¿Qué tan funcionales/versátiles serían las aeronaves que utilizan globos de vacío perfecto?

Hablemos de la practicidad del dirigible en lugar del poder de elevación.

1. Despegue y aterrizaje.

   Esta es, con mucho, la parte más peligrosa de un viaje en dirigible. Los vientos cerca del suelo son impredecibles. Un solo cizallamiento sorpresa puede (¡y lo hizo!) destrozar una aeronave en unos instantes. Era una carrera para llevar un barco aterrizado a un hangar o amarrarlo adecuadamente antes de que ocurriera esa inevitable ráfaga mortal. Del mismo modo, era una carrera para conseguir que un barco cargado se ajustara y volviera al aire.

   Dado que el viento en muchos lugares (como las ciudades costeras) tiene algunos cambios predecibles en los ciclos diarios, los barcos no pueden despegar ni aterrizar durante esos tiempos conocidos. La precipitación agrega peligros. Los rayos son una amenaza particular, ya que los pararrayos no se pueden usar fácilmente. Las operaciones nocturnas también son muy peligrosas, demasiado fáciles para que el personal de tierra entre en un agujero en el campo de aterrizaje.

   Es costoso llevar un ancla lo suficientemente pesada como para ser útil (y bastante grosero arrojarla sobre la ciudad que está visitando). Por lo tanto, sus barcos dependerán de grandes tripulaciones de tierra locales que agarren líneas y usen sus músculos y masa para arrastrar el barco hacia abajo desde el cielo.

   Un campo de aterrizaje pequeño y silencioso debe tener al menos 1 km a cada lado. Los campos de aterrizaje de las ciudades ocupadas deberán ser mucho más grandes. Tus aeronaves son torpes y lentas: se acercarán desde direcciones aleatorias a medida que cambie el viento, y la potencia de la bestia hará una diferencia moderada debido a la enorme resistencia aerodinámica.

   También serán lentos para subir y bajar; como cualquier niño que haya tratado de luchar contra la flotabilidad de una pelota en una piscina puede atestiguar, se necesita MUCHA fuerza para luchar contra la flotabilidad... y un barco de vacío no puede bombear gas fácilmente para bajar el barco. (Nota personal: recuerde agregar el peso de la(s) bomba(s) de vacío al peso muerto del barco. Y esa tecnología para fabricar bombas de vacío es necesaria).

2. Clima

   Durante la Primera Guerra Mundial, el mal tiempo destruyó tantos dirigibles como combatientes. Una tormenta común y nada espectacular de mediados de verano destrozó el USS Shenandoah sobre Ohio, arrojando cuerpos sobre las llanuras y aburridas granjas de abajo.

   Los dirigibles dependían de informes meteorológicos precisos y actualizados con frecuencia de las estaciones a lo largo de su ruta. Actualizar el clima de la ruta era una tarea principal del operador de radio de tiempo completo. Revisar la ruta proyectada en base a los informes meteorológicos actualizados era una tarea principal del navegante de tiempo completo.

   Esto significa, por supuesto, que necesita comunicación a larga distancia para compartir datos meteorológicos entre estaciones, y una forma para que esas estaciones terrestres se comuniquen (como helióstatos o semáforos) con aeronaves que pasan, tanto de día como de noche.

   Los dirigibles tendían a elevarse durante el día y descender durante la noche a medida que el hidrógeno se calentaba y valvulaba, y luego se enfriaba. Afortunadamente, no tienes ese problema con el vacío.

   Las nubes y la niebla son irritantes, ya que pueden ocultar los peligros (el suelo, las montañas, las estrellas, los puntos de referencia, otros barcos). Pero los bancos de nubes y las nieblas que duran varios días son un peligro mortal cuando el barco ya no puede medir su posición o altitud. El Graf Zeppelin llevaba una sirena de niebla para medir la altitud en el valle del río Ródano, propenso a la niebla.

3. Navegación

   La navegación diurna con aire despejado sobre puntos de referencia conocidos es bastante fácil. Pero el sol se pone, o el mal tiempo oscurece la vista, o el barco necesita ir a algún lugar nuevo.

   Tus barcos necesitan cartas precisas. Necesitan brújulas para encontrar su rumbo. Necesitan herramientas precisas y precisas --sextante, reloj, efemérides-- para encontrar su latitud y longitud. Necesitan barómetros y líneas y matracas y un reflector para medir la altitud.

   La navegación de aeronaves tiene que ver con las probabilidades y la gestión de riesgos.. Si vuela de Tokio a Singapur, no le importa el clima de Singapur en este momento; usted está tratando de predecir cuál será el tiempo en 30 horas. ¿En qué dirección es probable que esté el viento entonces? ¿Es esta la temporada de lluvias? Entonces, ¿cómo puedes acercarte al campo de aterrizaje desde barlovento? ¿Puedes llegar tres horas antes de la puesta del sol para que haya tiempo de aterrizar el barco antes de que cambien los vientos? ¿Los vientos cerca de Vietnam indican un ciclón o no? Si es un ciclón, ¿de qué lado quieres viajar? ¿Cómo cambiará eso tu hora de llegada? Si desea evitar aterrizajes nocturnos peligrosos, ¿existe una ruta alternativa segura que sea más lenta y llegue a la mañana siguiente? ¿El Capitán necesita tomar una decisión? Si es así, ¿cuándo es demasiado tarde para tomar una decisión? ¿Hay estaciones intermedias por las que pueda pasar para obtener información actualizada?

   Puede ver por qué la navegación es un trabajo de tiempo completo y por qué los buenos oficiales de navegación deben estar bien pagados.

16% más funcional/versátil que las aeronaves de helio existentes.

Este no es el mejor uso de Besker en su mundo.

Como ya se señaló en los comentarios; El hidrógeno tiene el 93% del poder de elevación del vacío y el helio tiene el 86%. La mejora del helio al vacío es una mejora del 16 %, por lo que esa es la ganancia de rendimiento que obtiene del mundo real. No mucho en el esquema de las cosas.

Sus aeronaves de combate blindadas son un 16 % más prácticas que las mejores aeronaves de combate que tenemos en la actualidad. Su red de carga es un 16% más práctica que nuestra actual red de carga aérea. Si se trata de elegir entre aeronaves hechas de besker y aislamiento, haga las aeronaves, pero esta no es una tecnología innovadora.

En términos de fuerza/kg, besker suena como un material increíble, junto con los nanotubos de carbono y el grafeno en la escala de fuerza específica , si tiene islas flotantes, necesita conectar:

• Convierta un besker en algo parecido a una cuerda de acero, colóquelo entre las islas y construya una red de transporte similar a un telesilla. O
• construir un puente hecho de besker entre islas. Este material debería poder abarcar decenas de kilómetros sin soportes. Si las islas se mueven con el viento, el besker suena lo suficientemente fuerte como para detener eso y mantener las islas en una formación rígida.

Como calculé en mi respuesta anterior

Tomemos el caso ideal en el que el volumen del globo está completamente desprovisto de aire, el globo no deja entrar aire y puede soportar la presión exterior. Esto significa que un metro cúbico de ese vacío tendrá una fuerza de elevación equivalente al peso del aire desplazado, lo que significa unos 12 N. Esto significa que para levantar una carga de 100 kg el globo necesitaría un volumen de unos$1000/12 \approx 84 \ m^3$.

Este es el globo más compacto que puede obtener, porque cualquier otro gas de elevación será más denso que el vacío. Sin embargo, el vacío es el único que requiere un refuerzo estructural adicional, porque toda la estructura deberá resistir la presión atmosférica, mientras que cualquier otro gas lo proporcionaría de forma gratuita. Si no proporciona eso, esto sucederá

En resumen, lo que se gana con la potencia de elevación se pierde con la carga no remunerada.

Visión alternativa:

ALAS VOLADORAS : Con un material tan fuerte y liviano, ¿por qué no hacer aeronaves muy delgadas (relativamente) livianas similares a alas voladoras gigantes?que resultan ser flotantes si dejan de moverse? Las alas voladoras tienen un volumen interno bastante grande y poca resistencia. Tendrían todas las mejores cualidades de un avión y una aeronave. Debido a la fuerza y ​​la ligereza de beskar, las formas irregulares se pueden "llenar" con vacío (o múltiples bolsas pequeñas de vacío). La misma superfuerza significa que las naves usarían sus tanques de vacío como armadura contra los ataques. Dado que es aerodinámico, es rápido, además, si se pincha, la aerodinámica debería mantenerlo en el aire incluso si pierde flotabilidad (al menos el tiempo suficiente para recorrer un camino y aterrizar). Es posible que pueda sobrecargar sus aeronaves y usar la aerodinámica para compensar el exceso de carga (dar suficiente empuje).

GENERAR VACÍO : Crear un vacío en la vida real es mucho más difícil de lo que parece. Pero, ¿y si esto no fuera un problema? Si tiene bombas extremadamente eficientes para crear vacío (como teletransportar aire), podría bombear aire dentro y fuera de sus cámaras de vacío para permitir que los barcos controlen la flotabilidad sin esfuerzo. De hecho, el amoníaco se ha propuesto como gas de elevación específicamente porque puede condensarse mediante refrigeración para reducir la elevación y luego evaporarse para volver a inflar las cámaras de elevación vacías para un control superior. Dado que en realidad no está utilizando un gas de elevación, pero parece que puede crear vacíos fácilmente, esto simplemente implicaría llenarlo con aire normal y luego expulsarlo cuando sea necesario. Esto también significa que puede llenar una aeronave en tierra para lograr estabilidad y luego vaciar el aire para el despegue/vuelo.

AVIONES: Hacer formas irregulares requeriría bastante más material, y dijiste que era caro. ¿Ha considerado esto para embarcaciones que no son BASTANTE dirigibles? Una gran sección de un avión llena con una cámara de este tipo significaría que la masa total de la nave era más liviana, lo que le permitiría transportar cargas útiles densas con mayor facilidad. Además, en caso de pérdida de potencia, un avión que no es muy flotante podría deslizarse hasta el suelo como una pluma. Los aviones grandes y ligeros pueden ir rápido cuando se desee, pero también moverse muy lentamente si es necesario, por lo que pueden ser muy buenos para hacer aviones VTOL/STOL que pueden volar rápido y luego merodear en un área usando una potencia mínima (a diferencia de las bestias). que usan los ejércitos modernos, que requieren motores masivos, jets y hélices enormes).

El problema es que el vacío no te hace ganar mucho más que llenar tus globos con hidrógeno o helio. El aire es una mezcla de aproximadamente 80 % de N2 y 20 % de O2 (con algunas otras cosas que dejaré de lado por simplicidad). Los pesos moleculares de N2 y O2 son 28 y 32, respectivamente. Por lo tanto, el promedio para el aire es de aproximadamente 29.

El aire a 0 °C y la presión a nivel del mar pesa 1,293 kg/m^3. Por lo tanto, si tiene un globo que contiene un vacío perfecto (y el globo en sí no tiene peso), entonces puede levantar 1,293 kg por cada metro cúbico de globo.

El hidrógeno tiene un peso molecular de 2. Si ese globo está lleno de hidrógeno, pesará 0,089 kg/m^3, por lo que puede levantar 1,204 kg por cada metro cúbico. Del mismo modo, para el helio, levantaría alrededor de 1,1 kg. Lo que demuestra que no se puede obtener una gran ventaja utilizando el vacío.

¡Con sus números, la aeronave llena de hidrógeno sigue siendo superior!

Ok, entonces dices que un globo de 5 m de radio evacuado necesita un caparazón de 5 mm de espesor con una densidad promedio de 140 kg/m³ (probablemente no sería sólido, sino una estructura de panal; y luego puede ser más grueso, porque necesitas espesor para resistencia a la flexión), que pesa 220 kg.

Pero un globo de 5 m de radio lleno de hidrógeno solo contiene 46,6 kg de hidrógeno. Entonces, si puede ahorrar 50 kg usando un caparazón menos fuerte, estará mejor.

¿Puede? ¡Seguro!

• La carcasa de vacío necesita fuerza para doblarse (de lo contrario, se arrugaría con la distorsión de la luz). La fuerza en la flexión proviene de un lado del material para resistir la compresión mientras que el otro lado resiste la tensión (y el medio no hace nada, por lo que la estructura de panal sería mejor que la cubierta sólida). Por lo tanto, se necesita más material que para compresión o tensión puras. Sin embargo, no estoy seguro de cuánto debe ser la fuerza en la flexión; eso no es un cálculo sencillo.
• Si beskar es algo así como materiales fuertes comunes, es mucho más fuerte en tensión que en compresión.
• El globo lleno de hidrógeno solo necesita soportar quizás ⅕ del diferencial de presión. Puede mantener la presión del hidrógeno un poco por encima de la ambiente llenando y vaciando los globos de equilibrio en el interior y ventilando algo de hidrógeno en caso de emergencia.

Esto en conjunto significa que el caparazón puede ser al menos uno, pero probablemente dos órdenes de magnitud más ligero. Incluso un globo de tela normal pesaría solo alrededor de 40 kg en el tamaño y tienes un material mucho más fuerte. Es decir, se ahorran al menos 200 kg soportando la estructura desde el interior con 50 kg de hidrógeno. ¡Una ganancia de 150 kg de carga útil!

Control

Luego está la cuestión del control. Los dirigibles de hidrógeno tienen globos dentro de los globos elevadores que soplan aire dentro de ellos. Esto mantiene la presión con el cambio de altitud y permite ajustar la presión y por lo tanto la sustentación. Esto funciona porque los globos son flexibles.

Pero sus cubiertas de vacío no son flexibles. Podrías tener globos flexibles en el interior que llenas con lastre para reducir la flotabilidad, pero vaciarlos nuevamente requiere bombas de vacío potentes. Los sopladores para globos en aeronaves llenas de helio pueden ser livianos, porque no necesitan trabajar con grandes diferenciales de presión.

Seguridad

Y no se olvide de la seguridad adicional. Penetrar un proyectil evacuado (estás luchando con los barcos, ¿no es así?) desencadenaría una ráfaga de aire muy rápida. Eso crearía fuertes fuerzas que probablemente rasgarían aún más el caparazón y probablemente provocarían un colapso bastante rápido del globo dañado, y la correspondiente pérdida repentina de la fuerza de sustentación.

Pero las aeronaves llenas de hidrógeno son, según la experiencia práctica de la Primera Guerra Mundial, bastante difíciles de derribar. Penetrar el globo de elevación provoca fugas, pero dado que la diferencia de presión es pequeña, es menos probable que el daño se propague, especialmente si agrega alguna estructura antidesgarro. Y la fuga es lo suficientemente lenta como para que no se caiga, simplemente comience a hundirse muy lentamente. Durante la Primera Guerra Mundial, los combatientes a menudo arrojaban cientos de balas en un dirigible bombardero y ¡todavía llegaba a casa!

Por supuesto, desea que la aeronave se componga de múltiples globos de elevación de cualquier manera. Pero el colapso de un globo aerostático evacuado siempre será más abrupto y, por lo tanto, causará más problemas.

Otras respuestas tienen razón al señalar que los zepelines de vacío serían solo un 16% mejores que los de helio. Sin embargo, todavía hay una diferencia importante entre el vacío y el gas que afecta la forma en que vuela un zepelín: en las aeronaves de gas, la flotabilidad es constante, independientemente de la altitud, la flotabilidad será mayor a bajas altitudes y la aeronave tenderá a permanecer en una altitud de equilibrio constante.

En los dirigibles de nuestro mundo, el gas en las bolsas está a la misma presión que el aire exterior y, si se gestiona adecuadamente (por ejemplo, evitando descensos demasiado rápidos), también a la misma temperatura. Dado que la densidad del gas y del aire es inversamente proporcional a la presión y directamente proporcional a la temperatura, la densidad del gas y la densidad del aire cambian por igual. Dado que la flotabilidad es igual al peso del aire desplazado, ese peso permanece constante y la flotabilidad es constante en todas las altitudes y temperaturas.

Sin embargo, en un globo de vacío rígido, el volumen es constante, pero la densidad del aire varía con la altitud y la temperatura, aumentando la flotabilidad en altitudes más bajas donde el aire es más denso. Un dirigible flotaría más en altitudes más bajas y se hundiría en altitudes más altas, tendiendo a permanecer en un nivel constante.

Eso podría ser una ventaja, especialmente si todas las islas de aire están al mismo nivel, pero podría ser una desventaja si se espera que las aeronaves bajen a la palanca de tierra.

Permítanme señalar que, según nuestro análisis de elementos finitos https://arxiv.org/abs/1903.05171 , los globos de vacío se pueden fabricar con materiales disponibles comercialmente. Nuestro artículo también contiene referencias al trabajo de otras personas sobre el tema. El control de altitud mejorado (a través del bombeo de aire dentro y fuera del globo) puede ser una de las ventajas de los globos de vacío.