Вакуумный дирижабль

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Аппарат Франчеcко Ланы[1]

Вакуумный дирижабль — дирижабль жёсткой конструкции, внутри оболочки которого создаётся и поддерживается вакуум заданной глубины (вакуумирование), вследствие чего в соответствии с законом Архимеда возникнет аэростатическая подъёмная сила (сила Архимеда).

История[править | править код]

В 1670 году иезуит Франческо Терци де Лана (1631–1687)[2]

Франческо Лана

издал книгу Prodromo, ovvero saggio di alcune invenzioni nuove premesso all’arte maestra («Предварение, сиречь Описание некоторых новых изобретений, предзнаменующее Великое Искусство»), в 6-й главе которой он описал судно с мачтой и парусом на ней. Это судно, по утверждению Ланы, могло бы летать, поддерживаемое четырьмя медными предварительно вакуумированными сферами диаметром порядка 7.5 метров каждая, при толщине медной стенки около 0,1[3] мм. Франческо Лана полагал, что такое воздушное судно может быть легче воздуха. В переиздании своего труда в 1686 году Лана указал, что вес медной пустой сферы станет сопоставим с весом вытесненного воздуха при диаметре 130 футов (порядка 40 м), при толщине стенки около 1,5 мм, что, конечно же, было технологически невозможно в его время. Им были так же рассчитаны сферы (способные поднимать груз до нескольких килограмм): стеклянная (диаметром около 1,2 м с толщиной стенки около 0,15 мм) и деревянная (диаметром около 3 м с толщиной стенки около 1 мм) [4][5].

Идея Ланы, выдающаяся для своего времени, была основана на четких принципах, но не была реализована в эксперименте (что тоже было типично для науки XVII века). Уже Джованни Борелли указал, что сферы будут слишком тонкими, чтоб выдержать внешнее давление воздуха. Лана знал, что внешнее давление на пустой шар будет большим, но думал, что для его конструкции это не опасно.

Тем не менее идея была популярна и часто изображалась на гравюрах с иллюстрациями фантастического путешествия на Марс (1744 год) вплоть до первых полетов на воздушных шарах с горячим воздухом (1783). После их появления об идее Лана надолго забыли.[6][7]

Лишь в 1830 году Гиацинто Амати (нем.) в своей книге Ricerche storico - critico - scientifiche sulle origini... воздал Лане должное как пионеру ареостатики.

В 1887 году Артур де Боссе (Arthur De Bausset) опубликовал книгу[8] и попытался получить деньги на создание вакуумного дирижабля[9] цилиндрической формы, организовав Transcontinental Aerial Navigation Company of Chicago.[10][11] Однако, его патентное предложение было отвергнуто.[12]

Физические принципы и ограничения[править | править код]

Теорию прочности сферической тонкостенной вакуумированной оболочки (в статике) разработал швейцарец Р. Целли (R. Zoelli) в 1915 году. Комбинируя его уравнение прочности с условием плавучести в атмосфере, можно получить условие практической реализации сфер Лана:[13][неавторитетный источник?]

,

где – определённый комплекс прочностных показателей материала сферы («коэффициент Лана»), а – физический показатель свойств атмосферы в зоне полёта («атмосферное число Лана»), который можно вычислить, зная либо плотность и давление газа, либо его давление, температуру и молекулярный вес. Целли определил, что толщина стенок шаров Лана должна быть пропорциональна первой степени их радиуса. По формуле Целли сферы Лана смялись бы уже при откачке из них всего ~0,1% воздуха. Для обеспечения целостности вакуумированных сфер Лана (при использовании даже современных конструкционных материалов) пришлось бы увеличивать толщину их стенки, что привело бы к нарушению выше приведённого условия плавучести. Такой шар Ланы должен обладать достаточной прочностью и жёсткостью, чтобы атмосферное давление не смяло его, и иметь достаточно малый вес (массу) конструкции, чтобы взлететь за счет аэростатической подъемной силы.

В 1974 году патентное бюро в Лондоне опубликовало заявку № 1345288 МКИ В64В 1/58 Pedrick A.P. Усовершенствование воздушных кораблей, обеспечиваемое вакуумированными шарами или другой формы выкачанными сосудами. Изобретение заключается в том, что оболочка шара должна быть двойной. Из внутренней сферы воздух выкачан, а в полость между внутренней и внешней сферами под давлением закачан газ (сойдет водород или гелий). По утверждению изобретателя этот газ должен поддерживать заданную форму оболочки от сдавливания её атмосферой (приоритет этой идеи принадлежит де Боссэ). Обе сферы во многих местах скреплены между собой. Однако до практической реализации этого изобретения дело не дошло (из-за недостаточной прочности материала современных оболочек) и по сей день нет информации о широком применении этого изобретения.

В 1993 году в России разработано и запатентовано изобретение на устройство для создания подъёмной силы вакуумного дирижабля, при использовании которого оболочку дирижабля можно построить приемлемо лёгкой, прочной и с неполным внутренним силовым каркасом[14]. Для облегчения оболочки в изобретении впервые предложено применить динамическую компенсацию давления атмосферы, заключающуюся в использовании центробежных сил для противодействия давлению атмосферы на оболочку. Теоретическая часть изобретения опубликована [15].

Аппараты по способу вакуумирования оболочки[править | править код]

Стендовая модель вакуумного дирижабля с двухступенчатым центробежным насосом и динамической компенсацией давления атмосферы на оболочку. 

С учётом уравнения состояния идеального газа и закона Архимеда дирижабли с вакуумированными оболочками могут различаться по способу вакуумирования оболочки:

Управление величиной аэростатической подъёмной силы при первом способе вакуумирования в полёте может осуществляться впуском в оболочку или выкачиванием из его оболочки порции атмосферного воздуха [16]. При использовании второго способа вакуумирования для управления величиной подъёмной силы достаточно дозировано изменять объём вакуумированной оболочки.

В данном разделе приведено фото стендовой модели вакуумного дирижабля по первому способу вакуумирования, изготовленной и испытанной автором изобретения для подтверждения возможности динамической компенсации давления атмосферы на оболочку аппарата. Для боковой поверхности оболочки модели применена листовая резина.

Ссылки[править | править код]

1.Hall, Loura. Evacuated Airship for Mars Missions (англ.), NASA (4 April 2017). Проверено 7 ноября 2017.

2.Ахметели А.М. Гаврилин А.В. "Слоистые вакуумированные оболочки воздушных шаров", заявка на патент США 11/ 517915. Опубликована 23 февраля 2006 года.

Примечания[править | править код]

  1. John David Anderson. A History of Aerodynamics: And Its Impact on Flying Machines. — Cambridge University Press, 1997. — С. 80-81. — 478 с. — ISBN 0521669553.
  2. Francesco Lana-Terzi,S.J.. www.faculty.fairfield.edu. Проверено 6 ноября 2017.
  3. Clive Catterall. The Hot Air Balloon Book: Build and Launch Kongming Lanterns, Solar Tetroons, and More. — Chicago Review Press, 2013. — ISBN 1613740964.
  4. Евг. Шиховцев. Летучее судно Франческо Лана сквозь три с половиной века (рус.) (2016). Проверено 18 июня 2016.
  5. Francesco Lana Terzi. Magisterii natvrae et artis, Tomvs II. — Mariam Ricciardvm, 1686. — Т. 2. — С. 291-294.
  6. New Scientist, Farmer Buckley's Exploding Trousers: & other events on the way to scientific discovery, Hachette UK, 2016, ISBN 1473642760
  7. MythBusters: Can a lead balloon fly? New Scientist 2725 (2009)
  8. Aerial Navigation. — Chicago: Fergus Printing Co., 1887.
  9. Scamehorn Howard Lee. Balloons to Jets: A Century of Aeronautics in Illinois, 1855–1955. — SIU Press, 2000. — P. 13–14. — ISBN 978-0-8093-2336-4.
  10. (February 14, 1887) «Aerial Navigation» (PDF). New York Times. Проверено 2010-12-01.
  11. (February 19, 1887) «To Navigate the Air» (PDF). New York Times. Проверено 2010-12-01.
  12. Decisions of the Commissioner of Patents for the Year 1890. — US Government Printing Office, 1891. — P. 46.
  13. Евг. Шиховцев. Возможен ли Ланолёт? (рус.) (2016). Проверено 2 ноября 2016.
  14. "Устройство для создания подъёмной силы летательных аппаратов легче воздуха", Российский патент RU № 2001831 B64B 1/58, B64B 1/62, зарегистрирован в Государственном реестре изобретений 30 октября 1993 года. Автор Малышкин А.И.
  15. https://sites.google.com/site/vacdirigible/home
  16. Стромберг А. Г., Семченко Д. П. Физическая химия: Учеб. для хим. спец. вузов / Под ред. А. Г. Стромберга. — 7-е изд., стер. — М.: Высшая школа, 2009. — 527 с. — ISBN 978-5-06-006161-1.