Шарльер

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Воздушные шары и дирижабли:
1 — аэростат Монголфье;
2 — аэростат Шарля;
3 — аэростат Бланшара;
4 — аэростат Жиффара;
5 — свободный аэростат Жиффара;
6 — аэростат Дюпюи де Лом;
7 — аэростат Генлейна;
8 — аэростат Ренара и Кребса.[1]
Жак Алекса́ндр Сеза́р Шарль 1820.

Шарлье́р (фр. charlière) — аэростат, наполненный водородом, гелием или другими газами легче воздуха. Назван по имени французского учёного и изобретателя Жака Александра Сезара Шарля. Аэростат объёмом 25 м³ совершил свой первый полёт 27 августа 1783 года при стечении 300 тыс. зрителей на Марсовом поле в Париже. Первый полёт «шарльёра» с экипажем (Шарль, Жак Александр Сезар и М. Н. Робер) состоялся 1 декабря 1783 года в Париже. Французский профессор физики Жак Шарль считал, что дымный воздух — это не лучшее решение, ведь горячий воздух, остывая, теряет подъёмную силу, чего нельзя сказать о водороде, так как он изначально легче воздуха. Жак Шарль использовал лёгкую шёлковую ткань, смоченную раствором каучука в скипидаре, в качестве оболочки, способной длительное время держать летучий газ.

Наполнение[править | править код]

Для того чтобы шарльер поднялся в воздух, газ должен быть легче воздуха. При заданной температуре и давлении плотность газа пропорциональна молекулярной массе. Для того чтобы газ был легче воздуха, его молекулярный вес должен быть ниже 28,7. Грузоподъёмность пропорциональна разности между 28,7 и молекулярным весом газа. Веществ с молекулярным весом ниже 29 и газообразных при комнатной температуре, немного:

  • Водород. Молекулярный вес 2. Высокая грузоподъёмность, безвреден, недорог, но пожаро- и взрывоопасен. Широко применяется для беспилотных шарльеров.
  • Гелий. Молекулярный вес 4. Высокая грузоподъёмность, безвреден, безопасен, но дорог. Широко применяется для пилотируемых шарльеров.
  • Неон. Молекулярный вес 20. Безвреден, безопасен, но дороже гелия, и из-за высокого атомного веса грузоподъёмность втрое ниже, чем у гелия. Применяется ограниченно.
  • Метан. Молекулярный вес 16. Малотоксичен, недорог, но пожаро- и взрывоопасен. Применяется ограниченно.
  • Аммиак. Молекулярный вес 17. С резким запахом, ядовит, слегка горюч, относительно недорог и доступен. Применяется ограниченно, для метеозондов.
  • Фтороводород (HF). Молекулярный вес 21. Крайне ядовит (смертельная концентрация — сотые доли процента; в меньших концентрациях вызывает ожоги кожи и органов дыхания). Химически агрессивен (прожжёт почти любую оболочку). Не применяется.
  • Ацетилен (C2H2). Молекулярный вес 26. Крайне пожаро- и взрывоопасен. Не применяется.
  • Диборан (B2H6). Молекулярный вес 27,6. На воздухе нестабилен, самовоспламеняется. Не применяется.
  • Азот. Молекулярный вес 28. Безвреден, недорог, но грузоподъёмность ничтожная. Не применяется.
  • Этилен (C2H4). Молекулярный вес 28. Пожаро- и взрывоопасен. Не применяется по той же причине, что и азот.
  • Угарный газ (CO). Молекулярный вес 28. Горюч и крайне токсичен. Не применяется по той же причине, что и азот.

Кроме того, в качестве наполнителей предложено использовать водяной пар и в прошлом использовался светильный газ (смесь метана, водорода и угарного газа). Исходя из вышеописанных свойств газов, наиболее предпочтительным и широко используемым является гелий. Использовать водород, аммиак или метан можно только для беспилотных аэростатов, и их заполнение газом необходимо осуществлять на открытом пространстве, вдали от источников огня или электричества. Неон предосторожностей не требует - как и гелий, он абсолютно безопасен.

Подъёмная сила[править | править код]

Считая температуры газа-наполнителя и воздуха одинаковыми, подъёмную силу шарльера можно выразить формулой:

,
Здесь  — подъёмная сила в килограммах на 1 м³ газа-наполнителя при нормальных условиях.
 — молекулярная масса газа-наполнителя.
Подъёмная сила шарльера на 1 м³ газа-наполнителя при нормальных условиях
Газ
наполнитель
Химическая
формула
Молекулярная
масса
Подъёмная
сила (кг/м³)
Водород H2 2 1,205
Гелий He 4 1,116
Метан CH4 16 0,580
Аммиак NH3 17 0,536
Азот N2 28 0,045

При равенстве температуры и давления атмосферного воздуха и газа-наполнителя, и до тех пор, пока оболочка шарльера вмещает всё начальное количество наполнителя, подъёмная сила аппарата не зависит от атмосферных условий, поскольку при отклонениях их от нормальных соотношение плотностей воздуха и наполнителя остаётся постоянным, и разница весов наполнителя и вытесняемого им воздуха не меняется. Таким образом, если подъёмная сила превышает вес оболочки, оснастки и полезного груза шарльера, он будет подниматься неограниченно. Предел этому может наступить по следующим причинам:

  1. экипаж выпускает из оболочки часть наполнителя, или он, расширившись вследствие понижения атмосферного давления, сам частично вытекает через нижнюю горловину оболочки;
  2. герметичная, упругая оболочка (например, детского шарика, наполненного гелием, или метеозонда), растягиваясь при расширении наполнителя, оказывает на него дополнительное давление, вследствие чего он расширяется в меньшей степени, чем атмосферный воздух, и разница плотностей наполнителя и воздуха, а, следовательно, и подъёмная сила шарльера, уменьшается;
  3. в верхних слоях атмосферы, в которые поднимаются стратостаты, молекулярный состав воздуха изменяется: уменьшается доля более тяжёлых фракций, главным образом — кислорода. Вследствие этого средний молекулярный вес воздуха уменьшается, что ведёт к снижению подъёмной силы стратостата.

См. также[править | править код]

Примечания[править | править код]

  1. Рисунок из Энциклопедического словаря Брокгауза и Ефрона, 1890—1907 г.