Could jag bygga ett luftskikt (rigid dirigible) som använde ett vakuum istället för att lyfta gas?

what are the technical or mechanical limitations to doing so?

Det finns inget känt material som har en tillräcklig kombination av ljushet och styrka för att stödja ett vakuum som skulle stödja behållarens vikt på jorden på havsnivå.

Det fanns en liknande fråga med ett bra svar på Physics.se

• Beryllium vakuumkula båt / flygplan

Is it possible to make a solid rigid evacuated "balloon" out of Beryllium or other elements or alloys?

Det första svaret löper genom matematiken

calculated it over a database of almost 3700 materials including all common aerospace composites, metals and alloys.

och avslutar

So in short, the best materials fall short of achieving our aim by a factor of just over 2. It is conceivable we might push up the stiffness / density ratio by perhaps developing some kind of Beryllium foam. For example, a closed cell foam of this Beryllium with a relative density of 0,041 would give a value of about 920 at the expense of lowering the Young's modulus to about 600MPa - however, I have no idea if such a foam is even possible. Alternatively it might be possible to come up with some clever engineering of the envelope geometry to overcome the buckling constraint. However, I suspect the effort is unlikely to pay off with a better boyancy ratio than is already achievable by conventional balloons.

Andra relaterade frågor

• Är det möjligt att skapa en vakuum ballon med hjälp av koncentriska delvis pressade sfärer?

De andra svaren påpekar korrekt de extrema (omöjliga) materialen styrka och styvhetskrav i en vakuumballong. En annan anmärkningsvärd punkt är att fördelen i lyftkapaciteten är liten; vid standard temperatur och tryck är uppvärdena av helium, väte och vakuum respektive 1,096, 1,185 och 1,275 kg / m ^ 3. Så även om du kunde hypotetiskt bygga en vakuumbollong med samma kuvertmassa som en väte- eller heliumballong, skulle det inte kunna lyfta mycket mer nyttolast.

Under argumentet att det är omöjligt att bygga en struktur som kan stå emot yttre trycket, pekade pericynthion på ett annat argument: Uppblåsningen av gas och vakuum är likartad och den högre massan av ett vakuum-luftsken kommer att avbryta fördelen.

Men det finns ännu mer:

Luftfartyg innehåller vanligtvis en ballong fylld med luft. Om fartyget stiger, expanderar gasen och luften pressas ut. (se länk ) På detta sätt är inre och yttre trycket lika och det finns ingen extra belastning på skrovet på grund av övertryck.

Även uppdrift minskar inte: I en höjd av ca 5,8 km sänks lufttrycket till 50%, och det är även uppladdningen för en fixerad volym . Om du låter gasen expandera, kommer den att expandera till dubbelt så stor som volymen. Två gånger ger volymen tider 50% flytkraft 100% flytkraft igen.

Men en fast volym vakuum kommer inte att expandera och har bara 50% av sin flytkraft vid havsytan.

Naturligtvis är 5,8 km höjd väldigt mycket för ett luftfartyg, men siffrorna är trevliga att visa effekten. Och på grund av exponentialiteten hos lufttrycket är ett gasfyllt luftskrov som tillåter gasen att expandera en högre uppmättning än ett vakuumluftskikt med en fast volym över 600m för vätefylld och 1200m för heliumfyllda fartyg . Här är en plot som jämför uppblåsningen av 1m³ vakuum till 1m³ gas vid tätningsplan:

(Förresten: Detta är anledningen till att väderballonger har ett flexibelt skrov eller verkar vara delvis fyllda endast vid havsnivån)

Alla länkar som jag har sett är till webbplatser där det implicit eller explicit antas att den dirigible är en homogen sfär. Detta tillvägagångssätt har några fördelar - något misslyckande måste uppstå vid något tillfälle, och om sfären är helt enhetlig så finns det ingen uppenbar punkt vid första misslyckandet. och i den analoga situationen för djuphavsutforskning har sfärisk konstruktion visat sig ha sina användningar. I praktiken är emellertid ingen materiell konstruktion någonsin helt enhetlig, och även om en var, tills den styrbara var över det skulle det finnas en skillnad mellan de punkter som var i kontakt med marken eller stödstrukturerna och de som inte var.

Det förefaller mig som ett mycket bättre tillvägagångssätt att vara att ha något som är ungefär sfäriskt, men som internt stöds av ett komplext system av revben och stöttor, i likhet med vad som finns i en gotisk katedral.

Ta en titt på t.ex. http://www.cutoutfoldup.com/905-spherical-model---cube.php. Föreställ dig denna struktur uppskalad och tillverkad till extremt hög precision med de starkaste tillgängliga materialen och täckt av en tunn film så att inredningen är helt innesluten. Vad du skulle ha är i grunden en sfär som är mycket tjock vid vissa punkter (dvs där revbenen är) men mycket tunna på andra. Ribben skulle kunna klara stora tryck. De andra punkterna - inte så mycket. Som det står skulle det misslyckas vid en av de icke-ribbade punkterna. Så, inte ett bra förskott. Men föreställ dig nu att materialet i ansikten är ganska starkt krökt; att varje ansikte är en del av en sfär som är mycket mindre och därför starkare krökt än den totala sfären. Dessa mindre sfäriska segment bör kunna klara ett mycket större yttre tryck än en stor sfär av samma tjocklek.

Tänk nu att var och en av dessa bubblor är ribbade själv, med fasetterna mellan revbenen upptagen med fortfarande mindre revben och bubblor. Konstruktionen är effektivt fraktal, med upprepningen vid mindre skalor som uppträder så ofta som krävs. De allra minsta bubblorna skulle vara mycket högt krökta och därför mycket starka. Det yttre trycket som utövades på dem skulle riktas mot små revben, vilket i sin tur skulle riktas mot större revben och så vidare. Jag känner inte till några försök som har gjorts för att konstruera en dammsugbar dirigibel längs dessa linjer, men jag kan inte se varför den inte borde fungera.

EDIT: Om vi förstår att något vakuum som kan uppnås på jorden med en mekanisk pump är faktiskt bara ett partiellt vakuum, och vi använder därför ordet "vakuum" som en förkortning för "partiellt vakuum" följer det att "vakuumdirigibel "och" lyftgas dirigible "är inte ömsesidigt exklusiva villkor. Det bör vara möjligt att konstruera en dirigibel som innehåller väte eller helium vid signifikant minskat tryck, i stället för det lätta övertrycket som är normalt. Styvheten skulle då behöva komma från skalets strukturella styvhet i stället för från det inre trycket.

Den stora fördelen, när det gäller reducerad tryckheliumdirigibel, är att under normala förhållanden bör förlusten av helium i atmosfären vara försumbar, till skillnad från en vanlig ballong där förluster är väsentliga och måste kontinuerligt fyllas på. De stora gassöppningarna skulle vara från det högre trycket exteriört till det lägre trycket, och eventuellt eventuellt flyktande helium skulle i själva verket simma mot den strömmen. Det skulle också sippra genom ett styvt material som sannolikt blir mer ogenomträngligt för flödet än ett mer flexibelt material skulle vara. Denna fördel kommer att bli allt större eftersom priset på allt sjunkande helium fortsätter att skyrocket.

Inte att det borde vara nödvändigt att använda helium med reducerat tryck, det är bara att det skulle göra det lättare att bygga genom att minska tryckskillnaden mellan inre och yttre till något lättare hanterbart. Men jag är ganska säker på att det med ett intelligent designat skal skulle vara möjligt att skapa en arbetsdirigibel även med inredningen nära att vara ett hårt vakuum. Den artikel som RedGrittyBrick citerade i sitt svar säger att "det bästa materialet saknar vårt mål med en faktor på drygt 2", och jag är säker på att en bättre strukturell design skulle resultera i mycket mer än dubbelt styvheten hos en enkel homogen sfär för samma massa material. Supercats anekdote, nedan, hjälper till att illustrera det.

Enligt vår ändliga elementanalys (US patentansökan 11/517915 (Akhmeteli, Gavrilin, Layered Shell Vacuum Balloons, hittar du den på USPTO-webbplatsen eller på länk ), är det möjligt att konstruera en vakuumballong med kommersiellt tillgängliga material och smörgåsstrukturer. I sin kommentar hänvisar @Hugh till en Wikipediaartikel som betonar vår beräkning som visar att man inte kan göra en vakuumbollong som ett homogent sfäriskt skal tillverkat av för närvarande tillgängliga material, men visar inte klart vår slutsats om en inhomogen (sandwichstruktur) sfärisk skal vakuum ballong.