Вакуумный дирижабль

Гипотетический дирижабль, который эвакуируется, а не заполняется газом легче воздуха.

Концепт летающей лодки Франческо Ланы де Терци, 1670 г.

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] )

История

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]

Заблуждение о двойной стене

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.

21-го века

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]}

Принцип

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]}

Материальные ограничения

Прочность на сжатие

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: ${\displaystyle R}$ ${\displaystyle P}$ ${\displaystyle \pi R^{2}P}$ ${\displaystyle h<<R}$ ${\displaystyle h}$ ${\displaystyle \sigma }$

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

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 ${\displaystyle h/R=\rho _{a}/(3\rho _{s})}$ ${\displaystyle \rho _{a}}$ ${\displaystyle \rho _{s}}$

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

Для алюминия и земных условий Ахметели и Гаврилин оценивают напряжение в Па, того же порядка, что и прочность на сжатие алюминиевых сплавов. ${\displaystyle 3.2\cdot 10^{8}}$

коробление

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

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

где – модуль упругости , – коэффициент Пуассона оболочки. Замена предыдущего выражения дает необходимое условие для возможной оболочки вакуумного баллона: ${\displaystyle E}$ ${\displaystyle \mu }$

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

Требование составляет около . ${\displaystyle 4.5\cdot 10^{5}\mathrm {kg} ^{-1}\mathrm {m} ^{5}\mathrm {s} ^{-2}}$

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] ${\displaystyle E/\rho _{s}^{2}\approx 1\cdot 10^{5}}$

Атмосферные ограничения

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] ${\displaystyle k_{\rm {L}}<{\sqrt {1-{\frac {P_{\rm {int}}}{P}}}}\cdot L_{\rm {a}}}$ ${\displaystyle P_{\rm {int}}}$ ${\displaystyle k_{\rm {L}}}$ ${\displaystyle L_{\rm {a}}}$

${\displaystyle k_{\rm {L}}=2.79\cdot {\frac {\rho _{s}}{\rho _{\rm {atm}}}}\cdot {\sqrt {\frac {P_{\rm {atm}}}{E}}}\cdot (1-\mu ^{2})^{0.25}}$(или, когда неизвестно, с погрешностью порядка 3% и менее); ${\displaystyle \mu }$ ${\displaystyle k_{\rm {L}}\approx 2.71\cdot {\frac {\rho _{s}}{\rho _{\rm {atm}}}}\cdot {\sqrt {\frac {P_{\rm {atm}}}{E}}}}$

${\displaystyle L_{\rm {a}}={\frac {\rho _{a}}{\rho _{\rm {atm}}}}\cdot {\sqrt {\frac {P_{\rm {atm}}}{P}}}}$(или, когда неизвестно, ), ${\displaystyle \rho _{a}}$ ${\displaystyle L_{\rm {a}}=10\cdot {\sqrt {\frac {P_{\rm {atm}}}{P}}}\cdot {\frac {M_{a}}{T_{a}}}}$

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. ${\displaystyle P_{\rm {atm}}=101325\;{\rm {Pa}}}$ ${\displaystyle \rho _{\rm {atm}}=1.22}$ ${\displaystyle {\rm {kg/m^{3}}}}$ ${\displaystyle M_{a}}$ ${\displaystyle T_{a}}$ ${\displaystyle L_{\rm {a}}}$ ${\displaystyle k_{\rm {L}}}$ ${\displaystyle L_{\rm {a}}}$ ${\displaystyle {\rm {{CO}_{2}}}}$ ${\displaystyle {\rm {O_{2}}}}$ ${\displaystyle {\rm {N_{2}}}}$

В фантастике

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» . .

Смотрите также

• Аэростат

Рекомендации

1. «Франческо Лана-Терци, SJ (1631–1687); Отец воздухоплавания». Архивировано из оригинала 24 апреля 2021 года . Проверено 13 ноября 2009 г.
2. Е. Шиховцев (2016). «Возможен ли Фланар?» . Проверено 19 июня 2016 г.
3. Скамехорн, Говард Ли (2000). От воздушных шаров к реактивным самолетам: век воздухоплавания в Иллинойсе, 1855–1955 гг . СИУ Пресс. стр. 13–14. ISBN 978-0-8093-2336-4.
4. Де Боссе, Артур (1887). Воздушная навигация. Чикаго: Fergus Printing Co. Проверено 1 декабря 2010 г.
5. «Аэронавигация» (PDF) . Газета "Нью-Йорк Таймс . 14 февраля 1887 года . Проверено 1 декабря 2010 г.
6. «Для навигации в воздухе» (PDF) . Газета "Нью-Йорк Таймс . 19 февраля 1887 года . Проверено 1 декабря 2010 г.
7. Митчелл (комиссар) (1891). Решения Патентного комиссара за 1890 год . Типография правительства США. п. 46. ​​50 ОГ, 1766 г.
8. Патент США 1390745, Лаванда М. Армстронг, «Самолет легче воздуха», опубликованный 13 сентября 1921 г., передан Лаванде М. Армстронгу. 
9. Дэвид Ноэль (1983). «Легче самолетов, использующих вакуум» (PDF) . Переписка, размышления в области науки и техники . 6 (3): 262–266.
10. Патент США 4534525, Эммануэль Блиамптис, «Вакуумный воздушный шар для сбора солнечной энергии», опубликован 13 августа 1985 г., передан Эммануэлю Блиамптису. 
11. заявка США 2007001053, А.М. Ахметели, А.В. Гаврилин, «Заявка на патент США 11/517915. Вакуумные баллоны с многослойной оболочкой», опубликована 23 февраля 2006 г., передана Андрею М. Ахметели и Андрею В. Гаврилину. 
12. Ахметели, А.; Гаврилин А.В. (2021). «Вакуумный шар – 350-летняя мечта». англ . 2 (4): 480–491. arXiv : 1903.05171 . дои : 10.3390/eng2040030 .{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
13. Цорнес, Дэвид (2010). «Вакуумная плавучесть обеспечивается вакуумным мешком, состоящим из вакуумной мембранной пленки, обернутой вокруг трехмерного (3D) каркаса для вытеснения воздуха, на котором трехмерный графен «плавает» первой стопкой двумерных плоских листов шестичленных атомов углерода. В том же трехмерном пространстве, что и вторая стопка графена, ориентированная под углом 90 градусов». САЭ Интернешнл . Серия технических документов SAE. 1 . дои : 10.4271/2010-01-1784.
14. Уоттс, Питер. «Водоворот Питера Уоттса». Rifters.com .

дальнейшее чтение

• Альфред Хильдебрандт (1908). Дирижабли в прошлом и настоящем: вместе с главами, посвященными использованию воздушных шаров в связи с метеорологией, фотографией и почтовым голубем. Компания Д. Ван Ностранда. стр. 16–.
• Коллинз, Пол (2009). «Взлет и падение металлического дирижабля». Новый учёный . 201 (2690): 44–45. Бибкод : 2009NewSc.201...44C. дои : 10.1016/S0262-4079(09)60106-8. ISSN  0262-4079.
• Тимоти Феррис (2000). Жизнь за пределами Земли. Саймон и Шустер. стр. 130–. ISBN 978-0-684-84937-9.
• Ле дефи де Сирано; Гоночный баллон с изображением: Фабрис Давид