Excluyendo la practicidad, ¿qué tan grande debería ser un globo de aire caliente para llegar al espacio?

A2A Definir “borde del espacio” para mí. Nadie ha encontrado un camino todavía.

El 26 de noviembre de 2005, Vijaypat Singhania estableció el récord mundial de altitud para el vuelo en globo aerostático más alto, alcanzando 21,290 m (69,850 pies). Se lanzó desde el centro de Bombay, India, y aterrizó 240 km (150 millas) al sur en Panchale.

24 de octubre de 2014: Alan Eustace, vicepresidente senior de Google, alcanzó los 41.424 metros (135.906 pies) en un globo y regresó a la Tierra en un salto en paracaídas.

Durante 2002, se lanzó un globo de película ultrafina llamado BU60-1 hecho de película de polietileno de 3.4 µm de espesor con un volumen de 60,000 m³ desde el Centro de Globos Sanriku en la ciudad de Ofunato, Iwate en Japón a las 6:35 el 23 de mayo de 2002. El El globo ascendió a una velocidad de 260 m por minuto y alcanzó con éxito la altitud de 53.0 km (173,900 pies), rompiendo el récord mundial anterior establecido durante 1972.

Registro de altitud de vuelo en Wiki

Capas de la atmósfera – (no a escala)

Por NOAA y usuario: Mysid: vectorizado por Mysid en una imagen de NOAA (Capas de la atmósfera) con la línea Kármán agregada por Latitude0116. Imagen renombrada de Imagen: Atmosphere layers.svg, Dominio público, Archivo: Atmosphere layers-en.svg

Tenga en cuenta que el espacio comienza a 100 km de altura, aunque también hay otras definiciones. (Fuente de la imagen: línea Kármán en Wiki)

La atmósfera de la Tierra se extiende hasta los bordes exteriores de la exosfera, pero no hay mucho aire allí para proporcionar flotabilidad.

El globo de 55 pisos de Felix Baumgartner despegó de Roswell, NM a las 11:30 a.m.EDT (1530 GMT) del domingo (14 de octubre), llevando al temerario dentro de una cápsula hecha a la medida de 2.915 libras (1.315 kilogramos). Si todo va según lo planeado, el globo se elevará a una altitud de 120,000 pies (36,576 metros) en el transcurso de varias horas.

Daredevil comienza el vuelo en globo para el paracaidismo más alto del mundo – en Space.com Octubre de 2014

Los aviones de ala fija han ascendido al espacio.

MANHIGH I – (Kittinger)

Durante el programa se realizaron tres vuelos en globo hasta el borde del espacio: Manhigh 1 a 29.6 km, por el Capitán Joseph Kittinger el 2 de junio de 1957; Manhigh II a 30.95 km, por el comandante David Simons los días 19 y 20 de agosto de 1957; y Manhigh III a 29.9 km por el teniente Clifton McClure el 8 de octubre de 1958.

Hombre alto – Enciclopedia Astronautica

Transbordador espacial Endeavour orbitando en la termosfera. Debido al ángulo de la foto, parece abarcar la estratosfera y la mesosfera que en realidad se encuentran a más de 250 km por debajo. La capa naranja es la troposfera, que da paso a la estratosfera blanquecina y luego a la mesosfera azul.

Aunque los astronautas y los cosmonautas a menudo encuentran escenas sorprendentes de la extremidad de la Tierra, esta imagen única, parte de una serie sobre el colorido horizonte de la Tierra, tiene la característica adicional de una silueta del transbordador espacial Endeavour . La imagen fue fotografiada por un miembro de la tripulación de la Expedición 22 antes de la cita STS-130 y las operaciones de atraque con la Estación Espacial Internacional. El atraque se produjo a las 11:06 pm (CST) del 9 de febrero de 2010. El puesto avanzado orbital estaba a 46.9 latitud sur y 80.5 longitud oeste, sobre el Océano Pacífico Sur frente a la costa del sur de Chile, con una altitud de 183 millas náuticas ( 210 millas terrestres) cuando se grabó la imagen. La capa naranja es la troposfera, donde se generan y contienen todo el clima y las nubes que normalmente observamos y experimentamos. Esta capa naranja da paso a la estratosfera blanquecina y luego a la mesosfera. En algunos cuadros, el color negro es parte del marco de una ventana en lugar de la negrura del espacio.

Por NASA / Tripulación de la Expedición 22 – http://spaceflight.nasa.gov/gall …, Dominio público, Archivo: Endeavour silhouette STS-130.jpg

Fuente de la imagen: Atmosphere of Earth en Wiki

Como de costumbre, Mehran Moalem ha proporcionado una respuesta sorprendente. Aquí hay una ecuación clara que ayudará:

[matemáticas] L = \ frac {PVA_m} {R} (\ frac {1} {T_c} – \ frac {1} {T_h}) – 4 \ pi r ^ 2 \ rho [/ matemáticas]

Esta es una aproximación ideal de la elevación neta de un globo esférico donde:

P es la presión del aire
V es el volumen del globo.
[matemáticas] A_m [/ matemáticas] es la masa molar del aire.
R es la constante del gas.
Tc y Th son temperaturas externas e internas (en Kelvins)
[math] \ rho [/ math] es la densidad del material de envoltura del globo

El problema, como señaló Mehran, es que el aire no es homogéneo. Pero dado que la presión del aire generalmente disminuye con la altitud, podemos suponer que si este globo se elevará a 400 km, se elevará por debajo de allí. Además, ha simplificado la carga útil y el sobre, por lo que obtenemos

Entonces:

[matemática] V = \ frac {(L + M) * \ frac {R} {PA_m}} {(\ frac {1} {T_c} – \ frac {1} {T_h})} [/ math]

Ahora necesitamos algunos valores.

L + M = 4000 kg (según especificaciones)
R = 0.0821
P = Muy bajo (3 billonésimas de atmósfera, por Mehran)
T = 355K (ver más abajo), pero pasa a través de una región de alta temperatura.
Am = alrededor de 29.

Esa región de alta temperatura (la termosfera) finaliza su viaje, y no solo porque derrite su globo (teóricamente podríamos hacerlo con una lámina metálica ultrafina para evitar este problema). El problema es que la temperatura del aire interior será menor que la temperatura exterior (en su límite de 120C) y nuestro globo se hundirá.

Pero, ¿y si comenzamos a 400 km? La termosfera indica la temperatura a 400 km a 355K. Nuestra temperatura interna es de 393K, no mucho más caliente, pero suficiente, si hacemos que el globo sea lo suficientemente grande.

¿Responder?

13,9 x 10 ^ 10L

Eso es un radio de solo 2.4 km. Mi respuesta es un poco más pequeña que la de Mehran (alrededor de 9 km), pero todos estamos en el mismo estadio básico.

Según tengo entendido, los globos que se elevan más alto no son los más fuertes, sino los más livianos. Deben estar hechos de material increíblemente delgado, porque a las bajas presiones que se obtienen a alturas de más de 50 km, se necesita una gran envoltura para contener incluso una masa modesta de gas de elevación. El material tiene que ser fuerte para su espesor, pero otro factor importante es que debe haber muy pocos agujeros o puntos delgados a través de los cuales pueda filtrarse el gas. Escuché que es extremadamente difícil hacer un material tan delgado con un grosor exactamente uniforme; casi tan difícil de lanzar un globo hecho de (lo que bien podría ser) gossamer, sin que se rompa nada.

Siempre puede evitar que un globo explote cuando está completamente estirado dejando salir algo del gas, pero eventualmente no hay suficiente gas para levantar el globo.

¿Hasta dónde quieres llegar? No existe un límite definido entre la atmósfera y el espacio, pero a medida que avanza, se vuelve mucho más frío, y la presión y la densidad del aire se hacen cada vez más bajas. La altura máxima teórica dependerá del peso total del globo, incluidos los quemadores de gas, los tanques de propano, el ocupante, la canasta, el material del sobre y el peso del aire caliente en el globo.

La fuerza hacia arriba depende solo del volumen de la envoltura y de la densidad del aire circundante. Entonces, para un peso dado y la densidad del aire dentro del globo, la altura máxima depende solo del volumen máximo de la envoltura. La viabilidad de esto depende solo del material del que está hecho el sobre. ¿Qué tan grande puede ser y qué tan caliente puede obtener el aire dentro de él?

Desearía que el material sea delgado, por lo que tendría menos peso, pero esto reduciría sus propiedades de aislamiento térmico y limitaría la temperatura máxima del aire en el globo. Es una compensación.

Incluso dado un sobre enorme, aire muy caliente dentro de él y un peso mínimo, aún no podía alcanzar el “espacio”. Los globos de aire caliente no funcionan en el espacio, porque no hay aire para que la envoltura se desplace.

Entonces, incluso en estas condiciones óptimas, todavía habría una cierta altura máxima que el globo podría alcanzar. Cuanto más grande es el sobre, más caliente es el aire dentro de él, menor es el peso total, mayor es la altura máxima, pero el ocupante necesitaría un suministro de oxígeno y un conjunto de ropa muy abrigada, un traje espacial rudimentario, de hecho.

No me había dado cuenta de las cifras que había dado.

La densidad del aire a 400 km es de 6 X 10 ^ – 13 kg / m ^ 3. Si suponemos que realmente podría crear un vacío en el globo, y tenía un volumen V, entonces

Masa de aire desplazada = masa de globo

Entonces, VX 6 X 10 ^ -13 = 4000

Entonces, V = 0.3 X 10 ^ 16 m ^ 3

Si se trata de una esfera, ¡su radio sería de 100 km! Obviamente imposible. Por lo tanto, ningún globo aerostático de esta masa podría alcanzar los 400 km.

Bueno, excluyendo la practicidad, la piel del globo tendría masa cero y sería infinitamente extensible. En ese caso, un globo de cualquier tamaño lleno de helio llegaría al espacio.

Oh, acabo de notar tus detalles. Me pregunto cuál es la masa molecular para la atmósfera a 400 km. Si es mayor que 4, entonces un globo de helio lo suficientemente grande flotaría allí en principio. Si es menor que 4 pero mayor que 2, entonces podría usarse hidrógeno. Tengo la sensación de que está compuesto principalmente de gases ligeros como el helio y el hidrógeno, por lo que es posible que no pueda utilizar un globo de hidrógeno. Solo para avanzar, suponga que es 3. Entonces cada mol de hidrógeno tendrá una “fuerza” de elevación igual a 3–2 = 1 gramo. Su sobre de carga útil más tiene una masa de 4 millones de gramos, por lo que necesitaría 4 millones de moles de hidrógeno.

En STP, un mol de cualquier gas tiene un volumen de 22,4 litros. Mantengamos la temperatura igual. Entonces necesitamos saber la presión a 400 km.

Una búsqueda rápida en Internet no me dio eso. Pero encontré un valor a 150 km de altitud aquí:

Llegando a la órbita terrestre baja

Presión a 150 km = 3 billonésimas de atmósfera. Por lo tanto, el volumen de cualquier gas tomado de la superficie a 150 km se expandirá en un factor de 3 mil millones. Nuestros 22,4 millones de litros se convertirán en unos 67 billones de litros. Ese es el volumen de una esfera con un diámetro de 80 km.

Todavía tenemos algunas órdenes más de reducción de la magnitud de la presión para llegar a 400 km, por lo que será aún más grande que eso.

Oh, otro oh. Acabo de notar que dijiste globo aerostático. Si comienzas con aire en la superficie y lo calientas a los 120 * C especificados, es imposible flotar donde el peso molar es inferior a aproximadamente 27. No calculé eso.

Vuela a través de la troposfera, la estratosfera y la mesosfera sin mucha dificultad, acelerando con la altura debido a la temperatura extremadamente fría y la baja densidad del aire. Sin embargo, una vez que llegue a la termosfera (alrededor de 100 km) su viaje habrá terminado. Apenas necesita recorrer 50 kilómetros dentro de la termosfera antes de que la temperatura se eleve bruscamente a alrededor de 220 ° y el mismo nylon que forma su globo de aire caliente se derrita. Antes de esto, su nave se habría incendiado, por lo tanto, es seguro decir que, a lo sumo, podría haber llegado a 1/4 de su meta de 400 km. ¡Espero que esto ayude!

Sé que esto no responde a su pregunta, ya que estos no eran más ligeros que los globos de aire, pero la NASA lanzó unos globos Mylar de .5 mil en órbita en la década de 1960 en una órbita polar baja. Conocidos como el Proyecto Echo, querían probarlos como transmisores de radio pasivos, lo que significa que podría rebotar ondas de radio de ellos.

Su primer intento falló (la culpa del cohete), pero lanzaron con éxito 2 más que duraron 5 años cada uno, mucho más de lo que cualquiera de los ingenieros esperaba. Eran tan grandes que eran claramente visibles desde la tierra por la noche.

Los ingenieros sabían que finalmente serían condenados por micrometeoritos y que el viento solar eventualmente los llevaría de vuelta a la atmósfera, pero los paquetes de gas que producen químicos sublimantes, que los inflaron inicialmente, también ayudaron a prolongar sus vidas.

Proyecto eco

Las estaciones espaciales en la órbita de la tierra también contienen gases que también pueden destruir si no está hecho de material fuerte. Por medios fuertes realmente fuertes (materiales por los cuales se hacen los statons espaciales). Pero como el globo se considera en la pregunta, la respuesta será no. El globo es algo inflado, lo que significa que el material debe ser estirable o expandible. Si el globo está hecho con algo más fuerte y estirable, debido a su propiedad elástica, el globo seguramente explotará.

¡No! Un globo se eleva porque su peso es menor que el peso de la atmósfera que desplaza. El espacio es casi vacío. En cierto punto, el peso del material del globo ya es más que el peso del volumen de la atmósfera enrarecida que desplaza. Agregue a eso el peso del contenido del globo. Por lo tanto, ningún globo puede elevarse al espacio. Pero puedes llevar a Ik al espacio con un poco de propulsión. Y permanecerá inflado hasta que todo el gas haya escapado al infinito sin límites de nuestro universo. Suspiro. Por cierto. No se trata de masa sino de peso. ¡Sin gravedad, tampoco hay flotabilidad!

Dado que la atmósfera termina cuando llegas al espacio, o al menos se reduce a la nada virtual, es como preguntar qué tan poco debe ser un barco para flotar desde el océano hacia el cielo. El globo está flotando en la atmósfera, por lo que no puede flotar fuera de la atmósfera: no hay flotabilidad donde termina el aire, al igual que no hay flotabilidad para el bote donde termina el agua. En la práctica, a medida que el aire se adelgaza con la altitud, llegas al punto donde el globo es demasiado pesado para elevarse más, y esto sucede MUCHO antes de que te quedes completamente sin aire.