¿Cuáles son algunos de los problemas estructurales inherentes a un dirigible de hidrógeno a escala de un kilómetro?

Los dirigibles son vehículos interesantes, ya que son, hasta donde yo sé, los únicos que utilizan la ley del cuadrado-cubo a su favor. Para un aumento proporcional X en la longitud, el ancho o la altura de la bolsa de gas, la potencia de sustentación de la aeronave aumenta por un factor de X^3 .

Por lo tanto, parecería que, si estás haciendo un dirigible, es mejor hacer uno realmente grande en lugar de varios más pequeños.

Hasta el momento, solo puedo identificar un problema con esto, que es que más área de superficie = más espacio para que el viento empuje el barco. Sin embargo, los efectos de esto en la estructura del barco probablemente se puedan resolver con un diseño aerodinámico y materiales modernos, así como con el uso de motores/hélices para contrarrestar la fuerza del viento.

Entonces, aparte de los problemas potencialmente solucionables con vientos fuertes, ¿cuáles son los problemas estructurales de una aeronave, cuyo elemento de sustentación es, digamos, un cilindro de un kilómetro de largo y 175 metros de diámetro?

Solo quiero dejar absolutamente claro lo que quieres decir con cilindro. ¿Tiene forma aerodinámica o plana en sus bordes? ¿Quizás mantener esa opción abierta para que la gente cree la aeronave sin esa restricción?
Los cubos cuadrados mantienen la densidad, y el ascensor escalará con el área, por lo que creo que las ganancias son proporcionales a X^2.
@ TheSquare-CubeLaw Claro, el ascensor no escala con el área. El área aumenta, sí, pero también aumenta la cantidad de fuerza sobre cada unidad de área.
@Trioxidane Eso se puede mantener abierto, sí. Todo el dirigible tiene forma aerodinámica; simplemente asuma un volumen cilíndrico para el elemento de elevación.
¿Qué nivel de tecnología está considerando: moderno?
@MatthieuM. Sí.
¿Has investigado el concepto de dirigible a órbita? www.jpaerospace.com Propone una aeronave de varias millas de ancho que funcione como una estación de paso para carga y personal y varias aeronaves hipersónicas de millas de largo para alcanzar la órbita.
Si lo está llenando con hidrógeno en lugar de helio, entonces Anton Chekhov insistirá en que tiene que explotar.

Respuestas (4)

Los zepelines eran aeronaves "rígidas" con un marco interno por una muy buena razón.

Además de todos los puntos mencionados por "la Ley del Cuadrado-Cubo", está el asunto de la integridad estructural de su enorme aeronave.
Una estructura tan larga está sujeta a presiones externas (del clima) que pueden variar mucho de un extremo a otro.
Considere lluvia/nieve: La proa de la aeronave puede estar ya dentro de la lluvia/nieve mientras que la popa todavía está fuera de la lluvia. Esto provoca una tensión muy desigual en todo el dirigible (verticalmente).
Agregue también el viento, especialmente cuando está cambiando de rumbo, y tiene que lidiar con una cizalladura del viento (horizontal) que también es desigual.
Y un kilómetro de largo es suficiente para que las células locales de turbulencia de aire actúen de manera diferente en varios lugares del barco.
Todo esto empeora mucho cuando te metes en una tormenta. Y una aeronave no es lo suficientemente rápida como para escapar de un frente de tormenta. Tienes que ser capaz de sobrellevarlo.

Por lo tanto, debe poder soportar todo eso sin flexión, torsión, flexión o rotura excesivas.
Eso requerirá mucha estructura interna para la fuerza que agregará mucho peso a su aeronave, reduciendo su capacidad de carga.

Tenemos mejor ciencia de los materiales hoy, pero sus naves son 3 veces más largas que un Zeppelin. Va a ser un verdadero desafío hacer uno tan grande y aún así mantenerlo lo suficientemente seguro para usarlo en cualquier cosa menos en el clima más tranquilo.

Te dio un +1, pero ¿qué tal volar más alto que las tormentas y demás? Tienes una aeronave de un kilómetro de largo, por lo que podrías usarla para tener más flotabilidad. El viento puede ser más fuerte, pero supongo que en general más uniforme. Sin lluvia ni nieve. Presión de aire más baja, aunque necesita menos gas en la bolsa nuevamente para el menor peso si el aire está más arriba. Todavía estoy de acuerdo en que la estructura probablemente fallaría, pero eso puede ayudar a que falle menos rápido, ¿no es así?
@Trioxidane: aún debe poder atravesar la capa de nubes en el despegue y el aterrizaje, y existe el problema de que cuanto más alto sube, menos flotante es la aeronave ya que la densidad de la atmósfera disminuye. Me gusta la idea, pero creo que vale la pena hacer los cálculos.
@Trioxidane La pérdida de flotabilidad es importante en las altitudes que realmente necesita (6 kilómetros de altura y más). Y a esas alturas hay que lidiar con vientos muy fuertes (jet-stream). Y como también mencionó Matthieu: aún necesita atravesar las capas inferiores de la atmósfera para llegar a esas altitudes o volver a aterrizar. Y las aeronaves no son rápidas para ganar y perder altitud, por lo que estaría atrapado en la atmósfera inferior durante bastante tiempo. Por lo tanto, aún necesita diseñar para baja altitud y luego desea agregar ingeniería de gran altitud (como cabinas de presión) además de eso.
"sin flexión, torsión, flexión o rotura excesivas". Por supuesto, romper es malo, pero ¿podríamos hacer una aeronave flexible que felizmente se flexione, se tuerza (?) y se doble? Puede ser difícil de controlar y probablemente haga que sus pasajeros se sientan incómodos, pero ¿podría funcionar?
No soy ingeniero, pero ¿podrían resolverse algunos de los problemas que mencionaste al dividir un cuerpo grande en varios cuerpos más pequeños? ¿Te gusta tener varios globos aerostáticos en lugar de uno? ¿Quizás conectados de una manera en la que no chocan entre sí pero siguen siendo en su mayoría independientes?
@Katai Si se divide en varios globos, reduce significativamente las ventajas que brinda la ley del cubo cuadrado.
@MichaelRichardson: Las aeronaves históricas tenían múltiples celdas de gas (encerradas dentro de la envoltura exterior única), para mantener las fugas localizadas.
@katai Si se divide, simplemente distribuye las MISMAS tensiones involucradas en múltiples puntos de conexión. En el peor de los casos, CADA uno de ellos ahora tiene que ser capaz de soportar el estrés TOTAL que se aplicaría a una sola estructura. (Soy un tipo de TI, no un ingeniero estructural, pero eso lo recuerdo mucho de las clases de física). Y cada uno de esos puntos de conexión es mucho más pequeño que la estructura general, por lo que debe ser mucho más resistente para manejarlo. Así que solo lo empeoras en lugar de mejorarlo.
@Tonny, sí, asumí que puede ser más fácil (más liviano) endurecer cada globo si son más pequeños, ya que tienen menos "espacio vacío" entre las estructuras internas que los globos más grandes; tipo de cómo los submarinos no son de tamaño gigante, y los túneles de las cuevas suelen ser bastante delgados. Así que pensé que habría alguna ventaja allí, permitiendo que cada componente sea más resistente que un globo enorme, pero si ese no es el caso, obviamente es peor :)

La velocidad del sonido en el metal es muy diferente a la del gas. Por ejemplo, la velocidad del sonido en el aire a temperatura ambiente es de 330 m/s, mientras que en el aluminio es de unos 6000 m/s.

La velocidad del sonido es también la velocidad a la que las solicitaciones mecánicas se propagan en un medio.

Esto significa que una solicitación mecánica, por ejemplo, una fuerte ráfaga de viento en la proa del barco, tardará solo 1/6 de segundo en llegar a la cola en el marco de aluminio, pero 3 segundos en el hidrógeno.

Esto significa que tiene una fuente interna de vibraciones, encima de los motores. Sería una fuente interesante de latidos y conversaciones cruzadas cuando el barco atraviesa una tormenta, con toda la cizalladura del viento involucrada.

Probablemente no sea algo dramáticamente fatal, pero sí algo de "¡disparo, no pensamos en eso cuando lo diseñamos!".

¿Se puede superar esto amortiguando las vibraciones con un cambio inteligente de material en los puntos de unión clave? (Creo que he oído hablar de eso en los puentes, por ejemplo)
La velocidad del sonido en una barra de metal es mucho menor que en el metal a granel, dependiendo de la geometría. Y la velocidad del sonido en el hidrógeno es unas tres veces la del aire. (También creo que habría problemas más serios en una aeronave súper grande que las resonancias mecánicas).

Solo aprovechas la ley del cuadrado/cubo en ciertas áreas, en otras, te morderá.

  • Más:

    • Tener una burbuja de gas elevador con una membrana alrededor, del doble del tamaño. El gas ahora tiene ocho veces la sustentación, y la membrana ahora solo pesa cuatro veces más (dado que tiene el mismo grosor. En realidad, puede optar por escalar el grosor incluso en más de 2, lo que le daría 8+ veces el peso...)
    • El viento solo lo golpeará en su superficie cuadruplicada, mientras que su embarcación tiene ocho veces la masa, lo que la hace menos nerviosa (pero vea el punto negativo: propulsión a continuación)

  • Menos:

    • Tenga un cable de acero, ahora hágalo el doble del tamaño. Ahora es ocho veces más pesado, mientras que solo ha aumentado su área de sección transversal (y, por lo tanto, el punto de ruptura) en 4... lo mismo con las vigas y cualquier otro elemento estructural. Es principalmente el área de la sección transversal lo que cuenta para la fuerza, y eso solo aumenta con el cuadrado. Por lo tanto, debe diseñar desproporcionadamente más grueso, lo que reduce sus ganancias de elevación.
    • Los posibles accesorios para las máquinas de propulsión y control, y las propias superficies de control, van con el cuadrado, mientras que la masa de la cosa controlada va con el cubo, lo que dificulta acelerar y dirigir.

  • Problemas no cuadrados/cubos:

    • Esquivarse del viento se vuelve cada vez más difícil. No habrá hangares.
    • Dudo que esto se permita dentro de los 100 km de ciudades con edificios más altos (y mucho menos rascacielos). Si esto se vuela sin timón sobre un edificio alto, ese edificio cederá, sin mucha lucha.

Entonces, el uso ideal sería una plataforma de gran altitud que no necesita evadir ninguna estructura, no necesita aterrizar y no necesita retener la ubicación o la forma (Zeppelin solo necesitaba retener la forma porque se suponía que debía moverse a través del aire: si ese requisito cae y simplemente se mueve con el aire, su estructura puede tambalearse)

inflamabilidad

Cualquier contenedor de hidrógeno en una atmósfera rica en O 2 es una bomba de relojería. Para contrarrestar esto, un zepelín no debe contener hidrógeno como una sola gota, sino contener muchos contenedores más pequeños en su interior. Esto reduce las posibilidades de una explosión y hace que las explosiones sean más resistentes.

Desafortunadamente para usted, esto reduce sus ganancias de escalado.

Utilidad

Cuanto más grande sea la embarcación, más casco tendrá que reparar. Hay más superficie que se puede erosionar, doblar o perforar. Se vuelve cada vez más costoso mantener todo en condiciones de funcionamiento a medida que aumenta la escala.

Calor

La elevación que obtiene depende de la temperatura del gas de elevación. Cuanto más gas necesite para calentar, más combustible necesitará para alcanzar una cierta temperatura y, por lo tanto, más peso adicional necesitará para escalar. Nuevamente, esto conduce a costos operativos adicionales y ganancias decrecientes.

¿No se puede calentar el gas por medios solares cuando está disponible y solo depender del combustible por la noche o cuando el sol no está disponible (tormentas/nubes)?
@Lemming Me parece que si la energía solar proporcionara la energía necesaria, podría simplemente pintar la superficie de negro y omitir todos los componentes electrónicos y quemadores por completo. Que los globos aerostáticos reales no hagan eso implica para mí que no sería suficiente energía.
El calor ciertamente puede mejorar la capacidad de vuelo, pero no es necesario. Especialmente en aeronaves rígidas, solo importa si al calentar el gas también dejas escapar algo. El sobre no se hace más grande, por lo que confía en la reducción de peso al necesitar menos gasolina. En un dirigible de hidrógeno, ciertamente me abstendría de agregar elementos de calefacción. Muchas aeronaves simplemente confían en tener un gas empaquetado más liviano que el aire dentro de un contenedor grande. Las aeronaves rígidas volarían con (casi) vacíos si la fuerza de la estructura lo permitiera, como se propone en planetas con atmósfera más delgada.
@Cadence Por supuesto, no sería simplemente el sol en el globo. Sería energía solar recolectada a través de 'velas' de paneles solares que luego se almacenaría y usaría para generar calor a través de elementos de calefacción electrónicos.
@Lemming ¡Oh, asumí que te referías a paneles solares sobre la superficie del zepelín! Si tiene la intención de tener paneles más grandes que se extiendan por los lados, eso podría ser factible... aunque presenta sus propios desafíos de ingeniería a escalas más grandes.
@Cadence De hecho, optaría por paneles solares en la superficie de la aeronave. Sí, pierde energía térmica, pero puede controlarla mejor y usarla por la noche, por ejemplo, suponiendo que almacene parte de ella.
@Lserni Sí, pero a menos que pueda realizar reparaciones mientras está en el aire, el costo de los atracaderos, hangares, grúas, etc. aumenta de manera bastante agresiva con el tamaño.
Inflamabilidad: El Hindenburg se basó en una tecnología de más de 80 años.
¿Cuáles son algunos de los problemas estructurales inherentes a un dirigible de hidrógeno a escala de un kilómetro?
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