Подъемный газ

редактировать
Газ, используемый для создания плавучести в воздушном шаре или аэростате

A подъемный газ или легче воздуха, чем газ - это газ, который имеет более низкую плотность, чем нормальные атмосферные газы, и в результате поднимается над ними. Требуется, чтобы аэростаты создавали плавучесть, особенно в самолетах легче воздуха, которые включают свободные аэростаты, пришвартованные воздушные шары и дирижабли. В качестве подъемных газов подходят только некоторые газы легче воздуха. Сухой воздух имеет плотность около 1,29 г / л (грамм на литр) при стандартных условиях для температуры и давления (STP) и среднюю молекулярную массу 28,97 г / моль, поэтому газы легче воздуха имеют меньшую плотность.

Содержание

  • 1 Теоретически пригодные для подъема газы
    • 1,1 Горячий воздух
    • 1,2 Водород
    • 1,3 Гелий
    • 1,4 Водород и гелий
    • 1,5 Водяной пар
    • 1,6 Аммиак
    • 1,7 Метан
    • 1,8 Фтористый водород
    • 1,9 Угольный газ
    • 1,10 Ацетилен
    • 1,11 Цианистый водород
    • 1,12 Неон
    • 1,13 Азот
    • 1,14 Вакуум
    • 1,15 Плазма
    • 1,16 Комбинации
  • 2 Водород против гелия
  • 3 Полет на больших высотах на воздушном шаре
    • 3.1 Твердые тела
  • 4 Затопленные воздушные шары
  • 5 Воздушные шары на других небесных телах
  • 6 См. Также
  • 7 Ссылки
  • 8 Внешние ссылки

Газы, теоретически пригодные для подъема

Горячий воздух

Горячий атмосферный воздух часто используется в развлекательных полетах на воздушном шаре. Согласно закону 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).

Водород

Водород, самый легкий из существующих газов (7% плотности воздуха), кажется наиболее подходящим газом для подъема. Его можно легко получить в больших количествах, например, с помощью реакции конверсии водяного газа, но водород имеет несколько недостатков:

  • Водород чрезвычайно огнеопасен. 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. Катастрофа в Гинденбурге часто приводится в качестве примера угроз безопасности, связанных с водородом. Высокая стоимость гелия (по сравнению с водородом) побудила исследователей повторно исследовать вопросы безопасности использования водорода в качестве подъемного газа; с помощью хорошей инженерии и надлежащей практики обращения риски могут быть значительно снижены.
  • Поскольку молекула водорода очень мала, она может легко диффундировать через многие материалы, такие как латекс, так что баллон быстро сдувается. Это одна из причин того, что многие воздушные шары, наполненные водородом или гелием, состоят из майлара / BoPET.

гелия

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

Главное преимущество в том, что этот газ негорючий. Но использование гелия также имеет некоторые недостатки:

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

Водород и гелий

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

В практической конструкции дирижабля разница значительна: разница в топливной емкости дирижабля составляет 50%, что значительно увеличивает дальность его действия. Однако водород чрезвычайно огнеопасен, и его использование в качестве подъемного газа в дирижаблях уменьшилось после катастрофы в Гинденбурге. Гелий более безопасен в качестве подъемного газа, поскольку он инертен и не сгорает.

Водяной пар

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 (N 2). Он негорючий и намного дешевле гелия. Таким образом, концепции использования пара для лифтинга уже 200 лет. Самая большая проблема всегда заключалась в том, чтобы сделать материал, который сможет этому противостоять. В 2003 году университетская группа в Берлине, Германия, успешно создала воздушный шар, поднимаемый на паровой высоте с температурой 150 ° C. Однако такая конструкция обычно нецелесообразна из-за высокой температуры кипения и конденсации.

Аммиак

Аммиак иногда используется для наполнения метеозондов. 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, средняя молекулярная масса 17,03 г / моль), ядовит, раздражает и может повредить многие металлы и пластмассы.

Метан

Метан (плотность 0,716 г / л при стандартной молекулярной массе 16,04 г / моль), основной компонент природного газа, иногда используется в качестве подъемный газ, когда водород и гелий недоступны. 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 плотен и является сильнодействующим парниковым газом.

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, оксида углерода и других газов, также использовался в баллонах. 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 в стандартном режиме, 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 он инертен и широко доступен, поскольку он является основным компонентом воздуха. Однако, поскольку азот всего на 3% легче воздуха, он не является очевидным выбором для подъемного газа.

Вакуумный дирижабль де Лана-Терци (1670)

Вакуум

Теоретически аэростатический летательный аппарат может использовать вакуум. или частичный вакуум. Еще в 1670 году, за столетие до первого полета человека на воздушном шаре, итальянский монах Франческо Лана де Терци изобразил 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 обсуждается эта тема.

Плазма

Еще одна среда, которая теоретически может быть использована, - это плазма : Ионы отталкивающие друг друга могут создавать 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 научной фантастики.

Комбинации

Также возможно комбинировать некоторые из вышеперечисленных решений. Хорошо известным примером является воздушный шар Rozière, в котором сердцевина из гелия сочетается с внешней оболочкой из горячего воздуха.

Водород по сравнению с гелием

Водород и гелий являются наиболее часто используемыми подъемными 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 использованием теории плавучести следующим образом:

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

FB= (ρ воздух - ρ газ) × g × V

где F B = Выталкивающая сила (в Ньютон ); g = ускорение свободного падения = 9,8066 м / с² = 9,8066 Н / кг; V = объем (в м³). Следовательно, количество массы, которое может быть поднято водородом в воздухе на уровне моря, равное разнице плотностей водорода и воздуха, составляет:

(1,292 - 0,090) кг / м = 1,202 кг / м

и выталкивающая сила для одного метра водорода в воздухе на уровне моря составляет:

1 м × 1,202 кг / м × 9,8 Н / кг = 11,8 Н

Следовательно, количество массы, которое может быть поднято гелием в воздухе на уровне моря составляет:

(1,292 - 0,178) кг / м = 1,114 кг / м

, а выталкивающая сила для одного м гелия в воздухе на уровне моря составляет:

1 м × 1,114 кг / м × 9,8 Н / кг = 10,9 Н

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

11,8 / 10,9 ≈ 1,08, или приблизительно 8,0%

Этот 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 на большой высоте

MAXIS: воздушный шар, который смог достичь высоты 36 км.

На больших высотах давление воздуха ниже и, следовательно, давление внутри баллона тоже 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 огромную высоту (стратосфера ), должен 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 аэростат сверхдавления. Баллон сверхвысокого давления поддерживает внутри баллона более высокое давление, чем внешнее (окружающее) давление.

Твердые вещества

В 2002 году аэрогель занял Книгу рекордов Гиннеса как наименее плотное (самое легкое) твердое вещество. Аэрогель состоит в основном из воздуха, потому что по своей структуре он похож на очень пустую губку. Легкость и низкая плотность обусловлены в первую очередь большой долей воздуха в твердом теле, а не конструкционными материалами кремний. Воспользовавшись этим, SEAgel из того же семейства, что и аэрогель, но сделанный из агара, может быть заполнен газообразным гелием для создания твердого тела, которое плавает при помещении в контейнер с открытым верхом, заполненный с плотным газом.

В 2012 году было объявлено об открытии аэрографита, который побил рекорд наименее плотного материала - всего 0,2 мг / см (0,2 кг / м). 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 аэростаты

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 иметь плавучесть только в том случае, если есть среда, которая имеет более высокую среднюю плотность, чем сам воздушный шар.

  • Воздушные шары не могут работать на Луне, потому что на ней нет атмосферы.
  • Марс имеет очень тонкую атмосферу - давление составляет всего ⁄ 160 земного атмосферного. давление - так что даже для крошечного подъемного эффекта потребуется огромный воздушный шар. Преодолеть вес такого воздушного шара было бы сложно, но было сделано несколько предложений по исследованию Марса с помощью воздушных шаров.
  • Венера имеет атмосферу CO 2. Поскольку CO 2 примерно на 50% плотнее земного воздуха, обычный земной воздух может быть подъемным газом на Венере. Это привело к предложениям о среде обитания человека, которая плавала бы 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 году советская программа Вега запустила два гелиевых шара в атмосфере Венеры на высоте 54 км (34 мили).
  • Титан, самый большой спутник Сатурна, имеет плотную, очень холодную атмосферу, в основном состоящую из азота, которая подходит для полетов на воздушном шаре. Аэроботов на Титане предлагалось. Предложение Titan Saturn System Mission включало воздушный шар для кругосветного плавания Титана.

См. Также

Ссылки

Внешние ссылки

Последняя правка сделана 2021-05-27 09:07:56
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте