Наша сеть партнеров Banwar
температура атмосфери [20] падає від 15 ° C на рівні моря до -57 ° C на висоті 11 000 м. Щоб наш теплової планер діяв, необхідний газ легший за повітря, зріджують в діапазоні температур, скажімо, від -10 до -50 ° C. Єдиним відповідним газом є аміак (М = 17), який при атмосферному тиску перетворюється в рідину при температурі -33 ° C.
На жаль, тиск повітря падає зі збільшенням висоти над земною поверхнею. Зі зменшенням тиску температура конденсації газу знижується, весь час залишаючись трохи нижче температури повітря на даній висоті. (Шкода!) Але є три способи вийти з цієї скрути:
а. Змішати аміак з водяною парою або парами інших розчинників, щоб підвищити точку конденсації суміші, або ж ввести адсорбенти (хлористий кальцій, активоване вугілля і т. П.), На яких аміак може конденсуватися при більш високій температурі, ніж в їх відсутність. Але щоб підібрати підходящу суміш, мені довелося б заглибитися в нетрі хімії.
б. Створити надлишковий тиск усередині оболонки. (Всередині пружною оболонки тиск завжди трохи перевищує зовнішнє.) Температура конденсації газу при цьому підвищиться; але, на жаль, підвищиться також і його щільність. Однак, якщо пощастить, ми можемо підібрати такий надлишковий тиск, при якому аммнак сконденсіруется на якийсь прийнятною висоті, і в той же час через збільшення щільності газу його підйомна сила впаде не дуже сильно.
в. Передбачити додаткове джерело підйомної сили, наприклад балон з гелієм. Тоді підйомна сила збережеться навіть в тому випадку, якщо щільність аміаку перевищить щільність повітря на даній висоті. У граничному випадку уявімо собі гелевий повітряна куля, з'єднаний з нерастяжимой оболонкою, заповненою аміаком під тиском в 1 атм. Як видно з малюнка, на висоті 5000 м щільність аміаку зрівняється з щільністю повітря і аміак взагалі не буде створювати підйомної сили. Однак завдяки гелію підйом триватиме до висоти 8000 м, на якій аміак (до цього часу його тиск через охолодження знизиться до 0,82 атм) перетвориться в рідину. Оболонка з аміаком різко стиснеться, при цьому підйомна сила зменшиться настільки, що вся конструкція різко піде вниз і буде опускатися до тих пір, поки не випарується достатню кількість аміаку.
Слід, застосувати комбінацію способів (б) і (в). Вивчивши наявні дані (див. Рис.), Можна прийти до висновку, що оптимальне рішення дає куля, заповнений аміаком, в якому надлишковий тиск дорівнює 0,1 атм.
Зміна щільності атмосфери і знаходиться з нею в тепловій рівновазі аміаку в залежності від висоти над поверхнею Землі. Горизонтальна вісь проградуірована також в значеннях температури Т і тиску р.
A. При тиску, рівному тиску навколишнього середовища, щільність аміаку на всіх висотах менше щільності повітря, але нижче щільності, необхідної для конденсації аміаку.
Б. При надмірному тиску 0,1 атм аміак на всіх висотах має щільність, меншу, ніж повітря, поки не конденсується на висоті 10,5 км.
B. При надмірному тиску 0,2 атм щільність аміаку виявляється рівною щільності повітря на висоті 9 км (підйомна сила стає рівною нулю), т. Е. На висоті трохи нижче тієї, де аміак перетворюється в рідину.
Г. Куля постійного обсягу, наповнений аміаком під тиском 1 атм, буде підніматися до тих пір, поки на висоті 5 км щільність аміаку не зрівняли з щільністю повітря; якщо за допомогою додаткового гелиевого аеростата піднімати кулю далі, то аміак сконденсіруется на висоті 8 км.
Який підйомної силою володіє такою повітряна куля? Для простоти будемо вважати надлишковий тиск в 0,1 атм постійним і не станемо вводити в розгляд гелевий балон. Тоді при температурі 15 ° C і нормальному тиску щільність аміаку дорівнює 0,73 кг / м3, а при тиску 1,1 атм - 0,80 кг / м3. Щільність повітря на рівні моря дорівнює 1,23 кг / м3, так що підйомна сила на 1 м3 аміаку складе 12,3 - 8,0 = 4,3 Н, або 5,4 Н на 1 кг аміаку.
На висоті, де відбувається конденсація аміаку (приблизно 10500 м), щільність повітря дорівнює 0,39 кг / м3, а тиск становить 0,24 атм. Тиск всередині кулі дорівнює відповідно 0,34 атм. Температура на цій висоті становить -55 ° C, так що аміак почне конденсуватися в рідину (при тиску 0,34 атм температура конденсації аміаку дорівнює -53 ° C). Щільність газоподібного аміаку при зазначених умовах становить 0,32 кг / м3; підйомна сила дорівнює 3,9 - 3,2 = 0,7 Н на 1м3, або 2,2 Н на 1 кг аміаку: в порівнянні з підйомною силою на рівні моря вона зменшилася майже вдвічі. Таким чином, щоб куля могла досягти висоти, на якій сконденсіруется аміак, маса оболонки і корисного вантажу в розрахунку на 1 кг аміаку не повинна перевищувати 200 м (Звичайно, при використанні додаткового балона з гелієм ці вимоги будуть менш жорсткими.)
Чи зможемо ми виготовити пружну оболонку з необхідними параметрами? Надмірний тиск усередині пружною оболонки з поверхневий натяг y визначається як р = 2у / r; якщо натяг у пропорційно радіусу (ідеальна пружність), то надлишковий тиск не залежить від радіуса, - для початку це непогано. У дитячого повітряної кульки товщина оболонки збільшується зі зменшенням радіусу і поверхневий натяг залишається високим - відповідно зі зменшенням радіуса надлишковий тиск усередині підвищується, що нам і потрібно. Деякі ускладнення виникнуть, звичайно, через те, що еластичність оболонки залежить від температури, але в цілому ідея виглядає реальною. Обсяг кулі під час підйому збільшується в 2,5 рази (щільність аміаку зменшується від 0,80 до 0,32 кг / м3). Відповідно лінійне розтягнення оболонки складе всього лише 2,51 / 3 = 1,36, або 36%. Це не дуже багато.
Конструкція теплового планера. Підйомну силу аміаку, звичайно, не можна навіть порівняти з підйомною силою гелію. Тому в конструкції теплового планера доведеться абсолютно виключити жорсткий каркас. Свого часу фірма «Гудьир» виготовила надувний гумовий планер - це найбільш підходяща форма для нашого планера, в якому потрібно підтримувати невеликий надлишковий тиск. Необхідний також якийсь стабільний надувний остов, інакше після конденсації аміаку планер перетвориться на безформну купу мокрої гуми. Ідеальним рішенням, мабуть, буде остов, заповнений гелієм, на який натягнута еластична оболонка, заповнена аміаком. Така конструкція має додаткове гідність: можна так спрофілювати крила планера, що в надутому стані вони будуть найкращим чином відповідати умовам «планування» вгору, а в спущеному (коли зовнішня оболонка щільно обтягує остов) забезпечать плавне зниження. Це куди краще, ніж щоразу перевертати планер догори ногами [21] .
Який підйомної силою володіє такою повітряна куля?