Подъемный газ - Lifting gas

А подъемный газ или же легче воздуха газ представляет собой газ, который имеет более низкую плотность, чем нормальные атмосферные газы, и в результате поднимается над ними. Это необходимо для аэростаты создавать плавучесть, особенно в самолет легче воздуха, который включает в себя бесплатные воздушные шары, пришвартованные воздушные шары, и дирижабли. В качестве подъемных газов подходят только некоторые газы легче воздуха. Сухой воздух имеет плотность около 1,29г / л (грамм на литр) при стандартные условия по температуре и давлению (STP) и средней молекулярной массой 28,97г / моль,[1] и поэтому газы легче воздуха имеют меньшую плотность.

Теоретически пригодные для подъема газы

Горячий воздух

Подогретый атмосферный воздух часто используется в развлекательные полеты на воздушном шаре. Согласно Закон идеального газа, некоторое количество газа (а также смесь газов, например, воздух) расширяется при нагревании. В результате определенный объем газа имеет меньшую плотность при повышении температуры. Средняя температура воздуха в воздушном шаре составляет около 212 ° F (100 ° C).[нужна цитата ]

Водород

Водород, являясь самым легким из существующих газов (7% плотности воздуха), кажется, наиболее подходящим газом для подъема. Его можно легко производить в больших количествах, например, с помощью реакция конверсии водяного газа, но у водорода есть несколько недостатков:

  • Водород легко воспламеняется. Некоторые страны запретили использование водорода в качестве подъемного газа для грузовых автомобилей, но в США, Великобритании и Германии разрешено использовать его для полетов на воздушном шаре без отдыха. В Гинденбургская катастрофа часто цитируется как пример риски безопасности поставлено водородом. Высокая стоимость гелия (по сравнению с водородом) побудила исследователей повторно исследовать вопросы безопасности использования водорода в качестве подъемного газа; При наличии хороших инженерных решений и надлежащей практики обращения риски могут быть значительно снижены.[нужна цитата ]
  • Поскольку молекула водорода очень мала, ее легко можно размытый через многие материалы, такие как латекс, так что воздушный шар быстро сдувается. Это одна из причин того, что многие воздушные шары, наполненные водородом или гелием, строятся из Майлар / BoPET.[нужна цитата ]

Гелий

Гелий второй по легкости газ. По этой причине это также привлекательный газ для подъема.

Главное преимущество в том, что этот газ негорючий. Но у использования гелия есть и недостатки:

  • Проблема диффузии связана с водородом (хотя, поскольку молекулярный радиус гелия меньше, он проникает через большее количество материалов, чем водород).
  • Гелий дорогой.
  • Хотя гелий в изобилии во Вселенной, на Земле его очень мало. Единственными коммерчески жизнеспособными запасами являются несколько скважин природного газа, в основном в США, которые задержали его из-за медленного альфа-распад радиоактивных материалов на Земле. По человеческим меркам гелий - это невозобновляемый ресурс которые практически невозможно изготовить из других материалов. При выбросе в атмосферу, например, при утечке или взрыве воздушного шара, наполненного гелием, гелий в конечном итоге улетает в космос и теряется.

Водород и гелий

Водород (плотность 0,090 г / л при STP, средняя молекулярная масса 2,016 г / моль) и гелий (плотность 0,179 г / л при стандартном давлении, средняя молекулярная масса 4,003 г / моль) являются наиболее часто используемыми лифтовыми газами. Хотя гелий в два раза тяжелее (двухатомного) водорода, они оба настолько легче воздуха, что эта разница приводит только к тому, что водород имеет на 8% больше. плавучесть чем гелий.

В практическом дирижабль В конструкции разница значительна: разница в топливной емкости дирижабля составляет 50%, что значительно увеличивает дальность полета.[2] Однако водород чрезвычайно огнеопасен, и его использование в качестве подъемного газа в дирижаблях сократилось с тех пор, как Гинденбургская катастрофа. Гелий более безопасен в качестве подъемного газа, поскольку он инертен и не сгорает.

Водяной пар

В газообразное состояние воды легче воздуха (плотность 0,804 г / л при стандартном давлении, средняя молекулярная масса 18,015 г / моль) из-за низкого содержания воды молярная масса по сравнению с типичными атмосферными газами, такими как газообразный азот (N2). Он негорючий и намного дешевле гелия. Таким образом, концепции использования пара для лифтинга уже 200 лет. Самой большой проблемой всегда было создание материала, который сможет противостоять этому. В 2003 году университетская команда в Берлине, Германия, успешно создала воздушный шар, поднимаемый на паровой высоте при температуре 150 ° C.[3] Однако такая конструкция обычно нецелесообразна из-за высокой температуры кипения и конденсации.

Аммиак

Аммиак иногда используется для заполнения метеорологические шары.[4] Из-за его высокой температуры кипения (по сравнению с гелием и водородом) аммиак потенциально может быть охлажден и сжижен на борту дирижабля для уменьшения подъемной силы и добавления балласта (и возвращен в газ для увеличения подъемной силы и уменьшения балласта). Газообразный аммиак относительно тяжелый (плотность 0,769 г / л при стандартной молекулярной массе 17,03 г / моль), ядовит, раздражает и может повредить многие металлы и пластмассы.

Метан

Метан (плотность 0,716 г / л по STP, средняя молекулярная масса 16,04 г / моль), основной компонент натуральный газ, иногда используется в качестве подъемного газа, когда водород и гелий недоступны.[4] Его преимущество заключается в том, что он не протекает через стенки шара так быстро, как более мелкие молекулы водорода и гелия. Многие воздушные шары легче воздуха сделаны из алюминизированной пластмассы, которая ограничивает такую ​​утечку; водород и гелий быстро просачиваются через латексные шары. Однако метан легко воспламеняется и, как водород, не подходит для использования в дирижаблях, перевозящих пассажиров. Он также относительно плотный и мощный. парниковый газ.

Фтористый водород

Фтористый водород легче воздуха и теоретически может использоваться в качестве подъемного газа. Однако он чрезвычайно агрессивен, высокотоксичен, дорог, тяжелее других подъемных газов и имеет высокую температуру кипения 19,5 ° C. Поэтому его использование было бы непрактичным.

Угольный газ

В прошлом, угольный газ, смесь водорода, монооксид углерода и другие газы, также использовались в воздушных шарах. Это было широко доступно и дешево; нижней стороной была более высокая плотность (снижение подъемной силы) и высокая токсичность окиси углерода.

Ацетилен

Ацетилен на 10% легче воздуха и может использоваться в качестве подъемного газа. Его исключительная воспламеняемость и низкая подъемная сила делают его непривлекательным выбором.

Цианистый водород

Цианистый водород, который на 7% легче воздуха, технически может использоваться в качестве подъемного газа при температурах выше его точки кипения 25,6 ° C. Его чрезвычайная токсичность, низкая плавучесть и высокая температура кипения препятствовали такому использованию.

Неон

Неон легче воздуха (плотность 0,900 г / л на STP, средняя атомная масса 20,17 г / моль) и может поднять воздушный шар. Как и гелий, он негорючий. Однако он редко встречается на Земле и стоит дорого и относится к числу наиболее тяжелых подъемных газов.

Азот

Чистый азот имеет то преимущество, что это инертный и широко доступны, потому что это основной компонент воздуха. Однако, поскольку азот всего на 3% легче воздуха, он не является очевидным выбором для подъемного газа.

В де Лана-Терци вакуумный дирижабль (1670)

Вакуум

Основная статья: Вакуумный дирижабль

Теоретически на аэростатическом транспортном средстве можно было бы использовать вакуум или частичный вакуум. Еще в 1670 году, за столетие до первого полета человека на воздушном шаре,[5] итальянский монах Франческо Лана де Терци представил корабль с четырьмя вакуумными сферами.

В теоретически идеальной ситуации с невесомыми сферами «вакуумный шар» имел бы чистую подъемную силу на 7% больше, чем баллон, заполненный водородом, и на 16% больше полезной подъемной силы, чем наполненный гелием. Однако, поскольку стенки воздушного шара должны оставаться жесткими без взрыва, воздушный шар непрактично конструировать из всех известных материалов. Несмотря на это, иногда по этой теме идет обсуждение.[6]

Плазма

Еще одна среда, которую теоретически можно использовать, - это плазма: Ионы отталкивание друг друга может дать промежуточное давление между вакуумом и водородом и, следовательно, противодействовать атмосферному давлению. Требования к энергии и герметичности крайне непрактичны, так что это может быть интересно только для научная фантастика.

Комбинации

Также возможно комбинировать некоторые из вышеперечисленных решений. Хорошо известный пример - Воздушный шар Rozière который сочетает в себе ядро ​​из гелия с внешней оболочкой из горячего воздуха.

Водород против гелия

Водород и гелий являются наиболее часто используемыми лифтовыми газами. Хотя гелий в два раза тяжелее (двухатомного) водорода, они оба значительно легче воздуха, что делает эту разницу незначительной.

Подъемная сила водорода и гелия в воздухе может быть рассчитана с помощью теории плавучесть следующее:

Таким образом, гелий почти вдвое плотнее водорода. Однако плавучесть зависит от разница плотностей (ρгаз) - (ρвоздуха), а не их отношения. Таким образом, разница в плавучести составляет около 8%, как видно из уравнения плавучести:

FB = (ρвоздуха - ρгаз) × g × V

Где FB = Подъемная сила (дюйм Ньютон ); g = гравитационное ускорение = 9,8066 м / с² = 9,8066 Н / кг; V = объем (в м³). Таким образом, количество массы, которое может быть поднято водородом в воздухе на уровне моря, равное разнице плотностей между водородом и воздухом, равно:

(1,292 - 0,090) кг / м3 = 1,202 кг / м3

и подъемная сила на один м3 водорода в воздухе на уровне моря составляет:

1 мес.3 × 1,202 кг / м3 × 9,8 Н / кг = 11,8 Н

Следовательно, количество массы, которое гелий может поднять в воздухе на уровне моря, составляет:

(1,292 - 0,178) кг / м3 = 1,114 кг / м3

и подъемная сила на один м3 гелия в воздухе на уровне моря составляет:

1 мес.3 × 1,114 кг / м3 × 9,8 Н / кг = 10,9 Н

Таким образом, дополнительная плавучесть водорода по сравнению с гелием составляет:

11,8 / 10,9 ≈ 1,08, или примерно 8,0%

Расчет сделан на уровне моря при 0 ° C. На больших высотах или при более высоких температурах подъемная сила будет уменьшаться пропорционально плотности воздуха, но отношение подъемной способности водорода к подъемной способности гелия останется прежним. Этот расчет не включает массу оболочки, необходимую для удержания подъемного газа.

Полеты на воздушном шаре

MAXIS: a воздушный шар который смог достичь высоты 36 км

На больших высотах давление воздуха ниже и, следовательно, давление внутри воздушного шара также ниже. Это означает, что, хотя масса подъемного газа и масса вытесненного воздуха для данной подъемной силы такие же, как на меньшей высоте, объем воздушного шара намного больше на больших высотах.

Воздушный шар, предназначенный для подъема на экстремальные высоты (стратосфера ), должны иметь возможность сильно расширяться, чтобы вытеснить необходимое количество воздуха. Поэтому такие воздушные шары при запуске кажутся почти пустыми, что видно на фото.

Другой подход к полетам на воздушном шаре на большой высоте, особенно используемый для длительных полетов, - это баллон сверхдавления. Баллон сверхвысокого давления поддерживает внутри баллона более высокое давление, чем внешнее (окружающее) давление.

Твердые тела

В 2002, аэрогель провел Мировой рекорд Гиннеса для наименее плотного (самого легкого) твердого тела.[7] Аэрогель - это в основном воздух, потому что его структура похожа на структуру очень пустого губка. Легкость и низкая плотность в первую очередь из-за большой доли воздуха в твердом теле, а не из-за кремний строительные материалы.[8] Воспользовавшись этим, SEAgel, принадлежит к той же семье, что и аэрогель, но изготовлен из агар, может быть заполнен газообразным гелием для создания твердого тела, которое плавает при помещении в контейнер с открытым верхом, наполненный плотным газом.[9]

В 2012 году открытие аэрографит был объявлен, побив рекорд наименее плотного материала - всего 0,2 мг / см3 (0,2 кг / м3).[10][11] Эти твердые вещества не плавают в воздухе, потому что полые пространства в них заполняются воздухом. Никогда еще не создавались матрицы или оболочки легче воздуха, содержащие жесткий вакуум.

Затопленные воздушные шары

Из-за огромной разницы в плотности воды и газов (вода примерно в 1000 раз плотнее, чем большинство газов), подъемная сила подводных газов очень велика. Тип используемого газа в значительной степени не имеет значения, поскольку относительные различия между газами незначительны по сравнению с плотностью воды. Однако некоторые газы могут сжижаться под высоким давлением, что приводит к резкой потере плавучести.

Подводный воздушный шар, который поднимается, будет расширяться или даже взорваться из-за сильного снижения давления, если только газ не сможет непрерывно выходить во время всплытия или воздушный шар не будет достаточно прочным, чтобы выдержать изменение давления.

Воздушные шары на других небесных телах

Воздушный шар может обладать плавучестью только в том случае, если есть среда с более высокой средней плотностью, чем сам воздушный шар.

  • Воздушные шары не могут работать на Луна потому что в нем нет атмосферы.
  • Марс имеет очень тонкую атмосферу - давление всего1⁄160 атмосферного давления земли - поэтому даже для крошечного подъемного эффекта потребуется огромный воздушный шар. Преодолеть вес такого воздушного шара будет сложно, но было сделано несколько предложений по исследованию Марса с помощью воздушных шаров.[12]
  • Венера имеет СО2 Атмосфера. Потому что CO2 примерно на 50% плотнее земного воздуха, обычный земной воздух может быть подъемным газом на Венере. Это привело к предложения для среды обитания человека, которая плавает в атмосфере Венеры на высоте, где и давление, и температура аналогичны земным. Поскольку атмосфера Венеры не содержит кислорода, водород там негорючий, а также может быть хорошим подъемным газом. В 1985 г. Программа Vega развернул два гелиевых шара в атмосфере Венеры на высоте 54 км (34 мили).
  • Титан, Сатурн Самая большая луна имеет плотную, очень холодную атмосферу, в основном состоящую из азота, которая подходит для полетов на воздушном шаре. Использование Аэроботы на Титане был предложил. В Миссия системы Титан Сатурн Предложение включало воздушный шар, чтобы совершить кругосветное плавание вокруг Титана.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ «Воздух - молекулярный вес». www.engineeringtoolbox.com. Получено 2018-01-16.
  2. ^ «АЭРОНАВТИКА: гелий против водорода». ВРЕМЯ. 1924-03-10. Архивировано из оригинал 9 февраля 2011 г.. Получено 2013-11-24.
  3. ^ "HeiDAS UH - Ein Heissdampfaerostat mit ultra-heiss-performance" (PDF). Aeroix.de. Архивировано из оригинал (PDF) на 2011-09-03. Получено 2012-10-21.
  4. ^ а б «Газы - Плотность». www.engineeringtoolbox.com. Получено 2018-01-16.
  5. ^ Том Д. Крауч (2009). Легче воздуха
  6. ^ Шон А. Бартон (21 октября 2009 г.). «Анализ устойчивости надувной вакуумной камеры». Журнал прикладной механики. 75 (4): 041010. arXiv:физика / 0610222. Bibcode:2008JAM .... 75d1010B. Дои:10.1115/1.2912742.
  7. ^ Стенджер, Ричард (9 мая 2002 г.). «Замороженный дым НАСА назван самым легким твердым телом». edition.cnn.com. Получено 2018-01-16.
  8. ^ Администратор, NASA Content (2015-04-15). «Аэрогели: тоньше, легче, сильнее». НАСА. Получено 2018-01-16.
  9. ^ Громмо (2008-06-20), SEAgel Airgel легче воздуха. Не НЛО, получено 2018-01-16
  10. ^ «Аэрографит с новой структурой углеродных нанотрубок - чемпион среди самых легких материалов». Phys.org. Дои:10.1002 / adma.201200491. Получено 2013-11-24.
  11. ^ "Aerographit: Leichtestes Material der Welt entwickelt - SPIEGEL ONLINE" (на немецком). Spiegel.de. 2012-07-11. Получено 2013-11-24.
  12. ^ «Изучение Марса с помощью воздушных шаров». Spacedaily.com. Получено 2012-10-21.

внешняя ссылка