Кіріспе
Балондар, көбінесе ауа райы шарлары – гелий немесе сутекпен толтырылатын, көбінесе адамсыз, стратосфераға жіберілетін және әдетте теңіз деңгейінен жоғары биіктікке жететін шарлар. 2013 жылы BS 13 08 аталған шар рекордтық биіктікке көтерілді. Ауа райы шарлары – осы биіктіктегі шарлардың ең көп таралған түрі. Басқа мақсаттары – жоғары атмосферадағы эксперименттер үшін платформа ретінде қолдану. Қазіргі заманғы шарлар радио хабар таратушылар, камералар немесе GPS қабылдағыштары сияқты спутниктік навигациялық жүйелерге қоса, электрондық жабдықтармен жабдылған. Хобби талғандар ауа райы шарларын оңай пайдалануы, төмен бағасы және кең таралғандығы үшін жиі сатып алады. Бұл шарлар "жақын ғарыш" деп аталатын жерге ұшырылады, ол Армстронг шегі (теңіз деңгейінен жоғары) мен Карман сызығы (теңіз деңгейінен жоғары) арасындағы Жер атмосферасының бөлігі болып табылады. Армстронг шегінде қысым сонша төмендейді ki, адам қысымды костюмсіз тірі қала алмайды, ал Карман сызығында ұшуды сақтау үшін аэродинамиканың орнына астродинамика қолданылуы керек. GPS және байланыс жабдықтарының төмен бағасының арқасында биік биіктіктегі шарлармен ұшу танымал хоббиге айналды, ал UKHAS сияқты ұйымдар пайдалы жүктерді дамытуға көмектеседі.
High altitude balloons or stratostats are usually uncrewed balloons typically filled with helium or hydrogen and released into the stratosphere, generally attaining between above sea level. In 2013, a balloon named BS 13 08 reached a record altitude of
The most common type of high altitude balloons are weather balloons. Other purposes include use as a platform for experiments in the upper atmosphere. Modern balloons generally contain electronic equipment such as radio transmitters, cameras, or satellite navigation systems, such as GPS receivers. Hobbyists frequently purchase weather balloons because of its ease of use, low price point, and its widespread commoditisation. These balloons are launched into what is defined as "near space", defined as the area of Earth's atmosphere between the Armstrong limit ( above sea level), where pressure falls to the point that a human being cannot survive without a pressurised suit, and the Kármán line ( above sea level), where astrodynamics must take over from aerodynamics in order to maintain flight. Due to the low cost of GPS and communications equipment, high altitude ballooning is a popular hobby, with organizations such as UKHAS assisting the development of payloads.
Бірінші сутегі шары
1783 жылы Францияда сутегімен толтырылған шарлармен алғашқы қоғамдық тәжірибе француз физика профессоры Жаку Шарль мен физикалық құралдарды жасаған атақты Роберт ағайындыларының қатысуымен өтті. Шарль бұрын шағын мөлшерде ғана өндірілген сутегінің көп мөлшерін темір мен күкірт қышқылын араластыру арқылы қамтамасыз етті. Шарды толтыруға 5 күн кетті және ол Париждегі Марс алаңынан ұшырылды, оны көру үшін 300 000 адам жиналды. Шар ұшып, бұлттардан жоғары көтерілді. Газдың кеңеюі шардың жыртылуына әкеп соқты және ол 45 минуттан кейін Парижден алысқа түсті.
Екіпажы бар биіктікке ұшатын шарлар
1930 жылдан бері адамдармен жабдықталған жоғары биіктіктегі шарлар зерттеулер үшін және ұшу биіктігінің рекордтарын табу мақсатында қолданылып келеді, оның ішінде Огюст Пиккардтың 16 201 метрге, советтік "Осоавиахим-1" шарларының 22 000 метрге және американдық "Explorer II" шарларының 22 066 метрге жасаған ұшулары бар. Адамдармен жасалған ең танымал жоғары биіктіктегі шар ұшуларының арасында ең биік парашютпен секіру бойынша үш рекорд бар: біріншісі 1960 жылы Жозеф Киттингердің "Excelsior" жобасы аясында 31 300 метрде, одан кейін 2012 жылы Феликс Баумгартнердің "Red Bull Stratos" үшін 38 969 метрде және соңғы рекорды 2014 жылы Алан Юстас 41 419 метрде жасады.
Қолданылуы
Адамсыз биікке көтерілетін шарлар зерттеу мақсатында, білім беру үшін және хоббишілер тарапынан қолданылады. Олардың көп қолданылатын салалары: метеорология, атмосфера және климатты зерттеу, жақын ғарыштан бейнелерді түсіру, радио әуесқойларының қолдануы және субмиллиметрлік астрономия. Жоғары биіктіктегі шарларды телекоммуникация және ғарыш туризмі салаларында пайдалану мүмкіндігі қарастырылып жатыр. Байланыс релелік станциялары сияқты қолданулар үшін биік платформалық станциялар ұсынылған.
Әуесқойлық жоғары биіктіктегі әуе шарымен ұшу
Көптеген елдерде жоғары биіктіктегі шарларды ұшыруға қажетті бюрократиялық рәсімдер, пайдалы жүктеме белгілі бір салмақ шегінен аспаса, көбінесе бірнеше килограммға дейін болады. Бұл кішкентай шарларды (HAB) ұшыру процесін көптеген студенттер мен әуесқой топтар үшін қолжетімді етеді. Олардың кішігірім өлшемдеріне қарамастан, бұл шарлар көбінесе (жақын және одан да жоғары) биіктіктерге көтеріледі, ғылыми және білім беру мақсатында стратосфераға оңай қол жеткізуді қамтамасыз етеді. Әуе шарымен ұшуды әуесқойлар көбінесе траекторияны болжау құралын пайдаланып жоспарлайды. Ұшыру алдында, жел бағыттарын болжаған ауа райы болжамы қолданылып, компьютерлік модельдеу арқылы шардың қозғалысын болжайды, соның нәтижесінде шардың қайда қонуы күтілетіні анықталады.
Әуе шарымен әуеге ұшу
Радио қашықтығын сынау осы хоббилердің маңызды бөлігі болып табылады. Әуесқой радиосы көбінесе 1200 бод жылдамдығымен байланыс үшін пакеттік радиомен қолданылады, бұл үшін "Автоматты пакеттік хабарлау жүйесі" деп аталатын жүйе пайдаланылады, ол ақпаратты жер станциясына жібереді. Кішігірім шарлармен бірге кішкентай "микро" немесе "пико" трекерлер де жасалады және іске қосылады. Бұл кішкентай трекерлер өз орналасқан жерлері мен басқа да деректерді беру үшін Морзе кодын, Field Hell және RTTY форматтарын пайдаланған. Әуесқой радиосымен алғашқы жоғары биіктіктегі шарларды ұшыру 1967 жылғы 28 мамырда Финляндиядағы "Илмари" бағдарламасы және 1964 жылы Германияда жүзеге асырылды.
ARHAB бағдарламасы
Әуесқой радиосының жоғары биіктіктегі шары (ARHAB) – аналогты және цифрлық әуесқой радионы ауа райы шарына қолдану және осы хоббиге Ральф Валлио (әуесқой радио шақыру белгісі W0RPK) есім қоюы. Көптеген жағдайларда "кедей адамның ғарыш бағдарламасы" деп аталатын ARHAB, әуесқойларға ғарыш кемесінің жұмыс істейтін үлгілерін жасауға және оларды ғарышқа ұқсас ортаға ұшыруға мүмкіндік береді. Билл Браун (әуесқой радио шақыру белгісі WB8ELK) 1987 жылдың 15 тамызында әуесқой радио хабар таратушысын алып жүретін шарды алғаш рет ұшыру арқылы қазіргі заманғы ARHAB қозғалысын бастаған деп есептеледі. ARHAB ұшуы шардан, құтқару парашютынан және бір немесе бірнеше жүк пакеттерінен тұрады. Жүк пакеті әдетте әуесқой радио хабар таратушысын қамтиды, ол ұшуды қалпына келтіру үшін қону орнына дейін қадағалауға мүмкіндік береді. Көптеген ұшуларда GPS қабылдағышынан орнын анықтап, оны цифрлық радио хабарламасына айналдыратын Автоматты пакеттік хабарлау жүйесі (APRS) трекері қолданылады. Басқа ұшулар аналогты маяктарды пайдалана алады және радио бағытын анықтау әдістерімен қадағаланады. Ұзаққа созылатын ұшулар көбінесе жоғары жиілікті, арнайы жасалған хабар таратушыларды және радиотелетип (RTTY), Hellschreiber, Морзе коды және PSK31 сияқты баяу деректерді протоколдарды пайдалануы керек, бұл аз батарея қуатымен үлкен қашықтыққа деректерді жіберуге мүмкіндік береді. ARHAB ұшуында әуесқой радио хабар таратушыларын пайдалану үшін әуесқой радио лицензиясы қажет, бірақ әуесқой радио емес хабар таратушыларды лицензиясыз пайдалануға болады. Трекерлік жабдықтан басқа, жүк пакетіне сенсорлар, деректерді тіркеу құрылғылары, камералар, әуесқой теледидары (ATV) хабар таратушылары немесе басқа ғылыми құралдар кіруі мүмкін. Кейбір ARHAB ұшулары BalloonSat деп аталатын жеңілдетілген жүк пакетін алып жүреді. Типик ARHAB ұшуы стандартты латекс ауа райы шарымен жүзеге асырылады, шамамен 2-3 сағатқа созылады және биіктікке жетеді. Нөлдік қысымды шары, суперқысымды шары және клапанды латекс шарымен эксперименттер ұшу уақытын 24 сағаттан астамға ұзартты. 2008 жылдың наурыз айында "Кноксвилл рухы" бағдарламасының нөлдік қысымдағы ұшуы 40 сағаттан астам уақытқа созылды және Ирландия жағалауына, ұшыру орнынан шамамен жерге қонды. 2011 жылдың 11 желтоқсанында Калифорния жақын ғарыш жобасының CNSP 11 рейсі, K6RPT 11 шақыру белгісімен, Сан-Хосе, Калифорниядан Жерорта теңізіне қонды, бұл рекордтық ұшу болды. Ұшу 57 сағат 2 минутқа созылды. Ол АҚШ-тың алғашқы табысты трансконтиненталдық және алғашқы табысты трансатлантикалық әуесқой радионың жоғары биіктіктегі шары болды. Осыдан кейін суперқысымды пластик пленка шарымен Жерді айналып өтетін бірнеше ұшулар жасалды. Әр жылы АҚШ-та Ұлы жазықтықтардың супер-іске қосылуы (GPSL) ARHAB топтарының ірі жиынына ұйымдастырылады.
BEAR бағдарламасы
Көпіршіктермен эксперименттер (BEAR) – Шервуд паркі мен Эдмонтон қалаларынан, Альберта провинциясынан шыққан әуесқой радио операторлары мен тәжірибешілер тобының Канададағы жоғары биіктіктегі көпіршіктермен жүргізетін эксперименттерінің сериясы. Эксперименттер 2000 жылы басталып, 2012 жылы BEAR 9 экспериментімен жалғасты. Көпіршіктер латекс материалынан жасалған және гелий немесе сутек газымен толтырылған. Барлық BEAR жүктерінде GPS қабылдағышы, APRS кодегі және радио хабар тарату модулінен тұратын іздеу жүйесі орналасқан. Басқа эксперименттік жүк модульдеріне әуесқой радиолық қайталағыш және цифрлық камера кіреді, олардың барлығы көпіршіктің астына ілінген жылу оқшауланған қорапқа орналасқан.
БалонSat
BalloonSat – ғарышқа жеңіл эксперименттер жеткізуге арналған қарапайым құрылғы. Олар кейбір жоғары мектептер мен колледждерде инженерлік принциптермен таныстырудың танымал тәсілі болып табылады. BalloonSat құрылғылары ARHAB рейстерінде қосымша жүк ретінде тасымалданады. BalloonSat-тардың қарапайым болуының бір себебі – оларға іздеу жабдықтарын қосу қажет емес, өйткені екіншілік жүк ретінде оларды іздеу капсулаларымен бірге тасымалдайды. Space Grant бағдарламасы 2000 жылдың тамызында BalloonSat бағдарламасын бастады. Ол ғарыш саласына қызығушылық танытқан жаңа ғылым және инженерлік студенттерді негізгі инженерлік техникалармен, командалық жұмыс дағдыларымен және ғарыш және Жер ғылымдарының негіздерімен таныстыру мақсатында құрылды. BalloonSat бағдарламасы Боулдердегі Колорадо университетінде Space Grant оқытатын курстың бір бөлігі болып табылады. Көбінесе BalloonSat құрылысының дизайны салмақ және көлем шектеулеріне бағынады. Бұл жақсы инженерлік тәжірибеге ынталандырады, қиындық тудырады және ARHAB рейсіне көптеген BalloonSat құрылғыларын қосуға мүмкіндік береді. Құрылымдық материал ретінде әдетте пенополистирол немесе пенокартон қолданылады, себебі олар жеңіл, өңдеуге оңай және жақсы жылу оқшаулау қасиеттеріне ие. Көбінесе олар сенсорлар, деректерді тіркеу құрылғылары және таймерлік схемалармен басқарылатын кішкентай камераларды қамтиды. Көп таралған сенсорларға ауа температурасы, салыстырмалы ылғалдылық, бұрылыс және үдеу кіреді. BalloonSat құрылғыларының ішіндегі эксперименттерге тірі жәндіктер мен тағам өнімдері де кірген. Ұшыру алдында көптеген BalloonSat құрылғылары сынақтан өтуі тиіс. Бұл сынақтар BalloonSat-тың дұрыс жұмыс істеуін және ғылыми нәтижелерді беруін қамтамасыз ету үшін жасалған. Сынақтарға суыққа төзімділік сынағы, құлау сынағы, функционалдық сынақ және салмақ өлшеу кіреді. Суыққа төзімділік сынағы BalloonSat-тың миссиясы кезінде сезінетін суық температураны имитациялайды. Ұшыру және қону қиындықтарға толы болуы мүмкін, сондықтан құлау сынағы BalloonSat-тың кенеттен құлаудан кейін де тұтас күйінде қалып, жұмыс істеуін талап етеді. Функционалдық сынақ BalloonSat тобының ұшыру алаңында құрылғыны дайындауға қабілетті екенін растайды.
Түрлі пайдалы жүктемелер
Ғылыми қызметпен қатар, мектептер, блогерлер және басқа да жеке тұлғалар биік қабатты шарлармен стратосфераға түрлі жаңадандылықтарды жіберуде. Олардың арасында плюштік аюлар, LEGO фигуркалары, гамбургерлер, Корнуолл пирогы, сарымсақ наны, бекон және сыраның консервілі банкілері болды. Бұл биіктіктегі ауа жылдамдығы теңіз деңгейіндегіден төмен. Жетектейтін жүйе шарға қозғалып, орнын сақтауға мүмкіндік береді. GBS күн панельдерімен қуаттандырылады. GBS кең аумақта жоғары жылдамдықты интернетке қол жеткізу үшін пайдаланылуы мүмкін. Лазерлік кең жолақты байланыс GBS-ті желіге қосады, бұл Жердің қисықтығы және кедергісіз Френель аймағы арқасында кең көру бұрышын қамтамасыз етеді, соның нәтижесінде үлкен аумақты қамтуға болады.
Аризона ғарыш шары порт
World View Enterprises компаниясы Аризона штатының Пима округінде шарлық ғарыш портын (жоғары биіктіктегі шарлық порт) салған және оны пайдалануда.