Что такое стратостат в физике

стратостат

стратоста́т [от страто(сфера) и (аэро)стат] — свободный аэростат большого объёма для подъёма в стратосферу экипажа и аппаратуры для научных исследований, а также для проведения рекордных подъёмов, прыжков с парашютом, испытаний оборудования, астрономических наблюдений и т. п. С конца 50-х гг. наряду с термином «стратостат» применяется термин «высотный свободный аэростат для полёта с людьми». Полёт с экипажем может проводиться в герметичной или открытой гондоле. Высотный свободный аэростат (ВСА) для полётов с экипажем является разновидностью ВСА кратковременных полётов с исследовательской аппаратурой, которые могут подниматься как с экипажем, так и в автоматическом режиме (см. Дрейфующий аэростат). Свободный аэростат с открытой гондолой используемый для подъёма на высоты 7—12 км, называют субстратостатом.

С., применявшиеся в 30-х гг., имели объём до 105 тыс. м 3 и поднимались с экипажем 2—3 человека в герметичных гондолах на высоту до 22 км. Эти С. состояли из оболочки сферической формы, скреплённой сетью или системой строп с гондолой имевшей шаровидную форму. Сферическая герметичная гондола первого советского С. «СССР-1», совершившего полёт 30 сентября 1933, была создана в Центральном аэрогидродинамическом институте под руководством В. А. Чижевского. Конструкция её послужила основой для разработки герметичных корпусов многих воздухоплавательных аппаратов. Оболочка изготавливалась из прорезиненной хлопчатобумажной ткани. Наружная поверхность была окрашена в жёлтый цвет или имела алюминиевое покрытие. Применялись также С., имевшие так называемый носитель, состоявший из гирлянды резиновых оболочек, растягивающихся в процессе подъёма, или группы оболочек из нерастяжимых плёнок.

Подъём С. осуществлялся в результате преобладания подъёмной силы над его весом (см. Аэростатика, Всплывная сила). Выше зоны равновесия подъём мог проводиться благодаря сбросу балласта (песка или дроби). На максимальной высоте подъёма температура газа в матерчатых оболочках на 55—70°С превышала температуру окружающего воздуха. Спуск этих С. начинался после выпуска части газа через клапан или вечером после захода солнца, когда подъёмный газ постепенно охлаждался до температуры воздуха или ниже её. Это требовало для уравновешивания аэростата сбрасывать большое количество балласта, вес которого достигал 22—25% подъёмной силы С. на максимальной высоте подъёма. Уравновешенный аэростат плавно спускался на землю с помощью гайдропа. При этом оболочка отъединялась от гондолы, а газ из оболочки выпускался через разрывное устройство. Применялся вариант спуска, проходившего вначале на оболочке, а после её отъединения на парашюте. Для уменьшения массы посадочного балласта разрабатывались С. принимавшие при спуске форму парашюта. Оболочки С., изготовленные из прорезиненных тканей, могли использоваться несколько раз. Старты С. в СССР проводились с открытых площадок, что требовало почти штилевых условий и скорости ветра не более 2 м/с. Старт американских С. объёмом 105 тыс. м 3 проводился из каньона.

С конца 50-х гг. стали применяться С., имевшие плёночные оболочки одноразового применения. Конструкция этих оболочек аналогична конструкции оболочек дрейфующих автоматических аэростатов. Оболочки имеют клапан с электроприводом для регулирования скорости взлёта и для спуска С. Открытие клапана проводится по команде из гондолы. Благодаря прозрачности плёночных оболочек их разогрев не превышает 10—15°C, что позволяет иметь значительно меньший вес посадочного балласта и даже совсем не иметь такого балласта при спуске гондолы на парашюте. Старт С. с плёночными оболочками, объём которых на земле составляет 1—3% их объёма на максимальной высоте подъёма, проводится со стартовых площадок с применением устройств, уменьшающих их высоту и парусность, или с морских судов, идущих по ветру со скоростью ветра.

Наряду с полётами ВСА с экипажем проводятся кратковременные полёты автоматически управляемых ВСА для подъёма астростанций и другой сложной исследовательской аппаратуры на высоту от 20 до 50 км и более. 27 октября 1972 в США на высоту 52 км был поднят С. объёмом 1,36 млн. м 3 с аппаратурой массой 113 кг. В СССР с 1966 регулярно использовалась автоматическая астрономическая станция «Сатурн» с телескопом-рефлектором, имеющим диаметр главного зеркала 1 м. Подъём астростанции проводился на плёночной оболочке объёмом 107 тыс. м 3 на высоту 20 км (масса груза около 6 т).

Наибольшее число полётов С. с экипажем в стратосферу было совершено в 30-х гг. Сведения о некоторых из них приведены в таблице. См. рис. к статье Аэростат.

Таблица. Данные о полётах стратостатов.

Источник

СТРАТОСТАТ

(от страто(сфера) и (аэро)стат) — свободный аэростат большого объёма для подъёма в стратосферу экипажа и аппаратуры для научных исследований, а также для проведения рекордных подъёмов, прыжков с парашютом, испытаний оборудования, астрономических наблюдений и т.п. С конца 50-х гг. наряду с термином «стратостат» применяется термин «высотный свободный аэростат для полёта с людьми». Полёт с экипажем может проводиться в герметичной или открытой гондоле. Высотный свободный аэростат (ВСА) для полётов с экипажем является разновидностью ВСА кратковременных полётов с исследовательской аппаратурой, которые могут подниматься как с экипажем, так и в автоматическом режиме (см. Дрейфующий аэростат). Свободный аэростат с открытой гондолой используемый для подъёма на высоты 7—12 км, называют субстратостатом.
С., применявшиеся в 30-х гг., имели объём до 105 тысяч м3 и поднимались с экипажем 2—3 человека в герметичных гондолах на высоту до 22 км. Эти С. состояли из оболочки сферической формы, скреплённой сетью или системой строп с гондолой имевшей шаровидную форму. Сферическая герметичная гондола первого советского С. «СССР-1», совершившего полёт 30 сентября 1933, была создана в Центральном аэрогидродинамическом институте под руководством В. А. Чижевского. Конструкция её послужила основой для разработки герметичных корпусов многих воздухоплавательных аппаратов. Оболочка изготавливалась из прорезиненной хлопчатобумажной ткани. Наружная поверхность была окрашена в жёлтый цвет или имела алюминиевое покрытие. Применялись также С., имевшие так называемый носитель, состоявший из гирлянды резиновых оболочек, растягивающихся в процессе подъёма, или группы оболочек из нерастяжимых плёнок.
Подъём С. осуществлялся в результате преобладания подъёмной силы над его весом (см. Аэростатика, Всплывная сила). Выше зоны равновесия подъём мог проводиться благодаря сбросу балласта (песка или дроби). На максимальной высоте подъёма температура газа в матерчатых оболочках на 55—70(д)С превышала температуру окружающего воздуха. Спуск этих С. начинался после выпуска части газа через клапан или вечером после захода солнца, когда подъёмный газ постепенно охлаждался до температуры воздуха или ниже её. Это требовало для уравновешивания аэростата сбрасывать большое кол-во балласта, вес которого достигал 22—25% подъёмной силы С. на максимальной высоте подъёма. Уравновешенный аэростат плавно спускался на землю с помощью гайдропа. При этом оболочка отъединялась от гондолы, а газ из оболочки выпускался через разрывное устройство. Применялся вариант спуска, проходившего вначале на оболочке, а после её отъединения на парашюте. Для уменьшения массы посадочного балласта разрабатывались С. принимавшие при спуске форму парашюта. Оболочки С., изготовленные из прорезиненных тканей, могли использоваться несколько раз. Старты С. в СССР проводились с открытых площадок, что требовало почти штилевых условий и скорости ветра не более 2 м/с. Старт американских С. объёмом 105 тысяч м3 проводился из каньона.
С конца 50-х гг. стали применяться С., имевшие плёночные оболочки одноразового применения. Конструкция этих оболочек аналогична конструкции оболочек дрейфующих автоматических аэростатов. Оболочки имеют клапан с электроприводом для регулирования скорости взлёта и для спуска С. Открытие клапана проводится по команде из гондолы. Благодаря прозрачности плёночных оболочек их разогрев не превышает 10—15(°)С, что позволяет иметь значительно меньший вес посадочного балласта и даже совсем не иметь такого балласта при спуске гондолы на парашюте. Старт С. с плёночными оболочками, объём которых на земле составляет 1—3% их объёма на максимальной высоте подъёма, проводится со стартовых площадок с применением устройств, уменьшающих их высоту и парусность, или с морских судов, идущих по ветру со скоростью ветра.
Наибольшей высоты подъёма экипажа на С. достигли американские пилоты М. Росс и В. Прагер 23 мая 1961, поднявшиеся на С. «Стратолаб» с оболочкой объёмом 283,17 тысяч м3 на высоту 34668 м. Старт этого С. состоялся с авианосца. Высота С. перед взлётом достигала 125 м. В СССР 1 ноября 1962 на С. «Волга», имевшем плёночную оболочку объёмом 72,9 тысяч м3, пилоты П. И. Долгов и Е. Н. Андреев совершили полёт на высоту 25458 м с последующим спуском на индивидуальных парашютах.
Наряду с полётами ВСА с экипажем проводятся кратковременные полёты автоматически управляемых ВСА для подъёма астростанций и другой сложной исследовательской аппаратуры на высоту от 20 до 50 км и более. 27 октября 1972 в США на высоту 52 км был поднят С. объёмом 1,36 миллионов м3 с аппаратурой массой 113 кг. В СССР с 1966 регулярно использовалась автоматическая астрономическая станция «Сатурн» с телескопом-рефлектором, имеющим диаметр главного зеркала 1 м. Подъём астростанции проводился на плёночной оболочке объёмом 107 тысяч м3 на высоту 20 км (масса груза около 6 т).
Наибольшее число полётов С. с экипажем в стратосферу было совершено в 30-х гг. Сведения о некоторых из них приведены в таблице.

Таблица — Данные о полётах стратостатов.

Источник

На пути в космос. Стратостаты

Сегодня посмотрим, на чем в 1930-е годы предки впервые оторвались от Земли на расстояние в 20 километров.

Гондола стратостата «СССР-1»: кольчугалюминий, утеплитель из оленьего войлока, амортизатор из ивовых прутьев.

1. Предыстория. Зачем?

Одной из главных научных целей путешествий в стратосферу было измерение интенсивности космических лучей. Наилучшие условия для этого были вдали от поверхности Земли, чем дальше — тем лучше. А поскольку обслуживать тогдашнюю аппаратуру должен был человек, то полеты закономерно должны были стать пилотируемыми.

Параллельно в виду надвигающейся большой войны перед военными забрезжила идея сверхвысотной авиации с невиданными доселе скоростями и вне зоны досягаемости зенитного огня.

Интересы ученых и военных совпали. Помноженные на романтику открытий и стремление к рекордам, эти факторы вылились в краткий бум стратонавтики 1930-х годов.

Игроков в стратосфере было трое: швейцарец Огюст Пиккар, СССР и США. С 1931 по 1935 год эти участники построили с десяток стратостатов и установили шесть мировых рекордов высоты.

2. Устройство гондолы

Поскольку давление в стратосфере крайне низкое, то человеку там необходима герметичная капсула или скафандр. В 1930-х остановились на первом, более простом, варианте.

К разработке гондол подходили весьма тщательно — например, для кабины рекордного стратостата «СССР-1» сделали полноразмерный деревянный макет, отработали на нем компоновочные решения, выполнили гондолу в металле, испытали ее давлением и лишь после этого допустили к полету.

Гондолы первых советских стратостатов оснащались амортизационным устройством из ивовых прутьев, размещавшимся под кабиной (см. первый снимок).

При скорости более 5 м/с «корзина» должна была сломаться, поглотив энергию удара.

У первого «настоящего» стратостата «FNRS-1» Огюста Пиккара амортизаторы были только, так сказать, персональные:

Американцы ушли не дальше — команда Explorer II была экипирована лишь шлемами для американского же футбола.

Углекислый газ в гондоле поглощался патронами с гидроксидом натрия (едким натром), кислород добавлялся вручную из баллонов с жидким или газообразным О2.

Влажность воздуха в гондолах часто никак не регулировалась, быстро достигала 100% и выпадала в виде росы или инея на стенках. В одном из полетов советские стратонавты едва успели закончить замеры параметров до того, как реки конденсата смыли риски на шкалах приборов, сделанные тушью. Позже появились сорбенты-поглотители влаги. Была интересная идея с осушением воздуха путем его охлаждения до выпадения конденсата, но опробована она, насколько мне известна, не была.

Гондола FNRS-1 была оригинальней всех:

С одной стороны ее покрасили в белый, а с другой — в черный цвет. По замыслу создателя, поворот сферы той или иной стороной к Солнцу должен был регулировать температуру в гондоле.

4 — пропеллер для вращения гондолы.
На практике устройство не заработало, солнце светило с «черной» стороны и внутренняя температура в первом полете Пиккара поднялась до +38.
В следующем полете вентилятор сняли, а всю капсулу покрыли серебрянкой. Внутри стало минус 16.

Американские конструкторы сделали то же, но по своему:

Предполагалось, что верхняя половина сферы будет отражать солнечное излучение, а нижняя — поглощать тепло от Земли. Идея сработала лучше предыдущей, но тоже не блестяще: во время полетов в гондоле были бодрые +5 градусов.

Советские стратонавты просто теплоизолировали металлические гондолы, обтягивали их материей и красили в серый или голубой цвет. Как показала практика, такое решение оказалось самым удачным.

Проблему герметизации веревки управления маневренным клапаном на выходе из гондолы конструктор FNRS-1 Пиккар решил, пропустив клапанную веревку через U-образную трубку, заполненную ртутью. Ртуть своим весом компенсировала разницу давлений и являлась жидким уплотнителем, не препятствуя прохождению клапанной веревки.
Вид сверху на внутренность гондолы; в верхней части снимка видна U-образная трубка:

(это снимок «Осоавиахима-1», на котором U-трубку «срисовали» с FNRS-1)

Приборы для взятия проб воздуха размещались снаружи кабины. Так, на стропах «СССР-1» подвешены стеклянные сосуды, из которых откачан воздух. По сигналу из кабины электромагнит отпускал грузик, тот отбивал конец горлышка, и воздух из стратосферы поступал в сосуд. При последующей подаче тока разогревалась платиновая проволока и запаивала горлышко обратно.

(«СССР-1» строился под эгидой ВВС РККА — вспоминаем про интерес армии — поэтому стартовая команда состоит из красноармейцев).

США. Explorer. И тут военные:

3. Водород и балласт

Теория и практика воздухоплавания гласили: снижение аэростата с предельной высоты происходит со все возрастающей скоростью. Балласта брали много — до 30% от подъемной силы — и во время спуска сбрасывали, чтобы скорость не стала слишком большой.

О важности балласта говорит тот факт, что «Осоавиахим-1» во время рекордного подъема на 22 км сохранил так мало балласта, что спуститься благополучно шансов уже не имел, в связи с чем и разбился (см. Документы о катастрофе стратостата «Осоавиахим-1»).

Однако гондола стратостата — это не корзина воздушного шара, она герметична. В экстренных случаях экипаж мог выкинуть малоценное оборудование типа кислородных баллонов и аккумуляторов или выброситься с парашютами, но это возможно уже на относительно небольшой высоте, когда можно открыть люки. Для сброса балласта на высоте нужно было техническое решение.

На FNRS-1 и «Осоавиахиме-1» весовая нагрузка в виде свинцовой дроби находился внутри гондолы. При необходимости пилот совком зачерпывал дробь, насыпал в приемную воронку, закрывал верхний кран, открывал нижний — дробь высыпалась, оставляя гондолу герметичной.

9 — устройство сброса балласта

У стратостата «СССР-1» дробь в мешках находилась под гондолой, внутри уже знакомого нам амортизатора.

Мешки удерживались штырьками; стратонавт крутил рукоятку (на рисунке поз.22), трос наматывался на барабан и последовательно выдергивал штырьки. Мешки, будучи привязанным к амортизационной корзине за нижний конец, опрокидывались, высыпая дробь через свой верхний конец. Таким образом, устранялись несчастные случаи, которые могли бы произойти, если бы дробь падала мешками. Длина троса была подобрана таким образом, чтобы при одном полуобороте вала вытаскивался один штырек. Если пилот хотел сбросить, скажем, три мешка балласта, он должен был прокрутить ручку на 1,5 оборота.

Вся тонна балласта могла быть сброшена за минуту, посему такая схема считалась более продвинутой.

Чтобы дать пилоту возможность контролировать запас балласта, у двух окон гондолы «СССР-1» снаружи были укреплены два зеркала, при помощи которых пилот видел подвешенные под капсулой мешки.
Внутри гондолы. Видны: рукоятка сброса балласта, кислородные баллоны, откинутая аварийная заглушка на иллюминаторе:

Для сравнения внутренности «американца»:

Американцы мешки с балластом и аккумуляторы подвешивали снаружи гондолы, но сбрасывали также изнутри, выдергивая соответствующие штырьки.

Собственно, сброс балласта и открытие выпускного клапана в верху оболочки — это все инструменты управления стратостатом. Хотим вверх — сбрасываем балласт, вниз — выпускаем газ из оболочки.
Выпускной клапан:

Клапан открывался путем дерганья за соответствующую веревку в гондоле.

Непосредственно при посадке стратонавты тянули другую веревку, помеченную красным лоскутком — веревку разрывного полотна. При приземлении этот большой кусок ткани в верху оболочки позволял быстро освободить оболочку от водорода.
Черный кружок — выпускной клапан, черный треугольник — разрывное полотнище.

Иногда разрывное полотнище не срабатывало:

Оболочку изготавливали из прорезиненного хлопка или шелка, в верхней части плотнее, чем в нижней. Здесь хорошо видно:

Пуски стратостатов переносились так же часто, как через 50 лет будут переносится старты «шаттлов».

Погоду ждали месяцами. Высота рекордных стратостатов составляла более сотни метров, и для старта нужен был штиль, ибо в противном случае ветер сносил наполняющуюся оболочку. В частности, поэтому американцы запускали свои аппараты из каньона, а много позже — с палубы авианосца, который мог своим ходом скомпенсировать ветер.

По той же причине нижнюю часть огромной оболочки стратостата «СССР-3» при старте подвязали к верхней, уменьшив его высоту. После подъема на несколько сот метров «скрепы» отпустили, но нижняя часть оболочки задела веревку разрывного полотнища, оно открылось, и стратостат рухнул с высоты 700-800 м:

Так же, как ветер, недопустим был и туман. «СССР-1» при первом старте 23 сентября 1933 года набрал на оболочку полтонны влаги и просто не смог взлететь — водород стравили, запуск перенесли.

Обычно старт происходил в теплый сезон, рано утром. Ночью оболочку заполняли газом через главный аппендикс (рукав), который потом завязывался. Дополнительные аппендиксы, через которые внутрь оболочки проходили веревки клапана и разрывного полотнища, оставались открытыми: через них внутренность оболочки свободно сообщалась с атмосферой.

Заправка Explorer’а:

Тут тоже были нюансы. Заполнение «СССР-2»:

На центральном московском аэродроме разложена гигантская оболочка, вокруг 1000 баллонов со сжатым водородом. Дается команда, баллоны открываются, и водород по шлангам сначала небольшого диаметра, затем соединяющимся и увеличивающимся, пошел в патрубок диаметром больше полуметра, соединенный с оболочкой. Оболочка начала приподниматься, пухнуть. Она растет на глазах все выше и выше… Уже верхний купол на высоте примерно 100 м. А заполнение продолжается, часть оболочки еще лежит на земле, вздувается горбом, водород образует эти горбы и с шумом прорывается кверху. И вдруг… при одном таком прорыве внутри оболочки раздался глухой грохот, вверху показались языки пламени. Все бросились врассыпную. А оболочка с пламенем вверху медленно опускается на землю. Команда — «закрыть баллоны», начали обрезать шланги. Паника улеглась. Оболочка догорела до земли, образовался большой выжженный круг, и все погасло.
Потом выяснилось — рабочие завода «Каучук», готовившие оболочку, не могли ходить по ней босиком, она «кололась», масса шелковой прорезиненной ткани при шевелении заряжалась электричеством.

Водород вообще из-за своей взрывоопасности доставлял массу проблем. Только один из рекордных стратостатов — американский «Explorer II» летел на гелии.

Параллельно с заполнением оболочки взвешивали гондолу, пломбировали метеоприборы и запускали радиозонды-разведчики погоды, если таковые имелись.

Предстартовый осмотр оболочки «СССР-1» с шаров-прыгунов:

Когда подавалась команда «Тишина на старте!», к верхушке оболочки поднимался «прыгун», стратонавты тянули веревку выпускного клапана, и «прыгун» на слух убеждался, что клапан открылся.

Как видно, оболочка заправлялась водородом далеко не полностью. Поскольку на высоте 20 км плотность воздуха составляет 0,09 кг/куб.м против 1,2 кг/куб.м на уровне моря, то и объем оболочки с подъемом увеличивался во 10. 15 раз:

20 километров — это как раз та высота, вокруг которой шла борьба рекордов. Положение на 1934 год (финальную точку здесь поставил Explorer II с результатом 22066 м):

В черной рамке — погибшие Федосеенко, Васенко и Усыскин с «Осоавиахима-1».

Вообще стратостаты падали разнообразно и регулярно, особенно, к сожалению, советские. Так «садился» Explorer I (разрыв оболочки):

По той же причине, но не столь стремительно, упал и советский «СССР-1-бис». И в том, и в другом случае люди спаслись, выбросившись с парашютами, но в целом стратосфера взяла человеческих жизней, пожалуй, больше, чем космос.

После Второй мировой стратостаты использовали для испытаний космических скафандров и систем спасения, с них пытались запускать ракеты, применяли для шпионажа и наблюдений за космосом, а завтра из стратосферы обещают раздавать интернет.

а) FAQ: Почему каждый стратостат имеет свой «потолок»? В какое время года лучше летать в стратосферу? Для чего при спуске стратостата обычно выпускают длинную веревку (гайдроп), которая волочится по земле? и т.д. — Прянишников В.И. «Занимательное мироведение в вопросах и ответах» (1939).

б) Кинохронику можно увидеть в фильмах про Осоавиахим-1 и про Explorer II.

г) Последний по времени, кхм, пилотируемый полет на стратостате — проект «Хвост» с мышенавтом на борту.

Источник