Wp/isv/Vakuumny dirižabl

Koncept letajučej lodi Frančeska Lana de Terсi, ok. 1670 lěta

Vakuumny dirižabl, ili vakuumny balon jest hipotetična vozduholod, ktora jest vakuumovana vměsto zapolnjenja jej s gazom legšim vozduha kako vodorod ili helij. Ona mogla by iměti maximalnu možnu vozdvižnu silu na izměščeny objem. Razlika pritiskov črez stěnku balona prědstavijaje glavny inženerny problem, čto projevilo se v otsutstvu praktičnyh priměnjenij.

Historija

Vakuumny balon, takože zvany "FLanar" (kombinacija F. Lana i portugalskogo slova flanar, čto označaje putovanje), byl jest vprvo prědloženy italijanskym svěčenikom jezuitom Frančeskom Lana de Terci (Francesco Lana de Terzi) v lětu 1670.

Medžu 1886 i 1900 lětami Artur De Bose (Arthur De Bausset) jest naprazdno staral se sbirati groše na postavjenje svojej vozduholodi na principu "vakuumnoj truby", i pomimo ranjej podpory Kongresom SŠA, obyčajna publika byla jest skeptična. Historik Ilinojsa Howard Skejmhorn (Howard Scamehorn) soobčal, že Oktav Šanut (Octave Chanute) i Albert Cam (Albert Francis Zahm) sut "publično osudili i matematično dokazali zabludnost vakuumnogo principa", jednakože, avtor ne ukazyvaje iztočnik. De Bose jest publikoval knigu o svojej konstrukcije i jest prědložil akcije Transcontinental Aerial Navigation Company of Chicago na $150,000. Jego patentovo zajavjenje bylo v koncu odvrgnuto na osnovanju že ono jest bylo "čisto teoretično, vseobčo osnovano na kalkulacijah, i nikako na probah ili demonstracijah."

Zabluda dvojnyh stěnok

V lětu 1921, Lavanda Armstrong jest izjavila kompozitnu strukturu stěnky s vakuumnoju kameroju, "okruženoju vtoroju kovertoju, izdělanoju tako, da by shranjati vozduh pod pritiskom, stěnky koverty by byli odděljeny jedna drugoj i svezany zajedno", sodržajuči sotovu strukturu.

V lětu 1983 David Noel obsudžaje izkoristanje geodezičnoj sfery, pokrytoju plastikovoju povlakoju i "dvojny balon, sodrživajuči pritlačeny vozduh medžu skorlupami i vakuum v centru".

V 1982–1985 lětah Emmanuel Bliamptis jest rabotal na istočnikah energije i koristanju "naduhajemyh razpornyh koljc".

Jednakože, dvojnostěnna konstrukcija, kako prědložena Armstrong, Noelom i Bliamptisom, ne byla by plavajučeju vo vozduhu. Da by izběgnuti kolapsa, vozduh medžu stěnkami musi iměti minimalny pritisk (i naslědno, takože i gustotu) proporciaonalno podělu cělogo objema, zajetogo vakuumnoju sekcijeju, čto unemožnjaje da by srědna gustota letala byla nizšeju, něž gustota okolnogo vozduha.

21. stolětje

V lětah 2004–2007, da by rěšati problem odnošenja krěposti k težině, Ahmeteli i Gavrilin obratili se k izboru četyrěh materialov, konkretno berilij I220H (99% elementa), keramika na osnově karbida bora, diamantovy vuglerod, i aluminijevo stopjenje 5056 (94.8% Al, 5% Mg, 0.12% Mn, 0.12%Cr), v dvojnom sloju sotovoj struktury. V lětu 2021 oni sut razširili svoje izslědovanje i sut provědli "analizu metodoju konečnyh elementov za demonstraciju, že smečkanje može byti odvračeno", s fokusom na "skorlupě s vněšnym radiusom R > 2.11 m, sodržajučej dvě povlaky iz karbida bora tolste 4.23 × 10⁻⁵ R každa, ktore sut nadežno prilěpjene k aluminijevomu sotovomu jedru tolstomu 3.52 × 10⁻³ R". Prinajmenje vo dvoh člankah (r. 2010 i 2016) obgovarjaje se koristanje grafena kako vněsnej membrany.

Princip raboty

Vozduholod rabotaje na principu vozduhoplavanja suglasno zakonu Arhimeda. Za vozduholod srědoju plavanja jest vozduh, na razliku od tradičnoj lodi, gde srědoju jestvuje voda.

Gustota vozduha pri standardnoj temperaturě jest 1.28 g/l, tako 1 litr izmeščenogo vozduha imaje dostatočnu silu da by vznesti 1.28 g. Vozduholodi koristajut měšek da by izměstiti veliky objem vozduha; měšek obyčno napolnjajut legkym gazom kako helij ili vodorod. Obča nosnost, proizvodima vozduholodju jest ravna težině jeju izměščenogo vozduha minus težina materialov, upotrěbjenyh pri jej postavjenju, vključno gaza, ktorym jest zapolnjeny měšek.

U vakuumnoj vozduholodi vozdvigajuči gaz jest zaměnjeny srědoju, blizkoju k vakuumu. Zato že vakuum ne imaje masu, gustota takogo tělesa bude blizko 0.00 g/l, čto teoretično by dozvolilo izkoristati cěly vozdvigajuči potencial izměščenogo vozduha, i každy litr vakuuma by vozdvigal 1.28 g. Po molarnomu objemu masa 1 litra helija (pri pritisku 1 atmosfery) bude 0.178 g. Jesti se koristaje helij vměsto vakuuma, vozdvigajuča sposobnost každogo litra snižaje se o 0.178 g, i efektivna vozdvigajuča sposobnost bude na 13.90625% menje. Jednolitrovy objem vodoroda imaje masu 0.090 g, čto snižaje effektivno vozdviženje o 7.03125%.

Glavnym problemom koncepta vakuumnoj vozduholodi jest to, že pri okolo-vakuumu v měšku vněšnji atmosferny pritisk ne jest kompensovany nikakym vnutrnym pritiskom. Taky ogromny disbalans sil privěde k kolapsu měška, krome slučaja, kogda on jest ekstremalno krěpky (u obyčajnoj vozduholodi sila jest uravnovažena pritiskom napolnjaučego gaza i tuto ne jest obvezno uslovje). Tak, jestvuje trudnost konstruovanja měška s dodatnoju krěpkostju da by odpirati se krajno vysokoj ravnodějnoj silě bez povyšenja težkosti struktury natoliko, že vysša vozdvigajuča sposobnost vakuuma se anuluje.

Ograničenja materialov

Krěpkost na stiskanje

Iz analizy Ahmeteli i Gavrilina:

Obča sila, dějuča na polusferičny měšek s radiusom $R$ vněšnjim pritiskom $P$ jest $\pi R^{2}P$. Poneže sila na každoj polusferě musi se uravnovažiti podolg ekvatora, v prědpokladu, že $h<<R$, gde $h$ jest tolstost skorlupy, stiskajuče napruženje ($\sigma$) bude:

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

Nevtralna plavatelnost stavaje se, kogda měšek imaje jednaku masu kako izměščeny vozduh, čto slučaje se kogda $h/R=\rho _{a}/(3\rho _{s})$, gde $\rho _{a}$ jest gustota vozduha, a $\rho _{s}$ jest gustota skorlupy, v předpokladu, že ona jest jednorodna. Podstavjenje do uravnjenja napruženja davaje

$\sigma =(3/2)(\rho _{s}/\rho _{a})P$.

Za aluminij i zemne uslovja Ahmeteli i Gavrilin ocěnivajut napruženje kako $3.2\cdot 10^{8}$ Pa, jednogo poredka veličiny, kako krěpkost na stiskanje aluminijevyh stopjenij.

Směčkanje

Ahmeteli i Gavrilin označajut, jednako, že kalkulacija stiskajučego napruženja ne učityvaje směčkanje, i koristajuči formulu R. Zoelli , kritičny směckajuči pritisk sfery jest

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

gde $E$ jest modul elastičnosti, i $\mu$ jest odnošenje Puasona skorlupy. Podstavjenje vyšeidučego uravnjenja davaje potrěbno uslovje za možnu skorlupu měška vozduholodi:

$E/\rho _{s}^{2}={\frac {9P_{cr}{\sqrt {3(1-\mu ^{2})}}}{2\rho _{a}^{2}}}$.

Tuto uslovje jest priblizno $4.5\cdot 10^{5}\mathrm {kg} ^{-1}\mathrm {m} ^{5}\mathrm {s} ^{-2}$.

Ahmeteli i Gavrilin tvrdet, že tuto ne jest možno dosegnuti daže pri koristanju diamanta ($E/\rho _{s}^{2}\approx 1\cdot 10^{5}$), i prědkladajut opustiti prědpoklad, že skorlupa jest homogennym materialom, čto umožnjaje vyše legke i negybke struktury (napr. sotovu strukturu).

Atmosferne ograničenja

Vakuumny dirižabl musi prinajmene plavati (zakon Arhimeda) i protivjati se vněšnomu pritisku (zakon krěpkosti, zavisno na konstrukcije, kako vyše ukazana formula R. Zoelli za sferu). Tute dva uslovija mogu byti prěpisany kako neravnost, gde kompleks několkoh fiyičnyh konstant, svezanyh s materialom vozduholodi musi byti menšim, než kompleks atmosfernyh parametrov. Tako, za sferu (pusta sfera i, v menšej měrě, cilindr sut praktično jedine konstrukcije, za koje zakony krěpkosti sut znajeme) ovo bude $k_{\rm {L}}<{\sqrt {1-{\frac {P_{\rm {int}}}{P}}}}\cdot L_{\rm {a}}$, gde $P_{\rm {int}}$ jest pritisk vnutri sfery, a $k_{\rm {L}}$ («koeficient Lana») i $L_{\rm {a}}$ («atmosferno odnošenje Lana») sut:

$k_{\rm {L}}=2.79\cdot {\frac {\rho _{s}}{\rho _{\rm {atm}}}}\cdot {\sqrt {\frac {P_{\rm {atm}}}{E}}}\cdot (1-\mu ^{2})^{0.25}$ (ili, kogda $\mu$ ne jest znajemo, $k_{\rm {L}}\approx 2.71\cdot {\frac {\rho _{s}}{\rho _{\rm {atm}}}}\cdot {\sqrt {\frac {P_{\rm {atm}}}{E}}}$ s pogrěškoju poredka 3% ili mene);

$L_{\rm {a}}={\frac {\rho _{a}}{\rho _{\rm {atm}}}}\cdot {\sqrt {\frac {P_{\rm {atm}}}{P}}}$ (ili, jestli $\rho _{a}$ ne jest znajema, $L_{\rm {a}}=10\cdot {\sqrt {\frac {P_{\rm {atm}}}{P}}}\cdot {\frac {M_{a}}{T_{a}}}$),

gde $P_{\rm {atm}}=101325\;{\rm {Pa}}$ i $\rho _{\rm {atm}}=1.22$ ${\rm {kg/m^{3}}}$ sut pritisk i gustota standardnoj atmosfery Zemje na uravnju okeana, $M_{a}$ i $T_{a}$ sut molarna masa (kg/kmol) i temperatura (K) atmosfery v oblasti vozduhoplavanja.

Iz vseh znajemyh planet i měsecov Solnečnoj sistemy toliko atmosfera Venery imaje $L_{\rm {a}}$ dost veliko, da by prěvozojdti $k_{\rm {L}}$ za take materialy, kako kompozity (vo vyšinah priblizno pod 15 km) i grafen (vo vyšinah priblizno pod 40 km). Obadva materialy mogut prěžiti v atmosferě Venery. Uravnjenje za $L_{\rm {a}}$ pokazyvaje, čto egzoplanety s gustoju, hladnoju i vysokomolekularnoju (tipa ${\rm {{CO}_{2}}}$, ${\rm {O_{2}}}$, ${\rm {N_{2}}}$) atmosferoju mogud byti prigodne za vakuumne vozduholodi, no tuto sut rědke tipy atmosfery.

V fantastikě

V romanu Edgara Burouza (Edgar Rice Burroughs) Tarzan i Zemsko jedro Tarzan putuje na Pellucidar na vakuumnom dirižablu, skostruovanom iz izmyšljenogo materiala Harbenita.

V Passarola Rising avtor Azhar Abidi prědstavjaje, čto by se moglo slučiti, jestli by Bartolomeu de Gusmão izbudoval vakuumnu vozduholod i letal jej.

Vozduholodi so sferičnym tělesom, koristajuče efekt Magnusa i sdělane iz karbajna (carbyne) ili podobnogo svrhtvrdogo materiala sut posvěčeny v romanu Nila Stivensona (Neal Stephenson) Diamantova doba (The Diamond Age).

V romanah Maelstrom i Behemoth:B-Max, avtor Peter Watts opisyvaje različne letajuči orudja, kako "botolety" (botfly) i "liftery" ktore koristajut "vakuumne lopatky" ktore jih nesut vo vzduhu.

V Feersum Endjinn, avtor Iain M. Banks, vakuumny balon jest izkoristany personažem Baskuljem (Bascule) v jego missiji spasanja Ergatesa. Vakuumne dirižable (vozduholodi) sut takože spomněne kako važna inženerna črta utopičnoj civilizaciji kosmičnyh putovatjeljev The Culture v romanu Banksa Look to Windward, i ogromny vakuumny dirižabl Equatorial 353 jest městom dějstva v poslědnom romanu o Culture, The Hydrogen Sonata.

Gledaj takože

• Aerostat

Čitati dalje

• Alfred Hildebrandt (1908). Airships Past and Present: Together with Chapters on the Use of Balloons in Connection with Meteorology, Photography and the Carrier Pigeon. D. Van Nostrand Company. str. 16–.
• Collins, Paul (2009). "The rise and fall of the metal airship". New Scientist. 201 (2690): 44–45. Bibcode:2009NewSc.201...44C. doi:10.1016/S0262-4079(09)60106-8. ISSN 0262-4079.
• Timothy Ferris (2000). Life Beyond Earth. Simon and Schuster. str. 130–. ISBN 978-0-684-84937-9.

• Le defi de Cyrano; un ballon gonfle avec du vide : Fabrice David

Vnešnje linky

• Tutoj članok imaje prěvod iz članka «Vacuum airship» v Vikipediji na anglijskom (spis avtorov; dozvoljenje CC BY-SA 4.0).