Солнечный шар представляет собой шар , который получает плавучести , когда воздух внутри нагревается за счет солнечной радиации , как правило , с помощью черного или темного материала воздушного шара. Нагретый воздух внутри солнечного шара расширяется и имеет меньшую плотность, чем окружающий воздух. Таким образом, солнечный шар похож на воздушный шар . Солнечные шары используются в основном на рынке игрушек, хотя было предложено использовать их при исследовании планеты Марс , а некоторые солнечные шары достаточно велики для полета человека. Вентиляционное отверстие в верхней части может быть открыто для выпуска горячего воздуха для спуска и выпуска воздуха.
Теория работы [ править ]
Создание подъемника [ править ]
Повышение температуры воздуха внутри оболочки делает ее менее плотной, чем окружающий (окружающий) воздух. Воздушный шар плавает из-за действующей на него выталкивающей силы. Эта сила - та же сила, которая действует на объекты, когда они находятся в воде, и описывается принципом Архимеда . Величина подъемной силы (или плавучести ), обеспечиваемая воздушным шаром, зависит в первую очередь от разницы между температурой воздуха внутри оболочки и температурой воздуха за пределами оболочки.
Подъемную силу, создаваемую 100000 фут 3 (2831,7 м 3 ) сухого воздуха, нагретого до различных температур, можно рассчитать следующим образом:
температура воздуха плотность воздуха масса воздуха созданный подъем 68 ° F, 20 ° С 1.2041 кг / м 3 7517 фунтов, 3409,7 кг 0 фунт-сила, 0 кгс 210 ° F, 99 ° C 0,9486 кг / м 3 5922 фунта, 2686,2 кг 1595 фунтов, 723,5 кгс 250 ° F, 120 ° С 0,8978 кг / м 3 5606 фунтов, 2542,4 кг 1912 фунтов, 867,3 кгс
Плотность воздуха при 20 ° C, 68 ° F составляет около 1,2 кг / м 3 . Полная подъемная сила для воздушного шара объемом 100000 куб футов, нагретого до (99 ° C, 210 ° F), составит 1595 фунтов силы, 723,5 кгс. На самом деле, воздух, содержащийся в оболочке, не имеет одинаковой температуры, как показывает сопроводительное тепловое изображение, поэтому эти расчеты основаны на средних значениях.
Для типичных атмосферных условий (20 ° C, 68 ° F) для нагретого до (99 ° C, 210 ° F) воздушного шара требуется около 3,91 м 3 объема оболочки, чтобы поднять 1 килограмм (62,5 куб. Футов / фунт). Точная величина подъемной силы зависит не только от внутренней температуры, упомянутой выше, но и от внешней температуры, высоты над уровнем моря и влажности окружающего воздуха. В теплый день воздушный шар не может подняться так сильно, как в прохладный день, потому что температура, необходимая для запуска, будет превышать максимально допустимую для ткани оболочки. Кроме того, в нижних слоях атмосферы подъемная сила воздушного шара уменьшается примерно на 3% на каждые 1000 метров (1% на 1000 футов) набираемой высоты. [1]
Солнечная радиация [ править ]
Инсоляция - это мера энергии солнечного излучения, полученной на заданном участке поверхности в заданное время. Обычно выражается в виде средней освещенности в ваттах на квадратный метр (Вт / м2). Прямая инсоляция - это солнечное излучение, измеренное в данном месте на Земле с элементом поверхности, перпендикулярным солнечным лучам, за исключением диффузной инсоляции (солнечное излучение, которое рассеивается или отражается компонентами атмосферы в небе). Прямая инсоляция равна солнечной постоянной за вычетом атмосферных потерь на поглощение и рассеяние . В то время как солнечная постоянная изменяется в зависимости от расстояния Земля-Солнце и солнечных циклов, потери зависят от времени суток (длина пути света через атмосферу в зависимости от угла возвышения Солнца ), облачности , влажности и других примесей .
В течение года средняя солнечная радиация, достигающая верхних слоев атмосферы Земли, составляет примерно 1366 Вт на квадратный метр [2] [3] (см. Солнечная постоянная ). Энергия излучения распределяется по всему электромагнитному спектру , хотя большая часть мощности находится в видимой части спектра. Солнечные лучи ослабляются при прохождении через атмосферу , тем самым снижая инсоляцию на поверхности Земли примерно до 1000 ватт на квадратный метр для поверхности, перпендикулярной солнечным лучам на уровне моря в ясный день.
Черное тело поглощает все излучение , которое поражает его. Объекты реального мира - это серые объекты, поглощение которых равно их излучательной способности . Черный пластик может иметь коэффициент излучения около 0,95, что означает, что 95 процентов всего попадающего на него излучения будет поглощаться, а оставшиеся 5 процентов отражаться.
Оценка полученной энергии [ править ]
[ требуется проверка ]
Если представить воздушный шар как сферу , солнечный свет, получаемый этой сферой, можно представить как поперечное сечение цилиндра того же радиуса, что и эта сфера, см. Диаграмму. Площадь этого круга можно рассчитать с помощью:
Например, энергию, получаемую сферическим солнечным воздушным шаром радиусом 5 метров с оболочкой из черного пластика в ясный день при прямой инсоляции 1000 Вт / м 2 , можно оценить, сначала вычислив площадь его большого круга:
Затем умножаем это на коэффициент излучения пластика и прямое солнечное излучение:
78,54 * 0,95 * 1000 = 74613 Вт
На уровне моря при 15 ° C в ISA ( Международная стандартная атмосфера ) воздух имеет плотность примерно 1,22521 кг / м 3 . Плотность воздуха уменьшается с более высокими температурами, со скоростью около 20 грамм на квадратный метр 3 на 5 К. около 1 килоджоулей энергии необходима для нагревания 1 кг сухого воздуха на один кельвин (см теплоемкость ). Таким образом, для повышения температуры 1 м 3 воздуха (на уровне моря и при 15 ° C) на 5 ° C требуется около 5 ° C * 1 килоджоулей / (килограмм * кельвин) * 1,225 килограмма = 6,125 килоджоулей. Таким образом, вы уменьшили массу 1 м 3 воздуха примерно на 24 грамма. В ясный день с черной поверхностью тела 1 м 2 перпендикулярно солнцу и без потери тепла, это займет чуть более 6 секунд.
Оценка скорости потери энергии [ править ]
Ниже приведено уравнение баланса энергии скорости потери энергии солнечным воздушным шаром при проведении граничной линии вокруг воздушного шара. Солнечный шар испытывает теплопередачу за счет конвекции и теплопередачу за счет излучения.
Уравнение баланса энергии для солнечного шара
Ėout = tσπr 2 (TS4-TF4) + hπr 2 (TS-TF)
Предполагаемое изменение энтропии [ править ]
Tds = du + PdV
Δs = ∫ (cv / T) dT + Rgasln (V2 / V1)
Δs = cvln (T2 / T1)
Равновесие [ править ]
Система находится в равновесии, когда энергия, теряемая воздушным шаром из-за конвекции, излучения и теплопроводности, равна энергии, полученной из-за излучения Солнца.
История [ править ]
В 1972 году Доминик Михаэлис , британский архитектор и изобретатель многих солнечных систем и проектов, изобрел и построил первый солнечный воздушный шар с прозрачной внешней поверхностью и темными, улавливающими тепло внутренними стенами. [4] [5]
Пилотируемый полет [ править ]
Первый полет человека, несущего чистый солнечный шар, был совершен 1 мая 1973 года Трейси Барнс на своем воздушном шаре Barnes Solar Firefly Tetrahedron. Этот воздушный шар был сделан из спиральной трубки из ткани, которая была сформирована в виде тетраэдра . Доминик Михаэлис зарегистрирован как владелец первого чистого солнечного шара в Европе. На этом воздушном шаре Джулиан Нотт переправил через Ла-Манш. Записи, собранные для FAI, показывают, что 6 февраля 1978 года иранец Фредерик Эшу также совершил полет на солнечном шаре на воздушном шаре Sunstat. В нем использовалась стандартная конструкция воздушного шара, но с одной стороны использовался прозрачный пластик, позволяющий солнечному излучению отражаться от внутренней поверхности, нагревая внутренний воздух. [6]
Первый полет антарктического солнечного метеозонда [ править ]
Первый на 100% солнечный погодный зонд, названный Ballon ORA, был запущен с французской антарктической станции Дюмон д'Юрвиль в январе 2011 года совместной группой студентов, ученых и инженеров. Идея заключалась в том, чтобы оценить возможность использования солнечных аэростатов в качестве зондов в отдаленных районах, где экономия использования подъемного газа , гелия или водорода была бы драгоценной. Полет прошел успешно, набрав высоту 46 000 футов (14 000 м). Экономия касается не только подъемного газа как такового. Баллон ORA устраняет необходимость в транспортировке баллонов с тяжелым газом. [7]
Использование в исследовании планет [ править ]
Лаборатория реактивного движения Калифорнийского технологического института провела исследование использования солнечных шаров на нескольких планетах и лунах Солнечной системы, сделав вывод, что они являются жизнеспособным вариантом для Марса, Юпитера и Сатурна. [8]
Безопасность [ править ]
Местные или национальные органы управления воздушным пространством могут потребовать разрешения на планирование и использование воздушного пространства.
Пилотируемые полеты сопряжены с особыми рисками. Неожиданные облака представляют серьезную опасность, сравнимую с обычными полетами на воздушном шаре без резерва топлива. Солнечные шары могут быстро опускаться, когда происходит охлаждение, поэтому балласт очень важен.
Галерея [ править ]
Солнечный воздушный шар в форме трубки из мешков для мусора
Ссылки [ править ]
- ^ «Как рассчитать вес воздуха и модель подъемника на воздушном шаре» . Проверено 1 января 2008 .
- ^ Спутниковые наблюдения полной солнечной радиации
- ^ «Построение составного временного ряда полной солнечной освещенности (TSI) с 1978 года по настоящее время» . Рисунок 4 и Рисунок 5. Архивировано из оригинала на 1 августа 2011 года . Проверено 2 февраля 2009 года .
- ^ "Солнечные шары, очень краткая история" . Проверено 11 апреля 2011 .
- ^ "Солнечные воздушные шары Доминика Михаэлиса" . Проверено 11 апреля 2011 .
- ^ "Информация о школьном проекте - полеты на солнечном шаре" . Проверено 18 июля 2009 . Согласно статье журнала Ballooning «Sunstat - воздушный шар, летящий на солнечных лучах (Журнал Ballooning, Vol XI Num 2, март апрель 1978 г.)» (PDF) . Проверено 11 апреля 2011 .
- ^ "Баллон ORA" . Ecole Centrale Lyon . Проверено 30 января 2011 .
- ^ "Надувная робототехника для планетарных приложений" (PDF) . Beacon eSpace в Лаборатории реактивного движения . Проверено 9 апреля 2011 .
Внешние ссылки [ править ]
- История и современное развитие полетов на солнечных шарах
- EOSS-43: "Марсианский зонд микрошарика". Исследование использования солнечного шара на Марсе.
- «Сделай и летай своим» . Архивировано из оригинала на 2011-08-10.
- Зарегистрируйте солнечные шары и распечатайте теги отслеживания
- Французский сайт с англоязычным содержанием
- Апрель 1982 г. Статья в Popular Mechanics о полете над Ла-Маншем.
