Воздушный старт

Для того, чтобы аэростат поднялся в воздух, газ должен быть легче воздуха. При заданной температуре и давлении плотность газа пропорциональна молекулярной массе. Для того, чтобы газ был легче воздуха, его молекулярный вес должен быть ниже 28,7. Грузоподъемность пропорциональна разности между 28,7 и молекулярным весом газа.

Считая температуру газа-наполнителя и воздуха одинаковым, подъемную силу аэростата можно выразить формулой:

Здесь F – подъемная сила в килограммах на 1 м³ газа-наполнителя при нормальных условиях, M – молекулярный вес газа-наполнителя.

Подъемная сила аэростата на 1 м³ газа-наполнителя при нормальных условиях представлена в таблице 1:

Поэтому подъемная сила аэростата, заполненного теплым воздухом, оказывается небольшой. Плотность же водорода в 14 раз меньше плотности воздуха, и подъемная сила аэростата, наполненного водородом, более чем в три раза превышает подъемную силу нагретого воздуха того же объема. Водород, однако, горит и образует с воздухом легко воспламеняющую смесь. Негорючим и одновременно легким газом является гелий. Именно гелий мы и будем использовать.

Плотность воздуха уменьшается с увеличением высоты над уровнем земли. Поэтому по мере поднятия аэростата действующая на него сила Архимеда становится меньше.

После того, как сила Архимеда достигнет значения, равного силе тяжести, подъем аэростата прекратится.

Для того, чтобы опуститься на землю, используется привязной трос.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.2 Конструкция  воздушного старта

В работе предлагается комплексная модель воздушного старта. Данный комплекс включает в себя:

• аэростат;
• крепление ракеты;
• ракета S3A

Модель аэростата состоит из двух конусов и двух цилиндров, из-за этого объем модели есть сумма объемов всех его составляющих частей.

Максимальная грузоподъемность аэростата определяется с помощью расчетов и зависит от общей массы полезной нагрузки.

Подробные характеристики элементов модели комплекса приведены в таблице.

Элемент системы	Материал/комплектация/ разработка/покупка	Масса, г
Аэростат №1	Воздушный аппарат, наполненный гелием. Разработано нами	Незначительна
Аэростат № 2	Воздушный аппарат, наполненный гелием. Разработано нами	Незначительна
Пороховая ракета	Разработана учащимися объединения «Ракетомоделирование»	?
Крепление ракеты	Разработано нами.	?

 

 

 

2.3 Аэростат

Прежде чем осуществить сборку комплекса, необходимо было рассчитать подъемную силу.

На все тела в воздухе действует выталкивающая (архимедова) сила. Чтобы найти архимедову силу, действующую на тело в воздухе, надо рассчитать ее по формуле:

,

где ** – ускорение свободного падения, p-плотность воздуха, Vт-объем тела.

Если эта сила окажется больше силы тяжести, действующей на тело, то тело взлетит. На этом основано воздухоплавание.

Для того чтобы определить, какой груз может поднять аэростат, надо знать его подъемную силу.

Подъемная сила аэростата равна разности между архимедовой силой и действующей на аэростат тяжести.

Согласно I закону Ньютона для обеспечения равномерного движения необходимо, чтобы сумма действующих сил была равна нулю:

Для того, чтобы тело всплывало в жидкости или газе должно выполняться условие:

Предельный случай для возможного состояния неустойчивого равновесия необходимо, чтобы

В нашем случае сила тяжести определяется общей массой нагрузки, массой оболочки и массой гелия внутри шаров:

Масса гелия рассчитана по формуле:

,

плотность гелия взята при нормальном атмосферном давлении.

Объем нара рассчитан по формуле:

Силу Архимеда можно рассчитать по формуле:

,

где плотность воздуха взята при нормальном атмосферном давлении.

Полученный счет вы можете увидеть в таблице 4.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 этап. Технологический (сборка)

3.1 Аэростат № 1

Работа началась с проектирования, выбора материала и конечных расчетов будущего каркаса. Он будет сделан из деревянных реек размером 2 м 97 см.

На концах реек были просверлены дырки, чтобы закрепить и установить нужную форму крепежом.

Для жесткости каркаса были сделаны из реек окружности с диаметром 0,95 и 0,85 метров. И все это склеено суперклеем.

Мы разработали клапан для закачки гелия.

И последним этапом сборки являлось приклеивание оболочки аэростата, которой является укрывной материал.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.2 Аэростат № 2

Работа началась с проектирования, выбора материала и конечных расчетов будущего каркаса. Он будет сделан из укрывного материала и скотча.

Укрывной материал был разрезан на четыре равных объемных треугольника и склеен скотчем.

Далее, мы заполнили модель гелием, предварительно изготовив отверстие для заполнения конструкции «легким воздухом».

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Приложение:

Таблица 1

Газ наполнитель	Молекулярный вес	Подъемная сила (кГ/м³)
Водород	2	1,205
Гелий	4	1,116
Метан	16	0,580
Аммиак	17	0,536
Азот	28	0,045

 

Таблица 2

Высота,  м		Давление,   мм рт. ст./Па			Температура,  °С/°К
0		760		101300	15,0		288
1000		674		89870	8,5		281,5
2000		596		79490	2,0		275
3000		526		70100	-4,5		268,5
4000		462		61630	-11		262
5000		405		54010	-17,5		255,5
6000		354		47170	-24		249
7000		308		41050	-30,5		242,5

 

Таблица 3

Темпе-  ратура, °С	Удельная подъемная сила, кг/м3
	воздух	вода	метан	гелий	водород
20	0.021	—	0.559	1.057	1.140
40	0.098	—	0.602	1.068	1.145
60	0.165	—	0.639	1.077	1.150
80	0.225	—	0.672	1.085	1.154
100	0.279	0.636	0.702	1.093	1.158
120	0.327	0.666	0.728	1.099	1.161
140	0.370	0.693	0.752	1.105	1.164
160	0.410	0.718	0.774	1.111	1.167
180	0.445	0.740	0.794	1.116	1.169
200	0.478	0.760	0.812	1.120	1.172

 

Таблица 4. Полученные расчеты

Масса груза, г
Масса оболочки, г
Масса гелия, г	22,4
Объем аэростата     № 1, м³	1,170
Объем аэростата     № 2, м³
Плотность гелия, кг/м³	0,179
Плотность воздуха, кг/м³	1,290
Сила Архимеда, Н	12,95
Сила тяжести

 

Таблица 5

Годы	Применение в истории
1894	В России одним из организаторов полётов на аэростатах для научных исследований атмосферы был А. М. Кованько.
1942-1945	Во время Второй мировой войны аэростаты широко применялись для защиты городов, промышленных районов, военно-морских баз и других объектов от нападения с воздуха. Действие аэростатов заграждения было рассчитано на повреждение самолётов при столкновении с тросами, оболочками или подвешиваемыми на тросах зарядами взрывчатого вещества. Наличие в системе ПВО аэростатов заграждения вынуждало самолеты противника летать на больших высотах и затрудняло прицельное бомбометание с пикирования.Кроме использования в системе ПВО привязные аэростаты применялись для наблюдения за полем боя, корректировки артиллерийского огня и разведки.
Июнь 1985	Два аэростата летали в атмосфере Венеры. С советских автоматических межпланетных станций «Вега-1» и «Вега-2», пролетавших в окрестностях планеты, было «сброшено» по посадочному модулю и по атмосферному зонду. Аэростатные зонды произвели снижение на парашютах и после наполнения их оболочек гелием начали дрейф в атмосфере планеты на высоте 53-55 км, проводя измерения метеорологических параметров. Продолжительность работы обоих зондов составила более 46 часов.
Конец 1920	Немецкий физик Плаусон с успехом применил привязные аэростаты в качестве приемников атмосферного электричества. С одиночного аэростата в ясную погоду удавалось снять до 3,5 киловатт электрической мощности при напряжении около 120 киловольт. Позже с этим эффектом столкнулись при использовании тросов аэростатов заграждения в качестве антенн дальней радиосвязи. Эта технология может применяться для автономного энергоснабжения. Выход энергии может быть повышен с помощью дугового разрядника, подвешенного на тросе под аэростатом для ионизации атмосферы.