МНОГОЛИКИЙ МОНГОЛЬФЬЕР

В 2013 году исполняется 230 лет со дня изобретения монгольфьера – первого летательного аппарата, поднявшего человека в воздух. Данная статья дает краткий обзор о развитии монгольфьеров с XVIII века до настоящего времени.

Multifaceted Montgolfier

230 years have passed from the date of invention of montgolfier balloon - the very first aircraft, which took a man into the air. This article gives a review on montgolfiers developing since 18th century so far.

В этом году исполняется 230 лет изобретению теплового аэростата (монгольфьера) – первого летательного аппарата, поднявшего человека в воздух. Несмотря на конкуренцию со стороны газового аэростата, монгольфьер, претерпев поразительные изменения, до сих пор остаётся на службе у человека.

5 июня 1783 года французские изобретатели, братья Монгольфье (Montgolfier), Жозеф (Joseph, 1740–1810 гг.) и Этьен (Etienne, 1745–
1799 гг.), провели в своём родном городе Аннонэ (Annonay) первую публичную демонстрацию полета беспилотного теплового аэростата диаметром около 11 метров. Интерес к этому изобретению оказался настолько велик, что для проведения экспериментов братьям выдали королевскую субсидию, а также собрали средства по общественной подписке. Всё это позволило им менее чем за полгода после постройки летающей модели построить пилотируемый аппарат.

А 21 ноября Пилатр де Розье (Pilatre de Rozier, 1754-1785 гг.) и маркиз де Арланд (d’Arlandes, 1742-1809 гг.) совершили первый в истории полет продолжительностью 25 минут на тепловом аэростате (объемом 2000 м3, высотой 22 метра и диаметром 14,5 метра). Несмотря на то, что оболочка аэростата несколько раз загоралась от пламени подвешенной под ней жаровни, полет завершился успешно.

В честь братьев-первопроходцев тепловой аэростат получил название «монгольфьер». Однако изобретённый в том же году физиком Жаком-Александром Сезаром Шарлем (Jaques Alexandre Cesar Charles, 1746–1823 гг.) газовый (водородный) аэростат вскоре отодвинул монгольфьер на второй план. Сказались присущие тепловому аэростату недостатки: большой объём оболочки, обусловленный малой подъёмной силой нагретого воздуха, трудность поддержания необходимой температуры воздуха внутри неё во время полёта и опасность пожара.

Но вместе с тем монгольфьеры имели и неоспоримые достоинства: они не нуждались в дорогостоящем водороде, время подготовки их к старту было меньше, чем у газовых аэростатов, и они могли изменять высоту полёта без расхода балласта. Конструктивно они были проще газовых. Последним объясняется и тот факт, что первым самостоятельно поднявшимся в воздух отечественным воздухоплавателем, о котором сохранились достоверные сведения, стала мещанка Пресненской части Ильинская, «великодушно и смело» совершившая 19 августа 1828 года в Москве самостоятельный полёт на монгольфьере, «начиненном не газом, а простым дымом от аржаной соломы».

Попытки объединить газовый и тепловой аэростаты в одной конструкции, получившей по имени изобретателя де Розье название «розьер», нередко кончались трагедиями. Так, 15 июня 1785 года сам Пилатр де Розье и его спутник Ромен (Romain) погибли при попытке перелететь через пролив Ла-Манш от загорания их аэростата. 21 сентября 1812 года в Болонье получил смертельные ожоги при старте своего розьера Франческо Замбеккари. Известны и другие несчастные случаи с комбинированными аппаратами. Причина катастроф заключалась в размещении открытого огня вблизи наполненной горючим водородом оболочки. Только в наши дни, вследствие перехода на инертный гелий, идея комбинированного аэростата получила всеобщее признание, и именно на розьере «Breitling Orbiter-3» 1-21 марта 1999 года облетели вокруг земного шара швейцарец Бертран Пиккар и англичанин Брайан Джонс.

Вскоре из-за опасности возникновения пожаров в большинстве стран Европы полёты на монгольфьерах были запрещены. Даже в 1860-е годы аэронавту Евгению (Эжену) Годару, возродившему монгольфьер, приходилось сильно разогревать воздух в оболочке аэростата на земле и летать уже без жаровни. Внёсший большой вклад в развитие конструкции монгольфьера (он, в частности, снабдил его экваториальным парашютом, обезопасившим спуск аэростата), Годар построил в 1863 году наибольший из аппаратов данного класса – «L’Aigle» («Орёл»), объёмом 14000 м3. 300 кг расчесанной соломы, сгоравшей в калорифере «Орла», позволяли монгольфьеру подниматься на высоту 1600 метров, где он мог держаться на солнце в течение получаса – и 15 минут при облачном небе.

Неоднократно предпринимались попытки использовать монгольфьеры в военных целях в качестве привязных аэростатов наблюдения. Однако проводившиеся в 1874 году в Усть-Ижорском лагере (по предложению генерала О.Б.Герна) опыты с монгольфьером показали, что последний теряет подъёмную силу от самого незначительного ветра. Последующие эксперименты Учебного воздухоплавательного парка 
(г. С.-Петербург) с монгольфьерами англичанина Спенсера (в 1886 и 1888 гг.) и Эжена Годара (в 1890, 1893, 1894 и 1896 гг.) лишь подтвердили непригодность монгольфьеров для военных целей.

В итоге на рубеже XIX-XX веков монгольфьер использовался только воздухоплавателями–артистами, практиковавшими парашютные прыжки. Такое применение монгольфьера позволяло им обходиться без дорогостоящего процесса получения водорода, а главный недостаток поднимавшегося без горелки или жаровни аэростата – малая продолжительность полёта – не играл никакой роли. Примером могут служить парашютные спуски братьев Станислава Маврикиевича и Юрия Маврикиевича Древницких. Последний выполнил в 1891-1915 годах более 540 полетов, преимущественно именно на таких примитивных монгольфьерах.

Несмотря на то, что первые горелки на жидком топливе (спирте) для монгольфьеров появились уже в начале XIX века (Франческо Замбеккари, 1803 г.), только к 1930-м годам германские и австрийские конструкторы создали надёжные и компактные приборы, работавшие на газифицированном керосине. Используя такую горелку, Йозеф Эммер (Josef Emmer) 25 сентября 1937 года на монгольфьере «OE-Marek-Emmer-II» объёмом 2500 м3 установил мировой рекорд высоты для аэростатов VI и VII классов (9374 метра).

В СССР с 1934 года, при поддержке Воздухоплавательной комиссии АВИАВНИТО, по проекту инженера К.Г.Седых велись работы над тепловым аэростатом с беспламенным горением топлива. Физика этого метода тогда была не вполне изучена, поэтому дальше предварительных изысканий и опытов работы по проекту не продвинулись.

Наконец, в начале 1960-х годов появились монгольфьеры с горелками, использующими пропан-бутановую газовую смесь, которые и теперь остаются основными летательными аппаратами современного воздухоплавания.

Успеху братьев Монгольфье способствовало то, что они использовали мокрую солому, дававшую водяной пар, увеличивавший подъёмную силу теплового аэростата. В дальнейшем Д.Печковский (Россия, 1882 г.), Э.Эме (Франция, 1893 г.) и ряд других изобретателей предложили подавать в монгольфьер перегретый пар, но работоспособные летательные аппараты создать тогда не удалось.

В 1925 году в СССР инженер-воздухоплаватель В.Г.Гакаранидзе разработал для воздухоплавательных кружков ОДВФ (Общество друзей воздушного флота) проект монгольфьера объёмом 2000 м3 с двойной оболочкой (внешняя выполнена из перкаля, лакированная или оклеенная тонким пергаментом, внутренняя – из более тонкого перкаля) и воздушной прослойкой толщиной 1 метр. Неизменяемость взаимного положения оболочек поддерживается поводками из шпагата, пришитыми к экваторам оболочек. От поясов, пришитых ниже экватора, идут стропы к нижнему кольцу, на котором обе оболочки сходятся. К кольцу крепится цилиндрическая клетка, внутри которой с рычагом на тросах находится калорифер с питательным баком и регулятором. В корзине помещены два алюминиевых топливных бака, из которых всасывающим насосом по гибкому трубопроводу керосин подается в расходный бак. Для наполнения аэростата на земле служит отдельный калорифер, который дает горячий увлажненный воздух. После наполнения аэростата включается рабочий калорифер, поддерживающий температуру на заданном уровне. Горячий воздух с 75% содержанием водяного пара даёт увеличение подъёмной силы, а так как пар не насыщает пространства, то конденсация при данной температуре не происходит. Расход топлива сокращен за счёт уменьшения теплоотдачи через воздушную прослойку.

В июне 1925 года летающую модель теплового аэростата (объём 183 м3, диаметр оболочки – 7 метров) после одобрения Научным комитетом УВВВС построила спортивная секция Московского ОДВФ – под руководством изобретателя. Корзина с калорифером, вокруг которого находилась чашка для воды, своей верхней частью входила в оболочку. Корзина крепилась поясными веревками к тонкой сети, охватывавшей наружную оболочку. Полная масса аэростата (без топлива) составляла 40 кг. При испытаниях модель прошла около 2 км на высоте 300–400 метров. На нагревание воздуха в оболочке ушло 1,8 кг топлива, и в полете было израсходовано ещё 0,9 кг. Полноразмерный аэростат не строился.

В конечном итоге монгольфьеры подобного рода так и не были построены, но сама идея использовать пары жидкостей (синтез-газ) для создания подъёмной силы нашла воплощения в проектах венерианских аэростатов Г.М.Мос-
каленко.

Инфракрасные монгольфьеры.

Первоначально считалось, что монгольфьеры поднимаются из-за некоего «монгольфьерова газа», выделяемого мокрыми соломой и шерстью. Только опыт швейцарского естествоиспытателя Б.Соссюра с раскалённым металлическим прутом показал истинный источник подъёмной силы монгольфьера – нагретый воздух. Нагрев может осуществляться не только горелкой, но и любым другим внешним источником тепла, в том числе и излучением солнца. На возможность создания «солнечного воздушного шара» в начале 1890-х годов указывал ещё К.Э.Циол-
ковский в письме знаменитому физику А.Г.Столетову. Константин Эдуардович провёл ряд предварительных экспериментов, но, погружённый в работу над проектом цельнометаллического дирижабля, этот свой замысел так и не реализовал.

В декабре 1977 года Жан-Пьер Поммеро (Jean-Pierre Pommereau) и Ален Ошекорн (Alain Hauchecorne) из Службы Аэрономии испытали разработанный ими инфракрасный монгольфьер (Montgolfiere Infra-Rouge – MIR). Оболочка этого монгольфьера, наполненная атмосферным воздухом, выполнена из двух материалов: верхняя часть – из алюминированного майлара, что даёт возможность аэростату нагреваться днём от солнца, а нижняя – из полиэтилена, пропускающего ночью инфракрасное излучение от поверхности земли. Это позволяет монгольфьеру совершать полёт, в ходе которого его высота изменяется от 16 до 28 км. К недостаткам инфракрасного монгольфьера относится медленный подъём, а также малая грузоподъёмность при большом объёме оболочки (для подъёма 50 кг требуется оболочка объёмом 40000 м3).

Инфракрасный монгольфьер находит применение и в космонавтике. В системе аэростатного старта, разрабатываемой неправительственной Румынской ассоциацией космонавтики и аэронавтики ARCA (Asociatia Romana pentru Cosmonautica si Aeronautica), нагретый солнцем монгольфьер с оболочкой из чёрного полиэтилена (толщина плёнки 15 мкм) используется в качестве воздушной платформы для запуска суборбитальной ракеты. После двух успешных полётов монгольфьера с суборбитальным пилотируемым кораблём STABILO на высоте 14700 метров без включения двигателя, 14 ноября 2009 года состоялись испытания экспериментальной системы «Helen», предназначенной для демонстрации технологий старта с поверхности моря теплового аэростата и пуска в воздухе трехступенчатой суборбитальной ракеты. Они окончились неудачей, так как из-за ветра и сильного течения не удалось даже поднять аэростат в воздух.

Тепловые дирижабли.

Идея снабдить тепловой аэростат двигателем возникла почти одновременно с изобретением монгольфьера. Уже 11 июля 1784 года аббат Миолан (Miolan) и Жанине (Janninet) попытались управлять монгольфьером посредством реактивной силы горячего воздуха, вытекавшего через отверстие, расположенное в экваториальной части оболочки – но при испытаниях аэростат воспламенился и сгорел. В 1905 году известный конструктор дирижаблей Сантос-Дюмон (Santos Dumont) построил полужесткий тепловой дирижабль, но так и не испытал его в полёте. Впрочем, в 1920-1930-х годах выхлопные газы двигателей дирижаблей использовались для подогрева несущего газа в их оболочках.

Потребовалось создание надёжных газовых горелок и оболочек из полимерных тканей с кремнийорганической пропиткой. Таким был первый тепловой дирижабль – D-96 (G-BAMK) производства фирмы Cameron Balloons (Англия), совершивший полёт 3 января 1973 года.

Современные тепловые дирижабли имеют малые грузоподъемность, скорость и высоту полета. Главное их достоинство заключается в меньшей, по сравнению с пилотируемыми гелиевыми дирижаблями, стоимости, а также в меньших эксплуатационных затратах, так как им не требуются дорогостоящие эллинги и швартовые мачты. Обслуживаются они небольшой командой. Тепловые дирижабли строятся по мягкой системе, оболочки выполняются из специальной полимерной ткани и представляют собой аэродинамические конструкции, стабильность которых в полёте обеспечивается горизонтальными и вертикальными надувными стабилизаторами. Главная особенность конструкции – наличие газовых горелок, нагревающих воздух в оболочке.

Несмотря на то, что проекты появились в СССР ещё в 1960-е годы, первый полёт теплового дирижабля в России состоялся только в 1997 году. Его выполнил дирижабль AV-1R «Филин» (объём оболочки 2780 м3), построенный фирмой «Balony Kubicek spol s r.o.» («Kubicek Balloons», Чехия) в 1994 году.

Все современные тепловые дирижабли имеют мягкую конструкцию, но ещё в 1960-е годы в СССР был предложен проект нового типа аэростатических летательных аппаратов – термоплана, цельнометаллического теплового дирижабля, ядерная энергетическая установка которого должна была использоваться не только для движения, но и для создания аэростатической подъёмной силы путем подачи в оболочку нагретого воздуха. Прототип такого дирижабля – правда, с неядерной энергетической установкой, - построили («АЛА-40»), но в 1992 году он был повреждён при испытаниях, и далее не восстанавливался.

Монгольфьеры вне Земли.

Ряд планет нашей Солнечной системы (Венера, Марс, Юпитер, Нептун и Сатурн), а также их спутники (Титан и, возможно, Тритон) обладают достаточно плотной атмосферой, в которой могли бы плавать аэростатические летательные аппараты. До настоящего времени такие полёты совершили только два газовых (гелиевых) аэростатных зонда, доставленные в 1985 году советскими автоматическими межпланетными станциями «Вега» в атмосферу Венеры, но в перспективных проектах предлагается использовать монгольфьеры самых разнообразных типов.

Теоретической разработкой проблемы применения аэростатов в атмосфере Венеры на протяжении многих лет занимался сотрудник ИКИ АН СССР Григорий Макарович Москаленко, предложивший использовать для исследования планеты дирижабль переменного объёма с металлической гофрированной обшивкой (развитие схемы К.Э.Циолковского). Он также показал, что большая плотность и высокая температура атмосферы Венеры позволяют применить в аэростатном зонде (монгольфьере) в качестве подъёмного газа пары жидкостей. В атмосфере планеты вода находится в парообразном состоянии до высоты 39 км, метанол – 45 км, аммиак – 100 км. При превышении данных высот пары конденсируются и переходят в жидкое состояние. Несмотря на худшие, чем у лёгких газов, несущие свойства, применение паров оправдано при наличии мощного внешнего источника тепловой энергии – нижних слоёв атмосферы Венеры. Однако из-за отсутствия баллонов высокого давления, необходимых для транспортировки лёгких газов, полная масса оборудования, установленная на ракете-носителе, уменьшится более чем на 20% при переходе к аэростату на водяном паре. Для управления объёмом, и, следовательно, высотой полёта аэростата, Г.М.Москаленко предложил схему с двухкомпонентным рабочим телом (основным и вспомогательным), основанную на различии термодинамических характеристик паров различных веществ. В качестве основного рабочего тела выбирается вещество, находящееся в парообразном состоянии до большей высоты (аммиак), а в качестве вспомогательного – вещество с меньшим значением граничной высоты (вода). На старте аэростат наполнен только парами аммиака и имеет минимальный объём. Из термоизолированной ёмкости в оболочку поступает вода, испаряющаяся под действием высокой температуры. Объём оболочки увеличивается, и аэростат идёт вверх. На высоте 39 км пары воды начнут конденсироваться, объём аэростата уменьшится – и начнется спуск. Далее процесс может повторяться.

Предложенные схемы аэростатных зондов (эндотермические, то есть использующие энергию внешней среды) стали предметом детального изучения, выявившего ряд слабых мест в концепциях. Например, перспектива создания венерианского дирижабля переменного объёма определяется возможностью изготовления прочных тонкостенных металлических сильфонов большого диаметра и объёма, способных обеспечить надёжность функционирования аэростата. (Для исследования Венеры предлагались и дирижабли с изотопными источниками энергии.)

В 1986 году Жак Бламон (Jaques Blamont), тесно работавший в совместных проектах с советскими учёными, предложил для исследования Марса несколько систем аэростатных зондов, обеспечивавших периодический спуск аэростата на поверхность планеты. Первая система состояла из двух оболочек: гелиевого аэростата сверхдавления объёмом 2000 м3 и расположенного над ним солнечного монгольфьера с открытой оболочкой, наполняемой через отверстие в её нижней части углекислым газом атмосферы Марса. Материалом оболочек служил алюминизированный полиэстер. У оболочки монгольфьера его слой был тоньше (3,5 против 
8 мкм), но клеился к текстильной сетке, имел темный цвет и усиливался резиновыми полосами. Объём гелиевой оболочки выбирался таким, чтобы в ночные часы свободный аэростат превращался в привязной, удерживаемый на поверхности контейнером с научным оборудованием. С восходом солнца углекислый газ в монгольфьере нагревается, и при разнице температур газа в оболочке последнего и атмосферой в 55°C сплавная сила всей системы становится достаточной для полёта. Поднимаясь со скоростью 1 м/с, система выйдет на высоту 6 км, где обе оболочки полностью выполнятся.

Другой вариант предложенной схемы представлял собой внутреннюю гелиевую оболочку сверхдавления (2000 м3), находящуюся внутри солнечного монгольфьера (3800 м3). Общая масса оболочек 33 кг при массе гондолы 14 кг и гелия 2 кг. Гайдроп должен был обеспечить надёжный подъём и мягкую посадку аэростата.

Эти аэростаты предполагалось использовать для определения структуры криолитозоны (мерзлотных подповерхностных слоев) Марса и выявления жидкой фракции по мерзлотным горизонтам методами низкочастотного индукционного зондирования.

Первые проработки проекта юпитерианского аэростата относятся к 1979 году. Так как в атмосфере Юпитера преобладает водород, НАСА выбрало монгольфьер, использующий для создания сплавной силы тепло радиоизотопов или горения водорода в кислороде. Однако большая удельная масса радиоизотопного теплогенератора (7,9 кг/кВт) делала невозможным использование аэростатного зонда малого объёма. Аэростат же, способный нести научную нагрузку в 100 кг, был слишком уязвим из-за своих больших размеров, громоздкости теплогенератора (8500 кг, 2,96 МВт) и тонкой оболочки (21 мкм) в турбулентной атмосфере Юпитера.

Выход нашли в 1997 году, когда, по аналогии с тепловыми аэростатами MIR, был предложен аэростат SIRMA (Solar Infrared Montgolfier Aerobot, солнечный инфракрасный монгольфьер – аэростат-робот, США), сплавная сила которого вызывается нагревом подъёмного газа инфракрасным излучением Юпитера ночью, и лучами Солнца – днём. Использование нагрева, вызванного изоэнтропическим сжатием, позволит зонду плавать на уровне 0,1 бар днём и опускаться до уровня 0,2 бар ночью. Для подъёма 10 кг нагрузки полная масса аэростатного зонда составит 112 кг. На Сатурне аэростатный зонд для такой же нагрузки будет иметь массу 220 кг, но её можно уменьшить в два раза, если он будет плавать летом в районе полюса планеты.

Среди программ Европейского космического агентства (ЕКА) Cosmic Vision 2015–2025 годы рассматривался совместный с NASA проект Tandem (Titan and Enceladus Mission – миссия на Титан и Энцелад; или TSSM – Titan Saturn System Mission – миссия Титан, система Сатурна), предусматривавший, в частности, доставку в атмосферу Титана монгольфьера. В настоящее время от этого проекта отказались.

Приведённые факты показывают, что рождённый в конце XVIII века монгольфьер и сейчас находится на острие современной науки.

Юрий Дружинин