АЭРОСТАТ

Рис. 1. Летающая лодка Франческо де Лана Торци (Италия, 1670).

аэроста́т (от греч. аḗr — воздух и statós — стоящий, неподвижный) — летательный аппарат, использующий подъёмную силу заключённого в газонепроницаемую оболочку подъёмного газа (водород, гелий, светильный газ, тёплый воздух), имеющего плотность меньшую, чем плотность атмосферного воздуха (см. Аэростатика). А. подразделяются на свободные аэростаты (СА), привязные аэростаты (ПА) и дирижабли.

Подъём СА, ПА и статический подъём дирижабля осуществляются вследствие избыточной аэростатической силы. Изменение высоты полёта СА при подъёме достигается увеличением подъёмной силы посредством сбрасывания части балласта или повышением температуры подъёмного газа, а при снижении — уменьшением подъёмной силы путём выпуска части газа через специальный клапан или охлаждением подъёмного газа. ПА при подъёме, стоянке на высоте и спуске удерживается привязным тросом. СА используются для многосуточных полётов (дрейфов) с различной аппаратурой (см. Дрейфующий аэростат) для кратковременных полётов в автоматическом режиме и с экипажем (см. Стратостат), для спортивных, исследовательских, военных и других целей. ПА используются для подъёма исследовательской аппаратуры, средств связи, радиолокаторов, ретрансляторов, метеозондирования и других целей. Дирижабли могут использоваться для транспортных перевозок, экспедиционных полётов, ведения разведки, поиска подводных лодок, затонувших судов, мин, косяков рыб, для спасательных работ, рекламы, туристических полётов и т. п.

Историческая справка.Первый проект А. был разработан итальянским учёным Франческо де Лана Торци в 1670. А. представлял собой летающую лодку (барку), подъёмная сила которой создавалась путём откачки воздуха из четырёх медных шаров, движителем являлся парус (рис. 1).

5 июня 1783 во Франции братья Ж. и Э. Монгольфье продемонстрировали полёт СА. Тепловые аэростаты братьев Монгольфье, название «монгольфьерами», изготовлялись из льняной ткани, обклеенной с двух сторон бумагой. Они наполнялись у земли воздухом, нагретым до 70—100°С. 21 ноября 1783 французские воздухоплаватели Пилатр де Розье и д’Арланд на «монгольфьере» (рис. 2) совершили полёт, продолжавшийся около 25 мин. В том же году член Петербургской АН Л. Эйлер вывел формулы для расчёта подъёмной силы А.

По поручению французской АН Ж. Шарль в 1783 вместе с механиками братьями Робер разработал и построил А., наполненный водородом (рис. 3). Оболочка А. была изготовлена из лёгкой шёлковой ткани, покрытой раствором каучука. 1 декабря 1783 Шарль и М. Н. Робер совершили на этом А. («шарльере») первый полёт, длившийся 2 ч. В полёте была определена температура воздуха на высоте 3400 м. В дальнейшем применялись как «монгольфьеры», так и «шарльеры», получившие общее название «воздушные шары». В 1785 Пилатр де Розье для перелёта через Ла-Манш построил А. особой конструкции, так называемый «розьер» (рис. 4). С 1794 для наблюдения за полем боя стали использоваться ПА, имевшие шаровидную форму и поднимавшиеся на двух канатах на высоте до 500 м. СА использовались для развлекательных и научных целей.

Демонстрации полёта СА без людей («шарльера») в России впервые состоялись в Петербурге (24 ноября 1783) и Москве (19 марта 1784). Первые полёты с человеком были осуществлены Ж. Гарнереном 20 июня и 18 июля 1803 в Петербурге и 20 сентября 1803 в Москве. В 1804 летом Петербургской АН был организован полёт академик Я. Д. Захарова и фламандского физика и воздухоплавателя Э. Робертсона. Во время этого полёта на высоте 2500 м впервые проводились аэрологические наблюдения.

16 сентября 1804 французский физик Ж. Гей-Люссак поднялся на СА на высоту 7 км. С 1823 для наполнения СА, кроме водорода, стал применяться более дешёвый светильный газ, что способствовало значительному увеличению числа полётов в Европе и США. В 1861—66 в Великобритании на СА проводились систематические метеорологические наблюдения. В 1875 Г. Тиссандье поднялся на СА на высоту 8,6 км, применяя кислородные подушки.

Большой вклад в развитие воздухоплавания внёс Д. И. Менделеев, внедривший (1874—75) в практику полётов А. высотомер высокой точности и выдвинувший идею стратостата с герметичной кабиной. Пионером аэрологии в России был академик М. А. Рыкачёв. С 1868 он совершал полёты на СА, на которых устанавливались психрометр, анероид и термометры. Учитывая сложность и высокую стоимость полётов с людьми, профессор М. М. Поморцев предложил применять небольшие шары-зонды для замера скорости ветра на высотах. В 1892 в Германии был осуществлён запуск первого шара-зонда, т. е. небольшого А., снабжённого самопишущими приборами для замера температуры и давления.

Военное применение СА началось в 1849 во время войны Италии против Австрии за независимость. Австрийцы для бомбардировки Венеции применили небольшие тепловые СА (объёмом 82 м³) с подвешенными к ним зажигательными и разрывными бомбами. ПА применялись во время Гражданской войны в США в 1861—65.

Французский воздухоплаватель А. Жиффар в 1867 построил ПА объёмом 5 тыс. м³, а для Парижской выставки 1878 — ПА сферической формы объёмом 25 тыс. м³ и высотой 55 м, в гондоле которого на высоте 500 м поднималось 40 пассажиров. ПА и СА применялись во время франко-прусской войны 1870—71. При осаде прусскими войсками Парижа за 4 месяца блокады на 66 СА объёмом 1000—2000 м³ из Парижа было отправлено около 3 млн. писем и более 150 пассажиров, причём обратная связь осуществлялась при помощи голубей, вывозимых на А. Во время Парижской коммуны СА применялись для разбрасывания листовок. Англичане использовали ПА в колониальных войнах 1885 и в войне с бурами 1899—1902. Япония применяла ПА с 1891, сначала в войне с Китаем, а позднее против русских войск в боях под Порт-Артуром.

В 1893 в Германии капитан А. Парзеваль разработал более совершенную конструкцию ПА так называемого змейкового типа с удлинённым корпусом (рис. 5), позволявшим вести наблюдения при скоростях ветра до 15—17 м/с на высоте до 1 км. В 1885 в России была создана воздухоплавательная кадровая часть, возглавляемая А. М. Кованько. В 1897 шведский исследователь С. Андре безуспешно пытался на специально оборудованном СА объёмом 5 тыс. м³ достигнуть Северного полюса.

В конце XIX в. начали организовываться аэроклубы, объединявшие спортсменов-воздухоплавателей. 12 апреля 1899 состоялось первое состязание СА. К началу 1-й мировой войны в этих соревнованиях участвовали сотни СА. Спортивные СА поднимались на высоту свыше 8500 м, продолжительность полётов составляла до 36 ч. Рекордная высота 10800 м была достигнута в 1901 немецкими воздухоплавателями Дермсоном и Зюрингом. 8—10 февраля 1914 пилот Берлинер пролетел 3052,7 км. Рекорд продолжительности полёта принадлежал немецкому пилоту Каулену, находившемуся в полёте 13—17 февраля 1914 в течение 87 ч. Развитие воздухоплавания на ПА и СА в значительной мере способствовало развитию практической метеорологии и созданию дирижаблей.

К началу 1-й мировой войны в армиях всех воюющих стран были созданы воинские подразделения, имевшие на вооружении ПА конструкции Парзеваля, позднее и типа «Како» (рис. 6), а также дирижабли. Для обшей и артиллерийский разведки использовались А. наблюдения, для защиты от налёта бомбардировочной авиации городов и портов — А. заграждения. К концу войны в армиях и флотах Франции, Германии, Великобритании, Италии и США применяли по 200—300 А. наблюдения, поднимавшихся на высоту 600—1000 м. По несколько сотен А. заграждения, поднимавшихся на стальных тросах на высоту 2—4 км, имелось во Франции, Великобритании, Германии и Италии. В России А. наблюдения использовались для фронтовой разведки. К концу 1917 на всех фронтах было 87 воздухоплавательных отрядов, на вооружении которых состояло около 200 А. наблюдения. В Петрограде действовала офицерская воздухоплавательная школа.

В первые дни установления советской власти, в ноябре 1917, для руководства Воздушным флотом было создано Бюро комиссаров авиации и воздухоплавания. В начале 1918 состоялся 1-й Всероссийский воздухоплавательный съезд, который наметил программу развития отечественного воздухоплавания. В первом советском научном авиационном учреждении «Летучая лаборатория» (Москва), руководимом профессор Н. Е. Жуковским, в мае 1918 был создан аэростатный отдел. 10 августа 1918 при Реввоенсовете Республики создаётся Полевое управление авиации и воздухоплавания действующей армии (Авиадарм). В годы Гражданской войны наряду с авиацией широко использовались воздухоплавательные части. Было проведено около 7 тыс. боевых подъёмов А. с пребыванием в воздухе около 10 тыс. ч. А. использовались речными флотилиями на Волге, Каме и Днепре.

В 1920—30-е гг. велись работы по улучшению А. наблюдения и А. заграждения, проходили национальные и международные соревнования спортивных СА (рис. 7). В Великобритании, США, Франции и СССР осуществлялись исследования по аэродинамике и прочности А. Применение А. заграждения как составной части противовоздушной обороны отрабатывалось совместно с авиацией, зенитной артиллерией, прожекторными, а позднее и с локаторными установками. Работы по усовершенствованию А. заграждения проводились во Франции, Великобритании, Германии. В Великобритании были разработаны А. заграждения, способные поднимать стальные тросы диаметр 5—8 мм на высоту 1—4 км при скорости ветра до 25 м/с. Привязной трос имел систему вооружения (соответствующим образом подвешенные на нём боевые заряды), способствующую разрушению налетевшего на него самолёта. Для повышения манёвренности А. наблюдения в Италии, Германии, Великобритании и США были разработаны моторизованные аэростаты, а во Франции — геликостат системы Эмишена, имевший винты вертикальной и горизонтальной тяги, что придавало ему качества А. и вертолёта. Для изучения стратосферы с 1931 в Бельгии, Польше, Франции и США строились стратостаты для подъёма экипажа в герметичной кабине (рис. 8). В СССР и во многие странах мира с 1931 стали применять радиозонд, разработанный П. А. Молчановым, что позволило уже к 40-м гг. регулярно изучать атмосферу на высоте до 30 км. 30 сентября 1933 на стратостате «СССР-1» (рис. 9) воздухоплаватели Г. А. Прокофьев, К. Д. Годунов и Э. К. Бирнбаум совершили подъём на высоту около 19 км. 3 сентября 1935 на СА объёмом 2200 м³ пилотами И. И. Зыковым и А. М. Тропиным был совершён рекордный полёт продолжительностью 91 ч 15 мин из Москвы в Актюбинскую область. В 1935—39 разрабатывался и испытывался стратостат-парашют конструкции Т. М. Кулинченко. К 1940 было совершено более 1000 учебных, тренировочных и научных полётов на А. объёмом от 150 до 2200 м³. Регулярно совершались полёты на высоте до 10 тыс. м на субстратостатах, экипаж которых находился в открытых гондолах, применяя на высоте более 4 км кислородные маски. СА использовались для подъёма планёров и высотных прыжков парашютистов. В марте 1941 на СА воздухоплаватели С. С. Гайгеров и Б. А. Невернов совершили рекордный полёт из Москвы в Новосибирскую область, пролетев за 69 ч 20 мин 2767 км. К началу 1941 советские воздухоплаватели завоевали 17 международных рекордов из 24 в сетке Международной авиационной федерации. Во время 2-й мировой войны применялись А. всех видов. А. заграждения использовались для защиты городов, портов, караванов судов и прикрытия десантных операций, они заставляли самолёты противника либо обходить защищаемую зону, либо подниматься выше А., что снижало точность бомбометания. В Великобритании применялись А. заграждения двух типов: MK-VI объёмом 76 м³ для защиты флота и MK-VII объёмом 540 м³ для защиты городов и наземных объектов. Многие английские А. заграждения имели вооружение. В июле 1944 в районе Лондона поднималось около 2 тыс. А., из которых 1600 имели подвесные снаряды.

Немецкие А. заграждения объёмом от 70 до 200 м³ поднимались на высоту до 1500 м. А. наблюдения успешно использовались в Германии до конца 2-й мировой войны (имели объём 1 тыс. м³).

В Японии в 1937—39 применялись А. наблюдения и моторизованные А. С 1939 Япония разрабатывала автоматические А. (АА) для заброса на территорию противника авиабомб. В 1944 серийно строились АА объёмом 540 м с оболочками из специальной бумаги для полётов на высоте до 11 км в течение 50—70 ч, имевшие боевую нагрузку 50 кг (рис. 10). А. имел автоматическое устройство, регулирующее высоту полёта (днём 11,5 км, ночью 6—9 км). Используя струйные течения в атмосфере на высоте 9—11 км, АА, запускавшиеся в Японии, могли долетать до центральных районов США и Канады, поджигая посевы и леса и производя разрушения. Было изготовлено около 10 тыс. АА, запуск которых начался 3 ноября 1944. К маю 1945 было запущено около 9 тыс. АА. Долетело не менее 1000. После появления над территорией США первых японских АА более 500 самолётов участвовало в операциях по их обнаружению и уничтожению, проводившихся с 1 декабря 1944 по 1 сентября 1945. Сбито авиацией было только 2 АА.

В СССР были созданы различные А. наблюдения и всепогодные А. заграждения (конструкции Годунова и Центрального аэрогидродинамического института): БАЗ-136 объёмом 490 м³ (рис. 11), КАЗ объёмом 675 м³ и другие, способные поднимать стальные тросы (тросы имели вооружение) диаметром 5—8 мм на высоту до 1 км, а в ряде случаев до 4800 м, находясь в воздухе при скорости ветра до 25 м/с. А. заграждения применялись для защиты Москвы, Ленинграда, Горького, Саратова, Ярославля, Сталинграда и Севастополя, на Тихоокеанском флоте и в других местах. В Москве в конце войны поднималось до 445 А., в Ленинграде — до 360. Советские А. наблюдения (рис. 12) успешно применялись для артиллерийской разведки и корректирования огня артиллерии на Ленинградском, Волховском, Карельском, Прибалтийском фронтах, во время боёв под Москвой, в Карпатах и в завершающих боях в Берлинском сражении. В 1943 было осуществлено 5 тысяч боевых подъёмов, в 1944 — 7 тыс. За 1943—44 А. наблюдения провели в воздухе свыше 13 тыс. ч. ПА применялись в СССР и для подготовки парашютистов. После 2-й мировой войны воздухоплавание интенсивно развивалось в СССР, США, Великобритании, Франции, Японии и других странах. Успехи в улучшении конструкции, лётно-технических характеристик стали возможны благодаря созданию полимерных плёночных материалов для изготовления оболочек, достижениям радиоэлектроники, позволившим автоматизировать управление А.

С началом 50-х гг. в США стали применять АА, полёт которых происходит в стратосфере. АА могут летать на высоте от 6 до 50 км в заданном диапазоне высот, совершая длительные и кратковременные полёты. АА используются для изучения воздушных течений, метеозондирования, физических исследований, разведки, дальней радиосвязи и других целей. Проводятся запуски как одиночных АА, так и массовые запуски с использованием механизированных видов старта. Длительность полета АА может изменяться от нескольких часов до несколько лет. На высоте 45—52 км эти А. могут летать с аппаратурой массой в несколько десятков килограммов, на высоте до 30 км — с полезным грузом массой в сотни килограммов, а на высоте 20—25 км — с грузом массой 5—6 т и более.

С 1951 во Франции проводятся астрономические исследования на высотных СА. Вначале исследования проводились на СА с экипажем в герметичной гондоле, которая крепилась к оболочке из прорезиненной материи или к гирлянде из резиновых оболочек (полёты астронома О. Дольфюса), а в дальнейшем с использованием АА с плёночными оболочками, поднимавшихся на высоту 32 км. 19—20 августа 1957 на стратостате «Манхай II» с плёночной оболочкой объёмом 84,95 тыс. м³ американский пилот Сименс в герметичной кабине совершил полёт на высоте 30 933 м продолжительностью 33 ч 10 мин. 4 мая 1961 американские пилоты М. Росс и В. Пратер поднялись на стратостате с оболочкой объёмом 283,17 тыс. м³ на высоту 34668 м. Воздухоплаватели находились в гермокостюмах в открытой гондоле.

В США астрономические исследования на АА (так называемая баллонная астрономия) проводятся с 1960. В марте 1963 на АА с оболочкой объёмом 148,666 тыс. м³ на высоте 24,5 км была поднята астрономическая станция массой 4,5 т. При этом общая масса поднимаемого груза была 6,9 т. 27 октября 1972 на АА с оболочкой объёмом около 1,4 млн. м³ на высоту 52 км была поднята аппаратура массой 113 кг. С 1962 проводились большие международные программы по изучению атмосферы и физических явлений путем массовых запусков АА и применения высотных грузоподъёмных АА для астрономических исследований и других целей. Исследования атмосферы, космических излучений с использованием АА проводились научными организациями США, Великобритании, Франции, ФРГ, Японии и других стран. В ряде стран созданы специальные воздухоплавательные полигоны (Австралия, Новая Зеландия, Индия, Египет, Турция, Норвегия и другие). Только в США с 1950 по 1970 было запущено 20 тыс. высотных АА.

В 50-е гг. в США и Западной Европе возобновились спортивные полёты на СА, наполняемых водородом, а с 60-х гг. — наполняемых тёплым воздухом. Спортивные полёты на дальние расстояния с экипажем проводились на А. с плёночными оболочками с использованием техники, разработанной при создании АА. В 1978 на пилотируемом СА «Дабл игл-2» с упрочнённой пленочной оболочкой американские воздухоплаватели М. Андерсон, Б. Абруццо и Л. Ньюмен пересекли Атлантический океан, установив при этом рекорд продолжительности полёта (137 ч 5 мин 50 с), а в 1984 американец Д. Киттингер пересек Атлантический океан в одиночку. В ноябре 1981 четверо воздухоплавателей из США и Японии на СА «Дабл игл-5» совершили перелёт через Тихий океан, пролетев 8328,54 тыс. км за 3,5 дня. Наряду с АА во многих странах применяются радиозонды, передающие показания аппаратуры, замеряющей температуру, давление и влажность воздуха (потолки их достигают 45—48 км).

В СССР после Великой Отечественной войны разрабатывались и применялись СА различных конструкций для проведения научных исследований. С помощью СА изучались структура атмосферы, запылённость, турбулентность, облачность, космические излучения и т. п. Исследования проводились на СА, поднимавшихся на высоту до 30 км. Для систематических исследований атмосферной турбулентности применялись плёночные автоматические А.-парашюты объёмом 3,4 тыс. м³, поднимавшиеся на высоту 23 км (рис. 13). Затем газ выпускался, а оболочка, принимавшая форму парашюта, опускала аппаратуру, допуская многократное использование А. Для пиковых (кратковременных) полётов на высоте 25—28 км применялись А.-парашюты объёмом 20 тыс. м³, изготовленные из графитизированной шёлковой материи, что исключало воспламенение водорода от электрических разрядов. Для подъёма грузов массой до 150 кг на высоту до 30 км использовались АА гирляндной системы с резиновыми оболочками. Для проведения исследований на высоте до 30 км применялись и АА с плёночными оболочками различных объёмов. Наряду с запуском АА в СССР выполнялись полёты СА с экипажем на высоте до 4 км. 25—28 октября 1950 на субстратостате «СССР ВР-79» (рис. 14) воздухоплаватели С. А. Зиновеев, С. С. Гайгеров и М. Н. Кирпичев совершили рекордный полёт длительностью 84 ч 24 мин, пролетев более 4000 км. 1 ноября 1962 на стратостате «Волга» с плёночной оболочкой объёмом 72,9 тыс. м³ (рис. 15) пилоты П. И. Долгов и Е. Н. Андреев в герметичной гондоле поднялись на высоту около 25,5 км. С 60-х гг. в СССР проводились полёты АА с плёночной оболочкой объёмом 107 тыс. м³, поднимающего астрономическую станцию массой 6 т на высоту 20 км (рис. 16).

К началу 1981 в США было построено около 2500 спортивных тепловых СА (рис. 17), в других странах — около 500. С 1968 в США и Франции осуществляются разработки ПА для подъёма ретрансляторов, исследовательской и разведывательной аппаратуры. В США проводятся опытные работы по использованию ПА для крановых работ и транспортировки древесины в горных районах. В 1972 в США были разработаны ПА типа «Фамили-II» объёмом от 5,7 до 11,3 тыс. м³ для различных военных и коммерческих целей (обеспечение радиорелейной и телефонной связи, радарного обзора и т. п.). Наибольшая высота подъёма этих ПА достигала 5500 м. Одновременно с ПА типа «Фамили-II» для ретрансляции разрабатывались ПА типа «TKOM» объёмом от 1,4 до 17 тыс. м³. Наиболее распространёнными из ПА типа «TKOM» являются ПА «Марк-VI» объёмом 2,8 тыс. м³ и «Марк-VII» объёмом 7 тыс. м3. ПА «Марк-VII» поднимает на высоту 3 км груз массой до 2000 кг при скорости ветра на высоте подъёма до 39 м/с. При флюгерном закреплении у земли ПА «Марк-VII» рассчитан на скорость ветра 46 м/с. Подъём ПА типа «TKOM» может проводиться на тросах из стальной проволоки и синтетических волокон (рис. 18).

В США, Великобритании, Франции, Японии и других странах проводятся программы по исследованию атмосферы с использованием АА, создаются более совершенные системы АА и ПА и изучаются возможности их применения для решения ряда транспортных и военных задач.

Литература:

Вейгслин К. Е., Очерки по истории летного дела, [кн. 1], М., 1940;

Полозов Н. П., Сорокин М. А., Воздухоплавание, М., 1940;

Стобровский Н. Г., Наша страна — родина воздухоплавания, М., 1954;

Применение аэростатов в исследовании свободной атмосферы. Труды ЦАО, в. 100, М., 1970;

Крат В. А., Котляр Л. М., Баллонная астрономия, М., 1972;

Чернов А. А., Путешествия на воздушном шаре, Л., 1975.

Р. В. Пятышев.

Рис. 2. «Монгольфьер» (Франция, 1783).

Рис. 3. «Шарльер» (Франция, 1783).

Рис. 4. «Розьер» (Франция, 1785).

Рис. 5. Привязной аэростат конструкции А. Парзеваля (Германия, 1893).

Рис. 6. Привязной аэростат типа «Како» (Франция, 1915).

Рис. 7. Спортивный свободный аэростат.

Рис. 8. Стратостат О. Пиккара (Бельгия, 1931).

Рис. 9. Стратостат «СССР-1» (СССР, 1933).

Рис. 10. Автоматический аэростат (Япония, 1944).

Рис. 11. Аэростат заграждения БАЗ-136 (СССР, 1941).

Рис. 12. Аэростат наблюдения АН-540 (СССР, 1941).

Рис. 13. Автоматический аэростат-парашют (СССР, 1950).

Рис. 14. Субстратостат «СССР ВР-79» (СССР, 1950).

Рис. 15. Стратостат «Волга» (СССР, 1960).

Рис. 16. Стратосферная астрономическая станция «Сатурн» (СССР, 1964).

Рис. 17. Современный тепловой аэростат (США, 1980-е гг.).

Рис. 18. Современный привязной аэростат (США, 1980-е гг.).