Воздушные шары, аэростаты и дирижабли

Раньше, когда люди мечтали о полете, в их воображении «летающие машины» напоминали птиц. Но еще за сотню лет до того, как развитие техники позволило осуществить подобный полет, во Франции был открыт иной способ полета-воздухоплавание: полет на аппаратах легче воздуха, аэростатах. Аэростат взвешен в толще атмосферы и плавает в ней на высоте, которая зависит от его массы, состояния окружающего воздуха и объема вытесняемого аппаратом воздуха.

Конструкция воздушного шара. Идея создания воздушного шара из легкого материала и наполнения его газом меньшей плотности, чем воздух, зародилась в средние века. В 1670 г. Франческо де Лана предложил проект воздушного корабля, поднимаемого ввысь четырьмя большими медными сферами, из которых откачан воздух (Лана не догадывался, что сферы, достаточно прочные, чтобы не сплющиться после откачки, гораздо тяжелее вытесненного ими воздуха). В XVIII в. создание воздушного шара стало более реальным в связи с открытием водорода - самого легкого из существующих на Земле элементов. Английский химик Джозеф Блэк (1728-1799), изучавший водород (и открывший углекислый газ), мечтал о создании наполненного водородом воздушного шара, но, насколько известно, экспериментов не проводил.

В 1782 г. французские мастера по производству бумаги братья Жозеф (1740-1810) и Этьен (1745-1799) Монгольфье обратили внимание на то, что легкие обугленные частицы дерева поднимаются над костром. Они сделали бумажные мешки, которые, будучи наполненными горячим воздухом над открытым огнем, взмывали вверх и улетали. 4 июня 1783 г. братья запустили 11 -метровый воздушный шар из льняного полотна и бумаги, который поднялся на высоту 1830 м.

Воздушный шар произвел сенсацию. Жак Шарль (1746-1823) приступил к созданию аэростата, наполненного водородом, а братья Монгольфье сделали воздушный шар достаточно больших размеров, чтобы поднять человека. Жаровня для нагрева воздуха помещалась в гондоле шара. 15 октября 1783 г. Пилатр де Розье поднялся в воздух на привязанном к земле воздушном шаре, а пятью неделями позже он и д’Арлан совершили первое в истории воздушное путешествие, покрыв 8 км при слабом ветре за 25 мин. 1 декабря 1783 г. совершил полет наполненный водородом аэростат Шарля с людьми на борту.

21 ноября 1783 г. впервые в мире два аэронавта поднялись на воздушном шаре и пролетели над Парижем около 8 км. Они стояли в плетеной корзине, охватывающей нижний конец раскрашенной оболочки самого большого воздушного шара братьев Монгольфье, наполненного горячим воздухом. Шар был сделан из бумаги с прокладкой из льняного полотна и пропитан квасцами во избежание воспламенения. Его высота 15 м, масса около 785 кг. Воздух внутри шара объемом 2200 м3 нагревался от жаровни на проволочной решетке в центре корзины

Около 100 лет воздухоплавание доминировало среди других способов полета. Воздушные шары достигали высоты 6 км и совершали перелеты в сотни километров (в 1859 г. в США Джон Уайз пролетел 1300 км от г. Сент-Луис до г. Хендерсон). В 1870 г. во время франко-прусской войны только воздушные шары связывали Париж с внешним миром.

Использование воздушных шаров и других аппаратов легче воздуха. Первые воздухоплаватели мечтали о создании средства передвижения, которое освободило бы их от милости ветра. Пробовали управлять веслами, ручными воздушными винтами, но только после изобретения Анри Жиффаром (1823-1921) в 1852 г. «управляемого» дирижабля с паровым двигателем аппарат легче воздуха стал реальностью. Первые дирижабли были «мягкой системы» [2]: они имели гибкую оболочку из ткани, к которой на стропах подвешивалась полезная нагрузка. В дирижаблях полужесткой конструкции [3] имеется жесткий киль, а в жесткой системе [4] оболочка натянута на металлический каркас. К началу первой мировой войны эффективно использовались дирижабли, привязные змейковые аэростаты и аэростаты мягкой системы.

Дирижабли мягкой системы имеют гибкие оболочки, постоянная форма которых обеспечивается тем, что давление внутри них немного превышает давление окружающего воздуха. Полезная нагрузка подвешивается на канатной или проволочной сетке, распределяющей ее равномерно по всей оболочке. Здесь показан морской патрульный дирижабль, изготовленный примерно в 1913 г. Подобные дирижабли использовались и во второй мировой войне.

Такие же дирижабли, наполненные негорючим гелием, существуют и сейчас. Одни из них используются для рекламных текстов, другие превращены в грузовые транспортные средства

Дирижабли полужесткой конструкции редки. «Норвегия», один из серии итальянских дирижаблей, построенных в 1920 г., получил широкую известность после путешествия к Северному полюсу в мае 1926 г. Гибкая оболочка, наполненная газом, не имеет каркаса, но жесткий киль (от носа до хвостовой части) служит основанием, к которому крепится остальное оборудование.

Тросы и веревки идут вверх от киля, охватывая эластичную оболочку. К килю подвешиваются кабина управления и гондолы с двигателями

Дирижабли жесткой конструкции имеют скелетный каркас, внутри которого в мешках заключен легкий газ. К самым большим относятся немецкие дирижабли LZ129 «Гинденбург» (1936) и LZ130 «Граф Цеппелин» (1938). Газовые баллоны каждого из них содержали 200000 м3 водорода, что создавало подъемную силу 232 т [1]. Газовые мешки были размещены внутри алюминиевого каркаса [2], к которому подвешивались четыре дизельных двигателя мощностью 1050 л. с. [3] и полезная нагрузка [4] в виде 50 пассажиров вместе с их багажом, а также 12 т груза и почты. Дирижабль «Гинденбург» взорвался и погиб от пожара в 1937 г. в США

Полет аэростатов зависит от массы самого аэростата и объема вытесненного им воздуха. Для воздушных шаров, наполненных легким газом, и свободных аэростатов обычная процедура управления состоит в стравливании газа из оболочки для спуска и в сбрасывании балласта (песка или воды) для подъема. Дирижабли в рейсовых полетах могут изменять направление полета или высоту с помощью хвостовых аэродинамических рулей, но при малых скоростях полета они неэффективны. Подъемная сила шаров, наполненных горячим воздухом, зависит от разницы температуры между воздухом внутри оболочки и окружающей атмосферой.

Будущее аэростатов. К началу второй мировой войны от гигантских дирижаблей отказались после ряда крупных катастроф. Последней была гибель немецкого дирижабля «Гинден-бург» в 1937 г., на борту которого находилось 36 человек. Заградительные и свободные аэростаты еще какое-то время использовались, но после 1945 г. осталось мало поклонников спортивного воздухоплавания на воздушных шарах, наполненных водородом. После 1965 г. положение изменилось. Современный монгольфьер, т. е. воздушный шар, наполненный горячим воздухом, получил признание всюду, и сейчас ежегодно монгольфьеры продаются сотнями. Они снабжены легко регулируемыми пропановыми горелками, позволяющими управлять подъемом и спуском и держаться в воздухе сутками.

Дирижабль снова признан как возможное грузовое транспортное средство. Во всем мире изучаются проекты новых видов дирижаблей, которые, используя достижения современной техники, могли бы дешево и надежно перевозить сотни и тысячи тонн груза. Такие гигантские дирижабли, как «Скайшип» [8], могут стать реальностью уже до конца века. Они особенно полезны для освоения новых районов или для перевозки тяжелых контейнеров.

«Скайшип»-проект современного грузового дирижабля. Эта 10-метровая модель демонстрировалась в Великобритании в 1975 г. Полномасштабный дирижабль «Скайшип» диаметром 215 м будет иметь скорость около 160 км/ч с экипажем 24 человека и полезной нагрузкой 400 т.

Управление аэростатами ограничено при движении вверх сбрасыванием балласта [А], при движении вниз-стравливанием газа из оболочки [Б]. Тормозной канат (гайдроп) [В] придает шару устойчивость и обеспечивает мягкую посадку, когда для выпуска газа открывается выпускной сектор оболочки [Г]- Подъемная сила 28 м3 различных газов показана на рис. [Д].