stringtranslate.com

Высотный воздушный шар

Высотный аэростат BLAST перед запуском 12 июня 2005 г.

Высотные воздушные шары или стратостаты обычно представляют собой воздушные шары без экипажа , обычно наполненные гелием или водородом и выбрасываемые в стратосферу , обычно достигающие 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 аэростатов являются метеозонды . Другие цели включают использование в качестве платформы для экспериментов в верхних слоях атмосферы. Современные воздушные шары обычно содержат электронное оборудование, такое как радиопередатчики , камеры или системы спутниковой навигации , такие как приемники GPS . Любители часто покупают метеозонды из-за их простоты использования, низкой цены и широкого распространения.

Эти воздушные шары запускаются в то, что определяется как « ближний космос », определяемый как область земной атмосферы между пределом Армстронга (18–19 км (11–12 миль) над уровнем моря), где давление падает до такой степени, что человек существо не может выжить без герметичного скафандра, а также линию Кармана (100 км (62 мили) над уровнем моря [2] ), где астродинамика должна заменить аэродинамику, чтобы поддерживать полет.

Из-за низкой стоимости GPS и коммуникационного оборудования полеты на воздушном шаре на большой высоте стали популярным хобби , и такие организации, как UKHAS, помогают в разработке полезной нагрузки. [3] [4]

Пример изображения высотного воздушного шара, запущенного клубом Make Stuff Club колледжа Каламазу.
Фотография, сделанная с метеозонда массой 1500 г (3,3 фунта) на высоте примерно 100 000 футов (19 миль; 30 км) над Орегоном.
Латексный метеозонд лопнул на высоте около 29,5 км (18,3 миль; 97 000 футов).

История

Первый водородный шар

Во Франции в 1783 году в первом публичном эксперименте с воздушными шарами, наполненными водородом, участвовали Жак Шарль , французский профессор физики, и братья Робер , известные конструкторы физических приборов.

Чарльз предоставил большие количества водорода , который раньше производился в небольших количествах, смешав 540 кг (1190 фунтов) железа и 270 кг (600 фунтов) серной кислоты . На наполнение воздушного шара ушло 5 дней, и он был запущен с Марсова поля в Париже, где посмотреть спектакль собралось 300 000 человек. Воздушный шар был запущен и поднялся сквозь облака. Расширение газа привело к разрыву воздушного шара, и через 45 минут он опустился в 20 км (12 миль) от Парижа. [5]

Высотные аэростаты с экипажем

Высотные аэростаты с экипажем использовались с 1930-х годов для исследований и установления рекордов высоты полета , в том числе полеты Огюста Пиккара до 16 201 м (16,2 км), советского Осоавиахима-1 на высоте 22 000 м (22,0 км) и американского Эксплорера. II на высоте 22 066 м (22,1 км). [6]

Известные полеты на высотных воздушных шарах с экипажем включают три рекорда по самым высоким прыжкам с парашютом:

Использование

Высотные воздушные шары без экипажа используются в качестве исследовательских , в образовательных целях и любителями. Обычное использование включает метеорологию, исследования атмосферы и климата, 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 высотные воздушные шары как с экипажем, так и без экипажа для научных исследований, коммерческих целей и космического туризма. [8] [9] Станции на высотной платформе были предложены для таких применений, как ретрансляция связи.

Любительский высотный воздухоплавание

Полезная нагрузка любительского высотного аэростата научного назначения. Встроенный компьютер Arietta G25, специальная плата и различные датчики (температура, давление, детектор пассивного излучения). Фотография сделана после полета.

Во многих странах бюрократические накладные расходы, необходимые для запуска воздушных шаров на большой высоте, минимальны, когда полезная нагрузка ниже определенного порога веса, обычно порядка нескольких килограммов. [10] [11] Это делает процесс запуска этих небольших HAB доступным для многих студентов и любительских групп. Несмотря на свой меньший размер, эти HAB по-прежнему часто поднимаются на высоту порядка 30 000 м (98 000 футов) (и выше), обеспечивая легкий доступ в стратосферу для научных и образовательных целей. [12] [3] [4] [13] [14] [15] Эти любительские полеты на аэростатах часто получают информацию в своих операциях с помощью предсказателя пути. Перед запуском прогнозы погоды , содержащие предсказанные векторы ветра, используются для численного распространения смоделированного HAB по траектории, предсказывая, куда будет двигаться реальный воздушный шар. [16]

Радиолюбительские высотные воздухоплавания

Проверка радиодиапазона часто является важной частью этого хобби. Любительское радио часто используется вместе с пакетной радиосвязью для связи со скоростью 1200 бод с использованием системы, называемой автоматической системой передачи пакетов, обратно на наземную станцию. Пакеты меньшего размера, называемые микро- или пико- трекерами, также создаются и работают под меньшими воздушными шарами. Эти меньшие по размеру трекеры использовали код Морзе , Field Hell и RTTY для передачи своего местоположения и других данных. [17]

Первые зарегистрированные запуски радиолюбительских высотных аэростатов состоялись в Финляндии по программе «Илмари» 28 мая 1967 года и в Германии в 1964 году. [18]

программа АРХАБ

Изображение горизонта Земли, сделанное с расстояния 26 км (16 миль) во время полета ARHAB.

Любительские полеты на высотных аэростатах ( ARHAB ) — это применение аналоговой и цифровой любительской радиосвязи к метеозондам. Это название было предложено Ральфом Уоллио (позывной радиолюбителя W0RPK) для этого хобби. ARHAB, которую часто называют «Космической программой бедняков», позволяет любителям проектировать функционирующие модели космических кораблей и запускать их в космическую среду. Билл Браун (позывной любительского радио WB8ELK) считается началом современного движения ARHAB своим первым запуском воздушного шара с любительским радиопередатчиком 15 августа 1987 года .

Полет ARHAB состоит из воздушного шара, спасательного парашюта и полезной нагрузки, состоящей из одного или нескольких пакетов. Полезная нагрузка обычно содержит любительский радиопередатчик, который позволяет отслеживать полет до места приземления для восстановления. На большинстве рейсов используется трекер автоматической системы передачи пакетов данных (APRS), который получает свое местоположение от приемника глобальной системы позиционирования (GPS) и преобразует его в цифровую радиопередачу. Другие полеты могут использовать аналоговый маяк и отслеживаются с использованием методов радиопеленгации . Для длительных полетов часто приходится использовать специально созданные высокочастотные передатчики и медленные протоколы передачи данных, такие как радиотелетайп (RTTY), Hellschreiber , азбука Морзе и PSK31 , для передачи данных на большие расстояния с использованием небольшого заряда батареи. Для использования любительских радиопередатчиков на рейсе ARHAB требуется лицензия на любительскую радиосвязь, однако нелюбительские радиопередатчики можно использовать и без лицензии. [ нужна цитата ]

Помимо оборудования слежения, другие компоненты полезной нагрузки могут включать датчики, регистраторы данных, камеры, передатчики любительского телевидения (ATV) или другие научные инструменты. Некоторые рейсы ARHAB несут упрощенный пакет полезной нагрузки под названием BalloonSat. [ нужна цитата ]

Типичный полет ARHAB использует стандартный латексный метеозонд, длится около 2–3 часов и достигает высоты 25–35 км (16–22 миль). Эксперименты с воздушными шарами нулевого давления , воздушными шарами сверхдавления и латексными воздушными шарами с клапанами увеличили время полета более чем до 24 часов. Полет при нулевом давлении в рамках программы воздушных шаров «Дух Ноксвилля» в марте 2008 года длился более 40 часов и приземлился у побережья Ирландии, на расстоянии более 5400 км (3400 миль) от точки запуска. 11 декабря 2011 года рейс Калифорнийского проекта ближнего космоса под номером CNSP-11 с позывным K6RPT-11 совершил рекордный полет на расстояние 6 236 миль (10 036 км) из Сан-Хосе, штат Калифорния , до приводнения в Средиземном море . Полет продолжался 57 часов и 2 минуты. Он стал первым успешным трансконтинентальным воздушным шаром США и первым успешным трансатлантическим высотным радиолюбительским аэростатом. [19] [20] [21] [22] С тех пор было совершено несколько полетов вокруг Земли с использованием воздушных шаров из пластиковой пленки сверхдавления. [23] [24]

Каждый год в Соединенных Штатах Суперзапуск на Великих равнинах (GPSL) принимает большое собрание групп ARHAB. [ нужна цитата ]

Программа МЕДВЕДЬ

Эксперименты с воздушными шарами с любительским радио (BEAR) — это серия канадских экспериментов на высотных воздушных шарах, проводимых группой радиолюбителей и экспериментаторов из Шервуд-Парка и Эдмонтона, Альберта. Эксперименты начались в 2000 году и продолжились на 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 оснащены системой слежения, состоящей из приемника GPS , кодера APRS и модуля радиопередатчика. Другие экспериментальные модули полезной нагрузки включают в себя междиапазонный ретранслятор любительской радиосвязи и цифровую камеру , все из которых помещены в изолированный пенопластовый ящик, подвешенный под воздушным шаром.

Воздушный шарСб

Изображение пяти спутников BalloonSat вскоре после запуска в полете ARHAB.

BalloonSat — это простой аппарат, предназначенный для проведения легких экспериментов в ближнем космосе. [27] Они представляют собой популярное введение в инженерные принципы в некоторых курсах средней школы и колледжа. BalloonSat используются в качестве дополнительной полезной нагрузки на рейсах ARHAB. Одна из причин простоты BalloonSat заключается в том, что они не требуют наличия оборудования слежения; в качестве вторичной полезной нагрузки они уже перевозятся в капсулах слежения.

Программа Space Grant запустила программу BalloonSat в августе 2000 года. Она была создана как практический способ познакомить новых студентов, занимающихся наукой и инженерными науками, интересующихся космическими исследованиями, с некоторыми фундаментальными инженерными методами, навыками командной работы и основами космоса и наук о Земле. Программа BalloonSat является частью курса, преподаваемого Space Grant в Университете Колорадо в Боулдере. [28]

Часто конструкция BalloonSat ограничена по весу и объему. Это поощряет передовые инженерные практики, создает проблемы и позволяет включать в полет ARHAB множество BalloonSat . Материалом планера обычно является пенополистирол или пенопласт, поскольку они легкие, легко обрабатываются и обеспечивают достаточно хорошую изоляцию.

Большинство из них оснащены датчиками, регистраторами данных и небольшими камерами, управляемыми схемами таймера. Популярные датчики включают температуру воздуха, относительную влажность, наклон и ускорение. Эксперименты, проводимые внутри BalloonSats, включали в себя содержание насекомых и продуктов питания.

Перед запуском большинство BalloonSat должны пройти испытания. Эти тесты призваны гарантировать правильную работу BalloonSat и получение научных результатов. Испытания включают в себя вымачивание в холодном состоянии, испытание на падение, функциональное испытание и взвешивание. Испытание на холодное погружение имитирует сильные низкие температуры, которые будет испытывать BalloonSat во время своей миссии. Запуск и приземление могут быть травматичными, поэтому испытание на падение требует, чтобы BalloonSat удержался и продолжал функционировать после резкого падения. Функциональный тест подтверждает, что экипаж BalloonSat может подготовить BalloonSat на стартовой площадке.

Разнообразие полезной нагрузки

Помимо проведения научной деятельности, школы, влиятельные лица и другие люди запускали в стратосферу самые разнообразные новинки с помощью высотных воздушных шаров. В их число входили плюшевые мишки, [29] фигурки LEGO , [30] [31] гамбургеры, [31] пицца, [32] [33] [34] корнуэльские пирожки , [35] чесночный хлеб , [36] бекон и банки с пиво. [31] Японский производитель электроники Toshiba попытался записать рекламу в ближнем космосе с помощью кресла и камер, привязанных к высотному воздушному шару. [31]

Геостационарный спутник-зонд

Стратобус дирижабль
Геостационарный спутник-зонд
Геостационарный дирижабль- спутник
Высотный дирижабль-спутник

Геостационарные спутники-зонды ( GBS ) представляют собой 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 тем самым действовать как атмосферный спутник. . На этих высотах плотность воздуха составляет от 1/15 до 1/20 [37] от плотности воздуха на уровне моря . Средняя скорость ветра на этих уровнях меньше, чем на поверхности. [37] [38] Двигательная система позволит воздушному шару двигаться и сохранять свое положение. GBS будет питаться от солнечных батарей.

GBS может использоваться для обеспечения широкополосного доступа в Интернет на большой территории. Лазерная широкополосная связь соединит GBS с сетью , которая затем сможет обеспечить большую зону покрытия благодаря более широкой прямой видимости на кривизну Земли и беспрепятственной зоне Френеля . [39] [40] [41]

Порт для космических шаров в Аризоне

Компания World View Enterprises построила и управляет аэростатным космодромом (высотным портом для воздушных шаров) в округе Пима, штат Аризона . [42]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ "ISAS | 超薄膜高高度気球（BS13-08）が無人気球到達高度の世界記録を更新 / トピックス" [Ультратонкая пленка высокого качества аэростат (BS13-08) побивает мировой рекорд высоты, достигнутой беспилотный воздушный шар]. Институт космоса и астронавтики Японского агентства аэрокосмических исследований (на японском языке). 20 сентября 2013 г. Архивировано из оригинала 06 марта 2023 г. Проверено 03 декабря 2023 г.
  2. ^ Санс Фернандес де Кордова, доктор С. (24 июня 2004 г.). «Раница 100 км для космонавтики». Международная авиационная федерация . Проверено 28 декабря 2020 г.
  3. ^ ab «Воздушный шар, сделанный своими руками, поднялся на высоту 30 км» . Боинг-Боинг . 26 октября 2007 г. Проверено 8 июня 2008 г.
  4. ↑ Аб МакДермотт, Винсент (8 августа 2011 г.). «Космическая гонка для домашних мастеров». Национальная почта . Архивировано из оригинала 28 февраля 2013 г. Проверено 28 декабря 2011 г.
  5. ^ Г. Пфотцер, «История использования воздушных шаров в научных экспериментах», Space Science Reviews 13:2, стр. 200 (1972). Обнаружено 11 февраля 2009 г.
  6. ^ аб Лопес-Урдиалес, Хосе Мариано (19 октября 2002 г.). «Роль воздушных шаров в будущем развитии космического туризма» (PDF) . Хьюстон, Техас. Архивировано из оригинала (PDF) 13 июля 2015 г. Проверено 13 июля 2015 г.
  7. ↑ Леви, Стивен (14 июня 2013 г.). «Как Google будет использовать воздушные шары для доставки Интернета во внутренние районы». Проводной .
  8. ^ Бетанкур, Марк (июль 2015 г.). «Увидеть мир с высоты 100 000 футов». Воздух и космос . Проверено 9 июля 2015 г.
  9. ^ Уолл, М. (2014). В этом году компания World View проведет лофт-эксперименты на испытательных полетах на воздушных шарах. «Космос.com». Получено с http://www.space.com/26658-world-view-balloon-research-flights.html.
  10. ^ Правила безопасности гражданской авиации, подраздел 101.E — Беспилотные неуправляемые аэростаты . Управление безопасности гражданской авиации правительства Австралии. 1998.
  11. ^ Свод федеральных правил, раздел 14, гл. Я, подглава. Ф, Часть 101 . Издательство правительства США. 2020.
  12. ↑ Мы отправили чесночный хлеб на край космоса, а затем съели его . Получено 20 ноября 2022 г. - через YouTube .
  13. ^ GSBC, Что такое высотный воздушный шар. Архивировано 22 июля 2017 г. в Wayback Machine . Проверено 8 августа 2016 г.
  14. ^ MoCRiS, Луна, изображение с полезной нагрузки MoCRiS. Картинка дня в области науки о Земле (EPOD), 25 июня 2019 г.
  15. ^ UKHAS, Руководство для начинающих по полетам на воздушном шаре на большой высоте. Архивировано 29 июля 2016 г. в Wayback Machine . Проверено 8 августа 2016 г.
  16. ^ Собестер, Андраш; Черский, Хелен; Заппони, Никколо; Кастро, Ян (01 апреля 2014 г.). «Прогнозирование траектории высотного газового шара: модель Монте-Карло». Журнал АИАА . 52 (4): 832–842. Бибкод : 2014AIAAJ..52..832S. дои : 10.2514/1.J052900. ISSN  0001-1452.
  17. ^ «Любительская радиоастрономия и прогнозы погоды».
  18. ↑ 6 декабря 1964 г. — Erster Ballonstart mit любительский фанк-последний в ГДР. Архивировано 12 августа 2016 г. на Wayback Machine (на немецком языке), по состоянию на 8 августа 2016 г.
  19. ^ «Полет на воздушном шаре любительского радио пересекает Атлантику и устанавливает рекорды» . Американская лига радиорелейной связи . 15 декабря 2011 г. Проверено 15 декабря 2011 г.
  20. ^ Фернандес, Лиза (15 декабря 2011 г.). «Две группы высотных воздухоплавателей Кремниевой долины борются за рекорд» . Сан-Хосе Меркьюри Ньюс . Проверено 15 декабря 2011 г.
  21. ^ Бойл, Ребекка (15 декабря 2011 г.). «Воздушный шар любительского радио летит из Калифорнии в Алжир». Популярная наука . Проверено 15 декабря 2011 г.
  22. ^ Медоуз, Рон (12 декабря 2011 г.). «ЦНСП-11, К6РПТ-11 Полетная информация». Калифорнийский проект ближнего космоса . Проверено 15 декабря 2011 г.
  23. ^ «Воздушные шары с полезной нагрузкой любительской радиосвязи все еще вращаются вокруг Земли» . www.arrl.org .
  24. ^ "Воздушный шар с полезной нагрузкой для радиолюбителей во второй раз облетает южное полушарие" . сайт arrl.org .
  25. ^ Таусли, Нэнси (1 марта 2012 г.). «Кевин Шмидт: Большие надежды». Канадское искусство . Архивировано из оригинала 1 мая 2015 года . Проверено 8 августа 2016 г.
  26. ^ Слоан, Барри. «Главная страница МЕДВЕДЯ» . Проверено 19 мая 2013 г.
  27. ^ "Слайд-шоу Exporer Scouts 632 BalloonSat" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 17 мая 2008 г.
  28. ^ Келер, Крис. «BalloonSat: Миссии на край космоса». Университет штата Юта . 16-я ежегодная конференция УрГУ по малым спутникам . Проверено 18 ноября 2015 г.
  29. ^ "Мишка Тедди летит в открытый космос" . www.stuff.co.nz . Проверено 7 марта 2024 г.
  30. ^ Пултарова, Тереза ​​(26 мая 2023 г.). «Посмотрите, как 1000 астронавтов Lego летают у края космоса (видео)» . Space.com . Проверено 7 марта 2024 г.
  31. ^ Журнал abcd Смитсоновского института. «10 странных вещей, которые люди отправили в стратосферу». Смитсоновский журнал . Проверено 7 марта 2024 г.
  32. ^ Форбс, Паула (17 сентября 2012 г.). «Смотрите, как целая пицца пережила путешествие в космос». Едок . Проверено 7 марта 2024 г.
  33. ↑ Я отправил кусок пиццы в космос, а затем съел его , получено 7 марта 2024 г.
  34. ^ «Шеф-повар Эрик Стюурт готовит пиццу в (en eet 'm daarna op)» . jeugdjournaal.nl (на голландском языке). 06 мая 2023 г. Проверено 7 марта 2024 г.
  35. ^ «Пасти, отправленная школьниками, на сегодняшний день является единственным успешным космическим запуском Корнуолла» . Корнуолл Таймс . 11 января 2023 г. Проверено 7 марта 2024 г.
  36. ^ 2½ часа неотредактированной записи полета с чесночным хлебом , получено 7 марта 2024 г.
  37. ^ аб Лимпинзель, Мориц; Куо, Давэй; Видж, Аарохи (июнь 2018 г.). «SMARTS-моделирование солнечных спектров на стратосферной высоте и влияние на производительность выбранных солнечных элементов III-V». 7-я Всемирная конференция IEEE по преобразованию фотоэлектрической энергии (WCPEC) 2018 г. (совместная конференция 45-й IEEE PVSC, 28-й PVSEC и 34-й PVSEC ЕС) . IEEE. стр. 3367–3373. дои : 10.1109/PVSC.2018.8547665. ISBN 978-1-5386-8529-7. В среднем скорость ветра минимальна в нижних слоях стратосферы, на высоте около 20 км. Плотность воздуха на высоте 20 км составляет примерно 1/20 плотности воздуха на уровне моря.
  38. ^ Бочча, Луиджи; Пейс, Паскуале; Амендола, Джандоменико; Ди Масса, Джузеппе (июль 2008 г.). «Антенны с малой многолучевостью для систем определения ориентации на основе ГНСС, применяемых на высотных платформах». GPS-решения . 12 (3): 163–171. Бибкод : 2008GPSS...12..163B. дои : 10.1007/s10291-007-0075-7. ISSN  1080-5370. Средняя скорость ветра в стратосфере минимальна на высотах около 20 км. Цены варьируются в зависимости от сезона и местоположения. Источник: Национальная метеорологическая служба (NWS).
  39. ^ Изет-Унсалан, Кунсел; Унсалан, Дениз (2011). «Бюджетная альтернатива спутниковым сверхвысотным аэростатам». Материалы 5-й Международной конференции по последним достижениям космических технологий - РАСТ2011 . ИИЭЭ . стр. 13–16. дои :10.1109/РАСТ.2011.5966806. ISBN 978-1-4244-9617-4. S2CID  26712889.
  40. ^ Зи, Чонг-Хунг (30 апреля 1989). Использование воздушных шаров в физике и астрономии. Спрингер. ISBN 9789027726360. Проверено 24 марта 2014 г.
  41. ^ "Геостационарные и полярно-орбитальные метеорологические спутники NOAA" . noaasis.noaa.gov. Архивировано из оригинала 25 августа 2018 года . Проверено 24 марта 2014 г.
  42. ↑ Эмили Каландрелли (19 января 2016 г.). «Аризона голосует за строительство космодрома для космических полетов».
Викискладе есть медиафайлы по теме исследовательских воздушных шаров .

Внешние ссылки