Vakuum luftskepp

Francesco Lana de Terzis flygbåtskoncept c.1670

Ett vakuumluftskepp , även känt som en vakuumballong , är ett hypotetiskt luftskepp som evakueras snarare än fylls med en gas som är lättare än luft, såsom väte eller helium . Först föreslog den italienska jesuitprästen Francesco Lana de Terzi 1670, skulle vakuumballongen vara det ultimata uttrycket för lyftkraft per förskjuten volym . (Även kallad "FLanar", för F.Lana och portugisiska för vandring)

Historia

Från 1886 till 1900 försökte Arthur De Bausset förgäves att samla in pengar för att konstruera hans "vakuumrör" luftskeppsdesign, men trots tidigt stöd i USA:s kongress var allmänheten skeptisk. Illinois-historikern Howard Scamehorn rapporterade att Octave Chanute och Albert Francis Zahm "offentligt fördömde och matematiskt bevisade vacuumprincipens felaktighet", men författaren ger inte sin källa. De Bausset publicerade en bok om sin design och erbjöd $150 000 aktier i Transcontinental Aerial Navigation Company i Chicago. Hans patentansökan avslogs så småningom på grund av att den var "helt teoretisk, allt var baserat på beräkningar och ingenting på rättegång eller demonstration."

Dubbelväggsfel

År 1921 avslöjar Lavanda Armstrong en sammansatt väggstruktur med en vakuumkammare "omgiven av ett andra hölje konstruerat för att hålla luft under tryck, varvid höljets väggar är åtskilda från varandra och sammanbundna", inklusive en bikakeliknande cell. strukturera.

1983 diskuterade David Noel användningen av geodetiska sfärer täckta med plastfilm och "en dubbel ballong som innehåller tryckluft mellan skinnen och ett vakuum i mitten".

1982–1985 utvecklade Emmanuel Bliamptis energikällor och användning av "uppblåsbara fjäderbensringar".

Den dubbelväggiga designen som Armstrong, Noel och Bliamptis föreslagit skulle dock inte ha varit stark. För att undvika kollaps måste luften mellan väggarna ha ett minimitryck (och därför också en densitet) som är proportionell mot andelen av den totala volymen som upptas av vakuumsektionen, vilket förhindrar att båtens totala densitet är mindre än den omgivande luft.

2000-talet

Under 2004–2007 tog Akhmeteli och Gavrilin, för att lösa problem med förhållandet mellan styrka och vikt, upp valet av fyra material, specifikt I220H beryllium (elementärt 99 %), borkarbidkeramik , diamantliknande kol och 5056 aluminiumlegering (94,8 % Al, 5) % Mg, 0,12% Mn, 0,12%Cr) i ett dubbelskikt av honeycomb. År 2021 utökade de denna forskning med hjälp av en "finite element-analys användes för att visa att buckling kan förhindras" med fokus på ett "skal med yttre radie R > 2,11 m innehållande två borkarbidskal med tjockleken 4,23 x 10 −5 ^R vardera som är tillförlitligt bundna till en bikakekärna av aluminium med tjockleken 3,52 x 10 ⁻³ R". Minst två artiklar (2010 och 2016) har diskuterat användningen av grafen som ett yttre membran.

I februari 2023 publicerade Ilia Toli sitt masterprojekt vid San Jose State University som en bok med titeln Design of Vacuum Airships with Currently Available Materials. Kvadratkubslagen åberopas för att göra fallet att vakuumluftskepp av rimliga storlekar kan byggas med för närvarande tillgängliga material .

Princip

Ett luftskepp fungerar enligt principen om flytkraft , enligt Archimedes princip . I ett luftskepp är luft vätskan i motsats till ett traditionellt fartyg där vatten är vätskan.

Luftdensiteten vid standardtemperatur och -tryck är 1,28 g/L, så 1 liter undanträngd luft har tillräcklig flytkraft för att lyfta 1,28 g . Luftskepp använder en påse för att tränga undan en stor volym luft; påsen är vanligtvis fylld med en lätt gas som helium eller väte . Det totala lyftet som genereras av ett luftskepp är lika med vikten av luften som det tränger undan, minus vikten av materialen som används i dess konstruktion inklusive gasen som används för att fylla påsen.

Vakuumluftskepp skulle ersätta lyftgasen med en nästan vakuummiljö . Utan massa skulle densiteten hos denna kropp vara nära 0,00 g/L, vilket teoretiskt skulle kunna ge den fulla lyftpotentialen för undanträngd luft, så varje liter vakuum skulle kunna lyfta 1,28 g. Med hjälp av molvolymen visar sig massan av 1 liter helium (vid 1 atmosfärs tryck) vara 0,178 g. Om helium används istället för vakuum minskar lyftkraften för varje liter med 0,178 g, så det effektiva lyftet minskas med 14 %. En 1-liters volym väte har en massa på 0,090 g.

Huvudproblemet med konceptet med vakuumluftskepp är att, med ett nästan vakuum inuti krockkudden, balanseras inte det yttre atmosfärstrycket av något inre tryck. Denna enorma obalans av krafter skulle få krockkudden att kollapsa om den inte var extremt stark (i ett vanligt luftskepp balanseras kraften av trycket från lyftgasen, vilket gör detta onödigt). Svårigheten är således att konstruera en krockkudde med den extra styrkan att motstå denna extrema nettokraft, utan att tynga ner strukturen så mycket att vakuumets större lyftkraft försvinner.

Materialbegränsningar

Tryckhållfasthet

Från analysen av Akhmeteli och Gavrilin:

Den totala kraften på ett halvsfäriskt skal med radien $R$ av ett yttre tryck $P$ är $\pi R^{2}P$ . Eftersom kraften på varje halvklot måste balansera längs ekvatorn, om man antar $h<<R$ där $h$ är skalets tjocklek, kommer tryckspänningen ( $\sigma$ ) kommer vara:

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

Neutral flytkraft uppstår när skalet har samma massa som den undanträngda luften, vilket uppstår när $h/R=\rho _{a}/(3\rho _{ s})$ , där $\rho _{a}$ är luftdensiteten och $\rho _{s}$ är skaldensiteten, som antas vara homogen. Att kombinera med stressekvationen ger

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

För aluminium och terrestra förhållanden uppskattar Akhmeteli och Gavrilin spänningen till $3,2\cdot 10^{8}$ Pa, av samma storleksordning som tryckhållfastheten hos aluminiumlegeringar.

Spänning

Akhmeteli och Gavrilin noterar dock att tryckhållfasthetsberäkningen bortser från buckling och använder R. Zoellis formel för det kritiska bucklingstrycket för en sfär

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

där $E$ är elasticitetsmodulen och $\mu$ är skalets Poisson-förhållande . Att ersätta det tidigare uttrycket ger ett nödvändigt villkor för ett genomförbart vakuumballongskal:

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

Kravet är ca $4,5\cdot 10^{5}kg^{-1}m^{5}s^{-2}$ .

Akhmeteli och Gavrilin hävdar att detta inte ens kan uppnås med diamant ( $E/\rho _{s}^{2}\approx 1\cdot 10^{5}$ ) , och föreslår att om man släpper antagandet att skalet är ett homogent material kan det tillåta lättare och styvare strukturer (t.ex. en bikakestruktur) .

Atmosfäriska begränsningar

Ett vakuumluftskepp bör åtminstone flyta (Archimedes lag) och motstå yttre tryck (styrkalag, beroende på design, som ovanstående R. Zoellis formel för sfär). Dessa två villkor kan skrivas om som en ojämlikhet där ett komplex av flera fysiska konstanter relaterade till luftskeppets material ska vara mindre än ett komplex av atmosfäriska parametrar. Sålunda, för en sfär (ihålig sfär och, i mindre utsträckning, cylinder är praktiskt taget de enda konstruktionerna för vilka en hållfasthetslag är känd) är det ${\displaystyle k_{\ rm {L}}<{\sqrt {1-{\frac {P_{\rm {int}}}{P}}}}\cdot L_{\rm {a}}} , där$ P $\ displaystyle P_{\rm {int}}}$ är trycket inom sfären, medan $k_{\rm {L}}$ («Lana-koefficient») och $L_{\rm {a} }$ («Lana atmosfäriskt förhållande») är:

$k_{\rm {L}}=2.79\cdot {\frac {\rho _{s} }{\rho _{\rm {atm}}}}\cdot {\sqrt {\frac {P_{\rm {atm}}}{E}}}\cdot (1-\mu ^{2})^ {0.25}$ (eller, när $\mu$ är okänd, $k_{\rm {L}}\approx 2.71\ cdot {\frac {\rho _{s}}{\rho _{\rm {atm}}}}\cdot {\sqrt {\frac {P_{\rm {atm}}}{E}}}$ med ett ordningsfel på 3 % eller mindre);

$L_{\rm {a}}={\frac {\rho _{a}}{\rho _{\rm {atm}}} }\cdot {\sqrt {\frac {P_{\rm {atm}}}{P}}}$ (eller, när $\rho _{a}$ är okänd, $L_{\rm {a}}=10\cdot {\sqrt {\frac {P_{\rm {atm}}}{P}}}\cdot {\frac {M_{a}}{T_{a}}}$ ),

där $P_{\rm {atm}}=101325$$Pa$ och $\rho _{\rm {atm}}=1,22$$kg/m^{3}$ är trycket och densiteten för jordens standardatmosfär vid havsnivån, $M_{a}$ och $T_{a}$ är molmassa (kg/kmol) och temperatur (K) av atmosfären vid flytande yta. Av alla kända planeter och månar i solsystemet har bara den venusiska atmosfären $L_{\rm {a}}$ tillräckligt stor för att överträffa $k_{\rm {L}}$ för sådana material som vissa kompositer (under höjd av ca. 15 km) och grafen (under höjd av ca. 40 km). Båda materialen kan överleva i den venusiska atmosfären. Ekvationen för $L_{\rm {a}}$ visar att exoplaneter med täta, kalla och högmolekylära ( ${\displaystyle CO_{2}} ,$ O $\displaystyle O_{2} }$ , $N_{2}$ -typ) atmosfärer kan vara lämpliga för vakuumluftskepp, men det är en sällsynt typ av atmosfär.

I fiktion

I Edgar Rice Burroughs roman Tarzan at the Earth's Core reser Tarzan till Pellucidar i ett vakuumluftskepp konstruerat av det fiktiva materialet Harbenite.

I Passarola Rising föreställer sig författaren Azhar Abidi vad som kunde ha hänt om Bartolomeu de Gusmão byggt och flugit ett vakuumluftskepp.

Sfäriska vakuumkroppsluftskepp med Magnus-effekten och gjorda av karbyn eller liknande superhårt kol skymtar i Neal Stephensons roman The Diamond Age .

I Maelstrom och Behemoth:B-Max beskriver författaren Peter Watts olika flygande anordningar, såsom "botflies" och "lifters" som använder "vakuumblåsor" för att hålla dem i luften.

I Feersum Endjinn av Iain M. Banks används en vakuumballong av den berättande karaktären Bascule i hans strävan att rädda Ergates. Vacuum dirigibles (luftskepp) nämns också som ett anmärkningsvärt tekniskt inslag i den rymdfarande utopiska civilisationen The Culture in Banks roman Look to Windward , och den enorma vakuumstyrbara Equatorial 353 är en central plats i den slutliga kulturromanen, The Hydrogen Sonata .

Se även

• Aerostat

Vidare läsning

• Alfred Hildebrandt (1908). Luftskepp förr och nu: Tillsammans med kapitel om användning av ballonger i samband med meteorologi, fotografi och bärduvan . D. Van Nostrand Company. s. 16 –.
•   Collins, Paul (2009). "Uppgången och fallet för metallluftskeppet". Ny vetenskapsman . 201 (2690): 44–45. Bibcode : 2009NewSc.201...44C . doi : 10.1016/S0262-4079(09)60106-8 . ISSN 0262-4079 .
•   Timothy Ferris (2000). Livet bortom jorden . Simon och Schuster. s. 130–. ISBN 978-0-684-84937-9 .
• Le defi de Cyrano ; un ballon gonfle avec du vide : Fabrice David