что такое стратостат фото
Почти космос: туристические путёвки в стратосферу вслед за Артемием Лебедевым
После долгого затишья интерес к полётам в верхние слои стратосферы возродился с новой силой. Пускай это не ближний космос – масса впечатлений всё равно гарантирована. Раньше такой подъём требовал серьёзнейшей подготовки. Даже опытные пилоты гибли из-за отказа техники, а вернувшихся стратонавтов считали настоящими героями. Сейчас современные технологии впервые позволяют превратить опасный спорт и самоотверженные исследования в разновидность развлечения. Дизайнер, блогер и путешественник Артемий Лебедев собирается стать первым российским туристом, поднявшимся на стратостате испанской компании Zero 2 Infinity.
Наибольший интерес представляют именно верхние слои стратосферы, условно начинающиеся с 25 километров. С такой высоты Земля уже не выглядит плоской, а воздух и городская засветка не мешают наблюдать космос. На HDR-снимках визуально чёрного неба можно одновременно увидеть Солнце и другие звёзды.
Сделать такую фотографию туристы смогут только через затемнённый иллюминатор герметичной гондолы. Жёсткий ультрафиолет ослепляет и обжигает, а выше 19 км давление за бортом настолько низкое, что без высотного компенсирующего костюма или скафандра кровь закипит при температуре тела.
Сложность создания герметичной гондолы с системами поддержания адекватной температуры и давления долго не давала подняться хотя бы в нижние слои стратосферы. Впервые эту задачу смогли выполнить щвейцарский учёный Огюст Пикар и его ассистент Пауль Кипфер. 27 мая 1931 года они поднялись на 15 785 м и едва смогли приземлиться из-за обилия технических проблем.
Установленный рекорд вызвал сильнейший интерес и спровоцировал бурное развитие техники подобных полётов в тридцатые годы, но вторая мировая война внесла свои коррективы. К теме стратостатов вернулись лишь в пятидесятые. В этот период было накоплено максимальное количество сведений о стратосфере, особенностях её состава и динамики. Исследования оказали огромное влияние на развитие воздухоплавания в целом.
Рекорды подъёма на различных летательных аппаратах
Мировой рекорд высоты полёта на вертолёте был установлен 21 июня 1972 г. Французский лётчик Жан Буде поднялся на 12 442 м в кабине Aerospatiale SA-315В.
31 августа 1977 г. заслуженный лётчик-испытатель Александр Федотов поднялся на самолёте МиГ-25М на высоту 37 650 м. Рекорд удерживается до сих пор.
Экспериментальный ракетоплан North American X-15, управляемый пилотом Джо Уокером (Joe Walker), 22 августа 1963 года достиг максимальной высоты 107 960 м.
Последний пик популярности пилотируемых стратостатов пришёлся на середину шестидесятых годов. Затем приоритеты изменились в связи с начавшейся космической гонкой и затянувшейся холодной войной. В то же время с 1966 года в СССР на высоте 20 километров работала автоматическая обсерватория «Сатурн» с шеститонным телескопом. Стратостаты активно продолжали использоваться для научных исследований и метеорологических наблюдений. Подобно «Сатурну», они были беспилотными и уже не вызывали былого интереса.
Рекорды подъёма на стратостатах
2 февраля 1966 г. американский парашютист Николас Пиантанида поднялся на стратостате StratoJump-2 на высоту 37 643 м.
14 октября 2012 г. австрийский парашютист Феликс Баумгартнер установил новый рекорд подъёма на стратостате – 39 068 м.
23 мая 2002 беспилотный стратостат BU60-1 поднялся на высоту 53 км. Площадь оболочки достигла шести тысяч квадратных метров, однако из-за её небывало малой толщины (3,4 мкм) собственная масса оказалась всего 34,37 кг. Именно такое соотношение массы к подъёмной силе и позволило установить мировой рекорд.
В наши дни после полувекового затишья стратостаты стали вновь привлекать внимание военных. В 2011 году Lockheed Martin показала прототип беспилотного управляемого аппарата, разработанного в рамках проекта High-altitude airship. Согласно концепту он будет способен месяцами оставаться в стратосфере и выполнять боевые задачи вместе с наземными силами и спутниковыми группировками.
Подъёмы на 30 – 40 километров сегодня кажутся ещё и крайне привлекательной идеей для развития туризма. Конечно, пассажиры вряд ли проникнутся глубиной необъятного космоса и не испытают невесомости, однако такая путёвка стоит куда дешевле посещения МКС или суборбитального полёта. Сейчас называется ориентировочная стоимость в 143 тысячи долларов.
Пока ещё технология частных полётов в стратосферу находится на стадии доработки. Ранее компания успешно поднимала на расчётную высоту различную технику для мониторинга условий и регистрации динамики полёта (фото- и видеокамеры, GPS-приёмники, телекоммуникационное оборудование). В ноябре 2012 года состоялась имитация пилотируемого полёта с гуманоидным роботом Nao, разработанным компанией Aldebaran Robotics.
Первый подъём стратостата с туристами на борту запланирован на 2015 год. Ожидается, что полетят четыре пассажира и два пилота, а максимальная высота составит 36 километров, однако всё не так просто. Вспомните проект Red Bull Stratos, о котором «Компьютерра» писала в октябре 2012 г.
Это была грандиозная инициатива стоимостью порядка 50 млн долларов. Команда лучших профессионалов готовилась годами. Долго выжидали подходящих метеоусловий, использовали новейшее оборудование, технику и методики NASA. Феликс тоже был не простым туристом, а одним из самых опытных парашютистов-экстремалов, но полёт всё равно прошёл не так, как планировалось. Вместо расчётных 36 580 м высота подъёма превысила 39 км. Более того, на последнем участке капсула не тормозилась, а разгонялась из-за неожиданно сильного нагрева гелия солнечными лучами.
Опыт команды Red Bull Stratos и последующая инициатива компании Zero 2 Infinity внесли огромный вклад в современный этап развития стратосферных полётов. Он куда важнее трёх мировых рекордов и позволяет приблизить тот день, когда такие подъёмы станут регулярными и даже обычными.
Стратоста́т (стратосферный аэростат) — свободный аэростат, предназначенный для полётов в стратосферу, то есть на высоту более 11 км.
Стратостаты, предназначенные для подъёма только до нижних слоёв стратосферы, называются субстратостатами.
Первый в мире стратостат был сконструирован и построен выдающимся швейцарским учёным Огюстом Пикаром, который планировал использовать его для исследования космических лучей. Стратостат был оборудован сферической герметичной гондолой из алюминия, которая защищала экипаж от непригодных для жизни условий стратосферы.
Проектирование и создание гондолы было осуществлено в 1930 году при поддержке бельгийской организации Fonds National de la Recherche Scientifique (FNRS), в честь которой она была названа FNRS-1.
Через некоторое время после старта выяснилось, что гондола негерметична, но Пикару быстро удалось заделать щель. В ходе дальнейшего подъёма отказал механизм управления клапаном баллона и стратостат потерял управление.
В завершение выяснилось, что неисправна система терморегуляции гондолы, из-за нагрева солнцем температура поднялась до 40 °C при температуре воздуха снаружи стратостата −50 °C.
Несмотря на все неприятности, ночью, когда баллон остыл, стратонавтам удалось благополучно приземлиться в тирольских Альпах.
18 августа 1932 Пикар совершил второй рекордный полёт, в целом более удачный, вместе с бельгийским учёным Максом Козинсом.
В середине тридцатых годов учёный осознал, что концепция баллона с герметичной гондолой может быть использована для исследования океанских глубин.
В 1937 он сконструировал небольшую стальную гондолу, способную выдерживать большое давление. Дальнейшие работы были прерваны разразившейся войной.
В 1945 году разработка всё же была завершена. Новый аппарат, получивший название батискаф, представлял собой высокопрочную герметичную стальную гондолу для экипажа, которая прикреплялась к большому поплавку, наполненному бензином для обеспечения положительной плавучести.
Для погружения использовалось несколько тонн стального или чугунного балласта в виде дроби, удерживаемого в бункерах электромагнитами.
На пути в космос. Стратостаты
Сегодня посмотрим, на чем в 1930-е годы предки впервые оторвались от Земли на расстояние в 20 километров.
Гондола стратостата «СССР-1»: кольчугалюминий, утеплитель из оленьего войлока, амортизатор из ивовых прутьев.
1. Предыстория. Зачем?
Одной из главных научных целей путешествий в стратосферу было измерение интенсивности космических лучей. Наилучшие условия для этого были вдали от поверхности Земли, чем дальше — тем лучше. А поскольку обслуживать тогдашнюю аппаратуру должен был человек, то полеты закономерно должны были стать пилотируемыми.
Параллельно в виду надвигающейся большой войны перед военными забрезжила идея сверхвысотной авиации с невиданными доселе скоростями и вне зоны досягаемости зенитного огня.
Интересы ученых и военных совпали. Помноженные на романтику открытий и стремление к рекордам, эти факторы вылились в краткий бум стратонавтики 1930-х годов.
Игроков в стратосфере было трое: швейцарец Огюст Пиккар, СССР и США. С 1931 по 1935 год эти участники построили с десяток стратостатов и установили шесть мировых рекордов высоты.
2. Устройство гондолы
Поскольку давление в стратосфере крайне низкое, то человеку там необходима герметичная капсула или скафандр. В 1930-х остановились на первом, более простом, варианте.
К разработке гондол подходили весьма тщательно — например, для кабины рекордного стратостата «СССР-1» сделали полноразмерный деревянный макет, отработали на нем компоновочные решения, выполнили гондолу в металле, испытали ее давлением и лишь после этого допустили к полету.
Гондолы первых советских стратостатов оснащались амортизационным устройством из ивовых прутьев, размещавшимся под кабиной (см. первый снимок).
При скорости более 5 м/с «корзина» должна была сломаться, поглотив энергию удара. 
У первого «настоящего» стратостата «FNRS-1» Огюста Пиккара амортизаторы были только, так сказать, персональные: 
Американцы ушли не дальше — команда Explorer II была экипирована лишь шлемами для американского же футбола.
Углекислый газ в гондоле поглощался патронами с гидроксидом натрия (едким натром), кислород добавлялся вручную из баллонов с жидким или газообразным О2.
Влажность воздуха в гондолах часто никак не регулировалась, быстро достигала 100% и выпадала в виде росы или инея на стенках. В одном из полетов советские стратонавты едва успели закончить замеры параметров до того, как реки конденсата смыли риски на шкалах приборов, сделанные тушью. Позже появились сорбенты-поглотители влаги. Была интересная идея с осушением воздуха путем его охлаждения до выпадения конденсата, но опробована она, насколько мне известна, не была.
Гондола FNRS-1 была оригинальней всех: 
С одной стороны ее покрасили в белый, а с другой — в черный цвет. По замыслу создателя, поворот сферы той или иной стороной к Солнцу должен был регулировать температуру в гондоле.
4 — пропеллер для вращения гондолы.
На практике устройство не заработало, солнце светило с «черной» стороны и внутренняя температура в первом полете Пиккара поднялась до +38.
В следующем полете вентилятор сняли, а всю капсулу покрыли серебрянкой. Внутри стало минус 16.
Американские конструкторы сделали то же, но по своему: 
Предполагалось, что верхняя половина сферы будет отражать солнечное излучение, а нижняя — поглощать тепло от Земли. Идея сработала лучше предыдущей, но тоже не блестяще: во время полетов в гондоле были бодрые +5 градусов.
Советские стратонавты просто теплоизолировали металлические гондолы, обтягивали их материей и красили в серый или голубой цвет. Как показала практика, такое решение оказалось самым удачным. 
Проблему герметизации веревки управления маневренным клапаном на выходе из гондолы конструктор FNRS-1 Пиккар решил, пропустив клапанную веревку через U-образную трубку, заполненную ртутью. Ртуть своим весом компенсировала разницу давлений и являлась жидким уплотнителем, не препятствуя прохождению клапанной веревки.
Вид сверху на внутренность гондолы; в верхней части снимка видна U-образная трубка: 
(это снимок «Осоавиахима-1», на котором U-трубку «срисовали» с FNRS-1)
Приборы для взятия проб воздуха размещались снаружи кабины. Так, на стропах «СССР-1» подвешены стеклянные сосуды, из которых откачан воздух. По сигналу из кабины электромагнит отпускал грузик, тот отбивал конец горлышка, и воздух из стратосферы поступал в сосуд. При последующей подаче тока разогревалась платиновая проволока и запаивала горлышко обратно. 
(«СССР-1» строился под эгидой ВВС РККА — вспоминаем про интерес армии — поэтому стартовая команда состоит из красноармейцев).
США. Explorer. И тут военные: 
3. Водород и балласт
Теория и практика воздухоплавания гласили: снижение аэростата с предельной высоты происходит со все возрастающей скоростью. Балласта брали много — до 30% от подъемной силы — и во время спуска сбрасывали, чтобы скорость не стала слишком большой.
О важности балласта говорит тот факт, что «Осоавиахим-1» во время рекордного подъема на 22 км сохранил так мало балласта, что спуститься благополучно шансов уже не имел, в связи с чем и разбился (см. Документы о катастрофе стратостата «Осоавиахим-1»).
Однако гондола стратостата — это не корзина воздушного шара, она герметична. В экстренных случаях экипаж мог выкинуть малоценное оборудование типа кислородных баллонов и аккумуляторов или выброситься с парашютами, но это возможно уже на относительно небольшой высоте, когда можно открыть люки. Для сброса балласта на высоте нужно было техническое решение.
На FNRS-1 и «Осоавиахиме-1» весовая нагрузка в виде свинцовой дроби находился внутри гондолы. При необходимости пилот совком зачерпывал дробь, насыпал в приемную воронку, закрывал верхний кран, открывал нижний — дробь высыпалась, оставляя гондолу герметичной.
9 — устройство сброса балласта
У стратостата «СССР-1» дробь в мешках находилась под гондолой, внутри уже знакомого нам амортизатора. 
Мешки удерживались штырьками; стратонавт крутил рукоятку (на рисунке поз.22), трос наматывался на барабан и последовательно выдергивал штырьки. Мешки, будучи привязанным к амортизационной корзине за нижний конец, опрокидывались, высыпая дробь через свой верхний конец. Таким образом, устранялись несчастные случаи, которые могли бы произойти, если бы дробь падала мешками. Длина троса была подобрана таким образом, чтобы при одном полуобороте вала вытаскивался один штырек. Если пилот хотел сбросить, скажем, три мешка балласта, он должен был прокрутить ручку на 1,5 оборота.
Вся тонна балласта могла быть сброшена за минуту, посему такая схема считалась более продвинутой.
Чтобы дать пилоту возможность контролировать запас балласта, у двух окон гондолы «СССР-1» снаружи были укреплены два зеркала, при помощи которых пилот видел подвешенные под капсулой мешки.
Внутри гондолы. Видны: рукоятка сброса балласта, кислородные баллоны, откинутая аварийная заглушка на иллюминаторе: 
Для сравнения внутренности «американца»: 
Американцы мешки с балластом и аккумуляторы подвешивали снаружи гондолы, но сбрасывали также изнутри, выдергивая соответствующие штырьки. 
Собственно, сброс балласта и открытие выпускного клапана в верху оболочки — это все инструменты управления стратостатом. Хотим вверх — сбрасываем балласт, вниз — выпускаем газ из оболочки.
Выпускной клапан: 
Клапан открывался путем дерганья за соответствующую веревку в гондоле.
Непосредственно при посадке стратонавты тянули другую веревку, помеченную красным лоскутком — веревку разрывного полотна. При приземлении этот большой кусок ткани в верху оболочки позволял быстро освободить оболочку от водорода.
Черный кружок — выпускной клапан, черный треугольник — разрывное полотнище. 
Иногда разрывное полотнище не срабатывало:
Оболочку изготавливали из прорезиненного хлопка или шелка, в верхней части плотнее, чем в нижней. Здесь хорошо видно: 
Пуски стратостатов переносились так же часто, как через 50 лет будут переносится старты «шаттлов».
Погоду ждали месяцами. Высота рекордных стратостатов составляла более сотни метров, и для старта нужен был штиль, ибо в противном случае ветер сносил наполняющуюся оболочку. В частности, поэтому американцы запускали свои аппараты из каньона, а много позже — с палубы авианосца, который мог своим ходом скомпенсировать ветер.
По той же причине нижнюю часть огромной оболочки стратостата «СССР-3» при старте подвязали к верхней, уменьшив его высоту. После подъема на несколько сот метров «скрепы» отпустили, но нижняя часть оболочки задела веревку разрывного полотнища, оно открылось, и стратостат рухнул с высоты 700-800 м:
Так же, как ветер, недопустим был и туман. «СССР-1» при первом старте 23 сентября 1933 года набрал на оболочку полтонны влаги и просто не смог взлететь — водород стравили, запуск перенесли.
Обычно старт происходил в теплый сезон, рано утром. Ночью оболочку заполняли газом через главный аппендикс (рукав), который потом завязывался. Дополнительные аппендиксы, через которые внутрь оболочки проходили веревки клапана и разрывного полотнища, оставались открытыми: через них внутренность оболочки свободно сообщалась с атмосферой.
Заправка Explorer’а: 
Тут тоже были нюансы. Заполнение «СССР-2»:
На центральном московском аэродроме разложена гигантская оболочка, вокруг 1000 баллонов со сжатым водородом. Дается команда, баллоны открываются, и водород по шлангам сначала небольшого диаметра, затем соединяющимся и увеличивающимся, пошел в патрубок диаметром больше полуметра, соединенный с оболочкой. Оболочка начала приподниматься, пухнуть. Она растет на глазах все выше и выше… Уже верхний купол на высоте примерно 100 м. А заполнение продолжается, часть оболочки еще лежит на земле, вздувается горбом, водород образует эти горбы и с шумом прорывается кверху. И вдруг… при одном таком прорыве внутри оболочки раздался глухой грохот, вверху показались языки пламени. Все бросились врассыпную. А оболочка с пламенем вверху медленно опускается на землю. Команда — «закрыть баллоны», начали обрезать шланги. Паника улеглась. Оболочка догорела до земли, образовался большой выжженный круг, и все погасло.
Потом выяснилось — рабочие завода «Каучук», готовившие оболочку, не могли ходить по ней босиком, она «кололась», масса шелковой прорезиненной ткани при шевелении заряжалась электричеством.
Водород вообще из-за своей взрывоопасности доставлял массу проблем. Только один из рекордных стратостатов — американский «Explorer II» летел на гелии.
Параллельно с заполнением оболочки взвешивали гондолу, пломбировали метеоприборы и запускали радиозонды-разведчики погоды, если таковые имелись.
Предстартовый осмотр оболочки «СССР-1» с шаров-прыгунов:
Когда подавалась команда «Тишина на старте!», к верхушке оболочки поднимался «прыгун», стратонавты тянули веревку выпускного клапана, и «прыгун» на слух убеждался, что клапан открылся.
Как видно, оболочка заправлялась водородом далеко не полностью. Поскольку на высоте 20 км плотность воздуха составляет 0,09 кг/куб.м против 1,2 кг/куб.м на уровне моря, то и объем оболочки с подъемом увеличивался во 10. 15 раз: 
20 километров — это как раз та высота, вокруг которой шла борьба рекордов. Положение на 1934 год (финальную точку здесь поставил Explorer II с результатом 22066 м): 
В черной рамке — погибшие Федосеенко, Васенко и Усыскин с «Осоавиахима-1».
Вообще стратостаты падали разнообразно и регулярно, особенно, к сожалению, советские. Так «садился» Explorer I (разрыв оболочки): 
По той же причине, но не столь стремительно, упал и советский «СССР-1-бис». И в том, и в другом случае люди спаслись, выбросившись с парашютами, но в целом стратосфера взяла человеческих жизней, пожалуй, больше, чем космос.
После Второй мировой стратостаты использовали для испытаний космических скафандров и систем спасения, с них пытались запускать ракеты, применяли для шпионажа и наблюдений за космосом, а завтра из стратосферы обещают раздавать интернет.
а) FAQ: Почему каждый стратостат имеет свой «потолок»? В какое время года лучше летать в стратосферу? Для чего при спуске стратостата обычно выпускают длинную веревку (гайдроп), которая волочится по земле? и т.д. — Прянишников В.И. «Занимательное мироведение в вопросах и ответах» (1939).
б) Кинохронику можно увидеть в фильмах про Осоавиахим-1 и про Explorer II.
г) Последний по времени, кхм, пилотируемый полет на стратостате — проект «Хвост» с мышенавтом на борту.