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浅谈浮空器浮升气体的性能对比描述

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  摘 要:浮空器是一种主要利用轻于空气的气体产生静升力而克服自身重力的飞行器,不同浮升气体的特性各不相同,本文主要对氢气、氦气、甲烷、热空气和水蒸气在安全性、经济性、易得性和易操作性等方面进行综合对比分析。
  关键词:浮空器;安全性;经济性;易得性;易操作性
  引言
  浮空器是一种主要利用轻于空气的气体产生静升力而克服自身重力的飞行器,包括飞艇、系留气球、系留艇和自由飘气球等。本文所论述的浮升气体即浮空器内轻于空气的气体。从理论上说,只要气体的密度小于周围大气的密度,即可作为浮空器的浮升气体。因此,有兩类气体可满足此要求:轻质气体和热气。轻质气体有氢气、氦气、甲烷、氨气、天然气和煤气等,热气主要有热空气和水蒸气。不同浮升气体的特性各不相同,下面主要对氢气、氦气、甲烷、热空气和水蒸气在安全性、经济性、易得性和易操作性等方面进行综合对比分析。
  1 安全性对比
  上述5种浮升气体的安全性对比。可以看出,氦气为惰性气体,且一般在常温下使用,安全性最好;热空气和水蒸气均为不可燃高温气体,安全性仅次于氦气;由于水蒸气冷凝时会放出大量的热,更容易灼伤人体,因而认为热空气的安全性稍优于水蒸气;甲烷和氢气均为易燃易爆气体,当其在与空气的混合气中的体积比例在一定范围内时就会燃烧甚至爆炸,氢气燃烧(爆炸)极限范围比甲烷更宽,说明氢气比甲烷更易燃烧或爆炸,且甲烷对人产生麻痹作用的体积浓度下限也高于氢气的燃烧(爆炸)下限,因此,甲烷的安全性优于氢气。
  从上述分析可知,5种浮升气体的安全性依次为:氦气>热空气>水蒸气>甲烷>氢气。
  2 经济性对比
  本文主要对比分析不同浮升气体的使用经济性,对于采用不同浮升气体而导致的研制成本的差异,本文暂不论证。常温的氢气、甲烷和氦气可从市场采购后直接使用,水蒸气和热空气需要将水或空气加热到约10℃以上再使用,主要考虑加热和保温所需能源消耗成本。尽管氦气可回收重复使用,但价格十分昂贵,且不易压缩、极难液化,压缩回收过程需要消耗大量能源,且多次回收后的纯度会下降导致比浮力下降,而氦气提纯设备非常昂贵且效率低下,故氦气重复使用的次数也很有限。
  因此可认为,产生同样净浮力的浮升气体成本依次为:水蒸气<氢气<甲烷<热空气<氦气。当浮空器工作时间较短时,使用经济性依次为:水蒸气>氢气>甲烷>热空气>氦气。当浮空器工作时间较长时,若采用水蒸气和热空气作为浮升气体,,为了维持要求的温度需要消耗大量能源,因此,较长时间使用经济性依次为:氢气>甲烷>水蒸气>热空气>氦气。
  3 易得性对比
  (l)热空气易得,可现场制备;升空前可利用地面能源快速加热空气。但考虑到加热空气的效率和热交换效率等因素,一般直接使用燃料燃烧产生的尾气来替代热空气。由于燃烧消耗空气中的氧气产生二氧化碳和水蒸气,航空煤油、汽油、液化气等燃烧尾气中二氧化碳和水蒸气比例接近1:1,天然气接近1:2,因此尾气产生的净浮力与同体积同温度热空气产生的净浮力基本相同甚至更大,而这种热气获取方法更经济、更方便可行。
  (2)水蒸气易得,可现场制备。升空前在地面利用高温蒸汽发生器和水源快速产生高温水蒸气充人气囊;在空中工作时可采用电加热方式或燃料燃烧与热交换方式维持水蒸气的温度。
  (3)氢气较易得,可直接从市场采购,也可利用氢气发生器现场制备。
  (4)甲烷较易得,可直接从市场采购。
  (5)氦气不易得,难储存,需提前采购,基本依赖进口,容易受到限制,难以确保长期、大量、稳定的供应。
  因此,5种浮升气体的易得性依次为:热空气>水蒸气>氢气>甲烷>氦气。
  4 易操作性对比
  上述5种浮升气体中,氢气的安全性最差,在储存、运输和使用过程中都必须严格按照相关操作规程,以确保安全;甲烷安全性比氢气稍好,但也是可燃气体,且浓度达到25%一30%后会导致人麻痹,使用时也必须十分仔细,才能确保安全;氦气安全性最好,但因价格昂贵,一般需回收利用,操作相对复杂;热空气最易实现地面快速充气和快速释放;水蒸气的操作性比热空气略差。
  因此,5种浮升气体的易操作性依次为:热空气>水蒸气>氦气>甲烷>氢气
  5 综合对比
  经过以上分析,可对5种浮升气体的性能进行综合对比,5种浮升气体在各项性能方面各有优缺点,综合比较甲烷综合性能最差;实际使用中要针对不同应用场景进行选择,当然还可考虑不同浮升气体组合使用,以达到取长补短、优势互补的效果。比如氦气具有浮升效率高、安全性好的优点,但属于稀缺资源,供应容易受限,尤其是在军事上的应用必然受到限制,从浮空器的长远发展考虑,必须考虑氦气之外的浮升气体的实际应用。本文对各种浮升气体性能进行了综合对比分析,认为廉价、易得的氢气和热气在浮空器上的应用将是浮升气体的发展趋势。
  参考文献
  [1]刘永光.可燃物质的爆炸极限数据[J].化学工业与工程,2018.6
  [2]蓝田.化学工程安全技术[M]北京:化学工业出版社,2016
  [3]张思辉,空气混合物在常温低压下的爆炸极限及爆炸临界压力值[J].天然化学气2017.7
  [4]孙爱国.氢氦混合制冷工质的爆炸极限试验[J].低温工程2018.3
  作者简介:叶彬彬(1990.5—)初级工,安徽长丰人,主要从事浮空器全工艺流程及加工制作方法研究

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