Могу ли я построить дирижабль (жесткий дирижабль), который использует вакуум, а не подъемный газ?

каковы технические или механические ограничения для этого?

Нет известного материала, который обладал бы достаточным сочетанием легкости и прочности для поддержания вакуума, поддерживающего вес контейнера на Земле на уровне моря.

Был аналогичный вопрос с хорошим ответом Physics.se

• Шлюпка/Самолет Сферы Вакуума Бериллия

Можно ли сделать твердый эвакуированный «баллон» из бериллия или других элементов или сплавов?

В настоящее время первый ответ проходит через математику

рассчитана она на базе почти 3700 материалов, включая все распространенные аэрокосмические композиты, металлы и сплавы.

и заключает

Короче говоря, лучшие материалы не достигают нашей цели в 2 раза. Вполне возможно, что мы могли бы повысить коэффициент жесткости / плотности, возможно, разработав какую-то пену бериллия. Например, пена с закрытыми ячейками из этого бериллия с относительной плотностью 0,041 даст значение около 920 за счет снижения модуля Юнга примерно до 600 МПа — однако я понятия не имею, возможна ли такая пена. В качестве альтернативы может быть возможно придумать какую-то умную технику геометрии огибающей, чтобы преодолеть ограничение потери устойчивости. Тем не менее, я подозреваю, что усилия вряд ли окупятся лучшим коэффициентом боянси, чем это уже достижимо обычными воздушными шарами.

Другие вопросы

• Возможно ли создать вакуумный баллон, используя концентрические частично сжатые сферы?

Другие ответы правильно указывают вне весьма (невозможные) требования к прочности и жесткости материалов воздушного шара вакуума. Другим примечательным моментом является то, что преимущество в подъемной способности невелико; при стандартной температуре и давлении плавучесть гелия, водорода и вакуума составляет соответственно 1,096, 1,185 и 1,275 кг/м3. Поэтому, даже если бы вы могли гипотетически построить вакуумный шар с той же массой оболочки, что и водородный или гелиевый шар, он не смог бы поднять гораздо больше полезной нагрузки.

Под аргументом, что невозможно построить структуру, которая может выдержать внешнее давление, pericynthion указал на другой аргумент: Плавучесть газа и вакуума аналогична, и более высокая масса вакуумного дирижабля отменит выгоду.

Но есть еще больше:

Дирижабли обычно включают воздушный шар, заполненный воздухом. Если корабль поднимается, газ расширяется и воздух выдавливается. (см. http://www.americanblimp.com/fly.htm)Таким образом, внутреннее и внешнее давление равны и нет дополнительной нагрузки на корпус из-за избыточного давления.

Кроме того, плавучесть не уменьшается: на высоте около 5,8 км давление воздуха снижается до 50%, а также плавучесть для фиксированного объема . Если вы позволите газу расшириться, он увеличится в два раза. Дважды времена Тома 50% пловучести 50% дают вам пловучесть 100% снова.

Но фиксированный объем вакуума не будет расширяться и будет иметь только 50% своей плавучести на уровне моря.

Конечно, 5,8 км высоты-это очень много для дирижабля, но цифры приятно показывают эффект. И из-за экспоненциального характера давления воздуха газонаполненный дирижабль, который позволяет газу расширяться, имеет более высокую плавучесть, чем вакуумный дирижабль с фиксированным объемом выше 600 м для наполненных водородом и 1200 м для наполненных гелием кораблей . Здесь график сравнивая пловучесть 1m3 вакуума к газу 1m3 на sealevel:

(Кстати: именно по этой причине метеозонды имеют гибкий корпус или кажутся частично заполненными только на уровне моря)

Все ссылки, которые я видел, относятся к сайтам, где неявно или явно предполагается, что дирижабль является однородной сферой. Этот подход имеет некоторые достоинства — любая неудача должна произойти в какой-то момент, и если сфера абсолютно однородна, то нет очевидной точки первой неудачи; и в аналогичной ситуации глубоководной разведки сферическая конструкция, как было показано, имеет свое применение. Однако на практике ни одна материальная конструкция никогда не бывает полностью однородной, и даже если бы она была, до тех пор, пока дирижабль не был наверху, была бы разница между теми точками, которые соприкасались с землей или опорными конструкциями, и теми, которые не были.

Мне кажется, что гораздо лучшим подходом было бы иметь нечто приблизительно сферическое, но внутренне поддерживаемое сложной системой ребер и контрфорсов, сродни тому, что можно найти в готическом соборе.

Для начала, взгляните на например http://www.cutoutfoldup.com/905-spherical-model—cube.php…Представьте себе, что эта структура масштабируется и изготавливается с чрезвычайно высокой точностью с использованием самых прочных доступных материалов и покрыта тонкой пленкой, так что интерьер полностью закрыт. То, что у вас есть, по сути, является сферой, которая очень толстая в определенных точках (i.e там, где ребра), но очень тонкие у других. Ребра выдержат огромное давление. Других пунктов-не так много. В его нынешнем виде он потерпит неудачу в одной из не ребристых точек. Итак, не большой прогресс. Но теперь представьте, что материал граней довольно сильно изогнут; то, что каждая грань является частью сферы, которая намного меньше и, следовательно, более сильно изогнута, чем вся сфера. Эти более малые сферически этапы должны мочь выдержать гораздо большле внешнее давление чем большая сфера такой же толщины.

Теперь представьте, что каждый из этих пузырьков сам по себе ребристый, с гранями между ребрами, занятыми еще меньшими ребрами и пузырьками. Конструкция эффективно фрактальная, с повторением в меньших масштабах, происходящим так часто, как требуется. Самые маленькие пузырьки будут очень сильно изогнуты и, следовательно, очень сильны. Внешнее давление, оказываемое на них, будет направлено на маленькие ребра, которые, в свою очередь, будут направлены на большие ребра и так далее. Я не знаю никаких попыток, которые были сделаны, чтобы построить вакуумный дирижабль вдоль этих линий, но я не понимаю, почему это не должно работать.

EDIT: если мы понимаем, что любой вакуум, достижимый на Земле с помощью механического насоса, на самом деле является частичным вакуумом, и поэтому мы используем слово «вакуум» в качестве аббревиатуры для «частичного вакуума», из этого следует, что «вакуумный дирижабль» и «подъемный газ дирижабль» не являются взаимоисключающими терминами. Должно быть возможно построить дирижабль, содержащий водород или гелий при значительно пониженном давлении, вместо небольшого избыточного давления, которое является нормальным. Жесткость тогда должна исходить из структурной жесткости оболочки, а не из внутреннего давления.

Большое преимущество, в случае гелиевого дирижабля пониженного давления, состоит в том, что при нормальных обстоятельствах потери гелия в атмосферу должны быть незначительными, в отличие от обычного баллона, где потери существенны и должны непрерывно пополняться. Основные просачивания газа будут происходить от более высокого давления снаружи к более низкому давлению внутри, и любой потенциально выходящий гелий будет фактически плавать против этого течения. Он также будет просачиваться через жесткий материал, который, вероятно, будет более непроницаемым для потока, чем более гибкий материал. Это преимущество будет становиться все более значительным, поскольку цена на все более редкий гелий продолжает стремительно расти.

Не то, чтобы необходимо было использовать гелий пониженного давления, просто это облегчило бы конструкцию, уменьшив разницу давления между внутренним и внешним до чего-то более легко управляемого. Но я совершенно уверен, что с разумно спроектированной оболочкой можно было бы создать рабочий дирижабль даже с интерьером, близким к жесткому вакууму. В статье, процитированной Редгриттибриком в его ответе, говорится: «лучшие материалы не достигают нашей цели в 2 раза», и я уверен, что лучший структурный дизайн приведет к гораздо большей, чем двойная жесткость простой однородной сферы для той же массы материала. Анекдот Supercat, ниже, помогает проиллюстрировать это.

Согласно нашему анализу конечного элемента (заявка на патент США 11/517915 (Ахметели, Гаврилин, слоистые оболочки вакуумных баллонов, вы можете найти его на сайте USPTO или по адресу http://akhmeteli.org/wp-content/uploads/2011/08/vacuum_balloons_cip.pdf ), возможно построить воздушный шар вакуума используя коммерчески доступные материалы и структуры сандвича. В своем комментарии @Hugh ссылается на статью Википедии, в которой подчеркивается наш расчет, доказывающий, что нельзя сделать вакуумный шар однородным сферическая оболочка выполнена из доступных в настоящее время материалов, но не позволяет однозначно процитировать наш вывод о возможности неоднородности (сэндвич-структуры) сферической оболочки вакуумного баллона.