Подъемный газ

Подъемный газ или газ легче воздуха — это газ, плотность которого ниже, чем у обычных атмосферных газов, и в результате он поднимается над ними, что делает его полезным для подъема самолетов легче воздуха. В качестве подъемных газов пригодны только некоторые газы легче воздуха. Сухой воздух имеет плотность около 1,29 г/л (грамм на литр) при стандартных условиях по температуре и давлению (СТП) и среднюю молекулярную массу 28,97 г/моль . ^[1] поэтому газы легче воздуха имеют плотность ниже этой.

Газы, используемые для подъема

Горячий воздух

Нагретый атмосферный воздух часто используется в воздухоплавании . Согласно закону идеального газа , некоторое количество газа (а также смеси газов, например воздуха) расширяется при нагревании. В результате определенный объем газа имеет меньшую плотность, чем выше температура. Температура горячего воздуха в оболочке будет варьироваться в зависимости от температуры окружающей среды, но максимальная постоянная рабочая температура для большинства воздушных шаров составляет 250 °F (121 °C). ^[2]

Водород

Водород , являющийся самым легким из существующих газов (7% плотности воздуха, 0,08988 г/л при нормальном давлении), кажется, наиболее подходящим газом для подъема. Его можно легко производить в больших количествах, например, с помощью реакции конверсии вода-газ или электролиза , но водород имеет ряд недостатков:

Водород чрезвычайно легко воспламеняется. Некоторые страны запретили использование водорода в качестве подъемного газа для коммерческих автомобилей, но в США, Великобритании и Германии он разрешен для свободного полета на воздушном шаре. Катастрофу в Гинденбурге которую часто называют примером угрозы безопасности, представляет водород. Чрезвычайно высокая стоимость гелия (по сравнению с водородом) побудила исследователей повторно изучить вопросы безопасности использования водорода в качестве подъемного газа, особенно для транспортных средств, не перевозящих пассажиров и размещаемых вдали от населенных пунктов. При правильном проектировании и надлежащей практике обращения риски можно значительно снизить.
Поскольку двухатомная молекула водорода очень мала, она может легко диффундировать через многие материалы, такие как латекс, поэтому воздушный шар быстро сдуется. Это одна из причин, по которой многие воздушные шары, наполненные водородом или гелием, изготавливаются из майлара/боПЭТ . ^[3]

Гелий

Гелий — второй по легкости газ (0,1786 г/л при СТП). По этой причине он также является привлекательным газом для добычи нефти.

Главным преимуществом является то, что этот газ негорючий. Но использование гелия имеет и некоторые недостатки:

Проблема диффузии аналогична проблеме с водородом (хотя, поскольку молекулярный радиус гелия (138 пм) меньше, он диффундирует через большее количество материалов, чем водород. ^[4]).
Гелий дорогой.
Хотя гелия много во Вселенной, на Земле его очень мало. Единственными коммерчески жизнеспособными запасами являются несколько скважин природного газа, в основном в США, которые удерживают его от медленного альфа-распада радиоактивных материалов на Земле. По человеческим меркам гелий — невозобновляемый ресурс , который практически невозможно произвести из других материалов. При попадании в атмосферу, например, когда воздушный шар, наполненный гелием, течет или лопается, гелий в конечном итоге улетает в космос и теряется.

Угольный газ

В прошлом угольный газ , смесь водорода, угарного газа и других газов. в воздушных шарах также использовался ^[5]^{[ нужен лучший источник ]} Он был широко доступен и дешев. К недостаткам относятся более высокая плотность (снижение подъемной силы), горючесть. ^[6] и высокая токсичность ^[7] содержания угарного газа.

Аммиак

Аммиак использовался в качестве подъемного газа в воздушных шарах. ^[8] но хотя он и недорогой, он относительно тяжелый (плотность 0,769 г/л при СТП, средняя молекулярная масса 17,03 г/моль), ядовитый, раздражающий и может повредить некоторые металлы и пластмассы.

Метан

Метан (плотность 0,716 г/л при СТП, средняя молекулярная масса 16,04 г/моль), основной компонент природного газа , иногда используется в качестве лифтового газа при отсутствии водорода и гелия. ^{[ нужна ссылка ]} Его преимущество состоит в том, что он не просачивается через стенки баллона так же быстро, как более мелкие молекулы водорода и гелия. Многие воздушные шары легче воздуха изготовлены из алюминизированного пластика, который ограничивает такую утечку; водород и гелий быстро просачиваются через латексные шары. Однако метан легко воспламеняется и, как и водород, не пригоден для использования в пассажирских дирижаблях. Он также относительно плотный и является мощным парниковым газом .

Комбинации

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

Газы, теоретически пригодные для подъема

Водяной пар

Газообразное состояние воды легче воздуха (плотность 0,804 г/л при СТП, средняя молекулярная масса 18,015 г/моль) из-за низкой молярной массы воды по сравнению с типичными атмосферными газами, такими как газообразный азот (N ₂ ). Он негорючий и намного дешевле гелия. Таким образом, концепции использования пара для подъема грузов уже 200 лет. Самой большой проблемой всегда было создание материала, способного противостоять этому. В 2003 году университетская группа в Берлине (Германия) успешно создала воздушный шар, поднимаемый паром при температуре 150 °C. ^[9] Однако такая конструкция в целом непрактична из-за высокой температуры кипения и конденсации.

фтороводород

Фтороводород легче воздуха и теоретически может использоваться в качестве подъемного газа. Однако он чрезвычайно агрессивен, высокотоксичен, дорог, тяжелее других подъемных газов и имеет низкую температуру кипения 19,5 °C. Поэтому его использование будет нецелесообразным.

Ацетилен

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

Цианистый водород

Цианистый водород , который на 7% легче воздуха, технически можно использовать в качестве подъемного газа при температуре выше точки кипения 25,6 °C. Его чрезвычайная токсичность, низкая плавучесть и низкая температура кипения исключают такое использование.

Неон

Неон легче воздуха (плотность 0,900 г/л при СТП, средняя атомная масса 20,17 г/моль) и может поднять воздушный шар. Как и гелий, он негорюч. Однако он редок на Земле, дорог и относится к числу тяжелых подъемных газов.

Азот

чистого азота Преимущество состоит в том, что он инертен и широко доступен, поскольку является основным компонентом воздуха. Однако, поскольку азот всего на 3% легче воздуха, он не является хорошим выбором в качестве подъемного газа.

Этилен

Этилен — ненасыщенный углеводород, плотность которого на 3% меньше плотности воздуха. Однако, в отличие от азота, этилен легко воспламеняется и гораздо дороже, что делает его использование в качестве подъемного газа крайне непрактичным.

Диборан

Диборан немного легче молекулярного азота с молекулярной массой 27,7. Однако, будучи пирофорным , он представляет серьезную угрозу безопасности, даже большую, чем водород.

Вакуум

Теоретически аэростатический аппарат может быть создан для использования вакуума или частичного вакуума. Еще в 1670 году, более чем за столетие до первого полета пилотируемого воздушного шара, ^[10] Итальянский монах Франческо Лана де Терци представил себе корабль с четырьмя вакуумными сферами.

В теоретически идеальной ситуации с невесомыми сферами «вакуумный шар» будет иметь чистую подъемную силу на 7% больше, чем шар, наполненный водородом, и на 16% больше чистую подъемную силу, чем шар, наполненный гелием. Однако, поскольку стенки воздушного шара должны оставаться жесткими и не взрываться, его непрактично изготавливать из любого известного материала. Несмотря на это, иногда на эту тему возникают дискуссии. ^[11]

Аэрогель

Несмотря на то, что это не газ, можно синтезировать сверхлегкий аэрогель с плотностью меньшей, чем у воздуха, причем самый легкий из зарегистрированных на данный момент достигает плотности примерно 1/6 плотности воздуха. ^[12] Однако аэрогели не плавают в условиях окружающей среды, поскольку воздух заполняет поры микроструктуры аэрогеля, поэтому кажущаяся плотность аэрогеля представляет собой сумму плотностей материала аэрогеля и воздуха, содержащегося внутри. В 2021 году группа исследователей успешно подняла в воздух серию углеродных аэрогелей, нагрев их галогенной лампой, что привело к снижению плотности воздуха, захваченного в пористой микроструктуре аэрогеля, что позволило аэрогелю плавать. ^[13]

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.

Подъемную силу водорода и гелия в воздухе можно рассчитать с помощью теории плавучести следующим образом:

Таким образом, гелий почти в два раза плотнее водорода. Однако плавучесть зависит от разницы плотностей (ρ _газа ) − (ρ _{воздуха} ), а не от их соотношений. Таким образом, разница плавучестей составляет около 8%, как видно из уравнения плавучести:

F _B = (ρ _{воздуха} - ρ _газа ) × г × V

Где F _B = выталкивающая сила (в Ньютонах ); g = гравитационное ускорение = 9,8066 м/с ² = 9,8066 Н/кг; V = объем (в м ³). Следовательно, количество массы, которую может поднять водород в воздухе на уровне моря, равное разности плотностей водорода и воздуха, равно:

(1,292 - 0,090) кг/м ³ = 1,202 кг/м ³

и выталкивающая сила на один м ³ Водорода в воздухе на уровне моря составляет:

1 м ³ × 1,202 кг/м ³ × 9,8 Н/кг = 11,8 Н

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

(1,292 - 0,178) кг/м ³ = 1,114 кг/м ³

и выталкивающая сила на один м ³ гелия в воздухе на уровне моря составляет:

1 м ³ × 1,114 кг/м ³ × 9,8 Н/кг = 10,9 Н

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

11,8/10,9 ≈ 1,08, или примерно 8,0%

Этот расчет выполнен для уровня моря при температуре 0 °C. На больших высотах или при более высоких температурах подъемная сила уменьшится пропорционально плотности воздуха, но соотношение подъемной способности водорода и гелия останется прежним. В этот расчет не включена масса оболочки, необходимая для удержания подъемного газа.

Высотные полеты на воздушном шаре

MAXIS: воздушный шар , способный подняться на высоту 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 и на меньшей высоте, объем воздушного шара намного больше на больших высотах.

Воздушный шар, предназначенный для подъема на экстремальную высоту ( стратосферу ), должен иметь возможность значительно расширяться, чтобы вытеснить необходимое количество воздуха. Именно поэтому такие воздушные шары при запуске кажутся почти пустыми, что видно на фото.

Другой подход к полетам на больших высотах, особенно используемый для длительных полетов, - это аэростат сверхдавления . Баллон сверхдавления поддерживает внутри баллона более высокое давление, чем внешнее (окружающее) давление.

Погруженные воздушные шары

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

Поднимающийся под водой воздушный шар будет расширяться или даже взрываться из-за сильного снижения давления, если только газ не сможет непрерывно выходить во время подъема или если воздушный шар не будет достаточно прочным, чтобы выдержать изменение давления.

Дайверы используют подъемные мешки (перевернутые мешки), которые они наполняют воздухом, чтобы поднимать тяжелые предметы, такие как пушки, и даже целые корабли во время подводной археологии и спасения затонувших кораблей . Воздух либо подается из водолазных баллонов , либо перекачивается по шлангу с водолазного корабля на поверхность.

Подводные лодки используют балластные цистерны и цистерны с воздухом для регулирования плавучести , что по сути делает их подводными « дирижаблями ». Батискафы — это тип глубоководных подводных аппаратов, в которых в качестве «подъемного газа» используется бензин.

Воздушные шары на других небесных телах

Воздушный шар может обладать плавучестью только в том случае, если существует среда, имеющая более высокую среднюю плотность, чем сам воздушный шар.

Воздушные шары не могут работать на Луне , потому что там почти нет атмосферы. ^[14]
У Марса очень тонкая атмосфера – давление всего 1 ⁄ 160 земного атмосферного давления – так что даже для крошечного подъемного эффекта понадобится огромный воздушный шар. Преодолеть вес такого воздушного шара было бы сложно, но было сделано несколько предложений по исследованию Марса с помощью воздушных шаров. ^[15]
Венера имеет _{атмосферу, состоящую из CO2} . Поскольку CO ₂ примерно на 50% плотнее земного воздуха, обычный земной воздух может быть подъемным газом на Венере. Это привело к появлению предложений по созданию среды обитания человека, которая будет плавать в атмосфере Венеры на высоте, где и давление, и температура будут земными. В 1985 году в рамках советской программы «Вега» два гелиевых шара были развернуты в атмосфере Венеры на высоте 54 км (34 мили).
Титан , самый большой спутник Сатурна , имеет плотную, очень холодную атмосферу, состоящую в основном из азота, которая подходит для полетов на воздушном шаре. использовать аэроботов на Титане Было предложено . Предложение миссии « Титан -Сатурн» включало воздушный шар для облета Титана.

Твердые вещества

В 2002 году аэрогель был занесен в Книгу рекордов Гиннеса как наименее плотное (самое легкое) твердое вещество. ^[16] Аэрогель в основном представляет собой воздух, поскольку его структура подобна структуре очень пустой губки . Легкость и низкая плотность обусловлены, прежде всего, большой долей воздуха внутри твердого тела, а не кремниевого конструкционного материала. ^[17] Воспользовавшись этим, SEAgel , принадлежащий к тому же семейству, что и аэрогель, но сделанный из агара , может быть наполнен газообразным гелием для создания твердого вещества, которое плавает при помещении в контейнер с открытым верхом, наполненный плотным газом. ^[18]

См. также

Ссылки

^ «Воздух – Молекулярная масса» . www.engineeringtoolbox.com . Проверено 16 января 2018 г.
^ Справочник по полетам на воздушном шаре (№ FAA-H-8083-11A). Вашингтон, округ Колумбия: Федеральное управление гражданской авиации. 2008. стр. 3-9–3-10.
^ Бонничи, Маурицио; Таккини, Алессандро; Вучинич, Дин (2014). «Длительные высотные дирижабли: возможности водорода» . Обзор европейских транспортных исследований . 6 (3): 253–266. Бибкод : 2014ETRR....6..253B . дои : 10.1007/s12544-013-0123-z . ISSN 1866-8887 . S2CID 255617917 .
^ Шультайс, Дэниел (2007). Барьер проникновения для легких резервуаров с жидким водородом (Диссертация). ОПУС Аугсбург, Аугсбургский университет. п. 30.
^ «Полет на воздушном шаре – Историческое развитие» . Британская энциклопедия . Проверено 17 августа 2021 г.
^ Спейт, Джеймс Г. (2000). «Топливо синтетическое, газообразное». Энциклопедия химической технологии Кирка-Отмера . дои : 10.1002/0471238961.0701190519160509.a01 . ISBN 9780471484943 .
^ Терри, Герберт (14 июля 1881 г.). «Отравление углекислым газом» . Бостонский медицинский и хирургический журнал . 105 (2): 29–32. дои : 10.1056/NEJM188107141050202 .
^ «Тимоти С. Коул — удостоен награды в 1995 году» . Историческое общество авиации Колорадо . Проверено 17 августа 2021 г.
^ «HeiDAS UH – Ein Heissdampfaerostat с ультра-высокими характеристиками» (PDF) . Aeroix.de. Архивировано из оригинала (PDF) 3 сентября 2011 г. Проверено 21 октября 2012 г.
^ Том Д. Крауч (2009). Легче воздуха
^ Шон А. Бартон (21 октября 2009 г.). «Анализ устойчивости надувной вакуумной камеры». Журнал прикладной механики . 75 (4): 041010. arXiv : физика/0610222 . Бибкод : 2008JAM....75d1010B . дои : 10.1115/1.2912742 . S2CID 118896629 .
^ Сунь, Хайян; Сюй, Чжэнь; Гао, Чао (18 февраля 2013 г.). «Многофункциональные, сверхлегкие, синергически собранные углеродные аэрогели». Продвинутые материалы . 25 (18). Уайли: 2554–2560 гг. Бибкод : 2013AdM....25.2554S . дои : 10.1002/adma.201204576 . ISSN 0935-9648 . ПМИД 23418099 . S2CID 205248394 .
^ Янаги, Рео; Такемото, Рен; Оно, Кента; Уэно, Томонага (14 июня 2021 г.). «Светоиндуцированная левитация сверхлегких углеродных аэрогелей посредством контроля температуры» . Научные отчеты . 11 (1). Springer Science and Business Media LLC: 12413. doi : 10.1038/s41598-021-91918-5 . ISSN 2045-2322 . ПМЦ 8203743 . ПМИД 34127746 .
^ «Есть ли атмосфера на Луне?» . 7 июня 2013 г.
^ «Исследование Марса на воздушных шарах» . Spacedaily.com . Проверено 21 октября 2012 г.
^ Стенджер, Ричард (9 мая 2002 г.). «Замороженный дым НАСА назван самым легким твердым веществом» . edition.cnn.com . Проверено 16 января 2018 г.
^ Администратор контента НАСА (15 апреля 2015 г.). «Аэрогели: тоньше, легче, прочнее» . НАСА . Проверено 16 января 2018 г.
^ Громмо (20 июня 2008 г.), Аэрогель SEAgel легче твердого воздуха. Не НЛО , заархивировано из оригинала 21 декабря 2021 г. , получено 16 января 2018 г.

Внешние ссылки

[1] «Воздух – Молекулярная масса» . www.engineeringtoolbox.com . Проверено 16 января 2018 г.

[2] Справочник по полетам на воздушном шаре (№ FAA-H-8083-11A). Вашингтон, округ Колумбия: Федеральное управление гражданской авиации. 2008. стр. 3-9–3-10.

[3] Бонничи, Маурицио; Таккини, Алессандро; Вучинич, Дин (2014). «Длительные высотные дирижабли: возможности водорода» . Обзор европейских транспортных исследований . 6 (3): 253–266. Бибкод : 2014ETRR....6..253B . дои : 10.1007/s12544-013-0123-z . ISSN 1866-8887 . S2CID 255617917 .

[4] Шультайс, Дэниел (2007). Барьер проникновения для легких резервуаров с жидким водородом (Диссертация). ОПУС Аугсбург, Аугсбургский университет. п. 30.

[5] «Полет на воздушном шаре – Историческое развитие» . Британская энциклопедия . Проверено 17 августа 2021 г.

[6] Спейт, Джеймс Г. (2000). «Топливо синтетическое, газообразное». Энциклопедия химической технологии Кирка-Отмера . дои : 10.1002/0471238961.0701190519160509.a01 . ISBN 9780471484943 .

[7] Терри, Герберт (14 июля 1881 г.). «Отравление углекислым газом» . Бостонский медицинский и хирургический журнал . 105 (2): 29–32. дои : 10.1056/NEJM188107141050202 .

[8] «Тимоти С. Коул — удостоен награды в 1995 году» . Историческое общество авиации Колорадо . Проверено 17 августа 2021 г.

[9] «HeiDAS UH – Ein Heissdampfaerostat с ультра-высокими характеристиками» (PDF) . Aeroix.de. Архивировано из оригинала (PDF) 3 сентября 2011 г. Проверено 21 октября 2012 г.

[10] Том Д. Крауч (2009). Легче воздуха

[11] Шон А. Бартон (21 октября 2009 г.). «Анализ устойчивости надувной вакуумной камеры». Журнал прикладной механики . 75 (4): 041010. arXiv : физика/0610222 . Бибкод : 2008JAM....75d1010B . дои : 10.1115/1.2912742 . S2CID 118896629 .

[Sun_Xu_Gao_2013_pp._2554–2560-12] Сунь, Хайян; Сюй, Чжэнь; Гао, Чао (18 февраля 2013 г.). «Многофункциональные, сверхлегкие, синергически собранные углеродные аэрогели». Продвинутые материалы . 25 (18). Уайли: 2554–2560 гг. Бибкод : 2013AdM....25.2554S . дои : 10.1002/adma.201204576 . ISSN 0935-9648 . ПМИД 23418099 . S2CID 205248394 .

[Yanagi_Takemoto_Ono_Ueno_2021_p.-13] Янаги, Рео; Такемото, Рен; Оно, Кента; Уэно, Томонага (14 июня 2021 г.). «Светоиндуцированная левитация сверхлегких углеродных аэрогелей посредством контроля температуры» . Научные отчеты . 11 (1). Springer Science and Business Media LLC: 12413. doi : 10.1038/s41598-021-91918-5 . ISSN 2045-2322 . ПМЦ 8203743 . ПМИД 34127746 .

[14] «Есть ли атмосфера на Луне?» . 7 июня 2013 г.

[15] «Исследование Марса на воздушных шарах» . Spacedaily.com . Проверено 21 октября 2012 г.

[16] Стенджер, Ричард (9 мая 2002 г.). «Замороженный дым НАСА назван самым легким твердым веществом» . edition.cnn.com . Проверено 16 января 2018 г.

[17] Администратор контента НАСА (15 апреля 2015 г.). «Аэрогели: тоньше, легче, прочнее» . НАСА . Проверено 16 января 2018 г.

[Discovery_Channel-18] Громмо (20 июня 2008 г.), Аэрогель SEAgel легче твердого воздуха. Не НЛО , заархивировано из оригинала 21 декабря 2021 г. , получено 16 января 2018 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]