В аэронавтике воздушный шар — это немоторизованный аэростат , который держится в воздухе или парит благодаря своей плавучести . Воздушный шар может быть свободным, двигаться по ветру или быть привязанным к фиксированной точке. Он отличается от дирижабля , который является моторизованным аэростатом, который может двигаться в воздухе контролируемым образом.
Многие воздушные шары имеют корзину , гондолу или капсулу, подвешенную под основной оболочкой для перевозки людей или оборудования (включая камеры и телескопы, а также механизмы управления полетом).
Аэростанция — устаревший термин, обозначающий воздухоплавание, а также строительство, эксплуатацию и навигацию летательных аппаратов легче воздуха. Книга Тиберия Кавалло «История и практика воздухоплавания » была опубликована в 1785 году. [1] На эту тему были опубликованы и другие книги [2] [3] [4], в том числе Монка Мейсона . [5] Драматург Фредерик Пилон написал пьесу с названием «воздухоплавание». [6]
Воздушный шар концептуально является самым простым из всех летательных аппаратов. Воздушный шар представляет собой тканевую оболочку, заполненную газом, который легче окружающей атмосферы . Поскольку весь воздушный шар менее плотный , чем его окружение, он поднимается, унося с собой корзину, прикрепленную снизу, которая перевозит пассажиров или полезный груз. Хотя воздушный шар не имеет двигательной установки, возможна определенная степень управления направлением, заставляя воздушный шар подниматься или опускаться на высоте, чтобы найти благоприятное направление ветра.
Существует три основных типа воздушных шаров:
Оба типа воздушных шаров, или монгольфьеров, и газовых шаров по-прежнему широко используются. Воздушные шары монгольфьеров относительно недороги, поскольку для их оболочки не требуются высококачественные материалы, и они популярны среди любителей спорта на воздушном шаре.
Первый воздушный шар, перевозивший пассажиров, использовал для придания ему плавучести горячий воздух и был построен братьями Жозефом и Этьеном Монгольфье в Анноне , Франция, в 1783 году. Первый пассажирский полет состоялся 19 сентября 1783 года; на борту воздушного шара находились овца, утка и петух.
Первый полет на привязном пилотируемом воздушном шаре был совершен, вероятно, 15 октября 1783 года, на более крупном воздушном шаре Монгольфье. Первый свободный полет на воздушном шаре был совершен тем же самым воздушным шаром Монгольфье 21 ноября 1783 года.
При нагревании воздух расширяется, поэтому в данном объеме пространства содержится меньше воздуха. Это делает его легче, и если его подъемная сила больше веса содержащего его шара, он поднимет шар вверх. Воздушный шар может оставаться в воздухе только до тех пор, пока у него есть топливо для горелки, чтобы поддерживать воздух достаточно горячим.
Первые воздушные шары Монгольфье использовали твердотопливную жаровню , которая оказалась менее практичной, чем водородные шары, появившиеся почти сразу после них, и вскоре полеты на воздушных шарах сошли на нет.
В 1950-х годах удобство и низкая стоимость горелок с баллонным газом привели к возрождению полетов на воздушном шаре в качестве спорта и развлечения.
Высота полета воздушного шара регулируется путем поворота горелки вверх или вниз по мере необходимости, в отличие от газового шара, где часто используются балластные грузы, которые можно сбросить, если шар опустится слишком низко, а для приземления часть подъемного газа необходимо выпустить через клапан.
Профессор Жак Шарль построил воздушный шар, в котором для плавучести использовался легкий газ водород, и поднял его в воздух менее чем через месяц после полета Монгольфье, 1 декабря 1783 года. Газовые шары имеют большую подъемную силу для заданного объема, поэтому им не нужно быть такими большими, и они также могут находиться в воздухе гораздо дольше, чем горячий воздух, поэтому газовые шары доминировали в воздухоплавании в течение следующих 200 лет. В 19 веке для наполнения воздушных шаров было принято использовать искусственный городской газ (каменноугольный газ); он был не таким легким, как чистый водород, имея примерно половину подъемной силы, но он был намного дешевле и легкодоступен.
Воздушные шары с легким газом преобладают в научных приложениях, поскольку они способны достигать гораздо больших высот в течение гораздо более длительных периодов времени. Обычно они заполнены гелием. Хотя водород имеет большую подъемную силу, он взрывоопасен в атмосфере, богатой кислородом . За некоторыми исключениями, миссии научных воздушных шаров являются беспилотными.
Существует два типа воздушных шаров с легким газом: с нулевым давлением и сверхдавлением. Воздушные шары с нулевым давлением являются традиционной формой воздушных шаров с легким газом. Они частично надуваются легким газом перед запуском, при этом давление газа одинаково как внутри, так и снаружи воздушного шара. По мере того, как воздушный шар с нулевым давлением поднимается, его газ расширяется, чтобы поддерживать нулевую разницу давлений, и оболочка воздушного шара раздувается.
Ночью газ в воздушном шаре нулевого давления охлаждается и сжимается, заставляя воздушный шар тонуть. Воздушный шар нулевого давления может поддерживать высоту только выпуская газ, когда он поднимается слишком высоко, где расширяющийся газ может угрожать разрывом оболочки, или выпуская балласт, когда он опускается слишком низко. Потеря газа и балласта ограничивает выносливость воздушных шаров нулевого давления несколькими днями.
Сверхдавленный шар , напротив, имеет жесткую и неэластичную оболочку, которая заполнена легким газом до давления выше, чем давление внешней атмосферы, а затем запечатана. Сверхдавленный шар не может сильно изменить размер, и поэтому сохраняет в целом постоянный объем. Сверхдавленный шар сохраняет высоту постоянной плотности в атмосфере и может продолжать полет до тех пор, пока утечка газа постепенно не опустит его. [9]
Воздушные шары сверхдавления обеспечивают продолжительность полета в месяцы, а не дни. Фактически, в типичной эксплуатации миссия наземного воздушного шара сверхдавления заканчивается командой с наземного управления на открытие оболочки, а не естественной утечкой газа.
Высотные воздушные шары используются в качестве высоколетящих судов для перевозки научных приборов (например, метеозондов ) или для достижения околокосмических высот для съемки или фотографирования Земли. Эти воздушные шары могут подниматься на высоту более 100 000 футов (30,5 км) в воздух и предназначены для разрыва на заданной высоте, где парашют раскроется, чтобы безопасно доставить полезный груз обратно на землю. [10]
Кластерный воздухоплавание использует для полета множество небольших наполненных газом шаров.
Ранние воздушные шары с горячим воздухом не могли долго находиться в воздухе, поскольку потребляли много топлива, в то время как ранние водородные шары было трудно поднимать выше или ниже по желанию, поскольку воздухоплаватель мог выпускать газ или сбрасывать балласт только ограниченное количество раз. Пилатр де Розье понял, что для дальнего полета, например, при пересечении Ла-Манша , воздухоплавателю нужно будет использовать различные направления ветра на разных высотах. Поэтому было бы важно хорошо контролировать высоту, при этом оставаясь в воздухе в течение длительного времени. Он разработал комбинированный воздушный шар с двумя газовыми баллонами, воздушный шар Розье . Верхний содержал водород и обеспечивал большую часть постоянной подъемной силы. Нижний содержал горячий воздух и мог быстро нагреваться или охлаждаться, чтобы обеспечить переменную подъемную силу для хорошего контроля высоты.
В 1785 году Пилатр де Розье отправился в полет, чтобы попытаться перелететь через Ла-Манш, но вскоре после полета загорелся баллон с водородом, и де Розье не выжил в последовавшей аварии. Это принесло де Розье титул «Первый, кто летал, и первый, кто погиб».
Лишь в 1980-х годах была разработана технология, обеспечивающая безопасную эксплуатацию аппаратов типа Розье, например, за счет использования негорючего гелия в качестве подъемного газа, и несколько конструкций успешно совершили полеты на большие расстояния.
В качестве альтернативы свободному полету воздушный шар может быть привязан , чтобы обеспечить надежный взлет и посадку в одном и том же месте. Некоторые из самых ранних полетов на воздушном шаре были привязаны для безопасности, и с тех пор воздушные шары привязывались для многих целей, включая военное наблюдение и воздушное заграждение, метеорологическое и коммерческое использование.
Естественная сферическая форма воздушного шара нестабильна при сильном ветре. Привязные воздушные шары для использования в ветреных условиях часто стабилизируются аэродинамической формой и присоединением к тросу с помощью удавки. Их называют воздушными змеями .
Воздушный змей отличается от кайта , который получает часть своей подъемной силы за счет аэродинамики.
Беспилотные воздушные шары упоминаются в китайской истории. Чжугэ Лян из королевства Шу Хань в эпоху Троецарствия (220–280 гг. н. э.) использовал воздушные фонари для военной сигнализации. Эти фонари известны как фонари Конмин ( Kǒngmíng dēng 孔明灯). [11] [12] Монгольская армия узнала о фонаре Конмин от китайцев и использовала его в битве при Легнице во время монгольского вторжения в Польшу. [13] В 1709 году бразильско-португальский священнослужитель Бартоломеу де Гужман заставил воздушный шар, наполненный нагретым воздухом, подняться внутри комнаты в Лиссабоне . 8 августа 1709 года в Лиссабоне Гужмау удалось поднять небольшой воздушный шар, сделанный из бумаги, с горячим воздухом примерно на четыре метра перед королем Жуаном V и португальским двором [14] [15] [16] [17] [18] [19] Он также утверждал, что построил воздушный шар под названием Пассарола ( Большая птица ) и попытался поднять себя с замка Святого Георгия в Лиссабоне, приземлившись примерно в одном километре. Однако утверждение об этом подвиге остается неопределенным, хотя есть запись об этом полете в источнике, используемом FAI, точное расстояние и условия полета не подтверждены. [20]
После работы Генри Кавендиша 1766 года о водороде Джозеф Блэк предположил , что воздушный шар, наполненный водородом, сможет подняться в воздух.
Первый зарегистрированный полет человека был совершен на воздушном шаре, построенном братьями Монгольфье 21 ноября 1783 года. [20] Полет начался в Париже и достиг высоты около 500 футов. Пилоты, Жан-Франсуа Пилатр де Розье и Франсуа Лоран д'Арланд , преодолели около 5,5 миль (8,9 км) за 25 минут.
1 декабря 1783 года профессор Жак Шарль и братья Робер совершили первый полет на газовом шаре, также из Парижа. Их наполненный водородом шар поднялся на высоту почти 2000 футов (600 м), оставался в воздухе более 2 часов и преодолел расстояние в 27 миль (43 км), приземлившись в небольшом городке Нель-ла-Валле .
Первый итальянский подъём на воздушном шаре был совершён графом Паоло Андреани и двумя другими пассажирами на воздушном шаре, спроектированном и построенном тремя братьями Джерли, 25 февраля 1784 года. Публичная демонстрация состоялась в Бругерио несколько дней спустя, 13 марта 1784 года, когда аппарат поднялся на высоту 1537 метров (5043 фута) и пролетел 8 километров (5,0 миль). [21] 28 марта Андреани получил овации в Ла Скала , а позже медаль от Иосифа II, императора Священной Римской империи .
Де Розье вместе с Жозефом Прустом совершили еще один полет 23 июня 1784 года на модифицированной версии первого воздушного шара Монгольфье, названного в честь королевы « Мария-Антуанетта» . Они взлетели перед королем Франции и королем Швеции Густавом III . Воздушный шар летел на север на высоте около 3000 метров, над облаками, пролетев 52 км за 45 минут, прежде чем холод и турбулентность заставили их снизиться мимо Люзарша , между Куа и Орри-ла-Виль , недалеко от леса Шантийи.
Первый полет на воздушном шаре в Великобритании был совершен Джеймсом Тайтлером 25 августа 1784 года в Эдинбурге , Шотландия, на воздушном шаре .
Первая авиакатастрофа произошла в мае 1785 года, когда город Талламор , графство Оффали , Ирландия, был серьезно поврежден, когда крушение воздушного шара привело к пожару, в результате которого сгорело около 100 домов, что сделало город местом первой в мире авиакатастрофы . По сей день на городском щите изображен феникс, возрождающийся из пепла.
Жан-Пьер Бланшар совершил первый пилотируемый полет на воздушном шаре в Америке 9 января 1793 года, после того как совершил тур по Европе, чтобы установить рекорд для первого полета на воздушном шаре в таких странах, как Австрийские Нидерланды , Германия, Нидерланды и Польша . Его заполненный водородом воздушный шар взлетел со двора тюрьмы в Филадельфии , штат Пенсильвания. Полет достиг высоты 5800 футов (1770 м) и приземлился в округе Глостер, штат Нью-Джерси . Президент Джордж Вашингтон был среди гостей, наблюдавших за взлетом. Софи Бланшар , замужем за Жан-Пьером, была первой женщиной, пилотировавшей свой собственный воздушный шар, и первой женщиной, выбравшей воздухоплавание в качестве карьеры. [22]
29 сентября 1804 года Авраам Хопман стал первым голландцем, совершившим успешный полет на воздушном шаре в Нидерландах . [23]
Газовые шары стали наиболее распространенным типом с 1790-х до 1960-х годов. Французский военный наблюдательный шар L'Intrépide 1795 года является старейшим сохранившимся самолетом в Европе; он выставлен в Военном музее в Вене. Жюль Верн написал короткий, документальный рассказ, опубликованный в 1852 году, о том, как он оказался на борту водородного шара. [24]
Самый ранний успешный полет на воздушном шаре, зарегистрированный в Австралии, был совершен Уильямом Дином в 1858 году. Его воздушный шар был наполнен газом и пролетел 30 км с двумя людьми на борту. [25] 5 января 1870 года Т. Гейл совершил подъем из Домейна в Сиднее. Его воздушный шар был 17 метров в длину и 31 метр в окружности, и его подъем, когда он сидел на сетке, занял около мили, прежде чем он приземлился в Глибе. [26]
Анри Жиффар также разработал привязной воздушный шар для пассажиров в 1878 году в саду Тюильри в Париже. Первый привязной воздушный шар в наше время был изготовлен во Франции в замке Шантийи в 1994 году компанией Aerophile SA .
Воздухоплавание развивалось как развлечение. Оно получило значительный толчок, когда Чарльз Грин обнаружил, что легкодоступный угольный газ , который тогда входил в городское использование, давал половину подъемной силы водорода, который приходилось специально производить. В 1836 году Грин совершил почти 500-мильный перелет из Лондона, Англия, в Вайльберг в Германии. [27]
Первое военное применение воздушного шара произошло в битве при Флерюсе в 1794 году, когда L'Entreprenant использовался французским аэростатическим корпусом для наблюдения за передвижениями противника. 2 апреля 1794 года во французской армии был создан корпус воздухоплавателей; однако, учитывая логистические проблемы, связанные с производством водорода на поле боя (требовалось сооружать печи и поливать раскаленное железо водой), корпус был расформирован в 1799 году.
Первое крупное применение воздушных шаров в армии произошло во время Гражданской войны в США, когда в 1861 году был создан Корпус воздухоплавателей армии Союза .
Во время Парагвайской войны (1864–1870) бразильская армия использовала аэростаты наблюдения .
Воздушные шары использовались британскими королевскими инженерами в 1885 году для разведывательных и наблюдательных целей во время экспедиции в Бечуаналенд и Суданской экспедиции . Хотя эксперименты в Британии проводились еще в 1863 году, Школа воздухоплавания была основана в Чатеме, Медуэй, Кент только в 1888 году. Во время англо-бурской войны (1899–1902) использовались наблюдательные воздушные шары. Воздушный шар объемом 11 500 кубических футов (330 м 3 ) оставался надутым в течение 22 дней и прошел 165 миль в Трансвааль с британскими войсками. [28]
Воздушные шары, заполненные водородом, широко использовались во время Первой мировой войны (1914–1918) для обнаружения перемещений войск противника и управления артиллерийским огнем. Наблюдатели передавали свои отчеты офицерам на земле, которые затем передавали информацию тем, кто в ней нуждался. Воздушные шары часто становились целями вражеских самолетов. Самолеты, которым было поручено атаковать воздушные шары противника, часто оснащались зажигательными пулями для воспламенения водорода.
Значок аэронавта был учрежден армией США во время Первой мировой войны для обозначения военнослужащих, которые были квалифицированными пилотами воздушных шаров. Наблюдательные воздушные шары сохранялись и после Первой мировой войны, их использовали в русско-финских войнах, Зимней войне 1939–40 и Войне-продолжении 1941–45.
Во время Второй мировой войны японцы запустили тысячи водородных « огненных шаров » против Соединенных Штатов и Канады. В ходе операции Outward британцы использовали шары для доставки зажигательных веществ в нацистскую Германию . В 2018 году зажигательные шары и воздушные змеи были запущены из Газы в Израиль, в результате чего в Израиле было сожжено около 12 000 дунамов (3000 акров). [29]
Большие гелиевые шары используются южнокорейским правительством и частными активистами, выступающими за свободу в Северной Корее . Они пролетают сотни километров через границу, перевозя новости из внешнего мира, нелегальные радиостанции, иностранную валюту и подарки в виде предметов личной гигиены. Северокорейский военный чиновник назвал это «психологической войной» и пригрозил атаковать Южную Корею, если их освобождение продолжится. [30] [31]
Эд Йост переделал воздушный шар в конце 1950-х годов, используя нейлоновые ткани рипстоп и мощные пропановые горелки, чтобы создать современный воздушный шар. Его первый полет на таком шаре, длившийся 25 минут и покрывший 3 мили (5 км) , состоялся 22 октября 1960 года в Брунинге, штат Небраска . Усовершенствованная Йостом конструкция воздушных шаров положила начало современному спортивному движению воздушных шаров. Сегодня воздушные шары гораздо более распространены, чем газовые шары.
В конце 1970-х годов британский воздухоплаватель Джулиан Нотт построил воздушный шар с использованием технологий, которые, по его мнению, были доступны культуре Наска в Перу примерно за 1500–2000 лет до этого, и продемонстрировал, что он может летать. [32] И снова в 2003 году [33] Нотт предположил, что Наска могли использовать его в качестве инструмента для проектирования линий Наска . [32] Нотт также был пионером в использовании гибридной энергии , где солнечная энергия является значительным источником тепла, и в 1981 году он пересек Ла-Манш . [34]
В 2012 году воздушный шар Red Bull Stratos поднял Феликса Баумгартнера на высоту 128 100 футов для свободного падения из стратосферы .
Привязные газовые шары устанавливаются в качестве аттракционов в Париже с 1999 года, в Берлине с 2000 года, в парижском Диснейленде с 2005 года, в парке диких животных Сан-Диего с 2005 года, в Walt Disney World в Орландо с 2009 года и в качестве воздушного шара DHL в Сингапуре с 2006 года. Современные привязные газовые шары производятся компанией Aerophile SAS .
Воздушные шары, используемые в спортивных полетах, иногда изготавливаются в специальном дизайне для рекламы компании или продукта, как, например, изображенный на рисунке огнетушитель Chubb .
Воздушный шар в космосе использует внутреннее давление газа только для поддержания своей формы.
Спутник Echo был воздушным шаром-спутником, запущенным на орбиту Земли в 1960 году и использовавшимся для пассивной ретрансляции радиосвязи. PAGEOS был запущен в 1966 году для всемирной спутниковой триангуляции, что позволило повысить точность расчета различных местоположений на поверхности планеты.
В 1984 году советские космические станции «Вега-1» и «Вега-2» выпустили в атмосферу Венеры два аэростата с научными экспериментами . Они в течение двух суток передавали сигналы на Землю.
19 октября 1910 года Алан Хоули и Август Пост приземлились в глуши Квебека, Канада, после 48-часового путешествия и 1887,6 километров (1173 миль) от Сент-Луиса во время Международной гонки на воздушных шарах имени Гордона Беннетта , установив рекорд дальности, который держался более 20 лет. Мужчинам потребовалась неделя, чтобы выбраться из леса, за это время были мобилизованы поисковые группы, и многие приняли пару за мертвых. [35]
С 13 декабря 1913 года по 17 декабря 1913 года Хуго Каулен находился в воздухе 87 часов. Его рекорд продержался до 1976 года. [36] [ проверка не удалась ]
27 мая 1931 года Огюст Пиккар и Поль Кипфер стали первыми, кто достиг стратосферы на воздушном шаре. [37] [ проверка не удалась ]
31 августа 1933 года Александр Даль сделал первую фотографию кривизны Земли в открытом водородном баллоне.
Заполненный гелием воздушный шар Explorer II , пилотируемый офицерами Корпуса воздушных сил армии США капитаном Орвилом А. Андерсоном, майором Уильямом Э. Кепнером и капитаном Альбертом У. Стивенсом, достиг новой рекордной высоты 22 066 м (72 395 футов) 11 ноября 1935 года. Это произошло после предыдущего, едва не закончившегося смертью падения того же экипажа в июле 1934 года на предшествующем аппарате Explorer после того, как его купол разорвался всего в 190 м (624 футах) от (как выяснилось) действующего на тот момент рекорда высоты в 22 000 м (72 178 футов), установленного советским аэростатом Осоавиахим-1 .
В 1976 году Эд Йост установил 13 мировых рекордов в авиации по дальности полета и времени пребывания в воздухе, пытаясь в одиночку пересечь Атлантический океан на воздушном шаре (3,938 км, 107:37 ч).
В 1978 году Бен Абруццо и его команда стали первыми, кто пересек Тихий океан на воздушном шаре.
Текущий абсолютный рекорд высоты полета пилотируемого воздушного шара был установлен 4 мая 1961 года на высоте 34 668 м (113 739 футов) Малкольмом Россом и Виктором Пратером на воздушном шаре Strato-Lab V, запущенном с палубы USS Antietam в Мексиканском заливе . [a]
Предыдущий рекорд высоты полета пилотируемого воздушного шара составил 38 960,5 м (127 823 фута) и был установлен Феликсом Баумгартнером на воздушном шаре Red Bull Stratos , запущенном из Розуэлла, штат Нью-Мексико, в воскресенье, 14 октября 2012 года. [a]
Текущий рекорд высоты полета пилотируемого воздушного шара был установлен Аланом Юстасом 24 октября 2014 года в рамках проекта StratEx Space Dive на высоте 41 419,0 м (135 889,108 футов) . [a]
1 марта 1999 года Бертран Пиккар и Брайан Джонс отправились на воздушном шаре Breitling Orbiter 3 из Шато д'Э в Швейцарии в первый беспосадочный кругосветный полет на воздушном шаре. Они приземлились в Египте после полета протяженностью 40 814 км (25 361 миль), длившегося 19 дней, 21 час и 55 минут.
Рекорд высоты для беспилотного воздушного шара составляет 53,0 километра (173 882 фута) в мезосфере , достигнутый при объеме 60 000 кубических метров. Воздушный шар был запущен JAXA 25 мая 2002 года из префектуры Иватэ , Япония. [39] Это самая большая высота, когда-либо достигнутая атмосферным транспортным средством. Выше летали только ракеты , ракетопланы и баллистические снаряды.
В 2015 году два пилота Леонид Тюхтяев и Трой Брэдли благополучно прибыли в Нижнюю Калифорнию , Мексика, проделав путь в 10 711 км. Двое мужчин, родом из России и Соединенных Штатов Америки соответственно, стартовали в Японии и пролетели на гелиевом шаре над Тихим океаном. Через 160 часов шар под названием «Два орла» прибыл в Мексику, что является новым рекордом расстояния и продолжительности полета для прямых газовых шаров. [40]
1709-08-08 Пилот: Бартоломеу Лоренсу ди Гужмау, Самый ранний зарегистрированный полет модели воздушного шара.
