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小木虫论坛-学术科研互动平台 » 专业学科区 » 物理 » 基础物理 » 求助！如何设计在1/100标准大气压环境下设计真空容器的支撑结构。
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真空飞艇

铜虫 (著名写手)

[求助] 求助！如何设计在1/100标准大气压环境下设计真空容器的支撑结构。 已有2人参与

众所周知海拔越高，气压越低。

根据资料所述，在海平面，大气压约为1000hpa
在海拔20KM，大气压约为72hpa（大约相当于1/14标准大气压）
在海拔25KM，大气压约为25hpa（大约相当于1/40标准大气压）
在海拔30KM，大气压约为10hpa（大约相当于1/100标准大气压）

如果在地面上建造一个真空容器，真空容器每平米受到大约相当于10吨的大气压（10000公斤）
如果在海拔20KM，真空容器每平米受到的大气压大约为0.71吨（710公斤）
如果在海拔25KM，真空容器每平米受到的大气压大约为0.25吨（250公斤）
如果在海拔30KM，真空容器每平米受到的大气压大约为0.10吨（100公斤）

根据上述资料，我想设计一种能够利用真空浮力永久漂浮在平流层的真空装置（真空气球/真空飞艇），以其为平台搭载通信卫星。

我的设想是按照普通飞艇的设计，建造一个硬壳飞艇。以碳纤维杆作为支架，以PBO材料作为蒙皮。
真空飞艇最大的好处就是可以永久漂浮在平流层！
当今世界，任何材料都无法避免气体渗漏。常见的氦气飞艇虽然在蒙皮上进行了专门的防氦气泄露涂层处理，但他依然无法杜绝氦气逐步逸散。任何氦气飞艇在高空作业一段时间后都需要降落后补充氦气。
但如果采用真空飞船，只要利用真空泵定时将飞船内部渗入的气体抽出，真空飞船就能保持持续真空，理论上可以永久漂浮在平流层。
更重要的是发射平流层真空飞船的成本远低于人造卫星！
人造卫星需要运载火箭将卫星加速到足够高的速度，使卫星达到地球高空轨道后利用自身惯性维持卫星在轨。而平流层真空卫星只需要保证气囊内部处于真空就能获得浮力长期停留在平流层。
建造和发射平流层真空飞船的过程如下：
首先，在机库中按照硬壳飞艇结构建造一个飞艇气囊。外部蒙皮可以采用PBO材料，内部支撑骨架可以采用碳纤维管。（未来，石墨烯材料的制作成本大幅下降后可以考虑采用石墨烯材料制备支撑结构）
在平流层真空飞船的气囊内部充入氦气作为支撑，防止地面上大气压损毁气囊。（此时平流层真空飞船建造原理与传统氦气飞艇完全相同）
在平流层真空飞船下部装有真空泵，其主要作用是将平流层真空飞船气囊内的气体抽出（真空泵功率不需要很大，因为高空环境外界气压较低。低气压环境下抽取真空比高气压环境下抽取真空更容易）。
除了真空泵，气囊上还需要安装单向阀。单向阀的作用是随着平流层真空飞船上升的过程中外界气压也会随之降低。为了平衡内外气压，单向阀可以将平流层真空飞船气囊内的氦气向外排出。

之后进入发射流程：
平流层真空飞船的气囊内充满氦气后，择一良好无风天气升空。升空的前半部分与传统氦气飞艇并无两样，只是随着海拔的升高，气囊内的氦气也会逐渐排出到外界大气中。
当平流层真空飞船升至海拔25KM时，气囊内部在真空泵作用下基本处于真空状态。此时飞艇自重与大气浮力之间基本达到一个平衡，平流层真空飞船可以稳定漂浮在高空大气环境下。

现在，蒙皮问题可以解决，但支架问题我不大清楚应该怎样计算。

究竟是应该采用拱形桁架计算支架强度呢，还是应该采用其他什么方法计算支架强度和结构呢？

求助各位大神给点指导，我的这个设想是否可行？如果想继续改进设计应该参考哪方面的资料呢？

我本人比较倾向于采用类似“鸟巢温室”框架结构，可以制造出无横梁整体桁架结构。



之前在其他板块也求助过，但一直没找到合适的材料。最主要是刚体结构强度问题不知道应该怎样计算。

求物理板块的各位大能抽时间帮我看看，以当今材料（例如高模量碳纤维杆）能否满足刚体结构需求呢？或是告诉我应该怎样计算刚体结构强度，或是告诉我应该查询什么书籍也好！谢谢！
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1楼 2016-08-08 23:32:32
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peterflyer

木虫之王 (文学泰斗)

peterflyer

【答案】应助回帖

感谢参与，应助指数 +1
碳纤维材料一般是以抗拉的形式进行利用，就是不知道作为抗压材料时的性能表现究竟如何了。
赞一下(1人) 回复此楼
4楼2016-08-10 17:26:37
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查看全部 10 个回答

真空飞艇

铜虫 (著名写手)
完全没有大神回答啊！究竟是问题太LOW,还是金币太少啊？
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2楼2016-08-10 00:28:00
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leongoall

专家顾问 (知名作家)

P-M-I之初生牛犊

【答案】应助回帖

感谢参与，应助指数 +1
“如果采用真空飞船，只要利用真空泵定时将飞船内部渗入的气体抽出，真空飞船就能保持持续真空，理论上可以永久漂浮在平流层。”

不知道是我自己理解错了还是咋回事，如果楼主的逻辑，在海平面只要支架足够强到支撑标准大气压的压力，真空装置也可以在地表永久漂浮了，是这样嘛？请楼主指点！
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趁年轻，多折腾！曾年轻，折腾过？！
3楼2016-08-10 05:10:52
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真空飞艇

铜虫 (著名写手)
引用回帖:
3楼: Originally posted by leongoall at 2016-08-10 05:10:52
“如果采用真空飞船，只要利用真空泵定时将飞船内部渗入的气体抽出，真空飞船就能保持持续真空，理论上可以永久漂浮在平流层。”

不知道是我自己理解错了还是咋回事，如果楼主的逻辑，在海平面只要支架足够强到支 ...

不是海平面，是平流层。

平流层的大气压只有地面的四十分之一到百分之一。在地表，大气压很高，但海拔25KM的平流层大气压只有地面的1/40，海拔30KM的大气压只有地面的1/100.

因为大气压低了，所以抽真空就容易了，抗压要求也就低了。
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5楼2016-08-10 20:47:32
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