p_d_m (p_d_m) wrote in engineering_ru,
p_d_m
p_d_m
engineering_ru

H vs He

Как известно плотность водорода 0,0899 кг/м3, плотность гелия 0,179 кг/м3, плотность воздуха при 0 градусов и нормальном давлении 1,292 кг/м3. Получается что один кубометр водорода может поднять 1,2 кг, гелия - 1,113кг, разница в подъемной силе этих двух газов 7%. Теоретически. На практике в период расцвета воздухоплавания и дирижаблестроения (20-30ее года 20 века) использовался не чистый гелий, а с примесями, и его подъемная сила уступала водороду где-то 12%. Чистый водород получить легче, допускалось применение как минимум 98%го водорода.



Водород легко произвести, он дешев, есть множество способов его генерации. С гелием все гораздо, гораздо сложнее.
Единственный способ получить гелий в промышленных масштабах - извлечь его из природного газа. Например сейчас в России единственный газоперерабатывающий завод в Оренбурге добывает гелий из природного газа с его содержанием 0,055 %, месторождение с более чем 0,5% гелия считается богатым. В США же начиная с первого десятилетия 20 века на границах штатов Техас, Оклахома и Канзас были найдены месторождения с 0,5-2,5%% гелия и выше. Несмотря на все старания Великобритании, Германии и прочих европейских и не очень стран как до ПМВ так и в военный и межвоенный период найти столь же богатые и большие месторождения обнаружить их не удалось. Зато в США бизнес быстро поднялся: в 1918 с поддержкой государства строится первый экспериментальный завод по выработке гелия в Fort Worth, Техас, а 1 декабря 1921 года дирижабль ВМС США C-7 объемом 5125м3 совершил первый полет на этом благородном газе. В 1925 году принимается Helium Act, гелий объявляется стратегическим материалом и национальным достоянием, продажа газа на экспорт запрещается и устанавливается монополия государства на его производство и хранение. На приблизительно это время (конец 24го) практически весь мировой запас гелия находился в брюхе американского цеппелина ZR-1 USS Shenandoah, гелий тогда стоил 350 долларов, а водород был в 50 раз дешевле. Или вот что еще что писали в 1933 году [1]:
Разведанные запасы гелия в САСШ исчисляются в размере, примерно обеспечивающем эксплоатацию 4 дирижаблей объема 200000 куб. м в течение 30 лет.
В результате постройки новых заводов и развертывания производства стоимость гелия снизилась с 2500 долларов США за кубический фут в 1915 году до 1,5 центов в 1940. Однако несмотря на такое удешевление в США до сих пор существует реликт Акта о гелии - National Helium Reserve, огромное хранилище недалеко от Amarillo, Техас.



Что дает применение гелия в воздухоплавании? Во-первых конечно безопасность, гелий газ инертный, в реакции не вступает, не горит, не взрывается от малейшей искры. Благородный газ же! Отсюда можно засовывать внутрь дирижабля двигатели, снижая сопротивление воздуха - ведь на водородных дирижаблях их размещали в гондолах ради безопасности (правда ни одного такого дирижабля построено не было), можно курить на борту, использовать сложное электротехническое оборудование без параноидальных способов защиты итд итп. Во-вторых гелий менее летуч. За сутки водородный дирижабль мог потерять почти 1/7 своего газа. Хотя гелий тоже не подарок: "При стоянке дирижабля утечка для такого дирижабля (по объему), как «Граф Цеппелин» равна до 225 куб. м водорода или до 200 куб. м гелия в сутки".
Но есть у гелия и минусы. Самый главный их них - он дорогой. По мере подъема дирижабля на высоту давление атмосферы уменьшается, и газ изнутри начинает распирать оболочку. Водород в таком случае можно стравить - он дешевый, его не жалко. А гелий недешев. Поэтому обычно гелия "недонакачивали", дирижабль взлетал с 90-95% от возможного объема газа внутри оболочки, а значит с меньшей нагрузкой. То же самое при выработки топлива. Изменение веса дирижабля по мере расхода бензина для авиадвигателей на водородных дирижаблях компенсируется выпуском водорода, на гелиевых имеет смысл ставить систему конденсации воды из выхлопа двигателей. Эта система имеет массу и снижает полезную нагрузку но позволяет весом воды возмещать потери от веса израсходованного топлива. Или можно было брать на борт водяной балласт, что еще менее выгодно по весу. Ну и еще есть такая замечательная вещь как светильный газ/блау-газ, более эффективное топливо для ДВС чем бензин к тому же с примерно той же плотностью что воздух - можно было не заморачиваться с балансировкой дирижабля. Однако светильный газ ядовит и легко взрывается, так что применение его на гелиевом дирижабле фактически сводило на нет его плюс в безопасности и заставляло применять те же меры для сохранения аппарата и его экипажа что на водородном дирижабле.

В общем на практике проигрыш гелиевого дирижабля в подъемной силе против водородного составляет не 7%, а приближается к 50%. Что легко проверяется на примерах.



Дирижабль Zeppelin LZ-126 строился в Германии по репарации для США, в августе 24го он совершил свой первый полет на поле в Фридрихсхафене, в октябре того же года перелетел в Америку где стал именоваться ZR-3 USS Los Angeles и был сразу же переведен на гелий вместо водорода.
Как изменились при этом характеристики дирижабля? Вот так:

LZ-126 (водород) / ZR-3 Лос-Анджелес (гелий)
ОБъем оболочки, м2 78280,8
Взлетный вес, кг 81314 / 69400
Вес пустого, кг 35306 / 41005
Полезная нагрузка, кг 46008 / 28395


На водороде LZ-126 пролетел из Фридрихсхафена в Лейкхерст, Нью - Джерси без промежуточных посадок, дирижабль преодолел расстояние в 8000 км за 81 час 32 мин. На гелии дальность его полета не превышала 6300 км, продолжительность - 48 часов.

Еще пример:
Развесовка LZ-129 Hindenburg при перелете через Южную Атлантику:

Вес пустого, кг 118000
экипаж, кг 5400
Провизия, кг 3000
Топливо, кг 58880
Масло, кг 4000
Балласт, кг 7950
Прочее, кг 9120
Итого, кг 206350


При заполнении дирижабля водородом он был способен нести полезную нагрузку в 9560кг, при заполнении гелием его пришлось бы разгрузить на 15841кг оставив на земле топливо, или что-то еще, или все вместе, т.е. Атлантику он бы не пересек.

Из [1]:
Первым дирижаблем, который был разработан согласно требованиям армии, а также использовался флотом, стал армейский тип серии «ТС», получивший на флоте обозначение «J». Это первый мягкий дирижабль, который сразу проектировался с использованием гелия в качестве несущего. Водород мог применяться только в качестве газа-заменителя. Оболочка дирижабля, объемом до 6000 куб. м, наполненная гелием, могла нести экипаж из шести человек. При использовании водорода подъемная сила увеличивалась, и при прочих равных условиях экипаж мог насчитывать до десяти человек.

1. Ионов П. Дирижабли и их военное применение. — М.: Государственное военное издательство, 1933.
2. http://www.globalsecurity.org/military/world/airship-helium.htm
3. http://www.airships.net/helium-hydrogen-airships
...
Tags: авиация и воздухоплавание, материалы
Subscribe
Buy for 210 tokens
Предисловие Для начала разберемся сколько энергии потребляют электромобили. Многие люди не доверяют "официальным" данным…
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 49 comments