Dirigibles realistas

En teoría, podrías hacer una aeronave a vapor, pero no valdría la pena. Además, en el momento en que teníamos la tecnología para hacer el armazón de la aeronave en sí, ya teníamos muy buenos motores diesel.

• La eficiencia de una máquina de vapor reciprocante de tipo Watt no compuesta antigua es de aproximadamente 2.5% . Para una aeronave, desea un motor de condensación, porque absolutamente desea minimizar la pérdida de agua. El agua es pesada.

• La locomotora Rocket de Stephenson de 1829 pesaba 4300 kg (con agua en la caldera). Necesita al menos dos motores, a menos que planee tener algunas cadenas de transmisión fantásticamente complicadas. Digamos que con un poco de mejor ingeniería se puede reducir el peso a 3 toneladas por motor.

• El primer dirigible comercialmente exitoso, el Zeppelin LZ10 , tenía 140 metros de largo, tenía 17800 metros cúbicos de hidrógeno y podía transportar 13 tripulantes y 20 pasajeros; estaba propulsado por 3 motores de 100 kW cada uno, con una velocidad máxima de 77 km/h.

• Digamos que su aeronave usará 2 motores estilo cohete ligero , potenciados para dar 100 kW cada uno, y usted quiere tener suficiente combustible para 5 horas; suponga que quema algún tipo de coque o antracita dando 30 MJ/kg. Los dos motores pesarán 6 toneladas y necesitarás llevar unas 5 toneladas de combustible. ¡Necesita 12 toneladas de elevación solo para los motores, el agua y el combustible!

• 12 toneladas de elevación requieren 12000 metros cúbicos de hidrógeno. La estructura del barco también requerirá elevación, además de los pasajeros. En general, tu nave debe ser mucho más grande que LZ10; digamos, 180 metros de largo, 34000 metros cúbicos de hidrógeno.

Y de aquí viene el problema de fondo: ¿qué material vas a utilizar para la estructura del barco ? El dirigible no puede ser un dirigible, porque si necesita levantar esos pesados ​​motores, agua y carbón: necesita una estructura rígida. La estructura no puede ser de hierro, demasiado pesada. No se puede hacer de madera, demasiado débil. Necesitas aluminio. Pero si tienes aluminio, ¿por qué estás jugando con máquinas de vapor?

El segundo gran problema de usar máquinas de vapor ineficientes en un dirigible es la pérdida de peso. Cada tonelada de carbón que lleve a bordo en el despegue y la quema requiere que ventile 1000 metros cúbicos de hidrógeno para permanecer en equilibrio con el aire desplazado: las aeronaves son aerostatos . Cuando aterrices, debes recargar las celdas de gas, de lo contrario no podrás volver a despegar.

El tercer problema es la naturaleza de las máquinas de vapor, que queman su combustible al aire libre, lo cual es un gran peligro enorme para un dirigible lleno de hidrógeno. (No se puede llenar con helio, por la necesidad de ventilar el gas de elevación para compensar la enorme pérdida de peso que se produce al quemar carbón con una eficiencia energética muy baja). Los zepelines de la vida real usaban motores diesel, porque no necesitan chispas. ...

PD La imagen en la pregunta es fundamentalmente incorrecta, ya que la góndola es demasiado grande . Mire, por ejemplo , LZ120 ( mejores fotos en airships.net ) para una visión clara de la relación entre el cuerpo lleno de gas de elevación y la góndola.

Dado que tenemos motores de vapor, puede eludir el problema con la tecnología complementaria de los motores Stirling . Rev Stirling desarrolló el motor debido a los problemas de seguridad de los motores de vapor contemporáneos (especialmente las explosiones de calderas y las fugas de vapor) y, sin darse cuenta, también desarrolló quizás el motor térmico más eficiente posible (los motores Stirling pueden operar cerca del límite de Carnot ).

Motor Stirling sencillo. planes aquí

Un dirigible con motor Stirling no tendría caldera, agua, condensadores o gran parte de la parafernalia asociada con los motores de vapor, lo que hace que el dirigible sea mucho más liviano y también hace que los cambios de equipamiento debido al consumo de combustible y agua sean mucho más fáciles (no se utiliza agua). y también se puede reducir la cantidad de combustible de carbón necesaria). Si bien los motores Stirling contemporáneos tenían una relación potencia/peso baja en comparación con las máquinas de vapor, los motores Stirling modernos pueden tener una relación potencia/peso comparativamente alta. Si existe una fuerte demanda de este tipo de motor en su mundo, se puede suponer fácilmente que la comunidad de ingenieros habría trabajado duro para descubrir formas de hacer que los motores Stirling sean más livianos y tengan una mayor potencia de salida.

El único problema real sería desarrollar algún tipo de "cámara de combustión" o cámara de combustión que pueda proporcionar calor al motor sin poner en peligro el resto de la nave.

Si tuviera un mundo steampunk de fantasía donde la presión del aire es comparable a la del planeta Venus (90 atmósferas) pero respirable como la Tierra, entonces tal vehículo podría ser posible. Sin embargo, tendría que ignorar todos los demás efectos negativos que causaría una presión tan alta. O tal vez una atmósfera más espesa combinada con una gravedad más ligera. El único otro enfoque sería algún material de fantasía steampunk como Cavorite (HG Wells First men in the Moon) o Liftwood (juego de rol Space 1889). De lo contrario, tal vehículo no es posible. Muy poca atención a la reducción de peso y volumen de gas insuficiente. Ah, por cierto, el avión Besler usaba una caldera flash de tubo helicoidal que quemaba petróleo y producía vapor a 1130 psi y 430 ° C. NO podía funcionar con carbón.

Según Wikipedia, Henri Giffard voló un dirigible a vapor en 1852.

El dirigible Giffard o dirigible Giffard fue un dirigible construido en Francia en 1852 por Henri Giffard, el primer dirigible propulsado y dirigible (en francés: dirigeable - "dirigible") en volar. La nave presentaba una envoltura alargada llena de hidrógeno que se estrechaba en un punto en cada extremo. De este estaba suspendida una viga larga con un timón triangular en forma de vela en su extremo de popa, y debajo de la viga una plataforma para el piloto y la máquina de vapor. Debido a la naturaleza altamente inflamable del gas de elevación, se tomaron precauciones especiales para minimizar la posibilidad de que el motor que se encuentra debajo incendiara la envoltura. El escape del motor se desvió hacia abajo a una tubería larga que sobresalía por debajo de la plataforma, y ​​el área que rodeaba el orificio de alimentación de la caldera se rodeó con malla de alambre. El 24 de septiembre de 1852, Giffard voló la aeronave desde el hipódromo en la Place de l'Etoile hasta Élancourt, cubriendo los 27 km (17 millas) en alrededor de 3 horas, demostrando maniobras en el camino. El motor, sin embargo, no era lo suficientemente potente como para permitir que Giffard volara contra el viento para hacer el viaje de regreso.

https://en.wikipedia.org/wiki/Giffard_dirigible 1

Obviamente, se podrían haber utilizado motores de vapor más avanzados en dirigibles posteriores si los motores de combustión interna más eficientes no hubieran estado disponibles.

¿Habrían tenido las turbinas de vapor una mejor relación potencia/ocho?

¿Habría sido más eficiente usar aceite o queroseno como combustible para una máquina de vapor?

¿Hasta dónde podrían desarrollarse las máquinas de vapor para aeronaves? ¿Podrían haber competido con los aviones tan bien como lo hicieron las aeronaves con motores de combustión interna?

¿Cómo podrían evitar ser reemplazados por aviones?

Si alguien tiene buenas respuestas a esas preguntas, es posible que pueda tener un tipo razonablemente plausible de aeronaves a vapor.

Dado que has terminado las etiquetas con magia, voy a ir por ese camino; construyes una máquina de vapor de ciclo cerrado usando hechizos de refuerzo de materiales, por lo que básicamente está hecha de papel de aluminio, una locomotora que basamos en Flying Scotsman construimos de esta manera pesaba unos 20 kilogramos (hicimos la nuestra usando un par de otros hechizos permanentes; un calentador que mantuvo la cámara de "combustión" al rojo vivo y un hechizo de enfriamiento que mantuvo el hielo del condensador bordeado, para convertirlo en un dispositivo de movimiento perpetuo). Usas más refuerzos de material para construir celdas de vacío en lugar de usar gas de elevación y blindaje hasta la mierda porque tienes que superar todo ese exceso de flotabilidad de alguna manera. La velocidad está limitada solo por la historia.

Dependiendo de qué tan lejos quiera llegar, puede usar cualquier configuración y materiales que realmente le gusten porque "un mago lo hizo", por lo que puede jugar con las densidades estándar, etc... o puede crear materiales que no existen que hacen el todo. ejercicio realista; eche un vistazo a The Edge Chronicles de Paul Stewart y Chris Riddell, Wiki aquí , donde la madera y la piedra más livianas que el aire se presentan como métodos para facilitar la construcción de naves espaciales.

Todo dependería del nivel de tecnología que tenga su mundo y de cuán casado esté con la idea de levantar un barco de madera completo con un agujero en el costado y un bauprés inútil junto con todos los demás trastos pesados ​​que un barco marítimo necesita para pesarlo. para que los vientos no lo hagan volcar. Si es así, consideraría hacerlo con madera de elevación marciana (Space 1889) con un barniz de HG Welles Cavorite (First Men In The Moon). El peso frente a la flotabilidad es el problema principal. Sin embargo, supongamos que su civilización ha avanzado en la ciencia de los materiales, pero nunca llegó a desarrollar motores de combustión interna (pistón o jet) o motores eléctricos livianos y celdas de combustible. Las razones te las dejo a ti. En ese caso es definitivamente posible. Considere la aeronave Magesterium que se ve en la película The Golden Compass. Descartar la fantasía 'anbaric' propulsores y la aleta de cola de gran tamaño y tiene un dirigible / dirigible no rígido básico con una adición importante. La bolsa de gas llena de gas de sustentación (helio o hidrógeno) tiene una cámara secundaria que rodea el extremo delantero. Mira la foto.Sugeriría que un gas elevador secundario llene esta cámara. Uno que se puede ajustar en flotabilidad, no es inflamable y no necesita la gran complicación de los cilindros y compresores de alta presión. Ese liftgas sería vapor. El vapor tiene más del doble de poder de elevación que el aire caliente y tendrá mucho en el escape del motor. El poliéster mylar moderno, el teflón y un nuevo aerogel flexible reciente harían un material de globo laminado liviano y duradero con buenas propiedades de retención térmica. A medida que el vapor se condensaba, se drenaba hacia un depósito para regresar a la caldera. Esto eliminará la necesidad de un condensador separado aligerando aún más su aeronave. Un ciclo de vapor cerrado también reduciría la cantidad de agua pesada que tendría que transportar. Si tiene acceso a generadores de CC livianos de bajo voltaje y alto amperaje, puede llevar uno pequeño para producir hidrógeno fresco a partir de su suministro de agua en caso de emergencia. Un diseño de ganar-ganar. Como usted insiste en el carbón como combustible, sugeriría una cámara de combustión de lecho fluidizado con un lecho de arena refractaria liviana, posiblemente alúmina. Sobre él habría una caldera flash similar a la utilizada en el White Steam Car de 1910. La máquina de vapor sería una versión más pequeña y sencilla de la turbina de vapor radial utilizada en el barco de vapor Turbinia de 1894. Por supuesto, todo estaría construido con polímeros livianos y aleaciones de aluminio y magnesio. Los metales más pesados ​​se usarían solo cuando fuera absolutamente necesario y se mantendrían al mínimo. El aerogel se usaría para el aislamiento siempre que sea posible.

Ridículo, ¿eh? Echa un vistazo a Wikipedia Henri Giffard. No estoy en desacuerdo, pero el problema es el escape, en mi humilde opinión. Tus fotografías parecen descuidar el enorme problema del humo, el hollín, las brasas y las chispas. Eche un vistazo a cualquier foto de una locomotora a vapor alimentada con carbón para "volverse realista" aquí. ¿Alguna razón por la que el vapor no podía hacer funcionar una turbina con pérdidas muy pequeñas (insignificantes)? Incluso una máquina de combustión muy "limpia", como los motores de combustión interna modernos, puede "retroceder" y provocar incendios. Pero, me parece que la energía del carbón no está fuera de discusión, con un escape adecuado (y un procesamiento previo del escape).

Una alternativa al vapor podría ser el uso de engranajes a través del trabajo manual. Por ejemplo, los barcos de galera del siglo XVI se basaban en el remo como medio principal de propulsión. Lo lograron a través de hombres (a menudo cientos) remando grandes remos debajo de la cubierta. ¿Qué pasaría si, en lugar de remos, los hombres hicieran girar engranajes? Los engranajes, a su vez, impulsarían hélices que lo impulsarían hacia adelante.

Esto resolvería el problema de quemar carbón en una embarcación de madera y eliminaría el hollín, el vapor y el humo.

Hagamos algunas matemáticas

Para crear 1 kilovatio hora de energía, se necesitan unos 95 litros de agua en una turbina de vapor. Ahora estas cosas pesan alrededor de 1 tonelada cada una, digamos.

Ahora, un motor a reacción típico (que se puede usar en un avión) usa alrededor de 5 megavatios de energía. 1 megavatio son 1000 kilovatios. Entonces, para que este motor a reacción propulse su aeronave, necesitará 5,000 kilovatios de energía. Ahora multiplica eso por 95.

Necesitarías 475.000 litros de agua para un vuelo de 1 hora. Este lleva unas 220 toneladas.

1 litro de agua son 2,20 libras.

Llevarás alrededor de 1,045,000 libras de agua. Que es de unas 500 toneladas. Esto es mucho más de lo que su aeronave puede transportar. Esto excluye la cantidad de carbón que transportará. También necesitará varias máquinas de vapor para procesar suficiente agua en vapor. Si esta aeronave vuela, será bastante lento.... Un ataque a esta aeronave sería demasiado fácil para las otras naciones.

PD. Por favor, corríjame cualquier error en MATEMÁTICAS.

EDITAR

Como ha dicho Li Zhi, estas máquinas de vapor no siempre son 100% eficientes, en realidad, por lo general no lo son.

Al mirar su imagen y pensar en la historia, todo lo que necesitaría es la tecnología para almacenar hidrógeno comprimido. Úselo tanto para reponer el sobre para cambios de elevación como para quemar combustible, tal vez en un motor Stirling como sugirió @Thucydides . Usaría el hidrógeno comprimido frío en un lado y el hidrógeno en llamas en el otro.