Вакуумный дирижабль , также известный как вакуумный шар , представляет собой гипотетический дирижабль , который откачивается , а не заполняется газом легче воздуха, таким как водород или гелий . Впервые предложенный итальянским священником -иезуитом Франческо Лана де Терци в 1670 году, [1] вакуумный шар станет высшим выражением подъемной силы на вытесненный объем. (Также называется «FLanar», сочетание слова F. Lana и португальского слова «flanar», что означает странствие. [2] )
С 1886 по 1900 год Артур де Боссе тщетно пытался собрать средства для создания своей конструкции дирижабля с «вакуумной трубкой», но, несмотря на раннюю поддержку в Конгрессе Соединенных Штатов , широкая общественность была настроена скептически. Историк из Иллинойса Говард Скамехорн сообщил, что Октав Шанют и Альберт Фрэнсис Зам «публично осудили и математически доказали ошибочность принципа вакуума»; однако автор не указывает свой источник. [3] Де Боссе опубликовал книгу о своем проекте [4] и предложил акции Трансконтинентальной аэронавигационной компании в Чикаго на сумму 150 000 долларов . [5] [6] Его заявка на патент в конечном итоге была отклонена на том основании, что она была «полностью теоретической, все было основано на расчетах, а не на испытаниях или демонстрации». [7]
В 1921 году Лаванда Армстронг открыла составную стеновую конструкцию с вакуумной камерой, «окруженной второй оболочкой, сконструированной так, чтобы удерживать воздух под давлением, причем стенки оболочки расположены на расстоянии друг от друга и связаны вместе», включая сотовую структуру . состав . [8]
В 1983 году Дэвид Ноэль обсуждал использование геодезической сферы , покрытой пластиковой пленкой , и «двойного воздушного шара, содержащего воздух под давлением между оболочками и вакуум в центре». [9]
В 1982–1985 годах Эммануэль Блиамптис подробно остановился на источниках энергии и использовании «надувных опорных колец». [10]
Однако конструкция с двойными стенками, предложенная Армстронгом, Ноэлем и Блиамптисом, не была бы плавучей . Чтобы избежать обрушения, воздух между стенками должен иметь минимальное давление (а, следовательно, и плотность), пропорциональное доле общего объема, занимаемой вакуумной секцией, не допуская, чтобы общая плотность корабля была меньше окружающей среды. воздух.
В 2004–2007 годах для решения проблем соотношения прочности и веса Ахметели и Гаврилин рассмотрели выбор четырех материалов, а именно бериллия I220H (99% элементов), керамики из карбида бора , алмазоподобного углерода и алюминиевого сплава 5056 (94,8% Al, 5). % Mg, 0,12 % Mn, 0,12 % Cr) в двойном сотовом слое. [11] В 2021 году они расширили это исследование; был использован «анализ методом конечных элементов, чтобы продемонстрировать, что коробление можно предотвратить», сосредоточив внимание на «оболочке с внешним радиусом R > 2,11 м, содержащей две лицевые обшивки из карбида бора толщиной 4,23 x 10 -5 R каждая, которые надежно соединены с алюминиевой пластиной. сотовый сердечник толщиной 3,52 x 10 -3 R". [12] По крайней мере в двух статьях (в 2010 и 2016 годах) обсуждалось использование графена в качестве внешней мембраны. [2] [13]
Дирижабль действует по принципу плавучести , согласно принципу Архимеда . В дирижабле жидкостью является воздух, в отличие от традиционного корабля , где жидкостью является вода .
Плотность воздуха при стандартной температуре и давлении составляет 1,28 г/л, поэтому 1 литр вытесненного воздуха имеет достаточную выталкивающую силу, чтобы поднять 1,28 г. Дирижабли используют мешок для вытеснения большого объема воздуха; мешок обычно наполнен легким газом, например гелием или водородом . Общая подъемная сила, создаваемая дирижаблем, равна весу воздуха, который он вытесняет, за вычетом веса материалов, использованных в его конструкции, включая газ, использованный для наполнения мешка.
Вакуумные дирижабли заменят подъемный газ средой, близкой к вакууму . Не имея массы, плотность этого тела была бы близка к 0,00 г/л, что теоретически могло бы обеспечить полный потенциал подъемной силы вытесненного воздуха, поэтому каждый литр вакуума мог бы поднять 1,28 г. Используя молярный объем , масса 1 л гелия (при давлении 1 атмосфера) равна 0,178 г. Если вместо вакуума используется гелий, подъемная сила каждого литра снижается на 0,178 г, поэтому эффективная подъемная сила снижается на 13,90625%. Объем водорода объемом 1 литр имеет массу 0,090 г, что снижает эффективную подъемную силу на 7,03125%.
Основная проблема концепции вакуумных дирижаблей заключается в том, что при почти вакууме внутри подушки безопасности внешнее атмосферное давление не уравновешивается никаким внутренним давлением. Этот огромный дисбаланс сил привел бы к разрушению подушки безопасности, если бы она не была чрезвычайно сильной (в обычном дирижабле сила уравновешивается давлением подъемного газа, что делает это ненужным). Таким образом, трудность состоит в том, чтобы сконструировать подушку безопасности с дополнительной прочностью, чтобы противостоять этой чрезвычайной чистой силе, не утяжеляя конструкцию настолько, чтобы большая подъемная сила вакуума сводилась на нет. [2] [11]
Из анализа Ахметели и Гаврилина: [11]
Суммарная сила внешнего давления на полусферическую оболочку радиуса равна . Поскольку сила, действующая на каждое полушарие, должна балансироваться вдоль экватора, предполагая, что где находится толщина оболочки, сжимающее напряжение ( ) будет равно:
Нейтральная плавучесть возникает, когда оболочка имеет ту же массу, что и вытесненный воздух, что возникает при , где плотность воздуха и плотность оболочки, считающаяся однородной. Объединение с уравнением напряжения дает
Для алюминия и земных условий Ахметели и Гаврилин оценивают напряжение в Па, того же порядка, что и прочность на сжатие алюминиевых сплавов.
Ахметели и Гаврилин отмечают, однако, что при расчете прочности на сжатие не учитывается потеря устойчивости и использование формулы Р. Зоелли для критического давления потери устойчивости сферы
где – модуль упругости , – коэффициент Пуассона оболочки. Замена предыдущего выражения дает необходимое условие для возможной оболочки вакуумного баллона:
Требование составляет около .
Ахметели и Гаврилин утверждают, что этого невозможно достичь даже с использованием алмаза ( ), и предполагают, что отказ от предположения, что оболочка является однородным материалом, может позволить создать более легкие и жесткие конструкции (например, сотовую структуру ). [11]
Вакуумный дирижабль должен как минимум плавать (закон Архимеда) и сопротивляться внешнему давлению (закон прочности, в зависимости от конструкции, как приведенная выше формула Р. Зоэлли для сферы). Эти два условия можно переписать в виде неравенства, согласно которому комплекс нескольких физических констант, связанных с материалом дирижабля, должен быть меньше комплекса параметров атмосферы. Так, для сферы (полая сфера и, в меньшей степени, цилиндр — практически единственные конструкции, для которых известен закон прочности) , где — давление внутри сферы, а («Коэффициент Лана») и («Коэффициент Лана соотношение атмосферы»): [2]
где и — давление и плотность стандартной земной атмосферы на уровне моря, а — молярная масса (кг/кмоль) и температура (К) атмосферы в плавучей зоне. Из всех известных планет и спутников Солнечной системы только атмосфера Венеры достаточно велика , чтобы превзойти такие материалы, как некоторые композиты (ниже высоты около 15 км) и графен (ниже высоты около 40 км). [2] Оба материала могут выжить в атмосфере Венеры. Уравнение для показывает, что экзопланеты с плотной, холодной и высокомолекулярной ( , , типа) атмосферой могут подходить для вакуумных дирижаблей, но это редкий тип атмосферы.
В романе Эдгара Райса Берроуза «Тарзан в ядре Земли » Тарзан отправляется в Пеллюсидар на вакуумном дирижабле, построенном из вымышленного материала харбенита.
В книге «Восстание Пассаролы» писатель Ажар Абиди представляет, что могло бы произойти, если бы Бартоломеу де Гужман построил вакуумный дирижабль и управлял им.
Дирижабли со сферическими вакуумными корпусами, использующие эффект Магнуса и изготовленные из карбина или подобного сверхтвердого углерода, можно увидеть в романе Нила Стивенсона «Алмазный век» .
В книгах Maelstrom [14] и Behemoth:B-Max автор Питер Уоттс описывает различные летающие устройства, такие как «оводы» (названные в честь овода ) и «подъемники», которые используют «вакуумные камеры», чтобы удерживать их в воздухе.
В « Feersum Endjinn » Иэна М. Бэнкса вакуумный шар используется повествовательным персонажем Баскулем в его поисках спасения Эргейтса. Вакуумные дирижабли (дирижабли) также упоминаются как примечательная инженерная особенность космической утопической цивилизации « Культура в романе Бэнкса « Взгляд на наветренную сторону» , а огромный вакуумный дирижабль « Экваториал 353» является ключевым местом в последнем романе о культуре « Водородная соната» . .
50 ОГ, 1766 г.
{{cite journal}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link)