Dirigeable sous vide - Vacuum airship

Un dirigeable sous vide , également connu sous le nom de ballon sous vide , est un dirigeable hypothétique qui est évacué plutôt que rempli d'un gaz plus léger que l'air tel que l'hydrogène ou l' hélium . D'abord proposé par le prêtre jésuite italien Francesco Lana de Terzi en 1670, le ballon à vide serait l'expression ultime de la puissance de levage par volume déplacé.

Histoire

De 1886 à 1900, Arthur De Bausset tenta en vain de lever des fonds pour construire son dirigeable à tube à vide, mais malgré le soutien précoce du Congrès des États-Unis, le grand public était sceptique. L'historien de l'Illinois Howard Scamehorn a rapporté qu'Octave Chanute et Albert Francis Zahm "ont publiquement dénoncé et mathématiquement prouvé l'erreur du principe du vide", mais l'auteur ne donne pas sa source. De Bausset a publié un livre sur sa conception et a offert 150 000 $ d'actions à la Transcontinental Aerial Navigation Company de Chicago. Sa demande de brevet a finalement été refusée au motif qu'elle était « entièrement théorique, tout étant basé sur le calcul et rien sur un essai ou une démonstration ».

Sophisme à double paroi

En 1921, Lavanda Armstrong divulgue une structure de paroi composite avec une chambre à vide "entourée d'une seconde enveloppe construite de manière à retenir l'air sous pression, les parois de l'enveloppe étant espacées les unes des autres et liées ensemble", comprenant un alvéole alvéolaire structure.

En 1983, David Noel a évoqué l'utilisation d'une sphère géodésique recouverte d'un film plastique et « d'un double ballon contenant de l'air sous pression entre les peaux, et un vide au centre ».

En 1982-1985, Emmanuel Bliamptis a élaboré sur les sources d'énergie et l'utilisation des « anneaux de jambe de force gonflables ».

Cependant, la conception à double paroi proposée par Armstrong, Noel et Bliamptis n'aurait pas été dynamique. Afin d'éviter l'effondrement, l'air entre les parois doit avoir une pression minimale (et donc également une densité) proportionnelle à la fraction du volume total occupée par la section de vide, évitant que la densité totale de l'engin soit inférieure à celle environnante. air.

21e siècle

En 2004-2007, Akhmeteli et Gavrilin abordent le choix des matériaux ("béryllium, céramique de carbure de bore et carbone de type diamant" ou aluminium) dans les embarcations à double couche en nid d'abeille pour résoudre les problèmes de flambage.

Principe

Un dirigeable fonctionne sur le principe de la flottabilité , selon le principe d' Archimède . Dans un dirigeable, l'air est le fluide contrairement à un navire traditionnel où l' eau est le fluide.

La densité de l'air à température et pression standard est de 1,28 g/l, donc 1 litre d'air déplacé a une force de flottabilité suffisante pour soulever 1,28 g. Les dirigeables utilisent un sac pour déplacer un grand volume d'air ; le sac est généralement rempli d'un gaz léger tel que l' hélium ou l' hydrogène . La portance totale générée par un dirigeable est égale au poids de l'air qu'il déplace, moins le poids des matériaux utilisés dans sa construction, y compris le gaz utilisé pour remplir le sac.

Les dirigeables sous vide remplaceraient l'hélium gazeux par un environnement proche du vide . N'ayant pas de masse, la densité de ce corps serait proche de 0,00 g/l, ce qui serait théoriquement capable de fournir le plein potentiel de portance de l'air déplacé, de sorte que chaque litre de vide pourrait soulever 1,28 g. En utilisant le volume molaire , la masse de 1 litre d'hélium (à 1 atmosphère de pression) est de 0,178 g. Si de l'hélium est utilisé à la place du vide, la puissance de levage de chaque litre est réduite de 0,178 g, de sorte que le levage effectif est réduit de 14 %. Un volume de 1 litre d'hydrogène a une masse de 0,090 g.

Le principal problème avec le concept de dirigeables à vide est que, avec un quasi-vide à l'intérieur de l'airbag, la pression atmosphérique extérieure n'est équilibrée par aucune pression interne. Cet énorme déséquilibre des forces provoquerait l'effondrement de l'airbag à moins qu'il ne soit extrêmement puissant (dans un dirigeable ordinaire, la force est équilibrée par l'hélium, ce qui rend cela inutile). Ainsi, la difficulté est de construire un airbag avec la résistance supplémentaire pour résister à cette force nette extrême, sans alourdir la structure au point que la plus grande puissance de levage du vide soit annulée.

Contraintes matérielles

Résistance à la compression

D'après l'analyse d'Akhmeteli et Gavrilin :

La force totale sur une coque hémisphérique de rayon par une pression externe est . Puisque la force sur chaque hémisphère doit s'équilibrer le long de l'équateur, la contrainte de compression sera, en supposant${\style d'affichage R}$${\style d'affichage P}$${\displaystyle \pi R^{2}P}$${\style d'affichage h<<R}$

${\displaystyle \sigma =\pi R^{2}P/2\pi Rh=RP/2h}$

où est l'épaisseur de la coque. ${\style d'affichage h}$

La flottabilité neutre se produit lorsque la coque a la même masse que l'air déplacé, ce qui se produit lorsque , où est la densité de l'air et est la densité de la coque, supposée homogène. La combinaison avec l'équation de contrainte donne ${\displaystyle h/R=\rho _{a}/(3\rho _{s})}$${\displaystyle \rho _{a}}$${\displaystyle \rho _{s}}$

${\displaystyle \sigma =(3/2)(\rho _{s}/\rho _{a})P}$.

Pour l'aluminium et les conditions terrestres, Akhmeteli et Gavrilin estiment la contrainte en Pa, du même ordre de grandeur que la résistance à la compression des alliages d'aluminium. ${\displaystyle 3.2\cdot 10^{8}}$

flambage

Akhmeteli et Gavrilin notent, cependant, que le calcul de la résistance à la compression ne tient pas compte du flambement , et en utilisant la formule de R. Zoelli pour la pression critique de flambement d'une sphère

${\displaystyle P_{cr}={\frac {2Eh^{2}}{\sqrt {3(1-\mu ^{2})}}}{\frac {1}{R^{2}}} }$

où est le module d'élasticité et est le coefficient de Poisson de la coque. La substitution de l'expression précédente donne une condition nécessaire pour une coque de ballon sous vide réalisable : ${\style d'affichage E}$${\style d'affichage \mu }$

${\displaystyle E/\rho _{s}^{2}={\frac {9P_{cr}{\sqrt {3(1-\mu ^{2})}}}{2\rho _{a} ^{2}}}}$

L'exigence est d'environ . ${\displaystyle 4.5\cdot 10^{5}kg^{-1}m^{5}s^{-2}}$

Akhmeteli et Gavrilin affirment que cela ne peut même pas être réalisé en utilisant le diamant ( ), et proposent que l'abandon de l'hypothèse selon laquelle la coque est un matériau homogène peut permettre des structures plus légères et plus rigides (par exemple une structure en nid d'abeille ). ${\displaystyle E/\rho _{s}^{2}\environ 1\cdot 10^{5}}$

Contraintes atmosphériques

Un dirigeable à vide doit au moins flotter (loi d'Archimède) et résister à la pression extérieure (loi de force, selon la conception, comme la formule de R. Zoelli ci-dessus pour la sphère). Ces deux conditions peuvent être réécrites comme une inégalité où un complexe de plusieurs constantes physiques liées au matériau du dirigeable doit être inférieur à un complexe de paramètres atmosphériques. Ainsi, pour une sphère (sphère creuse et, dans une moindre mesure, cylindre sont pratiquement les seules conceptions pour lesquelles une loi de résistance est connue) c'est , où est la pression à l'intérieur de la sphère, tandis que (« coefficient de Lana ») et (« Lana rapport atmosphérique») sont : ${\displaystyle k_{\rm {L}}<{\sqrt {1-{\frac {P_{\rm {int}}}{P}}}}\cdot L_{\rm {a}}}$${\displaystyle P_{\rm {int}}}$${\displaystyle k_{\rm {L}}}$${\displaystyle L_{\rm {a}}}$

${\displaystyle k_{\rm {L}}=2.79\cdot {\frac {\rho _{s}}{\rho _{\rm {atm}}}}\cdot {\sqrt {\frac {P_{ \rm {atm}}}{E}}}\cdot (1-\mu ^{2})^{0.25}}$(ou, quand est inconnu, avec une erreur de l'ordre de 3% ou moins);${\style d'affichage \mu }$${\displaystyle k_{\rm {L}}\approx 2.71\cdot {\frac {\rho _{s}}{\rho _{\rm {atm}}}}\cdot {\sqrt {\frac {P_ {\rm {atm}}}{E}}}}$

${\displaystyle L_{\rm {a}}={\frac {\rho _{a}}{\rho _{\rm {atm}}}}\cdot {\sqrt {\frac {P_{\rm { guichet automatique}}}{P}}}}$(ou, quand est inconnu, ),${\displaystyle \rho _{a}}$${\displaystyle L_{\rm {a}}=10\cdot {\sqrt {\frac {P_{\rm {atm}}}{P}}}\cdot {\frac {M_{a}}{T_{ une}}}}$

où et sont la pression et la densité de l'atmosphère terrestre standard au niveau de la mer, et sont la masse molaire (kg/kmol) et la température (K) de l'atmosphère à la zone flottante. De toutes les planètes et lunes connues du système solaire, seule l'atmosphère vénusienne est assez grande pour être surpassée par des matériaux tels que certains matériaux composites (en dessous d'environ 15 km d'altitude) et le graphène (en dessous d'environ 40 km d'altitude). Les deux matériaux peuvent survivre dans l'atmosphère vénusienne. L'équation de montre que les exoplanètes avec des atmosphères denses, froides et de haut poids moléculaire ( , , type) peuvent convenir aux dirigeables sous vide, mais il s'agit d'un type d'atmosphère rare. ${\displaystyle P_{\rm {atm}}=101325}$ ${\displaystyle Pa}$${\displaystyle \rho _{\rm {atm}}=1.22}$ ${\style d'affichage kg/m^{3}}$${\style d'affichage M_{a}}$${\displaystyle T_{a}}$${\displaystyle L_{\rm {a}}}$${\displaystyle k_{\rm {L}}}$${\displaystyle L_{\rm {a}}}$${\displaystyle CO_{2}}$${\style d'affichage O_{2}}$${\style d'affichage N_{2}}$

Dans la fiction

Dans le roman d' Edgar Rice Burroughs , Tarzan au cœur de la Terre, Tarzan se rend à Pellucidar dans un dirigeable sous vide construit à partir du matériau fictif Harbenite.

Dans Passarola Rising , le romancier Azhar Abidi imagine ce qui aurait pu arriver si Bartolomeu de Gusmão avait construit et fait voler un dirigeable sous vide.

Des dirigeables sphériques à corps sous vide utilisant l' effet Magnus et faits de carbyne ou de carbone superdur similaire sont aperçus dans le roman de Neal Stephenson L'âge de diamant .

Dans Maelstrom and Behemoth:B-Max , l'auteur Peter Watts décrit divers appareils volants, tels que les "botflies" et les "lifters" qui utilisent des "vestes à vide" pour les maintenir en l'air.

Dans Feersum Endjinn de Iain M. Banks , un ballon à vide est utilisé par le personnage narratif Bascule dans sa quête pour sauver Ergates. Les dirigeables à vide (dirigeables) sont également mentionnés comme une caractéristique d'ingénierie notable de la civilisation utopique spatiale The Culture in Banks' Le roman Look to Windward , et le vaste dirigeable à vide Equatorial 353 est un emplacement central dans le dernier roman de Culture, The Hydrogen Sonata .

Voir également

• Aérostat

Les références

Lectures complémentaires

• Alfred Hildebrandt (1908). Dirigeables passés et présents : ainsi que les chapitres sur l'utilisation des ballons en relation avec la météorologie, la photographie et le pigeon voyageur . Société D. Van Nostrand. p.  16 –.
• Collins, Paul (2009). "L'ascension et la chute du dirigeable en métal". Nouveau scientifique . 201 (2690) : 44-45. Bibcode : 2009NewSc.201 ... 44C . doi : 10.1016/S0262-4079(09)60106-8 . ISSN  0262-4079 .
• Zornès, David (2010). "La flottabilité du vide est fournie par un sac sous vide comprenant un film de membrane sous vide enroulé autour d'un cadre tridimensionnel (3D) pour déplacer l'air, sur lequel le graphène 3D "flotte" une première pile de feuilles planes bidimensionnelles d'atomes de carbone à six membres Dans le même espace 3D qu'un deuxième empilement de graphène orienté à un angle de 90 degrés". SAE International . Série de documents techniques SAE. 1 . doi : 10.4271/2010-01-1784 .
• Timothée Ferris (2000). La vie au-delà de la Terre . Simon et Schuster. p. 130–. ISBN 978-0-684-84937-9.
• http://ddata.over-blog.com/xxxyyy/0/31/89/29/Fusion-105/F105.2.pdf