Меню

Главная
Случайная статья
Настройки
Шарльер
Материал из https://ru.wikipedia.org

Шарльер (фр. charlire) — аэростат, наполненный водородом, гелием или другими газами легче воздуха. Назван по имени французского учёного и изобретателя Жака Александра Сезара Шарля. Аэростат объёмом 25 м совершил свой первый полёт 27 августа 1783 года при стечении 300 000 зрителей на Марсовом поле в Париже. Первый полёт «шарльера» с экипажем (Ж. А. С. Шарль и М. Н. Робер) состоялся 1 декабря 1783 года в Париже. Французский профессор физики Жак Шарль считал, что дымный воздух — это не лучшее решение, ведь горячий воздух, остывая, теряет подъёмную силу, чего нельзя сказать о водороде, так как он изначально легче воздуха. Жак Шарль использовал лёгкую шёлковую ткань, смоченную раствором каучука в скипидаре, в качестве оболочки, способной длительное время держать летучий газ.

Содержание

Наполнение

Для того, чтобы «шарльер» поднялся в воздух, газ должен быть легче воздуха. При заданной температуре и давлении плотность газа пропорциональна молекулярной массе (Mr). Для того чтобы газ был легче воздуха, его молекулярная масса должен быть ниже 28,97. Грузоподъёмность пропорциональна разности между 28,97 и молекулярным весом газа. Веществ с молекулярной массой ниже 29 и газообразных при комнатной температуре, немного:
  • Водород. Mr = 2. Высокая грузоподъёмность (1,204 кг/м), безвреден, недорог, но пожаро- и взрывоопасен. Широко применяется для беспилотных «шарльеров».
  • Гелий. Mr = 4. Высокая грузоподъёмность (1,115 кг/м), безвреден, безопасен, но дорог. Широко применяется для пилотируемых «шарльеров».
  • Неон. Mr = 20. Безвреден, безопасен, но дороже гелия, и из-за высокого атомного веса грузоподъёмность втрое ниже, чем у водорода (0,400 кг/м). Применяется ограниченно.
  • Метан. Mr = 16. Малотоксичен, недорог, но пожаро- и взрывоопасен. Применяется ограниченно.
  • Аммиак. Mr = 17. С резким запахом, ядовит, слегка горюч, относительно недорог и доступен. Сжижается уже при 33, поэтому большие высоты становятся недоступны. Применяется ограниченно, для метеозондов.
  • Фтороводород (HF). Mr = 21. Крайне ядовит (смертельная концентрация — сотые доли процента; в меньших концентрациях вызывает ожоги кожи и органов дыхания). Химически агрессивен (прожигает почти любую оболочку). Не применяется.
  • Ацетилен (C2H2). Mr = 26. Крайне пожаро- и взрывоопасен. Не применяется.
  • Диборан (B2H6). Mr = 27,6. На воздухе нестабилен, самовоспламеняется. Не применяется.
  • Азот. Mr = 28. Безвреден, недорог, но грузоподъёмность ничтожная (0,043 кг/м). Не применяется.
  • Этилен (C2H4). Mr = 28. Пожаро- и взрывоопасен. Не применяется по той же причине, что и азот.
  • Угарный газ (CO). Mr = 28. Горюч и крайне токсичен. Не применяется по той же причине, что и азот.


Кроме того, в качестве наполнителей предложено использовать водяной пар и в прошлом использовался светильный газ (смесь метана, водорода и угарного газа). Исходя из вышеописанных свойств газов, наиболее предпочтительным и широко используемым является гелий. Использовать водород, аммиак или метан можно только для беспилотных аэростатов, и их заполнение газом необходимо осуществлять на открытом пространстве, вдали от источников огня или электричества, с применением заземления всего оборудования. Неон предосторожностей не требует, как и гелий, он абсолютно безопасен.

Воздушная подъёмная сила

Считая температуры газа-наполнителя и окружающей газовой среды (воздуха) одинаковыми, воздушную подъёмную силу «шарльера» можно выразить формулой:
Здесь  — подъёмная сила в килограммах на 1 м (так же, г/л) газа-наполнителя относительно воздуха при нормальных условиях.
— средняя молекулярная масса воздуха, г/моль,
 — средняя молекулярная масса газа-наполнителя, г/моль,
— молярный объем любого газа при нормальных условиях, л/моль.
Газ
наполнитель 		Химическая
формула 		Молекулярная
масса 		Подъёмная
сила (кг/м)
Водород H2 2 1,204
Гелий He 4 1,115
Метан CH4 16 0,579
Аммиак NH3 17 0,534
Азот N2 28 0,043


При равенстве температуры и давления атмосферного воздуха и газа-наполнителя, и до тех пор, пока оболочка «шарльера» вмещает всё начальное количество наполнителя, подъёмная сила аппарата не зависит от атмосферных условий, поскольку при отклонениях их от нормальных соотношение плотностей воздуха и наполнителя остаётся постоянным, и разница весов наполнителя и вытесняемого им воздуха не меняется. Таким образом, если подъёмная сила превышает вес оболочки, оснастки и полезного груза «шарльера», он будет подниматься неограниченно. Предел этому может наступить по следующим причинам:
  1. экипаж выпускает из оболочки часть наполнителя, или он, расширившись вследствие понижения атмосферного давления, сам частично вытекает через нижнюю горловину оболочки;
  2. герметичная, упругая оболочка (например, детского шарика, наполненного гелием, или метеозонда), растягиваясь при расширении наполнителя, оказывает на него дополнительное давление, вследствие чего он расширяется в меньшей степени, чем атмосферный воздух, и разница плотностей наполнителя и воздуха, а, следовательно, и подъёмная сила «шарльера», уменьшается;
  3. в верхних слоях атмосферы, в которые поднимаются стратостаты, молекулярный состав воздуха изменяется, уменьшается доля более тяжёлых фракций, главным образом — кислорода. Вследствие этого средний молекулярный вес воздуха уменьшается, что ведёт к снижению подъёмной силы стратостата.


См. также

Примечания
  1. Рисунок из Энциклопедического словаря Брокгауза и Ефрона, 1890—1907 г.
  2. Ministere du Commerce de L'Industrie des Postes et des Telegraphes. Exposition Universelle Internationale de 1900 a Paris. Concours Internationaux D'Exercices Physiques et de Sports. Rapports Publies Sous La Direction de M. D. Merillon (фр.). — Paris: Imprimerie Nationale, 1902. — P. 178, 250—275.


Ссылки
Downgrade Counter