Можем ли мы построить безопасный водородный дирижабль?

Да, но это потребует времени и денег. Если вы сделаете это, они легко могут стать самым безопасным видом воздушного транспорта в мире.

Говоря о дирижаблях, люди предполагают, что они мягкие, легковоспламеняющиеся/взрывоопасные, медленные, не выдерживают никакого ветра и разбиваются, если смотреть на них смешно. Вы можете увидеть это в любом вопросе о дирижаблях на этом сайте, например. Дело доходит до того, что люди будут активно искать недостатки, чтобы заставить свои аргументы работать, например, говорить, что они были громкими (а они не были).

Самолеты с реактивными двигателями фактически находились в одном и том же месте в какой-то момент. Первые высотные самолеты с реактивными двигателями побывали в нескольких громких авариях, в результате которых погибли все находившиеся на борту. Это заставило общественное мнение думать, что самолет развалился без причины, взорвется и в целом небезопасен. Без компьютерного моделирования, чтобы должным образом проверить, что могло произойти, единственным методом тестирования было использование физического самолета и моделирование условий полета от нескольких сотен до тысячи раз, чтобы увидеть, что произошло. В то время смехотворно дорогой и трудоемкий метод. Тем не менее, авиастроительная компания все равно провела испытания, они обнаружили, что форма их иллюминаторов вызвала усталостные переломы, которые стали причиной всех аварий. Вся авиационная промышленность извлекла из этого уроки, и теперь мы летаем с закругленными краями иллюминаторов, и общественное мнение больше не сводится к тому, что самолеты разбиваются случайным образом или взрываются. Если бы этого испытания не произошло, потребовались бы десятилетия, прежде чем кто-либо построил бы работающий реактивный авиалайнер.

В таком же положении были и дирижабли, только их так и не испытали (потому что не умели). Однако с современными материалами, симуляциями и возможностями мы можем создавать безопасные дирижабли, точно так же, как мы сделали наши самолеты на порядки более безопасными, чем наши ранние модели самолетов. В наши дни авиалайнеры могут взлетать и садиться с горящим двигателем, который отваливается на полпути полета!

Газ:

Водород — одно из самых легковоспламеняющихся веществ на земле, но только тогда, когда в нем достаточно кислорода. Интерес к водородным автомобилям и водородным топливным элементам позволил исследовать, насколько безопасно было иметь их на борту автомобилей и большие топливные баки по сравнению с обычным бензином. Они обнаружили, что из-за того, как горит водород, он на самом деле безопаснее по сравнению с большинством видов топлива, которые мы используем сегодня. С добавлением большего количества перегородок между газовыми камерами, большего количества отдельных газовых ячеек и других мер безопасности вы можете сделать его очень безопасным. Давайте сравним его с Гинденбургом, например.

«Гинденбург» был аппаратом легче воздуха, поэтому для посадки ему нужно было стравить водород (или закачать его в тот же газовый баллон и заполнить пустой газовый баллон воздухом, хотя «Гинденбург», похоже, в основном стравливал его). Этот водород мог застрять вокруг корабля, когда возникали искры для пламени. Современные двигатели с меньшей вероятностью вызовут искру, а с появлением гибридных дирижаблей эта проблема полностью исчезнет. Гибридные дирижабли получают большую часть своей подъемной силы за счет газа, но остальная подъемная сила создается обычными старыми крыльями и векторной тягой. Это также устраняет необходимость в швартовных мачтах и ​​позволяет этим гибридным дирижаблям приземляться в сельской местности, куда не может добраться обычный транспорт.

Еще одна проблема с «Гинденбургом» заключалась в том, что его обшивка была сделана из легковоспламеняющихся материалов. По мере того как пламя продолжало гореть на обшивке дирижабля, водород мог смешиваться с большим количеством кислорода и воспламеняться, продолжая процесс до тех пор, пока он не стал настолько большим, что поглотил «Гинденбург».

Что касается смеси с кислородом, то водород хранится при атмосферном давлении. Если вы проткнете газовый мешок, водород не выльется наружу, так как за газом нет давления, которое могло бы вытолкнуть его в атмосферу вокруг корабля. Во время Первой мировой войны бипланы с зажигательными боеприпасами должны были сначала произвести пару сотен выстрелов в дирижабль, затем подождать несколько минут, пока диффузия вызовет достаточное количество водорода, чтобы смешаться с воздухом, прежде чем вернуться и фактически поджечь этот водород за пределами дирижабля. Если обшивка дирижабля также загорается, быстро высвобождается больше водорода, который смешивается с воздухом и поддерживает процесс горения. Во время Второй мировой войны был даже корабль, который дважды попадал под зенитное орудие Оси, потерял около 50% подъемного газа и вернулся домой, не загоревшись и не разбившись.

Это скорость:

Дирижабли воспринимаются как медленные, неуклюжие звери. Тем не менее, даже дирижабли времен Второй мировой войны могли развивать скорость до 130 км/ч. Вы могли бы сказать «но по сравнению с другими самолетами, это медленно», но это несправедливое сравнение. Это все равно, что сказать: «А, но моя гоночная машина быстрее твоего грузовика». Да, это! Но ваш гоночный автомобиль не может перевозить вдвое меньше груза, чем мой грузовик, а мой грузовик может везти гораздо меньше топлива на единицу веса перевозимого груза.

Это меры безопасности:

Катастрофа, подобная «Гинденбургу», могла произойти из-за выброса водорода, с которым гибридным дирижаблям не пришлось бы иметь дело, или из-за утечки. Утечки можно уменьшить за счет большего количества газовых мешков и избыточных мер безопасности. Негорючие оболочки и газовые мешки могут усилить меры безопасности, равно как и применение самоуплотняющихся материалов, буферов и разделенных на части газовых мешков. Если один газовый мешок будет пробит или даже полностью сгорит, другие газовые мешки могут быть достаточно изолированы, чтобы не загореться. Точно так же вы можете уменьшить пожароопасность, добавив в водород смесь гелия (при необходимости поместив газовый баллон с водородом в газовый баллон с гелием). Это означает, что водороду будет труднее смешиваться с достаточным количеством кислорода, чтобы он стал легковоспламеняющимся и оставался горючим, не тратя при этом полную стоимость гелиевого дирижабля.

Еще одна хорошая мера безопасности — современные датчики. Гинденбург не мог очень легко измерить утечку, и многие дирижабли разбивались во время штормов или из-за человеческой ошибки, потому что датчики и современные средства контроля погоды не были доступны. Точно так же, как старые самолеты часто разбивались из-за штормов и человеческих ошибок, потому что у нас не было датчиков и данных управления погодой, чтобы поддерживать их в полете, но те же самые меры сделали их невероятно сложными для крушения (если только снова человеческая ошибка не приведет к отсутствию техническое обслуживание или конструктивный недостаток).

Тл, ДР:

Современные материалы, датчики, знания, дизайн, использование гибридных дирижаблей, меры безопасности и все те хорошие вещи, которые мы использовали для современных самолетов, сделали бы современный дирижабль чрезвычайно безопасным. Их способность в буквальном смысле выстрелить и все же совершить безопасную посадку через несколько часов делает их самыми безопасными и устойчивыми самолетами, доступными человечеству. Самым большим препятствием является общественное мнение и время + деньги для разработки хороших дирижаблей. Самолеты строятся уже несколько десятилетий, и когда вы посмотрите на Airbus, мы увидим, что даже сегодня сложно реализовать большой проект самолета. Современные дирижабли были построены за последнее десятилетие или около того, но из-за общественного мнения трудно найти людей, готовых инвестировать и использовать дирижабли, что является основной причиной отказа дирижаблей, а не их фактической безопасности. Дирижабли безопасны, просто нужно время и деньги.

Краткий ответ: нет, вы не можете сделать безопасный водородный дирижабль.

Для этого есть основные физические и химические причины.

Во-первых, водород — наиболее легковоспламеняющийся элемент, воспламеняющийся в смесях с воздухом примерно от 4% до 94% водорода. Это означает, что малейшая утечка в любом направлении создает опасность (взрывного) воспламенения, а водородный пожар практически невозможно потушить (заполнение инертным газом является единственным практическим методом, который влечет за собой огромные потери веса из-за количества требуется, чтобы затопить всю оболочку дирижабля).

Во-вторых, дирижабли по своей природе должны быть хрупкими. Это машина, которая должна плавать, как мыльный пузырь; вся жесткая конструкция и полезная нагрузка должны иметь общую плотность, такую ​​же, как у воздуха (на рабочей высоте, которая обычно меньше плотности земли). Любая попытка укрепить планер обычно должна быть направлена ​​на то, чтобы сделать ту же конструкцию из мыльных пузырей легче, чтобы общее количество водорода, необходимого для плавания, уменьшилось, потому что уменьшение всего корабля лучше, чем его жесткость или прочность, в обоих случаях. стоимости и безопасности.

В-третьих, как отмечалось в комментариях, дирижабли должны швартоваться носом, а значит, каждому кораблю необходимо круглое пространство с радиусом чуть больше длины оболочки. Там, где авиалайнеры можно припарковать со скрещенными крыльями, так что на футбольном поле (любого вида) поместятся тысячи пассажиров, один дирижабль, который может перевозить пару сотен, не совсем поместится на том же пространстве. Кроме того, дирижабль (когда он пришвартован снаружи) должен иметь возможность поворачиваться вокруг швартовной башни, подобно кораблю, стоящему на якоре во время прилива или течения, потому что ветер меняется. Был случай, когда полный разворот ветра (сдвиг на 180 градусов без дуновения в промежуточных направлениях) перевернул дирижабль вертикально над швартовной мачтой, и, поскольку корабль был намеренно тяжелым во время стоянки,

В связи с этим они не могут быть загружены и выгружены с укрытыми пассажирами, как это делают современные реактивные самолеты — скорее, пассажиров в лучшем случае доставят на корабль на каком-нибудь высоком автобусе, и корабль будет подвержен движению при попытке погрузки пассажиров и груза (поскольку не может быть жестко привязан из-за своей хрупкости).

Были построены ангары для дирижаблей, которые очень хорошо защищают дирижабль, но они по-прежнему занимают огромное количество (дорогой) недвижимости по сравнению с ангарами для самолетов (они достаточно большие, чтобы иметь свою собственную погоду внутри ) , и это долгий и медленный процесс перемещения дирижабля в ангар и из него, при этом малейшая турбулентность или боковой ветер могут привести к катастрофе.

Другой проблемой является «водородное охрупчивание». Большинство, если не все металлы, находящиеся в контакте с водородом, поглощают газ кристаллической матрицей металла. Затем водород вызывает образование дефектов в решетке, в результате чего металл становится хрупким. Если водород никогда не соприкасается с металлической структурой, это хорошо, но водород также диффундирует практически через все остальное (не так плохо, как гелий, молекула больше, но все же диффундирует). Это также означает, что вы не можете предотвратить утечку водорода.

Наконец, дирижабли медленны . « Гинденбург» — возможно, самый совершенный дирижабль, когда-либо находившийся в коммерческой эксплуатации, — имел максимальную скорость около 100 миль в час и крейсерскую скорость около 80 миль в час (160 и 130 км/ч соответственно). Потребовалось несколько дней , чтобы пересечь Атлантический океан из Германии в Нью-Йорк. Это было сравнимо с самолетами того времени, за исключением того, что Гинденбургмог совершить беспосадочный перелет, чего не могли самолеты начала-середины 1930-х гг. Однако с тех пор скорость самолетов увеличилась примерно в четыре раза (для коммерческого транспорта), а дирижабли, скорее всего, не могут сделать это просто из-за количества энергии, необходимой для того, чтобы пробить этот огромный газовый мешок через атмосфера. Самая высокая крейсерская скорость предлагаемого современного дирижабля, которую я видел, составляла около 200 миль в час (320 км/ч).

Да, по крайней мере, в какой-то степени.

Весь прогресс, который у нас есть, помогает, все новые материалы и подходы - мы определенно можем сделать лучше, чем это было сделано 90+ лет назад.

А за плечами LZ 127 590 полетов, 17 177 часов и 1,7 млн ​​км пробега. И у него был водород в качестве подъемного газа, так что водород был частью его топлива, этого газа Блау . И это неплохо даже по современным меркам.

с современными материалами и технологиями мы уверены, что можем улучшить его и ожидать от него большей безопасности и пробега.

Однако это не значит, что мы можем сделать это сразу, это прерванная технология, даже если есть какие-то современные версии дирижаблей. Но если мы хотим, чтобы его использовали чаще, нам нужно будет пройти через этапы разработки, тестирования, эксплуатации, улучшения и созревания.

Водород - не единственный подъемный газ, еще метан - да, он имеет половину подъемной силы, но если учесть еще и газ Блау, то средняя подъемная сила ЛЗ - 100 тыс. м3 водорода и 30 тыс. м3 газа Блау - средняя подъемная плотность доступного газа объемы были 0,370кг на кубометр, а метан 0,657кг - значит разница в грузоподъемности 70% от его водородного аналога.

Они использовали газ Блау для сохранения такой же плавучести во время полета, но мы, как углеродно-нейтральная сторона, можем легко сжать некоторый процент СО2 из выхлопа двигателя для той же цели, это не требует больших усилий.

какая разница

проницаемость водорода печально известна, и это одна из проблем, чтобы сделать вещи более безопасными, и метан лучше подходит для наших целей в этом аспекте. Так как он доступен в больших количествах с полки.

Метан также является продуктом и значительной частью природного газа, который перевозится на большие расстояния перевозчиками СПГ и КПГ . Они везут этот газ в сжиженном виде или в сжатом (при 250 бар), так что этот газ транспортируется по трубам в огромных объемах, где есть трубы. То есть есть потребность возить его в больших объемах.

У всех трех подходов есть свои минусы и плюсы, сжижение не бесплатное, давление 250 бар довольно требовательно для больших объемов, нужно строить трубы, и у них нет гибкости в том, куда они доставляют материал, и т. д.

Дирижабли могут стать еще одним средством доставки природного газа, что может способствовать развитию и совершенствованию этой технологии.

Преимуществом является отсутствие необходимости сжижать газ, сбрасываемый большими установками, предназначенными для этого, и, в основном, заправка может происходить из скважины. Нейтральная плавучесть достижима при давлении менее 2 бар, что предъявляет меньшие требования к материалам, менее 250, так что это соответствует возможностям материалов, которые мы можем использовать для создания этого дирижабля.

Так, один танкер СПГ – это от 18 000 до 266 000 м3 сжиженного газа, 422 тонны на 1000 м3 сжиженного газа.

Для потенциального дирижабля, если половина грузоподъемности составляет массу конструкции этого корабля, то на каждые 400 т подъемного газа он может нести 200 т груза (например, нефти). или 1,25 бар без груза.

какие еще преимущества у него могут быть

Дирижабли не привязаны к земле или морю - поэтому их можно сократить, более прямые маршруты не ограничены ограничениями каналов, доставка может происходить тогда, когда это необходимо, нет необходимости в трубах до берега/порта.

с этим «400 т подъемного газа, он может перевозить 200 т груза» явно есть проблема, вы не можете выгрузить более 50% этого газа (не может быть слишком сильным, но другие подходы требуют больше действий, не обязательно того стоит), но есть еще одна вещь, которую другим средствам будет трудно получить - безэнергетическая доставка с использованием реактивных потоков , которые представляют собой высотные ветровые / воздушные потоки. (солнечная энергия также вариант)

Они предлагаются в качестве потенциального источника энергии, потому что « ветры на больших высотах становятся более устойчивыми, более устойчивыми и имеют более высокую скорость » . атмосферный эквивалент Starlink )

Все эти ветры тоже нуждаются в технологиях и имеют свои проблемы и приносят некоторые трудности, но ветровая энергия пытается вернуться даже на нефтяном танкере, так что ...

в чем мы лучше, чем в старые времена

Разнообразие материалов, доступных нам сегодня, и способов их придания формы и укрепления с помощью различных видов волокон (базальтового волокна достаточно, нет необходимости в углероде) - это ясно и очевидно, так как полезно сделать дирижабль, чтобы вернуться .

Менее очевидный для этого приложения, часто упускаемый из виду — мы намного лучше обнаруживаем вещи, в данном случае утечки газов и т. д.

если мы объединим это - в старые времена у них не было другого способа, кроме как иметь однослойную газовую ячейку, но мы можем иметь многослойную структуру, типичную стратегию двойного корпуса, используемую в индустрии нефтяных танкеров.

В конструкции есть 2 аспекта - обнаружение утечек и восстановление потерь газов из-за проницаемости или повреждения внутренней оболочки, а также предотвращение их смешивания с воздухом.

мы можем легко обнаруживать различные газы при концентрациях ppm (частей на миллион) или, что лучше, в зависимости от соотношения любых горючих смесей (частей на сотни). Таким образом, мы можем быть в курсе того, что и почему происходит внутри грузоподъемных объемов, и компенсировать некоторые естественные процессы (газопроницаемость) и небольшие утечки из-за износа. И таким образом мы можем сказать когда и для чего нужна услуга и скорее всего где она нужна и сколько.

• под двойными слоями я не имею в виду что-то радикальное, это может быть один и тот же газовый элемент, просто два слоя одного и того же (или нет) материала с некоторой прокладкой между ними, в которой может течь нейтральный газ, например, диоксид углерода (дихлорфторметан , пропан и т.д.), поток которого уносит любую утечку и собирается в каком-нибудь мембранном сепараторе, для рекуперации лифтинг-газа и размещения его обратно.

Эти два фактора являются основными факторами моего положительного ответа. неопределенность в основном связана с тем, что прогресс в других областях не делает нас автоматически успешными в проектировании и строительстве дирижаблей. необходимо провести множество исследований и разработок, а также приобрести некоторый опыт в их использовании и разглаживании изгибов, которые мы можем контролировать в начале.

практика делает совершенным, и есть коммерческие варианты использования технологии, помимо текущего использования, чтобы помочь развитию и использованию. Да и вообще в дирижаблях есть смысл, не хуже нынешних круизных морских кораблей. И это может позволить посетить места, до которых невозможно добраться только по морю.

Они имеют смысл в качестве средств доставки грузов на средние и дальние расстояния. если нет свободной энергии ветра, то они не могут превзойти морские перевозки, но на малых скоростях (20-40 км/ч) они ненамного уступают по эффективности железным дорогам, что потенциально ставит их на 3-е место по энергоэффективности при перевозке грузов. транспортировка.

Так что, возможно, мы ждем еще одного Илона Туска, у которого есть деньги и воля/вкус к ним.

По крайней мере, как это выглядит на салфетке, если мы углубимся в детали, это может выглядеть лучше или хуже, а может и нет, но некоторые разработки с современными подходами все же происходят, так что это не совсем сухое поле.

Текущий технический номер Ближайшее будущее.... может безопасно?

Безопасный? Может быть. Практичный? Сомневаюсь.

Чтобы сделать водородный дирижабль безопасным, нужно спроектировать его так, чтобы утечка и пламя не привели к разрушению корпуса воздушного судна.

Если бы современный «Гинденбург» загорелся в воздухе, он должен был бы восстановиться после сброса балласта. Если он загорается несколько раз так, что теряет подъемную силу и не может восстановиться, он должен быть в состоянии направиться к открытой площадке, сесть в поле, эвакуировать всех пассажиров и экипаж в течение 90 секунд после остановки (стандарт авиакомпании). ... никого не сжигая и не бросая насмерть!

Водород в воздухе сгорает при температуре 2045 градусов по Цельсию. Итак, вам нужно найти вещество, которое:

• чрезвычайно легкий.
• чрезвычайно силен
• герметичен
• не горит и не плавится при температуре 2000 градусов С

И построить свой дирижабль из этого.

Несколько слоев листов графена для газовых ячеек и углеродные нанотрубки для структуры. (Или углеродные нанотрубки для всей конструкции, если графен пропускает водород). При температуре плавления 3500-4000 градусов эти чудо-материалы выдерживают высокую температуру. Через какое-то время графен потеряет прочность при 900, но, немного поэкспериментировав, можно найти такую ​​конструкцию, что один газовый мешок, просачиваясь в воздух и воспламеняясь, просто сгорает, а не разрывает своих соседей и не вызывает цепную реакцию.

Графен также достаточно легкий, чтобы вы могли удвоить свои мешки с газообразным водородом, добавив дополнительную безопасность, так что прокол пропускает только крошечный запас водорода на краю, а не весь мешок.

Нет, это не сделает дирижабли снова практичными — особенно с учетом того, что производители самолетов действительно рассматривают самолеты с водородным двигателем. Но их можно было уберечь от огненной смерти.

Аэрогель, наполненный водородом

Аэрогель представляет собой синтетический твердый материал с очень низкой плотностью, большая часть которого состоит из газа . Графеновый аэрогель без воздуха в семь раз легче воздуха. Если он заполнен водородом, а не атмосферным воздухом (в основном азотом), такой аэрогель будет намного легче воздуха. Поскольку водород не может гореть без контакта с кислородом, вам просто нужно запечатать блоки аэрогеля тонким воздухонепроницаемым слоем. Я полагаю, что при сильном воздействии огня материал будет легко воспламеняться, но не взрывоопасен. Вероятно, это было бы безопаснее, чем баки с реактивным топливом, которое может быть довольно взрывоопасным. Разделение между огнеупорными стенами в сочетании с системами газового пожаротушения, вероятно, сделает его очень безопасным.