태양풍선

10피트 길이의 태양 전지 "테트룬"

4미터 높이의 태양 풍선이 초원 위를 떠다닌다.

태양풍선은 내부의 공기가 태양 복사에 의해 가열될 때 부력을 얻는 기구로, 보통 검은색이나 어두운 풍선 재료의 도움을 받는다.태양풍선 내부의 가열된 공기는 팽창하고 주변 공기보다 밀도가 낮습니다.이처럼, 태양풍선은 열기구와 비슷하다.태양풍선은 화성 탐사에 사용될 것으로 제안되었지만, 장난감 시장에서 주로 사용되고 있으며, 일부 태양풍선은 인간이 비행하기에 충분히 크다.상단의 환기구를 열어 하강 및 감압을 위해 뜨거운 공기를 방출할 수 있습니다.

연산 이론

리프트 생성

열기구 온도 변화를 나타내는 열화상

봉투 내부의 공기 온도를 높이면 주위(주변) 공기보다 밀도가 낮아집니다.풍선에 가해지는 부력 때문에 풍선이 떠다닌다.이 힘은 물속에 있을 때 물체에 작용하는 힘과 같고 아르키메데스의 원리로 설명된다.열기구에서 제공되는 리프트(또는 부력)의 양은 주로 봉투 내부의 공기 온도와 봉투 외부의 공기 온도의 차이에 따라 달라집니다.

다양한 온도로 가열된 건조 공기의 100,000ft³(2831³.7m)에 의해 발생하는 리프트는 다음과 같이 계산할 수 있다.

기온	공기 밀도	기단	양력 발생
68°F, 20°C	1.2041 kg/m³	7517파운드, 3409.7kg	0파운드힘, 0kgf
210°F, 99°C	0.9486 kg/m³	5922파운드, 2686.2kg	1595파운드힘, 723.5kgf
250°F, 120°C	0.8978 kg/m³	5606파운드, 2542.4kg	1912 lbf, 867.3 kgf

20 °C, 68 °F에서 공기의 밀도는 약 1.2 kg/m입니다³.(99°C, 210°F)로 가열된 100,000 cu ft 풍선의 총 리프트는 1595 lbf, 723.5 kgf가 될 것이다.실제로 엔벨로프에 포함된 공기는 첨부되는 열화상처럼 모두 동일한 온도는 아니기 때문에 이러한 계산은 평균에 기초합니다.

전형적인 대기 조건(20°C, 68°F)의 경우 (99°C, 210°F)로 가열되는 열기구는 1kg(62.5cuft/lb)을 들어올리기 위해 약 3.91m의³ 외피 부피가 필요하다.제공되는 리프트의 정확한 양은 위에서 언급한 내부 온도뿐만 아니라 외부 온도, 해수면 위의 고도 및 주변 공기의 습도에 따라 달라집니다.따뜻한 날에는 발사 시 필요한 온도가 봉투 원단의 지속 가능한 최대 온도를 초과하기 때문에 풍선은 선선한 날만큼 들어올릴 수 없습니다.또한 저층 대기에서는 열기구에서 제공되는 리프트가 고도 1,000m(^[1]1,000ft당 1%)마다 약 3% 감소한다.

태양 복사

일사는 주어진 시간 동안 주어진 표면적에서 받는 태양 복사 에너지의 측정값이다.이는 일반적으로 평방미터당 와트(W/m2) 단위의 평균 방사선 강도로 표현된다.직접 일사는 확산 일사(하늘의 대기 구성요소에 의해 산란되거나 반사되는 태양 복사)를 제외하고 태양 광선에 수직인 표면 요소를 사용하여 지구의 특정 위치에서 측정된 태양 복사 강도이다.직접 일사는 태양 상수에서 흡수 및 산란으로 인한 대기 손실을 뺀 것과 같다.태양 상수는 지구-태양 거리와 태양 주기에 따라 다르지만, 손실은 하루 중 시간(태양 고도 각도에 따라 대기를 통과하는 빛의 길이), 구름 덮개, 수분 함량 및 기타 불순물에 따라 달라집니다.

1년 동안 지구 대기권에 도달하는 평균 태양 복사는 평방^[2]^[3] 미터 당 약 1,366 와트입니다.대부분의 전력은 스펙트럼의 가시광선 부분에 있지만 복사 전력은 전체 전자파 스펙트럼에 분포한다.태양 광선은 대기를 통과할 때 감쇠되어 맑은 날 태양 광선과 수직인 표면에서 지구 표면의 일사량이 평방 미터 당 약 1,000 와트로 감소합니다.

검은 물체는 자신을 때리는 모든 방사선을 흡수한다.현실세계의 물체는 회색 물체로, 그 흡수율은 방사율과 같다.검은색 플라스틱은 약 0.95의 방사율을 가질 수 있는데, 이는 플라스틱에 부딪히는 모든 방사선의 95%가 흡수되고 나머지 5%는 반사된다는 것을 의미한다.

공급되는 에너지 추정

^{[검증 필요]}

큰 원은 구를 같은 반구 두 개로 나눈다.

풍선을 구체로 상상하면 이 구가 받는 햇빛을 이 구와 같은 반지름을 가진 원통의 단면이라고 상상할 수 있다.이 원의 면적은 다음 $\mathrm {\pi } r^{2}\$ 으로 $\mathrm {\pi } r^{2}\$ 할 수 있습니다. § r 2 $\mathrm {\pi } r^{2}\$ \ $displaystyle$ \ $mathrm$ \ $pi$ } $r^$ {2} \ $}$

예를 들어, 1000 W/m의² 직접적인 일사가 있는 맑은 날에 검은색 플라스틱 외피를 가진 구형의 반지름 5m 태양 풍선이 받는 에너지는 먼저 대원 면적을 계산하여 추정할 수 있다.

\displaystyle \mathrm {Area} = \pi \times (5m)^{2}\약 78{.}54m^{2}}

여기에 플라스틱의 방사율과 태양의 직접 일사를 곱하면 다음과 같습니다.

78.54 * 0.95 * 1000 = 74,613 와트

ISA(국제 표준 대기)의 해수면 15°C에서 공기의 밀도는 약 1.22521kg/m이다³.공기의 밀도는 온도가 높을수록 5K당 m당 약³ 20g의 속도로 감소합니다.건조 공기 1kg을 1kvin 가열하려면 약 1kjoul의 에너지가 필요합니다(열 용량 참조).따라서 (해발 및 15°C에서) 공기 1m의³ 온도를 높이려면 5°C * 1킬로줄/(μ*켈빈) * 1.15kg = 6.125킬로줄의 온도가 필요합니다.이렇게 함으로써 공기 1m의³ 질량을 약 24g 줄일 수 있습니다.태양과 직각으로 1m의² 검은 표면과 열 손실이 없는 맑은 날에는 6초가 조금 넘게 걸립니다.

에너지 손실률 추정

아래는 풍선에 경계선을 그렸을 때 태양풍선의 에너지 손실률을 나타내는 에너지 균형 방정식이다.태양풍선은 대류에 의한 열 전달과 방사선에 의한 열 전달을 경험합니다.

태양풍선의 에너지 균형 방정식

ė Out = tσr² ( TS4 - TF4) + hπr² ( TS - TF )

예상 엔트로피 변화

Tds=du+PdV

δS = ((cv/T)dT + Rgasln(V2/V1)

µs = cvln(T2/T1)

평형

이 시스템은 대류, 방사선, 전도를 통해 풍선으로부터 손실된 에너지가 태양으로부터 방사선을 통해 수신된 에너지와 같을 때 평형 상태에 있다.

역사

1972년, 영국의 건축가이자 많은 태양열 시설과 프로젝트의 발명자인 도미닉 마이클리스는 투명한 외부 표면과 어둡고 열을 흡수하는 내부 벽을 ^[4]^[5]가진 최초의 태양 풍선을 발명하고 만들었다.

유인 비행

1973년 5월 1일 트레이시 반스가 그의 풍선 '바네스 솔라 파이어플라이 4면체'를 타고 태양풍선을 날린 최초의 인간이 탄생했다.이 풍선은 4면체로 만들어진 나선형 천으로 만들어졌다.도미니크 미카엘리스는 유럽 최초의 순수 태양풍선을 소유했던 것으로 기록되고 있다.이 풍선은 줄리안 노트에 의해 영국 해협을 가로질러 날아갔다.FAI를 위해 취합된 기록에 따르면 1978년 2월 6일 이란 프레데릭 에슈는 Sunstat라는 풍선을 타고 태양 비행을 했다.이것은 표준 풍선 디자인을 사용했지만, 한쪽 면에는 투명한 플라스틱을 사용했고, 태양의 방사선이 내부 표면에서 반사되어 내부 공기를 ^[6]데웠다.

최초의 남극 태양 기상 기구 비행

발롱 ORA라는 이름의 최초의 100% 태양 기상 탐사선은 2011년 1월 학생, 과학자 및 엔지니어들로 구성된 합동 팀에 의해 프랑스 남극 뒤몽 뒤르빌 기지에서 발사되었다.이 아이디어는 태양 풍선을 멀리 떨어진 지역에서 탐사선으로 사용하는 것의 가능성을 평가하기 위한 것이었다. 이 지역에서는 헬륨이나 수소의 사용을 절약할 수 있는 것이 중요하다.이 비행은 46,000피트(14,000m)에 근접하며 성공적이었다.절감 효과는 리프팅 가스 자체에만 관련된 것이 아닙니다.ORA 벌룬은 중가스통을 ^[7]안팎으로 운반할 필요성을 줄여줍니다.

행성 탐사에 사용

캘리포니아 공과대학의 제트 추진 연구소는 태양계의 여러 행성과 달에서 태양 풍선을 사용하는 것에 대한 연구를 실시했는데, 이것이 화성, 목성, ^[8]토성에 대한 실행 가능한 선택이라는 결론을 내렸다.

안전.

계획 및 영공 허가는 지역 또는 국가 영공 당국에 의해 요구될 수 있다.

유인 비행은 특별한 위험을 수반한다.예상치 못한 구름은 연료를 비축하지 않고 정기적으로 열기구를 사용하는 것과 같은 심각한 위험을 초래합니다.태양풍선은 냉각이 일어날 때 빠르게 하강할 수 있기 때문에 밸러스트가 매우 중요합니다.

갤러리

쓰레기 봉지로 만든 튜브 모양의 태양풍선

레퍼런스

^ "How to Calculate the Weight of Air and Model Hot Air Balloon Lift". Retrieved 2008-01-01.
^ 총 태양 복사 조도에 대한 위성 관측
^ "Construction of a Composite Total Solar Irradiance (TSI) Time Series from 1978 to present". Figure 4 & figure 5. Archived from the original on August 1, 2011. Retrieved February 2, 2009.
^ "Solar Balloons, a very short History". Retrieved 2011-04-11.
^ "The solar hot air balloons of Dominic Michaelis". Retrieved 2011-04-11.
^ "School Project Information - Solar Ballooning". Retrieved 2009-07-18. Ballooning 잡지의 기사에 따르면
^ "Ballon ORA". Ecole Centrale Lyon. Retrieved 2011-01-30.
^ "Inflatable robotics for planetary applications" (PDF). Beacon eSpace at Jet Propulsion Laboratory. Archived from the original (PDF) on 2010-05-26. Retrieved 2011-04-09.

외부 링크

[1] "How to Calculate the Weight of Air and Model Hot Air Balloon Lift". Retrieved 2008-01-01.

[2] 총 태양 복사 조도에 대한 위성 관측

[www.pmodwrc.ch.91-3] "Construction of a Composite Total Solar Irradiance (TSI) Time Series from 1978 to present". Figure 4 & figure 5. Archived from the original on August 1, 2011. Retrieved February 2, 2009.

[4] "Solar Balloons, a very short History". Retrieved 2011-04-11.

[5] "The solar hot air balloons of Dominic Michaelis". Retrieved 2011-04-11.

[6] "School Project Information - Solar Ballooning". Retrieved 2009-07-18. Ballooning 잡지의 기사에 따르면

[7] "Ballon ORA". Ecole Centrale Lyon. Retrieved 2011-01-30.

[8] "Inflatable robotics for planetary applications" (PDF). Beacon eSpace at Jet Propulsion Laboratory. Archived from the original (PDF) on 2010-05-26. Retrieved 2011-04-09.

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