Высотные воздушные шары или стратостаты обычно представляют собой непилотируемые воздушные шары, обычно заполненные гелием или водородом и выпущенные в стратосферу , обычно достигая высоты от 18 до 37 км (от 11 до 23 миль; от 59 000 до 121 000 футов) над уровнем моря . В 2013 году воздушный шар под названием BS 13-08 достиг рекордной высоты 53,7 км (33,4 мили; 176 000 футов). [1]
Наиболее распространенным типом высотных шаров являются метеозонды . Другие цели включают использование в качестве платформы для экспериментов в верхних слоях атмосферы. Современные шары обычно содержат электронное оборудование, такое как радиопередатчики , камеры или спутниковые навигационные системы, такие как GPS- приемники. Любители часто покупают метеозонды из-за их простоты использования, низкой цены и широкой коммерциализации.
Эти воздушные шары запускаются в так называемый « ближний космос », определяемый как область атмосферы Земли между пределом Армстронга (18–19 км (11–12 миль) над уровнем моря), где давление падает до такой степени, что человек не может выжить без герметичного скафандра, и линией Кармана (100 км (62 мили) над уровнем моря [2] ), где астродинамика должна взять верх над аэродинамикой для поддержания полета.
Благодаря низкой стоимости GPS и коммуникационного оборудования, полеты на воздушных шарах на большой высоте являются популярным хобби , а такие организации, как UKHAS, помогают в разработке полезных нагрузок. [3] [4]
Во Франции в 1783 году состоялся первый публичный эксперимент с воздушными шарами, наполненными водородом, в котором приняли участие Жак Шарль , французский профессор физики, и братья Робер , известные конструкторы физических приборов.
Чарльз предоставил большое количество водорода , который ранее производился только в небольших количествах, смешав 540 кг (1190 фунтов) железа и 270 кг (600 фунтов) серной кислоты . Наполнение воздушного шара заняло 5 дней, и он был запущен с Марсова поля в Париже, где 300 000 человек собрались, чтобы посмотреть на зрелище. Воздушный шар был запущен и поднялся сквозь облака. Расширение газа заставило воздушный шар разорваться, и он снизился через 45 минут в 20 км (12 милях) от Парижа. [5]
Пилотируемые высотные аэростаты использовались с 1930-х годов для исследований и установления рекордов высоты полета , включая полеты Огюста Пикара на высоту 16 201 м (16,2 км), советского Осоавиахима-1 на высоту 22 000 м (22,0 км) и американского Explorer II на высоту 22 066 м (22,1 км). [6]
Известные полеты на воздушном шаре с экипажем на большой высоте включают три рекорда по высоте прыжка с парашютом:
Беспилотные высотные аэростаты используются в качестве исследовательских аэростатов , в образовательных целях и любителями. Распространенные области применения включают метеорологию, атмосферные и климатические исследования, сбор изображений из ближнего космоса, любительское радио и субмиллиметровую астрономию .
Высотные воздушные шары рассматривались для использования в телекоммуникациях [7] и космическом туризме . [6] Частные компании, такие как Zero 2 Infinity , Space Perspective, Zephalto и World View Enterprises , разрабатывают как пилотируемые, так и беспилотные высотные воздушные шары для научных исследований, коммерческих целей и космического туризма. [8] [9] Высотные платформенные станции были предложены для таких применений, как ретрансляция связи.
Во многих странах бюрократические издержки, необходимые для запуска высотных воздушных шаров, минимальны, когда полезная нагрузка ниже определенного порогового значения веса, обычно порядка нескольких килограммов. [10] [11] Это делает процесс запуска этих небольших HAB доступным для многих студентов и любительских групп. Несмотря на их меньший размер, эти HAB все еще часто поднимаются на высоту порядка 30 000 м (98 000 футов) (и превышают ее), обеспечивая легкий доступ в стратосферу для научных и образовательных целей. [12] [3] [4] [13] [14] [15] Эти любительские полеты на воздушных шарах часто информируются в своих операциях с помощью предиктора пути. Перед запуском прогнозы погоды, содержащие предсказанные векторы ветра, используются для численного распространения имитируемого HAB вдоль траектории, предсказывая, куда фактически полетит воздушный шар. [16]
Тестирование дальности радиосвязи часто является важным компонентом этих хобби. Любительское радио часто используется с пакетным радио для связи со скоростью 1200 бод , используя систему, называемую Автоматической системой передачи пакетов обратно на наземную станцию. Меньшие пакеты, называемые микро- или пико- трекерами, также строятся и запускаются под меньшими воздушными шарами. Эти меньшие трекеры использовали азбуку Морзе , Field Hell и RTTY для передачи своих местоположений и других данных. [17]
Первые зарегистрированные запуски радиолюбительских высотных аэростатов состоялись в Финляндии в рамках программы Ilmari 28 мая 1967 года и в Германии в 1964 году. [18]
Радиолюбительское высотное воздушное шароходство ( ARHAB ) — это применение аналогового и цифрового любительского радио к метеозондам , и это название предложил Ральф Валлио (позывной радиолюбителя W0RPK) для этого хобби. Часто называемая «Космической программой бедняка», ARHAB позволяет любителям проектировать функционирующие модели космических аппаратов и запускать их в космическую среду. Билл Браун (позывной радиолюбителя WB8ELK) считается основоположником современного движения ARHAB, когда 15 августа 1987 года он впервые запустил воздушный шар с радиопередатчиком-любителем. [ требуется ссылка ]
Полет ARHAB состоит из воздушного шара, спасательного парашюта и полезной нагрузки из одного или нескольких пакетов. Полезная нагрузка обычно содержит любительский радиопередатчик, который позволяет отслеживать полет до его приземления для восстановления. Большинство полетов используют трекер Автоматической системы передачи пакетов (APRS), который получает свое положение от приемника Глобальной системы позиционирования (GPS) и преобразует его в цифровую радиопередачу. Другие полеты могут использовать аналоговый маяк и отслеживаются с помощью методов радиопеленгации . Длительные полеты часто должны использовать высокочастотные заказные передатчики и медленные протоколы данных, такие как радиотелетайп (RTTY), Hellschreiber , азбука Морзе и PSK31 , для передачи данных на большие расстояния с использованием небольшого заряда батареи. Использование любительских радиопередатчиков на полете ARHAB требует лицензии любительской радиосвязи, но не любительские радиопередатчики можно использовать без лицензии. [ необходима цитата ]
В дополнение к оборудованию для слежения, другие компоненты полезной нагрузки могут включать датчики, регистраторы данных, камеры, передатчики любительского телевидения (ATV) или другие научные приборы. Некоторые полеты ARHAB несут упрощенный пакет полезной нагрузки под названием BalloonSat. [ необходима цитата ]
Типичный полет ARHAB использует стандартный латексный метеозонд, длится около 2–3 часов и достигает высоты 25–35 км (16–22 миль). Эксперименты с шарами нулевого давления , шарами сверхдавления и клапанными латексными шарами увеличили время полета до более чем 24 часов. Полет с нулевым давлением в рамках программы воздушных шаров Spirit of Knoxville в марте 2008 года длился более 40 часов и приземлился у побережья Ирландии, более чем в 5400 км (3400 миль) от точки запуска. 11 декабря 2011 года номер полета CNSP-11 Калифорнийского ближнего космического проекта с позывным K6RPT-11 начал рекордный полет, преодолев 6236 миль (10 036 км) из Сан-Хосе, Калифорния , до приводнения в Средиземном море . Полет длился 57 часов и 2 минуты. Он стал первым успешным трансконтинентальным и первым успешным трансатлантическим радиолюбительским высотным аэростатом США. [19] [20] [21] [22] С тех пор было совершено несколько полетов вокруг Земли с использованием аэростатов из пластиковой пленки сверхвысокого давления. [23] [24]
Ежегодно в Соединенных Штатах Great Plains Super Launch (GPSL) проводит большую встречу групп ARHAB. [ необходима ссылка ]
Эксперименты с воздушными шарами с любительским радио (BEAR) — это серия канадских экспериментов с высотными воздушными шарами, проводимых группой операторов и экспериментаторов любительской радиосвязи из Шервуд-Парка и Эдмонтона, Альберта. Эксперименты начались в 2000 году и продолжились с BEAR-9 в 2012 году, достигнув высоты 36,010 км (22,376 миль). [25] [26] Воздушные шары изготовлены из латекса, наполненного гелием или водородом . Все полезные нагрузки BEAR несут систему слежения, состоящую из приемника GPS , кодировщика APRS и модуля радиопередатчика. Другие экспериментальные модули полезной нагрузки включают в себя ретранслятор любительского радио и цифровую камеру , все из которых находятся в изолированной пенопластовой коробке, подвешенной под воздушным шаром.
BalloonSat — это простой пакет, предназначенный для переноса легких экспериментов в ближний космос. [27] Они являются популярным введением в инженерные принципы в некоторых курсах средней школы и колледжа. BalloonSat перевозятся в качестве вторичной полезной нагрузки на полетах ARHAB. Одна из причин, по которой BalloonSat просты, заключается в том, что они не требуют включения оборудования слежения; в качестве вторичной полезной нагрузки они уже перевозятся капсулами слежения.
Space Grant запустил программу BalloonSat в августе 2000 года. Она была создана как практический способ познакомить новых студентов, изучающих науку и инженерию, интересующихся космическими исследованиями, с некоторыми фундаментальными инженерными методами, навыками командной работы и основами науки о космосе и Земле. Программа BalloonSat является частью курса, который преподает Space Grant в Университете Колорадо в Боулдере. [28]
Часто конструкция BalloonSat имеет ограничения по весу и объему. Это поощряет хорошую инженерную практику, вносит вызов и позволяет включать много BalloonSat в полет ARHAB . Материалом планера обычно является пенополистирол или Foamcore, поскольку они легкие, просты в обработке и обеспечивают достаточно хорошую изоляцию.
Большинство из них оснащены датчиками, регистраторами данных и небольшими камерами, работающими от схем таймера. Популярные датчики включают температуру воздуха, относительную влажность, наклон и ускорение. Эксперименты, проводимые внутри BalloonSats, включали такие вещи, как плененные насекомые и продукты питания.
Перед запуском большинство BalloonSat должны пройти испытания. Эти испытания призваны гарантировать, что BalloonSat будет функционировать должным образом и вернет научные результаты. Испытания включают в себя холодную выдержку, испытание на падение, функциональное испытание и взвешивание. Холодная выдержка имитирует экстремально низкие температуры, которые BalloonSat испытает во время своей миссии. Запуск и посадка могут быть травматичными, поэтому испытание на падение требует, чтобы BalloonSat держался вместе и продолжал функционировать после резкого падения. Функциональное испытание подтверждает, что экипаж BalloonSat может подготовить BalloonSat на месте запуска.
Помимо проведения научных мероприятий, школы, влиятельные лица и другие лица запускали в стратосферу широкий спектр новых полезных грузов с помощью высотных воздушных шаров. Среди них были плюшевые медведи, [29] фигурки LEGO , [30] [31] гамбургеры, [31] пицца, [32] [33] [34] корнуэльские пирожки , [35] чесночный хлеб , [36] бекон и банки пива. [31] Японский производитель электроники Toshiba попытался записать рекламу в ближнем космосе с помощью кресла и камер, привязанных к высотному воздушному шару. [31]
Геостационарные воздушные шары-спутники ( GBS ) — это предлагаемые высотные воздушные шары, которые будут плавать в средней стратосфере (от 60 000 до 70 000 футов (от 18 до 21 км) над уровнем моря) в фиксированной точке над поверхностью Земли и, таким образом, действовать как атмосферный спутник . На этих высотах плотность воздуха составляет около 1/15–1/20 [37] от плотности на уровне моря . Средняя скорость ветра на этих уровнях меньше, чем на поверхности. [37] [38] Двигательная установка позволит воздушному шару перемещаться и сохранять свое положение. GBS будет питаться от солнечных батарей.
GBS может быть использована для предоставления широкополосного доступа в Интернет на большой площади. Лазерный широкополосный доступ соединит GBS с сетью , которая затем может обеспечить большую площадь покрытия из-за ее более широкой линии обзора по кривизне Земли и беспрепятственной зоны Френеля . [39] [40] [41]
Компания World View Enterprises построила и эксплуатирует космодром для воздушных шаров (высотный аэродром для воздушных шаров) в округе Пима, штат Аризона . [42]
В среднем скорость ветра минимальна в нижней стратосфере, на высоте около 20 км. Плотность воздуха на высоте 20 км составляет примерно 1/20 от плотности на уровне моря.
Средняя скорость ветра в стратосфере минимальна на высотах около 20 км. Значения меняются в зависимости от сезона и местоположения. Источник: Национальная метеорологическая служба (NWS)
