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真空飛艇銅蟲 (著名寫手)
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[求助]
求助！如何設計在1/100標準大氣壓環(huán)境下設計真空容器的支撐結(jié)構(gòu)。 已有2人參與
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眾所周知海拔越高，氣壓越低。 根據(jù)資料所述，在海平面，大氣壓約為1000hpa 在海拔20KM，大氣壓約為72hpa（大約相當于1/14標準大氣壓） 在海拔25KM，大氣壓約為25hpa（大約相當于1/40標準大氣壓） 在海拔30KM，大氣壓約為10hpa（大約相當于1/100標準大氣壓） 如果在地面上建造一個真空容器，真空容器每平米受到大約相當于10噸的大氣壓（10000公斤） 如果在海拔20KM，真空容器每平米受到的大氣壓大約為0.71噸（710公斤） 如果在海拔25KM，真空容器每平米受到的大氣壓大約為0.25噸（250公斤） 如果在海拔30KM，真空容器每平米受到的大氣壓大約為0.10噸（100公斤） 根據(jù)上述資料，我想設計一種能夠利用真空浮力永久漂浮在平流層的真空裝置（真空氣球/真空飛艇），以其為平臺搭載通信衛(wèi)星。 我的設想是按照普通飛艇的設計，建造一個硬殼飛艇。以碳纖維桿作為支架，以PBO材料作為蒙皮。 真空飛艇最大的好處就是可以永久漂浮在平流層！ 當今世界，任何材料都無法避免氣體滲漏。常見的氦氣飛艇雖然在蒙皮上進行了專門的防氦氣泄露涂層處理，但他依然無法杜絕氦氣逐步逸散。任何氦氣飛艇在高空作業(yè)一段時間后都需要降落后補充氦氣。 但如果采用真空飛船，只要利用真空泵定時將飛船內(nèi)部滲入的氣體抽出，真空飛船就能保持持續(xù)真空，理論上可以永久漂浮在平流層。 更重要的是發(fā)射平流層真空飛船的成本遠低于人造衛(wèi)星！ 人造衛(wèi)星需要運載火箭將衛(wèi)星加速到足夠高的速度，使衛(wèi)星達到地球高空軌道后利用自身慣性維持衛(wèi)星在軌。而平流層真空衛(wèi)星只需要保證氣囊內(nèi)部處于真空就能獲得浮力長期停留在平流層。 建造和發(fā)射平流層真空飛船的過程如下： 首先，在機庫中按照硬殼飛艇結(jié)構(gòu)建造一個飛艇氣囊。外部蒙皮可以采用PBO材料，內(nèi)部支撐骨架可以采用碳纖維管。（未來，石墨烯材料的制作成本大幅下降后可以考慮采用石墨烯材料制備支撐結(jié)構(gòu)） 在平流層真空飛船的氣囊內(nèi)部充入氦氣作為支撐，防止地面上大氣壓損毀氣囊。（此時平流層真空飛船建造原理與傳統(tǒng)氦氣飛艇完全相同） 在平流層真空飛船下部裝有真空泵，其主要作用是將平流層真空飛船氣囊內(nèi)的氣體抽出（真空泵功率不需要很大，因為高空環(huán)境外界氣壓較低。低氣壓環(huán)境下抽取真空比高氣壓環(huán)境下抽取真空更容易）。 除了真空泵，氣囊上還需要安裝單向閥。單向閥的作用是隨著平流層真空飛船上升的過程中外界氣壓也會隨之降低。為了平衡內(nèi)外氣壓，單向閥可以將平流層真空飛船氣囊內(nèi)的氦氣向外排出。 之后進入發(fā)射流程： 平流層真空飛船的氣囊內(nèi)充滿氦氣后，擇一良好無風天氣升空。升空的前半部分與傳統(tǒng)氦氣飛艇并無兩樣，只是隨著海拔的升高，氣囊內(nèi)的氦氣也會逐漸排出到外界大氣中。 當平流層真空飛船升至海拔25KM時，氣囊內(nèi)部在真空泵作用下基本處于真空狀態(tài)。此時飛艇自重與大氣浮力之間基本達到一個平衡，平流層真空飛船可以穩(wěn)定漂浮在高空大氣環(huán)境下。 現(xiàn)在，蒙皮問題可以解決，但支架問題我不大清楚應該怎樣計算。 究竟是應該采用拱形桁架計算支架強度呢，還是應該采用其他什么方法計算支架強度和結(jié)構(gòu)呢？ 求助各位大神給點指導，我的這個設想是否可行？如果想繼續(xù)改進設計應該參考哪方面的資料呢？ 我本人比較傾向于采用類似“鳥巢溫室”框架結(jié)構(gòu)，可以制造出無橫梁整體桁架結(jié)構(gòu)。  之前在其他板塊也求助過，但一直沒找到合適的材料。最主要是剛體結(jié)構(gòu)強度問題不知道應該怎樣計算。 求物理板塊的各位大能抽時間幫我看看，以當今材料（例如高模量碳纖維桿）能否滿足剛體結(jié)構(gòu)需求呢？或是告訴我應該怎樣計算剛體結(jié)構(gòu)強度，或是告訴我應該查詢什么書籍也好！謝謝！ |
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6樓2016-08-10 20:51:19
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 因為浮力必須大于重量是常識，我就沒寫。不知道是不是會引起您的誤會。全文應該是真空容器排空自身體積內(nèi)空氣所產(chǎn)生的浮力只要大于自身重量就可以永久漂浮在大氣層中。 因為當今材料強度問題，在地面建造真空飛艇的難度就像在海底用鐵皮制造潛艇一樣困難。但是因為平流層的大氣壓非常低，而當今的新材料的部分力學強度已經(jīng)能夠滿足上述情況的要求，所以我嘗試設計一種能夠永久漂浮在平流層的真空氣球替代衛(wèi)星。（新型衛(wèi)星體積小重量輕） 參考資料： PBO纖維的結(jié)構(gòu)和性能 合成纖維SyntheticFiberin China 2011年第40卷第11期 碳纖維復合材料彎曲撐桿成型工藝技術(shù)等 |
7樓2016-08-10 21:16:57
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8樓2016-08-14 22:43:59
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9樓2016-08-17 21:39:27
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10樓2016-08-27 20:06:41
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