Введение
Баллоны, выпускаемые в стратосферу, чаще всего метеорологические шары. Высоковысотные шары или стратостаты, как правило, являются беспилотными аэростатами, обычно заполненными гелием или водородом и выпускаемыми в стратосферу, обычно поднимаясь на высоту от … до … метров над уровнем моря. В 2013 году аэростат под названием BS 13 08 достиг рекордной высоты в … метров. Наиболее распространенным типом высоковысотных шаров являются метеорологические шары. Другие цели включают использование в качестве платформы для проведения экспериментов в верхних слоях атмосферы. Современные аэростаты обычно оснащаются электронным оборудованием, таким как радиопередатчики, камеры или спутниковые навигационные системы, например GPS-приемники. Любители часто приобретают метеорологические шары из-за простоты использования, невысокой стоимости и их широкой доступности. Эти шары запускаются в область, определяемую как "почти космическое пространство", которое определяется как часть атмосферы Земли между пределом Армстронга (… метров над уровнем моря), где давление падает до уровня, несовместимого с жизнью человека без скафандра, и линией Кармана (… метров над уровнем моря), где для поддержания полета необходимо переходить от аэродинамики к астродинамике. Благодаря низкой стоимости GPS и средств связи, запуск высоковысотных шаров стал популярным хобби, а такие организации, как UKHAS, оказывают помощь в разработке полезной нагрузки.
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.
Первый водородный воздушный шар
Во Франции в 1783 году в первый публичный эксперимент с воздушными шарами, наполненными водородом, участвовали Жак Шарль, французский профессор физики, и братья Роберт, известные изготовители физических инструментов. Шарль обеспечил большое количество водорода, который ранее получали лишь в небольших количествах, смешивая железо с серной кислотой. Наполнение шара заняло 5 дней, и он был запущен с Марсова поля в Париже, где собралось около 300 000 человек, чтобы увидеть это зрелище. Шар поднялся в небо и прорвался сквозь облака. Расширение газа привело к разрыву оболочки шара, и через 45 минут он приземлился вдали от Парижа.
Высоковысотные воздушные шары с экипажем
С 1930-х годов пилотируемые стратостаты используются для научных исследований и установления рекордов высоты полета, включая полеты Огюста Пикарда на высоту 16 201 м, советского "Осоавиахим-1" на 22 000 м и американского "Explorer II" на 22 066 м. Среди известных пилотируемых полетов на большой высоте – три рекорда по самому высокому прыжку с парашютом: первый был установлен Джозефом Киттингером в 1960 году на высоте 31 300 м в рамках проекта "Excelsior", затем Феликсом Баумгартнером в 2012 году на 38 969 м в проекте "Red Bull Stratos" и, наиболее недавно, Аланом Юстасом в 2014 году на 41 419 м.
Применение
Беспилотные стратосферные шары используются в качестве исследовательских, в образовательных целях и энтузиастами. Типичные области применения включают метеорологию, исследования атмосферы и климата, получение изображений из ближнего космоса, любительскую радиосвязь и субмиллиметровую астрономию. Стратосферные шары рассматриваются для использования в телекоммуникациях и космическом туризме. Предлагалось использовать высотные платформенные станции для таких задач, как ретрансляция связи.
Любительский воздушный шар на большой высоте
Во многих странах бюрократические процедуры, необходимые для запуска воздушных шаров на большой высоте, минимальны, если вес полезной нагрузки не превышает определенный порог, обычно несколько килограммов. Это делает запуск этих небольших шаров доступным для многих студентов и любительских объединений. Несмотря на меньшие размеры, эти шары часто поднимаются до (и выше) высот порядка , обеспечивая легкий доступ в стратосферу для научных и образовательных целей. При проведении этих любительских полетов на воздушных шарах часто используется программа-прогнозировщик траектории. Перед запуском прогнозы погоды, содержащие данные о прогнозируемых векторах ветра, используются для численного моделирования траектории шара, чтобы предсказать, куда он приземлится.
Радиолюбительское воздушное шары высоты
Тестирование радиуса действия радиосвязи часто является важной частью этих хобби. Радиолюбители часто используют пакетную радиосвязь для обмена данными со скоростью 1200 бод, используя систему под названием Автоматическая система отчётности пакетов (Automatic Packet Reporting System) для передачи информации обратно на наземную станцию. Также создаются и запускаются небольшие передатчики, называемые микро- или пико-трекерами, под небольшими воздушными шарами. Эти небольшие трекеры использовали код Морзе, Field Hell и RTTY для передачи данных о своём местоположении и другой информации. Первые зарегистрированные запуски высотных шаров с использованием радиолюбительской связи произошли в Финляндии в рамках программы Ilmari 28 мая 1967 года и в Германии в 1964 году.
Программа ARHAB
Любительский радиозондирование высоких слоев атмосферы (ARHAB) – это применение аналогового и цифрового любительского радио к метеорологическим воздушным шарам, и такое название было предложено Ральфом Уоллио (любительский позывной W0RPK) для этого хобби. Часто называемое «Космической программой для энтузиастов», ARHAB позволяет радиолюбителям разрабатывать действующие модели космических аппаратов и запускать их в околокосмическую среду. Считается, что Билл Браун (радиолюбительский позывной WB8ELK) положил начало современному движению ARHAB, совершив свой первый запуск воздушного шара с любительским радиопередатчиком 15 августа 1987 года. Полет ARHAB состоит из воздушного шара, спасательного парашюта и полезной нагрузки, состоящей из одного или нескольких блоков. Полезная нагрузка обычно содержит любительский радиопередатчик, обеспечивающий отслеживание полета до места посадки для последующего извлечения. В большинстве полетов используется трекер системы автоматического пакетного репортажа (APRS), который получает данные о местоположении от приемника глобальной системы позиционирования (GPS) и преобразует их в цифровой радиосигнал. В других полетах может использоваться аналоговый маяк, отслеживаемый с помощью радиопеленгации. Для длительных полетов часто необходимо использовать высокочастотные, специально разработанные передатчики и медленные протоколы передачи данных, такие как радиотелеграфия (RTTY), Hellschreiber, азбука Морзе и PSK31, для передачи данных на большие расстояния при минимальном энергопотреблении. Использование любительских радиопередатчиков в полете ARHAB требует наличия лицензии радиолюбителя, однако использование нелюбительских радиопередатчиков возможно без лицензии. Помимо оборудования для отслеживания, другие компоненты полезной нагрузки могут включать датчики, регистраторы данных, камеры, передатчики любительского телевидения (ATV) или другие научные приборы. Некоторые полеты ARHAB несут упрощенный комплект полезной нагрузки под названием BalloonSat. Типичный полет ARHAB использует стандартный латексный метеорологический шар, длится около 2–3 часов и достигает определенной высоты. Эксперименты с шарами нулевого давления, сверхнапорными шарами и латексными шарами с клапанами позволили увеличить время полета до более чем 24 часов. Полет с нулевым давлением, осуществленный программой воздушных шаров Spirit of Knoxville в марте 2008 года, продолжался более 40 часов и приземлился у побережья Ирландии, на расстоянии от точки запуска. 11 декабря 2011 года рейс номер CNSP 11 Калифорнийского проекта ближнего космоса с позывным K6RPT 11 совершил рекордный полет из Сан-Хосе, Калифорния, до приводнения в Средиземном море. Полет длился 57 часов и 2 минуты, став первым успешным трансконтинентальным и трансатлантическим полетом на высоком воздушном шаре, осуществляемым радиолюбителями. С тех пор несколько полетов совершили кругосветное путешествие, используя сверхнапорные пластиковые шары. Каждый год в Соединенных Штатах фестиваль Great Plains Super Launch (GPSL) собирает большое количество групп ARHAB.
Программа BEAR
Balloon Experiments with Amateur Radio (BEAR) – серия экспериментов с высотными воздушными шарами, проводимая группой радиолюбителей и экспериментаторов из Шервуд-Парка и Эдмонтона, провинция Альберта (Канада). Эксперименты начались в 2000 году и продолжались, включая BEAR 9 в 2012 году. Шары изготавливаются из латекса и наполняются гелием или водородом. Все полезные грузы BEAR оснащены системой слежения, включающей GPS-приемник, кодировщик APRS и радиопередатчик. Другие экспериментальные модули полезной нагрузки включают в себя ретранслятор радиосвязи для разных диапазонов частот и цифровую камеру, все из которых размещено в изолированном пенопластовом контейнере, подвешенном под шаром.
BalloonSat
BalloonSat – это простой комплект, предназначенный для доставки легких экспериментов в ближний космос. Они часто используются в качестве первого знакомства с инженерными принципами в некоторых старших классах школ и университетских курсах. BalloonSat запускаются в качестве вторичной полезной нагрузки на полетах ARHAB. Простота BalloonSat обусловлена тем, что им не требуется собственное оборудование для слежения, поскольку они уже транспортируются отслеживающими капсулами в качестве вторичной полезной нагрузки. Программа BalloonSat была запущена Space Grant в августе 2000 года. Она была создана как практический способ познакомить новых студентов, изучающих науку и инженерию и интересующихся космическими исследованиями, с основными инженерными методами, навыками командной работы и основами космической и земной науки. Программа BalloonSat является частью курса, преподаваемого Space Grant в Университете Колорадо в Боулдере. Конструкция BalloonSat часто ограничена по весу и объему, что стимулирует применение хорошей инженерной практики, создает определенные трудности и позволяет разместить множество BalloonSat на одном полете ARHAB. Корпус обычно изготавливается из пенопласта или пенокартона, поскольку эти материалы легкие, легко поддаются обработке и обеспечивают достаточную теплоизоляцию. Большинство BalloonSat оснащены датчиками, регистраторами данных и небольшими камерами, управляемыми таймерами. Популярные датчики включают температуру воздуха, относительную влажность, угол наклона и ускорение. Эксперименты, проводимые внутри BalloonSat, могут включать в себя, например, насекомых в террариуме и продукты питания. Перед запуском большинство BalloonSat должны пройти серию испытаний, чтобы убедиться в их работоспособности и получении научных результатов. Эти испытания включают в себя испытание на холодостойкость, испытание на падение, функциональное испытание и взвешивание. Испытание на холодостойкость имитирует экстремально низкие температуры, которым BalloonSat подвергнется во время полета. Поскольку запуск и посадка могут быть травматичными, испытание на падение требует, чтобы BalloonSat сохранил целостность и продолжал функционировать после резкого удара. Функциональное испытание подтверждает, что команда BalloonSat может подготовить аппарат к запуску на стартовой площадке.
Различные полезные нагрузки
Помимо проведения научных исследований, школы, блогеры и другие частные лица запускали в стратосферу на высотных аэростатах самые разнообразные необычные грузы. Среди них – плюшевые медведи, фигурки LEGO, гамбургеры, корнуоллские пирожки, чесночный хлеб, бекон и банки пива. Давление на этих высотах значительно ниже, чем на уровне моря. Средняя скорость ветра на этих высотах меньше, чем у поверхности земли. Система управления движением позволит аэростату перемещаться и удерживать заданную позицию. Питание системы будет осуществляться от солнечных панелей. Такая система может использоваться для обеспечения широкополосным доступом в Интернет на обширной территории. Для соединения с сетью будет использоваться лазерная связь, что позволит обеспечить широкую зону покрытия благодаря более широкому углу обзора над кривизной Земли и отсутствию препятствий в зоне Френеля.
Порт для космических шаров в Аризоне
World View Enterprises построила и эксплуатирует космопорт на воздушных шарах (высотный порт для воздушных шаров) в округе Пима, штат Аризона.