Журнал "Воздухоплаватель"

Аспекты воздухоплавания

12 сентября 2013 года американец Джонатан Трапп решил предпринять попытку пересечь Атлантический океан на связке из «воздушных шаров» наполненных гелием. О попытке перелета и ее характерных особенностях рассказывает автор статьи, Владимир Учватов.

Ballooning aspects

Jonathan Trappe, from Raleigh, North Carolina took an attempt to cross Atlantic by assembly of cluster helium balloons on 12 September 2013. Vladimir Uchvatov tells us about this endeavour and its characteristic properties

Достаточно трудно объяснить тягу человечества к принципам свободного полёта самых различных объектов за счёт «архимедовой» подъёмной силы.

Можно только предположить, что это чувство связано с наблюдением первых летательных аппаратов, поднявших в воздух, как в настоящее время выражаются, некую полезную нагрузку. Всё-таки это были первые летательные аппараты нашего, современного человечества!

Вероятно, такие лирические отступления в этой публикации можно было бы и опустить, однако в реальной жизни они поддерживаются романтиками-энтузиастами, одним из которых может служить Джонатан Трапп, заявивший о своей попытке перелететь Атлантический океан на связке «воздушных шаров».

Ниже представлена фотография (фото 1) очередного первопроходца со своим экзотическим летательным аппаратом.

Рассматривая в качестве летательного аппарата связку воздушных шариков, обладающих подъёмной силой, следует в первую очередь обратить внимание на необходимость безупречной работы системы управления, особенно при применении такого «аппарата» в пилотируемом варианте. К сожалению, не имеется достаточной информации о методах или способах управления полётом, но опыт создания систем управления в воздухоплавании при их реализации свидетельствует о значительном ряде проблем.

Наиболее широко известны системы управления, включающие в себя два основных принципа:

- первый – увеличение подъёмной силы за счёт сброса балласта,

- второй – уменьшение подъёмной силы за счёт выпуска подъёмного газа из оболочки.

Обе эти процедуры проводятся каждый раз при нарушении равновесия аппарата в атмосфере, расходуясь в массе и объёме, что и определяет продолжительность (а в некоторых случаях и успех) полёта.

Конечно, существуют и современные, более прогрессивные методы управления, но они требуют применения либо новых материалов, обладающих высокими физико-механическими свойствами, оптимальными радиационными (теплофизическими) свойствами, либо использования дополнительных устройств и систем.

Из практики свободного воздухоплавания известны, например, аэростаты, имеющие системы управления с использованием оболочек открытого типа (открытые пилотажные рукава). Такие оболочки имеют нулевое избыточное давление на срезе пилотажных рукавов.

На фотографии (фото 2) ниже показана оболочка высотного автоматического аэростата на этапе газонаполнения и старта, фотография достаточно хорошо известная по различным публикациям специалистам и любителям воздухоплавания. Однако вид этой оболочки на рабочей высоте 20–40 км (фото 3) выглядит уже достаточно экзотически.

Из фото видно, что пилотажные рукава (пилотажные аппендиксы) открыты и свободно выпускают несущий газ при расширении объёма в процессе его перегрева.

Следующим шагом совершенствования систем управления явилось создание оболочек полузакрытого типа с газовыми клапанами, поддерживающими предельные значения избыточного давления в оболочке, зависящего от предельных прочностных характеристик материала оболочки.

К сожалению, не могу представить соответствующую фотографию этих разработок (не принимал лично в них участия).

Практика воздухоплавания насчитывает ряд новых перспективных способов управления полётом воздухоплавательных аппаратов. В качестве одной из таких перспективных систем управления может рассматриваться схема с использованием балластного баллона.

На фотографии (фото 4) показана масштабная модель такой схемы управления. Свободный аэростат, снабжённый такой системой, совершил тестовый полёт перед, планировавшимся кругосветным.

И наконец, о работах по созданию оболочек сверхдавления (оболочки закрытого типа).

Первый успех в реализации этой схемы был продемонстрирован французами в проекте «ЭОЛ».

Ещё в середине 70-х годов в рамках этой программы французскими учёными были запущены около сотни аэростатов с оболочками сверхдавления. Запуск осуществлялся в южном полушарии, чтобы уменьшить вероятность столкновения с самолётами, т.к. интенсивность трасс их полётов в южном полушарии весьма незначительна. Запуск производился на высоты от 10 до 40 километров, а оболочки аэростатов были выполнены в виде сферы диаметром около 2-х метров.

Ниже показана фотография (фото 5) такого аэростата с некоторыми характеристиками, взятыми из первоисточников (представлены без перевода).

The aerostat design, derived from the EOLE one, with a flight chain hung below the balloon, could not allow resisting to such events, the scientific instrumentation being destroyed when arriving at the sea surface (Rangiroa experiment). For a 2m-diameter balloon they then estimated a 500 g supplementary weight due to water loading under a shower and a dynamic pressure due to raindrops of the order of 1000 g.

Эти разработки были продолжены и реализованы в виде создания ряда аэростатов (серии SPB) с оболочками малых объёмов.

Конечно, для таких высот проблема живучести аэростатов, а именно продолжительности полёта, решается несколько проще, так как атмосферное давление на этих высотах незначительно и избыточное давление, возникающее за счёт перегрева газа в оболочке, составляет всего несколько десятков миллиметров водяного столба.

Несмотря на ограниченную массу полезной нагрузки, часть аэростатов продолжала функционировать в течение нескольких лет, что позволило решить большое число научных задач, в числе которых оценка динамики воздушных потоков, параметры радиационных солнечных потоков, исследование потоков элементарных частиц и ряд других.

Вопрос же создания оболочек сверхдавления больших объёмов, или оболочек сверхдавления для полётов со значительными полезными нагрузками на малых высотах, весьма сложен.

Несмотря на то, что теоретические исследования по устойчивости формы оболочки сверхдавления были выполнены в Московском авиационном институте С.А.Солдатовым и Г.П.Пичхадзе, реализовать эти исследования в конструкции аэростата не удавалось. Эту задачу удалось решить автору только в 1996 году в процессе работы в МАИ (НИО-103), использовав ряд новых конструкторских и технологических приёмов.

Оболочка была приспособлена в качестве подъёмного средства для подъёма на привязи некоторой полезной нагрузки, а именно – при отработке космического агрегата по программе «Марс 96».

Общий вид этой оболочки показан на фотографии (фото 6).

Читатели могут заметить, что по информации, представленной в Интернете (фото 7), аналогичный аэростат создан в НАСА спустя 17 лет (!), и только в этом году прошёл лётные испытания, добившись продолжительности полёта в течение 42-х дней.

Конечно, предыдущие рассуждения по системам управления относятся только к методу управления с выпуском газа и сбросом балласта, а какой метод выбран Джонатаном Траппом – неизвестно.

Какая величина возможного перегрева несущего газа в шариках рассматривалась специалистами при планировании этого полёта? Ведь само существование этих шариков, а следовательно, и самого летательного аппарата, будет зависеть как от физико-механических характеристик материала, из которого они изготовлены, так и его радиационных характеристик. К радиационным характеристикам относятся коэффициенты отражения, пропускания и поглощения солнечного излучения, особенно в области частот, несущих наибольшую энергию. Кроме того, существенное значение имеют коэффициенты теплоотдачи при конвективном теплообмене – как на внутренней, так и на наружной поверхности шариков.

Возвращаясь к полёту Джонатана Траппа на связке воздушных шаров, можно только сказать, что система управления полётом должна быть продумана достаточно глубоко. Учитывая небольшую высоту полёта (а это связано с радиационными условиями полёта), количество манипуляций управления может быть значительным.

Допускает ли материал шариков некоторое увеличение их объёма за счёт растягивания при увеличении избыточного давления?

И так далее …

Если для высотных автоматических аэростатов с оболочками открытого типа число манипуляций по управлению полётом (поддержание необходимого диапазона высот дрейфа) связано с количеством дней полёта (переход со дня на ночь и с ночи на день), то полёт ниже облачности может потребовать существенного увеличения числа манипуляций (сброс балласта и выпуск газа).

И вот готовившийся достаточно продолжительное время полёт завершён!

Вместо Европы он завершился на острове Ньюфаундленд…

Конечно, и это принципиально, полёт по своей продолжительности ничего общего с планировавшимся не имеет. Поэтому о принятой концепции системы управления «аппаратом» не приходится говорить.

Из публикаций нельзя представить, будет ли производиться сброс газа, или же просто будет допускаться разрушение некоторых шаров?

Будет ли производиться сброс балласта в процессе полёта – как средства управления?

Некоторая оценка возможных предполагавшихся режимов полёта может быть проведена только по материалам публикации, в основном по видеоинформации.

Например, более конкретно можно говорить о балласте. Из фотографии (фото 8) видно, что его запас (количество балласта), вероятно, планировался для достаточно продолжительного полёта.

Что же касается самого полёта - показано ниже.

Приведенная трасса (фото 9) свидетельствует, что за время дрейфа «пройдено» расстояние в 466 миль, причём 318 миль из них – над водной поверхностью.

Каковы были планы команды по возможной продолжительности полёта (а это один из основных параметров таких рекордных полётов), по доступным материалам информации нет. О возможной протяжённости трассы можно судить лишь по рекламной картинке, приведенной на почтовом конверте (фото 10).

Конечно, из-за неопределённостей скорости и направления полёта – дрейфа при ветрах, прогнозируемых с «некоторой» вероятностью, - продолжительность экспедиции точно не может быть определена.

В результате полёт завершился в прибрежной зоне материка. Из описания полёта следует, что радиационная обстановка (по интенсивности солнечной радиации) благоприятствовала полёту (облачность), хотя весь полёт для пилота проходил в некомфортных условиях (интенсивные осадки).

Значительный расход балласта, по описанию в приведенных материалах, связан с режимом посадки для уменьшения вертикальной скорости приземления.

В качестве резюме к комментарию полёта, хотя и состоявшемуся в задуманном объёме, особо хочется обратить внимание возможных последователей: для достижения успеха метод и система управления полётом должны быть продуманы и отработаны. Во-вторых, необходимо с достаточной вероятностью знание метеорологических условий, ведь на просторах океана, в Атлантике, практически отсутствуют станции метеонаблюдения!

Владимир Учватов