Vakum hava gemisi - Vacuum airship

Bir vakum uçak olarak da bilinen, vakum balonu , bir varsayımsal uçak olan tahliye yerine, hidrojen ya da daha hafif olan bir hava gazı ile doldurulmuş helyum . İlk olarak 1670 yılında İtalyan Cizvit rahip Francesco Lana de Terzi tarafından önerilen vakum balonu, yer değiştiren hacim başına kaldırma gücünün nihai ifadesi olacaktır.

Tarih

1886'dan 1900'e kadar Arthur De Bausset , "vakum tüplü" zeplin tasarımını inşa etmek için para toplamak için boşuna çaba sarf etti, ancak Birleşik Devletler Kongresi'ndeki erken desteğe rağmen, genel halk şüpheciydi. Illinois tarihçisi Howard Scamehorn, Octave Chanute ve Albert Francis Zahm'ın "kamuya açık olarak kınadıklarını ve vakum ilkesinin yanlışlığını matematiksel olarak kanıtladıklarını" bildirdi , ancak yazar kaynağını vermiyor. De Bausset, tasarımı hakkında bir kitap yayınladı ve Chicago'daki Transcontinental Aerial Navigation Company'de 150.000 dolarlık hisse senedi teklif etti. Patent başvurusu sonunda, "tamamen teorik olduğu, her şeyin hesaplamaya dayandığı ve hiçbir şeyin deneme veya ispata dayanmadığı" gerekçesiyle reddedildi.

Çift Duvar Yanılgısı

1921'de Lavanda Armstrong, "basınç altında havayı tutacak şekilde inşa edilmiş ikinci bir zarfla çevrelenmiş, zarfın duvarları birbirinden aralıklı ve birbirine bağlanmış" bir vakum odası olan bir kompozit duvar yapısını açıklar. yapı.

1983'te David Noel, plastik filmle kaplanmış jeodezik kürenin ve "kabukları arasında basınçlı hava ve ortasında bir vakum bulunan çift balon" kullanımını tartıştı.

1982-1985'te Emmanuel Bliamptis, enerji kaynakları ve "şişirilebilir payanda halkaları" kullanımı konusunda ayrıntılı bilgi verdi.

Ancak, Armstrong, Noel ve Bliamptis tarafından önerilen çift duvarlı tasarım, canlı olmazdı. Çökmeyi önlemek için, duvarlar arasındaki hava, vakum bölümünün kapladığı toplam hacmin fraksiyonu ile orantılı bir minimum basınca (ve dolayısıyla aynı zamanda bir yoğunluğa) sahip olmalıdır, bu da aracın toplam yoğunluğunun çevreleyenden daha az olmasını önler. hava.

21'inci yüzyıl

2004–2007'de Akhmeteli ve Gavrilin, burkulma sorunlarını çözmek için bal peteği çift katmanlı zanaatta malzeme seçimini ("berilyum, bor karbür seramik ve elmas benzeri karbon" veya alüminyum) ele aldı.

Prensip

Bir zeplin , Arşimet ilkesine göre yüzdürme ilkesine göre çalışır . Bir hava gemisinde, suyun akışkan olduğu geleneksel bir geminin aksine, hava akışkandır.

Havanın yoğunluğu 1 nedenle, standart sıcaklık ve basınçta, 1.28 g / l litre değiştiren hava kaldırma 1.28 g için yeterli kaldırma kuvvetini alır. Hava gemileri, büyük miktarda havanın yerini almak için bir torba kullanır; torba genellikle helyum veya hidrojen gibi hafif bir gazla doldurulur . Bir zeplin tarafından üretilen toplam kaldırma, yer değiştirdiği havanın ağırlığından, torbayı doldurmak için kullanılan gaz da dahil olmak üzere yapımında kullanılan malzemelerin ağırlığının çıkarılmasına eşittir.

Vakumlu hava gemileri, helyum gazını vakuma yakın bir ortamla değiştirecektir. Kütlesi olmayan bu cismin yoğunluğu, teorik olarak yer değiştiren havanın tam kaldırma potansiyelini sağlayabilecek olan 0,00 g/l'ye yakın olacaktır, böylece her litre vakum 1,28 g'ı kaldırabilir. Kullanma mol hacmi , helyum 1 litre kütle (basınç 1 atmosferde) 0.178 g olduğu bulunmuştur. Vakum yerine helyum kullanılırsa, her litrenin kaldırma gücü 0,178 g azalır, böylece etkin kaldırma %14 oranında azalır. 1 litrelik bir hidrojen hacmi 0,090 g kütleye sahiptir .

Vakum hava gemileri konseptiyle ilgili temel sorun, hava yastığının içinde neredeyse vakumla, dış atmosfer basıncının herhangi bir iç basınçla dengelenmemesidir. Bu muazzam güç dengesizliği, aşırı derecede güçlü olmadıkça hava yastığının çökmesine neden olur (sıradan bir hava gemisinde, kuvvet helyum tarafından dengelenir, bu gereksiz hale gelir). Bu nedenle zorluk, bu aşırı net kuvvete direnmek için ek mukavemete sahip bir hava yastığı inşa etmekte, yapıyı çok fazla ağırlaştırmadan, vakumun daha büyük kaldırma gücünü ortadan kaldırmaktadır.

Malzeme kısıtlamaları

basınç dayanımı

Akhmeteli ve Gavrilin'in analizinden:

Yarıçaplı bir hemi-küresel bir kabuk toplam kuvvet , bir dış basınç ile bir . Her yarım küre üzerindeki kuvvetin ekvator boyunca dengelenmesi gerektiğinden, basınç stresinin olacağı varsayılırsa${\görüntüleme stili R}$${\görüntüleme stili P}$${\displaystyle \pi R^{2}P}$${\görüntüleme stili h<<R}$

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

kabuk kalınlığı nerede . ${\görüntüleme stili h}$

Nötr yüzdürme, kabuğun yer değiştiren hava ile aynı kütleye sahip olması durumunda meydana gelir ; bu, hava yoğunluğunun nerede olduğu ve kabuk yoğunluğunun homojen olduğu varsayıldığında meydana gelir. Stres denklemi ile birleştirerek verir ${\displaystyle h/R=\rho _{a}/(3\rho _{s})}$${\displaystyle \rho _{a}}$${\görüntüleme stili \rho _{s}}$

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

Alüminyum ve karasal koşullar için Akhmeteli ve Gavrilin, gerilimi alüminyum alaşımlarının basınç dayanımı ile aynı büyüklükte Pa olarak tahmin etmektedir . ${\displaystyle 3.2\cdot 10^{8}}$

burkulma

Akhmeteli ve Gavrilin, bununla birlikte, basınç dayanımı hesaplamasının burkulmayı dikkate almadığına ve bir kürenin kritik burkulma basıncı için R. Zoelli'nin formülünü kullandığına dikkat çekiyor.

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

burada bir elastikiyet modülü ve bir Poisson oranı kabuğun. Önceki ifadenin yerine kullanılması, uygun bir vakum balonu kabuğu için gerekli bir koşulu verir: ${\görüntüleme stili E}$${\görüntüleme stili \mu }$

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

Gereklilik yaklaşık . ${\displaystyle 4.5\cdot 10^{5}kg^{-1}m^{5}s^{-2}}$

Akhmeteli ve Gavrilin bunun elmas ( ) kullanılarak bile elde edilemeyeceğini iddia etmekte ve kabuğun homojen bir malzeme olduğu varsayımından vazgeçmenin daha hafif ve daha sert yapılara (örneğin bir petek yapısı ) izin verebileceğini öne sürmektedir . ${\displaystyle E/\rho _{s}^{2}\yaklaşık 1\cdot 10^{5}}$

Atmosferik kısıtlamalar

Bir vakum hava gemisi en azından yüzer (Arşimet yasası) ve dış basınca dayanmalıdır (yukarıdaki R. Zoelli'nin küre formülü gibi, tasarıma bağlı olarak kuvvet yasası). Bu iki koşul, hava gemisinin malzemesiyle ilgili birkaç fiziksel sabitin bir kompleksinin, bir atmosferik parametreler kompleksinden daha az olduğu bir eşitsizlik olarak yeniden yazılabilir. Böylece, bir küre için (içi boş küre ve daha az ölçüde, silindir pratikte bir kuvvet yasasının bilindiği tek tasarımlardır) , küre içindeki basınç nerede , («Lana katsayısı») ve («Lana katsayısı) atmosferik oran») şunlardır: ${\displaystyle k_{\rm {L}}<{\sqrt {1-{\frac {P_{\rm {int}}}{P}}}}\cdot L_{\rm {a}}}$${\displaystyle P_{\rm {int}}}$${\displaystyle k_{\rm {L}}}$${\displaystyle L_{\rm {a}}}$

${\displaystyle k_{\rm {L}}=2.79\cdot {\frac {\rho _{s}}{\rho _{\rm {atm}}}}\cdot {\sqrt {\frac {P_{ \rm {atm}}}{E}}}\cdot (1-\mu ^{2})^{0.25}}$(veya bilinmediği zaman , %3 veya daha az bir hata ile);${\görüntüleme stili \mu }$${\displaystyle k_{\rm {L}}\yaklaşık 2.71\cdot {\frac {\rho _{s}}{\rho _{\rm {atm}}}}\cdot {\sqrt {\frac {P_ {\rm {atm}}}{E}}}}$

${\displaystyle L_{\rm {a}}={\frac {\rho _{a}}{\rho _{\rm {atm}}}}\cdot {\sqrt {\frac {P_{\rm { atm}}}{P}}}}$(veya bilinmediği zaman , ),${\displaystyle \rho _{a}}$${\displaystyle L_{\rm {a}}=10\cdot {\sqrt {\frac {P_{\rm {atm}}}{P}}}\cdot {\frac {M_{a}}{T_{ a}}}}$

burada ve basınç ve deniz seviyesinde standart toprak atmosfer yoğunluğu vardır, ve alan değişken atmosferin olan molar kütle (kg / kmol) ve sıcaklık (K). Güneş sisteminin bilinen tüm gezegenleri ve uyduları arasında sadece Venüs atmosferi, bazı kompozitler (yaklaşık 15 km'nin altında) ve grafen (yaklaşık 40 km'nin altında) gibi malzemeleri geçebilecek kadar büyüktür . Her iki malzeme de Venüs atmosferinde hayatta kalabilir. Denklemi , yoğun, soğuk ve yüksek moleküler ( , , tipi) atmosfere sahip ötegezegenlerin vakumlu hava gemileri için uygun olabileceğini, ancak nadir görülen bir atmosfer türüdür. ${\displaystyle P_{\rm {atm}}=101325}$ ${\görüntüleme stili Pa}$${\displaystyle \rho _{\rm {atm}}=1.22}$ ${\görüntüleme stili kg/m^{3}}$${\ Displaystyle M_{a}}$${\görüntüleme stili T_{a}}$${\displaystyle L_{\rm {a}}}$${\displaystyle k_{\rm {L}}}$${\displaystyle L_{\rm {a}}}$${\ Displaystyle CO_{2}}$${\ Displaystyle O_{2}}$${\ Displaystyle N_{2}}$

kurguda

Gelen Edgar Rice Burroughs 'in yeni Dünya Çekirdeği Tarzan'la Tarzan'la gider Pellucidar hayali malzeme Harbenite yapılmış bir vakum hava gemisinin içinde.

In Passarola İsyanı'nın , romancı Ezher Abidi ne olmuş olabileceğine hayal vardı Gusmão de Bartolomeu inşa edilmiş ve bir vakum zeplin uçakla.

Magnus etkisini kullanan ve carbyne veya benzeri süper sert karbondan yapılmış küresel vakum gövdeli hava gemileri , Neal Stephenson'un The Diamond Age adlı romanında görülüyor .

In Maelstrom'un ve Behemoth: B-Max , yazar Peter Watts böyle "botflies" ve kullanmak "vakum mesanesi" havadan tutmak için o "lifters" gibi çeşitli uçan aygıtlar açıklanmıştır.

In Feersum Endjinn tarafından Iain M. Banks , bir vakum balon kurtarma Ergates için onun arayışı içinde anlatı karakter bascule tarafından kullanılır. Vakum zeplinleri (hava gemileri) ayrıca, uzay yolculuğu yapan ütopik medeniyet The Culture in Banks'in Look to Windward adlı romanının dikkate değer bir mühendislik özelliği olarak bahsedilir ve geniş vakum zeplin Ekvator 353 , son Kültür romanı The Hydrogen Sonata'da çok önemli bir konumdur. .

Ayrıca bakınız

• Aerostat

Referanslar

daha fazla okuma

• Alfred Hildebrandt (1908). Hava Gemileri Geçmişi ve Bugünü: Meteoroloji, Fotoğraf ve Taşıyıcı Güvercin ile Bağlantılı Balonların Kullanımına İlişkin Bölümlerle Birlikte . D. Van Nostrand Şirketi. s.  16 –.
• Collins, Paul (2009). "Metal zeplin yükselişi ve düşüşü". Yeni Bilim Adamı . 201 (2690): 44-45. Bibcode : 2009NewSc.201...44C . doi : 10.1016/S0262-4079(09)60106-8 . ISSN  0262-4079 .
• Zornes, David (2010). "Vakumun Yüzdürülmesi, Havanın Yerini Değiştirmek için Üç Boyutlu (3B) Bir Çerçevenin Etrafına Sarılı Bir Vakum Membran Filmi İçeren Bir Vakum Torbası Tarafından Sağlanır, 3B Grafenin Üzerinde Altı Üyeli Karbon Atomlarından oluşan İki Boyutlu Düzlemsel Levhaların İlk Yığınını "Yüzer" 90 Derecelik Bir Açıya Yönelik İkinci Grafen Yığını Olarak Aynı 3B Uzayda". SAE Uluslararası . SAE Teknik Kağıt Serisi. 1 . doi : 10.4271/2010-01-1784 .
• Timothy Ferris (2000). Dünyanın Ötesinde Yaşam . Simon ve Schuster. s. 130–. ISBN'si 978-0-684-84937-9.
• http://ddata.over-blog.com/xxxyyy/0/31/89/29/Fusion-105/F105.2.pdf