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

Вопросы / ответыМогу ли я построить дирижабль (жесткий дирижабль), который использует вакуум, а не подъемный газ?
0 +1 -1
flyman Админ. спросил 2 недели назад

Есть и другие вопросы (c.f. Какой газ используется в дирижаблях для придания им плавучести?) которые обсуждают использование подъемных газов, таких как гелий и водород в дирижаблях. Гелий редок и водород огнеопасен.

Если можно построить достаточно легкую и прочную внешнюю раму, то разве нельзя использовать вакуум вместо того, чтобы поднимать газы? На уровне земли рама должна выдерживать только 15psi (100 000 паскалей), что не является огромной силой. Теоретически вакуум должен обеспечивать еще большую подъемную силу, чем любой газ.

Предпринимались ли какие-либо попытки создания жестких дирижаблей на основе вакуума, а если нет, то каковы технические или механические ограничения?

flyman Админ. ответил 2 недели назад

en.wikipedia.org/wiki/Vacuum_airship предполагает, что вам потребуется материал с более низкой склонностью к пряжке, чем чистый алмаз.

flyman Админ. ответил 2 недели назад

which isn't a tremendous amount of force.? Это огромная сила. Около одной тонны на квадратный фут, если вы все еще находитесь в старой системе.

flyman Админ. ответил 2 недели назад

— Что не является огромной силой.- Вообще-то он довольно большой .

flyman Админ. ответил 2 недели назад

@Майкл, похоже, вакуум всего 179 граммов на квадратный метр легче гелия, если я правильно понял перицинтион. Я был бы удивлен, если бы можно было сделать такие отсеки без использования более 179 граммов материала на квадратный метр

flyman Админ. ответил 2 недели назад

Легче, чем работа воздушного судна, вытесняя воздух из замкнутого объема газом, который имеет меньшую массу на объем (т. е. меньшую плотность), чем воздух. Достигнутая подъемная сила на объем = mass_new газ-mass_air-mass_enclosing структура. При использовании вакуума подъем = масса воздуха на объем меньше опорной конструкции. Как воздушные массы около 1.2 kg/m^3 на STP (~=уровне моря, 25C) структура поддержки нужно утяжелить чем 1.2 kg заключенного тома для того чтобы получить любой подъем на всех. Большие объемы получают некоторое преимущество из-за закона кубического квадрата, поскольку объем увеличивается с кубической стороной, но площадь Вити квадратной стороны. ОДНАКО….

5 ответ
0 +1 -1
flyman Админ. ответил 2 недели назад

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

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

flyman Админ. ответил 2 недели назад

Что делать, если вы только хотели добавить некоторую оживленность к иначе «нормальному» самолету или что-то в этом роде? Мы делаем огромное предположение, что мы хотим плавать весь корабль сам по себе. Что делать, если мы просто хотим, чтобы что-то было «достаточно легким», чтобы быть лучшим наземным транспортным средством или что-то в этом роде? Где граница-Сколько можно было бы получить покупательной способности?

flyman Админ. ответил 2 недели назад

@Жасмин: это не случай отсечки, вы не можете достичь плавучести вообще с таким подходом, вы можете только сделать свой автомобиль тяжелее. Вакуумный шар не может поднять себя, не говоря уже о чем-то другом. Даже если вы построили свой автомобиль из металлической пены и каким-то образом эвакуировали газ (воздух) из пены, он почти наверняка будет либо тяжелее обычной конструкции, либо слишком слаб, чтобы поддерживать структурные силы поверх атмосферного давления.

flyman Админ. ответил 2 недели назад

О, Спасибо, это имеет смысл.

flyman Админ. ответил 2 недели назад

@Жасмин: даже если бы у кого-то была волшебная волшебная вакуумная пена, которая ничего не весила и ее можно было легко контролировать, такая вещь была бы очень мало полезна в самолете. Замена кубического метра внутреннего воздушного пространства волшебной вакуумной пеной добавила бы меньше чем 1,5 грамма лифта. Внутренний объем Аэробуса 380 составляет менее 4 000 кубических метров, поэтому замена всего его волшебной пеной не может генерировать более 6 килограммов дополнительного подъема. Единственный способ добавить значимое количество лифта — сделать корабль намного больше, и единственный способ сэкономить топливо…

flyman Админ. ответил 2 недели назад

…было бы, если бы скорость самолета была крайне низкой. Пребывание дирижабля в воздухе на нулевой скорости почти не требует энергии, но для его продвижения на любой значительной скорости потребуется намного больше энергии, чем это было бы необходимо для самолета сопоставимой грузоподъемности.

0 +1 -1
flyman Админ. ответил 2 недели назад

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.

0 +1 -1
flyman Админ. ответил 2 недели назад

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:Введите описание изображения здесь

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

0 +1 -1
flyman Админ. ответил 2 недели назад

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.

flyman Админ. ответил 2 недели назад

Когда мой отец (и множество помощников) построил стену из мешков с песком вокруг своего дома (которая выдерживала наводнение стоячей водой почти на 4 фута над уровнем земли, плюс существенные волны поверх этого), вместо того, чтобы строить ее как круг или эллипс, он построил ее как гребешок, с существенным подкреплением в каждой вогнутой точке. Это значительно уменьшило радиус, и следовательно увеличило прочность, всех non-подпертых частей стены.

flyman Админ. ответил 2 недели назад

@supercat. Эта форма также отклоняет пушечный огонь .

flyman Админ. ответил 2 недели назад

уменьшение утечки гелия кажется убедительным. интересно, какое преимущество будет стоить…

0 +1 -1
flyman Админ. ответил 2 недели назад

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.

flyman Админ. ответил 2 недели назад

Сэндвич материал, конечно. Как указано в комментарии сайта физики, это потрясающе.