Vakuum-Luftschiffe

Mars verwenden

Eine marsähnliche Atmosphäre ist eine gute Wette. Verwenden Sie auch eine niedrigere Schwerkraft. Dies würde es Ihnen ermöglichen, ein dünnwandiges und daher leichteres Vakuum zu bauen. Das ist kein Problem, da der Druck der Atmosphäre eines Planeten sowieso von seiner Masse abhängt und der einfachste Weg, ihn zu ändern, darin besteht, die Masse zu ändern.

Es gibt einige dokumentierte Beweise dafür, dass dies im wirklichen Leben auf dem Mars möglich ist.

Quellen: https://www.nasa.gov/directorates/spacetech/niac/2017_Phase_I_Phase_II/Evacuated_Airship_for_Mars_Missions/

https://space.stackexchange.com/questions/23709/mars-vacuum-blimp-feasability

https://curious-droid.com/302/zeppelins-mars-havoc-venus-nasas-new-planetary-airships/

Bei welchen atmosphärischen Drücken könnten wir mit modernen Materialien ein funktionierendes Luftschiff bauen?

Aerographen ist porös, aber weniger dicht als Helium, und obwohl verschiedene Quellen über unterschiedliche strukturelle Eigenschaften berichten, scheint es Druckkräften fast so gut standhalten zu können wie Stahl.

So wäre es möglich, eine Kugel mit einem Durchmesser von zwei Metern und einer Dicke von 10 cm zu haben, die mit luftdichter Aluminiumfolie bedeckt ist und einem Druck von bis zu 100 Atmosphären (einer Tiefe von 3.000 Fuß Wasser) standhält, wie es Bathyspheres tun. Das Außenvolumen würde etwa 4,18 Kubikmeter betragen, das Gewicht etwa 1200 Gramm (182 Gramm Graphen und etwa ein Kilogramm Aluminium). Der Nettoauftrieb in normaler Luft würde etwa drei Kilogramm betragen.

Setzen Sie tausend solcher Kugeln zusammen - ein Würfel mit zwanzig Metern Seitenlänge - und Sie haben drei Tonnen Auftrieb. Da der Packungsfaktor von Kugeln ungefähr drei Viertel beträgt, würden eintausend 4,18 m ^ 3 große Kugeln ein durchschnittliches Volumen von jeweils 5,6 Kubikmetern einnehmen; 5600 Kubikmeter wären ein Würfel mit nur etwa 18 Metern Seitenlänge.

Füllen Sie damit ein Volumen, das der Hindenburg entspricht (200.000 Kubikmeter), dicht gepackt, und Sie passen 35714 Kugeln mit einem Auftrieb von 107,14 Tonnen auf die Erde. Nicht schlecht, wenn man bedenkt, dass die Hindenburg (mit explosivem Wasserstoff gefüllt) 232 Tonnen heben konnte.

Ich habe meine Berechnungen aufgefüllt; Es ist wahrscheinlich, dass diese Ergebnisse verbessert werden können.

Wenn Sie beispielsweise mehr Kugeln zusammen haben, können Sie für die Außenseite jeder Kugel ein weniger robustes Dichtungsmittel als Aluminium verwenden, wodurch die Arbeit dem externen Beutel überlassen wird. Oder vielleicht reicht auch ein weniger fester Dichtstoff oder eine weniger dicke Alufolie; oder die Kugel kann weniger dick gemacht werden, auch wenn das nicht viel ändern würde - von den 1200 g jeder Kugel sind nur etwa 180 Graphen. Oder kleinere Kugeln oder "Caltrop"-Formen könnten zwischen die 2-m-Kugeln gepackt werden, wodurch das Packungsverhältnis von seiner Grundlinie von 0,75 erhöht wird (bei perfekter Packung könnte eine Erhöhung des Auftriebs um 33 % möglich sein).

Wenn die Kugel doppelt so groß wird, vergrößert sich die Oberfläche um das Vierfache (aus 1 kg Aluminium werden also vier), das Volumen um das Achtfache (aus 180 g Graphen werden also 1,44 kg), und eine 5,44-kg-Kugel hat jetzt den achtfachen Auftrieb - etwa 33 kg netto, was ungefähr ergibt 27 kg Nettoauftrieb gegenüber den 24 kg von acht separaten Kugeln.

Dreimal so große Kugeln würden 9 kg Aluminium, 4,86 ​​kg Graphen und ein Gewicht von etwa 14 kg mit 27-fachem Auftrieb benötigen - 110 kg netto, was 96 kg Auftrieb gegenüber 81 von 27 separaten Kugeln ergibt. Usw. Hinweis: Der Druck auf jede Kugel wächst im gleichen Verhältnis. Ab einem bestimmten Punkt erhöhen wir entweder die Dicke wieder oder die Kugel wird durch den atmosphärischen Druck zerdrückt.

Frame-Herausforderung: Warum sich mit dem Vakuumballon herumschlagen, wenn wir die Atmosphäre variieren können?

Also brauchen wir Motoren für den Schub, eine Möglichkeit, nach Bedarf zu steigen und zu sinken, eine Möglichkeit, zu lenken und zu schwenken und zu rollen und zu neigen, einen Fahrgastraum, einen Gepäckraum, Toiletten, eine Küche, genug, um die Passagiere auf lange Sicht bequem zu halten Reise. Wenn es nur ein fertiges Objekt mit all diesen Dingen gäbe, das wir als Basis verwenden könnten ...

Dies ist Us Airways Flug 1549, mit allem, was wir brauchen, um eine lange Reise angenehm zu gestalten, schwebend in einer Flüssigkeit mit einer Dichte von 997 kg/Kubikmeter:

Ich habe mich bemüht, die tatsächliche Dichte eines modernen Flugzeugs zu berechnen (niemand veröffentlicht Volumeninformationen für die gesamte Flugzeugzelle). Ich habe ungefähr 100 - 300 kg / Kubikmeter berechnet, bin mir aber nicht sicher. Auf dem Foto können wir jedoch erkennen, dass es ziemlich hoch im Wasser schwimmt. Die Unterseite der Nase befindet sich über Wasser, ebenso wie die hinteren Aufkleber, die sich auf halber Höhe des Rumpfes befinden. Es sieht so aus, als ob sie zu etwa 80 % aus dem Wasser ragen. Daraus schätze ich seine Dichte auf ~ 150 kg / Kubikmeter.

Dies deutet darauf hin, dass das Flugzeug bei einem Luftdruck von 125 atm einen neutralen Auftrieb haben wird. Dies ist 12MPA Luftdruck mit unserer aktuellen Atmosphäre. Das ist viel (und wir müssen nicht alles zurückdrängen, nur den Unterschied zwischen den Passagieren und der Außenseite), aber nicht über unsere Technik hinaus. Leichter Kohlefaser-3D-Druck, mit dem sogar mein billiger 3D-Drucker arbeitet, kann 50-300MPA verarbeiten , also könnten sich Profis sicherlich etwas einfallen lassen, obwohl es vielleicht etwas übertrieben ist, ein Verkehrsflugzeug buchstäblich nachzurüsten , sollte dies einen Leitfaden dafür geben, was wir tun kann aufbauen, wenn wir die Atmosphäre optimieren können, um dies zu erreichen. Menschen können bei diesen Drücken (bis zu 19 MPaeigentlich), mit Akklimatisierung, also gehst du ohne Atemschutzgerät nach draußen.

Da wir jedoch die Atmosphäre optimieren können und es nicht unbedingt erforderlich ist, dass sie atmungsaktiv ist, machen wir die Atmosphäre zu Radon , einem Edelgas. Bei 9 kg/Kubikmeter bei STP benötigen wir nur ~15 atm Druck, bevor unser Flugzeug wie ein Ballon aufsteigt. Das sind nur ~1,5MPA . Damit lässt es sich viel einfacher arbeiten!

Ihre "Luftschiffe" starten, indem Sie Luft aus dem Rumpf pumpen, bis sie auf ein angenehmes Minimum gesunken sind, und dann die Andockklemmen lösen, und sie schweben langsam nach oben. Ein bisschen Schub von den Motoren und Kräften, die auf das Seitenruder und die Flugsteuerung ausgeübt werden, und er kann steuern. Die Triebwerke können es in horizontaler Richtung mit Geschwindigkeit antreiben, und wenn es ankommt, kann die Flugsteuerung es wieder auf den Boden bringen, wo es Luft einlassen / Sauerstoff vom Terminal einpumpen kann (je nachdem, mit welcher Atmosphäre wir geflogen sind). ), wo es schwer wird und zu Boden sinkt, wo es mit Seilen am Boden festgehalten werden kann.

Um die Frage direkt mit einem Augenzwinkern zu beantworten, können Sie eine kleine, starre Thermoskanne mit Klebeband an der Innendecke des Flugzeugs befestigen - sie haben Kammern mit reinem Vakuum . Jetzt haben wir eine Vakuumkammer an der Spitze eines großen, komfortablen Druckbehälters, der Passagiere trägt und in der benutzerdefinierten Atmosphäre schwebt.

Ein Schnellkochtopf kann eindeutig Vakuum standhalten und in Wasser schwimmen, das auch Gas in flüssiger Form ist. Soo, dann ist ein schwimmendes Schiff mit einem Druckunterschied von innen und außen unter bestimmten Bedingungen möglich, was ist dann mit der Verallgemeinerung davon.

Problem ist nicht einfach, wenn wir das Problem ernsthafter angehen. Konstruktionen, die gegen Druckkräfte arbeiten, sind ein etwas komplexeres Thema und sind beispielsweise das ernsthafte Forschungsfeld der NASA - da es direkt mit der Masse einer Rakete und all dem zusammenhängt - sie haben ein Labor für experimentelle Forschungen, wie genau im Grunde a dünnwandiger Zylinder zerbröckelt unter Belastung.

Die Notwendigkeit dafür liegt in einem Unterschied zwischen theoretischer idealer Konstruktion und wie viel Einfluss auf ein Ergebnis Konstruktions- und Materialunvollkommenheiten auf die Situation haben. Dasselbe gilt für Brücken und den Hausbau – die Finite-Elemente-Analyse geht Hand in Hand mit experimentellen Tests, und der Sicherheitsfaktor ist ziemlich hoch, nicht nur weil er lange halten muss, sondern auch wegen der Negation von Imperfektionseinflüssen.

Einer der Orte, um mit theoretischen Teilen zu beginnen, ist Eulers kritische Belastung und Materialwissenschaft im Allgemeinen. Ich werde nicht, nicht kompetent genug, ich bin ein Doomer und es ist einfacher für mich, mir den Hydraulikpresskanal anzusehen, und sie sind vor nicht allzu langer Zeit etabliert, tauchen 3 km tief auf und tauchen v. eine Million Schrumpfende Styroporbecher mit Tiefseekammer und dergleichen auf.

im Allgemeinen führt der Versuch zu googeln, wie viel Druck eine Kugel von außen aushält, zu seltsamen Orten, an denen Sie noch nie waren, und bringt keine klaren Antworten, auch wenn es eine typische Modellierungsaufgabe für das Gebiet der Mechanik der Werkstoffwissenschaften ist und nicht viel Glück bringt die das alles nicht kennen.

Alles, was unten gesagt wurde, ist nicht perfekt und keine Garantien.

wieder ein bisschen Trivia und Wasser

Ein U-Boot ist ein relativ großes Unterwasserschiff, das in der Lage ist, mit signifikanten Drücken wie 60 bar nach unten oder denen des Zweiten Weltkriegs wie 20 bar typisch zu tauchen.

Und Lenkung in Richtung Venus - Dichte von flüssigem Kohlendioxid ist

1101 kg/m3 (flüssig bei Sättigung –37 °C (–35 °F))

Kritischer Punkt (T, P) - 31,1 °C (304,2 K), 7,38 MPa (72,8 atm)

Ein modernes U-Boot kann also möglicherweise in flüssigem CO2 mit einem Druck von 1 bis 74 bar schwimmen, wenn CO2 flüssig ist. Die CO2-Dichte wird sich mit steigender Temperatur ändern, aber für uns nicht so wichtig, eine Änderung von 10-20 Prozent oder so - ein Unterschied in einer Reihe von Ballasttanks.

Beginnen wir mit unseren Spekulationen

Die Druckfestigkeit von duktilen Materialien wie Weichstahl, die für die meisten Konstruktionszwecke verwendet werden, liegt bei etwa 250 MPa.

das ist der Stoff aus dem Nägel gemacht sind - nicht der beste, biegt sich leicht und so, aber wir nehmen diese Zahl als Maßstab.

Leider habe ich meine Gnuplot-Fähigkeiten verloren, also springen wir direkt dazu, wie es für 100 bar aussieht.

Kugel 1 m Radius, Brechkraft beträgt 31 MN, also muss der Querschnitt 0,1256 m2 betragen, daher die Wandstärke 0,02 m und die resultierende Masse unserer Kugel etwa 1885 kg

Das Volumen dieser Kugel beträgt 4,2 m3.

Das Ding schwimmt also in einer Dichte von 450 kg pro Kubikmeter.

• Wenn wir jedoch den Sicherheitsfaktor für alle Unvollkommenheiten und all das anwenden, kann es leicht sinken, aber um nicht damit herumzuspielen, haben wir nicht das beste Material genommen, selbst unter den Stählen - einer negiert den anderen und wir können davon ausgehen, dass wir genug Sicherheitsfaktor haben Hier.

Also die Hälfte der Wasserdichte, nicht schlecht, und wenn man bedenkt, dass echte Konstruktionen am Marianengraben getaucht sind, sind wir damit nicht weit entfernt.

wie skaliert das alles hoch/runter?

ziemlich linear - die Brechkraft skaliert proportional zum Quadrat der linearen Größen, so dass der Widerstand proportional zur Querschnittsfläche, der Materialstärke, der Masse proportional zum Querschnitt, auch bekannt als Wandstärke, multipliziert mit der Oberfläche, auch bekannt als Volumen, ist Ergebnis, Tragfähigkeit proportional zum Volumen.

Also keine Cheat-Codes wie Square-Cube Law. Eine Vielzahl von Größen ist groß genug, bevor es einige nichtlineare Effekte gibt, und das sind sie, und ein Radius von 10 m, und wir müssen sie wahrscheinlich berücksichtigen, 10-20 Prozent Reichweite bei Stahl, weniger bei Titan.

Tauchen wir ein in die Venus. Venus, meine Liebe, ich komme ...

Wie hoch ist die Dichte dieser 93 bar Druck nahe der Oberfläche?

wiki >>Die Dichte der Luft an der Oberfläche beträgt 67 kg/m3, was 6,5 % der Dichte von flüssigem Wasser auf der Erde entspricht.

Also, es scheint, wir verfehlen unser Ziel um das 6,7-fache. Die Dichte ist aufgrund der hohen Temperatur (relativ 740 K) dort nicht hoch, daher haben wir die zusätzliche Herausforderung, dass der Stahl bei den Temperaturen an struktureller Festigkeit verliert, aber keine große Sache, der Effekt zweiter Größenordnung, wie es gibt Stähle, die bei höheren Temperaturen gut genug funktionieren.

Leider gibt es für uns in diesem Fall keine positiven quadratischen Würfelgesetze, sodass wir die Situation nicht übertreffen können, indem wir die Größe ändern. (vielleicht falsch, sehe aber keine, kann sich aber irren)

Die zu ändernden Variablen sind also hauptsächlich Dichte und Festigkeit des Materials mit dieser Dichte, Verbundwerkstoffe und raffiniertere Methoden, um alles aus verfügbaren Materialien herauszuholen.

Aber die Perspektiven sehen nicht so vielversprechend aus, wenn wir das neue Spiel nicht wie Carbon in die Stadt bringen. Es ist viel einfacher, Kohlenmonoxid als Traggas für diese Zwecke zu verwenden. Und wenn wir die Schwelle mit konventionellen Materialien nur knapp überschreiten, so kann die Unvollkommenheit unserer ursprünglichen Annahmen für die Antwort nachteilig sein, da die Bedeutung experimenteller Daten hier nicht unterschätzt werden darf.