Воздухоплавание

Воздухоплавание — это совокупность технических дисциплин и видов деятельности, связанных с перемещением в атмосфере Земли на летательных аппаратах, которые легче воздуха (аэростатах). В отличие от авиации, где подъёмная сила создаётся за счёт взаимодействия крыла с набегающим потоком воздуха, в воздухоплавании используется архимедова сила (закон Архимеда), действующая на заполненный газом с меньшей плотностью, чем окружающий воздух. Ключевыми характеристиками воздухоплавания являются использование газов (водород, гелий, тёплый воздух) для создания подъёмной силы и возможность длительного нахождения в воздухе без затрат энергии на поддержание высоты.

История

Ранние попытки и изобретение

Идея полёта на аппаратах легче воздуха восходит к древним легендам (например, о ковре-самолёте). Первые научно обоснованные проекты появились в XVIII веке. В 1783 году братья Жозеф-Мишель и Жак-Этьенн Монгольфье во Франции создали первый в истории аэростат, наполненный горячим воздухом. 4 июня 1783 года в Анноне состоялся публичный запуск беспилотного шара. 19 сентября того же года в Версале был запущен шар с овцой, петухом и уткой на борту. 21 ноября 1783 года состоялся первый полёт человека на монгольфьере (аппарате с горячим воздухом) — пилотами стали Жан-Франсуа Пилатр де Розье и маркиз д’Арланд. В том же году, 1 декабря, физик Жак Шарль запустил первый шар, наполненный водородом (шарльер), который был более лёгким и позволял совершать более продолжительные полёты.

XIX век: развитие и применение

В XIX веке воздухоплавание активно развивалось. В 1852 году француз Анри Жиффар построил первый дирижабль — управляемый аэростат с паровым двигателем. Дирижабли позволяли перемещаться против ветра, что стало важным шагом вперёд. В 1890-х годах немецкий граф Фердинанд фон Цеппелин начал разработку жёстких дирижаблей с металлическим каркасом. Первый полёт дирижабля LZ-1 состоялся в 1900 году. В России воздухоплавание развивалось с конца XIX века: в 1885 году была создана первая воздухоплавательная часть, в 1890-х годах проводились эксперименты с аэростатами. В 1904 году в Санкт-Петербурге была открыта Воздухоплавательная школа.

Первая половина XX века: эра дирижаблей

Начало XX века стало «золотым веком» дирижаблей. В 1910-х годах дирижабли активно использовались в Первой мировой войне для разведки и бомбардировок. После войны развитие продолжилось: в 1920-х — 1930-х годах строились гигантские дирижабли, такие как немецкий «Гинденбург» (LZ-129) и американский «Акрон». «Гинденбург» совершал трансатлантические рейсы, перевозя пассажиров. Однако 6 мая 1937 года он потерпел катастрофу при посадке в Лейкхерсте (США), что привело к гибели 36 человек и резкому спаду интереса к дирижаблям. Катастрофа была связана с возгоранием водорода, которым был заполнен аппарат. После этого использование водорода в пассажирских дирижаблях было практически прекращено.

Вторая половина XX века и современность

После Второй мировой войны воздухоплавание уступило место авиации, но не исчезло полностью. Дирижабли продолжали использоваться в военных целях (например, для противолодочной обороны) и в научных исследованиях. В 1960-х годах началось возрождение воздухоплавания на тепловых аэростатах (монгольфьерах) как спортивного и развлекательного направления. В 1970-х годах компания Goodyear возобновила производство дирижаблей для рекламы. В XXI веке интерес к дирижаблям вернулся в связи с развитием технологий и поиском экологически чистых видов транспорта. В России, в частности, разрабатываются проекты грузовых дирижаблей (например, «Атлант»).

Классификация

Воздухоплавательные аппараты делятся на несколько типов по способу создания подъёмной силы и конструкции.

По способу создания подъёмной силы

• Тепловые аэростаты (монгольфьеры) — подъёмная сила создаётся за счёт нагрева воздуха внутри оболочки. Нагрев осуществляется газовой горелкой. Температура внутри оболочки может достигать 100–120 °C. Преимущество — простота и безопасность (воздух не взрывоопасен). Недостаток — ограниченная продолжительность полёта (зависит от запаса топлива).
• Газовые аэростаты (шарльеры) — подъёмная сила создаётся за счёт заполнения оболочки газом, который легче воздуха (водород или гелий). Водород дешевле, но взрывоопасен; гелий инертен, но дорог. Продолжительность полёта может достигать нескольких суток.
• Комбинированные аэростаты (розьеры) — сочетают в себе тепловую и газовую секции. Используются для сверхдальних полётов (например, кругосветные перелёты).

По конструкции

• Свободные аэростаты — не имеют двигателя и движутся по воле ветра. Используются в спорте, науке и развлечениях.
• Привязные аэростаты — удерживаются на тросе, могут подниматься на фиксированную высоту. Применяются для наблюдения, ретрансляции сигналов, в качестве рекламных носителей.
• Дирижабли — управляемые аэростаты с двигателями и рулями. Делятся на три типа:
• Мягкие (бескаркасные) — оболочка удерживает форму за счёт избыточного давления газа. Пример — дирижабли типа «Гудиер».
• Полужёсткие — имеют частичный каркас (обычно в нижней части), который поддерживает форму. Пример — итальянские дирижабли «Норвегия» и «Италия».
• Жёсткие — имеют металлический каркас, обтянутый тканью. Внутри каркаса размещены газовые баллоны. Пример — дирижабли Цеппелина.

Устройство и принцип действия

Основой любого воздухоплавательного аппарата является оболочка — герметичная ёмкость, заполненная газом с меньшей плотностью, чем окружающий воздух. Оболочка изготавливается из лёгких, прочных и газонепроницаемых материалов (например, полиэстер, нейлон, латекс). Для тепловых аэростатов оболочка делается из термостойкой ткани. В нижней части оболочки находится отверстие (горловина), через которое подаётся горячий воздух или газ.

Подъёмная сила (архимедова сила) рассчитывается по закону Архимеда: F = ρ g V, где ρ — плотность окружающего воздуха, g — ускорение свободного падения, V — объём вытесненного воздуха. Для обеспечения подъёма плотность газа внутри оболочки должна быть меньше плотности воздуха. Например, гелий имеет плотность около 0,18 кг/м³, воздух — около 1,2 кг/м³, что даёт разницу в 1,02 кг/м³. Таким образом, для подъёма груза массой 1 тонна требуется объём около 980 м³.

Управление высотой осуществляется сбросом балласта (для подъёма) или выпуском газа (для снижения). В тепловых аэростатах высота регулируется изменением температуры воздуха: включение горелки увеличивает подъёмную силу, выключение — уменьшает. В дирижаблях для управления используются двигатели и рули направления.

Применение

Спорт и развлечения

Воздухоплавание является популярным видом спорта. Проводятся соревнования по полётам на тепловых аэростатах (например, чемпионаты мира и Европы). Полёты на воздушных шарах также используются как туристическая услуга. В России популярны фестивали воздухоплавания, такие как «Небесная ярмарка» в Кунгуре (Пермский край) и «Золотое кольцо России» в Ярославле.

Научные исследования

Аэростаты используются для изучения атмосферы, метеорологии, астрономии. Они позволяют поднимать научное оборудование на высоты до 40–50 км (стратостаты). Например, в 2012 году Феликс Баумгартнер совершил прыжок с парашютом из стратосферы с высоты 39 км, поднявшись на гелиевом аэростате. В России стратостаты использовались для исследований в 1930-х годах (полёты «Осоавиахим-1» и «СССР-1»).

Военное дело

Дирижабли и аэростаты применяются в военных целях: для разведки, наблюдения, ретрансляции связи, противолодочной обороны. В США в 2010-х годах разрабатывалась система аэростатов для обнаружения гиперзвуковых ракет. В России используются привязные аэростаты для наблюдения и связи.

Грузовые и пассажирские перевозки

В XXI веке возрождается интерес к дирижаблям как к экологически чистому и экономичному виду транспорта. Они могут перевозить тяжёлые и крупногабаритные грузы на большие расстояния без необходимости в аэродромах. В России разрабатывается проект грузового дирижабля «Атлант» грузоподъёмностью до 60 тонн.

Интересные факты

• Самый большой дирижабль в истории — «Гинденбург» (LZ-129), длина 245 м, объём 200 000 м³. Он мог перевозить 50 пассажиров.
• Рекорд дальности полёта на тепловом аэростате принадлежит американцу Стиву Фоссетту — в 2002 году он совершил кругосветное путешествие за 13 дней.
• В России в 1930-х годах был построен дирижабль «СССР-В6» (Осоавиахим), который установил мировой рекорд продолжительности полёта — 130 часов 27 минут.
• Воздухоплавание считается одним из самых безопасных видов авиации: количество аварий на тепловых аэростатах значительно ниже, чем на самолётах.

Критика и ограничения

Основные недостатки воздухоплавания: низкая скорость (у дирижаблей — до 100–150 км/ч), зависимость от погодных условий (сильный ветер, грозы), высокая стоимость гелия, а также взрывоопасность водорода. Водородные дирижабли, несмотря на дешевизну, практически не используются из-за риска катастроф. Кроме того, дирижабли имеют большую парусность, что затрудняет их эксплуатацию в штормовых условиях.

Источники

• История воздухоплавания: от Монгольфье до Цеппелина. — М.: Наука, 2005.
• Авиация и воздухоплавание: энциклопедия. — М.: Большая российская энциклопедия, 1994.
• Фёдоров В. В. Воздухоплавание в России. — СПб.: Политехника, 2003.
• Доклад о развитии дирижаблестроения в России. — М.: ЦАГИ, 2018.
• Материалы Международной федерации воздухоплавания (FAI).