Аэростат: устройство, виды и применение¶

Аэростат — летательный аппарат легче воздуха,原理 подъёмной силы которого основан на архимедовой силе, действующей на заполненную газом оболочку. В отличие от самолётов и вертолётов, аэростат не использует аэродинамическую подъёмную силу крыла, а «плавает» в атмосфере, поскольку средняя плотность аппарата меньше плотности окружающего воздуха. Термин происходит от греческих слов ἀήρ («воздух») и στατός («стоящий, неподвижный»). К классу аэростатов относятся свободные воздушные шары, привязные аэростаты и дирижабли, хотя в узком смысле под аэростатом часто понимают именно неуправляемый или слабоуправляемый аппарат без двигателя.

¶Физические принципы и устройство

Подъёмная сила аэростата определяется законом Архимеда: на тело, погружённое в газ, действует выталкивающая сила, равная весу вытесненного газа. Для создания этой силы оболочку аэростата заполняют газом с плотностью меньшей, чем плотность атмосферного воздуха. На практике используются два основных способа:

• Горячий воздух — плотность воздуха внутри оболочки снижается за счёт его нагрева горелкой, работающей на пропане или природном газе. Это наиболее распространённая технология для пилотируемых развлекательных и спортивных полётов.
• Лёгкие газы — оболочку заполняют водородом или гелием. Водород обладает наибольшей подъёмной силой, но взрывоопасен, поэтому в современной практике для пилотируемых полётов применяется в основном негорючий гелий.

Основные элементы конструкции классического теплового аэростата включают: оболочку из прочной лёгкой ткани (обычно полиэстер или нейлон) с газонепроницаемым покрытием, корзину (гондолу) для экипажа и пассажиров, систему горелок с топливными баллонами, а также клапан для выпуска горячего воздуха при снижении. Управление полётом теплового аэростата ограничено: пилот может регулировать вертикальную скорость (нагрев или остывание воздуха), но горизонтальное перемещение происходит по воле ветра. Для изменения направления на разных высотах пилот использует разницу в направлении воздушных течений.

¶Классификация

Аэростаты классифицируются по нескольким признакам.

По способу создания подъёмной силы различают тепловые аэростаты (монгольфьеры) и газовые (шарльеры). Существуют также комбинированные типы — розьеры, использующие одновременно и лёгкий газ, и подогрев воздуха в отдельных секциях оболочки.

По наличию управления и двигателя выделяют:

• Свободные аэростаты — неуправляемые аппараты, дрейфующие по ветру. К ним относятся как шары для полётов людей, так и многочисленные метеорологические и исследовательские зонды.
• Привязные аэростаты — удерживаются на тросах с наземной станции или корабля. Используются для наблюдения, связи, рекламы и в военных целях.
• Дирижабли — управляемые аэростаты с собственными двигателями и рулями, способные двигаться независимо от направления ветра. Некоторые классификации выделяют дирижабли в отдельный класс летательных аппаратов, хотя физически они остаются разновидностью аэростатов.

По назначению аэростаты делятся на пилотируемые (пассажирские, спортивные, научные) и беспилотные (автоматические метеозонды, стратостаты, аэростаты наблюдения).

¶История

Первые документально подтверждённые полёты людей на аэростатах состоялись во Франции в 1783 году. 4 июня братья Жозеф-Мишель и Жак-Этьенн Монгольфье публично продемонстрировали в Анноне шар, наполненный горячим дымом, а 21 ноября того же года Пилатр де Розье и маркиз д’Арланд совершили первый в истории свободный полёт людей на монгольфьере над Парижем. Уже 1 декабря 1783 года Жак Шарль и Никола Робер поднялись в воздух на шарльере, заполненном водородом, продемонстрировав преимущества газового наполнения для длительных полётов.

В XIX веке аэростаты активно использовались для научных исследований атмосферы, военной разведки (впервые масштабно — во время Французских революционных войн и Гражданской войны в США) и почтовых сообщений. В 1862 году английские учёные Джеймс Глейшер и Генри Коксвелл на газовом аэростате достигли высоты около 11 километров, едва не погибнув от кислородного голодания.

Развитие дирижаблей в конце XIX — начале XX века связано с именами Фердинанда фон Цеппелина в Германии и Альберто Сантос-Дюмона во Франции. Однако после серии катастроф, самой известной из которых стало крушение «Гинденбурга» в 1937 году, эпоха пассажирских дирижаблей завершилась.

В России и СССР аэростаты применялись для научных целей: в 1933 году стратостат «СССР-1» достиг высоты 19 километров. Во время Великой Отечественной войны аэростаты воздушного заграждения использовались для защиты Москвы и Ленинграда от налётов авиации. Современный этап развития начался в 1960-е годы с возрождения интереса к тепловым аэростатам как к спортивному снаряду.

¶Применение

Сегодня аэростаты находят применение в нескольких сферах.

Метеорология и наука. Радиозонды, запускаемые ежедневно с сотен метеостанций по всему миру, поднимают измерительную аппаратуру на высоту 30–40 километров, передавая данные о температуре, давлении, влажности и ветре. Стратостаты используются для астрономических наблюдений и изучения космических лучей, позволяя поднимать телескопы выше основной части атмосферы.

Военное дело. Привязные аэростаты применяются для радиолокационного наблюдения, ретрансляции связи и разведки. Они способны длительное время находиться в воздухе на высоте нескольких километров, обеспечивая обзор на десятки километров вокруг. Подобные системы используются пограничными службами для контроля государственных границ.

Спорт и развлечения. Пилотируемые тепловые аэростаты — популярный вид спортивного туризма. Проводятся чемпионаты мира и национальные первенства по воздухоплавательному спорту, в которых участники соревнуются в точности приземления, дальности и продолжительности полёта. Коммерческие полёты на воздушных шарах предлагаются туристам во многих регионах мира.

Реклама и наблюдение. Привязные аэростаты с рекламными носителями или осветительным оборудованием используются на массовых мероприятиях. В сельском хозяйстве и геодезии применяются беспилотные аэростаты для аэрофотосъёмки, мониторинга посевов и поиска полезных ископаемых, поскольку они позволяют вести наблюдение с меньшими затратами, чем самолёты или мультикоптеры.

¶Рекорды и особенности

Наибольшая высота, достигнутая пилотируемым аэростатом, составляет 39 068 метров — этот рекорд установили Феликс Баумгартнер (2012 год) и Алан Юстас (2014 год) в рамках прыжков со стратосферных аэростатов. Максимальная дальность беспосадочного полёта свободного аэростата превышает 8 тысяч километров. Продолжительность полёта на тепловом аэростате ограничена запасом топлива для горелок и обычно составляет 2–4 часа, тогда как газовые аэростаты способны находиться в воздухе несколько суток.

Аэростаты остаются единственным классом летательных аппаратов, способных совершать полностью бесшумный и экологически чистый полёт без расхода топлива (в случае газовых моделей). Однако их существенным недостатком является зависимость от погодных условий: полёты невозможны при сильном ветре, осадках и грозовой активности.

¶Источники

• Большая российская энциклопедия, статья «Аэростат».
• Энциклопедия «Авиация», под редакцией Г. П. Свищёва, 1994.
• Crouch, T. D. «Lighter Than Air: An Illustrated History of Balloons and Airships», 2009.
• Материалы ФАИ (Fédération Aéronautique Internationale) о рекордах воздухоплавания.