Aerostat - Aerostat

Ein Aerostat (von griechisch ἀήρ aer (Luft) + στατός statos (stehend), durch Französisch) ist ein Leichter-als-Luft- Flugzeug, das seinen Auftrieb durch die Verwendung eines Auftriebsgases erhält . Aerostaten umfassen nicht angetriebene Ballons und angetriebene Luftschiffe . Ein Ballon kann frei fliegen oder angebunden sein . Die durchschnittliche Dichte des Fahrzeugs geringer ist als die Dichte der atmosphärischen Luft, weil seine Hauptkomponente eines oder mehr Gassäcke, eine leichte Haut , enthaltend ein Traggas (einschließlich erwärmter Luft sowie Gase , die eine geringere Dichte als Luft aufweisen) , um Auftrieb , an dem andere Komponenten wie eine Gondel mit Ausrüstung oder Personen befestigt sind. Gerade bei Luftschiffen werden die Gassäcke oft durch eine Außenhülle geschützt.

Aerostaten werden so genannt, weil sie den aerostatischen Auftrieb verwenden, der eine Auftriebskraft ist, die keine Bewegung durch die umgebende Luftmasse erfordert. Dies steht im Gegensatz zu den schweren Aerodynes , die hauptsächlich aerodynamischen Auftrieb verwenden, der die Bewegung einer Flügeloberfläche durch die umgebende Luftmasse erfordert. Der Begriff wurde auch im engeren Sinne verwendet, um den statisch angebundenen Ballon im Gegensatz zum frei fliegenden Luftschiff zu bezeichnen. In diesem Artikel wird der Begriff im weiteren Sinne verwendet.

Terminologie

Im herkömmlichen Sprachgebrauch bezieht sich der Begriff Aerostat auf jedes Flugzeug, das in erster Linie mit aerostatischem Auftrieb in der Luft bleibt .

Historisch wurden alle Aerostaten Ballons genannt. Powered Typen der Lage Horizontalflug wurden als lenkbare Ballons oder einfach lenkbare (aus dem Französisch dirigeable Bedeutung lenkbaren). Diese angetriebenen Aerostaten wurden später als Luftschiffe bezeichnet , wobei der Begriff " Ballon " für nicht angetriebene Typen reserviert war, egal ob angebunden oder frei schwebend.

In jüngerer Zeit hat das US Government Accountability Office den Begriff "Aerostat" in einem anderen Sinne verwendet, um den statisch angebundenen Ballon vom frei fliegenden Luftschiff zu unterscheiden.

Typen

Ballons

Ein frei fliegender Heißluftballon

Ein Ballon ist ein nicht angetriebener Aerostat, der keine Antriebsmittel hat und entweder an einem langen Kabel befestigt sein muss oder frei mit dem Wind treiben darf.

Obwohl sich ein Freiballon mit Windgeschwindigkeit bewegt, reist er mit dem Wind, so dass sich die Luft für einen Passagier ruhig und windstill anfühlt. Um seine Höhe über Grund zu ändern, muss er entweder die Höhe des Auftriebs anpassen oder das Ballastgewicht ablegen. Bemerkenswerte Verwendungen von frei fliegenden Ballons umfassen meteorologische Ballons und Sportballone.

Ein Fesselballon wird von einer oder mehreren Festmacherleinen oder Halteseilen nach unten gehalten. Es hat genügend Auftrieb, um die Leine straff zu halten, und ihre Höhe wird durch Ein- oder Auswinken der Leine gesteuert . Ein Fesselballon spürt den Wind. Ein runder Ballon ist instabil und schaukelt bei starkem Wind, daher wurde der Drachenballon mit einer aerodynamischen Form entwickelt, die einem nicht starren Luftschiff ähnelt . Sowohl Drachenballons als auch nicht starre Luftschiffe werden manchmal als "Luftschiffe" bezeichnet. Bemerkenswerte Verwendungen von angebundenen Ballons umfassen Beobachtungsballons und Sperrballons, und bemerkenswerte Verwendungen von nicht angebundenen Ballons umfassen Spionageballons und Feuerballons .

Luftschiffe

Die Goodyear-Luftschiffe sind nicht starre Luftschiffe

Ein Luftschiff ist ein angetriebener, frei fliegender Aerostat, der gelenkt werden kann. Luftschiffe unterteilen sich in starre , halbstarre und nicht starre Typen, wobei letztere oft als Blimps bekannt sind .

Ein starres Luftschiff hat einen Außenrahmen oder eine Außenhaut, die die aufsteigenden Gassäcke im Inneren umgibt. Die äußere Hülle behält ihre Form, auch wenn die Gassäcke entleert sind. Die großen Zeppelin- Luftschiffe des 20. Jahrhunderts waren starre Typen.

Ein nicht starres Luftschiff oder Luftschiff entleert sich wie ein Ballon, wenn es Gas verliert. Die Goodyear-Luftschiffe sind in den USA immer noch ein alltäglicher Anblick.

Ein halbstarres Luftschiff hat einen entleerbaren Gassack wie ein nicht starrer, aber mit einer Stützstruktur, die ihm hilft, seine Form in der Luft zu halten. Das erste praktische Luftschiff, die Santos-Dumont Nr. 6, war ein halbstarres.

Einige Luftschiffe erhalten zusätzlichen aerodynamischen Auftrieb, wenn sie sich durch die Luft bewegen, indem sie die Form ihrer Hülle verwenden oder durch das Hinzufügen von Flossen oder sogar kleinen Flügeln. Typen , die diesen Auftriebseffekt im normalen Reiseflug ausnutzen sollen , werden Hybrid - Luftschiffe genannt .

Hybrid-Aerostaten

Ein Hybridtyp verwendet sowohl statischen Auftrieb als auch dynamischen Luftstrom, um Auftrieb zu erzeugen. Die dynamische Bewegung kann entweder mit Vortriebskraft als Hybrid-Luftschiff oder durch Anbinden im Wind wie ein Drachen, als Helikite oder Kytoon erzeugt werden .

Der Allsopp Helikite ist eine Kombination aus einem Heliumballon und einem Drachen zu einem einzigen, aerodynamisch soliden Fesselflugzeug, das sowohl Wind als auch Helium für seinen Auftrieb nutzt. Helikite sind halbstarr. Helikite gelten als die stabilsten, energieeffizientesten und kostengünstigsten Aerostaten auf dem Markt. Dies gibt Helikites verschiedene Vorteile gegenüber herkömmlichen Aerostaten. Herkömmliche Aerostaten müssen Heliumgas mit relativ geringem Auftrieb verwenden, um starke Winde zu bekämpfen, was bedeutet, dass sie viel Gas benötigen, um damit fertig zu werden, und daher sehr groß, unhandlich und teuer sind. Helikopter nutzen den Windauftrieb, sodass sie nur einen Bruchteil der Größe herkömmlicher Aerostaten haben müssen, um bei starkem Wind zu funktionieren. Helikopter fliegen um ein Vielfaches höher als herkömmliche Aerostaten gleicher Größe. Da sie kleiner sind und weniger Konstruktionsnähte aufweisen, haben Helikite im Vergleich zu herkömmlichen Aerostaten nur minimale Probleme mit Gasleckagen, sodass Helikite weit weniger Helium verwenden.

Helicites benötigen keine Ballonette und sind daher einfacher im Aufbau als herkömmliche Aerostaten, und Helikite benötigen keine konstante elektrische Energie, um sie in der Luft zu halten. Auch Helikopter sind extrem stabil und ebenso gute Flugplattformen für Kameras oder wissenschaftliche Instrumente. Winzige Helikite fliegen bei jedem Wetter, daher sind diese Größen beliebt, da sie sehr zuverlässig, aber dennoch einfach zu handhaben sind und keine großen teuren Winden erfordern. Hubschrauber können klein genug sein, um vollständig aufgeblasen in ein Auto zu passen, aber sie können auch groß gemacht werden, wenn schwere Nutzlasten in große Höhen geflogen werden müssen. Hubschrauber sind eines der beliebtesten Aerostat-Designs und werden häufig von der wissenschaftlichen Gemeinschaft, dem Militär, Fotografen, Geographen, der Polizei und Ersthelfern verwendet. Helikite werden von Telekommunikationsunternehmen verwendet, um 4G- und 5G-Basisstationen für Gebiete ohne Mobilfunkabdeckung zu heben.

Helikite haben eine Größe von 1 Meter (Gasvolumen 0,13 m 3 ) mit einem reinen Heliumhub von 30 g bis zu 14 Metern (Gasvolumen 250 m 3 ) und können 117 kg heben. Kleine Helikite können bis zu einer Höhe von 1.000 ft fliegen, und mittelgroße Helikite können bis zu einer Höhe von 13.000 ft fliegen, während große Helikite eine Höhe von 7.000 ft erreichen können.

Piasecki Helicopter entwickelte den Piasecki PA-97 Helistat unter Verwendung der Rotorsysteme von vier veralteten Hubschraubern und einem überschüssigen Navy-Luftschiff, um schwerere Lasten zu heben, als ein einzelner Hubschrauber bieten könnte. Das Flugzeug verunglückte bei einem Testflug tödlich. 2008 haben Boeing und SkyHook International das Konzept wiederbelebt und ein vorgeschlagenes Design des SkyHook JHL-40 angekündigt .

Heben von Gasen

Um Auftrieb zu gewährleisten, muss das Hebegas weniger dicht sein als die umgebende Luft. Ein Heißluftballon ist unten offen, damit heiße Luft eintreten kann, während der Gasballon geschlossen ist, um das Entweichen des (kalten) Hebegases zu verhindern. Zu den üblichen Hebegasen gehören Wasserstoff, Kohlegas und Helium.

Heiße Luft

Bei Erwärmung dehnt sich Luft aus. Dies verringert seine Dichte und erzeugt Auftrieb. In China werden seit der Antike kleine Heißluftballons oder Laternen geflogen. Der erste moderne Aerostat zum Heben von Menschen, hergestellt von den Brüdern Montgolfier , war ein Heißluftballon. Die meisten frühen Ballons waren jedoch Gasballons. In der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts erwachte das Interesse am Heißluftballonsport wieder und es wurden sogar einige Heißluftschiffe geflogen.

Wasserstoff

Wasserstoff ist das leichteste aller Gase und kurz nach den Brüdern Montgolfier wurde ein bemannter Wasserstoffballon geflogen. Es besteht keine Notwendigkeit, Kraftstoff zu verbrennen, sodass ein Gasballon viel länger in der Luft bleiben kann als ein Heißluftballon. Es ist auch sicherer, wenn es an Bord keine Flamme gibt, da die Materialien, die zur Herstellung von Aerostaten verwendet werden, brennbar sind. Wasserstoff wurde bald das gebräuchlichste Hubgas für Ballons und später auch für Luftschiffe. Aber Wasserstoff selbst ist brennbar und nach mehreren großen Katastrophen in den 1930er Jahren wurde er nicht mehr verwendet.

Kohlengas

Kohlegas besteht aus einer Mischung aus Methan und anderen Gasen und hat typischerweise etwa die Hälfte der Hubkraft von Wasserstoff. Im späten neunzehnten und frühen zwanzigsten Jahrhundert wurden städtische Gaswerke üblich und boten eine billige Quelle für Hebegas. Einige Werke konnten eine spezielle Mischung für Ballonfahrten herstellen, die einen höheren Anteil an Wasserstoff und weniger Kohlenmonoxid enthält, um die Auftriebskraft zu verbessern.

Helium

Helium ist das einzige nicht brennbare und ungiftige Hubgas und hat fast so viel (ca. 92 %) Hubkraft wie Wasserstoff. Erst Anfang des 20. Jahrhunderts wurde es in großen Mengen entdeckt, und viele Jahre lang hatten nur die USA genug, um es in Luftschiffen zu verwenden. Fast alle Gasballons und Luftschiffe verwenden heute Helium.

Niederdruckgase

Obwohl dies derzeit nicht praktikabel ist, kann es möglich sein, eine starre Struktur zu konstruieren, die leichter als Luft ist, die, anstatt mit Luft aufgeblasen zu werden, relativ zur Umgebungsluft ein Vakuum aufweist. Dies würde es dem Objekt ermöglichen, ohne Hitze oder spezielles Hebegas über dem Boden zu schweben, aber die strukturellen Herausforderungen beim Bau einer starren Vakuumkammer, die leichter als Luft ist, sind ziemlich groß. Trotzdem kann es möglich sein, die Leistung konventionellerer Aerostaten zu verbessern, indem man das Gasgewicht gegen das Strukturgewicht eintauscht und die Auftriebseigenschaften des Gases mit Vakuum und möglicherweise Wärme für einen verbesserten Auftrieb kombiniert.

Siehe auch

Verweise

Externe Links