Was sind einige der strukturellen Probleme, die einem Wasserstoff-Luftschiff im Kilometermaßstab innewohnen?

Luftschiffe sind insofern interessante Fahrzeuge, als sie, soweit ich weiß, die einzigen sind, die das Quadratwürfelgesetz zu ihrem Vorteil nutzen. Bei einer proportionalen Vergrößerung X der Länge, Breite oder Höhe des Gassacks erhöht sich die Auftriebskraft des Luftschiffs um den Faktor X^3 .

Daher scheint es, dass es beim Bau eines Luftschiffs besser ist, ein wirklich großes zu bauen als mehrere kleinere.

Bisher kann ich nur ein Problem damit identifizieren, nämlich mehr Fläche = mehr Platz für Wind, der auf das Schiff drückt. Die Auswirkungen auf die Schiffsstruktur können jedoch wahrscheinlich durch aerodynamisches Design und moderne Materialien sowie durch den Einsatz von Motoren / Propellern gelöst werden, um der Kraft des Windes entgegenzuwirken.

Also - abgesehen von möglicherweise lösbaren Problemen mit starkem Wind, was sind die strukturellen Probleme eines Luftschiffs, dessen Auftriebselement beispielsweise ein kilometerlanger Zylinder mit einem Durchmesser von 175 Metern ist?

Ich möchte nur klarstellen, was Sie mit Zylinder meinen. Ist es aerodynamisch geformt oder flach an den Kanten? Vielleicht halten Sie diese Option offen, damit die Leute das Luftschiff ohne diese Einschränkung erstellen können?
Quadratische Würfel behalten die Dichte bei, und der Auftrieb skaliert mit der Fläche, sodass die Gewinne meiner Meinung nach proportional zu X ^ 2 sind.
@TheSquare-CubeLaw Sicher, der Lift skaliert nicht mit der Fläche. Die Fläche nimmt zu, ja, aber die Kraftmenge auf jede Flächeneinheit nimmt auch zu.
@Trioxidane Das kann offen gehalten werden, ja. Das gesamte Luftschiff ist aerodynamisch geformt; gehen Sie einfach von einem zylindrischen Volumen für das Hubelement aus.
An welches Technologieniveau denken Sie: Modern?
@MatthieuM. Jawohl.
Haben Sie sich mit dem Luftschiff-zu-Orbit-Konzept befasst? www.jpaerospace.com Es schlägt ein mehrere Meilen breites Luftschiff vor, das als Zwischenstation für Fracht und Personal dient, sowie eine Reihe von kilometerlangen Hyperschall-Luftschiffen, um die Umlaufbahn zu erreichen.
Wenn Sie es mit Wasserstoff statt mit Helium füllen, wird Anton Tschechow darauf bestehen, dass es explodieren muss.

Antworten (4)

Zeppeline waren aus gutem Grund "starre" Luftschiffe mit einem Innenrahmen.

Neben all den Punkten, die vom "Quadratwürfel-Gesetz" erwähnt werden, gibt es die Frage der strukturellen Integrität Ihres riesigen Luftschiffs.
Eine so lange Struktur ist äußeren Einflüssen (des Wetters) ausgesetzt, die von einem Ende zum anderen stark variieren können.
Betrachten Sie Regen/Schnee: Die Nase des Luftschiffs kann sich bereits im Regen/Schnee befinden, während das Heck noch außerhalb des Regens ist. Dadurch wird das gesamte Luftschiff (vertikal) sehr ungleichmäßig belastet.
Fügen Sie auch Wind hinzu, insbesondere wenn Sie den Kurs ändern, und Sie müssen mit einer (horizontalen) Windscherung fertig werden, die ebenfalls ungleichmäßig ist.
Und ein Kilometer lang ist lang genug, um lokale Luftturbulenzzellen an mehreren Stellen des Schiffes unterschiedlich wirken zu lassen.
Das alles wird noch viel schlimmer, wenn Sie in einen Sturm geraten. Und ein Luftschiff ist nicht schnell genug, um einer Sturmfront davonzulaufen. Man muss es ausreiten können.

Es muss also all dem ohne übermäßige Biegung, Torsion, Biegung oder Bruch standhalten können.
Das wird eine Menge interner Struktur für Stärke erfordern, die Ihrem Luftschiff viel Gewicht hinzufügen und Ihre Tragfähigkeit verringern wird.

Wir haben heute eine bessere Materialwissenschaft, aber Ihre Schiffe sind dreimal länger als ein Zeppelin. Es wird eine echte Herausforderung sein, einen so großen zu bauen und ihn dennoch sicher genug zu halten, um ihn bei allem außer dem absolut ruhigsten Wetter zu verwenden.

Hat Ihnen +1 gegeben, aber wie wäre es, wenn Sie höher fliegen als Stürme und so? Sie haben ein kilometerlanges Luftschiff, also könnten Sie es für mehr Auftrieb verwenden. Der Wind mag stärker sein, aber ich schätze im Allgemeinen gleichmäßiger. Kein Regen oder Schnee. Geringerer Luftdruck, obwohl man für das geringere Gewicht wieder weniger Gas im Bag braucht, wenn die Luft höher oben ist. Ich stimme immer noch zu, dass die Struktur wahrscheinlich scheitern würde, aber diese können dazu beitragen, dass sie weniger schnell scheitert, oder nicht?
@Trioxidane: Sie müssen beim Start und bei der Landung immer noch in der Lage sein, durch die Wolkendecke zu kommen, und es gibt das Problem, dass das Luftschiff umso weniger Auftrieb hat, je höher Sie fliegen, da die Atmosphärendichte abnimmt. Ich mag die Idee auf Anhieb, aber ich denke, es lohnt sich, die Mathematik zu machen.
@Trioxidane Der Auftriebsverlust ist in den Höhen, die Sie wirklich brauchen (6 Kilometer und höher), groß. Und in diesen Höhen gibt es sehr starke Winde (Jetstream). Und wie Matthieu auch erwähnte: Sie müssen immer noch die unteren Schichten der Atmosphäre durchqueren, um diese Höhen zu erreichen oder wieder an Land zu gelangen. Und Luftschiffe gewinnen und verlieren nicht schnell an Höhe, so dass Sie für einige Zeit in der unteren Atmosphäre festsitzen würden. Sie müssen also immer noch für niedrige Höhen ingenieurtechnisch arbeiten, und dann möchten Sie die Technik für große Höhen (wie Druckkabinen) obendrein hinzufügen.
"ohne übermäßiges Biegen, Torsion, Biegen oder Brechen." Natürlich ist Brechen schlecht, aber könnten wir ein schlaffes Luftschiff bauen, das sich glücklich beugt, dreht (?) und biegt? Es könnte schwierig zu kontrollieren sein und seinen Passagieren wahrscheinlich Unbehagen bereiten, aber könnte es funktionieren?
Ich bin kein Ingenieur, aber könnten einige der von Ihnen erwähnten Probleme gelöst werden, indem Sie einen großen Körper in mehrere kleinere Körper aufteilen? Möchten Sie mehrere Luftballons anstelle von einem haben? Vielleicht so verbunden, dass sie nicht zusammenstoßen, aber dennoch weitgehend unabhängig sind?
@Katai Wenn Sie sich in mehrere Ballons aufteilen, reduzieren Sie die Vorteile des Quadratwürfelgesetzes erheblich.
@MichaelRichardson: Historische Luftschiffe hatten mehrere Gaszellen (in der einzigen Außenhülle eingeschlossen), um Lecks lokal zu halten.
@katai Wenn Sie sich aufteilen, verteilen Sie einfach die GLEICHEN Spannungen auf mehrere Befestigungspunkte. Im schlimmsten Fall muss JEDER von diesen nun in der Lage sein, der GESAMTEN Belastung zu widerstehen, die auf eine einzelne Struktur ausgeübt würde. (Ich bin ein IT-Typ, kein Bauingenieur, aber so viel erinnere ich mich aus dem Physikunterricht.) Und jeder dieser Befestigungspunkte ist viel kleiner als die Gesamtstruktur, muss also viel kräftiger sein, um damit umzugehen. So machst du es nur SCHLECHTER statt besser.
@Tonny ja, ich nahm an, dass es einfacher (leichter) sein könnte, jeden Ballon zu härten, wenn er kleiner ist, da er weniger "Leerraum" zwischen den inneren Strukturen hat als größere Ballons; So wie U-Boote nicht riesig sind und Höhlentunnel normalerweise ziemlich schlank sind. Also dachte ich mir, dass es dort einen Vorteil geben würde, dass jede Komponente stabiler ist als ein massiver Ballon - aber wenn das nicht der Fall ist, ist es offensichtlich nur noch schlimmer :)

Die Schallgeschwindigkeit in Metall ist ganz anders als in Gas. Beispielsweise beträgt die Schallgeschwindigkeit in Luft bei Raumtemperatur 330 m/s, während sie in Aluminium etwa 6000 m/s beträgt.

Schallgeschwindigkeit ist auch die Geschwindigkeit, mit der sich mechanische Aufforderungen in ein Medium ausbreiten.

Das bedeutet, dass eine mechanische Aufforderung, zum Beispiel ein starker Windstoß in der Schiffsnase, nur 1/6 Sekunde dauert, um das Heck im Aluminiumrahmen zu erreichen, aber 3 Sekunden im Wasserstoff.

Dies bedeutet, dass Sie über den Motoren eine interne Vibrationsquelle haben. Es wäre eine interessante Quelle für Schläge und Übersprechen, wenn das Schiff einen Sturm durchquert, mit all der Windscherung.

Wahrscheinlich nichts Dramatisch Tödliches, aber sicherlich etwas von "Schuss, wir haben nicht daran gedacht, als wir es entworfen haben!".

Kann dies überwunden werden, indem Vibrationen durch einen geschickten Materialwechsel an wichtigen Verbindungspunkten gedämpft werden? (Ich glaube, ich habe davon zum Beispiel auf Brücken gehört)
Die Schallgeschwindigkeit in einem Metallstab ist je nach Geometrie viel niedriger als in massivem Metall. Und die Schallgeschwindigkeit in Wasserstoff ist etwa dreimal so hoch wie in Luft. (Ich denke auch, dass es in einem supergroßen Luftschiff ernsthaftere Probleme geben würde als mechanische Resonanzen.)

Sie nutzen das Quadrat/Würfel-Gesetz nur in bestimmten Bereichen, in anderen beißt es Sie.

  • Plus:

    • Haben Sie eine Blase aus Hebegas mit einer Membran, die doppelt so groß ist. Das Gas hat jetzt den achtfachen Auftrieb, und die Membran wiegt jetzt nur noch viermal so viel (vorausgesetzt, sie hat die gleiche Dicke. In Wirklichkeit könnten Sie sich dafür entscheiden, die Dicke sogar um mehr als 2 zu skalieren, was Ihnen 8+ geben würde mal das Gewicht...)
    • Der Wind wird Sie nur auf Ihrer vervierfachten Oberfläche schlagen, während Ihr Schiff die achtfache Masse hat, wodurch es weniger nervös wird (aber siehe das Minus bezüglich: Antrieb unten)

  • Minus:

    • Haben Sie ein Stahlkabel, machen Sie es jetzt doppelt so groß. Es ist jetzt achtmal so schwer, während es seine Querschnittsfläche (und damit seine Bruchgrenze) nur um das Vierfache erhöht hat ... dasselbe gilt für Träger und alle anderen Strukturelemente. Für die Festigkeit zählt meist die Querschnittsfläche, die nur mit dem Quadrat zunimmt. Sie müssen also unverhältnismäßig dicker designen, was Ihre Auftriebsgewinne beeinträchtigt.
    • Die möglichen Anbauteile für Antriebs- und Steuermaschinen und die Steuerflächen selbst passen zum Quadrat, während die Masse des gesteuerten Dings zum Würfel passt, was es schwierig macht, zu beschleunigen und zu steuern.

  • Nicht-Quadrat/Würfel-Probleme:

    • Sich vor dem Wind zu ducken wird immer schwieriger. Es wird keine Hangars geben
    • Ich bezweifle, dass dies innerhalb von 100 km von Städten mit höheren Gebäuden (geschweige denn Wolkenkratzern) erlaubt sein wird - wenn dies steuerlos auf ein hohes Gebäude geblasen wird, wird dieses Gebäude ohne großen Kampf nachgeben

Die ideale Verwendung wäre also eine Plattform in großer Höhe, die keinen Strukturen ausweichen muss, nicht landen muss und weder Ort noch Form beibehalten muss (Zeppelin musste nur seine Form behalten, weil er sich durch das Gelände bewegen sollte Luft - wenn diese Anforderung fällt und Sie sich nur mit der Luft bewegen, kann Ihre Struktur wackeln)

Entflammbarkeit

Jeder Wasserstoffbehälter in einer O 2 -reichen Atmosphäre ist eine tickende Bombe. Um dem entgegenzuwirken, sollte ein Zeppelin Wasserstoff nicht als einzelnen Blob enthalten, sondern viele kleinere Behälter in sich aufnehmen. Dies verringert die Wahrscheinlichkeit einer Explosion und macht Explosionen überlebensfähiger.

Unglücklicherweise für Sie verringert dies Ihre Gewinne aus der Skalierung.

Wartungsfreundlichkeit

Je größer das Boot, desto mehr Rumpf müssen Sie warten. Es gibt mehr Oberfläche, die erodiert, gebogen oder durchstochen werden kann. Es wird immer teurer, alles in einem funktionsfähigen Zustand zu halten, wenn Sie skalieren.

Hitze

Der erhaltene Auftrieb hängt von der Temperatur des Auftriebsgases ab. Je mehr Gas Sie zum Erhitzen benötigen, desto mehr Kraftstoff benötigen Sie, um eine bestimmte Temperatur zu erreichen, und desto mehr zusätzliches Gewicht benötigen Sie beim Wiegen. Auch dies führt zu zusätzlichen Betriebskosten und abnehmenden Gewinnen.

Kann das Gas nicht bei Verfügbarkeit solar beheizt werden und nur nachts oder bei fehlender Sonne (Stürme/Wolken) auf Brennstoff angewiesen sein?
@Lemming Es scheint mir, dass Sie, wenn Solarenergie die benötigte Energie liefern würde, einfach die Oberfläche schwarz streichen und die gesamte Elektronik und die Brenner insgesamt überspringen könnten. Dass echte Heißluftballons das nicht tun, impliziert für mich, dass es nicht genug Energie wäre.
Wärme kann die Flugfähigkeit sicherlich verbessern, ist aber nicht notwendig. Gerade bei starren Luftschiffen kommt es nur darauf an, ob man durch Erhitzen des Gases auch etwas entweichen lässt. Der Umschlag wird nicht größer, sodass Sie sich auf die Gewichtsreduzierung durch weniger Gasverbrauch verlassen. In einem Wasserstoff-Luftschiff würde ich sicherlich davon absehen, Heizelemente hinzuzufügen. Viele Luftschiffe verlassen sich einfach darauf, dass ein Gas leichter als Luft in einem großen Container verpackt ist. Starre Luftschiffe würden mit (nahezu) Vakuum fliegen, wenn die Strukturstärke dies zulässt, wie dies auf Planeten mit dünnerer Atmosphäre vorgeschlagen wird.
@Cadence Natürlich wäre es nicht einfach die Sonne auf dem Ballon. Es wäre Sonnenenergie, die über Sonnenkollektor-„Segel“ gesammelt wird, die dann gespeichert und verwendet würden, um über elektronische Heizelemente Wärme zu erzeugen.
@Lemming Oh, ich nahm an, Sie meinten Sonnenkollektoren über der Oberfläche des Zeppelins! Wenn Sie beabsichtigen, größere Paneele über die Seiten hinausragen zu lassen, ist dies möglicherweise machbar ... obwohl dies bei größeren Maßstäben seine eigenen technischen Herausforderungen darstellt.
@Cadence Ich würde eigentlich Sonnenkollektoren auf der Oberfläche des Luftschiffs verwenden. Ja, Sie verlieren Wärmeenergie, aber Sie können sie besser kontrollieren und beispielsweise nachts nutzen, vorausgesetzt, Sie speichern etwas davon.
@Lserni Ja, aber wenn Sie Reparaturen nicht in der Luft durchführen können, steigen die Kosten für Liegeplätze, Hangars, Kräne usw. ziemlich aggressiv mit der Größe.
Entflammbarkeit: Die Hindenburg basierte auf einer über 80 Jahre alten Technologie.
Was sind einige der strukturellen Probleme, die einem Wasserstoff-Luftschiff im Kilometermaßstab innewohnen?
AntwortenHierDatenschutz-Bestimmungen1y, 0v