Wie sparsam sind Luftschiffe?

Etwa 90 Meter pro Kilogramm Kohle. Mit einer Reichweite von 5.700 km.

Oder etwa 150 Meter pro Kilogramm Propan. Mit einer Reichweite von 9.900 km.

Eine 50-Fuß-Gondel ist ziemlich groß. Es ist ungefähr so ​​groß wie die Gondel auf dem Graf Zeppelin .

Die Verwendung von Kohle als Brennstoff ist nicht völlig unpraktisch, verursacht jedoch Probleme mit der Gewichtsänderung, wenn der Brennstoff verbrannt wird. Der Graf Zeppelin verwendete Blaugas (etwa so dicht wie normale Luft), um seine Motoren anzutreiben, um dieses Problem zu vermeiden.

Der Graf Zeppelin hatte eine Reichweite von 16.500 km und beförderte 65.000 kg Treibstoff. Es erreichte also etwa 0,25 km/kg. Der beste Weg, dies in Dampfkraft umzurechnen, wäre, die Energie in 65.000 kg Blau-Gas zu ermitteln und sie mit der gleichen Masse Kohle gleichzusetzen.

Energieeffizienz

Leider kann ich die Werte für Blau-Gas nicht finden, aber es ist dem Propan ziemlich ähnlich, also werde ich den Wert von 50,3 MJ/kg für Propan und die 29 MJ/kg für Kohle verwenden.

Daraus können wir ersehen, dass dieser Zeppelin ungefähr 5 Meter pro Megajoule gemacht hat. Es ist nicht sehr fair, die gleiche Umwandlungseffizienz für Kohle anzunehmen, aber wenn wir das täten, könnte der Zeppelin mit 65.000 kg Kohle etwa 9.500 km zurücklegen. Wahrscheinlicher ist, dass nur 60 % der Kohle in Energie für den Antrieb umgewandelt werden könnten, was eine etwas realistischere Reichweite von 5.700 km bei 0,087 km/kg ergibt. Hier gibt es viele gestapelte Annahmen, also können wir großzügig sein und das auf etwa 90 Meter pro Kilogramm Kohle aufrunden.

Das für die Dampferzeugung verwendete Wasser könnte aus demselben Reservoir stammen, das als Ballast verwendet wird, so dass es nicht zu unterschiedlich sein sollte. Der Dampf muss rekondensiert werden, um ihn als Ballast aufzubewahren.

Warum Kohle verwenden?

Wie Sie hier sehen können, wäre es wahrscheinlich eine viel bessere Idee, für einige Dampfmaschinen einfach den Originalbrennstoff anstelle von Kohle zu verwenden. Sie können dann die ursprüngliche Effizienz eines beliebigen Luftschiffs nehmen und ungefähr halbieren, um es in Dampfkraft umzuwandeln.

Es kommt darauf an, wie man damit fliegt.

Wenn Sie ein Luftschiff wie ein Flugzeug fliegen, erhalten Sie am Ende ähnliche Wirkungsgrade wie in einigen der anderen Antworten hier beschrieben. Es gibt jedoch zwei Faktoren, die in einem Luftschiff verwendet werden können, um die Entfernung, die zurückgelegt werden kann, bevor aufgetankt werden muss, drastisch zu erhöhen:

• Luftschiffe müssen keine Energie aufwenden, um in der Luft zu bleiben
• Luftschiffe können ihren Auftrieb (bis zu einem gewissen Grad) kontrollieren.

Diese beiden Faktoren ermöglichen es uns, zwei Dinge zu tun: die vorherrschenden Windströmungen zu nutzen, um uns fortzubewegen und unter der Schwerkraft zu gleiten.

Fortbewegung unter Nutzung von Windströmungen

Wenn Ihre Luftschiffe bereit sind, sich anhand von Luftströmungen zu orientieren, können sie diese nutzen, um herumzuschweben, ohne Energie verbrauchen zu müssen. Zum Beispiel können Luftschiffe, die zwischen den USA und Europa reisen, die Passatwinde nutzen, wenn sie nach Amerika fliegen, und die vorherrschenden Westwinde, wenn sie nach Europa fliegen.

Wie Sie auf einer Karte der Windmuster der Erde sehen können, zeigen diese Winde natürlich nicht direkt von Ost nach West:

Das bedeutet, dass wir nicht ganz freie Fahrt haben, aber wir können immer noch davon profitieren, die Winde zu nutzen, solange die Winde weniger als einen 45-Grad-Winkel von Ihrem gewünschten Ziel weg zeigen. (Bei diesem Winkel entspricht die Strecke, die Sie zurücklegen müssen, um auf Kurs zu bleiben, der Strecke, die der Wind Sie antreiben würde.) Die Kraftstoffeinsparungen, wenn Sie den Winden auf diese Weise folgen, hängen vom Windwinkel ab. Wenn Ihre Winde beispielsweise in einem Winkel von 10 Grad vom Ziel weg zeigen, benötigen Sie nur 1/8 des Kraftstoffs, den Sie bei Windstille benötigen würden.

Wenn Sie möchten, dass Ihre Luftschiffe Hin- und Rückflüge machen, müssen Sie dann von einem Luftband zum anderen fliegen oder Ihr Luftschiff zerlegen und per Zug (oder per Schiff) zu seinem neuen Startziel verschiffen. Natürlich können Sie dies vermeiden, indem Sie einfach in die gleiche Richtung gehen. Die Welt ist rund, also wirst du irgendwann dorthin zurückkehren können, wo du angefangen hast, ohne gegen den Wind ankämpfen zu müssen.

Gleiten unter der Schwerkraft

Wenn unsere Luftschiffe so geformt sind, dass sie aus einer vertikalen Kraft, die von der Umgebungsluft auf das Luftschiff ausgeübt wird, eine horizontale Kraft erzeugen können, dh wenn sie etwa tragflügelartige Formen haben, können sie eine Vorwärtsbewegung erzeugen basiert auf dem Gleiten. Ein Luftschiff kann „gleiten“, indem es entweder nach oben oder unten fällt, indem es seine Dichte ändert, und diese Fallbewegung dann mithilfe eines Flügels in eine Vorwärtsbewegung umwandelt. In vielen Fällen kann der Rumpf des Flugzeugs selbst die Tragfläche eines sogenannten Hybrid-Luftschiffs bilden.

Im einfachsten Fall kann ein festgemachtes Luftschiff bis zum Auftrieb mit Helium gefüllt und dann losgelassen werden, wobei es (im Vorwärtsgleiten) nach oben schwebt, bis es neutralen Auftrieb hat. Beim Erreichen des Scheitelpunkts seines Steigflugs kann das Flugzeug dann damit beginnen, überschüssiges Gas abzugeben, um mit dem Abstieg zu beginnen, wobei es wiederum basierend auf den aerodynamischen Kräften vorwärts gleitet. Unter Wasser wurde dasselbe Konzept erfolgreich zur Herstellung von Unterwassergleitern eingesetzt.

Während diese Art von Setup nur einen begrenzten Flug ermöglichen würde (basierend auf der Menge an Helium, die sicher ohne Absturz freigesetzt werden könnte), würde es überhaupt keinen Treibstoff benötigen. Bei längeren Flügen könnten sich Luftschiffe auf einen dampfbetriebenen Kompressor verlassen, um ihr Volumen und damit ihre Dichte zu ändern. Dies oder die Nutzung der Thermik zur Steigerung des Auftriebs könnte es einem Luftschiff ermöglichen, seine Reisezeiten erheblich zu verlängern, ohne sich auf lokale Windmuster verlassen zu müssen.

Neben den bereits erwähnten Aspekten des Fahrens mit oder gegen den Wind werde ich versuchen, die Frage der Reichweite basierend auf Kohle als Kraftstoff im Vergleich zum Zeppelin zu behandeln .

Ich gehe davon aus, dass die gewünschte Kabinenlänge von etwa 50 Fuß ein Luftschiff erfordert, dessen Abmessungen mit einem der frühen Passagiermodelle der Nachkriegszeit vergleichbar sind: dem LZ 120 . Das Schiff hat eine Länge von 121 m und eine Reichweite von 1.700 km mit seinen vier Maybach-Motoren bei Höchstgeschwindigkeit (ca. 130 km/h). Er hat ein Leergewicht von 13.646 kg und kann bis zu 9.593 kg heben. Überspringen Sie für den Moment, dass es Wasserstoff anstelle von Helium verwendet, was jedoch seine Auftriebskapazität erhöht.

1.700 km mit 130 km/h zu laufen bedeutet also etwa 13 Stunden Fahrt. Leider kann ich keine Angaben zur Kraftstoffmenge finden. Von dieser Seite nehme ich daher 250 kg/h Kraftstoffverbrauch für den LZ127 (ein neueres Modell). Wenn Sie dies als sehr grobe Schätzung verwenden, ergibt sich eine Kraftstoffladung von 3.250 kg, was ziemlich vernünftig klingt und etwa 6.000 kg Hubkapazität für Passagiere und Fracht übrig lässt.

Der LZ120 wird mit Benzin betrieben, sagen wir mit einer Verbrennungswärme von 20.000 BTU/lb. Kohle hingegen bietet 8.000 (Braunkohle) und 14.000 (Anthrazit). Was bedauerlich ist, da es weniger Energie pro Gewicht bietet, das das Luftschiff herumtragen muss. Nehmen wir auch an, dass die Motoren des LZ120 einen Wirkungsgrad von 30 % haben (meine Schätzung könnte noch niedriger sein), während der dampfbasierte Motor bei 15 % liegt (was für eine Dampfmaschine ziemlich hoch ist). Dadurch verdoppelt sich auch das Kraftstoffgewicht.

Allein diese Tatsachen reduzieren die Reichweite eines kohlebetriebenen dampfbetriebenen Luftschiffs auf 35 % eines benzinbetriebenen. Die resultierende Reichweite würde etwa 600 km betragen.

Ein Wort der Warnung: Diese vereinfachten Berechnungen berücksichtigen nicht das zusätzliche Gewicht der Motoren selbst und das zusätzliche Wasser, das zum Betreiben einer Dampfmaschine benötigt wird. Das könnte wirklich ein Deal-Breaker sein.

Ich würde sagen, es hängt von den vorherrschenden Flügeln und der Route ab ... da das Luftschiff nur "schwebt", bewegt der Wind es dorthin, wo es will (wie ein Ballon).

Bei hohen Fluglagen ist der Windstrom ziemlich konstant (tatsächlich können Verkehrsflugzeuge andere Routen von A nach B als von B nach A haben, um davon zu profitieren). Machen Sie den Kapitän zum "alten Luftwolf", der weiß, wie sich die Luftströmungen verhalten, und geben Sie ihm Zeit, die wirtschaftlichere Route zu planen. Er kann schwebend gelassen werden, bis er aufgrund von Mangel an Nahrung, Wasser oder Brennstoff zum Heizen andocken muss.

Alternativ können Sie festlegen, dass es "so schnell wie möglich" in eine Stadt gelangen muss und die kürzeste Route gegen den Wind führt und mehr Strom verbraucht als ein Vorort.