Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Баллон с относительно постоянным давлением, используемый для научных исследований.
Balloon with a relative constant pressure used for scientific research
Баллон сверхдавления (SPB) – это тип аэростатического воздушного шара, в котором объем шара поддерживается относительно постоянным при изменении внешнего атмосферного давления и температуры находящегося внутри подъемного газа. Это позволяет шару сохранять стабильную высоту в течение длительного времени. Это отличается от гораздо более распространенных воздушных шаров переменного объема, которые либо только частично заполнены подъемным газом, либо изготовлены из более эластичных материалов. Также известные как "тыква" или баллоны сверхдальней дистанции (ULDB), герметичные оболочки этих шаров приобретают форму тыквы на высоте полета.
A superpressure balloon (SPB) is a style of aerostatic balloon where the volume of the balloon is kept relatively constant in the face of changes in ambient pressure outside the balloon, and the temperature of the contained lifting gas. This allows the balloon to keep a stable altitude for long periods. This is in contrast with much more common variable volume balloons, which are either only partially filled with lifting gas, or made with more elastic materials. Also referred to as pumpkin or ultra long distance balloons (ULDB) balloons, the sealed balloon envelopes have a pumpkin shape at flight altitude.
Операция
В воздушном шаре с изменяемым объемом объем подъемного газа меняется из-за нагрева и охлаждения в суточном цикле. Этот цикл усиливается парниковым эффектом внутри шара, в то время как окружающий атмосферный газ подвергается гораздо менее выраженным колебаниям температуры. По мере нагрева и расширения подъемного газа увеличивается вытеснение атмосферного газа, при этом вес шара остается постоянным. Это повышает его подъемную силу, что приводит к увеличению высоты, если только это не компенсируется стравливанием газа. И наоборот, если шар остывает и снижается, становится необходимым сброс балласта. Поскольку запасы балласта и газа ограничены, существует предел времени, в течение которого шар с изменяемым объемом может компенсировать изменения для стабилизации высоты. В отличие от этого, шар сверхвысокого давления испытывает меньшие изменения высоты без необходимости компенсационных маневров. Поскольку объем шара более жестко ограничен, также ограничен и объем вытесняемого им воздуха. В соответствии с принципом Архимеда, сила, действующая на шар, равна весу вытесненного окружающего газа. В данном случае окружающим газом является атмосферный газ, вытесненный шаром. Вес вытесненного атмосферного газа уменьшается по мере подъема шара, поскольку плотность атмосферы снижается с увеличением высоты. Следовательно, сила, толкающая шар вверх, уменьшается с высотой, и на определенной высоте эта сила уравновешивается весом шара. В результате шар остается стабильным в определенном диапазоне высот равновесия в течение длительного времени. Недостатком является то, что такие шары требуют материалов, значительно более прочных, чем у негерметичных конструкций.
In a variable volume balloon, the volume of the lifting gas changes due to heating and cooling in the diurnal cycle. The cycle is magnified by a greenhouse effect inside the balloon, while the surrounding atmospheric gas is subject to a much more limited cyclical temperature change. As the lift gas heats and expands, the displacement of atmospheric gas increases, while the balloon weight remains constant. Its buoyancy increases, and this leads to a rise in altitude unless it is compensated by venting gas. Conversely, if the balloon cools and drops, it becomes necessary to release ballast. Since both ballast and gas are finite, there is a limit to how long a variable volume balloon can compensate in order to stabilize its altitude. In contrast, a superpressure balloon experiences smaller changes in altitude without compensation maneuvers. Because the volume of the balloon is more constrained, so is the volume of air displaced by it. In accordance with the Principle of Archimedes, the upward force on the balloon is equal to the weight of the displaced ambient gas. In this case the ambient gas is the atmospheric gas displaced by the balloon. The weight of the displaced atmospheric gas decreases as the balloon rises, because atmospheric density diminishes with increasing altitude. So the force pushing the balloon upward diminishes with altitude and at some particular altitude, the upward force equals the weight of the balloon. As a result, the balloon remains stable in a finite equilibrium altitude range for long periods. The disadvantage is that such balloons require much stronger materials than non pressurized types.
Приложения
Сверхдавлевые воздушные шары (СВС) обычно используются для чрезвычайно длительных полетов беспилотных научных экспериментов в верхних слоях атмосферы. В 1985 году такие шары использовались для аэроботов, летевших на высоте примерно в атмосфере Венеры в рамках международной, советской программы Vega. В феврале 1974 года полковник Томас Л. Гатч-младший, USAR, предпринял попытку совершить первый перелет через Атлантический океан на сверхдавлевом воздушном шаре под названием Light Heart. После потери как минимум двух из десяти шаров, обеспечивавших подъемную силу, и после значительного отклонения от курса, намеченного полковником Гатчем для использования струйного течения, последнее зарегистрированное наблюдение за Light Heart было осуществлено к западу от Канарских островов; дальнейших следов аппарата обнаружено не было. В марте 2015 года NASA запустило СВС на высоту 110 000 футов (33 528 м) и удерживало его в воздухе в течение 32 дней, стартовав с территории Новой Зеландии и приземлив в Австралии после обнаружения утечки. Это был первый случай длительного полета СВС в течение суток. В полностью надутом состоянии его размер был сравним с футбольным стадионом. Проект Loon компании Google использует сверхдавлевые воздушные шары с регулируемой высотой для достижения полетов продолжительностью более 300 дней. СВС TRAVALB 2 превзошел все предыдущие полеты на воздушных шарах в Антарктиде, оставаясь в воздухе 149 дней, 3 часа и 58 минут после запуска с площадки NASA Long Duration Balloon (LDB) в лагере LDB на станции МакМёрдо, Антарктида. Операцию поддержали Национальный научный фонд и Антарктическая программа США. После отмены запуска Travalb 1, Travalb 2 стартовал 29 декабря 2019 года для проверки прогнозов траектории полета шаров NASA в Антарктиде и изучения потерь электронов из радиационных поясов Земли. Телескопическая платформа SuperBIT, установленная на сверхдавлевом воздушном шаре (SuperBIT), готовится к полету продолжительностью более 30 дней с использованием системы SPB NASA в марте 2022 года. Запущенный из Ванаки, Новая Зеландия, SuperBIT намерен использовать циклы дня и ночи, обеспечиваемые СВС, для получения изображений качества, близкого к космическому, с дифракционным разрешением из стратосферы. Китайский разведывательный воздушный шар, пересекавший территорию Соединенных Штатов в начале 2023 года, был сверхдавлевым шаром, аналогичным по конструкции более ранним шарам NASA.
Superpressure balloons (SPB) are typically used for extremely long duration flights of unmanned scientific experiments in the upper atmosphere, In 1985, such balloons were used for aerobots flying at an altitude of approximately in the atmosphere of Venus, in the international, Soviet led Vega program. In February 1974, Colonel Thomas L. Gatch Jr, USAR attempted to make the first crossing of the Atlantic by balloon in a superpressure balloon named Light Heart. Following the loss of at least two of the ten balloons which provided lift, and after deviating substantially from the course that Colonel Gatch had plotted to take advantage of the jet stream, the last reported sighting of the Light Heart was west of the Canary Islands; no further trace of the aircraft was ever found. In March 2015, NASA launched a SPB to an altitude of 110000 feet (33528 m) for 32 days from New Zealand and landed it in Australia after a leak was detected. This was the first time a SPB was flown for a long duration through the day and night cycle. When fully inflated, it was the size of a football stadium. Google's Project Loon uses controllable altitude superpressure balloons to achieve flights of over 300 days. The SPB TRAVALB 2 surpassed previous Antarctic balloon flights by staying aloft for 149 Days, 3 hours, and 58 minutes after launch from the NASA Long Duration Balloon (LDB) site at LDB Camp, McMurdo Station, Antarctica. The operation was supported by National Science Foundation and United States Antarctic Program. After the Travalb 1 launch abort, the Travalb 2 lifted off on 29 December 2019 to test NASA balloon trajectory predictions in Antarctica and to study electron losses from Earth's radiation belts. The Super pressure Balloon borne Imaging Telescope (SuperBIT) is staged for a 30+ day flight from on NASA's SPB system in March 2022. Launched from Wānaka, New Zealand, SuperBIT intends to take advantage of day and night cycles made possible by SPB in order to obtain space quality, diffraction limited imaging from the stratosphere. The Chinese spy balloon that was observed transiting the United States in early 2023 was a superpressure balloon similar in style to the earlier NASA balloons.