리프팅 가스

Lifting gas

리프팅 가스 또는 공기 가스보다 가벼운 기체는 일반적인 대기 가스보다 밀도가 낮고 그 결과 그 위로 상승하는 기체다. 항공기가 부력을 만드는 데는 항공기가 필요하며, 특히 자유풍선, 계류풍선, 비행선 등이 포함된다. 공기 가스보다 확실한 라이터만이 리프팅 가스로 적합하다. 건조한 공기는 온도 및 압력(STP)의 표준 조건에서 약 1.29g/L(리터당 그램)의 밀도와 평균 분자량이 28.97g/mol이므로 공기 가스보다 가벼운 공기는 이보다 낮은 밀도를 갖는다.[1]

리프팅에 사용되는 가스

뜨거운 공기; 허풍

가열된 대기는 레크리에이션 벌룬에 자주 사용된다. 이상 기체 법칙에 따르면, 가스의 양(그리고 공기와 같은 기체의 혼합물)은 가열될 때 팽창한다. 그 결과 특정 부피의 가스는 온도가 높을수록 밀도가 낮아진다. 열기구의 평균 공기의 온도는 약 212 °F(100 °C)이다.[citation needed]

수소

현존하는 기체 중 가장 가벼운 것(공기 밀도 7%)인 수소가 리프팅에 가장 적합한 기체로 보인다. 예를 들어 수성 가스 이동 반응과 같이 대량으로 쉽게 생산할 수 있지만 수소는 다음과 같은 몇 가지 단점이 있다.

  • 수소는 인화성이 매우 강하다. 일부 국가는 상업용 차량의 리프트 가스로 수소를 사용하는 것을 금지했지만 미국, 영국, 독일에서는 레크리에이션 무료 풍선 사용이 허용된다. 힌덴부르크 재앙은 수소가 제기하는 안전 위험의 예로 자주 인용된다. 헬륨(수소 대비)의 고비용은 연구원들이 수소를 리프트 가스로 사용하는 안전문제를 재조사하도록 만들었다. 좋은 엔지니어링과 좋은 취급관행을 통해 위험을 크게 줄일 수 있다.[citation needed]
  • 수소 분자는 매우 작기 때문에 라텍스 등 여러 물질을 통해 쉽게 확산될 수 있어 풍선이 빠르게 수축할 수 있다. 이것은 많은 수소나 헬륨이 채워진 풍선이 Mylar/BoPET로 만들어지는 한 가지 이유다.[citation needed]

헬륨

헬륨은 두 번째로 가벼운 가스다. 이 때문에 리프팅에도 매력적인 가스다.

주요한 장점은 이 가스가 불연성이라는 것이다. 그러나 헬륨의 사용에도 몇 가지 단점이 있다.

  • 수소와 공유되는 확산 문제(그러나 헬륨의 분자반경이 작아 수소보다 더 많은 물질을 통해 확산된다).
  • 헬륨은 비싸다.
  • 우주에는 풍부하지만 지구에는 헬륨이 매우 드물다. 상업적으로 이용 가능한 유일한 매장량은 주로 미국에 있는 몇몇 천연 가스 유정들 뿐인데, 이 유정은 지구 내 방사성 물질의 느린 알파 붕괴로부터 그것을 가두었다. 인간의 표준에 따르면 헬륨은 실질적으로 다른 물질로 제조할 수 없는 비재생 자원이다. 예를 들어 헬륨이 가득 찬 풍선이 새거나 터지면 헬륨은 결국 우주로 빠져나와 상실된다.

석탄가스

과거에는 수소와 일산화탄소, 기타 가스가 혼합된 석탄가스가 풍선에도 사용되었다.[2][better source needed] 그것은 널리 이용 가능하고 저렴했다; 아래쪽은 더 높은 밀도(양력 감소)와 일산화탄소의 높은 독성이었다.

암모니아

암모니아는 풍선에서 리프팅 가스로 사용되어 왔으나,[3] 가격이 저렴한 반면 비교적 무거운(STP에서는 농도 0.769g/L, 평균 분자량 17.03g/mol), 독성, 자극성, 일부 금속과 플라스틱에 손상을 입힐 수 있다.

메탄

천연가스의 주성분인 메탄(STP의 밀도 0.716g/L, 평균 분자질량 16.04g/mol)은 수소와 헬륨이 없을 때 리프트 가스로 쓰이기도 한다.[citation needed] 수소와 헬륨의 작은 분자만큼 풍선 벽을 통해 빠르게 새지 않는 장점이 있다. 공기보다 가벼운 풍선은 그러한 누출을 제한하는 알루미늄 플라스틱으로 만들어진다; 수소와 헬륨은 라텍스 풍선을 통해 빠르게 누출된다. 그러나 메탄은 가연성이 높고 수소가 승객을 실어 나르는 비행선에서 사용하기에 적합하지 않다. 그것은 또한 비교적 밀도가 높고 강력한 온실 가스다.

조합

위의 해결책 중 일부를 결합하는 것도 가능하다. 헬륨의 핵심과 뜨거운 공기의 외피를 결합한 로제르 풍선이 잘 알려진 예다.

이론적으로 리프팅에 적합한 기체

수증기

기체 상태의 물은 질소가스(N2)와 같은 일반적인 대기 가스와 비교했을 때 물의 어금니 질량이 낮기 때문에 공기(STP에서 밀도 0.804 g/L, 평균 분자질량 18.015 g/mol)보다 가볍다. 그것은 불연성이며 헬륨보다 훨씬 싸다. 따라서 증기를 들어 올리는 데 사용하는 개념은 이미 200년이나 되었다. 가장 큰 도전은 언제나 저항할 수 있는 소재를 만드는 것이었다. 2003년 독일 베를린의 한 대학 팀은 150 °C 증기 상승 풍선을 만드는 데 성공했다.[4] 그러나 이러한 설계는 높은 비등점과 응결점 때문에 일반적으로 비현실적이다.

불화수소

불소화수소는 공기보다 가볍고 이론적으로 리프팅 가스로 사용될 수 있다. 그러나 부식성이 매우 강하고 독성이 강하며 비싸며 다른 리프팅 가스보다 무겁고 비등점이 19.5℃로 높다. 그러므로 그것의 사용은 비현실적일 것이다.

아세틸렌

아세틸렌은 공기보다 10% 가벼워 리프팅 가스로 사용할 수 있다. 극도의 인화성과 낮은 리프팅 파워가 매력적이지 않은 선택이다.

시안화수소

공기보다 7% 가벼운 시안화수소는 기술적으로 비등점 25.6℃ 이상의 온도에서 리프팅 가스로 사용할 수 있다. 그것의 극도의 독성, 낮은 부력, 높은 끓는점은 그러한 사용을 배제했다.

네온

네온은 공기(STP의 밀도 0.900g/L, 평균 원자 질량 20.17g/mol)보다 가벼워 풍선을 들어올릴 수 있다. 헬륨처럼 불연성이 없다. 하지만, 이것은 지구상에서는 드물고 비싸며, 더 무거운 리프팅 가스에 속한다.

질소

순수 질소는 공기의 주요 성분이기 때문에 불활성적이고 풍부하게 이용할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 질소는 공기보다 3%만 가볍기 때문에 리프팅 가스를 위한 확실한 선택은 아니다.

데 라나-테르지(De Lana-Terzi)의 진공 비행선 (1670)

디보레인

디보레인은 분자질소보다 분자질량이 27.7로 약간 가볍다. 그러나 화로포닉은 수소보다 훨씬 더 큰 규모로 주요한 안전 위험이다.

진공 청소기

주요 기사: 진공 비행선

이론적으로, 공기자동차는 진공 또는 부분적 진공을 사용하기 위해 만들어질 수 있다. 첫 유인 열기구 비행을 1세기 이상 앞둔 1670년 초 이탈리아 수도사 프란체스코 라나 데 테르지는 진공구 4개를 갖춘 배를 상상했다.[5]

무중력 구를 가진 이론적으로 완벽한 상황에서 '진공 풍선'은 수소가 채워진 풍선보다 순 리프팅 힘이 7%, 헬륨이 채워진 풍선보다 순 리프팅 힘이 16% 더 많을 것이다. 그러나, 풍선의 벽은 붕괴되지 않고 단단하게 유지될 수 있어야 하기 때문에, 풍선은 알려진 어떤 물질로도 건설할 수 없다. 그럼에도 불구하고 가끔 그 주제에 대한 토론이 있다.[6]

수소 대 헬륨

수소와 헬륨은 가장 흔히 사용되는 리프트 가스다. 헬륨은 (원자성) 수소보다 두 배나 무겁지만 둘 다 공기보다 현저히 가벼워 이 차이는 무시할 만하다.

수소와 헬륨 공기의 리프팅 파워는 다음과 같은 부력 이론을 이용하여 계산할 수 있다.

따라서 헬륨은 수소보다 거의 두 배나 밀도가 높다. 그러나 부력은 그 비율보다는 밀도( (度gas) - (ρair)의 차이에 의존한다. 따라서 부력 방정식에서 볼 수 있듯이 부력의 차이는 약 8%이다.

FB = (ρair - ρgas) × g × V

여기서 FB = 부력(뉴턴); g = 중력 가속도 = 9.866m/s2 = 9.8066 N/kg; V = 부피(m3) 따라서 수소와 공기의 밀도 차이에 해당하는 해발 공기의 수소에 의해 들어올릴 수 있는 질량의 양은 다음과 같다.

(1.292 - 0.090) kg/m3 = 1.152 kg/m3

해수면에서 공기 중 수소 1m에3 대한 부력력은 다음과 같다.

1 m3 × 1.202 kg/m3 × 9.8 N/kg= 11.8 N

따라서 해수면에서 공기 중의 헬륨에 의해 들어올릴 수 있는 질량의 양은 다음과 같다.

(1.292 - 0.122) kg/m3 = 1.152 kg/m3

해수면에서 공기 중3 헬륨 1m에 대한 부력력은 다음과 같다.

1 m3 × 1.114 kg/m3 × 9.8 N/kg= 10.9 N

따라서 헬륨과 비교한 수소의 추가 부력은 다음과 같다.

11.8 / 10.9 ≈ 1.08 또는 약 8.0%

이 계산은 해수면에서 0°C이다. 고도가 높거나 온도가 높을 경우 공기 밀도에 비례해 상승량이 감소하지만 헬륨에 대한 수소의 인양능력의 비율은 그대로 유지된다. 이 계산에는 리프팅 가스를 고정하는 데 필요한 봉투의 질량은 포함되지 않는다.

고공풍선

MAXIS: 36km의 높이에 도달할 수 있었던 풍선

고도가 높을 때는 기압이 낮아 풍선 내부의 압력도 낮아진다. 이는 주어진 리프트에 대한 리프팅 가스 질량과 실외 공기 질량은 낮은 고도에서와 같지만, 더 높은 고도에서 풍선의 부피는 훨씬 크다는 것을 의미한다.

극한 높이(스트라스권)까지 끌어올리도록 설계된 풍선은 필요한 양의 공기를 대체하기 위해 엄청나게 확장할 수 있어야 한다. 그렇기 때문에 그러한 풍선은 사진에서 볼 수 있듯이 발사할 때 거의 비어 있는 것처럼 보인다.

고고도 풍선에 대한 다른 접근법은 특히 장시간 비행에 사용되는 초압 풍선이다. 초압 풍선은 외부(주변) 압력보다 풍선 내부에 더 높은 압력을 유지한다.

수몰풍선

물과 기체의 엄청난 밀도 차이 때문에(물은 대부분의 기체보다 약 1,000배 정도 밀도가 높다) 수중 기체의 인양력은 매우 강하다. 사용되는 기체의 종류는 물의 밀도와 관련하여 가스들 간의 상대적 차이가 무시할 수 있기 때문에 대체로 중요하지 않다. 그러나 일부 기체는 고압에서 액화하여 부력이 급격히 감소할 수 있다.

상승하는 동안 가스가 연속적으로 빠져나갈 수 있거나 기구가 압력 변화를 견딜 수 있을 정도로 강하지 않는 한, 강한 압력 감소 때문에 상승하는 수몰 풍선은 팽창하거나 심지어 폭발할 것이다.

다른 천체에 풍선

풍선 자체보다 평균 밀도가 높은 매체가 있어야만 부력을 가질 수 있다.

  • 풍선은 대기가 없기 때문에 달에서 작동할 수 없다.
  • 화성은 대기가 매우 얇다 – 압력은 단지 지구 대기압 1⁄160 – 아주 작은 리프팅 효과에도 거대한 풍선이 필요할 것이다. 이런 풍선의 무게를 극복하는 것은 어렵겠지만 풍선으로 화성을 탐사하자는 제안은 여러 차례 나왔다.[7]
  • 금성은 이산화탄소2 대기를 가지고 있다. 이산화탄소는2 지구 공기보다 약 50% 더 밀도가 높기 때문에, 보통의 지구 공기는 금성의 상승 가스가 될 수 있다. 이로 인해 금성의 대기에 압력과 온도가 모두 지구와 같은 고도에서 떠다니는 인간의 서식지에 대한 제안이 나왔다. 금성의 대기에는 산소가 포함되어 있지 않기 때문에, 수소는 그곳에서 인화성이 없으며, 좋은 리프팅 가스가 될 수도 있다. 1985년 소련 베가 프로그램은 금성 대기권 54km(34mi)에 헬륨 풍선 2개를 배치했다.
  • 토성의 가장 큰 달인 타이탄은 질소가 대부분인 밀도가 높고 매우 차가운 대기를 가지고 있어 풍선에 적합하다. 타이탄에 에어로봇을 사용하는 것이 제안되었다. 타이탄 토성 시스템 미션 제안서에는 타이탄을 순환시키기 위한 풍선이 포함되어 있었다.

고체

2002년에 에어로겔은 가장 조밀한 (가장 가벼운) 고체로 기네스 세계 기록을 보유했다.[8] 에어로겔은 그것의 구조가 매우 텅 빈 스펀지와 같기 때문에 대부분 공기다. 가볍고 밀도가 낮은 것은 주로 실리콘 시공 재료가 아닌 고체 내 공기의 비중이 크기 때문이다.[9] 이를 이용해 에어로겔과 같은 계열이지만 아가르로 만든 시겔은 헬륨가스로 채워져 밀도가 높은 뚜껑이 열린 용기에 넣으면 뜨는 고체를 만들 수 있다.[10]

참고 항목

참조

  1. ^ "Air - Molecular Weight". www.engineeringtoolbox.com. Retrieved 2018-01-16.
  2. ^ "Balloon flight - Historical development". Encyclopedia Britannica. Retrieved 2021-08-17.
  3. ^ "Timothy S. Cole - Honored in 1995". Colorado Aviation Historical Society. Retrieved 17 August 2021.
  4. ^ "HeiDAS UH – Ein Heissdampfaerostat mit ultra-heiss-performance" (PDF). Aeroix.de. Archived from the original (PDF) on 2011-09-03. Retrieved 2012-10-21.
  5. ^ Tom D. Crouch(2009년). 공기보다 가볍다
  6. ^ Sean A. Barton (21 October 2009). "Stability Analysis of an Inflatable Vacuum Chamber". Journal of Applied Mechanics. 75 (4): 041010. arXiv:physics/0610222. Bibcode:2008JAM....75d1010B. doi:10.1115/1.2912742.
  7. ^ "Exploring Mars With Balloons". Spacedaily.com. Retrieved 2012-10-21.
  8. ^ Stenger, Richard (May 9, 2002). "NASA's 'frozen smoke' named lightest solid". edition.cnn.com. Retrieved 2018-01-16.
  9. ^ Administrator, NASA Content (2015-04-15). "Aerogels: Thinner, Lighter, Stronger". NASA. Retrieved 2018-01-16.
  10. ^ Grommo (2008-06-20), SEAgel Aerogel lighter than air solid. Not a UFO, archived from the original on 2021-12-21, retrieved 2018-01-16

외부 링크