淺談浮空器浮升氣體的性能對(duì)比描述

摘 要：浮空器是一種主要利用輕于空氣的氣體產(chǎn)生靜升力而克服自身重力的飛行器，不同浮升氣體的特性各不相同，本文主要對(duì)氫氣、氦氣、甲烷、熱空氣和水蒸氣在安全性、經(jīng)濟(jì)性、易得性和易操作性等方面進(jìn)行綜合對(duì)比分析。

關(guān)鍵詞：浮空器;安全性;經(jīng)濟(jì)性;易得性;易操作性

引言

浮空器是一種主要利用輕于空氣的氣體產(chǎn)生靜升力而克服自身重力的飛行器，包括飛艇、系留氣球、系留艇和自由飄氣球等。本文所論述的浮升氣體即浮空器內(nèi)輕于空氣的氣體。從理論上說，只要?dú)怏w的密度小于周圍大氣的密度，即可作為浮空器的浮升氣體。因此，有兩類氣體可滿足此要求：輕質(zhì)氣體和熱氣。輕質(zhì)氣體有氫氣、氦氣、甲烷、氨氣、天然氣和煤氣等，熱氣主要有熱空氣和水蒸氣。不同浮升氣體的特性各不相同，下面主要對(duì)氫氣、氦氣、甲烷、熱空氣和水蒸氣在安全性、經(jīng)濟(jì)性、易得性和易操作性等方面進(jìn)行綜合對(duì)比分析。

1 安全性對(duì)比

上述5種浮升氣體的安全性對(duì)比?？梢钥闯?，氦氣為惰性氣體，且一般在常溫下使用，安全性最好;熱空氣和水蒸氣均為不可燃高溫氣體，安全性僅次于氦氣;由于水蒸氣冷凝時(shí)會(huì)放出大量的熱，更容易灼傷人體，因而認(rèn)為熱空氣的安全性稍優(yōu)于水蒸氣;甲烷和氫氣均為易燃易爆氣體，當(dāng)其在與空氣的混合氣中的體積比例在一定范圍內(nèi)時(shí)就會(huì)燃燒甚至爆炸，氫氣燃燒（爆炸）極限范圍比甲烷更寬，說明氫氣比甲烷更易燃燒或爆炸，且甲烷對(duì)人產(chǎn)生麻痹作用的體積濃度下限也高于氫氣的燃燒（爆炸）下限，因此，甲烷的安全性優(yōu)于氫氣。

從上述分析可知，5種浮升氣體的安全性依次為：氦氣>熱空氣>水蒸氣>甲烷>氫氣。

2 經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

本文主要對(duì)比分析不同浮升氣體的使用經(jīng)濟(jì)性，對(duì)于采用不同浮升氣體而導(dǎo)致的研制成本的差異，本文暫不論證。常溫的氫氣、甲烷和氦氣可從市場(chǎng)采購后直接使用，水蒸氣和熱空氣需要將水或空氣加熱到約10℃以上再使用，主要考慮加熱和保溫所需能源消耗成本。盡管氦氣可回收重復(fù)使用，但價(jià)格十分昂貴，且不易壓縮、極難液化，壓縮回收過程需要消耗大量能源，且多次回收后的純度會(huì)下降導(dǎo)致比浮力下降，而氦氣提純?cè)O(shè)備非常昂貴且效率低下，故氦氣重復(fù)使用的次數(shù)也很有限。

因此可認(rèn)為，產(chǎn)生同樣凈浮力的浮升氣體成本依次為：水蒸氣<氫氣<甲烷<熱空氣<氦氣。當(dāng)浮空器工作時(shí)間較短時(shí)，使用經(jīng)濟(jì)性依次為：水蒸氣>氫氣>甲烷>熱空氣>氦氣。當(dāng)浮空器工作時(shí)間較長時(shí)，若采用水蒸氣和熱空氣作為浮升氣體，為了維持要求的溫度需要消耗大量能源，因此，較長時(shí)間使用經(jīng)濟(jì)性依次為：氫氣>甲烷>水蒸氣>熱空氣>氦氣。

3 易得性對(duì)比

（l）熱空氣易得，可現(xiàn)場(chǎng)制備;升空前可利用地面能源快速加熱空氣。但考慮到加熱空氣的效率和熱交換效率等因素，一般直接使用燃料燃燒產(chǎn)生的尾氣來替代熱空氣。由于燃燒消耗空氣中的氧氣產(chǎn)生二氧化碳和水蒸氣，航空煤油、汽油、液化氣等燃燒尾氣中二氧化碳和水蒸氣比例接近1：1，天然氣接近1：2，因此尾氣產(chǎn)生的凈浮力與同體積同溫度熱空氣產(chǎn)生的凈浮力基本相同甚至更大，而這種熱氣獲取方法更經(jīng)濟(jì)、更方便可行。

（2）水蒸氣易得，可現(xiàn)場(chǎng)制備。升空前在地面利用高溫蒸汽發(fā)生器和水源快速產(chǎn)生高溫水蒸氣充人氣囊;在空中工作時(shí)可采用電加熱方式或燃料燃燒與熱交換方式維持水蒸氣的溫度。

（3）氫氣較易得，可直接從市場(chǎng)采購，也可利用氫氣發(fā)生器現(xiàn)場(chǎng)制備。

（4）甲烷較易得，可直接從市場(chǎng)采購。

（5）氦氣不易得，難儲(chǔ)存，需提前采購，基本依賴進(jìn)口，容易受到限制，難以確保長期、大量、穩(wěn)定的供應(yīng)。

因此，5種浮升氣體的易得性依次為：熱空氣>水蒸氣>氫氣>甲烷>氦氣。

4 易操作性對(duì)比

上述5種浮升氣體中，氫氣的安全性最差，在儲(chǔ)存、運(yùn)輸和使用過程中都必須嚴(yán)格按照相關(guān)操作規(guī)程，以確保安全;甲烷安全性比氫氣稍好，但也是可燃?xì)怏w，且濃度達(dá)到25%一30%后會(huì)導(dǎo)致人麻痹，使用時(shí)也必須十分仔細(xì)，才能確保安全;氦氣安全性最好，但因價(jià)格昂貴，一般需回收利用，操作相對(duì)復(fù)雜;熱空氣最易實(shí)現(xiàn)地面快速充氣和快速釋放;水蒸氣的操作性比熱空氣略差。

因此，5種浮升氣體的易操作性依次為：熱空氣>水蒸氣>氦氣>甲烷>氫氣

5 綜合對(duì)比

經(jīng)過以上分析，可對(duì)5種浮升氣體的性能進(jìn)行綜合對(duì)比，5種浮升氣體在各項(xiàng)性能方面各有優(yōu)缺點(diǎn)，綜合比較甲烷綜合性能最差;實(shí)際使用中要針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行選擇，當(dāng)然還可考慮不同浮升氣體組合使用，以達(dá)到取長補(bǔ)短、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的效果。比如氦氣具有浮升效率高、安全性好的優(yōu)點(diǎn)，但屬于稀缺資源，供應(yīng)容易受限，尤其是在軍事上的應(yīng)用必然受到限制，從浮空器的長遠(yuǎn)發(fā)展考慮，必須考慮氦氣之外的浮升氣體的實(shí)際應(yīng)用。本文對(duì)各種浮升氣體性能進(jìn)行了綜合對(duì)比分析，認(rèn)為廉價(jià)、易得的氫氣和熱氣在浮空器上的應(yīng)用將是浮升氣體的發(fā)展趨勢(shì)。

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作者簡(jiǎn)介：葉彬彬（1990.5—）初級(jí)工，安徽長豐人，主要從事浮空器全工藝流程及加工制作方法研究