Вакуумный дирижабль - Vacuum airship

Концепция летающей лодки Франческо Ланы де Терци 1670 г.

А вакуумный дирижабль, также известный как вакуумный баллон, является гипотетическим дирижабль то есть эвакуирован вместо наполнения газом легче воздуха, например водородом или гелий. Впервые предложено итальянцем Иезуит священник Франческо Лана де Терци в 1670 г.,^[1] вакуумный баллон будет окончательным выражением подъемной силы на перемещаемый объем.

История

С 1886 по 1900 гг. Артур де Боссе тщетно пытался собрать средства для создания своего «вакуумного» дирижабля, но, несмотря на раннюю поддержку в Конгрессе США, широкая публика была настроена скептически. Историк из Иллинойса Говард Скамхорн сообщил, что Октав Шанют и Альберт Фрэнсис Зам «публично осуждена и математически доказана ошибочность принципа вакуума», однако автор не указывает источник.^[2] Де Боссе опубликовал книгу о своем дизайне^[3] и предложила акции Transcontinental Aerial Navigation Company в Чикаго за 150 000 долларов.^[4]^[5] Его патентная заявка в конечном итоге была отклонена на том основании, что она была «полностью теоретической, все было основано на расчетах и ничего не было на испытаниях или демонстрациях».^[6]

Заблуждение о двойной стене

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-го века

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

Принцип

An дирижабль действует по принципу плавучесть, в соответствии с Принцип архимеда. В дирижабле воздух - это жидкость, в отличие от традиционных корабль куда воды это жидкость.

В плотность воздуха при стандартной температуре и давлении 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 заполняется легким газом, например гелий или же водород. Полная подъемная сила, создаваемая дирижаблем, равна весу воздуха, который он вытесняет, за вычетом веса материалов, использованных в его конструкции, включая газ, используемый для наполнения мешка.

Вакуумные дирижабли заменили бы газ гелий почтивакуум среда. При отсутствии массы плотность этого тела была бы около 0,00 г / л, что теоретически могло бы обеспечить полный подъемный потенциал вытесненного воздуха, так что каждый литр вакуума мог поднять 1,28 г. С использованием молярный объем, масса 1 литра гелия (при давлении 1 атм) 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%. Объем водорода 1 литр имеет масса 0,090 г.

Основная проблема концепции вакуумных дирижаблей заключается в том, что при почти полном вакууме внутри подушки безопасности внешняя 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 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

Прочность на сжатие

Из анализа Ахметели и Гаврилина:^[10]

Полная сила на полусферической оболочке радиуса ${displaystyle R}$ внешним давлением ${displaystyle P}$ является ${displaystyle pi R ^ {2} P}$ . Поскольку сила, действующая на каждое полушарие, должна уравновешиваться вдоль экватора, сжимающее напряжение будет равным, если предположить, что ${displaystyle h << R}$

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

куда ${displaystyle h}$ - толщина оболочки.

Нейтральная плавучесть возникает, когда снаряд имеет ту же массу, что и вытесняемый воздух, что возникает, когда ${displaystyle h / R = ho _ {a} / (3ho _ {s})}$ , куда ${displaystyle ho _ {a}}$ плотность воздуха и ${displaystyle ho _ {s}}$ - плотность оболочки, считающаяся однородной. В сочетании с уравнением напряжения дает

{displaystyle sigma = (3/2) (ho _ {s} / ho _ {a}) P}

.

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

Коробление

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

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

куда ${displaystyle E}$ это модуль упругости и ${displaystyle mu}$ это коэффициент Пуассона оболочки. Подстановка предыдущего выражения дает необходимое условие для возможной оболочки вакуумного баллона:

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

Требование о ${displaystyle 4.5cdot 10 ^ {5} кг ^ {- 1} м ^ {5} с ^ {- 2}}$ .

Ахметели и Гаврилин утверждают, что этого нельзя достичь даже с помощью алмаза ( ${displaystyle E / ho _ {s} ^ {2} примерно 1cdot 10 ^ {5}}$ ), и предполагаем, что отказ от предположения, что оболочка представляет собой однородный материал, может позволить получить более легкие и жесткие конструкции (например, сотовая структура ).^[10]

Атмосферные ограничения

Вакуумный дирижабль должен как минимум плавать (закон Архимеда) и противостоять внешнему давлению (закон силы, в зависимости от конструкции, например, приведенная выше формула 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, чем совокупность атмосферных параметров. Таким образом, для сферы (полая сфера и, в меньшей степени, цилиндр - практически единственные конструкции, для которых известен закон прочности) ${displaystyle k_ {m {L}} <{sqrt {1- {frac {P_ {m {int}}} {P}}}} cdot L_ {m {a}}}$ , куда ${displaystyle P_ {m {int}}}$ давление внутри сферы, а ${displaystyle k_ {m {L}}}$ («Коэффициент Лана») и ${displaystyle L_ {m {a}}}$ («Атмосферное соотношение Лана»):^[11]

{displaystyle k_ {m {L}} = 2.79cdot {frac {ho _ {s}} {ho _ {m {atm}}}} cdot {sqrt {frac {P_ {m {atm}}} {E}} } cdot (1-му ^ {2}) ^ {0,25}}

(или, когда

{displaystyle mu}

неизвестно,

{displaystyle k_ {m {L}} примерно 2,71 кд {frac {ho _ {s}} {ho _ {m {atm}}}} cdot {sqrt {frac {P_ {m {atm}}} {E}} }}

с погрешностью порядка 3% и менее);

{displaystyle L_ {m {a}} = {frac {ho _ {a}} {ho _ {m {atm}}}} cdot {sqrt {frac {P_ {m {atm}}} {P}}}}

(или, когда

{displaystyle ho _ {a}}

неизвестно,

{displaystyle L_ {m {a}} = 10cdot {sqrt {frac {P_ {m {atm}}}} {P}}} cdot {frac {M_ {a}} {T_ {a}}}}

),

куда ${displaystyle P_ {m {atm}} = 101325}$ ${displaystyle Pa}$ и ${displaystyle ho _ {m {atm}} = 1,22}$ ${displaystyle кг / м ^ {3}}$ - давление и плотность стандартной атмосферы Земли на уровне моря, ${displaystyle M_ {a}}$ и ${displaystyle T_ {a}}$ - молярная масса (кг / кмоль) и температура (K) атмосферы в области плавания. Из всех известных планет и лун солнечной системы только атмосфера Венеры имеет ${displaystyle L_ {m {a}}}$ достаточно большой, чтобы превзойти ${displaystyle k_ {m {L}}}$ для таких материалов, как некоторые композиты (ниже примерно 15 км) и графен (ниже примерно 40 км). Оба материала могут выжить в атмосфере Венеры. Уравнение для ${displaystyle L_ {m {a}}}$ показывает, что экзопланеты с плотными, холодными и высокомолекулярными ( ${displaystyle CO_ {2}}$ , ${displaystyle O_ {2}}$ , ${displaystyle N_ {2}}$ тип) атмосферы могут подходить для вакуумных дирижаблей, но это редкий тип атмосферы.

В художественной литературе

в Эдгар Райс Берроуз Роман Тарзан в ядре Земли Тарзан едет в Пеллюцидар в вакуумном дирижабле, построенном из вымышленного материала Харбенит.

В Passarola Rising, писатель Азхар Абиди воображает, что могло бы случиться, если бы Бартоломеу де Гужман построил и пилотировал вакуумный дирижабль.

Сферические дирижабли с вакуумным корпусом, использующие Эффект Магнуса и сделан из карбин или аналогичный сверхтвердый углерод можно увидеть в Нил Стивенсон роман Алмазный век.

В Maelstrom^[12] и Бегемот: Би-Макс, автор Питер Уоттс описывает различные летательные аппараты, такие как "оводы" и "подъемники", которые используют "вакуумные пузыри", чтобы удерживать их в воздухе.

В Феерсум Эндджинн к Иэн М. Бэнкс, вакуумный шар используется персонажем Баскюлем в его стремлении спасти Эргейтса. Вакуумные дирижабли (дирижабли) также упоминаются как примечательная инженерная особенность космической утопической цивилизации. Культура в романе Бэнкса Посмотрите на Наветренную, и огромный вакуумный дирижабль Экваториальный 353 является ключевым местом в последнем романе "Культура", Водородная соната.

Смотрите также

Аэростат

дальнейшее чтение

Альфред Хильдебрандт (1908). Прошлое и настоящее дирижабли: вместе с главами об использовании воздушных шаров в связи с метеорологией, фотографией и голубем-носителем. Компания Д. Ван Ностранд. стр.16 –.
Коллинз, Пол (2009). «Взлет и падение металлического дирижабля». Новый ученый. 201 (2690): 44–45. Bibcode:2009NewSc.201 ... 44C. Дои: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. Дои: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

[1] "Франческо Лана-Терци, С.Дж. (1631–1687); отец воздухоплавания". Получено 13 ноября 2009.

[2] Скамхорн, Говард Ли (2000). Воздушные шары к самолетам: век воздухоплавания в Иллинойсе, 1855–1955 гг.. SIU Press. С. 13–14. ISBN 978-0-8093-2336-4.

[De_Bausset_1887-3] Де Боссе, Артур (1887). Воздушная навигация. Чикаго: Fergus Printing Co. Получено 2010-12-01.

[4] «Воздушная навигация» (PDF). Нью-Йорк Таймс. 14 февраля 1887 г.. Получено 2010-12-01.

[5] «Чтобы управлять воздухом» (PDF). Нью-Йорк Таймс. 19 февраля 1887 г.. Получено 2010-12-01.

[6] Митчелл (комиссар) (1891). Решения Уполномоченного по патентам на 1890 год. Типография правительства США. п. 46. 50 О. Г., 1766

[7] Патент США 1390745, Лаванда М. Армстронг, «Самолет легче воздуха», опубликовано 13 сентября 1921 г., передано Лаванде М. Армстронгу.

[8] Дэвид Ноэль (1983). «Легче, чем самолет, использующий вакуум» (PDF). Переписка, спекуляции в науке и технологиях. 6 (3): 262–266.

[9] Патент США 4534525, Эммануэль Блиамптис, "Эвакуированный воздушный шар для сбора солнечной энергии", опубликованный 13 августа 1985 г., порученный Эммануэлю Блиамптису.

[Akhmeteli-10] а ^б Заявка США 2007001053, А.М. Ахметели, А.В. Гаврилин, «Заявка на патент США 11/517915. Вакуумные шары с многослойной оболочкой», опубликованная 23 февраля 2006 г., передана Андрею М. Ахметели и Андрею В. Гаврилину.

[shikhovtsev16-11] Е. Шиховцев (2016). "Возможен ли Фланар?". Получено 2016-06-19.

[12] Уоттс, Питер. "Водоворот Питера Уоттса".

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]