Механика сплошных сред - Алешкевич В.А.
Скачать (прямая ссылка):
Конструкция аэростата (рис. 2.17) включает оболочку (1), содержащую легкий газ, гондолу (2) для размещения экипажа и аппаратуры и подвеску (3), крепящую гондолу к оболочке. Для подъема на большие высоты объем оболочки должен составлять 100000-800000 м3. Оболочка аэростата изготавливается из специальных газодержащих полотнищ и меридиональных усилительных лент.
Подъемная сила 1 м3 водорода у земной поверхности равна приблизительно 1,15 кГ, а более тяжелого, но безопасного, гелия — 1 кГ. Это означает, что если вес оснащенного аэростата равен 1 тонне, то в оболочку достаточно закачать >1000 м3 гелия, и аэростат взлетит. Избыток подъемной силы уравновешивают балластом. Заметим, что оболочка заполняется лишь частично, и это позволяет защитить ее от перенапряжения. При подъеме по мере уменьшения давления атмосферы легкий газ в оболочке расширяется. Хотя подъемная сила каждого кубического метра газа в оболочке и падает, однако подъемная сила оболочки остается постоянной. На некоторой высоте легкий газ займет весь объем оболочки, и последняя примет шарообразную форму. При дальнейшем подъеме часть легкого газа будет выходить через открытый рукав (4), и подъемная сила аэростата будет уменьшаться. Подъем будет продолжаться до тех пор, пока не уравняются вес и подъемная сила аэростата. Максимальная высота полета достигается сбрасыванием балласта.
Для спуска открывается газовый клапан (5) в верхней части оболочки. Подъемная сила падает, и аэростат опускается. Поскольку давление атмосферы начинает расти, то оболочка снова теряет форму шара. При приземлении масса легкого газа всегда меньше его начальной массы. Чтобы предотвратить удар гондолы о землю из-за падения подъемной силы, необходимо перед посадкой уменьшить массу аэростата. Это достигается выбрасыванием остающегося балласта.
Рис. 2.17 Лекция 1
41
С помощью высотных аэростатов осуществляются многочисленные научные исследования. Развитие техники аэростатных исследований связано с оперативностью проведения научных работ и их сравнительно небольшой стоимостью. Круг научных задач, решаемых при этом, очень широк: физика Солнца и межпланетной среды, у-астрономия и другие астрофизические исследования, физика космических лучей, процессы в атмосфере Земли и др.
В развитых странах расчет, конструирование и производство аэростатов имеют высокую степень компьютеризации и автоматизации. Производство аэростатных оболочек осуществляется «на заказ» под заданную массу полезного груза. Рядовыми являются полеты аэростатов с оболочками нулевого давления с объемами 350000—850000 м3 и массой полезного груза 500—900 кг на высотах 38—43 км и продолжительностью полета до 100 часов. Современные аэростаты способны летать на высотах примерно 50 км (рекордная высота составляет 51,7 км), грузоподъемность их достигает нескольких тонн, продолжительность полета — 10+15 суток.
Центрифугирование.
В соответствии с барометрической формулой плотность изотермической атмосферы также убывает с высотой по экспоненциальному закону
Hgx
P = Poe RT. (2.41)
Последняя формула дает распределение средней плотности атмосферы, состоящей из различных газов. Если говорить о парциальной плотности различных компонент, то плотность более тяжелых кислорода O2 (ц = 32 г/моль) и азота N2 (ц = 28 г/моль) убывает с высотой быстрее, чем плотность легкого гелия Не (ц = 2 г/моль). Это наводит на мысль о возможности разделения легких и тяжелых газов в силовом поле. Наиболее успешно это можно осуществить в быстро вращающихся вокруг вертикальной оси барабанах (центрифугах), заполненных смесью газов. Для расчета парциального давления и плотности каждого газа в центрифуге воспользуемся равенством (2.30). Потенциальная энергия единицы массы в поле центробежной силы и силы тяжести равна:
U1 (х, г) = -gx + ю2г2. (2.42)
При постоянной температуре T = const
„=Jdp ^RTfdP ^MlnJL
Pj0 P H Pj0 P H Po '
где р0 — давление газа в некоторой точке на оси барабана. Тогда из условия равновесия (2.30) находим
Ll 1 -> -> —(—gXH--(О Г )
p(x,r) = p0eRT 2 . (2.44)
Как видно из (2.44), поверхностями равного давления будут параболоиды вращения, при этом р0 — это давление на единственном параболоиде вращения, для которого
-gx + i(02r2 =0. (2.45) 42
Механика сплошных сред
Когда барабан современной центрифуги быстро вращается, совершая -IO5 оборотов в минуту, то центробежная сила превосходит силу тяжести также в несколько сот тысяч раз, и
Смесь на периферии будет обогащаться тяжелой компонентой, так как плотность р пропорциональна давлению. Однако, при малой молярной массе разделение газов посредством центрифугирования не будет эффективным. На практике центрифуги применяют для разделения газообразных соединений изотопов урана, тяжелых молекул (например, белковых молекул, (x - IO4 г/моль) и других объектов, являющихся предметом изучения биологии и химии.
Вращение атмосферы имеет место и в естественных условиях. Наиболее впечатляющим примером такого движения является торнадо. Торнадо представляет собой близкий к вертикали вихрь, в котором воздух, вращаясь, одновременно движется к оси вихря и вверх вдоль нее. Вблизи от вихря (в ядре) давление сильно понижено; это заставляет воздух в слое высотой несколько десятков метров вблизи поверхности Земли устремляться в нижнюю часть вихря. Достигнув его края, воздух начинает подниматься вверх по спирали, пока в верхней части торнадо не сливается с воздушными потоками.
