Солнечный шар

Солнечный воздушный шар — это воздушный шар , который приобретает плавучесть , когда воздух внутри нагревается солнечным излучением , обычно с помощью черного или темного материала воздушного шара. Нагретый воздух внутри солнечного шара расширяется и имеет меньшую плотность, чем окружающий воздух. Таким образом, солнечный шар похож на воздушный шар . Солнечные воздушные шары используются преимущественно на рынке игрушек, хотя предлагалось использовать их при исследовании планеты Марс , а некоторые солнечные воздушные шары достаточно велики для полета человека. Вентиляционное отверстие в верхней части можно открыть для выпуска горячего воздуха для спуска и дефляции.

Теория работы

Создание подъемной силы

Повышение температуры воздуха внутри оболочки делает его менее плотным, чем окружающий (окружающий) воздух. Воздушный шар плавает под действием выталкивающей силы, действующей на него. Эта сила — та же сила, которая действует на объекты, когда они находятся в воде, и описывается принципом Архимеда . Величина подъемной силы (или плавучести ), обеспечиваемой воздушным шаром, зависит в первую очередь от разницы между температурой воздуха внутри оболочки и температурой воздуха снаружи оболочки.

Подъемная сила, создаваемая на высоте 100 000 футов ³ (2831,7 м ³) сухого воздуха, нагретого до различных температур, можно рассчитать следующим образом:

температура воздуха	плотность воздуха	воздушная масса	созданный подъем
68 °Ф, 20 °С	1,2041 кг/м ³	7517 фунтов, 3409,7 кг	0 фунтов, 0 кгс
210 °Ф, 99 °С	0,9486 кг/м ³	5922 фунта, 2686,2 кг	1595 фунтов, 723,5 кгс
250 °Ф, 120 °С	0,8978 кг/м ³	5606 фунтов, 2542,4 кг	1912 фунтов, 867,3 кгс

Плотность воздуха при 20 °C, 68 °F составляет около 1,2 кг/м. ³. Общая подъемная сила воздушного шара объемом 100 000 куб. футов, нагретого до (99 °C, 210 °F), составит 1595 фунтов силы, 723,5 кгс. В действительности воздух, содержащийся в оболочке, не имеет одинаковой температуры, как показывает прилагаемое тепловое изображение, поэтому эти расчеты основаны на средних значениях.

Для типичных атмосферных условий (20 °C, 68 °F) для воздушного шара, нагретого до (99 °C, 210 °F), требуется около 3,91 м. ³ объема конверта, чтобы поднять 1 килограмм (62,5 куб. футов/фунт). Точная величина подъемной силы зависит не только от упомянутой выше внутренней температуры, но и от внешней температуры, высоты над уровнем моря и влажности окружающего воздуха. В теплый день воздушный шар не сможет подняться так сильно, как в прохладный день, поскольку температура, необходимая для запуска, будет превышать максимально допустимую для ткани оболочки. Кроме того, в нижних слоях атмосферы подъемная сила, обеспечиваемая воздушным шаром, уменьшается примерно на 3% на каждые 1000 метров (1% на 1000 футов) набранной высоты. ^[1]

Солнечное излучение

Инсоляция – это мера энергии солнечного излучения , полученной на данной площади поверхности в данный момент времени. Обычно ее выражают как среднюю интенсивность излучения в ваттах на квадратный метр (Вт/м2). Прямая инсоляция — это солнечное излучение, измеренное в данном месте на Земле с элементом поверхности, перпендикулярным солнечным лучам, исключая диффузную инсоляцию (солнечное излучение, которое рассеивается или отражается компонентами атмосферы на небе). Прямая инсоляция равна солнечной постоянной минус атмосферные потери из-за поглощения и рассеяния . Хотя солнечная постоянная меняется в зависимости от расстояния Земля-Солнце и солнечных циклов , потери зависят от времени суток (длины пути света через атмосферу в зависимости от угла возвышения Солнца ), облачного покрова , содержания влаги и других примесей .

В течение года средняя солнечная радиация, достигающая верхних слоев атмосферы Земли, составляет примерно 1366 Вт на квадратный метр. ^[2]^[3] (см. солнечную постоянную ). Мощность излучения распределяется по всему электромагнитному спектру , хотя большая часть мощности приходится на видимую часть спектра. Солнечные лучи ослабляются при прохождении через атмосферу , тем самым снижая инсоляцию на поверхности Земли примерно до 1000 Вт на квадратный метр для поверхности, перпендикулярной солнечным лучам на уровне моря в ясный день.

Черное тело поглощает все падающее на него излучение. Объекты реального мира — это серые объекты, их поглощение равно излучательной способности . Черный пластик может иметь коэффициент излучения около 0,95, что означает, что 95 процентов всего излучения, попадающего на него, будет поглощаться, а оставшиеся 5 процентов отражаться.

Оценка полученной энергии

^{[ нужна проверка ]}

Если представить воздушный шар в виде сферы , то солнечный свет, получаемый этой сферой, можно представить как поперечное сечение цилиндра того же радиуса, что и эта сфера, см. диаграмму. Площадь этого круга можно вычислить по формуле: $\mathrm {\pi } r^{2}\$

Например, энергия, полученная сферическим солнечным шаром радиусом 5 метров с оболочкой из черного пластика в ясный день при прямой инсоляции 1000 Вт/м ², можно оценить, сначала вычислив площадь его большого круга:

\mathrm {Area} =\pi \times (5m)^{2}\approx 78{.}54m^{2}

Затем умножим это на излучательную способность пластика и прямую инсоляцию Солнца:

78,54 * 0,95 * 1000 = 74 613 Вт

На уровне моря при температуре 15 °C по стандарту ISA ( Международная стандартная атмосфера ) воздух имеет плотность примерно 1,22521 кг/м. ³. Плотность воздуха уменьшается с повышением температуры примерно на 20 граммов на м. ³ на 5 К. Для нагревания 1 килограмма сухого воздуха на один Кельвин необходимо около 1 килоджоуля энергии (см. Теплоемкость ). Итак, для увеличения температуры на 1 м ³ воздуха (на уровне моря и при температуре 15 °C) для 5 °C требуется около 5 °C * 1 килоджоуль/(килограмм*кельвин) * 1,225 килограмма = 6,125 килоджоуля. Тем самым вы уменьшили массу 1 м. ³ воздуха примерно на 24 грамма. В ясный день при поверхности черного тела высотой 1 м ² перпендикулярно Солнцу и без потерь тепла, это займет чуть больше 6 секунд.

Оценка скорости потери энергии

Ниже приведено уравнение энергетического баланса скорости потери энергии солнечного шара при проведении граничной линии вокруг шара. В солнечном шаре происходит передача тепла за счет конвекции и передача тепла за счет излучения.

Уравнение энергетического баланса солнечного шара

Ėout= tσπr ²(TS4-TF4) + hπr ²(ТС-ТФ)

Предполагаемое изменение энтропии

Tds=вы+PdV

Δs = ∫(cv/T)dT + Rgasln(V2/V1)

Δs = cvln(T2/T1)

Равновесие

Система находится в равновесии, когда энергия, теряемая воздушным шаром за счет конвекции, излучения и проводимости, равна энергии, полученной за счет излучения Солнца.

История

В 1972 году Доминик Михаэлис , британский архитектор и изобретатель многих солнечных установок и проектов, изобрел и построил первый солнечный воздушный шар с чистой внешней поверхностью и темными, улавливающими тепло внутренними стенками. ^[4]^[5]

Пилотируемый полет

Первый полет на воздушном шаре с чистым солнечным светом на борту человека был совершен 1 мая 1973 года Трейси Барнсом на его воздушном шаре Barnes Solar Firefly Tetrahedron. Этот воздушный шар был сделан из спиральной тканевой трубки, сформированной в виде тетраэдра . Доминик Михаэлис зарегистрирован как владелец первого воздушного шара на чистой солнечной энергии в Европе. На этом воздушном шаре Джулиан Нотт перелетел Ла-Манш. Записи, собранные для ФАИ , показывают, что 6 февраля 1978 года иранец Фредерик Эшу также совершил полет к солнечной энергии на воздушном шаре под названием «Санстат». В нем использовалась стандартная конструкция воздушного шара, но с одной стороны использовался прозрачный пластик, позволяющий солнечному излучению отражаться от внутренней поверхности, нагревая внутренний воздух. ^[6]

Первый полет антарктического солнечного метеозонда

Первый зонд солнечной погоды под названием Ballon ORA был запущен с французской антарктической станции Дюмон-д'Юрвиль в январе 2011 года совместной командой студентов, ученых и инженеров. Идея заключалась в том, чтобы оценить возможность использования солнечных шаров в качестве зондов в отдаленных районах, где экономия на использовании подъемного газа , гелия или водорода , была бы ценной. Полет прошел успешно: он приблизился к высоте 46 000 футов (14 000 м). Экономия касается не только подъемного газа как такового. Воздушный шар ORA устраняет необходимость в транспортировке тяжелых газовых баллонов внутрь и наружу. ^[7]

Использование в исследовании планет

Лаборатория реактивного движения Калифорнийского технологического института провела исследование использования солнечных шаров на нескольких планетах и лунах Солнечной системы и пришла к выводу, что они являются жизнеспособным вариантом для Марса, Юпитера и Сатурна. ^[8]

Безопасность

Разрешение на планирование и использование воздушного пространства может потребоваться местным или национальным органам управления воздушным пространством.

Пилотируемые полеты несут особые риски. Неожиданные облака представляют серьезную опасность, аналогичную обычному полету на воздушном шаре без запаса топлива. Солнечные шары могут быстро опускаться при охлаждении, поэтому балласт очень важен.

Галерея

Солнечный воздушный шар в форме трубки, сделанный из мешков для мусора.

Ссылки

^ «Как рассчитать вес воздуха и модель подъема воздушного шара» . Проверено 1 января 2008 г.
^ Спутниковые наблюдения за общим солнечным излучением.
^ «Построение составного временного ряда общего солнечного излучения (TSI) с 1978 года по настоящее время» . Рисунок 4 и рисунок 5. Архивировано из оригинала 1 августа 2011 года . Проверено 2 февраля 2009 г.
^ «Солнечные воздушные шары, очень короткая история» . Проверено 11 апреля 2011 г.
^ «Солнечные воздушные шары Доминика Михаэлиса» . Проверено 11 апреля 2011 г.
^ «Информация о школьном проекте — полет на солнечном шаре» . Проверено 18 июля 2009 г. Согласно статье в журнале Ballooning. «Sunstat — воздушный шар, летающий на солнечных лучах (Ballooning Journal, Vol XI Num 2, март, апрель 1978 г.)» (PDF) . Проверено 11 апреля 2011 г.
^ «Баллон ОРА» . Центральная школа Лиона . Проверено 30 января 2011 г.
^ «Надувная робототехника для планетарного применения» (PDF) . Маяк eSpace в Лаборатории реактивного движения. Архивировано из оригинала (PDF) 26 мая 2010 г. Проверено 9 апреля 2011 г.

Внешние ссылки

[1] «Как рассчитать вес воздуха и модель подъема воздушного шара» . Проверено 1 января 2008 г.

[2] Спутниковые наблюдения за общим солнечным излучением.

[www.pmodwrc.ch.91-3] «Построение составного временного ряда общего солнечного излучения (TSI) с 1978 года по настоящее время» . Рисунок 4 и рисунок 5. Архивировано из оригинала 1 августа 2011 года . Проверено 2 февраля 2009 г.

[4] «Солнечные воздушные шары, очень короткая история» . Проверено 11 апреля 2011 г.

[5] «Солнечные воздушные шары Доминика Михаэлиса» . Проверено 11 апреля 2011 г.

[6] «Информация о школьном проекте — полет на солнечном шаре» . Проверено 18 июля 2009 г. Согласно статье в журнале Ballooning. «Sunstat — воздушный шар, летающий на солнечных лучах (Ballooning Journal, Vol XI Num 2, март, апрель 1978 г.)» (PDF) . Проверено 11 апреля 2011 г.

[7] «Баллон ОРА» . Центральная школа Лиона . Проверено 30 января 2011 г.

[8] «Надувная робототехника для планетарного применения» (PDF) . Маяк eSpace в Лаборатории реактивного движения. Архивировано из оригинала (PDF) 26 мая 2010 г. Проверено 9 апреля 2011 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]