Какие структурные проблемы присущи километровому водородному дирижаблю?

Дирижабли — интересные транспортные средства, поскольку они, насколько я знаю, единственные, которые обращают закон квадрата-куба в свою пользу. При пропорциональном увеличении X длины, ширины или высоты газового мешка подъемная сила дирижабля увеличивается в X^3 раз .

Поэтому, казалось бы, если вы делаете дирижабль, то лучше сделать один действительно большой, чем несколько поменьше.

На данный момент я могу выделить только одну проблему, заключающуюся в том, что большая площадь поверхности = больше места для ветра, толкающего корабль. Однако влияние этого на конструкцию корабля, вероятно, можно решить с помощью аэродинамического дизайна и современных материалов, а также с помощью двигателей / винтов для противодействия силе ветра.

Итак, кроме потенциально решаемых проблем с сильным ветром, какие конструктивные проблемы у дирижабля, несущим элементом которого является, скажем, цилиндр длиной в километр и диаметром 175 метров?

Я просто хочу прояснить, что вы имеете в виду под цилиндром. Он имеет аэродинамическую форму или плоский по краям? Может быть, оставить эту возможность открытой для людей, чтобы создать дирижабль без этого ограничения?
Квадратные кубы сохраняют плотность, а подъемная сила будет масштабироваться с площадью, поэтому я думаю, что выигрыш пропорционален X ^ 2.
@ TheSquare-CubeLaw Конечно, лифт не зависит от площади. Площадь увеличивается, да, но количество силы, действующей на каждую единицу площади, также увеличивается.
@Trioxidane Это можно оставить открытым, да. Весь дирижабль имеет аэродинамическую форму; просто примите цилиндрический объем для подъемного элемента.
Какой технологический уровень вы рассматриваете: современный день?
@MatthieuM. Ага.
Вы изучали концепцию полета на орбиту? www.jpaerospace.com Он предлагает дирижабль шириной в несколько миль, функционирующий в качестве промежуточной станции для груза и персонала, и несколько гиперзвуковых дирижаблей длиной в несколько миль для выхода на орбиту.
Если вы наполните его водородом, а не гелием, то Антон Чехов будет настаивать на том, что он должен взорваться.

Ответы (4)

Цеппелины были «жесткими» дирижаблями с внутренним каркасом по очень веской причине.

Помимо всех пунктов, упомянутых в «Законе квадрата-куба», есть еще вопрос конструктивной целостности вашего огромного дирижабля.
Такая длинная конструкция подвержена внешнему давлению (погоде), которое может сильно различаться от одного конца к другому.
Учтите дождь/снег: нос дирижабля может быть уже внутри дождя/снега, в то время как корма все еще вне дождя. Это вызывает очень неравномерную нагрузку на весь дирижабль (по вертикали).
Добавьте также ветер, особенно когда вы меняете курс, и у вас есть (горизонтальный) сдвиг ветра, который также неравномерен.
И километровой длины вполне достаточно, чтобы локальные ячейки завихрений воздуха по-разному действовали в нескольких местах корабля.
Все становится намного хуже, когда вы попадаете в шторм. А дирижабль недостаточно быстр, чтобы обогнать штормовой фронт. Вы должны быть в состоянии переждать это.

Поэтому он должен быть в состоянии выдержать все это без чрезмерного изгиба, кручения, изгиба или поломки.
Это потребует большой внутренней конструкции для прочности, что добавит много веса вашему дирижаблю, уменьшая его грузоподъемность.

Сегодня у нас лучше материаловедение, но ваши корабли в 3 раза длиннее Цеппелина. Будет настоящим испытанием сделать такой большой и при этом сохранить его достаточно безопасным для использования в любую погоду, кроме самой спокойной.

Дал вам +1, но как насчет того, чтобы летать выше бури и тому подобного? У вас есть километровый дирижабль, так что вы могли бы использовать его для большей плавучести. Ветер может быть сильнее, но я предполагаю, что в целом более ровный. Ни дождя, ни снега. Более низкое давление воздуха, хотя вам снова нужно меньше газа в мешке для меньшего веса, если воздух выше. Я по-прежнему согласен с тем, что структура, скорее всего, выйдет из строя, но они могут помочь ей разрушиться не так быстро, не так ли?
@Trioxidane: Вы все еще должны иметь возможность преодолевать облачный покров при взлете и посадке, и есть проблема, что чем выше вы поднимаетесь, тем менее плавучим становится дирижабль, поскольку плотность атмосферы уменьшается. Мне нравится идея навскидку, но я думаю, что стоит заняться математикой.
@Trioxidane Потеря плавучести является значительной на высотах, которые вам действительно нужны (6 километров и выше). А на этих высотах дуют очень сильные ветры (струйные течения). И, как также упомянул Матье: вам все еще нужно пересечь нижние слои атмосферы, чтобы подняться на эти высоты или вернуться на землю. А воздушные корабли не быстро набирают и теряют высоту, так что вы застряли бы в нижних слоях атмосферы на какое-то время. Таким образом, вам все еще нужно проектировать для малой высоты, а затем вы хотите добавить к этому высотную инженерию (например, герметичные кабины).
«без чрезмерного изгиба, кручения, изгиба или поломки». Конечно, ломаться плохо, но можем ли мы сделать гибкий дирижабль, который радостно изгибается, скручивается (?) и изгибается? Это может быть трудно контролировать и, вероятно, неудобно для пассажиров, но может ли это сработать?
Я не инженер, но можно ли решить некоторые из проблем, о которых вы упомянули, путем разделения одного большого тела на несколько меньших тел? Как иметь несколько воздушных шаров вместо одного? Возможно, они связаны таким образом, что не врезаются друг в друга, но по большей части остаются независимыми?
@Katai Если вы разделитесь на несколько воздушных шаров, вы значительно уменьшите преимущества, которые дает закон квадрата-куба.
@MichaelRichardson: Исторические дирижабли имели несколько газовых ячеек (заключенных в единую внешнюю оболочку), чтобы локализовать утечки.
@katai Если вы разделитесь, вы просто распределите ОДИНАКОВЫЕ напряжения на несколько точек крепления. В худшем случае КАЖДЫЙ из них теперь должен быть в состоянии выдержать ПОЛНОЕ напряжение, которое будет приложено к одной конструкции. (Я ИТ-специалист, а не инженер-строитель, но это я хорошо помню из уроков физики.) И каждая из этих точек крепления намного меньше, чем вся конструкция в целом, поэтому она должна быть намного прочнее, чтобы справиться с ней. Так вы только сделаете ХУЖЕ, а не лучше.
@ Тонни, да, я предположил, что может быть проще (легче) укрепить каждый воздушный шар, если они меньше, поскольку у них меньше «пустого пространства» между внутренними структурами, чем у больших воздушных шаров; вроде как подводные лодки не гигантских размеров, а пещерные туннели обычно довольно тонкие. Поэтому я подумал, что в этом будет некоторое преимущество, позволяющее каждому компоненту быть прочнее, чем один массивный воздушный шар, но если это не так, то, очевидно, это еще хуже :)

Скорость звука в металле сильно отличается от скорости в газе. Например, скорость звука в воздухе при комнатной температуре составляет 330 м/с, а в алюминии — около 6000 м/с.

Скорость звука — это также скорость, с которой механические воздействия распространяются в среде.

Это означает, что механическое воздействие, например сильный порыв ветра в нос корабля, достигнет хвоста всего за 1/6 секунды в алюминиевом каркасе, а в водородном — за 3 секунды.

Это означает, что у вас есть внутренний источник вибраций поверх двигателей. Это был бы интересный источник ударов и перекрестных помех, когда судно пересекает шторм со всем этим сдвигом ветра.

Вероятно, не что-то драматически фатальное, но определенно что-то вроде «выстрел, мы не подумали об этом, когда проектировали!».

Можно ли решить эту проблему путем гашения вибраций с помощью умного переключателя материала в ключевых точках соединения? (Наверное, я слышал об этом, например, на мостах)
Скорость звука в металлическом стержне намного ниже, чем в массивном металле, в зависимости от геометрии. А скорость звука в водороде примерно в три раза больше, чем в воздухе. (Кроме того, я думаю, что в сверхбольшом дирижабле были бы более серьезные проблемы, чем механические резонансы.)

Вы используете закон квадрата-куба только в определенных областях, в других он вас укусит.

  • Плюс:

    • Иметь пузырек подъемного газа с мембраной вокруг, вдвое большего размера. Подъемная сила газа теперь в восемь раз выше, а мембрана теперь весит только в четыре раза больше (учитывая, что она имеет ту же толщину). раз больше веса...)
    • Ветер будет только бить вас по вашей четырехкратной поверхности, в то время как ваше судно имеет в восемь раз большую массу, что делает его менее дрожащим (но см. Минус относительно движения ниже)

  • Минус:

    • Возьмите стальной трос, теперь увеличьте его вдвое. Теперь он стал в восемь раз тяжелее, а площадь поперечного сечения (и, следовательно, предел прочности) увеличилась только в 4 раза... то же самое с балками и любыми другими конструктивными элементами. В основном площадь поперечного сечения имеет значение для прочности, и она только увеличивается с увеличением площади. Таким образом, вам нужно проектировать непропорционально толще, съедая вашу подъемную силу.
    • Возможные приспособления для двигателей и механизмов управления, а также сами управляющие поверхности идут с квадратом, в то время как масса управляемого предмета идет с кубом, что затрудняет ускорение и управление.

  • Неквадратные/кубические задачи:

    • Уклоняться от ветра становится все труднее. Ангаров не будет
    • я сомневаюсь, что это будет разрешено в пределах 100 км от городов с любыми более высокими зданиями (не говоря уже о небоскребах) - если это без руля взорвется на высокое здание, это здание уступит место без особого боя

Таким образом, идеальное использование было бы высотной платформой, которой не нужно уклоняться от каких-либо строений, не нужно приземляться и не нужно сохранять местоположение или форму (Цеппелин должен был сохранять форму только потому, что он должен был двигаться через пространство). воздух — если это требование падает, и вы просто двигаетесь вместе с воздухом, ваша конструкция может раскачиваться)

Воспламеняемость

Любой контейнер с водородом в богатой кислородом атмосфере — это бомба замедленного действия. Чтобы противостоять этому, дирижабль не должен содержать водород в виде одной капли, а должен содержать множество меньших контейнеров внутри. Это снижает вероятность взрыва и делает взрывы более выживаемыми.

К сожалению для вас, это снижает вашу прибыль от масштабирования.

Удобство обслуживания

Чем крупнее судно, тем больше корпуса вам придется обслуживать. Существует больше поверхности, которую можно разрушить, изогнуть или проколоть. Поддерживать все это в рабочем состоянии по мере масштабирования становится все дороже и дороже.

Нагревать

Подъемная сила, которую вы получаете, зависит от температуры подъемного газа. Чем больше газа вам нужно нагреть, тем больше топлива вам потребуется для достижения определенной температуры и, следовательно, тем больше дополнительного веса вам потребуется при масштабировании. Опять же, это приводит к дополнительным операционным затратам и уменьшению прибыли.

Разве нельзя нагреть газ с помощью солнечных батарей, если они доступны, и полагаться на топливо только ночью или когда солнце недоступно (буря / облака)?
@Lemming Мне кажется, что если бы солнечная энергия обеспечивала необходимую энергию, вы могли бы просто покрасить поверхность в черный цвет и вообще отказаться от всей электроники и горелок. То, что настоящие воздушные шары этого не делают, для меня означает, что на них не хватит энергии.
Тепло, безусловно, может улучшить летные качества, но это не обязательно. Особенно в жестких дирижаблях это имеет значение только в том случае, если при нагревании газа вы также позволяете некоторым утечкам. Конверт не становится больше, поэтому вы полагаетесь на снижение веса за счет меньшего количества газа. В водородном дирижабле я бы, конечно, воздержался от добавления нагревательных элементов. Многие дирижабли просто полагаются на газ, который легче воздуха внутри большого контейнера. Жесткие дирижабли будут летать в (почти) вакууме, если это позволит прочность конструкции, как это предлагается на планетах с более тонкой атмосферой.
@Cadence Конечно, это будет не просто солнце на воздушном шаре. Это будет солнечная энергия, собранная с помощью «паруса» солнечной панели, которая затем будет храниться и использоваться для нагрева с помощью электронных нагревательных элементов.
@Lemming О, я предположил, что вы имели в виду солнечные батареи над поверхностью дирижабля! Если вы намерены иметь более крупные панели, выходящие за пределы сторон, это может быть осуществимо... хотя это создает свои инженерные проблемы в больших масштабах.
@Cadence Я бы на самом деле выбрал солнечные батареи на поверхности дирижабля. Да, вы теряете тепловую энергию, но вы можете лучше контролировать ее, а также использовать ее, например, ночью, предполагая, что вы храните ее часть.
@Lserni Да, но если вы не можете выполнять ремонт наверху, стоимость причалов, ангаров, кранов и т. Д. Довольно быстро растет с размером.
Воспламеняемость: Гинденбург был основан на технологии, которой более 80 лет.
Какие структурные проблемы присущи километровому водородному дирижаблю?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 1v