Стратонавтика

Стратонавтика — раздел воздухоплавания, связанный с полётами в стратосферу (от 11 до 50 км над уровнем моря), как правило, с использованием стратостатов — аэростатов, способных подниматься на высоты, недоступные для обычных метеорологических и пилотируемых аэростатов, работающих в тропосфере. Основными задачами стратонавтики являются научные исследования верхних слоёв атмосферы, изучение космических лучей, аэрологии, а также испытание высотного оборудования и средств жизнеобеспечения.

История

Ранние попытки и первые полёты

Первые проекты достижения больших высот с помощью аэростатов относятся к концу XIX века. В 1894 году немецкий метеоролог Рихард Асманн совершил полёт на воздушном шаре до высоты 9150 м, однако систематические исследования стратосферы начались лишь в XX веке. В 1901 году берлинский профессор Артур Берсон и Рейнхард Зюринг достигли высоты 10 800 м, но оба погибли при спуске из-за нехватки кислорода.

Первым официальным полётом в стратосферу считается подъём швейцарского физика Огюста Пикара 27 мая 1931 года. На аэростате собственной конструкции с герметичной гондолой он достиг высоты 15 781 м. Пикар использовал гондолу сферической формы, способную выдерживать перепад давления, и систему регенерации воздуха. Второй полёт Пикара в 1932 году достиг высоты 16 201 м.

Советские стратонавты

В СССР активное развитие стратонавтики началось в 1930-х годах. 30 сентября 1933 года состоялся полёт стратостата «СССР-1» с экипажем в составе Георгия Прокофьева, Константина Годунова и Эрнста Бирнбаума. Аппарат достиг высоты 18 501 м, установив мировой рекорд. В 1934 году был совершён полёт стратостата «Осоавиахим-1» с экипажем Павла Федосеенко, Андрея Васенко и Ильи Усыскина. Аппарат поднялся на высоту 22 000 м, но при спуске потерпел катастрофу — все трое погибли. Эта трагедия привела к временному замораживанию пилотируемых стратосферных полётов в СССР.

После войны, в 1950-х годах, советские стратонавты продолжили исследования. В 1957 году был запущен стратостат «Волга» с экипажем, достигший высоты 21 500 м. В 1960-х годах полёты стратостатов использовались для отработки систем спасения космонавтов и испытания парашютных систем.

Международные достижения

В 1960 году американский стратонавт Джозеф Киттингер в рамках проекта «Excelsior» совершил прыжок с высоты 31 333 м, установив рекорд высоты прыжка с парашютом. В 2012 году австрийский парашютист Феликс Баумгартнер в рамках проекта «Red Bull Stratos» поднялся на стратостате до высоты 38 969 м и совершил прыжок, преодолев звуковой барьер. В 2014 году американский вице-президент Google Алан Юстас установил рекорд высоты полёта на стратостате — 41 419 м.

Технические аспекты

Конструкция стратостатов

Стратостаты, в отличие от обычных аэростатов, имеют герметичную гондолу, способную выдерживать перепад давления между внутренним пространством (обычно атмосферное давление на уровне моря или пониженное) и внешней средой. Гондолы изготавливаются из алюминиевых сплавов, стали или композитных материалов. Оболочка стратостата изготавливается из тонких полимерных плёнок (полиэтилен, полиуретан) или прорезиненной ткани, способных выдерживать низкие температуры (до -60 °C) и ультрафиолетовое излучение.

Системы жизнеобеспечения

Для полётов на высотах более 12 км обязательно использование герметичных гондол или скафандров. В герметичных гондолах поддерживается давление, близкое к атмосферному на уровне моря, или пониженное (до 0,5 атм) для снижения нагрузки на конструкцию. Системы регенерации воздуха удаляют углекислый газ и добавляют кислород. В современных стратостатах используются системы поглощения CO₂ с помощью гидроксида лития или цеолитов.

Навигация и управление

Управление стратостатом осуществляется за счёт изменения температуры газа в оболочке (нагревание солнечным излучением или охлаждение) и сброса балласта. Вертикальное перемещение контролируется выпуском газа через клапан или сбросом балласта (песок, свинцовая дробь). Горизонтальное перемещение определяется ветрами в стратосфере, поэтому полёты планируются с учётом прогнозов атмосферной циркуляции.

Научное значение

Стратонавтика сыграла ключевую роль в изучении космических лучей, которые были открыты Виктором Гессом в 1912 году именно при полётах на аэростатах. В стратосфере регистрируются первичные космические лучи, которые не достигают поверхности Земли из-за поглощения атмосферой. Исследования на стратостатах позволили изучить состав и энергетический спектр космических лучей, а также открыть позитроны (Карл Андерсон, 1932).

Кроме того, стратостаты используются для:

• Метеорологических исследований (измерение температуры, давления, влажности, скорости ветра на высотах до 40 км);
• Астрономических наблюдений (стратосферные обсерватории, такие как проект «Стратосферная обсерватория инфракрасной астрономии» (SOFIA), работавшая на самолёте, но также использовались стратостаты);
• Испытаний космической техники (отработка систем спасения, парашютов, теплозащиты);
• Мониторинга окружающей среды (измерение содержания озона, аэрозолей, парниковых газов).

Современное состояние

В XXI веке стратонавтика переживает возрождение благодаря развитию лёгких материалов, систем связи и автоматизации. Беспилотные стратостаты используются для:

• Разведки и связи (проекты Google Loon, Facebook Aquila — последний признан неэффективным и закрыт);
• Научных исследований (NASA, ESA, Роскосмос запускают стратостаты для изучения атмосферы Венеры и Марса);
• Коммерческих полётов (компании World View, Space Perspective планируют организовывать туристические полёты в стратосферу на высоту 30–35 км).

Пилотируемые полёты в стратосферу остаются редкими из-за высокой стоимости и рисков. Однако частные инициативы, такие как проект «Стратонавт» (Россия), предполагают создание серийных стратостатов для научных и образовательных целей.

Безопасность и риски

Основные опасности стратонавтики:

• Разгерметизация гондолы на высоте (приводит к быстрой гибели от гипоксии и декомпрессионной болезни);
• Обледенение оболочки и клапанов;
• Неуправляемый спуск при отказе систем сброса балласта;
• Столкновение с воздушными судами (в стратосфере движение авиации минимально, но риск существует).

Для снижения рисков используются дублирующие системы жизнеобеспечения, парашютные системы спасения гондолы и экипажа, а также строгие метеорологические прогнозы.

Интересные факты

• Рекорд высоты полёта на стратостате среди женщин принадлежит американке Дженнифер Мюррей (2013 год, 22 000 м).
• В 1934 году советский стратостат «Осоавиахим-1» (запрещённая в РФ организация, признанная экстремистской) — название происходит от Общества содействия обороне, авиационному и химическому строительству, которое в 1948 году было преобразовано в ДОСААФ. Полёт завершился катастрофой из-за разрушения оболочки.
• Стратостаты используются для запуска малых спутников (CubeSat) с высоты 30–40 км, что снижает затраты на вывод на орбиту.
• В 2019 году российская компания «Стратонавтика» (ООО «Стратонавтика») запустила стратостат с макетом космического аппарата для испытаний систем связи.

Источники

• «История воздухоплавания и авиации в СССР» (Москва, 1986)
• «Стратонавтика: от первых полётов до современных проектов» (журнал «Наука и жизнь», № 5, 2020)
• «Энциклопедия авиации» (под ред. Г. И. Степанова, 2004)
• NASA Technical Reports: «Stratospheric Ballooning: Past, Present, and Future» (2018)
• «Red Bull Stratos: Mission to the Edge of Space» (2013)