Об истории и современных задачах аппаратов легче воздуха

Фото: Долгопрудненское конструкторское бюро автоматики / «Росэл»

Аэростаты — один из самых первых типов летательных аппаратов — сегодня вновь привлекают внимание инженеров и исследователей. Технологии, казавшиеся архаичными на фоне стремительного развития авиации и космонавтики, получают новое применение благодаря современным материалам, электронике и системам связи.

Разбираемся, как развивались аппараты легче воздуха, почему они снова оказываются востребованы и какие задачи решают сегодня.

Начало положили «монгольфьеры»

История летательных аппаратов легче воздуха началась во Франции во второй половине XVIII века. 4 июня 1783 года в небо впервые поднялся воздушный шар, наполненный горячим воздухом. Старт эпохе воздухоплавания дали два владельца бумажной фабрики, братья Жозеф-Мишель и Жак-Этьенн Монгольфье. Сначала в воздух ушел пустой воздушный шар, затем на нем полетели животные — первыми воздухоплавателями стали баран, утка и петух. Очередь человека пришла 21 ноября того же года, когда на «монгольфьере», а именно так, в честь создателей, стали называть воздушные шары, совершили полет Жан-Франсуа Пилатр де Розье и Франсуа д’Арланд. «Монгольфьеры» наполнялись теплым воздухом, в полет они брали балласт, с подъемом на высоту теплый воздух внутри оболочки остывал, шар начинал падать, и, чтобы плавно опуститься на землю, аэронавты-воздухоплаватели постепенно сбрасывали балласт. Начало было положено.

Гравюра: полет воздушного шара братьев Монгольфье в 1783 году

В дальнейшем совершенствовались материалы оболочки «монгольфьеров» и менялось само рабочее тело, которым наполнялся воздушный шар. На смену холстяной ткани пришла сначала ткань промасленная или лакированная, а затем наступила очередь синтетических многослойных материалов на основе полиуретана, нейлона, полиэстера.

Рабочим телом вместо теплого воздуха стали легкие, летучие газы, такие как водород, гелий и газовоздушные смеси на их основе. Менялось и название этих летательных аппаратов. Воздушные шары, «монгольфьеры», шарльеры, аэростаты — все они, по своей сути, аналогичны друг другу, но отличаются формой, материалом оболочки, способом ее наполнения и рабочим телом. В отдельную категорию можно выделить, пожалуй, только стратостаты, предназначенные для полетов на больших высотах — в стратосфере и верхней тропосфере.

Применение аэростатов

Первоначально полеты на воздушных шарах помимо развлечений и воздушных путешествий преследовали цель исследования ближайшего к поверхности земли атмосферного слоя. Исследовательские функции аэростатов сохранились и до наших дней. Сегодня для зондирования верхних слоев атмосферы применяются метеорологические шары-зонды, представляющие собой небольшие аэростаты, на которые в качестве полезной нагрузки подвешивается комплект метеорологических приборов, регистраторов и оборудования для передачи информации.

Поднимаясь вверх, метеозонд снимает данные о температуре, влажности, направлении и скорости ветра на различных высотах, которые передает на землю в режиме реального времени.

Развлекательные полеты и воздушные путешествия — еще одна современная область применения воздушных шаров. Легендарный отечественный путешественник Федор Конюхов совершил один из самых длительных полетов на воздушном шаре. В 2015 году на аэростате «Мортон» он установил мировой рекорд, облетев вокруг земного шара за 11 дней 4 часа 20 минут (268 часов 20 минут). В 2023 году Конюхов вместе с аэронавтом Иваном Меняйло на тепловом воздушном шаре «ФосАгро» совершили трансконтинентальный беспосадочный перелет, преодолев расстояние в 2540 км.

Федор Конюхов в процессе установления мирового рекорда кругосветного путешествия на воздушном шаре. Фото: ГК «Мортон» / личный сайт Федора Конюхова

Не обошлось без применения воздушных шаров и аэростатов и в военном деле. Использовались они для разведки и корректировки артиллерийского огня. Летательные аппараты легче воздуха впервые попали на войну в 1793 году при осаде Валенсии, дебют, правда, оказался неудачным. Наблюдатель не смог ничего увидеть по причине плохих погодных условий.

В дальнейшем аэростаты и воздушные шары использовались в ходе Наполеоновских войн, Гражданской войны в США, Франко-прусской, Англо-бурской, Русско-японской, Первой мировой и Великой Отечественной войны. Аэростаты поднимались на высоту, будучи на привязи, а в случае атаки либо обстрела опускались на землю с помощью лебедки, параллельно стравливая газовоздушную смесь из своей оболочки. Отсюда пошло их название — привязные.

Дальнейшим развитием стали змейковые аэростаты, они также являлись привязными, но их оболочка имела определенную аэродинамическую форму с хвостовым стабилизирующим оперением, которая создавала дополнительную подъемную силу, способствующую стабилизации аппарата в воздухе.

Несмотря на бурное развитие авиации, змейковые аэростаты ограниченно использовались в ходе Второй мировой войны большинством стран-участниц. Эти аппараты, как и ранее, применялись для артиллерийской разведки и корректировки огня, причем несмотря на кажущуюся простоту, представляли собой очень сложную цель для истребительной авиации противника. Один сбитый аэростат-корректировщик записала на свой боевой счет самая результативная женщина-истребитель Лидия Литвяк. Это произошло в конце мая 1943 года. Чтобы уничтожить фашистскую «колбасу», как называли змейковые аэростаты наши летчики, ей пришлось сначала уйти в тыл противника, а потом оттуда, зайдя против солнца, одной точной атакой уничтожить вражеский аэростат. А знаменитому советскому асу-истребителю, капитану Петру Бринько уничтожение немецкого аэростата-корректировщика в 1941 году стоило жизни.

Аэростат 1-го воздухоплавательного дивизиона на подъемном поле в районе Автово в Ленинграде. Фото: цифровой архив фотографий Второй мировой войны waralbum.ru

Еще одной военной областью стало использование аэростатов в системе ПВО. Из этих летательных аппаратов создавали линии и целые районы воздушных заграждений. Советские аэростаты заграждения широко и успешно применялись в 1941-1942 годах в системе ПВО Москвы.

В 1950-1960-х годах второе рождение переживали стратостаты. Если в 1930-х годах их применение носило больше научно-исследовательский характер, то в послевоенный период, помимо научной работы, возник целый ряд других задач. В рамках подготовки пилотируемых космических полетов на этих высотных аппаратах отрабатывались герметичные кабины, образцы скафандров, системы спасения и многое другое специальное снаряжение и оборудование для первых советских космонавтов и космических кораблей.

Немногим позже высотные, свободно дрейфующие в верхних слоях стратостаты стали применять в разведывательных целях. Проблема эта была настолько серьезной, что в Советском Союзе для борьбы с этими стратосферными дрейфующими разведчиками в ОКБ В.М. Мясищева был создан специальный высотный самолет-перехватчик М-17, оснащенный двуствольной скорострельной пушкой.

День сегодняшний. Аэростат как решение проблем связи

В настоящее время область применения и использования аэростатов достаточно узка. Но полностью сбрасывать со счетов эти аппараты с более чем двухсотлетней историей пока что не стоит. При правильном подходе они могут быть полезными в решении некоторых проблем дня сегодняшнего. Именно это недавно и продемонстрировали специалисты холдинга «Росэл», входящего в состав Госкорпорации Ростех.

Для решения проблем связи и мобильного интернета в труднодоступных, сложных с точки зрения ландшафта местностях и районах с плохим покрытием инженеры «Росэла» предлагают применять специализированные аэростаты. Известно, что если радиомодуль находится на некоторой высоте над поверхностью земли, то рельеф местности уже практически не оказывает на качество связи влияния, а площадь покрытия территории возрастает в несколько раз. Эта идея и была положена в основу «аэростатного» метода обеспечения мобильной связи.

Фото: «Росэл»

Сам аэростат выполнен по типу змейкового, его оболочка имеет хорошо обтекаемую аэродинамическую форму с тремя стабилизирующими плоскостями в хвостовой части. Летательный аппарат с прикрепленным к нему контейнером специального оборудования поднимается в воздух, находясь на привязи, а для надежного подъема-спуска аэростата, помимо системы, поддерживающей давление и плотность рабочего тела внутри оболочки, применяется специальная лебедка. Прочный композитный трос-кабель, связывающий аэростат с наземной базой, является одновременно энергоподающим каналом для радиомодуля. Сама система размещается на специальной автомобильной платформе.

Объем оболочки привязного аэростата составляет 240 кубометров, максимальная высота подъема аппарата — 300 метров, максимальная полезная нагрузка — 45 килограмм, а сам аэростат может находиться в воздухе в рабочем состоянии в течение месяца. Оборудование, установленное на аэростате, представляет собой радиомодуль с широконаправленной антенной, что позволяет обеспечить устойчивую мобильную связь в радиусе 10 километров со скоростью 30 Мбит/сек. Летательный аппарат «Росэла» уже прошел тестовое применение.

Нужно отметить, что существующие сегодня требования к аэростатным системам были сформированы еще в советские годы. Сегодня предприятия Ростеха принимают участие в разработке новых отечественных стандартов в области воздухоплавания. Например, Долгопрудненское конструкторское бюро автоматики (ДКБА) холдинга «Росэл» возглавляет технический комитет «Аэростаты и дирижабли», созданный приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии. ДКБА является ведущим российским государственным предприятием, занимающимся передовыми разработками и обладающим техническими возможностями выпуска аэростатных комплексов в промышленных масштабах. Среди важнейших задач комитета — формирование необходимой базы для создания дирижабельных средств грузоподъемностью от 30 до 200 тонн для труднодоступных районов Арктики.