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真空飞艇

铜虫 (著名写手)

[交流] 【实验求鉴定】用24个矿泉水瓶制作真空容器与真空飞艇可行性

【实验求鉴定】用24个矿泉水瓶制作真空容器与真空飞艇可行性

先贴点参考文献吧，毕竟研究不是凭空杜撰的，灵感也有出处。

[1](英)G.A.库利,J.D.吉勒特.飞艇技术.科学出版社 2008. [M]。
[2]张全有、陈维毅、吴文周.细胞骨架生物力学进展.力学进展第36卷第2期2006年5月25日Feb．2006  Vol.36 No.2。[J]。
[3]于宁，充气环结构的承载能力分析.硕士学位论文.哈尔滨工业大学,2009[D]。
[4]翁智远，王远功.弹性薄壳理论.高等教育出版社，1986. [M]。
[5]（英）约翰•奇尔顿.空间网格结构,中国建筑工业出版社,2004.[M]。
[6]杜振勇，充气管结构的承载能力分析.硕士学位论文.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2008.[D]。
[7]冯白璐，单层网壳采光顶结构形态学及网格划分优化研究.硕士学位论文.中国建筑科学研究院，2015. [D]。
[8]杨联萍，韦申，张其林.铝合金空间网格结构研究现状及关键问题.建筑学报第34卷第2期2013年2月Feb．2013  Vo1.34 No.2。[J]。
[9]倪丽君，“少费多用”生态设计思想及应用研究.硕士学位论文.上海交通大学，2010年2月[D]。
[10]谢雅琪，平面柔性可展结构设计及展开研究.硕士学位论文.浙江大学，2013.[D]。
[11]张磊，柔性膜条增强蒙皮的承力性能研究.硕士学位论文.哈尔滨工业大学,2013[D]。
[12]汪逸然，系绳增强充气结构承载性能分析.硕士学位论文.哈尔滨工业大学,2013[D]。
[13]卫剑征，空间折叠薄膜管充气展开过程气固耦合问题研究.博士学位论文.哈尔滨工业大学,2008[D]。
[14]卫剑征，毛丽娜，杜星文，空间卷曲折叠管充气控制展开动力学研究.工程力学, 2009, 26(1):227-232[J]。





（注：实验视频不知道为什么打不开，请点开文中优酷视频组合链接，里面的三个视频就是实验视频）

真空飞艇（Vacuum Airship）是一种以真空容器取代氢气容器或氦气容器来提供升力的假想中的飞艇。所谓“真空”，是指在给定的空间内，压强低于101325帕斯卡(即一个标准大气压强约101KPa)的气体状态。此构想最早由意大利的Francesco Lana de Terzi在1670年提出，真空球是浮力升力终极的实现方法。但因为1标准大气压=101325 N/平方米，也就是说如果建造一艘真空飞艇，那么飞艇的浮力装置（真空舱）在标准大气压下每平米将会受到10吨左右的大气压。虽然材料科学不断发展，但至今还未出现能够商业化的，既能满足耐压支撑结构大于10吨/平方米，同时自重又比空气轻的刚体材料（石墨烯材料的大规模制备尚未成熟，而且价格太过高昂，暂时不予考虑）。因此，真空飞艇的愿景虽然十分美好，但大多数人的头脑中对真空飞艇的第一印象都是“不可能”！

因为大多数人脑中的固有思维认定真空飞艇=民科骗人，所以我先上一段实验视频。在后文中我会详细阐述我的设计理念和研究进展。因为本人所拥有的外部条件有限，而且家中对我的研究行为呈否定态度，所以我只能用及其简陋的条件进行这一实验。希望各位专业科学家以学术态度而不是研究环境来看待我的实验，谢谢！

实验材料为：
真空泵1台（商用空调压缩机抽真空用）
【实验求鉴定】用24个矿泉水瓶制作真空容器与真空飞艇可行性

【实验求鉴定】用24个矿泉水瓶制作真空容器与真空飞艇可行性-1


真空计1部（买压缩机附带）
【实验求鉴定】用24个矿泉水瓶制作真空容器与真空飞艇可行性-2


AB胶（某宝）
【实验求鉴定】用24个矿泉水瓶制作真空容器与真空飞艇可行性-3


连接管若干（压缩机附带）
透明胶带1卷（楼下小卖部）
空矿泉水瓶24个（超市）
大号塑料袋1个（某宝）

实验目的为
通过实验证明，利用24个矿泉水瓶+大号塑料袋，可以制成能够承受标准大气压的真空容器。容器内部真空空间大于10乘10乘10立方厘米。（因为压缩机功率有限，而且塑料袋也做不到完全密封，真空度只能测得模糊值。在后续实验中我会逐步改进。）

实验步骤

1：将矿泉水瓶的瓶盖内部涂抹胶水后拧紧（目的为防止漏气）
2：如图所示，将矿泉水瓶4个一组进行排列，排列方式为头尾交叉。排列整齐后用透明胶带进行固定。（这样做的目的为：让每个矿泉水瓶之间互相支撑，将外界大气压的压力分担到相邻的矿泉水瓶上。）
附图：图1至图8
图1
【实验求鉴定】用24个矿泉水瓶制作真空容器与真空飞艇可行性-4

图2
【实验求鉴定】用24个矿泉水瓶制作真空容器与真空飞艇可行性-5

图3
【实验求鉴定】用24个矿泉水瓶制作真空容器与真空飞艇可行性-6

图4
【实验求鉴定】用24个矿泉水瓶制作真空容器与真空飞艇可行性-7

图5
【实验求鉴定】用24个矿泉水瓶制作真空容器与真空飞艇可行性-8

图6
【实验求鉴定】用24个矿泉水瓶制作真空容器与真空飞艇可行性-9

图7
【实验求鉴定】用24个矿泉水瓶制作真空容器与真空飞艇可行性-10

图8
【实验求鉴定】用24个矿泉水瓶制作真空容器与真空飞艇可行性-11


3：24个矿泉水瓶能够组成一个近似正六面体。在这个正六面体外部包覆大号透明塑料袋，并预留抽真空用导气管接出。（详情请参考视频）
视频顺序
容器结构
抽真空前的准备
抽真空
http://www.youku.com/playlist_show/id_29468532.html


容器结构

抽真空前的准备

抽真空



4：进行抽真空操作。在抽真空过程中，矿泉水瓶受大气压作用而部分收缩，收缩程度初步测量大约为10%至15%。矿泉水瓶长度约为20CM，通过测量抽真空后外壁尺寸可以测得收缩后内部空间依然超过设计预计的10*10*10立方厘米。

实验总结：受经济条件和本人所拥有的资源限制，整个实验十分粗糙。但整个实验所要表达和测试的内容已经基本呈现出来。如果条件允许，我希望能够通过定制专用容器再次进行实验。实验的主要目的为利用相对独立气囊作为刚体结构抵抗大气压，利用拱形结构组成的球形真空舱进行实验，制成完整可自行升空漂浮的“真空飞艇”。真空飞艇气囊结构请参考图9与图10其中图9为整体气囊结构示意图，图10为局部气囊应力结构示意图。示意图为球形真空舱剖面图，每一个气囊相对独立。为了应对真空气囊局部压强应力集中，我还设计了多种应力分散解决方案。这些都会在后续实验中进行解决。


附图9
【实验求鉴定】用24个矿泉水瓶制作真空容器与真空飞艇可行性-12

附图10
【实验求鉴定】用24个矿泉水瓶制作真空容器与真空飞艇可行性-13



上述实验中，矿泉水瓶所代表的是我论文中所述的“相对独立的气囊结构”。理论上每个气囊与空气的接触面决定这一气囊所受大气压。在理想设计中，气囊应该呈蜂巢结构排列。蜂巢结构的优势在于气囊只有一端与外界大气接触，所受大气压会分散到相邻气囊。如附图所示，利用并列柱状气囊排列可以有效抵抗外界大气压。

实验中，矿泉水瓶内部与外界大气压力基本相同，但随着抽真空过程中会将外外界大气压力作用到矿泉水瓶，继而导致矿泉水瓶内部气压升高。后续实验中，需要进行大型真空容器制造，用以测试每个气囊所受压力是否能够均匀分配，防止单一气囊受压过高导致气囊破损。
根据初步实验可以得出结论，利用密封的矿泉水瓶作为支撑装置设计的轻质真空容器能够满足在标准大气压环境下进行抽真空操作。

我的设计是利用等同结构制造全尺寸真空气球，利用若干气囊组成轻质球形真空耐压容器，将容器内气体抽真空后容器能够产生浮力，最终制造出传说中的“真空飞艇”。

“真空飞艇”的好处：
传统飞艇必须采用轻质气体作为升空“耗材”，而轻质气体主要是氢气和氦气。氢气易燃易爆，与空气混合后很容易发生危险。而氦气是一种稀有气体，其获得方式有限，难以进行大规模应用和发展。因此，飞艇技术如今发展非常缓慢。实际上飞艇是所有飞行器中最廉价的飞行装置。

我设计的这种真空飞艇利用结构力学原理，将若干个单一气囊组成拱形结构，利用拱形结构抵抗外界大气压。根据实验可以看出，制造真空飞艇所需材料可以非常廉价。廉价的真空飞艇起飞和降落对地形要求不高，大多数环境都能满足其升空和降落的基本要求。同时，真空飞艇不受地形限制。无论是高山还是峡谷都能够轻松飞越。利用真空飞艇作为运输工具，世界上绝大多数“交通不便”的地区都可以解决交通问题。同时，真空飞艇能够轻松升至平流层，作为临近空间飞行器能够部分替代卫星功能。

真空飞艇的主要发展方向为低速大运力运输装置，他能够轻松应付复杂地况的运输工作。如果用真空飞艇开发无人货运飞行器，有可能拥有一定商业前景。

因为本人系业余爱好者，对真空飞艇设计存在的各种问题一定考虑不周。希望小木虫各位老师能够将我设计的不足之处予以指导。我希望能够完善自己的设计，利用有限的条件制作出一台成品真空飞艇。谢谢！

[ Last edited by 真空飞艇 on 2017-2-15 at 17:58 ]
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1楼 2017-02-14 10:10:24
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lucacai

木虫 (小有名气)
★ ★
小木虫: 金币+0.5, 给个红包，谢谢回帖
真空飞艇: 金币+1, 恩，大多数人都是这么想的。我很理解。可惜学者永远不能做大多数人。 2017-02-15 17:52:00
学过物理基础知识和具有生活常识的人就会知道你的想法是幼稚的
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change you mind,change you world
12楼2017-02-15 14:22:35
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lixiaofei001

铁杆木虫 (著名写手)
★ ★
小木虫: 金币+0.5, 给个红包，谢谢回帖
真空飞艇: 金币+1, 感谢您的回帖，但回帖前请先阅读文章。如果文章内容都不知道又怎么能做出正确的评价呢？ 2017-02-14 15:40:44
唯一的问题是，即便题主预想中强大的能抵御大气压的外壳被开发出来，这个方案在地球上的宏观应用中也很难有任何经济上的优势。  密度差是浮力的驱动力。如果使用氢气的话，这个密度差是空气的93%； 如果像楼主那样使用真空的话，这个密度差是空气的100%。也就是说，如果不考虑其他问题，楼主的方案只能多提供7%的浮力。  与此同时，氢气球所需的材料不需要硬度，只需要密闭性和抗燃性，比如某些橡胶产品；而楼主的方案则需要高大上的又坚硬又密封又阻燃的外壳材料，以及不得不搞一个真空泵防止热力学上必然出现的渗漏（这货同时需要大量的能量驱动）。因此，在材料方面，即便出现了符合题主要求的材料，成本也无疑比氢气球高出很多。  另外，在安全方面，大型氢气球如果出现点泄露，只要不着火，那么只会慢慢下降，因为内外压差比较小；这种情况下，有充足的时间进行补漏。如果用氦气球，连燃烧的可能性都没有。而楼主方案一旦出现空洞，压差会是整整一个大气压，那就是根本停不下来的节奏。  因此，楼主的方案可以归结为：  原理上可行，经济上太贵，安全性不靠谱。《摘自某乎》
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开心，是一天；不开心，也是一天！所以。。结果都一样，不如选择开心的那一天！
5楼2017-02-14 14:56:53
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华丽的飘过

版主 (著名写手)
★
小木虫: 金币+0.5, 给个红包，谢谢回帖
恩，你先做个小的模型，钱包大小的也好，一个礼品盒大小的也罢，箱子大小的也可以，如果能飞得起来，那么你的东西就有可能成功。接下来载人什么的，都是技术精细化的一个过程而已。但是如果这第一步成功不了的话，那么一切都仅仅是梦想了，多半难以找到对此想法有兴趣的人投资和指点了。。。
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25楼2017-02-18 22:24:49
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普通回帖

dsctg
★
真空飞艇: 金币+1, 谢谢关注，希望您能花一点时间看一下我的帖子。谢谢！ 2017-02-14 10:19:57
2楼2017-02-14 10:12:51
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买菜的贝多芬

禁虫 (著名写手)
★ ★ ★ ★ ★ ★
小木虫: 金币+0.5, 给个红包，谢谢回帖
真空飞艇: 金币+5, 感谢您的意见和建议，这个实验只是用最少的成本证明真空飞艇可行性，还不足以制成能够漂浮的真空飞艇。 2017-02-14 11:00:26
本帖内容被屏蔽
3楼2017-02-14 10:45:24
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真空飞艇

铜虫 (著名写手)
引用回帖:
3楼: Originally posted by 买菜的贝多芬 at 2017-02-14 10:45:24
一个矿泉水瓶排除的气体体积估计很抵消自身重力，24个也不太可能（我没试过）。把它们剪开重新粘合成别的形状结构倒是有可能，但是就没必要选矿泉水瓶了吧。做好骨架应该可以飞起来，但是用处不大，升降都是问题，远 ...

您好，矿泉水瓶只是因为容易获得。最初我选择容器时本来打算使用可乐瓶，因为可乐瓶内部可以承受10个标准大气压。早期设计中我试图为容器内充入高压气体，例如3倍标准大气压。在后续实验中发现，单一气囊内只要与外界大气压基本相同就能抵抗外界大气压。最近我正在筹备后续实验，打算定制异形瓶作为支撑结构。

真空飞艇与传统飞艇不同，其不存在气体消耗问题（即使气体渗入也可以利用真空泵抽出）。而且真空飞艇能够轻松升至平流层。如果使用真空飞艇，能够替代部分人造卫星的功能。最重要的是他可以长期在高空作业。哪怕工作时间长达几年甚至更长都是有可能的。

如果有条件，我其实想采用聚醯亚胺膜制备真空飞艇气囊结构。在这里发帖主要希望能找到专业机构对这个设计进行后续开发。（例如采用附图9/10的结构）

上述实验仅是为了证明，真空飞艇这一概念的可行性。如果想要其依靠真空浮力漂浮起来，我计算最少应该制成一个直径3米以上的球形真空容器。这需要后续实验继续完善才能体现出来。

感谢您的回复
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4楼2017-02-14 10:59:06
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真空飞艇

铜虫 (著名写手)
引用回帖:
5楼: Originally posted by lixiaofei001 at 2017-02-14 14:56:53
唯一的问题是，即便题主预想中强大的能抵御大气压的外壳被开发出来，这个方案在地球上的宏观应用中也很难有任何经济上的优势。  密度差是浮力的驱动力。如果使用氢气的话，这个密度差是空气的93%； 如果像楼主那样使 ...

我猜，您只看了标题而完全没看内容。真空飞艇并非一个高强度硬壳那么简单，我这项设计主要利用结构力学为指导，利用普通民用材料即可制成真空飞艇。

首先，此项技术采用的外壳并非什么高大上材料。在本次实验中采用矿泉水瓶就是证明。制造这种真空飞艇并不像您想象中那么昂贵。

至于经济价值，如果您对飞艇技术有一定了解，就一定知道采用轻质气体作为浮力装置就一定逃不开一个最大的问题——气体逸散。无论采用氢气还是氦气，无论采用任何一种蒙皮结构，气体逸散问题在当今是无法被杜绝的。简单说就是气囊蒙皮永远无法杜绝气体微量穿过。

那么，无论采用氢气还是氦气，气囊式飞艇工作时间必然有限。而且随着飞艇体积的增大，这一问题还会逐步提高。

如果采用我的设计，只要利用真空泵将逸散到真空舱内部的气体抽出，真空飞艇的浮力就能得到保障。

如果您仔细看我的文章，尤其是最后图9和图10，就会发现我的设计并非单纯一层硬壳结构。也就是说一旦某一区域发生泄漏可以通过增强临近区域气囊气压的方式“挤压”漏洞，继而流出修补漏洞的空间。

再次感谢您的回帖，但回帖前请先阅读文章。
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6楼2017-02-14 15:39:57
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me_gg

铜虫 (小有名气)
★ ★
小木虫: 金币+0.5, 给个红包，谢谢回帖
真空飞艇: 金币+1, 感谢您的关注，稍后我会整理一下，将设计理论等详细内容完整的发出来。 2017-02-14 16:06:47
感觉画个受力图就可以了，图10上面画上向下箭头，为艇外部气压，这些力如何平衡？

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7楼2017-02-14 15:48:04
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真空飞艇

铜虫 (著名写手)
引用回帖:
7楼: Originally posted by me_gg at 2017-02-14 15:48:04
感觉画个受力图就可以了，图10上面画上向下箭头，为艇外部气压，这些力如何平衡？

图10是图9的局部，箭头为气囊内部气压应力示意图。图9是真空仓的剖面图，气囊壁内部（中空部分）进行抽真空操作，外部为标准大气环境。

压力平衡问题我是通过控制系统对每一个气囊内的气压进行调节来完成的(详细控制方法我会在后续完整论文中详细描述)。靠内部一层的气囊气压稍高，外部一层的气压稍低，即可保证气囊结构整体呈现一种拱形结构。

这样解释也许不直观，您可以想象一下赵州桥的结构，用气囊取代赵州桥上的石砖就是我这个设计的根本理念。

有关气囊结构力学问题可以参考文献于[于宁，充气环结构的承载能力分析.硕士学位论文.哈尔滨工业大学,2009]。
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8楼2017-02-14 16:05:00
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wumaldini

至尊木虫 (职业作家)
★ ★
小木虫: 金币+0.5, 给个红包，谢谢回帖
真空飞艇: 金币+1, 谢谢您的评论，但如果阅读文章只看部分内容是无法得出正确结论的。 2017-02-15 13:45:47
看了以上的讨论，包括楼主和几位回帖。说几点：1，楼主的设计存在问题，真空塑料瓶提供的浮力不足，塑料瓶自重就不小，而且还有其他材料的重力。2，楼主对几位的回帖基本没有理解正确，所回复的内容和回帖者的意思不对，从这可以基本反映楼主力学知识比较欠缺。
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9楼2017-02-15 13:02:54
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gengxin60
★ ★
真空飞艇: 金币+1, 谢谢 2017-02-15 13:44:39
真空飞艇: 金币+1, 实验需要祝福，谢谢。可惜我金币不多。 2017-02-15 18:03:45
祝福
10楼2017-02-15 13:31:53
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