Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлено с вакуумного баллона )
Перейти к навигации Перейти к поиску
Концепция летающей лодки Франческо Ланы де Терци 1670 г.

Вакуумный дирижабль , также известный как вакуумный воздушный шар , является гипотетическим дирижабль , который откачивает , а не заполнен с более легким, чем воздух , газом , такими как водород или гелий . Впервые предложенный итальянским священником- иезуитом Франческо Лана де Терци в 1670 году [1], вакуумный шар был бы окончательным выражением подъемной силы на перемещаемый объем.

История [ править ]

С 1886 по 1900 год Артур де Боссе тщетно пытался собрать средства для создания своего проекта дирижабля с «вакуумной трубкой», но, несмотря на раннюю поддержку в Конгрессе США, широкая общественность была настроена скептически. Историк из Иллинойса Говард Скамхорн сообщил, что Октав Шанют и Альберт Фрэнсис Зам «публично осудили и математически доказали ошибочность принципа вакуума», однако автор не сообщает свой источник. [2] Де Боссе опубликовал книгу о своем дизайне [3] и предложил акции компании Transcontinental Aerial Navigation в Чикаго на сумму 150 000 долларов. [4] [5]В конечном итоге его заявка на патент была отклонена на том основании, что она была «полностью теоретической, все было основано на расчетах, а не на испытаниях или демонстрациях». [6]

Заблуждение о двойной стене [ править ]

В 1921 году Лаванда Армстронг раскрывает композитную стеновую конструкцию с вакуумной камерой, «окруженной второй оболочкой, сконструированной таким образом, чтобы удерживать воздух под давлением, стенки оболочки отстоят друг от друга и связаны вместе», включая сотовую ячейку. структура. [7]

В 1983 году Дэвид Ноэль обсуждал использование геодезической сферы, покрытой пластиковой пленкой, и «двойного воздушного шара, содержащего сжатый воздух между кожами и вакуум в центре». [8]

В 1982–1985 годах Эммануэль Блиамптис разработал источники энергии и использование «надувных стоек». [9]

Однако конструкция с двойными стенками, предложенная Армстронгом, Ноэлем и Блиамптисом, не была бы жизнеспособной. Во избежание обрушения воздух между стенками должен иметь минимальное давление (и, следовательно, также плотность), пропорциональную доле общего объема, занимаемой вакуумной секцией, чтобы общая плотность летательного аппарата не была меньше окружающей его плотности. воздуха.

21 век [ править ]

В 2004–2007 годах Ахметели и Гаврилин занимались выбором материалов («бериллий, керамика из карбида бора и алмазоподобный углерод» или алюминий) в двухслойных сотовых конструкциях для решения проблем потери устойчивости.

Принцип [ править ]

Дирижабль работает по принципу плавучести , согласно закону Архимеда . В дирижабле воздух - это жидкость, в отличие от традиционного корабля, где текучей средой является вода .

Плотность воздуха при стандартной температуре и давлении составляет 1,28 г / л, так что 1 л вытесненного воздуха имеет достаточную выталкивающую силу для подъема 1,28 г. Дирижабли используют мешок для вытеснения большого объема воздуха; мешок обычно заполнен 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 заменили бы гелий почти вакуумной средой. При отсутствии массы плотность этого тела была бы близка к 0,00 г / л, что теоретически могло бы обеспечить полный подъемный потенциал вытесненного воздуха, поэтому каждый литр вакуума может поднять 1,28 г. Используя молярный объем , масса 1 литра гелия (при давлении 1 атмосфера) составляет 0,178 г. Если вместо вакуума используется гелий, подъемная сила каждого литра уменьшается на 0,178 г, поэтому эффективная подъемная сила уменьшается на 14%. 1-литровый объем водорода имеет массу 0,090 г.

Основная проблема концепции вакуумных дирижаблей заключается в том, что при почти полном вакууме внутри подушки безопасности внешнее атмосферное давление не уравновешивается каким-либо внутренним давлением. Этот огромный дисбаланс сил привел бы к разрушению подушки безопасности, если бы она не была чрезвычайно сильной (в обычном дирижабле сила уравновешивается гелием, что делает это ненужным). Таким образом, сложность состоит в том, чтобы сконструировать подушку безопасности с дополнительной прочностью, чтобы противостоять этой экстремальной чистой силе, не утяжеляя конструкцию настолько, что нивелируется большая подъемная сила вакуума.

Материальные ограничения [ править ]

Прочность на сжатие [ править ]

Из анализа Ахметели и Гаврилина: [10]

Суммарная сила внешнего давления на полусферическую оболочку радиуса составляет . Поскольку сила, действующая на каждое полушарие, должна уравновешиваться вдоль экватора, сжимающее напряжение будет равным, если предположить, что

где - толщина оболочки.

Нейтральная плавучесть возникает, когда оболочка имеет ту же массу, что и вытесняемый воздух, что возникает, когда , где - плотность воздуха, а - плотность оболочки, которая считается однородной. В сочетании с уравнением напряжения дает

.

Для алюминия и земных условий Ахметели и Гаврилин оценивают напряжение в Па, что по порядку величины равно прочности на сжатие алюминиевых сплавов.

Защита [ править ]

Однако Ахметели и Гаврилин отмечают, что расчет прочности на сжатие не учитывает потери устойчивости и использует формулу Р. Зоелли для критического давления потери устойчивости шара.

где есть модуль упругости и является коэффициентом Пуассона оболочки. Подстановка предыдущего выражения дает необходимое условие для возможной оболочки вакуумного баллона:

Требование примерно .

Ахметели и Гаврилин утверждают, что этого нельзя достичь даже с помощью алмаза ( ), и предполагают, что отказ от предположения о том, что оболочка является однородным материалом, может позволить получить более легкие и жесткие структуры (например, сотовую структуру ). [10]

Атмосферные ограничения [ править ]

Вакуумный дирижабль должен как минимум плавать (закон Архимеда) и противостоять внешнему давлению (закон силы, в зависимости от конструкции, как в приведенной выше формуле Р. Зоелли для сферы). Эти два условия можно переписать в виде неравенства, в котором совокупность нескольких физических констант, связанных с материалом дирижабля, должна быть меньше совокупности атмосферных параметров. Таким образом, для сферы (полая сфера и, в меньшей степени, цилиндр - практически единственные конструкции, для которых известен закон прочности), это где - давление внутри сферы, а («коэффициент Лана») и («Лана атмосферное соотношение »): [11]

(или, если неизвестно, с погрешностью порядка 3% и менее);
(или, когда неизвестно ),

где и - давление и плотность стандартной атмосферы Земли на уровне моря, а - молярная масса (кг / кмоль) и температура (К) атмосферы в плавучей зоне. Из всех известных планет и лун солнечной системы только атмосфера Венеры имеет достаточно большие размеры, чтобы превзойти такие материалы, как некоторые композиты (ниже высоты примерно 15 км) и графен (ниже высоты примерно 40 км). Оба материала могут выжить в атмосфере Венеры. Уравнение показывает , что экзопланеты с плотными, холодным и высокомолекулярным ( , , типа) атмосферы может быть пригодны для вакуумных дирижаблей, но это редкий тип атмосферы.

В художественной литературе [ править ]

В романе Эдгара Райса Берроуза « Тарзан в ядре Земли» Тарзан отправляется в Пеллуцидар на вакуумном дирижабле, построенном из вымышленного материала Харбенит.

В романе «Восстание Пассаролы» писатель Ажар Абиди представляет, что могло бы произойти, если бы Бартоломеу де Гужман построил и управлял вакуумным дирижаблем.

В романе Нила Стивенсона « Бриллиантовый век» можно увидеть сферические дирижабли с вакуумным корпусом, использующие эффект Магнуса и сделанные из карбина или аналогичного сверхтвердого углерода .

В книгах Maelstrom [12] и Behemoth: B-Max автор Питер Уоттс описывает различные летательные аппараты, такие как «оводы» и «подъемники», которые используют «вакуумные пузыри», чтобы удерживать их в воздухе.

В « Feersum Endjinn » Иэна М. Бэнкса вакуумный воздушный шар используется повествовательным персонажем Баскул в его стремлении спасти Эргейтса. Вакуумные дирижабли (дирижабли) также упоминаются как примечательная инженерная особенность космической утопической цивилизации The Culture in Banks в романе Look to Windward , а огромный вакуумный дирижабль Equatorial 353 является центральным местом в последнем романе о культуре, The Hydrogen Sonata. .

См. Также [ править ]

  • Аэростат

Ссылки [ править ]

  1. ^ "Франческо Лана-Терци, SJ (1631–1687); Отец воздухоплавания" . Проверено 13 ноября 2009 года .
  2. ^ Scamehorn, Говард Ли (2000). Воздушные шары в самолеты: век воздухоплавания в Иллинойсе, 1855–1955 . SIU Press. С. 13–14. ISBN 978-0-8093-2336-4.
  3. ^ Де Босс, Артур (1887). Воздушная навигация . Чикаго: Фергус Печать Co . Проверено 1 декабря 2010 .
  4. ^ «Воздушная навигация» (PDF) . Нью-Йорк Таймс . 14 февраля 1887 . Проверено 1 декабря 2010 .
  5. ^ "Для навигации в воздухе" (PDF) . Нью-Йорк Таймс . 19 февраля 1887 . Проверено 1 декабря 2010 .
  6. ^ Митчелл (комиссар) (1891). Решения Уполномоченного по патентам на 1890 год . Типография правительства США. п. 46. 50 ОГ, 1766 г.
  7. ^ Патент США 1390745 , Lavanda M Armstrong, «Самолет зажигалки, чем воздух типа», опубликованной 13 сентября 1921, назначен Lavanda M Armstrong 
  8. Дэвид Ноэль (1983). «Легче, чем воздушное судно с использованием вакуума» (PDF) . Переписка, размышления в науке и технологиях . 6 (3): 262–266.
  9. ^ Патент США 4534525 , Эммануэль Bliamptis, «Эвакуированные баллон для сбора солнечной энергии», Опубликовано августа 13, 1985, назначен Эммануэль Bliamptis 
  10. ^ a b Заявка США 2007001053 , А.М. Ахметели, А.В. Гаврилин, «Заявка на патент США 11/517915. Вакуумные шары со слоистой оболочкой», опубликованная 23 февраля 2006 г., передана Андрею М. Ахметели и Андрею В. Гаврилину. 
  11. ^ Е. Шиховцев (2016). "Возможен ли Фланар?" . Проверено 19 июня 2016 .
  12. ^ Уоттс, Питер. "Водоворот Питера Уоттса" .

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Альфред Хильдебрандт (1908). Прошлое и настоящее дирижабли: вместе с главами об использовании воздушных шаров в связи с метеорологией, фотографией и голубями-носителями . Компания Д. Ван Ностранд. стр.  16 -.
  • Коллинз, Пол (2009). «Взлет и падение металлического дирижабля». Новый ученый . 201 (2690): 44–45. Bibcode : 2009NewSc.201 ... 44C . DOI : 10.1016 / S0262-4079 (09) 60106-8 . ISSN  0262-4079 .
  • Зорнес, Дэвид (2010). «Плавучесть в вакууме обеспечивается вакуумным мешком, содержащим пленку вакуумной мембраны, обернутую вокруг трехмерной (3D) рамы для вытеснения воздуха, на которой трехмерный графен« плавает »первая стопка двумерных плоских листов шестичленных атомов углерода В том же трехмерном пространстве, что и вторая стопка графена, ориентированная под углом 90 градусов ». SAE International . Серия технических статей SAE. 1 . DOI : 10.4271 / 2010-01-1784 .
  • Тимоти Феррис (2000). Жизнь за пределами Земли . Саймон и Шустер. С. 130–. ISBN 978-0-684-84937-9.
  • http://ddata.over-blog.com/xxxyyy/0/31/89/29/Fusion-105/F105.2.pdf