30 сентября 1933 года воздухоплаватели Прокофьев, Бирнбаум и Годунов на стратостате «СССР-1» достигли высоты 19 километров. Взятые на различных высотах пробы воздуха позволили заключить, что состав его на достигнутых высотах такой же, как и у поверхности Земли.
30 января 1934 года советские воздухоплаватели Федосеенко, Васенко и Усыскин совершили исследовательский полёт на стратостате «С-ОАХ-1», построенном ленинградским Осоавиахимом, и достигли высоты 22 километров.
Более высокие слои атмосферы для стратостатов недоступны. Чем ограничена высота их подъёма?
Стратостат поднимается вверх до тех пор, пока подъёмная сила, определяемая количеством газа в оболочке, превышает его вес. Поэтому стратостат поднимается тем выше, чем больше объём его оболочки с газом и чем меньше его вес. Чтобы общий вес стратостата был как можно меньшим, для заполнения оболочки используют самый лёгкий газ водород. Оболочку делают обычно из лёгкой и прочной, непроницаемой для газов прорезиненной ткани.
Чтобы создать подъёмную силу, достаточную для поднятия в высокие слои атмосферы нескольких исследователей с приборами, нужна оболочка огромных размеров. Например, оболочка стратостата «С-ОАХ-1» имела диаметр около 36 метров и объём около 25 тысяч кубических метров. Подъём на большие высоты потребовал бы ещё больших размеров оболочки.
Чем выше предполагается подъём стратостата, тем больше должен быть размер оболочки при одинаковом количестве газа, впущенного в неё перед полётом. Однако как ни стремятся уменьшить вес стратостата, вес оболочки с увеличением её размеров возрастает и для некоторой высоты будет больше подъёмной силы газа. Этопредельная высота для стратостата.
Аэростаты и стратостаты сыграли важную роль в изучении атмосферы. Они помогли установить состав воздуха и закономерности изменения температуры и давления до высоты 22 километров. В средних широтах до высоты 11 километров температура воздуха непрерывно уменьшается, на высоте 11 километров достигает в среднем 55 градусов ниже нуля и дальше остаётся примерно постоянной. Состав воздуха до высоты 22 километров практически неизменен.
Аэростатами пользуются и сейчас для исследования атмосферы. Как средство для воздушных сообщений они не применяются, так как неуправляемы, но аэрологи используют способность их перемещаться вместе с движущейся массой воздуха.
Чтобы наблюдать, какие изменения происходят в воздухе при его перемещении, лучше всего «путешествовать» вместе с ним. Здесь неуправляемость аэростата, его покорность ветру становится очень ценным качеством.
Исследованиями этого рода занимается у нас Центральная аэрологическая обсерватория. Во время одного из исследовательских полётов пилот Б. А. Невернов и аэролог С. С. Гайгеров совершили полёт на аэростате от Москвы до Новосибирска за 69 часов. В октябре 1950 года воздухоплаватели обсерватории С. А. Зиновеев, С. С. Гайгеров и М. М. Кирпичёв провели ещё более длительные исследования на аэростате, пролетевшем за 84 часа из Москвы в район Алма-Аты.
Самолёт. Первый самолёт, способный подняться в воздух, был создан нашим соотечественником Александром Фёдоровичем Можайским. Испытание этого самолета состоялось в 1882 году.
Самолётаппарат тяжелее воздуха. Крылья его расположены так, что во время полёта под крыльями давление воздуха больше, чем над ними. Разность давления воздуха на нижнюю и верхнюю поверхности крыльев создаёт подъёмную силу, направленную вверх. Эта сила и держит самолёт в воздухе (рис. 10).
Рис. 10. Силы, действующие на крыло самолёта в полёте.
С каждым годом самолёты становятся всё более совершенными. Наибольшая высота подъёма«потолок» самолётарастёт из года в год. В 1925 году рекордная высота самолёта несколько превышала 11 километров, в 1935 году она составляла около 14, а сейчасуже 18 километров.
Изучение атмосферы на разных высотах с точки зрения возможности пребывания на них человека показали, что подъём на высоту до 3 километров можно совершать в открытых кабинах и без кислородных масок. Подъём на высоту 79 километров возможен в открытых кабинах, но с кислородными приборами. Однако такой полёт требует предварительной тренировки. Полёт на высоту больше 12 километров возможен только в особых герметически закрытых кабинах или в специальных костюмахскафандрах.
Отсутствие герметических кабин долгое время препятствовало полётам самолёта на большой высоте. Около пятнадцати лет назад советский конструктор А. Щербаков создал первую герметическую кабину. Во время полёта в кабину непрерывно подаётся из баллона кислород, а накапливающиеся в ней углекислый газ и влага поглощаются специальным аппаратом.
Метеорологи широко используют самолёты для исследований в тропосфере, где формируется погода. Самолёт помогает собирать сведения о погоде на большом пространстве в короткий срок.
Погода играет большую роль при планировании боевых операций. А для того чтобы предвидеть погоду, надо знать состояние атмосферы на огромных пространствах. Во время Великой Отечественной войны враг держал в секрете сведения о состоянии атмосферы на своей территории. Здесь большую услугу метеорологам оказали самолёты, летая во вражеский тыл для разведки погоды.
Высоту подъёма летательного аппарата можно увеличить, если использовать на нём реактивный (ракетный) двигатель, не требующий для своей работы атмосферного воздуха. Идея такого летательного аппарата была впервые высказана и обоснована в 1881 году Н. И. Кибальчичем. Ракетный двигатель работает на любой высоте. Сейчас мы можем с помощью реактивных аппаратов посылать автоматически работающие приборы на очень большие высоты.
5. НЕОДУШЕВЛЁННЫЕ ИССЛЕДОВАТЕЛИ
Чтобы изучить те слои атмосферы, которые пока ещё недоступны для непосредственного наблюдения, учёные посылают в эти слои аппараты, снабжённые автоматически записывающими или передающими приборами. Эти неодушевлённые исследователи достигают больших высот.
Кроме риска для исследователей, подъём на большие высоты связан с большими материальными затратами. Поэтому часто бывает целесообразно посылать таких неодушевлённых исследователей для сбора сведений о состоянии атмосферы и на высоты, доступные самолётам и аэростатам.
Первый беспилотный аппарат для подъёма приборов в атмосферу был предложен в 1754 году М. В. Ломоносовым. Этот аппарат описывается в протоколе Конференции Академии наук от 1 июля 1754 года: «Советник Ломоносов показал машину, названную им аэродромной, выдуманную им и имеющую назначением при помощи крыльев, приводимых в движение горизонтально в разные стороны заведённой часовой пружиной, сжимать воздух и подниматься в верхние слои атмосферы для того, чтобы можно было исследовать состояние верхнего воздуха метеорологическими приборами, прикреплёнными к этой аэродромной машине. Машина была подвешена на верёвке, перевешенной через два блока, и грузами, подвешенными к другому концу канатика, поддерживалась в равновесии. При заведённой пружине она быстро поднималась вверх и таким образом обещала желаемое действие».
В отчете за 1754 год Ломоносов писал: «Делан опыт машины, которая бы поднимаясь кверху сама, могла поднять с собой маленький термометр, дабы узнать градус теплоты на вышине, которая слишком на два золотника облегчалась, однако, к желаемому концу не приведена».
Ломоносову не удалось закончить работу по созданию беспилотного аппарата для исследования атмосферы. Но то, что не успел сделать великий учёный, сделали его последователи. Несмотря на тяжёлые условия жизни в царской России, русские учёные разработали основные методы беспилотных исследований атмосферы и сделали важный вклад в науку об атмосфере. Для подъёма приборов в воздух стали применяться воздушные змеи, шары-зонды и ракеты.
Воздушный змей. Воздушные змеи начали использоваться для исследования атмосферы ещё в XVIII веке. Они применялись тогда для исследования атмосферного электричества.
Воздушный змей поднимается в воздух по той же причине, что и самолёт. Змей располагается в воздухе так, что воздушный поток, обтекая его, создаёт повышенное давление на его нижнюю поверхность и разрежение над верхней. Благодаря разности давлений возникает сила, поднимающая змей вверх. Разница по сравнению с самолётом состоит только в причинах, вызывающих воздушный поток. Самолёт перемещается относительно воздуха с помощью двигателя и может лететь в любом направлении независимо от ветра, обтекание же воздухом змея происходит обычно за счёт ветра. Змей держится на стальном тросе или шнуре и потому при ветре не перемещается вместе с воздухом. В безветреную погоду змей может подняться в воздух только в том случае, если конец троса, к которому привязан змей, перемещать вдоль поверхности Земли со значительной скоростью и тем создавать встречный его полёту поток воздуха.
Воздушный змей, поднимающий в воздух приборы, строят не из дощечек и бумаги, а из лёгкого металла или дерева и шёлковой материи, и не плоский, а коробчатый (рис. 11).
Рис. 11. Различные формы змеев, использующихся для подъёма приборов.
Высота подъёма воздушного змея ограничена. С увеличением высоты, при неизменном встречном потоке воздуха, подъёмная сила змея уменьшается, так как уменьшается плотность воздуха. Кроме того, чем больше высота, тем больше вес троса, на котором удерживается змей. Поэтому змей обычно достигает высоты 45 километров и лишь в очень редких случаях поднимается до высоты больше 9 километров.
Воздушные змеи широко применялись лет 50 назад в качестве разведчиков атмосферы. Много подъёмов воздушных змеев было сделано основателем русской аэрологии В. В. Кузнецовым. Эти подъёмы производились с 1897 года в Павловском парке (Петербург), где располагалось отделение Главной геофизической обсерватории. Сначала они велись нерегулярно, но в 1903 году при Павловской обсерватории было организовано специальное «змейковое» отделение, систематически изучавшее атмосферу с помощью воздушных змеев. В. В. Кузнецов лично конструировал змеи и самопишущие приборы, которые использовались при этих исследованиях.
Подъёмы приборов с помощью воздушных змеев позволили накопить сведения об изменениях в состоянии атмосферы до высоты 45 километров. Но с развитием электрификации и воздушных сообщений применять змеи стало опасно. Стальной трос змея, не замеченный пилотом самолёта, может привести к катастрофе. Обрыв троса может вызвать аварию на высоковольтных линиях электропередач. Этих препятствий нет только в таких малонаселённых районах, как Арктикатам змей может ещё применяться.
Шар-зонд и радиозонд. Мы уже говорили, что для подъёма аэростата или стратостата с исследователями и приборами необходима очень большая оболочка. Но для подъёма одних приборов требуются оболочки значительно меньших размеров. Чаще всего для этого употребляются оболочки с объёмом около 24 кубических метров у поверхности Земли. Резиновая оболочка наполняется водородом, к ней подвешивается коробочка с приборами. Получается маленький аэростатик. Такой аппарат и отправляют в атмосферу для её исследования. Его называют шар-зонд. «Зондировать»значит исследовать, разведывать.
Предложение исследовать атмосферу с помощью таких шаров-зондов, снабжённых самозаписывающими приборами, впервые высказал Д. И. Менделеев.
При подъёме шара-зонда с увеличением высоты давление окружающей среды падает, газ растягивает оболочку изнутри и на некоторой высоте разрывает её. Приборы опускаются на Землю. При этом разорвавшаяся оболочка заменяет парашют и не даёт приборам разбиться. Приборы снабжаются запиской с адресом станции, пославшей шар-зонд. Нашедший приборы возвращает их по этому адресу.
Шары-зонды начали применяться с конца XIX столетия. В 1904 году с помощью шаров-зондов были исследованы нижние слои стратосферы. Основной особенностью этих слоёв является постоянство температуры: и на высоте 20 километров, и на высоте 30 километров она одинакова и равна приблизительно минус 55°. В стратосфере всегда хорошая погода, облаков и осадков почти не бывает, плотность воздуха мала. Эти условия весьма удобны для полётов.
Аэролог В. В. Кузнецов за время с 1905 по 1914 год выпустил в Кучино под Москвой 60 шаров-зондов. Наибольшая высота их подъёма была 19 километров. Эти опыты позволили В. В. Кузнецову установить характер изменения температуры в атмосфере по месяцам до высоты 12 километров. В то время, как у поверхности Земли в районе Москвы среднемесячная температура в течение года изменялась от -5 до + 15° Цельсия, на высоте 1112 километров температура изменялась от 50 до 60° Цельсия. На высоту более 12 километров шары-зонды поднимались редко, поэтому проследить за изменением температуры на этих высотах В. В. Кузнецов не смог.
В 19181920 годах советский исследователь В. А. Ханевский, используя данные, полученные при шаро-зондовых и шаро-пилотных подъёмах, установил скорость и направление ветра, а также влажность воздуха до высоты в 20 километров.
В начале 30-х годов зондирование атмосферы в Москве было организовано советским метеорологом профессором В. И. Виткевичем. Шары-зонды дали сведения о распределении давления и температуры на больших высотах. Одиночные шары-зонды поднимались на высоту несколько больше 40 километров.
Однако шар-зонд обладает крупным недостаткомон далеко уносит приборы. Не всегда их удаётся найти, а иногда приборы попадают в водоёмы или под дождь, и тогда записи измерений оказываются испорченными. Там, где населённых пунктов мало, выпускать шары вообще не имеет смысла, так как приборы будут возвращаться крайне редко.
Но даже и в том случае, когда прибор найден и возвращён на место выпуска, проходит очень много времени, прежде чем его записи будут обработаны и станет известно, как же изменялись давление, температура и влажность по высоте во время подъёма шара-зонда.
Между тем, в работе Службы погоды необходимо получать эти сведения как можно быстреелучше всего непосредственно во время полёта. Ясно, что шары-зонды не могли удовлетворить этим требованиям.
Чтобы получать показания приборов во время самого полёта, был создан новый прибор, получивший название радиозонда (рис. 12).
Рис. 12. Радиозонд в полете.
Радиозонд автоматически с помощью маленького радиопередатчика посылает условные сигналы о величине давления, температуры и влажности на Землю. Идея этого замечательного неодушевлённого исследователя атмосферы принадлежит советскому учёному профессору П. А. Молчанову.
Первый в мире радиозонд, построенный под его руководством, был выпущен в Павловске, около Ленинграда, 30 января 1930 года. Он достиг высоты 9 километров. Этот полет доказал, что автоматическая передача метеоданных на Землю с помощью радиопередатчика возможна. В 1931 году была организована экспедиция в село Полярное, недалеко от Мурманска, для исследования верхних слоёв атмосферы в Арктике. Эта экспедиция дала первые сведения о состоянии атмосферы во время полярной ночи.
В том же году радиозонды выпускались П. А. Молчановым в Арктике с дирижабля. Эти исследования показали, что в полярных районах среднегодовая нижняя граница стратосферы лежит на высоте около 10 километров; зимой она снижается до высоты в 89 километров.
В наши дни организовано систематическое радиозондирование атмосферы. Аэрологические станции два раза в день в одни и те же сроки выпускают в воздух радиозонды. Сведения о температуре, давлении и влажности верхних слоёв, полученные по радио, аэрологические станции сообщают в Центральный институт прогнозов, где составляются очередные прогнозы погоды.
Первые радиозонды П. А. Молчанова достигали высоты 810 километров, в 1934 году эта высота увеличилась до 25 километров. Сейчас наибольшая высота подъёма радиозонда составляет 36,5 километра. Это достигнуто в результате совершенствования радиозондауменьшения веса приборов и улучшения качества оболочки.
Высота подъёма радиозонда и шара-зонда ограничена главным образом качеством оболочки. Сначала делали матерчатую оболочку. Так как при подъёме вверх объём такой оболочки не изменяется, а плотность окружающего воздуха уменьшается, то уменьшается и подъёмная сила шара. Когда шар достигал высоты, где его подъёмная сила приближалась к нулю, он, плавая в атмосфере, удалялся на большие расстояния от места выпуска.
Чтобы шар поднимался выше и не улетал далеко, матерчатую оболочку заменили резиновой. При подъёме шара давление окружающего воздуха уменьшается, и благодаря этому водород, содержащийся в оболочке, увеличивается в объёме и растягивает её. Но растяжению резины тоже есть предел. На некоторой высоте резина разрывается, и приборы возвращаются на Землю.
Чем лучше качество резины, тем выше может подняться шар. При подъёме шара на высоту до 30 километров объём оболочки увеличивается почти в 90 раз. При этом толщина стенки оболочки уменьшается примерно в 17 раз. При подъёме от 30 до 40 километров объём шара должен увеличиваться ещё почти в два раза.
Совершенно очевидно, что даже для достижения высоты 40 километров оболочка должна быть сделана из резины очень высокого качества.