Насколько функциональными/универсальными будут дирижабли, использующие воздушные шары идеального вакуума?

Вкратце: В моем мире есть дирижабли, использующие вакуумные сферы, сделанные из сверхпрочного и легкого материала. Я хотел бы знать, насколько универсально можно использовать такие дирижабли и насколько велики будут сферы по сравнению с остальной частью корабля.

Предыстория и математика:

Я создаю фэнтезийный мир в стиле стимпанк/магипанк, в котором много летающих островов, что, естественно, означает, что вам нужно летать, чтобы передвигаться. Кроме того, в этом мире есть волшебный материал, который одновременно очень прочен и легок (среди других уникальных свойств).
Визуально он больше похож на стекло, чем на металл, но для целей этого вопроса давайте назовем его Бескаром, потому что так же, как мандалорец в настоящее время несет франшизу «Звездные войны», я намереваюсь использовать этот материал для перевозки дирижаблей за счет плавучести.

Функционально это будет работать через создание «заполненных вакуумом» сфер с корпусом Бескара. Я еще не определился с точной плотностью или прочностью Бескара, поэтому они все еще гибкие. Однако предположим, что прочности достаточно; требуется уровень силы Халка, чтобы сломать 1-сантиметровый столб, сделанный из Бескара. Обычно я не люблю размахивания руками или системы мягкой магии, но мне нужен сверхпрочный материал, поэтому он будет настолько прочным, насколько это необходимо.

В первом приближении, предполагая, что сфера имеет радиус 5 метров, мы можем рассчитать объем примерно 523,6 м³. Согласно одному калькулятору плавучести, который я нашел в Интернете, и при плотности воздуха 1,225 кг/м³ масса перемещенного объема (и, следовательно, вес, который он может нести) составляет примерно 640 кг.
Если предположить, что корпус Бескара будет иметь толщину 0,5 см (т. е. полая сфера с радиусом 5,01 м), это означает, что мы имеем примерно 525,2 м³ минус 523,6 м³, или примерно 1,6 м³ Бескара. Поскольку это приспособление действительно должно плавать, я заявлю, что Бескар имеет плотность около 140 кг/м³. Я знаю, что это легче, чем любой твердый материал в реальном мире (даже некоторые аэрогели весят больше, если мой поиск в Google точен), но какой смысл в магии, если все точно так же, как в реальном мире?
(Быстрое вычисление: 10-метровая сфера: 6,3 м³ или 880 кг Бескара, грузоподъемность 5,1 тонны. Эффективность подъема составляет 83% по сравнению с 72% у 5-метровой сферы. 20-метровая сфера: 25 м³ или 3,5 тонны Бескара, грузоподъемность 41 тонна, КПД 92%.В этих расчетах предполагается та же толщина корпуса 0,5см)

Проблема:

В отличие от базовой математики, приведенной выше, меня действительно интересует и я не могу судить о том, насколько практичным будет такой дирижабль. В основном потому, что я ничего не знаю о кораблях и их конструкции. Цеппелины в реальном мире — это гигантские воздушные шары со сравнительно крошечной кабиной, что непрактично и не то, что мне нужно (есть причина, по которой цеппелинов, как правило, больше нет, кроме как в качестве туристических достопримечательностей).

Таким образом, насколько жизнеспособным будет дирижабль с этой технологией? Будет ли он немного лучше, чем Цеппелин, сможет ли он использоваться в качестве приличного транспортного средства, не будучи на 98% воздушным шаром, или будет ли он даже жизнеспособным в качестве грузового корабля или военного корабля с толстой броней? И насколько большими будут сферы по сравнению с остальной частью корабля?
Дополнительное примечание, поскольку оно, вероятно, актуально: Бескар можно получить только за значительные суммы денег, так как, хотя он далеко не редок, его чрезвычайно сложно собрать и обработать. Таким образом, я мог бы спроектировать такие корабли так, чтобы несущий каркас был сделан из бескара, если это функционально необходимо, или покупатель — Бефф Джезос, но пол, стены и т. д., скорее всего, будут деревянными или металлическими. Если можно, меня интересует жизнеспособность как со скелетом Бескара, так и без него.

Вы сказали "магия/стимпанк". Какое оружие будет использоваться и от чего должна защищать броня? Если мы говорим о морских пушках, вам понадобится примерно одна Бескарская сфера на бортовое орудие, не считая боеприпасов. Если оружие представляет собой хрустальные посохи, бросающие огненные шары и весящие столько же, сколько стеклянный стержень, то это совершенно другой расчет (и потребуются другие подходы к доспехам). А как насчет движения - что доступно? Какой-то волшебный направленный воздух, или мы застряли на механических связях и пропеллерах? Что создает движущую силу?
Кроме того, причина, по которой цепплинов нет рядом, не имеет ничего общего с их отношением объема к массе, а больше связана с максимальной скоростью около 120 км/ч. Перевозка провизии и оборудования для двухдневной поездки из Нью-Йорка в Лондон далеко не так эффективна, как размещение людей, испытывающих умеренный дискомфорт, в креслах самолета в течение 6 часов.
Водород имеет 93% подъемной силы вакуума, а гелий — 86% ( en.wikipedia.org/wiki/Vacuum_airship#Principle ), поэтому грузоподъемность вашего дирижабля немного выше, чем у реального дирижабля того же размера. У него все те же недостатки, большой размер, что означает, что он медленный (больше площадь поверхности = больше аэродинамическое сопротивление) и уязвим для плохой погоды (большое поперечное сечение = очень восприимчив к ветру). Так что это немного лучше, чем дирижабли из реального мира, но не намного лучше.
Движущей силой @jdunlop на старых моделях или гражданских / торговых кораблях были бы паруса или летающие тягловые звери. Более новые и особенно военные модели будут оснащены турбинами с магическим приводом (таким образом, вес источника энергии не имеет значения). С точки зрения защиты, защита сфер не представляет большой проблемы, так как они достаточно надежны сами по себе. Оружие, скорее всего, будет ручным устройством, таким как пистолеты или более примитивное метательное оружие, или, в лучшем случае, может быть какой-то установленный магический рельсотрон (еще не задумывался об оружии). [будет второй комментарий]
В целом, бои между кораблями случаются нечасто, так как народы мира имеют общего врага и не могут позволить себе вести войны друг против друга (вспомните белых ходоков из «Игры престолов», за исключением того, что они не миф). и поэтому лидеры не так невежественны). Пираты, конечно, вещь, но в целом оружие в основном предназначено для уничтожения отдельных существ, а не целых кораблей (к чему у народов нет стимула, да и пираты не захотят, так как дирижабль, скорее всего, больше ценнее, чем его груз). Так или иначе, броня предназначалась в основном для защиты людей от снарядов.
Магический бой существует, но пользователи магии не очень распространены, а дирижабли обычно не предназначены специально для того, чтобы выдерживать шквал магических атак (причины см. в моем предыдущем комментарии). Аспект мира «магипанк» больше связан с магическими материалами и их свойствами, а не с тем, что Гэндальфы и Дамблдоры стреляют из магических лазерных винтовок.
Дирижабли не могут использовать паруса для движения . Парус тянет лодку по воде — он использует границу между водой и воздухом, на которой стоит лодка. Без этой границы использование ветра — это просто вздутие или дрейф ; ни одна из классических лодочных техник (например, лавирование) не работает.
@user535733 user535733 Я ничего не смыслю в парусном спорте, но знаю, что на дирижабле можно плыть только по направлению ветра. Это, однако, очень простой способ движения или поворота. Кроме того, ветер в моем мире часто меняет свое направление, позволяя при необходимости часто менять направление, а если нет, то можно спускаться или подниматься на разную высоту, чтобы дотянуться до ветров, дующих в другом направлении. Для тонкой настройки управления (например, в гавани) доступны летающие тягловые животные.
Какая сила/явление удерживает острова в воздухе, и почему это нельзя использовать вместо дирижаблей? Обычно лучше использовать одно и то же явление дважды, чем изобретать второе. Даже если вакуумные системы возможны в действительности, они неэффективны, как отмечают другие, а это означает, что вам нужно два взмаха руки вместо одного.
@AdamReynolds острова плавают благодаря ядрам, которые фиксируются в пространстве. По понятным причинам это означает, что тот же принцип нельзя использовать для полета.
Одна проблема заключается в том, что вакуумному дирижаблю нужны баки, а не воздушные шары. Резервуары для удержания вакуума, вероятно, будут намного тяжелее, чем баллоны с подъемным газом. Это сводит на нет небольшую потерю эффективности использования подъемного газа.
@NomadMaker - центральное тщеславие поста ОП заключается в том, что у них есть невероятно прочный и невероятно легкий металл, из которого можно делать танки.
@jdunlop это правда, но NomadMaker прав. Мне пришлось бы сделать Бескара абсурдно прочным и легким, чтобы сделать его лучше, чем обычный воздушный шар, наполненный газом. При этом я в основном выбрал вакуумно-сферические дирижабли, потому что я думаю, что они крутые, а не потому, что я думал, что они по своей сути превосходят концепцию (хотя они значительно менее жизнеспособны, чем я изначально думал).
И если бы вы использовали Бескар для создания своего воздушного шара, воздушный корабль был бы более эффективным, чем корабль-сосун. Я думаю, что дирижабли — это круто, но я не использую их в своих историях, потому что в наши дни это будет раздражать.

Ответы (8)

Давайте поговорим о практичности дирижабля, а не о грузоподъемности.

  1. Взлет и посадка.

    Это, безусловно, самая опасная часть путешествия на дирижабле. Ветер у земли непредсказуем. Один неожиданный сдвиг может (и действительно!) разрушить дирижабль за считанные секунды. Это была гонка за то, чтобы доставить приземлившийся корабль в ангар или должным образом привязать до того, как произойдет неизбежный смертельный порыв ветра. Точно так же это была гонка за то, чтобы привести в порядок загруженный корабль и вернуть его в воздух.

    Поскольку ветер во многих местах (например, в прибрежных городах) имеет некоторые предсказуемые изменения в суточных циклах, корабли не могут взлетать или приземляться в это известное время. Осадки добавляют опасности. Молния представляет собой особую угрозу, поскольку громоотводы не могут быть легко использованы. Ночные операции также очень опасны — наземная команда слишком легко может залезть в яму на посадочной площадке.

    Носить якорь, достаточно тяжелый, чтобы быть полезным, дорого (и довольно грубо бросить его на город, который вы посещаете). Поэтому ваши корабли будут зависеть от крупных местных наземных бригад, хватающихся за канаты и использующих свои мускулы и массу, чтобы спустить корабль с неба.

    Сама тихая, небольшая посадочная площадка должна быть не менее 1 км с каждой стороны. Оживленные городские посадочные площадки должны быть намного больше. Ваши дирижабли неуклюжи и медленны — они будут приближаться со случайных направлений, когда ветер меняется, и сила зверя будет иметь лишь небольшое значение из-за огромного аэродинамического сопротивления.

    Они также будут медленно подниматься и опускаться; как подтвердит любой ребенок, который пытался бороться с плавучестью мяча в бассейне, для борьбы с плавучестью требуется МНОГО сил... и вакуумный корабль не может легко сбросить газ, чтобы опустить корабль. (Примечание для себя: не забудьте добавить вес вакуумного насоса(ов) к собственному весу корабля. И эта технология для изготовления вакуумных насосов необходима.)

  2. Погода

    Во время Первой мировой войны плохая погода уничтожила столько же дирижаблей, сколько боевых. Обычная, ничем не примечательная гроза в середине лета, как известно, разорвала авианосец «Шенандоа» над Огайо, обрушив дождем тела на скучные равнины внизу.

    Дирижабли зависели от точных и часто обновляемых сводок погоды со станций на пути следования. Обновление информации о погоде на маршруте было основной задачей штатного радиста. Пересмотр прогнозируемого маршрута на основе обновленных сводок погоды был основной задачей штатного штурмана.

    Это означает, конечно, что вам нужна связь на большие расстояния для обмена данными о погоде между станциями, а также способ связи этих наземных станций (например, гелиостаты или семафоры) с пролетающими дирижаблями как днем, так и ночью.

    Воздушные корабли имели тенденцию подниматься днем ​​и опускаться ночью по мере того, как водород нагревался и закрывался, а затем охлаждался. К счастью, у вас нет этой проблемы с вакуумом.

    Облака и туман раздражают, так как могут скрывать опасности (землю, горы, звезды, ориентиры, другие корабли). Но облака и туманы, которые длятся несколько дней, представляют опасность для жизни, когда корабль больше не может измерять свое положение или высоту. Graf Zeppelin нес туманный горн для измерения высоты в склонной к туману долине реки Роны.

  3. Навигация

    Дневная навигация в чистом воздухе над известными ориентирами довольно проста. Но солнце садится, или плохая погода закрывает обзор, или кораблю нужно отправиться в новое место.

    Вашим кораблям нужны точные карты. Им нужны компасы, чтобы определить направление. Им нужны точные и точные инструменты — секстант, часы, эфемериды — для определения широты и долготы. Им нужны барометры, линейки, шумовые устройства и прожектор, чтобы измерять высоту.

    Навигация на дирижаблях основана на вероятностях и управлении рисками. Если вы летите из Токио в Сингапур, вам все равно, какая сейчас погода в Сингапуре; вы пытаетесь предсказать, какая погода будет через 30 часов. Какого направления, вероятно, будет ветер? Это сезон дождей? Как тогда можно подойти к посадочной площадке с наветренной стороны? Сможете ли вы прибыть за три часа до захода солнца, чтобы успеть посадить корабль до того, как ветер переменится? Ветры возле Вьетнама указывают на циклон или нет? Если это циклон, с какой стороны вы хотите ехать? Как это изменит время вашего прибытия? Если вы хотите избежать опасных ночных посадок, есть ли безопасный альтернативный маршрут, который медленнее и прибывает на следующее утро? Капитан должен принять решение? Если да, то когда уже слишком поздно для принятия решения? Есть ли промежуточные станции, через которые вы можете пройти, чтобы получить обновленную информацию?

    Вы можете понять, почему навигация — это работа на полный рабочий день и почему хорошие штурманы должны хорошо оплачиваться.

относительно USS Shenandoah: согласно Википедии, он, по-видимому, был разрушен, потому что поднимался и опускался слишком высоко/слишком быстро, а перепад давления стал слишком большим. Это не было бы проблемой здесь. Кроме этого, я ценю ваш вклад! :)
это отличный ответ! только придираюсь - не изменится ли плавучесть вакуумных сфер в зависимости от температуры? наружный воздух станет менее плотным по мере повышения температуры, и, следовательно, сфера станет менее плавучей - должен быть какой-то способ контролировать это.
@ user535733 правда, это опасно - я имел в виду только то, что мои дирижабли будут намного надежнее. Конечно, это не облегчает навигацию, и вы все еще можете врезать дирижабль в гору, что повредит корабль, даже если части Бескара не треснут. При этом я полностью рассчитывал, что дирижабли будут пилотировать только высококвалифицированные капитаны.
@lupe, это немного менее плохо, чем подъемный газ, потому что, по крайней мере, нагрев самого дирижабля не имеет большого значения, что он делает с подъемным газом. Но в любом случае необходим какой-то метод управления плавучестью.
@JanHudec Я подозреваю, что на самом деле это будет хуже, чем с подъемным газом. Проблема в том, что при изменении давления воздуха мешок с водородом будет расширяться или сжиматься в соответствии с законом идеального газа, противодействуя изменению плавучести. Но корпус, полный вакуумных сфер, не будет. Таким образом, хотя плавучесть не сильно изменится с температурой, она резко изменится с давлением воздуха, и я подозреваю, что это будет более серьезной проблемой.
@ Натаниэль, с вакуумом плавучесть будет меняться в зависимости от давления воздуха (на самом деле, плотности), но это будет хорошо, потому что это сделает дирижабль стабильным на высоте. С подъемным газом вы также можете получить этот эффект, не позволяя подъемному газу расширяться - газовые ячейки не гибкие , поэтому он может расширяться только настолько, насколько вы выпускаете воздух из баллонетов.
@JanHudec Я хочу сказать, что я предполагаю, что высота, на которой самолет стабилен, будет довольно сильно меняться в зависимости от погоды, и нет простого способа ее контролировать. (Могу ошибаться, расчетов не делал.)
@ Натаниэль, конечно, нужен метод управления им. И да, это проблема. При подъемном газе используются баллонеты, в которые вдувается воздух, который немного сжимает газ и уменьшает плавучесть (и компенсирует расширение при изменении давления). Но перепад давления затрудняет использование баллонов с вакуумным дирижаблем.
«а вакуумный корабль не может легко сбросить газ, чтобы опустить корабль». - На самом деле вы можете: просто впустите немного наружного воздуха внутрь вакуумных пузырей, это увеличит общий вес и будет иметь тот же эффект, что и уменьшение размера заполненных газом пузырей, которые вы бы имели на воздушном корабле с газ-трюмом, уменьшая плавучесть. соответственно. Выкачивая этот воздух снова, вы уменьшаете вес.
@PaŭloEbermann Да, если у вас есть эффективные, производительные и портативные вакуумные насосы. Есть ли это в мире ОП, кажется спорным. Может быть, это так, может быть, это не так.

На 16% функциональнее/универсальнее существующих гелиевых дирижаблей.

Это не лучшее использование Бескера в вашем мире.

Как уже было указано в комментариях; Водород имеет 93% подъемной силы вакуума, а гелий — 86%. Улучшение от гелия до вакуума составляет улучшение на 16%, так что это прирост производительности, который вы получили от реального мира. Не так много в схеме вещей.

Ваши бронированные боевые воздушные корабли на 16% практичнее лучших боевых воздушных кораблей, которые у нас есть сегодня. Ваша грузовая сеть на 16 % более практична, чем наша нынешняя грузовая сеть дирижаблей. Если стоит выбор между дирижаблями из бескера и изоляцией - делайте дирижабли, но это не какая-то прорывная технология.

С точки зрения прочности на кг, бескер звучит как удивительный материал, там есть углеродные нанотрубки и графен по шкале удельной прочности , если у вас есть плавучие острова, которые вам нужно соединить:

  • скрутите из бескера что-то вроде стального каната, натяните его между островами и постройте себе транспортную сеть, похожую на лыжный подъемник. Или
  • построить мост из бескера между островами. Этот материал должен быть в состоянии пролететь десятки километров без опор. Если острова дрейфуют на ветру, звук бескера достаточно силен, чтобы остановить это и удержать острова в жесткой форме.
Коррекция – это на 7% эффективнее. Если бы мы сегодня вернулись к дирижаблям, мы, вероятно, вернулись бы к водороду. Проблемы с катастрофами дирижаблей были в основном из-за конструктивных недостатков, таких как одноэлементные воздушные шары и смехотворно воспламеняющиеся покрытия (кожа «Гинденбурга», по-видимому, могла использоваться в качестве разжигателя огня). Сегодня мы не используем дирижабли не из-за легковоспламеняемости дирижаблей, а потому, что даже при 200% грузоподъемности гелия и отсутствии риска возгорания они не были бы нашим выбором — они большие, медленные и с трудом передвигаются. ветры.
Также имейте в виду, что независимо от того, насколько прочен материал, для воздушного шара, наполненного водородом или гелием, потребуется значительно более тонкая оболочка, потому что нагрузка на нее намного меньше, что еще больше снижает разницу в производительности.
@DanW Коммерчески доступный сегодня грузовой дирижабль производства Lockheed Martin, LMH1, на самом деле использует гелий, поэтому ответ правильный. Aviationweek.com/aerospace/…
@ user662852 - да, но мы используем гелий, потому что у нас иррациональный страх перед водородом. Поскольку мы не используем много дирижаблей — люди все равно не доверяют дирижаблям, и они непрактичны — мы можем позволить себе гелий, но если они серьезно взлетят, нам придется переключиться на водород. В автомобилях существует аналогичный иррациональный страх перед водородом, хотя исследования показывают, что они менее опасны, чем бензин.
@user662852 user662852 но в любом случае дирижабли сегодня большая редкость. Более полезным будет сравнение с дирижаблями в период их расцвета, которые были водородными. Вакуумные дирижабли Handwavium поднимают на 7% больше, чем дирижабли, которые мы использовали раньше.
@DanW Я не верю в это, во времена расцвета дирижаблей ВМС США USS Macon и USS Akron использовали гелий. Насколько я понимаю, ключевой вопрос заключается в том, что Соединенные Штаты имеют обширные запасы гелия, расположенные на нефтяных месторождениях, к которым у Германии был очень ограниченный доступ, и у нее не было другого выбора, кроме как использовать водород.
@ user662852 да, США использовали гелий, так как у них были запасы. Но, как вы говорите, больше никто этого не делал, поэтому все лучшие дирижабли использовали водород, кроме тех немногих американских.
@user662852 user662852 в любом случае разница в подъеме минимальна, потому что они и так легкие. Скачок от гелия к водороду не так уж значителен, а скачок от водорода к вакууму примерно такой же.
Дополнительная безопасность от использования гелия должна быть значительной, так как именно его используют все современные дирижабли. Водород был бы значительно дешевле, а дополнительная подъемная сила на 10% — это много. Тем не менее, современные конструкции спроектированы таким образом, что для взлета действительно требуется тяга, что облегчает маневрирование.

Как я рассчитал в своем предыдущем ответе

Возьмем идеальный случай, когда объем в баллоне полностью лишен воздуха, баллон не пропускает воздух и выдерживает внешнее давление. Это означает, что кубический метр этой пустоты будет иметь подъемную силу, эквивалентную весу вытесненного воздуха, что означает около 12 Н. Это означает, что для подъема 100-килограммового груза воздушному шару потребуется объем примерно 1000 / 12 ≈ 84   м 3 .

Это самый компактный воздушный шар, который вы можете получить, потому что любой другой подъемный газ будет плотнее вакуума. Однако только вакуум требует дополнительного усиления конструкции, потому что вся конструкция должна выдерживать атмосферное давление, а любой другой газ обеспечит это бесплатно. Если вы этого не сделаете, это произойдет

введите описание изображения здесь

Короче говоря, то, что вы получаете с грузоподъемностью, вы теряете с неоплачиваемой нагрузкой.

Альтернативное видение:

ЛЕТАЮЩИЕ КРЫЛЬЯ : Почему бы из такого прочного и легкого материала не сделать очень тонкие (относительно) легкие дирижабли, похожие на гигантские летающие крылья .которые окажутся на плаву, если перестанут двигаться? Летающие крылья имеют довольно большой внутренний объем и низкое лобовое сопротивление. Они обладали бы всеми лучшими качествами самолета и дирижабля. Благодаря прочности и легкости бескара, неправильные формы могут быть «заполнены» вакуумом (или несколькими небольшими карманами вакуума). Та же самая сверхпрочность означает, что корабли будут использовать свои вакуумные баки в качестве защиты от атак. Поскольку он аэродинамический, он быстрый, плюс, если его проколоть, аэродинамика должна удерживать его в воздухе, даже если он теряет плавучесть (по крайней мере, достаточно долго, чтобы пройти путь и приземлиться). Возможно, вы сможете перегрузить свои дирижабли и использовать аэродинамику, чтобы компенсировать избыточные нагрузки (обеспечить достаточную тягу).

СОЗДАНИЕ ВАКУУМА : Создать вакуум в реальной жизни намного сложнее, чем может показаться. Но что, если это не проблема? Если у вас есть чрезвычайно эффективные насосы для создания вакуума (например, для телепортации воздуха), вы можете накачивать воздух в вакуумные камеры и из них, чтобы корабли могли легко контролировать плавучесть. На самом деле аммиак был предложен в качестве подъемного газа именно потому, что его можно конденсировать при охлаждении для уменьшения подъемной силы, а затем испарять для повторного надувания пустых подъемных камер для превосходного контроля. Поскольку вы на самом деле не используете подъемный газ, но, похоже, можете легко создавать вакуум, это будет просто включать в себя наполнение обычным воздухом, а затем его удаление при необходимости. Это также означает, что вы можете заполнить дирижабль на земле для устойчивости, а затем опорожнить воздух для взлета / полета.

САМОЛЕТ: Изготовление нестандартных форм потребует гораздо больше материала, а вы сказали, что это дорого. Вы рассматривали это для кораблей, которые НЕ ДОЛЖНЫ быть дирижаблями? Большая секция самолета, заполненная такой камерой, означала бы, что общая масса корабля была легче, что позволяло легче нести плотные полезные грузы. Кроме того, в случае потери мощности самолет, который не обладает достаточной плавучестью, может скользить по земле, как перышко. Большие, легкие самолеты могут двигаться быстро, когда это необходимо, но при необходимости двигаться довольно медленно, поэтому они могут быть очень хороши для создания самолетов вертикального взлета и посадки, которые могут летать быстро, а затем слоняться в области, используя минимальную мощность (в отличие от зверей). которые используют современные армии, требующие массивных двигателей, реактивных двигателей и огромных пропеллеров).

Корабль может быть аэродинамическим или плавучим, но не тем и другим одновременно. Плотность воздуха примерно на три порядка меньше, чем у любой другой вещи, которую вы обычно носите с собой. Так что, если вы хотите поддерживать груз плавучестью, кораблю все равно нужно в тысячу раз больше свободного пространства, чем занято грузом, и это увеличение объема будет сопровождаться огромным увеличением сопротивления. Аэродинамическая подъемная сила намного эффективнее (за счет постоянного источника питания).
@Jan Hudec Сочетание сверхсильного сверхлегкого и магии с вакуумом в OP предполагало что-то на грани плавучести, поэтому я также предложил почти плавучий самолет или что-то, что по сути было самолетом, но со свойствами дирижабля. Однако я не инженер, поэтому не могу сказать, что будет работать с магическими материалами и двигателями.

Проблема в том, что вакуум не так уж много дает вам по сравнению с наполнением ваших воздушных шаров водородом или гелием. Воздух представляет собой смесь примерно 80 % N2 и 20 % O2 (с некоторыми другими веществами, которыми я пренебрегаю для простоты). Молекулярные массы N2 и O2 равны 28 и 32 соответственно. Таким образом, среднее значение для воздуха составляет около 29.

Воздух при 0 °C и давлении на уровне моря весит 1,293 кг/м^3. Таким образом, если у вас есть воздушный шар, который держит идеальный вакуум (и сам воздушный шар невесом), то он может поднять 1,293 кг на каждый кубический метр воздушного шара.

Водород имеет молекулярную массу 2. Если этот воздушный шар наполнить водородом, он будет весить 0,089 кг/м^3, поэтому он может поднять 1,204 кг на каждый кубический метр. Точно так же для гелия он поднимет около 1,1 кг. Это показывает, что от использования вакуума не так уж много преимуществ.

С вашими цифрами водородный дирижабль все равно превосходит!

Итак, вы говорите, что эвакуируемому аэростату радиусом 5 м нужна оболочка толщиной 5 мм со средней плотностью 140 кг/м³ (скорее всего, это будет не сплошная, а сотовая структура; а потом она может быть и толще, потому что нужна толщина для прочность на изгиб), который весит 220 кг.

Но воздушный шар радиусом 5 м, наполненный водородом, содержит только 46,6 кг водорода. Так что если вы можете сэкономить 50 кг, используя менее прочную оболочку, вам лучше.

Не могли бы вы? Конечно!

  • Вакуумной оболочке нужна прочность на изгиб (иначе она смялась бы при легком искажении). Прочность на изгиб исходит от одной стороны материала, которая сопротивляется сжатию, в то время как другая сторона сопротивляется растяжению (а середина ничего не делает, поэтому сотовая структура будет лучше, чем сплошная оболочка). Таким образом, требуется больше материала, чем для чистого сжатия или растяжения. Я не уверен, насколько сильной должна быть сила при изгибе; это не прямой расчет.
  • Если бескар и является чем-то вроде обычных прочных материалов, то на растяжение он гораздо прочнее, чем на сжатие.
  • Наполненный водородом воздушный шар должен выдерживать примерно ⅕ перепада давления. Вы можете поддерживать давление водорода чуть выше атмосферного, заполняя и опорожняя балансировочные баллоны внутри и выпуская некоторое количество водорода в аварийной ситуации.

В совокупности это означает, что оболочка может быть как минимум на один, а то и на два порядка легче. Даже обычный воздушный шар из ткани будет весить всего около 40 кг при таком размере, а у вас гораздо более прочный материал. То есть вы экономите минимум 200 кг, поддерживая конструкцию изнутри 50 кг водорода. Прирост полезной нагрузки 150 кг!

Контроль

Затем возникает вопрос контроля. Водородные дирижабли имеют баллоны внутри подъемных шаров, которые вдуваются в них воздухом. Это поддерживает давление при изменении высоты и позволяет регулировать давление и, следовательно, подъемную силу. Это работает, потому что баллонеты гибкие.

Но ваши вакуумные оболочки не гибкие. У вас могут быть гибкие воздушные шары внутри, которые вы заполняете балластом, чтобы уменьшить плавучесть, но для их опорожнения снова требуются мощные вакуумные насосы. Воздуходувки для баллонетов в дирижаблях, наполненных гелием, могут быть легкими, потому что им не нужно работать с большими перепадами давления.

Безопасность

И не забывайте о дополнительной безопасности. Пробитие эвакуированного снаряда (вы сражаетесь с кораблями, не так ли?) вызвало бы очень быстрый выброс воздуха. Это создаст сильные силы, которые, вероятно, еще больше разорвут оболочку и, вероятно, приведут к довольно быстрому схлопыванию поврежденного воздушного шара — и соответствующей внезапной потере подъемной силы.

Но, судя по практическому опыту Первой мировой войны, дирижабли, наполненные водородом, довольно трудно сбить. Проникновение в подъемный баллон вызывает утечку, но, поскольку перепад давления невелик, вероятность распространения повреждения меньше, особенно если вы добавите рип-стоп структуру. И утечка достаточно медленная, так что вы не упадете, просто начнете очень медленно тонуть. Во время Первой мировой войны истребители часто высыпали в дирижабль-бомбардировщик сотни пуль, и он все же добирался до дома!

Конечно, вы хотите, чтобы дирижабль состоял из нескольких подъемных шаров в любом случае. Но коллапс эвакуированного аэростата всегда будет более резким и, следовательно, вызовет больше проблем.

Я полагаю, что воздушные шары, наполненные водородом, лучше (если только я не превращу Бескара в Мэри-Суэйум и не придам ему почти никакого веса). Но важный вопрос: что круче? ^^
@PixelMaster, я не нахожу вакуумные дирижабли очень крутыми, и чрезвычайно прочный материал, который им нужен, сильно нарушает баланс мощности (конечно, его следует использовать и для многих других вещей; во многих областях это окупится больше, чем дирижабли, особенно оружие и броня).
Он, конечно, используется и в других областях, но суть вопроса не в этом.
@PixelMaster Буксируемые дирижабли Dragon (или большие птицы) звучат намного круче, даже если они заполнены совершенно обычным гелием. Или планеры, буксируемые драконами, может быть, даже больше — драконы используют динамическую подъемную силу, поэтому они могут тянуть планер с неподвижным крылом тяжелее воздуха. И хотя паруса не работают, у вас могут быть большие пропеллеры с приводом от волов для медленно летящего, но мощного торгового дирижабля.

Другие ответы правильно указывают на то, что вакуумные дирижабли будут примерно на 16% лучше, чем гелиевые. Тем не менее, между вакуумом и газом все еще есть одно важное различие, которое влияет на то, как летит дирижабль: у газовых дирижаблей плавучесть постоянна, не зависит от высоты, плавучесть будет выше на малых высотах, и дирижабль будет стремиться оставаться на постоянной равновесной высоте.

В наших дирижаблях газ в мешках находится под тем же давлением, что и внешний воздух, и при правильном управлении (например, избегая слишком быстрых спусков) также при той же температуре. Поскольку плотность газа и воздуха обратно пропорциональна давлению и прямо пропорциональна температуре, плотность газа и плотность воздуха изменяются одинаково. Поскольку плавучесть равна весу вытесненного воздуха, этот вес остается постоянным, а плавучесть постоянна на всех высотах и ​​температурах.

Однако в жестком вакуумном воздушном шаре объем постоянен, но плотность воздуха меняется в зависимости от высоты и температуры, увеличивая плавучесть на более низких высотах, где воздух более плотный. Дирижабль будет больше плавать на более низких высотах и ​​тонуть на больших высотах, стремясь оставаться на постоянном уровне.

Это может быть преимуществом, особенно если все воздушные острова находятся на одном уровне, но может быть недостатком, если ожидается, что дирижабли опустятся на земной рычаг.

Отмечу, что, согласно нашему анализу методом конечных элементов https://arxiv.org/abs/1903.05171 , вакуумные баллоны можно изготовить из коммерчески доступных материалов. Наша статья также содержит ссылки на работы других людей по этой теме. Улучшенный контроль высоты (путем нагнетания воздуха в воздушный шар и из него) может быть одним из преимуществ вакуумных воздушных шаров.

Что именно вы имеете в виду под «нашим»? Вы имеете в виду «наш» в отношении конкретной группы, частью которой вы являетесь или с которой связаны? если да, то, пожалуйста, укажите это явно.
@Topcode : под "нами" я подразумеваю авторов статьи - меня и А.В. Гаврилина
да, вам, вероятно, следует добавить это в конце поста, что-то вроде (эта статья была частично написана мной) или что-то в этом роде
Насколько функциональными/универсальными будут дирижабли, использующие воздушные шары идеального вакуума?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 1v