Введение

Тип аэростата, который удерживается в воздухе за счет силы Архимеда.

В аэронавтике воздушный шар – это немоторизованный аэростат, который остается в воздухе или парит благодаря своей плавучести. Шар может быть свободным, перемещаясь вместе с ветром, или привязанным к фиксированной точке. Он отличается от дирижабля, который является моторизованным аэростатом, способным самостоятельно перемещаться в воздухе управляемым образом. Многие воздушные шары имеют корзину, гондолу или капсулу, подвешенную под основным оболоком для перевозки людей или оборудования (включая камеры, телескопы и механизмы управления полетом).

Аэростанция

Аэростация – устаревший термин, обозначающий воздухоплавание и конструирование, эксплуатацию и навигацию летательных аппаратов легче воздуха. Книга Тиберия Кавалло «История и практика аэростации» была опубликована в 1785 году. На эту тему были опубликованы и другие книги, в том числе работы Монка Мейсона. Драматург Фредерик Пилон написал пьесу под названием «Аэростация».

Горячевоздушные шары

Первый воздушный шар, который перевозил пассажиров, использовал горячий воздух для обеспечения подъёмной силы и был построен братьями Жозефом и Этьеном Монгольфье в Анноне, Франция, в 1783 году: первый пассажирский полёт состоялся 19 сентября 1783 года, перевозя овцу, утку и петуха. Первый пилотируемый полёт на воздушном шаре с привязью был осуществлён на большем воздушном шаре Монгольфье, предположительно 15 октября 1783 года. Первый свободный полёт на воздушном шаре был совершён тем же воздушным шаром Монгольфье 21 ноября 1783 года. При нагревании воздух расширяется, поэтому в заданном объёме пространства содержится меньше воздуха. Это делает его легче, и если его подъёмная сила превышает вес воздушного шара, содержащего его, шар поднимается вверх. Горячий воздушный шар может оставаться в воздухе только до тех пор, пока у него есть топливо для горелки, чтобы поддерживать необходимую температуру воздуха. Ранние воздушные шары Монгольфье использовали твердотопливную горелку, которая оказалась менее практичной, чем водородные шары, появившиеся вскоре после этого, и воздухоплавание на воздушных шарах вскоре пришло в упадок. В 1950-х годах удобство и низкая стоимость газовых горелок с баллонами привели к возрождению воздухоплавания на воздушных шарах как вида спорта и досуга. Высота воздушного шара регулируется увеличением или уменьшением мощности горелки по мере необходимости, в отличие от газового шара, где часто берут с собой балластные грузы, которые можно сбросить, если шар опустится слишком низко, а для посадки необходимо выпускать часть подъёмного газа через клапан.

Газовые шары

Человек, несущий воздушный шар, использующий легкий газ водород для обеспечения подъемной силы, был создан профессором Жаком Шарлем и запущен менее чем через месяц после полета братьев Монгольфье, 1 декабря 1783 года. Газовые шары обеспечивают большую подъемную силу при заданном объеме, поэтому они не должны быть такими большими, как воздушные шары с горячим воздухом, и могут оставаться в воздухе значительно дольше. Поэтому газовые шары доминировали в воздухоплавании на протяжении следующих 200 лет. В XIX веке для наполнения воздушных шаров часто использовали городской газ; он был менее легким, чем чистый водород, обеспечивая примерно половину подъемной силы, но был значительно дешевле и легко доступен. Легкие газовые шары преобладают в научных исследованиях, поскольку способны достигать гораздо больших высот на гораздо более длительные периоды времени. Обычно их заполняют гелием. Хотя водород обладает большей подъемной силой, он взрывоопасен в атмосфере, богатой кислородом. За редкими исключениями, научные миссии с использованием воздушных шаров выполняются без экипажа. Существует два типа легких газовых шаров: шары с нулевым давлением и шары сверхдавления. Шары с нулевым давлением представляют собой традиционную форму легкого газового воздушного шара. Они частично заполняются легким газом перед запуском, при этом давление газа внутри и снаружи оболочки шара одинаково. По мере подъема шара газ расширяется, поддерживая нулевую разницу давлений, и оболочка шара увеличивается в объеме. Ночью газ в шаре с нулевым давлением охлаждается и сжимается, что приводит к опусканию шара. Шар с нулевым давлением может поддерживать высоту только путем сброса газа, когда он поднимается слишком высоко, где расширяющийся газ может привести к разрыву оболочки, или сброса балласта, когда он опускается слишком низко. Потеря газа и балласта ограничивает продолжительность полета шаров с нулевым давлением до нескольких дней. В отличие от них, шар сверхдавления имеет прочную и неэластичную оболочку, которая заполняется легким газом под давлением, превышающим атмосферное, а затем герметично закрывается. Шар сверхдавления не может значительно изменять свой размер и поэтому поддерживает в целом постоянный объем. Шар сверхдавления поддерживает высоту на уровне постоянной плотности атмосферы и может оставаться в полете до тех пор, пока постепенная утечка газа не приведет к его спуску. Шары сверхдавления обеспечивают продолжительность полета в течение месяцев, а не дней. Фактически, в типичной наземной операции миссия шара сверхдавления завершается командой с наземного управления открыть оболочку, а не из-за естественной утечки газа. Высотные шары используются в качестве высотных платформ для транспортировки научных приборов (например, метеорологических шаров) или достижения высот, близких к космическим, для съемки видео или фотографий Земли. Эти шары могут подниматься на высоту более 30,5 км и предназначены для разрыва на заданной высоте, где развертывается парашют для безопасной доставки полезной нагрузки на Землю. Кластерное воздухоплавание использует множество небольших шаров, заполненных газом, для полета.

Комбинированные воздушные шары

Ранние аэростаты не могли долго оставаться в воздухе из-за большого расхода топлива, а ранние водородные шары было сложно поднимать или опускать по желанию, поскольку аэронавт мог лишь несколько раз выпускать газ или сбрасывать балласт. Пилатр де Розье понял, что для полета на большие расстояния, например, через Ла-Манш, аэронавту необходимо использовать различные направления ветра на разных высотах. Поэтому для такого полета крайне важно было иметь хороший контроль над высотой и при этом сохранять возможность длительного пребывания в воздухе. Он разработал комбинированный аэростат, состоящий из двух газовых оболочек – аэростат Розье. Верхняя оболочка была заполнена водородом и обеспечивала основную постоянную подъемную силу, а нижняя – горячим воздухом, который можно было быстро нагревать или охлаждать для регулировки подъемной силы и точного контроля высоты. В 1785 году Пилатр де Розье предпринял попытку перелететь Ла-Манш, но вскоре после взлета водородная оболочка загорелась, и де Розье погиб в последовавшей катастрофе. Это принесло де Розье печальную славу "Первого, кто взлетел, и первого, кто погиб". Лишь в 1980-х годах были разработаны технологии, позволившие безопасно эксплуатировать аэростаты типа Розье, например, с использованием негорючего гелия в качестве подъемного газа, и несколько конструкций успешно совершили дальние перелеты.

Подвесные и воздушные шары

В качестве альтернативы свободному полету воздушный шар может быть привязан, чтобы обеспечить надежный взлет и посадку в одном и том же месте. Некоторые из самых ранних полетов на воздушных шарах осуществлялись с привязью из соображений безопасности, и с тех пор шары привязывались для различных целей, включая военное наблюдение, создание противовоздушной обороны, метеорологические и коммерческие нужды. Естественная сферическая форма воздушного шара неустойчива при сильном ветре. Привязанные шары, используемые в ветреную погоду, часто стабилизируются за счет аэродинамической формы и крепления к привязи посредством специальной системы строп. Такие шары называются аэростатами-змеями. Аэростат-змей отличается от китуна, который получает часть подъемной силы за счет аэродинамических сил.

Предыдущие

В китайской истории упоминаются беспилотные воздушные шары. Чжугэ Лян из царства Шу Хань в эпоху Троецарствия (220–280 гг. н.э.) использовал воздушные фонари для военной сигнализации. Эти фонари известны как фонари Конгмин (孔明灯). Монгольская армия узнала о фонарях Конгмин от китайцев и использовала их в битве при Легнице во время монгольского вторжения в Польшу. В 1709 году бразильский португальский священник Бартоломеу де Гусмао поднял в воздух воздушный шар, наполненный нагретым воздухом, в помещении в Лиссабоне. 8 августа 1709 года в Лиссабоне Гусмао сумел поднять небольшой бумажный шар с горячим воздухом примерно на четыре метра перед королем Жуаном V и португальским двором. Он также утверждал, что построил воздушный шар под названием Passarola (Большая птица) и предпринял попытку подняться на нем с замка Святого Георгия в Лиссабоне, приземлившись примерно в одном километре от замка. Однако достоверность этого подвига остаётся под вопросом, хотя запись об этом полёте присутствует в источнике, используемом FAI, точное расстояние и условия полёта не подтверждены.

Первые современные воздушные шары

После работы Генри Кавендиша в 1766 году над водородом, Жозеф Блэк предположил, что воздушный шар, наполненный водородом, сможет подняться в воздух. Первый задокументированный пилотируемый полет был совершен на воздушном шаре, построенном братьями Монгольфье, 21 ноября 1783 года. 28 марта Андреани получил овацию в театре Ла Скала, а затем медаль от Иосифа II, императора Священной Римской империи. Де Розье вместе с Жозефом Прустом приняли участие в очередном полете 23 июня 1784 года на модифицированной версии первого воздушного шара Монгольфье, названного «Ла Мари Антуанетт» в честь королевы. Они взлетели в присутствии короля Франции и короля Швеции Густава III. Шар летел на север на высоте около 3000 метров, над облаками, преодолев 52 км за 45 минут, прежде чем холод и турбулентность вынудили его спуститься в районе Лузарша, между Кое и Ори-ла-Виль, недалеко от леса Шантильи. Первый полет на воздушном шаре в Великобритании совершил Джеймс Тайтлер 25 августа 1784 года в Эдинбурге, Шотландия. Первая авиационная катастрофа произошла в мае 1785 года, когда город Тулламор, графство Оффали, Ирландия, был серьезно поврежден в результате крушения воздушного шара, вызвавшего пожар, в котором сгорело около 100 домов, сделав город местом первой в мире авиационной катастрофы. И по сей день на городском гербе изображен феникс, восстающий из пепла. Жан-Пьер Бланшар совершил первый пилотируемый полет на воздушном шаре в Америке 9 января 1793 года, после турне по Европе с целью установления рекорда первого полета на воздушном шаре в таких странах, как Австрийские Нидерланды, Германия, Нидерланды и Польша. Его водородный шар взлетел с тюремного двора в Филадельфии, штат Пенсильвания. Полет достиг высоты 1770 метров и приземлился в округе Глостер, штат Нью-Джерси. Президент Джордж Вашингтон был среди гостей, наблюдавших за взлетом. Софи Бланшар, жена Жана Пьера, была первой женщиной, управлявшей собственным воздушным шаром, и первой женщиной, выбравшей воздухоплавание в качестве профессии. 29 сентября 1804 года Абрахам Хопман стал первым голландцем, совершившим успешный полет на воздушном шаре в Нидерландах. Газовые шары стали наиболее распространенным типом с 1790-х по 1960-е годы. Французский военный наблюдательный воздушный шар «L'Intrépide» 1795 года является старейшим сохранившимся самолетом в Европе; он экспонируется в Музее военной истории в Вене. Жюль Верн написал короткий научно-популярный рассказ, опубликованный в 1852 году, о том, как он оказался на борту водородного воздушного шара. Самый первый успешный полет на воздушном шаре в Австралии совершил Уильям Дин в 1858 году. Его шар был наполнен газом и пролетел 30 км с двумя людьми на борту. 5 января 1870 года Т. Гейл совершил восхождение из Домена в Сиднее. Его шар имел длину 17 метров и окружность 31 метр, и во время восхождения, сидя на сетке, он пролетел около мили, прежде чем приземлился в Глейбе. Анри Гиффард также разработал привязанный воздушный шар для пассажиров в 1878 году в саду Тюильри в Париже. Первый привязанный воздушный шар в современную эпоху был создан во Франции в замке Шантильи в 1994 году компанией Aerophile SA. Воздухоплавание развивалось как вид досуга. Ему был дан значительный импульс, когда Чарльз Грин обнаружил, что легкодоступный угольный газ, который начал использоваться в городах, давал половину подъемной силы водорода, который необходимо было специально производить. В 1836 году Грин совершил перелет протяженностью около 800 километров из Лондона, Англия, в Вейльберг, Германия.

Военное применение

Первое военное использование воздушного шара произошло в битве при Флерусе в 1794 году, когда L'Entreprenant был использован французским аэростатическим корпусом для наблюдения за передвижениями противника. 2 апреля 1794 года в французской армии был создан корпус аэронавтов; однако, учитывая логистические проблемы, связанные с производством водорода на поле боя (для этого требовалось строить печи и лить воду на раскалённое железо), корпус был расформирован в 1799 году. Первое масштабное применение воздушных шаров в военных целях произошло во время Гражданской войны в США с созданием в 1861 году Корпуса воздушных шаров армии Союза. Во время Парагвайской войны (1864–1870) наблюдательные воздушные шары использовались бразильской армией. Британские королевские инженеры использовали воздушные шары в 1885 году для разведки и наблюдения во время Бечуанландской экспедиции и Суданской экспедиции. Хотя эксперименты в Великобритании проводились ещё в 1863 году, Школа воздухоплавания была основана в Чатэме, Медуэй, Кент, только в 1888 году. Во время Англо-бурской войны (1899–1902) использовались наблюдательные воздушные шары. Один воздушный шар оставался надутым в течение 22 дней и проделал вместе с британскими войсками 165 миль в Трансвааль. Водородные воздушные шары широко использовались во время Первой мировой войны (1914–1918) для обнаружения передвижений вражеских войск и корректировки артиллерийского огня. Наблюдатели передавали свои доклады по телефону офицерам на земле, которые затем передавали информацию тем, кому она была необходима. Воздушные шары часто становились мишенью для вражеской авиации. Самолёты, предназначенные для атаки на вражеские воздушные шары, часто оснащались зажигательными пулями для воспламенения водорода. Знак аэронавта был учреждён армией Соединённых Штатов во время Первой мировой войны для обозначения военнослужащих, являвшихся квалифицированными пилотами воздушных шаров. Наблюдательные воздушные шары оставались на вооружении и после Первой мировой войны, применяясь в Русско-финских войнах, Зимней войне 1939–1940 годов и Войне-продолжении 1941–1945 годов. Во время Второй мировой войны японцы запустили тысячи водородных "огненных шаров" против Соединённых Штатов и Канады. В рамках операции "Outward" британцы использовали воздушные шары для доставки зажигательных бомб в нацистскую Германию. В 2018 году из сектора Газа в Израиль были запущены зажигательные шары и воздушные змеи, которые сожгли около 12 000 дунамов (3 000 акров) территории Израиля. Большие гелиевые шары используются правительством Южной Кореи и частными активистами, выступающими за свободу в Северной Корее. Они проплывают сотни километров через границу, доставляя новости из внешнего мира, нелегальные радиоприёмники, иностранную валюту и предметы личной гигиены. Один северокорейский военный чиновник назвал это "психологической войной" и пригрозил нападением на Южную Корею в случае продолжения подобных запусков.

Возвращение горячего воздуха

Эд Йост перепроектировал воздушный шар в конце 1950-х годов, используя ткани рипстоп-нейлон и мощные пропановые горелки, чтобы создать современный воздушный шар. Его первый полет на таком шаре, длившийся 25 минут и протяженностью 3 мили (5 км), состоялся 22 октября 1960 года в Брунинге, штат Небраска. Усовершенствованная конструкция воздушных шаров Йоста положила начало современному движению спортивных воздушных шаров. Сегодня воздушные шары, использующие горячий воздух, гораздо более распространены, чем газовые. В конце 1970-х годов британский воздухоплаватель Джулиан Нотт построил воздушный шар, используя технологии, которые, по его мнению, могли быть доступны культуре Наска в Перу 1500–2000 лет назад, и продемонстрировал его способность к полету. В 2003 году Нотт вновь предположил, что Наска могли использовать его в качестве инструмента для создания линий Наска.

Современный воздушный шар

В 2012 году воздушный шар Red Bull Stratos поднял Феликса Баумгартнера на высоту 39 044 метра для прыжка с парашютом в свободном падении из стратосферы.

Коммерческий

Привязанные газовые шары используются в качестве аттракционов в Париже с 1999 года, в Берлине с 2000 года, в Диснейленде Париж с 2005 года, в парке диких животных Сан-Диего с 2005 года, в Walt Disney World в Орландо с 2009 года и в Сингапуре (DHL Balloon) с 2006 года. Современные привязанные газовые шары производятся компанией Aerophile SAS. Горячевоздушные шары, используемые в спортивных полетах, иногда создаются в специальном дизайне для рекламы компании или продукта, как, например, пожарный баллон Chubb.

Сателлиты-баллоны

В космосе воздушный шар использует только внутреннее давление газа для поддержания своей формы. Спутник "Эхо" был баллонным спутником, запущенным на околоземную орбиту в 1960 году и использовавшимся для пассивной ретрансляции радиосвязи. PAGEOS был запущен в 1966 году для глобальной спутниковой триангуляции, обеспечивающей более высокую точность определения местоположения различных точек на поверхности планеты.

Планетарные зонды

В 1984 году советские космические аппараты "Вега-1" и "Вега-2" спустили в атмосферу Венеры два аэростата с научным оборудованием. Они передавали сигналы на Землю на протяжении двух дней.

Записи воздушных шаров

19 октября 1910 года Алан Хоули и Август Пост приземлились в дикой местности провинции Квебек, Канада, после 48 часов в пути и преодоления 1887,6 километров от Сент-Луиса во время Международной гонки на воздушных шарах Гордона Беннетта, установив рекорд дальности, который продержался более 20 лет. Мужчинам потребовалась неделя, чтобы выбраться из леса, в течение которой были организованы поисковые отряды, и многие считали их погибшими. С 13 по 17 декабря 1913 года Хьюго Каулен оставался в воздухе 87 часов. Его рекорд просуществовал до 1976 года. 27 мая 1931 года Огюст Пикард и Поль Кипфер первыми достигли стратосферы на воздушном шаре. 31 августа 1933 года Александр Даль сделал первый снимок кривизны Земли с помощью открытого водородного аэростата. Воздушный шар Explorer II, наполненный гелием и пилотируемый офицерами ВВС армии США капитаном Орвилом А. Андерсоном, майором Уильямом Э. Кепнером и капитаном Альбертом В. Стивенсом, достиг новой рекордной высоты 22 066 м (72 395 футов) 11 ноября 1935 года. Это произошло после предыдущей, едва не закончившейся трагедией, посадки того же экипажа в июле 1934 года на предшествующем аппарате Explorer, после того как его оболочка разорвалась всего в 190 м (624 фута) от тогдашнего рекорда высоты 22 000 м (72 178 футов), установленного советским аэростатом «Осоавиахим-1». В 1976 году Эд Йост установил 13 мировых авиационных рекордов по дальности полета и продолжительности пребывания в воздухе в своей попытке пересечь Атлантический океан на воздушном шаре в одиночку (3938 км, 107:37 ч). В 1978 году Бен Абруццо и его команда первыми пересекли Тихий океан на воздушном шаре. Текущий абсолютный рекорд высоты для пилотируемого полета на воздушном шаре был установлен на отметке 34 668 м (113 739 футов) 4 мая 1961 года Малкольмом Россом и Виктором Пратером в полезной нагрузке аэростата Strato Lab V, запущенной с палубы USS Antietam в Мексиканском заливе. Предыдущий рекорд высоты для пилотируемого аэростата был установлен Феликсом Баумгартнером на высоте 38 960,5 м (127 823 футов) в аэростате Red Bull Stratos, запущенном из Розуэлла, Нью-Мексико, в воскресенье, 14 октября 2012 года. Текущий рекорд высоты для пилотируемого аэростата был установлен Аланом Юстасом 24 октября 2014 года на высоте 41 419 м (135 889,108 футов). 1 марта 1999 года Бертран Пикард и Брайан Джонс стартовали на воздушном шаре Breitling Orbiter 3 из Шато-д’Оэ в Швейцарии, совершив первый беспосадочный кругосветный перелет на воздушном шаре. Они приземлились в Египте после полета протяженностью 40 814 км, который занял 19 дней, 21 час и 55 минут. Рекорд высоты для беспилотного аэростата составляет 53,0 километра (173 882 фута) в мезосфере, достигнутый при объеме 60 000 кубических метров. Аэростат был запущен JAXA 25 мая 2002 года из префектуры Иватэ, Япония. Это наибольшая высота, когда-либо достигнутая атмосферным аппаратом. Только ракеты, ракетные самолеты и баллистические снаряды поднимались выше. В 2015 году два пилота, Леонид Тюхтяев и Трой Брэдли, благополучно прибыли в Баха-Калифорнию, Мексика, после путешествия протяженностью 10 711 км. Эти два человека, родом из России и Соединенных Штатов Америки соответственно, стартовали из Японии и совершили полет на гелиевом аэростате над Тихим океаном. За 160 часов аэростат под названием "Two Eagles" прибыл в Мексику, установив новые рекорды дальности и продолжительности полета для газовых аэростатов.