstracji”.

Błąd podwójnej ściany

W 1921 roku Lavanda Armstrong ujawnia kompozytową konstrukcję ściany z komorą próżniową „otoczoną drugą powłoką zbudowaną tak, aby utrzymywać powietrze pod ciśnieniem, przy czym ściany powłoki są oddalone od siebie i połączone ze sobą”, w tym komora komórkowa przypominająca plaster miodu Struktura.

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

W latach 1982–1985 Emmanuel Bliamptis zajmował się źródłami energii i wykorzystaniem „nadmuchiwanych pierścieni rozporowych”.

Jednak konstrukcja z podwójną ścianą zaproponowana przez Armstronga, Noela i Bliamptisa nie byłaby pływająca. Aby uniknąć zawalenia się, powietrze między ścianami musi mieć minimalne ciśnienie (a zatem także gęstość) proporcjonalne do ułamka całkowitej objętości zajmowanej przez sekcję próżniową, co zapobiega temu, aby całkowita gęstość statku była mniejsza niż otaczająca powietrze.

21. Wiek

W latach 2004–2007, aby rozwiązać problemy ze stosunkiem wytrzymałości do masy, Akhmeteli i Gavrilin zajęli się wyborem czterech materiałów, w szczególności berylu I220H (pierwiastek 99%), ceramiki z węglika boru , węgla diamentopodobnego i stopu aluminium 5056 (94,8% Al, 5 % Mg, 0,12% Mn, 0,12% Cr) w podwójnej warstwie o strukturze plastra miodu. W 2021 roku rozszerzyli te badania, stosując „analizę elementów skończonych, aby wykazać, że można zapobiec wyboczeniu”, koncentrując się na „powłoce o zewnętrznym promieniu R> 2,11 m zawierającej dwie warstwy czołowe z węglika boru o grubości 4,23 x ^10-5 R każdy, które są niezawodnie połączone z aluminiowym rdzeniem o strukturze plastra miodu o grubości 3,52 x 10-3 ^R ”. Co najmniej dwa artykuły (w 2010 i 2016 r.) omawiały zastosowanie grafenu jako membrany zewnętrznej.

W lutym 2023 Ilia Toli opublikował swój projekt magisterski na Uniwersytecie Stanowym w San Jose jako książkę zatytułowaną Projektowanie sterowców próżniowych z aktualnie dostępnymi materiałami. Przywołuje się prawo sześcianu kwadratowego, aby udowodnić, że sterowce próżniowe o rozsądnych rozmiarach można zbudować z obecnie dostępnych materiałów.

Zasada

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

Gęstość powietrza w standardowej temperaturze i ciśnieniu wynosi 1,28 g/l, więc 1 litr wypartego powietrza ma wystarczającą siłę wyporu, aby podnieść 1,28 g. Sterowce używają worka do wypierania dużej ilości powietrza; worek jest zwykle wypełniony lekkim gazem, takim jak hel lub wodór . Całkowita siła nośna generowana przez sterowiec jest równa ciężarowi powietrza, które wypiera, po odjęciu ciężaru materiałów użytych do jego budowy, w tym gazu użytego do wypełnienia worka.

Sterowce próżniowe zastąpiłyby gaz nośny środowiskiem zbliżonym do próżni . Nie mając 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. Korzystając z objętości molowej , masa 1 litra helu (przy ciśnieniu 1 atmosfery) wynosi 0,178 g. Jeśli zamiast próżni używany jest hel, siła podnoszenia każdego litra jest zmniejszona o 0,178 g, więc efektywna siła podnoszenia jest zmniejszona 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, gdyby nie była wyjątkowo mocna (w zwykłym sterowcu siła jest równoważona przez ciśnienie gazu nośnego, dzięki czemu jest to niepotrzebne). Tak więc trudność polega na skonstruowaniu poduszki powietrznej o dodatkowej sile, aby wytrzymać tę ekstremalną siłę netto, bez obciążania konstrukcji tak bardzo, że zanegowana jest większa siła podnoszenia próżni.

Ograniczenia materiałowe

Wytrzymałość na ściskanie

Z analizy Achmeteli i Gawrilina:

$}$ { $\$ displaystyle \ ${2}$ . Ponieważ siła działająca na każdą półkulę musi równoważyć się wzdłuż równika, zakładając $ściskające$ $gdzie$ $,$ grubością skorupy ) będzie:

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

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

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

.

$,$ i Gavrilin szacują naprężenie na rzędu wielkości, co wytrzymałość na ściskanie stopów aluminium.

Wyboczenie

Akhmeteli i Gavrilin zauważają jednak, że obliczenia wytrzymałości na ściskanie pomijają wyboczenie i używając wzoru R. Zoellego na krytyczne ciśnienie wyboczenia kuli

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

gdzie jest modułem $jest$ i $powłoki$ Poissona . _ Zastąpienie wcześniejszego wyrażenia daje warunek konieczny dla wykonalnej powłoki balonu próżniowego:

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

Wymaganie to około ${\ Displaystyle 4,5 \ cdot 10 ^ {5} kg ^ {-1} m ^ {5} s ^ {- 2}}$ .

Akhmeteli i Gavrilin twierdzą, że nie można tego osiągnąć nawet za pomocą diamentu ( ${\ Displaystyle E / \ rho _ {s} ^ {2} \ około 1 \ cdot 10 ^ {5}}$ ) i zaproponować, aby odrzucenie założenia, że skorupa jest jednorodnym materiałem, pozwoliło na stworzenie lżejszych i sztywniejszych konstrukcji (np. o strukturze plastra miodu ).

Ograniczenia atmosferyczne

Sterowiec próżniowy powinien przynajmniej unosić się na wodzie (prawo Archimedesa) i wytrzymywać ciśnienie zewnętrzne (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 materiałem sterowca ma być mniejszy niż zespół parametrów atmosferycznych. Zatem dla kuli (pusta kula i, w mniejszym stopniu, walec to praktycznie jedyne konstrukcje, dla których znane jest prawo wytrzymałościowe) jest to $gdzie$ _ ${\ Displaystyle P _ {\ rm {int}}}$ to ciśnienie w kuli, podczas gdy ${\ Displaystyle k _ {\ rm {L}}}$ („współczynnik Lany”) i ${\ Displaystyle L_ {\ rm {a}}}$ („Współczynnik atmosferyczny Lany”) to:

{\ 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

nieznany

,

{\ Displaystyle k _ {\ rm {L}} \ około 2,71 \ cdot {\ Frac {\ rho _ {s}} {\ rho _ {\ rm {atm}}}} \ cdot {\sqrt {\frac {P_{\rm {atm}}}{E}}}}

z błędem rzędu 3% lub mniejszym);

{\ Displaystyle L _ {\ rm {a}} = {\ Frac {\ rho _ {a}} {\ rho _ {\ rm {atm}}} } \ cdot {\ sqrt {\ Frac {P _ {\ rm {atm}}} {P}}}}

(lub kiedy

{\ Displaystyle \ rho _ {a}}

P}}}\cdot {\frac {M_{a}}{T_{a}}}} )

{\ Displaystyle L _ {\ rm {a}} = 10 \ cdot {\ sqrt {\ Frac {P _ {\ rm {atm}}}

{ ,

gdzie ${\ Displaystyle P _ {\ rm {atm}} = 101325}$ ${\ Displaystyle Pa}$ i ${\ Displaystyle \ rho _ {\ rm {atm}} = 1,22 }$ ${\ Displaystyle kg / m ^ {3}}$ to ciśnienie i gęstość standardowej atmosfery ziemskiej na poziomie morza, ${\ Displaystyle M_ {a}}$ i ${\ Displaystyle T_ {a}}$ to masa molowa (kg/kmol) i temperatura (K) atmosfery w obszarze pływającym. Ze wszystkich znanych planet i $księżyców$ Słonecznego tylko atmosfera Wenus jest $.$ , aby przewyższyć materiały jak niektóre kompozyty (poniżej wysokości ok. 15 km) i grafen (poniżej wysokości ok. 40 km). Oba materiały mogą przetrwać w wenusjańskiej atmosferze. Równanie dla $gęstymi , zimnymi$ wysokocząsteczkowymi ( $może$ $być$ odpowiednia dla sterowców próżniowych ale $jest$ to

W fikcji

W powieści Edgara Rice'a Burroughsa Tarzan w jądrze Ziemi Tarzan podróżuje na Pellucidar sterowcem próżniowym 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.

Sferyczne statki powietrzne wykorzystujące efekt Magnusa i wykonane z karbinu lub podobnego supertwardego węgla są widoczne w powieści Neala Stephensona The Diamond Age .

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

W Feersum Endjinn Iaina M. Banksa balon próżniowy jest używany przez narracyjną postać Bascule w jego dążeniu do uratowania Ergates. Sterowce próżniowe (statki powietrzne) są również wymieniane jako godna uwagi cecha inżynieryjna podróżującej w kosmos utopijnej cywilizacji The Culture in Banks w powieści Look to Windward , a ogromny sterowiec próżniowy Equatorial 353 jest kluczowym miejscem w ostatniej powieści Culture, The Hydrogen Sonata .

Zobacz też

Aerostat

Dalsza lektura

Alfreda Hildebrandta (1908). Sterowce w przeszłości i teraźniejszości: wraz z rozdziałami dotyczącymi wykorzystania balonów w związku z meteorologią, fotografią i gołębiem pocztowym . Firma D. Van Nostrand. s. 16 –.
Collins, Paweł (2009). „Powstanie i upadek metalowego sterowca”. Nowy naukowiec . 201 (2690): 44–45. Bibcode : 2009NewSc.201...44C . doi : 10.1016/S0262-4079(09)60106-8 . ISSN 0262-4079 .
Timothy'ego Ferrisa (2000). Życie poza Ziemią . Szymona i Schustera. s. 130–. ISBN 978-0-684-84937-9 .
Le defi de Cyrano ; un ballon gonfle avec du vide : Fabrice David