真空飛行船

真空飛行船は、真空気球とも呼ばれ、水素やヘリウムなどの空気より軽いガスを充填するのではなく、真空にする仮想の飛行船です。1670年にイタリアのイエズス会司祭フランチェスコ・ラナ・デ・テルツィによって初めて提案され、^[1]真空気球は、排気量あたりの揚力の究極の表現となります。（「FLanar」とも呼ばれ、F. Lanaとポルトガル語の「flanar」（放浪を意味する）を組み合わせたものです。^[2]）

1886年から1900年にかけて、アーサー・ド・ボーセットは「真空管」飛行船の設計を建造するための資金集めを試みたものの、米国議会で早期に支持されたものの、一般大衆は懐疑的だった。イリノイ州の歴史家ハワード・スカムホーンは、オクターブ・シャヌートとアルバート・フランシス・ザームが「真空原理の誤りを公然と非難し、数学的に証明した」と報告しているが、著者は出典を明らかにしていない。^[3]ド・ボーセットは自身の設計に関する本を出版し^{[4] 、}シカゴの大陸横断航空航法会社の株式を15万ドルで提供した。^{[5] [6]}彼の特許申請は最終的に「完全に理論的なものであり、すべてが計算に基づいており、試行や実証に基づいていない」という理由で却下された。^[7]

1921年、ラヴァンダ・アームストロングは、真空チャンバーと「圧力をかけた空気を保持するように構築された第2の外殻に囲まれ、外殻の壁は互いに間隔を空けて結び付けられている」ハニカム状のセル構造を含む複合壁構造を開示した。^[8]

1983年、デビッド・ノエルはプラスチックフィルムで覆われた測地線球と「皮の間に加圧空気を入れ、中央を真空にした二重の風船」の使用について議論した。 ^[9]

1982年から1985年にかけて、エマニュエル・ブリアンプティスはエネルギー源と「膨張式支柱リング」の使用について詳しく説明しました。 ^[10]

しかし、アームストロング、ノエル、ブリアンプティスが提案した二重壁の設計では浮力が得られなかった。崩壊を避けるためには、壁の間の空気は、真空部分が占める総容積の割合に比例した最小圧力（したがって密度も）を持つ必要があり、これにより、機体の総密度が周囲の空気よりも低くなるのを防ぐことができる。^[要出典]

2004年から2007年にかけて、強度対重量比の問題に対処するため、アクメテリとガブリリンは、ハニカム二重層における4つの材料、具体的にはI220Hベリリウム（元素含有率99%）、炭化ホウ素セラミック、ダイヤモンドライクカーボン、および5056アルミニウム合金（94.8% Al、5% Mg、0.12% Mn、0.12% Cr）の選択に取り組みました。^{[11] 2021年に彼らはこの研究を拡張し、「座屈を防止できることを実証するために有限要素解析を採用」し、「厚さ3.52 x 10 −3}  Rのアルミニウムハニカムコアに確実に結合された厚さ4.23 x 10 −5 R^の 2つの炭化ホウ素表面スキンを含む外半径R> 2.11 mのシェル」に焦点を当てました 。^[12]少なくとも2つの論文（2010年と2016年）でグラフェンを外膜として使用することが議論されている。^{[2] [13]}

飛行船は、アルキメデスの原理に従って浮力の原理で動作します。従来の船では水が流体である のに対し、飛行船では空気が流体です。

標準温度および標準圧力での空気の密度は1.28 g/L なので、1リットルの押しのけられた空気は 1.28 g を持ち上げられるほどの浮力を持ちます。飛行船は大量の空気を押しのけるために袋を使用します。袋には通常、ヘリウムや水素などの軽量ガスが充填されています。飛行船によって生成される総揚力は、押しのけた空気の重量から、袋を充填するガスなど飛行船の建造に使用された材料の重量を差し引いたものに等しくなります。

真空飛行船は、揚力ガスをほぼ真空の環境に置き換えます。質量がないため、この物体の密度は 0.00 g/L に近くなり、理論的には押しのけられた空気の揚力を最大限に引き出すことができるため、1 リットルの真空で 1.28 g を揚力できます。モル容積を使用すると、1 リットルのヘリウム (1 気圧) の質量は 0.178 g であることがわかります。真空の代わりにヘリウムを使用すると、1 リットルあたりの揚力は 0.178 g 減少するため、有効揚力は 13.90625% 減少します。1 リットルの水素の質量は0.090 g で、有効揚力は 7.03125% 減少します。

真空飛行船のコンセプトの主な問題は、エアバッグ内部がほぼ真空であるため、外部の大気圧が内部の圧力と釣り合わないことです。この大きな力の不均衡により、エアバッグが極端に強力でない限り、エアバッグは潰れてしまいます（通常の飛行船では、力は揚力ガスの圧力と釣り合っているため、この必要はありません）。したがって、真空のより大きな揚力を打ち消すほど構造を重くすることなく、この極端な正味の力に抵抗する追加の強度を備えたエアバッグを構築することが困難です。^{[2] [11]}

アフメテリとガブリリンの分析によると：^[11]

半径 の半球殻に外圧によって加わる力の合計は です。各半球にかかる力は赤道に沿って釣り合う必要があるため、が殻の厚さであると仮定すると、圧縮応力( ) は次のようになります。 ${\displaystyle R}$${\displaystyle P}$${\displaystyle \pi R^{2}P}$${\displaystyle h<<R}$${\displaystyle h}$${\displaystyle \sigma}$

${\displaystyle \sigma =\pi R^{2}P/2\pi Rh=RP/2h}$

中性浮力は、シェルの質量が押しのけられた空気の質量と同じ場合に発生します。これは、 （空気の密度、 はシェルの密度で、均質であると仮定）のときに発生します。応力方程式と組み合わせると、次の式が得られます。 ${\displaystyle h/R=\rho _{a}/(3\rho _{s})}$${\displaystyle \rho_{a}}$${\displaystyle \rho_{s}}$

${\displaystyle \sigma =(3/2)(\rho _{s}/\rho _{a})P}$。

アルミニウムと陸地の条件では、Akhmeteli と Gavrilin は、応力をPa と推定しており、これはアルミニウム合金の圧縮強度と同じ桁数です。 ${\displaystyle 3.2\cdot 10^{8}}$

しかし、アクメテリとガブリリンは、圧縮強度の計算では座屈が考慮されていないこと、そして球の臨界座屈圧力に対するR.ゾエリの式を使用していること を指摘している。

${\displaystyle P_{cr}={\frac {2Eh^{2}}{\sqrt {3(1-\mu ^{2})}}}{\frac {1}{R^{2}}}}$

ここで、は弾性係数、はシェルの ポアソン比です。前の式を代入すると、実現可能な真空バルーンシェルの必要条件が得られます。${\displaystyle E}$${\displaystyle \mu }$

${\displaystyle E/\rho _{s}^{2}={\frac {9P_{cr}{\sqrt {3(1-\mu ^{2})}}}{2\rho _{a}^{2}}}}$

要件は約 です。 ${\displaystyle 4.5\cdot 10^{5}\mathrm {kg} ^{-1}\mathrm {m} ^{5}\mathrm {s} ^{-2}}$

アクメテリとガブリリンは、これはダイヤモンドを使っても達成できないと主張し（）、シェルが均質な材料であるという仮定を捨てることで、より軽量で剛性の高い構造（例えばハニカム構造）が可能になるかもしれないと提案している。^[11]${\displaystyle E/\rho _{s}^{2}\approx 1\cdot 10^{5}}$

真空飛行船は、少なくとも浮くこと（アルキメデスの法則）と外圧に抵抗すること（強度法則、設計による、球に対する R. Zoelli の上記の式など）が必要です。これらの 2 つの条件は、飛行船の材質に関連するいくつかの物理定数の複合体が、大気パラメータの複合体よりも小さくなるという不等式として書き直すことができます。したがって、球体（強度法則が知られている設計は、実質的に中空球と、それほどではないが円筒だけです）の場合、となり、 は球体内の圧力であり、（「ラナ係数」）と（「ラナ大気比」）は次のようになります。^[2]${\displaystyle k_{\rm {L}}<{\sqrt {1-{\frac {P_{\rm {int}}}{P}}}}\cdot L_{\rm {a}}}$${\displaystyle P_{\rm {int}}}$${\displaystyle k_{\rm {L}}}$${\displaystyle L_{\rm {a}}}$

${\displaystyle k_{\rm {L}}=2.79\cdot {\frac {\rho _{s}}{\rho _{\rm {atm}}}}\cdot {\sqrt {\frac {P_{\rm {atm}}}{E}}}\cdot (1-\mu ^{2})^{0.25}}$（または、が不明な場合は、3％以下の誤差で）${\displaystyle \mu }$${\displaystyle k_{\rm {L}}\approx 2.71\cdot {\frac {\rho _{s}}{\rho _{\rm {atm}}}}\cdot {\sqrt {\frac {P_{\rm {atm}}}{E}}}}$

${\displaystyle L_{\rm {a}}={\frac {\rho _{a}}{\rho _{\rm {atm}}}}\cdot {\sqrt {\frac {P_{\rm {atm}}}{P}}}}$（または、が不明な場合は、）、${\displaystyle \rho _{a}}$${\displaystyle L_{\rm {a}}=10\cdot {\sqrt {\frac {P_{\rm {atm}}}{P}}}\cdot {\frac {M_{a}}{T_{a}}}}$

ここで、 および は海面での標準地球大気の圧力と密度、は浮遊領域の大気のモル質量 (kg/kmol) と温度 (K) です。太陽系の既知のすべての惑星と衛星のうち、金星の大気だけが、複合材料 (高度約 15 km 以下) やグラフェン (高度約 40 km 以下) などの物質を凌駕するほどの大きさを持っています。 ^[2]両方の物質は金星の大気中で存続する可能性があります。 の式は、高密度で低温で高分子 ( 、、タイプ) の大気を持つ太陽系外惑星が真空飛行船に適している可能性があることを示していますが、これはまれなタイプの大気です。 ${\displaystyle P_{\rm {atm}}=101325\;{\rm {Pa}}}$${\displaystyle \rho _{\rm {atm}}=1.22}$ ${\displaystyle {\rm {kg/m^{3}}}}$${\displaystyle M_{a}}$${\displaystyle T_{a}}$${\displaystyle L_{\rm {a}}}$${\displaystyle k_{\rm {L}}}$${\displaystyle L_{\rm {a}}}$${\displaystyle {\rm {{CO}_{2}}}}$${\displaystyle {\rm {O_{2}}}}$${\displaystyle {\rm {N_{2}}}}$

エドガー・ライス・バローズの小説『ターザン 極地探検』では、ターザンは架空の物質ハルベナイトで作られた真空飛行船に乗って ペルシダー島へ旅します。

小説家アズハル・アビディは『パッサローラ・ライジング』の中で、もしバルトロメウ・デ・グスマンが真空飛行船を建造し飛ばしてい たらどうなっていたかを想像している。

マグナス効果を利用し、カービンまたは類似の超硬質炭素で作られた球形の真空体飛行船は、ニール・スティーブンソンの小説『ダイヤモンド・エイジ』に垣間見られます。

Maelstrom ^[14]とBehemoth:B-Maxの中で、著者のピーター・ワッツは「ボットフライ」（ウミバエにちなんで名付けられた）や「真空ブラダー」を使用して空中に浮かぶ「リフター」など、さまざまな飛行装置について説明しています。

イアン・M・バンクス著『フィールサム・エンドジン』では、物語の登場人物バスキュールがエルガテス救出の旅で真空気球を使用しています。真空飛行船はバンクスの小説『風上を見つめて』でも宇宙を航行するユートピア文明カルチャーの注目すべき工学的特徴として言及されており、巨大な真空飛行船エクアトリアル353はカルチャーの最後の小説『水素ソナタ』で極めて重要な場所となっています。

• エアロスタット

• アルフレッド・ヒルデブラント (1908)。『過去と現在の飛行船: 気象学、写真術、伝書鳩と関連した気球の使用に関する章付き』D. ヴァン・ノストランド社。pp. 16–。
• コリンズ、ポール(2009)。「金属飛行船の興亡」。ニューサイエンティスト。201 ( 2690 ) : 44–45。Bibcode :2009NewSc.201...44C。doi : 10.1016/S0262-4079(09)60106-8。ISSN 0262-4079  。
• ティモシー・フェリス (2000)。『Life Beyond Earth』。サイモン＆シュスター。pp. 130– 。ISBN 978-0-684-84937-9。
• シラノの定義。アン・バロン・ゴンフル・アベック・デュ・ビデオ：ファブリス・デイビッド