Стратостат

СтратостатСТРАТОСТАТ, аэростат, предназначенный для полетов в стратосферу. От обычного аэростата стратостат отличается объемом и некоторыми деталями конструкции, в частности кабиной (гондолой). Полеты на стратостате производятся для научного исследования стратосферы, изучения вопросов пребывания человека в стратосфере и работы приборов в целях использования стратосферы для полетов в ней стратопланов и других видов аппаратов, тяжелее воздуха. В табл. 1 приведены данные, относящиеся к высотным полетам на аэростатах в открытых корзинах. Аэростаты, предназначаемые для полетов в верхних слоях тропосферы, называются теперь субстратостатами. Первый полет в стратосферу совершен Пиккаром в 1931 г.; в табл. 2 помещены данные полетов в стратосферу стратостатов до 1936 г. На фиг. 1 показаны сравнительные высоты, достигнутые стратостатами. Все поднимавшиеся в стратосферу стратостаты были снабжены герметичной гондолой, в которой помещались пилоты, необходимые приборы и кислородные аппараты, обеспечивающие жизнеспособность человека во все время полета. Почти все полеты в открытых кабинах до высот, близких к стратосфере, оканчивались катастрофой. Однако в дальнейшем возможно допустить полеты в стратосферу на стратостате с открытой гондолой при условии применения пилотами скафандров - специальных костюмов, предохраняющих человека от действия на организм пониженного давления воздуха и низких температур, снабженных кислородной аппаратурой для дыхания и обогревательным приспособлением.

Высотные полеты на аэростатах

Высотные полеты стратостатов в закрытых кабинах

Сравнительные высоты, достигнутые стратостатами

Сравнительные высоты, достигнутые стратостатами

Идея применения герметической гондолы для полета в высоких слоях атмосферы была впервые высказана во Франции Тридоном в 1871 г. и впервые осуществлена Пиккаром. Первому удачному полету Пиккара предшествовала неудачная попытка (30/IX 1930 г.), когда сильный ветер прижал оболочку к земле. Во время полета Пиккара 27/V 1931 г. стратостат достиг высоты 15000 м через 25 мин. после начала подъема; такая скорость подъема не дала возможности Пиккару производить научные наблюдения. Через 2 ч. 35 мин. после начала полета обнаружилось, что вследствие обрыва клапанной веревки нельзя было открыть клапан для выпуска части газа с целью спуска; пришлось ждать, пока подъемная сила газа под влиянием охлаждения его (вследствие захода солнца) уменьшится. Гондола еще на старте получила трещину, которую заделывали уже в полете, ряд приборов испортился вследствие быстрого подъема, ртуть разбившегося барометра едва не разъела стенки гондолы. Все это способствовало тому, что научные результаты полета оказались невелики. Вторичный подъем Пиккара 18/VIII 1932 г. на той же оболочке, но с другой гондолой был более удачным. Верхний люк гондолы был герметически закрыт на высоте 1500 м. Подъем стратостата происходил сначала медленно, за первые 40 мин. только на 1600 м, затем под влиянием нагревания солнечными лучами водород в оболочке стал быстро расширяться, и за 14 мин. стратостат достиг высоты 8500 м, после чего подъем снова замедлился. Вследствие отсутствия у гондолы амортизирующего приспособления она при спуске на землю сильно подпрыгнула и перевернулась, часть приборов разбилась. Основная задача Пиккара во время обоих полетов - изучение космических лучей на большой высоте - не была выполнена с достаточной полнотой. Все же удалось выяснить увеличение интенсивности космических лучей по мере подъема в стратосферу.

Первый полет Сеттля 5/VIII 1933 г. с территории Чикагской выставки окончился неудачно. Поднявшись на высоту 200 м, стратостат упал на одну из улиц Чикаго. Первый в мире удачный во всех отношениях полет в стратосферу, установивший мировой рекорд высоты, был полет стратостата «СССР-1» 30/IX 1933 г. (Прокофьев, Годунов и Бирнбаум).

Старт дан в 8 ч. 40 мин., взлет быстрый, через 5 мин. высота 2000 м, задраиваются лазы, еще через 15 мин. - 6000 м. В 9 ч. 47 мин. стратостат уравновесился на высоте 17500 м; дальнейший подъем - за счет сбрасывания балласта; температура в гондоле +25—30°С, снаружи -65°С. В 12 ч. 55 мин. достигнута рекордная высота 19000 м, после чего стратостат пошел вниз; на 6000 м открываются лазы. Спуск очень плавный, гондола коснулась земли амортизатором и осталась на нем стоять. Все приборы в исправности. Во время полета произведено много ценных научных наблюдений и взяты пробы воздуха на разных высотах. 20/XI 1933 г. Сеттль и Фордни установили мировой рекорд высоты буржуазных стран в 18862 м, что однако ниже действительного рекорда высоты, установленного стратостатом «СССР-1» и державшегося до 1935 г.

30/I 1934 г. - полет стратостата «Осоавиахим-1», окончившийся гибелью. Как установлено по записям т. Васенко в бортовом журнале, начавшийся в 9 ч. 04 мин. подъем протекал нормально до высоты 19500 м, каковая являлась зоной равновесия (зоной, на которой подъемная сила газа в оболочке равняется полному весу стратостата, для «Осоавиахим-1» 2480 кг) и была достигнута через 1 ч. 6 мин. Наличие балласта (580 кг дроби и аварийный балласт - приборы и личные вещи - 200 кг) обеспечивало нормальный спуск с этой высоты. Сбрасыванием затем 360 кг балласта и использованием увеличения подъемной силы газа за счет нагрева его солнечными лучами (что вызвало расширение газа в оболочке и выход части его через аппендикс) в 12 ч. 15 мин. была достигнута рекордная высота в 22 км; благополучный спуск с этой высоты требовал наличия на борту значительно большего количества балласта, чем оставалось. В 12 ч. 33 мин. начался спуск, однако скоро прекратившийся и возобновившийся в 13 ч. 20 мин. после продолжительного открытия клапана. Выполнившийся от разогрева стратостата с высоты 21500 м в 13 ч. 51 мин. снова пошел вверх. В 14 ч. 20 мин. - высота 21200 м, начался очень медленный спуск. В 15 ч. 15 мин. - высота 17400 м, спуск ускоряется, в 16 ч. 13,5 мин. - высота 12000 м. Дальнейших записей нет. Скорость спуска увеличивается вследствие понижения температуры газа в оболочке из-за уменьшения интенсивности солнечной радиации и из-за обтекания оболочки холодным воздухом (температура воздуха -50°С, температура газа внутри оболочки на высоте 22000 м около + 4°С). В 16 ч. 23 мин. оторвавшаяся от оболочки гондола ударилась о землю, т. е. скорость падения, приведенная к плотности воздуха у земли, - 12—15 м/сек. По наиболее вероятному анализу причин катастрофы, данному тов. Прокофьевым, катастрофа произошла вследствие разрыва аппендиксовой уздечки, вызванного быстрым спуском, что способствовало мгновенному образованию из оболочки парашюта (нижняя часть оболочки с силой вдавилась внутрь оболочки) искаженной формы. Благодаря возникновению больших усилий в стропах вследствие быстрого торможения спуска произошел разрыв гусиных лапок. Неудачная скользящая подвеска при разрыве одной гусиной лапки (их было 64) выводила из строя основную стропу (их было 8) и тем самым вызвала увеличение нагрузки в остальных стропах. Все это вместе и вызвало резкий крен и качание гондолы, что не дало возможности пилотам принять меры к замедлению спуска путем выбрасывания балласта (а вероятен и удар пилотов о выступы и стенки гондолы) и вызвало дальнейший обрыв строп. Несмотря на гибель стратостата полет «Осоавиахим-1» дал ценные научные материалы, частично восстановленные по записям наблюдений, производившихся пилотами.

28/VII 1934 г. - полет американского стратостата «Эксплорер» с целью побития советского рекорда и проведения ряда научных исследований. Объем стратостата был рассчитан для достижения 27 км. Люки гондолы были закрыты на высоте 4500 м. Через 5 ч. 19 мин. после начала подъема была достигнута высота 12000 м, подъем затем продолжался до высоты 18474 м, когда был замечен разрыв в нижней части оболочки; стратостат начал быстро опускаться. На высоте 6500 м нижняя часть оболочки оторвалась, верхняя превратилась в подобие парашюта, стратостат опускался со скоростью 4 м/сек. На высоте 2500 м гондола оторвалась от оболочки. Попытка пилотов раскрыть специальный большой парашют для всей гондолы не удалась. Пилоты выбросились на парашютах с высоты 900, 500 и 150 м. Причины катастрофы точно не установлены, наиболее вероятная причина разрыва оболочки - недостатки конструкции ее и системы подвески и образование в материи оболочки складок при взлете, вызвавших рывки при расправлении их по мере расширения газа. Почти все приборы, бывшие в гондоле, при падении ее разбились; уцелел только один спектрограф, сброшенный заранее на парашюте. Поэтому, несмотря на многочисленные научные наблюдения, произведенные во время полета, научный результат его был невелик. 18/VIII 1934 г. - полет проф. Козинса с целью изучения воздушных течений, температурных колебаний в стратосфере и космических лучей. Подъем происходил со скоростью сначала 4 м/сек, затем 3 м/сек. Спуск благополучный. 23/Х 1934 г. - полет Жана Пиккара (брата проф. Пиккара) на оболочке и гондоле стратостата Сеттля «Век прогресса». Поднявшись на небольшую высоту, стратостат снова опустился; вторичный подъем удачный, но при посадке оболочка зацепилась за деревья и разорвалась. Научные результаты - гл. обр. по изучению космических лучей. 25/VI 1935 г. полетом «СССР-1 бис» с тт. Зилле, Прилуцким и проф. Вериго достигнута высота 15900 м. Во время полета произошел разрыв оболочки; вследствие выхода части газа из оболочки скорость снижения стратостата постепенно увеличивалась. Для уменьшения ее проф. Вериго с 4000 м и т. Прилуцкий с 2000 м выбросились на парашютах. В результате этого, а также и вследствие увеличения сопротивления оболочки, принявшей при этом форму, напоминающую парашют, стропа, соединяющая аппендиксовую уздечку с подвесным обручом, разорвалась. Это обстоятельство и послужило спасением положения: скорость падения уменьшилась, а стратостат с т. Зилле на борту благополучно опустился. Гондола осталась цела, помялся только амортизатор. Полет дал наиболее ценный из всех полетов на стратостатах научный материал. Несмотря на короткий полет, стратонавт произвел большое количество наблюдений; все приборы и запись показаний их сохранились в целости. В ноябре 1935 г. американцы Стивенс и Андерсон на стратостате «Эксплорер 2» достигли высоты 22700 м. В 1936 г. намечается полет Херрера (Испания) в открытой гондоле со скафандром. Стратостат объемом 24000 м3. Задача полета - испытание скафандра в полете. Проф. Пиккар проектирует стратостат объемом 113000 м3 для подъема на 30500 м.

Конструкция стратостата. Построенные до сего времени стратостаты - мало конструктивно отличаются от обычных сферических аэростатов.

Схема стратостата Пиккара

На фиг. 2 - схема стратостата Пиккара, на фиг. 3 - схема стратостата «Осоавиахим-1» и на фиг. 4 - схема стратостата «СССР-1». Оболочка 1 изготовляется обычно не из одинаковой, как у аэростатов, ткани, а из разных в зависимости от конструкции подвески - из трех или двух сортов ткани различной прочности и газопроницаемости. Употребляется одно-, двух- и трехслойный прорезиненный перкаль или шелк. Оболочки первого стратостата Пиккара, «СССР-1» и«Осоавиахим-1» были из прорезиненного перкаля, второго стратостата Пиккара и американского стратостата «Эксплорер» - из прорезиненного шелка. Верхняя часть оболочки делается из двухслойной или более плотной однослойной ткани, нижняя - из однослойной. Самый верх купола в случае крепления к нему строп делают, как например, в стратостате «СССР-1», из трехслойной ткани. Газонепроницаемость верхней части оболочки д. б. больше, чем нижней, т. к. в начале подъема и при спуске газом наполнена только верхняя часть оболочки; оболочка целиком выполняется только на зоне выполнения, и при происходящем во время дальнейшего подъема расширении газа и выходе его через аппендикс допустима потеря газа вследствие газопроницаемости оболочки. Примерные данные двухслойного прорезиненного перкаля: вес 200—250 г/м2, временное сопротивление по основе 1100—1300 кг/м, по утку 800—950 кг/м, удлинение по основе 4—6%, по утку 10—12%, газопроницаемость 15—20 л/м2 в сутки; однослойного перкаля: вес 150—220 г/м2, временное сопротивление по основе 550—950 кг/м, по утку 500—870 кг/м, удлинение по основе и утку, как и у двухслойного, газопроницаемость 20—35 л/м2 в сутки. Вес материи (однослойной) оболочки стратостата Пиккара «FNRS» в верхней части (3/4 шара): перкаль 90 г/м2, слой прорезинки 110 г/м2, всего 200 г/м2; в нижней части (1/4 шара) вес перкаля 55 г/м2, прорезинки 110 г/м2, всего 165 г/м2; вес материи стратостата «СССР-1», начиная от верхнего усиления и до нижней части оболочки, 220 г/м2, вес нижней части 165 г/м2; вес материи «ОАХ-1»: верхняя часть до поясных лап (двухслойный перкаль) 250 г/м2 и нижняя часть (однослойный перкаль) 180 г/м2. Вес оболочки из прорезиненного шелка 125 г/м2 (на строившемся испанском стратостате); в новом проекте стратостата Пиккар рассчитывает иметь вес шелковой оболочки 67 г/м2, из них вес шелка 32 г/м2 и слой прорезинки 35 г/м2 при прочности 500—550 кг/м и газопроницаемости 30 л/м2 в сутки. Обычно оболочка сшивается и склеивается из ряда полотнищ (оболочка стратостата «Эксплорер» только склеивалась); число полотнищ у стратостата Пиккара 100 (раскрой меридиональный), у наших стратостатов - 24 и 25 (раскрой трапецеидальный); шов (при сшивке) одно- или двухрядный, ширина строчек около 20—25 мм; на швы накладываются ленты (с обеих сторон или только с наружной) шириной 25—30 мм. Снаружи оболочка покрывается алюминиевым порошком или окрашивается в желтый цвет, что делается с целью уменьшения вредного влияния на нее ультрафиолетовых лучей, вес слоя окраски 10—25 г/м3. Значительную опасность в полете и особенно на старте представляет возможная электризация оболочки и проскакивание искры вследствие образования на ней разницы потенциалов. Помимо принятия соответствующих мер на старте (наполнение оболочки газом не снизу, а сверху, посыпание места старта порошком графита, пропускание газа через фильтр, плотное соединение шлавгов и пр.) необходимо исследование состава окраски оболочки с точки зрения уничтожения возможности накапливания на ней статических зарядов (и тем предотвращения образования опасных электрических разрядов). С этой целью в состав покрытия оболочки можно вводить раствор хлористого кальция, глицерина и других гигроскопических веществ; окраска алюминиевым порошком очевидно хуже; по произведенным в Германии опытам она способствует проскакиванию искры.

Схема стратостата «Осоавиахим-1»

Подвесной такелаж, связывающий гондолу с оболочкой, бывает 3 основных типов: 1) как в стратостате Пиккара (фиг. 2) - на оболочку в нижней ее части в местах касания строп нашит и приклеен кольцевой пояс 2 из прочной материи с параболическими фестонами (128 шт.), к которым прикрепляются первые спуски 3, переходящие затем во вторые спуски 3; два вторых спуска переходят в одну стропу 4; стропы (всего 32 шт.) прикрепляются к строповому кольцу над гондолой; 2) в стратостате «ОАХ-1» (фиг. 3) на оболочке были нашиты и приклеены 64 пятилучевые лапы 2 размером 325х328 мм, от которых шли гусиные лапки 3, переходящие в 32 первых спуска 4, затем - в 16 вторых спусков 5 и наконец - в 8 строп 6. Недостаток этой подвески - подвижное (скользящее) соединение строп со спусками и т. д., благодаря чему при разрыве одной гусиной лапки выбывает из строя одна из восьми строп. Во всех аналогичных системах диаметр веревок уменьшается при переходе от строп к гусиным лапкам (см. далее расчет подвески); 3) в стратостате «СССР-1» стропы (24 шт.) прикреплялись не к поясу, а к веревочному кольцу (диаметром 8 м) усиленной верхней части купола оболочки; на оболочке стропы укреплялись при помощи матерчатых шайб; такая система гораздо целесообразнее. Возможен и 4-й тип: крепление разветвляющихся от строп спусков и гусиных лапок к веревочной сети, которая охватывает всю (как в аэростатах с сетью) оболочку или, что лучше, часть ее; тогда в верхней части сеть постепенно переходит в стропы, крепящиеся к усилению в верхней части купола или к нашитому в верхней половине оболочки параболическому поясу. Стропы, спуски и гусиные лапки - пеньковые или шелковые веревки; при системе подвески, как в «СССР-1», возможны ленты. Прочность стропы в стратостате Пиккара - 800 кг, в «СССР-1» - 1500 кг, в «ОАХ- 1» - 1600 кг. Поясной такелаж, служащий для удержания стратостата на старте, состоит из находящегося в верхней части оболочки пояса 7 с гусиными лапками 8 и спусками 9, как у Пиккара (фиг. 2), или из матерчатых лап 7, нашитых и наклеенных на оболочку, как у «ОАХ-1» (100 лап размером 378x286 мм) (фиг. 3). От пояса или лап идут поясные веревки, за которые стартовая команда и удерживает стратостат, при отправлении стратостата в полет они могут выдергиваться. Вверху оболочки на полюсе клапан 10 (фиг. 4), от которого идет клапанная веревка 11 в гондолу, выходя из оболочки через основной аппендикс 12 или, как обычно, через дополнительный 13 меньшего диаметра рядом с основным; иногда клапан помещается не на полюсе, а на некотором расстоянии от него; на стратостате «Эксплорер» клапан пневматический, открывавшийся из гондолы сжатым воздухом, подводимым к клапану через автомобильный шланг.

Схема стратостата «СССР-1»

Клапаны стратостатов Пиккара, «СССР-1» и «ОАХ-1» (фиг. 2 и 5) - тарелочные диаметром 0,66, 0,85 и 0,75 м, весом 7,14, 14 кг; усилие, необходимое для открытия клапана, 25—30 кг. Разрывное полотнище 14 наклеено изнутри на вырез в верхней части оболочки; от него через второй добавочный аппендикс 15 идет разрывная вожжа 16 к строповому кольцу над гондолой; расстояние между гондолой и разрывным полотнищем по мере выполнения оболочки уменьшается, вожжа провисает, поэтому необходимо предусмотреть невозможность запутывания ее о стропы. В целях устранения возможности случайного вскрытия разрывного полотнища (отрыв рассчитан под грузом в 55 кг) разрывная вожжа идет через аппендикс не непосредственно от разрывного полотнища, а проходит через карабин 17, с которого надо сорвать разрывную вожжу, прежде чем вскрыть разрывное.

Клапан стратостата

Кроме того некоторая слабина дается разрывной вожже, как это видно из схемы фиг. 5, и внутри оболочки путем закрепления вожжи 18 в оболочку добавочного аппендикса. В стратостате Пиккара в месте присоединения к оболочке основного аппендикса 12 - кольцо 19, внутри аппендикса - рукав 20, завязанный на старте и развязывающийся при полете, и в нижней части - кольцо Пэшля 21, назначение которого впускать воздух в оболочку при спуске стратостата по мере сжатия газа, с тем, чтобы она имела более выполненный вид (и тем самым больший коэффициент лобового сопротивления при спуске). Сбоку в оболочке имеется одно или два отверстия 22 с завязывающимся рукавом для наполнения ее газом. Наполнение газом через нижний аппендикс производить не следует, так как в материи верхней части оболочки могут при этом возникнуть значительные напряжения (благодаря вытягиванию оболочки вверх); при очень больших объемах стратостат целесообразно производить наполнение газом через рукав в верхней части оболочки.

Диаметр основного аппендикса у построенных стратостатов ≈ 2,5 м, диаметр добавочных 0,5—1,5 м. Вес оболочки с клапаном, разрывным полотнищем и аппендиксом в первом стратостате Пиккара - около 700 кг, такелажа - 50 кг, «ОАХ-1» - 950 и 50 кг, «СССР-1» - 990 и 130 кг, стратостат Козинса - 735 кг. В стратостате Козинса внутри оболочки была устроена матерчатая шахта, позволяющая регулировать высоту подъема и останавливать стратостат на определенной высоте.

Субстратостат «Барч фон Зигсфельд»

Та же цель преследовалась и в субстратостате «Барч фон Зигсфельд» (фиг. 6) (схема на фиг. 6 и схематический разрез шахты на фиг. 7).

Субстратостат «Барч фон Зигсфельд» - схематический разрез шахты

От верхнего полюса внутри субстратостата проходит (выходя наружу снизу) шахта 1, через нее отводится (вверх) расширяющийся при подъеме газ (вместо обычного выхода его через аппендикс); шахта может складываться в виде гармоники, от смятия ее предохраняет ряд колец 2. Благодаря наличию внутри шахты особого приспособления - подвижного аппендикса 3, конусообразной мембраны с клапанным кольцом 4, устанавливаемой (управлением из гондолы) на любой высоте шахты и регулирующей открытие и закрытие клапана камеры наружного воздуха 5, соединенной с атмосферой при помощи рукава 6, обеспечивается выпуск газа из оболочки при любой степени выполнения ее, тем самым дается возможность уравновеситься и совершать полет на выбранной высоте. Существующие стратостаты (кроме субстратостата «Барч фон Зигсфельд») мало отличаются по своей конструкции от обычных аэростатов. Недостаток их - необходимость наличия на борту большого количества балласта (до 30% от полной подъемной силы - см. расчет балласта), позволяющего затормозить скорость спуска стратостата, которая в случае потери большого количества газа м. б. катастрофично велика. В целях устранения необходимости брать много балласта и во избежание перегрева газа при подъеме и охлаждения при спуске инж. Лебедевым предложена следующая конструкция стратостата. Вокруг оболочки стратостата по экватору (фиг. 8) нашито и приклеено парашютное кольцо 1, имеющее ряд круглых вырезов 2; от кромки этого кольца идет ряд строп 3, по три к каждой стропе оболочки.

Конструкция стратостата

Конструкция стратостата

При подъеме стратостата парашютное кольцо висит вокруг оболочки, при спуске парашют раскрывается. Назначение парашюта - уменьшить скорость спуска, что достигается благодаря а) увеличению парашютирующей поверхности и б) увеличению коэффициента лобового сопротивления формы. Оболочка обычного стратостата по мере спуска при происходящем при этом уменьшении объема газа принимает грушевидную, сравнительно хорошо обтекаемую вертикальным потоком воздуха форму, благодаря чему ее коэффициент лобового сопротивления небольшой, сравнительно мала также и площадь сопротивления формы. Даже в случае спуска выполненной воздухом оболочки, при наличии, например, кольца Пэшля, коэффициент лобового сопротивления ее не велик (как шара Сх = 0,25); наличие парашюта и в этом случае помимо увеличения площади сопротивления даст и значительное увеличение Сх всей формы; при невыполненной же оболочке увеличение площади лобового сопротивления частично достигается и за счет горизонтальной слагающей силы лобового сопротивления парашютного кольца, способствующей растягиванию оболочки. Парашют вокруг оболочки предлагался и ранее (еще в одном из монгольфьеров), однако наличие одного парашютного кольца при спуске придаст стратостату неустойчивость, и он будет раскачиваться, что нежелательно; ряд вырезов в парашютном кольце совершенно меняет дело и, как показали опыты с большими моделями, дает стратостату плавный и устойчивый спуск. Превращение оболочки в парашют происходит постепенно при помощи стягивающей системы 4, состоящей из ряда веревочных тяг, идущих от нижней части оболочки (у аппендикса) к верхней (вокруг полюса), перекинутых затем через блочки и идущих далее (переходя в одну тягу) через аппендикс наружу к гондоле. Притягивание нижней части оболочки к верхней по мере уменьшения объема газа в оболочке происходит автоматически под действием силы веса гондолы и может также регулироваться пилотом при помощи наматывания веревки на барабан внутри гондолы, куда эта веревка пропущена через приспособление в стенке ее, аналогична приспособлению, служащему для ввода клапанной веревки. Эти простые добавочные к обычному стратостату устройства позволяют иметь полную уверенность, что даже при разрыве оболочки в воздухе скорость спуска будет, например, для стратостата объемом 40000 м3, не больше 4,5 м/сек, тогда как в этом же случае при обычной системе стратостата катастрофа неминуема. По сравнению с нормальным стратостатом на стратостат предлагаемой системы м. б. при том же объеме достигнута большая высота подъема; изменения атмосферных условий во время полета стратостата меньше влияют на выполнение полета и нормальный спуск стратостата. Вес добавочного устройства сравнительно с весом всей оболочки ничтожен.

Расчет оболочки на прочность для выполненной оболочки на зоне выполнения.

Расчет оболочки стратостата на прочность

Отсечем мысленно нижнюю часть оболочки BED (фиг. 9), заменив ее действие силами натяжения t кг/п. м., равномерно распределенными по окружности основания сферического сегмента BCD. Уравнение равновесия сил:

stratostat f1

т. к. сверхдавление у нижнего основания аппендикса равно 0, то

stratostat f2

здесь Ас.с., Uс.с., rи M - подъемная сила газа, объем, радиус основания и поверхность сегмента BCD, а - удельная подъемная сила газа на зоне выполнения, q - вес 1 п. м. оболочки (верхнего сферического сегмента) и h = КО' = R (1 + cos α). Из ф-лы (1')

stratostat f3

Наибольшая величина t - в верхней части оболочки. Обычно напряжение в оболочке сферического аэростата считают по формуле Ренара:

stratostat f4

где рh- сверхдавление в оболочке на расстоянии h от основания аппендикса; однако t по этой формуле получается меньше, чем по более правильной формуле (2). Расчет невыполненной оболочки аналогичен; здесь а увеличивается и h уменьшается. Принимая коэффициент безопасности материи k, необходима материя с разрывающим усилием не менее kt. Берут k не менее 12, желательно до 20, т. к. возможны значительные местные напряжения в оболочке в нижней ее части при заполнении газом (невыполненной) поднимающейся вверх оболочки, когда происходит расправление складок (могущих слипнуться) оболочки. Стропы подвески рассчитываются на вес Q гондолы с приборами, оборудованием, балластом и экипажем. В каждой основной стропе усилие

stratostat f5

где n- число основных строп, а ϕ - угол между вертикалью и направлением стропы. Если каждая стропа от гондолы к оболочке разветвляется на 2 спуска, то усилие в спуске

stratostat f6

где ϕ1 - угол между направлением стропы и спуска; в случае дальнейшего разветвления спусков, например, на гусиные лапки, расчет ведется аналогично. Веревки для строп подбираются по разрывающему усилию при том же (не менее) коэффициенте безопасности, что и у оболочки. Диаметр Dmax поперечного сечения аппендикса определяется из расчета скорости подъема vH выполненной оболочки, т. е. после достижения стратостатом зоны выполнения. Задаваясь vН = 10—12 м/сек, определяем объем газа ΔU, который должен выходить через аппендикс за 1 сек (секундное приращение объема газа в оболочке вследствие его расширения), исходя из формулы

stratostat f7

где Uн - объем газа на данной высоте (объем оболочки); UH1 - объем газа через 1 сек., т. е. при подъеме стратостата на 12 м выше; аН1 и аН - на тех же высотах. Принимая н1 = Н + 12, определим

stratostat f8

Приравнивая ΔU выпускной способности аппендикса Qaпп., получим              

stratostat f9

где k- коэффициент сжатия струи (для аппендикса м. б. принято k= 0,75), Faпп. - площадь поперечного сечения аппендикса, р - сверхдавление газа на уровне верхнего кольца аппендикса в кг/м2 (на зоне выполнения), gr = 9,81 м/сек3 и γг - вес 1 м3 газа (на зоне выполнения). Определим Faпп. и Daпп. Диаметр клапана определяется из расчета задаваемой секундной пропускной способности клапана Qкл. (можно принять Qкл. = 0,03—0,035% от объема выполненной оболочки U). Тогда площадь гнезда клапана или боковая поверхность цилиндра с диаметром гнезда клапана и высотой, соответствующей подъему тарелки над гнездом (надо брать меньшую из этих площадей), Fкл. определится по той же формуле, что и для аппендикса:

stratostat f10

в этом случае берем k1 = 0,5; р берем в верхней точке оболочки на зоне равновесия.

Гондола стратостата. Требования, предъявляемые к гондоле: герметичность стенок, быстрооткрывающиеся и закрывающиеся герметические люки, надежное и герметичное устройство управления клапаном, достаточный для пребывания и работы людей объем, возможность удобного расположения оборудования и приборов, хороший обзор из гондолы, амортизатор, предохраняющий людей и инструменты от повреждения при посадке, наружная окраска, обеспечивающая поддержание внутри гондолы не слишком высоких и низких температур, возможно меньший вес. Гондолы для стратостатов - сварной или клепаной конструкции. Гондола состоит из каркаса, к которому обычно непосредственно крепится такелаж, идущий к строповому кольцу и далее от него к оболочке. Стенки гондолы из листового тонкостенного материала; наилучшая форма гондолы - шарообразная, так как при этом получается наименьшее напряжение в материале стенок вследствие разницы внутреннего и наружного давления воздуха. В сварных конструкциях материалом служит алюминий, сталь и сплав с преобладанием магния, в клепаных - дюраль и кольчугалюминий. Размеры построенных гондол, веса и пр. даны в табл. 3.

Основные данные гондол стратостатов

Особое внимание при сварке и клепке листов стенок гондолы обращается на герметичность гондолы. Наружная обшивка и окраска гондолы имеют целью предохранить людей от высоких (вследствие интенсивного нагревания солнечными лучами) и низких (температура в стратосфере около -56°С) температуp; окраска построенных гондол - см. табл. 3.

Первая гондола Пиккара

Первая гондола Пиккара (фиг. 10а и 10б) имела каркас из 8 алюминиевых трубчатых стоек 1, к которым снизу укрепляется пол; вверху стойки выходят наружу гондолы и оканчиваются кольцами 2, от которых идут тросы к строповому кольцу. От стоек внутри гондолы идет ряд поперечных распорок 3. Снаружи гондола стянута восемью тягами, переходящими к точкам крепления к строповому кольцу. Оболочка гондолы - из трех алюминиевых выштампованных частей. Снаружи гондолы укреплен пропеллер 4, вращаемый от электромотора 5 в гондоле, для регулирования температуры воздуха в ней путем поворачивания половины, окрашенной в черный цвет, к солнечным лучам для повышения температуры внутри нее и светлой - для понижения. Это устройство, оказалось неудачным, и во время полета 27/V 1931 г. температура внутри гондолы, сначала резко упавшая, повысилась затем до 41°С. В верхней части гондолы, сбоку, - герметически закрывающийся лаз 6 с диаметром 500 мм (время, потребное на открытие лаза, ~25 сек.); в стенке гондолы - 8 иллюминаторов 7 из двойного стекла диаметром 100 мм, толщиной 7,5 мм; снаружи гондолы укреплен барабан 8 для наматывания клапанной веревки, проходящей затем через герметическое приспособление в гондолу. Сбоку гондолы - клапан 9 для впуска воздуха в гондолу. Над гондолой укреплен специальный гондольный парашют для замедления падения гондолы в случае разрыва оболочки. Благодаря окраске второй гондолы Пиккара целиком в светлый цвет температура внутри нее во время полета была -20°С.

Общий вид гондолы «СССР-1»

На фиг. 11 изображен общий вид гондолы «СССР-1» (конструктор В. А. Чижевский), подготовленной к полету; на фиг. 12 видно внутреннее устройство ее (часть оболочки вырезана);

Общий вид гондолы «СССР-1» - внутреннее  устройство

на фиг. 13 - чертеж общего вида гондолы.

Чертеж общего вида гондолы

Чертеж общего вида гондолы

Каркас гондолы (фиг. 12 и 13) состоит из 8 вертикальных 1, 16 наклонных кольчугалюминиевых труб 2 и 8 профилей в средней части 3, служащих основанием кольцевого стола для приборов 4, борта которого обтянуты войлоком. Узлы соединения труб стальные; 8 верхних и нижних узлов имеют косынки, к которым и прикреплена оболочка. В нижней части каркаса укреплен пол 5 из кольчугалюминиевых профилей и гофра, зашитого листом, и 2 откидных стула 6. Каркас воспринимает все сосредоточенные нагрузки, а оболочка 7 гондолы - только разницу внутреннего и наружного давлений. Оболочка склепана из 12 выколоченных по поверхности шара с d = 2,3 м кольчугалюминиевых листов; тип двойного заклепочного шва 8, обеспечивающего герметичность гондолы, виден на фиг. 14;

Гондола

шаг заклепок 18 мм; швы покрыты авиалаком. Для входа и выхода пилотов из гондолы в верхней половине оболочки прорезаны два отверстия 9 с d = 500 мм, закрываемые люками 10, отлитыми из силумина (время на открытие люка - 8 сек.). К стенке гондолы прикреплена обечайка, в паз которой заложена очень эластичная резина; края люка специальным механизмом вдавливаются в резину обечайки, чем достигается полная герметичность. На открытие или закрытие люка (при помощи ручек 11) требуется 5—8 сек. На фиг. 15 дан вид на запирающий механизм люка внутри гондолы.

Вид на запирающий механизм люка внутри гондолы

В гондоле прорезано 9 окон 12 с d = 100 мм; толщина стекол (оптических) - 8 мм; окна снабжены предохранительными колпачками с резиновой прокладкой и зажимным устройством на случай разбития стекол. Катушка 13 снаружи гондолы служит для наматывания на нее веревки от клапана (при выполнении аэростата газом, по мере подъема, расстояние между клапаном и гондолой уменьшается, веревка провисает); катушка надета (фиг. 16) на стержень 14, проходящий через сальник 15, вклепанный в оболочку гондолы; на конце стержня - штурвал 16, поворачиванием которого пилот наматывает веревку на катушку.

Катушка снаружи гондолы

Под гондолой - амортизирующая подставка 17 из ивовых прутьев (фиг. 12); она ломается в случае спуска со скоростью более 5 м/сек. Балласт (дробь) в мешках 18 подвешен к кольцу 19 под гондолой. В отверстия в кольце вставлены болтики, законтренные сверху шпильками, соединенными последовательно стальным тросом; к болтикам подвешивались на тросах мешки. В дне гондолы через герметический сальник 20 (фиг. 17, где показано приспособление для сбрасывания балласта) проходит вал 21, на нем изнутри гондолы ручка 22, поворотом которой трос наматывается на находящуюся снаружи катушку 23; при этом трос выдергивает очередную шпильку, и дробь из мешка, нижним концом привязанного к гондоле и опрокидывающегося при этом, высыпается.

Приспособление для сбрасывания балласта

Тепловая изоляция гондолы достигалась обшивкой гондолы войлоком, поверх которого полотняная обтяжка, выкрашенная в голубой цвет, что предохраняло от влияния солнечных лучей; температура внутри гондолы во время полета колебалась от +14 до +30°С. Гондола подвешивалась к строповому кольцу 24 (фиг. 11) (от которого идут стропы к оболочке) за ушки 25 (фиг. 13), которыми оканчивались вертикальные трубы 1 каркаса.

Гондола «ОАХ-1»

На фиг. 18 приведена гондола «ОАХ-1», в которой каркас из 10 стрингеров и 6 горизонтальных шпангоутов из трубочки d = 12 х 14 мм, сварка автогенная; материал - сталь с содержанием хрома - 1,6% и никеля около 22%, временное сопротивление трубок - 75 кг/м2. Оболочка из стальных листов аналогичного состава с временным сопротивлением - 60 кг /мм2; сварка электроточечная. Оболочка приварена к каркасу при помощи металлических кляммер. Лаз 1 с d = 800 мм вверху гондолы закрывается при помощи барашков (что неудачно, т. к. требует для открытия лаза более 2 мин.). Иллюминаторов 2—6 с d = 150 мм; зеркальные стекла толщиной в 12 мм. Состав окраски гондолы: олифа, цинковые белила, двуокись титана, немного сажи и талька. Клапанная веревка проходит в гондолу через U-образную, наполненную ртутью стальную трубку в стенке гондолы. Внизу, внутри гондолы, балластосбрасыватель 3 - металлический прибор, состоящий из воронки, конусообразного сосуда и 2 кранов. Балласт (дробь) насыпается в верхнюю воронку; при открытии верхнего крана дробь перемещается в сосуд, верхний кран закрывается, открытием нижнего дробь высыпается наружу (1 кг/сек). Амортизатор 4 внизу под гондолой - пневматический. Гондола «ОАХ-1», имея неудачные конструктивные детали (лазы, балластосбрасыватель), показала высокую прочность; при ударе о землю оторвавшейся от стратостата гондолы она только несколько помялась.

На фиг. 19 представлен проект гондолы, разработанный инженером ЦАГИ Бычковым.

Проект гондолы, разработанный инженером ЦАГИ Бычковым

Гондола - шар с D = 2,45 м (1 - подвесное кольцо, 2 - верхний люк, 3 - нижний люк, 4 - боковой амортизатор, 5 - главный амортизатор, 6 - кольцо для сбрасывания балласта, 7 - подставка для взлета). Каркас из двух - верхнего и нижнего - трубчатых поясов и из вертикальных стальных труб между ними. Как материал для оболочки гондолы рассмотрены дюраль и антимагнитная сталь; электрон вследствие недостаточности опыта с применением его и его склонности к коррозии едва ли в настоящее время применим. При коэффициентах прочности на разрыв дуралюмина 38 кг/мм2 и антимагнитной стали 60 кг/мм2 дюралевая оболочка при одинаковой прочности получается легче.

stratostat 20-21

На диаграмме (фиг. 20) даны веса оболочки гондолы из разных материалов и при разной толщине листов оболочки в функции диаметра гондолы. Из графика видно, что при D = 2,45 м вес дюралевой оболочки толщиной 1,5 мм - 79 кг, толщина стальной оболочки при том же запасе прочности 0,95 мм и вес 140 кг. При расчетной разности давления внутри и снаружи в 0,8 кг/см2, что соответствует давлению в гондоле при закрытии люков на высоте 2000 м, а наружного воздуха на высоте 25000 м (по стандартной атмосфере), подсчитывая напряжение в оболочке гондолы по формуле

stratostat f11

где р = 0,8 кг/см2, D - диаметр гондолы, δ - толщина листов оболочки и m- коэффициент ослабления обшивки швами, принимаемый m = 0,75, получим диаграмму фиг. 21 - напряжение на разрыв по шву в функции D гондолы. Запас прочности в швах принят 8,5. В случае применения супердюраля (коэффициент крепости 48 кг/мм2) вес гондолы уменьшится или запас прочности увеличится. В проекте инж. Бычкова предусмотрено крепление полок для размещения приборов нежесткое, упругое, позволяющее обшивке деформироваться. Люков два - один в верхней половине гондолы 2, другой - в нижней 3 на уровне пола. К верхней части оболочки гондолы крепится подвесное кольцо 1, к нижней части - амортизатор 5, состоящий из 6 матерчатых мешков, расположенных по окружности. К мешкам пришиты легкие упругие кольца из рояльной проволоки, позволяющие мешкам сохранять свою форму. Кольца связаны друг с другом несколькими проволоками, дающими дополнительную устойчивость всей конструкции; в мешках - ряд отверстий для выхода воздуха. Работа при ударе о землю поглощается за счет сжатия воздуха в мешках и одновременного выпуска части его через отверстие.

Механизм управления балластом

К механизму управления балластом предъявлено требование полной надежности его работы. С этой целью по одному варианту (фиг. 22) помимо механизма по типу, как в гондоле «СССР-1», на случай заедания вала или троса имеется дополнительный вал с тросом, обеспечивающим сбрасывание балласта в случае отказа основного механизма.

Механизм управления балластом

На фиг. 23а представлена схема с индивидуальным приводом к каждому мешку с балластом, где 1 - кольцо для сбрасывания мешка, 2 - тяга, 3 - сальник, 4 - проволока 0,5 мм, 5 - предохранительный колпачок, 6 - запорная шпилька, 7 - мешок с балластом. На фиг. 23б дан вариант уплотнений, где 1 - резина, 2 - пробка, 3 - спирт с маслом, 4 - пробка. Обеспечение герметичности выводов вполне возможно, а как показали опыты, даже и при отсутствии специальных уплотнений расход воздуха через отверстие с проволокой очень мал и не дает заметного уменьшения давления в гондоле. На фиг 24 и 25 даны разрез и общий вид гондолы по проекту инженеров ЦАГИ Кузнецова и Комова.

Общий вид гондолы по проекту инженеров ЦАГИ Кузнецова и Комова

Разрез гондолы по проекту инженеров ЦАГИ Кузнецова и Комова

Диаметр гондолы - 2,4 м; материал - кольчугалюминий. С целью удобства расположения пилотов в гондоле каркас состоит не из системы вертикальных сквозных труб, а из 4-рамных шпангоутов, верхние концы которых завязаны внутренним кольцом из коробчатого профиля. К верхним концам шпангоутов крепятся стальные узлы, проходящие сквозь оболочку гондолы. К ним крепится строповое кольцо; такое расположение его вблизи гондолы сделано с целью большей устойчивости гондолы против раскачивания. Между шпангоутами - полка для приборов. Люк - в верхней половине гондолы. Амортизатор - в виде двух колец из прорезиненного полотна с боковыми карманами в виде двух кольцевых сегментов; между камерами - обратные клапаны для регулирования; регулятор давления выводится в гондолу. Высота амортизации 525 мм рассчитана на поглощение работы ударом при спуске со скоростью 5 м/сек.

Расчет гондол стратостата: каркаса - обыкновенными методами, оболочки - по приведенной выше формуле и на местные нагрузки от веса человека, а также на удар при жесткой посадке со скоростью 8—10 м/сек. Испытания на прочность и воздухонепроницаемость оболочки Гондолы - путем повышения давления внутри нее примерно до 2,5—3 atm или в специальной камере с разреженным воздухом. Гондола д. б. оборудована специальными аппаратами для обеспечения дыхания и работоспособности людей во время длительного пребывания в ней. Жизнедеятельность организма человека на высоте определяется величиной парциального давления кислорода во вдыхаемом воздухе. При полетах в открытой кабине без кислородных аппаратов уже с 2500 м начинается нарушение деятельности головного мозга, хотя до 5000 —7000 м человек может дышать без дополнительного питания организма кислородом. При условии вдыхания 100%-ного кислорода и обогрева одежды летчика человек может выдержать в открытой кабине высоту максимум 14000 —14500 м, у большинства еще раньше лопаются кровеносные сосуды, что объясняется тем, что при давлениях, соответствующих этим высотам, кислород, содержащийся в крови человека, начинает выделяться из нее; большая высота обязательно требует герметичности гондолы (или наличия скафандра); на 19000 м без этого происходит закипание крови в сосудах. Поэтому помимо обеспечения герметичности гондолы и поддержания необходимых для жизнедеятельности организма давления и температуры внутри гондолы д. б. обеспечены подача достаточного количества кислорода и удаление углекислоты, выделяемой человеком при дыхании. Обычно в воздушном флоте применяются две системы кислородных аппаратов - система высокого давления, где газообразный кислород содержится в сжатом состоянии под давлением до 150 atm, и система низкого давления - с применением жидкого кислорода. В обоих случаях кислород дросселированием доводится до соответствующего давления, под которым и поступает в маску или прямо в кабину, поддерживая в ней давление и компенсируя использованный для дыхания кислород. Стальные бутыли, в которых содержится газообразный кислород, удобнее брать небольшой емкости (до 1 л), т. к. они м. б. использованы как последовательно сбрасываемый посадочный балласт. В гондоле Пиккара кроме бутыли с газообразным кислородом был установлен аппарат Дрегера (с жидким кислородом), дававший в минуту 2,3 л чистого кислорода и производивший циркуляцию 90 л воздуха гондолы, прогоняя его через калиевые патроны, поглощающие вредные продукты дыхания (двуокись углерода). В гондоле «СССР-1» для возмещения убыли кислорода служил металлический дюаровский сосуд с жидким кислородом и кроме того была регенеративная установка для поглощения углекислоты, выдыхаемой пилотами. В гондоле «ОАХ-1» вентилятор засасывал испорченный воздух в трубопровод под деревянным полом гондолы и прогонял его через 12 патронов Аудос; поглощающаяся углекислота направлялась в верхнюю часть гондолы. Патроны устанавливались под полом приемными отверстиями на его уровне; отверстия для выхода восстановленного воздуха вставлены в трубопровод под полом. Вентилятор (3600 об/мин.), производительность которого 72 м3/ч при напоре 100 мм вод. ст., приводился в движение от умформера, питаемого аккумуляторами.

Определение высоты подъема стратостата. Определение высоты подъема летательного аппарата производят по след. формулам. 1) Формула Галлея

stratostat f12

где р0 - давление воздуха в мм рт. ст. на уровне моря и рн - на высоте Н; Н0 - высота однородной атмосферы;

stratostat f13

где R - характеристическая постоянная для воздуха, Т0 - абсолютная температура, Р0 - давление воздуха в кг/м2, γ0 - плотность воздуха в кг/м3. Эта формула верна только при условии изотермической атмосферы, т. е. при t0 = tH = Const, что по существу имеет место только в стратосфере (на тех высотах, которые м. б. доступны стратостату) и если при этом не учитываются влажность воздуха, широта места подъема и изменение с высотой силы тяжести.

Для учета этих факторов в формулу (1) следовало бы ввести поправки: а) на изменение температуры воздуха с высотой - поправочный коэффициент (1 + 0,00366 tcр. ), где tсp. = (t1 + t2)/2 , t1 и t2 - температуры на верхней и нижней границе рассматриваемого слоя, 0,00366 - коэффициент объемного расширения газов α = 1/273; б) на влажность воздуха - поправочный коэффициент 1 + 0,378·l/p0, где I - средняя абсолютная влажность в мм рт. ст. в рассматриваемом слое; в) на изменение силы тяжести за счет изменения высоты H и за счет данной широты места подъема. До высоты стратосферы (где температура устанавливается Const и воздух считается совершенно сухим) первые две поправки необходимо учитывать; поправка на изменение силы тяжести сравнительно невелика и ею при не очень точных подсчетах обычно пренебрегают. Точная зависимость g от Н выражается формулой g = (R/(R+H))2/g1, где R - радиус земли = 6380 км, g1 - ускорение силы тяжести на уровне Н = 0, которое изменяется в зависимости от широты места подъема ϕ; g1 = (1—0,00264ϕ) g0, где g0 = 9,81 м/сек2 на широте ϕ = 45°, так что  g = (R/(R+H))2/(1—0,00264ϕ) g0. При внесении этой поправки в формулы для определения Н принимаем g0 за единицу. Зависимость изменения g от Н видна из табл. 4.

Зависимость ускорения силы тяжести от высот

Зависимость изменения g1 от ϕ для H= 0 м видна из табл. 5.

Зависимость изменения ускорения силы тяжести на высоте = 0 от широты

Т. о. для данной H подъема наименьшее g будет на экваторе и наибольшее - на полюсах. Изменение g для H = 30 км на разных ϕ видно из табл. 6.

Изменение ускорения силы тяжести для 30 км при разных широтах

Считая высоту Н = 30 км близкой к предельной, достижимой стратостатом, видим, что и на этой H поправка на изменение напряжения силы тяжести, даже на ϕ = 0°, около 1%, поэтому для не очень точных подсчетов этой поправкой пренебрегают.

2) Поправки на температуру и влажность обычно объединяют и тогда формула Галлея с учетом этих поправок выражается в виде

stratostat f14

где tcp. = (t1 + t2)/2 и 0,00378 - коэффициент расширения с учетом изменения влажности от температуры (взят вместо 0,00366). Для получения большей точности в подсчете H всю высоту разбивают на ряд промежуточных высот, для которых и подставляются в формулу (2) соответствующие t1 и р1 на нижней границе и t2 и р2 на верхней границе данной разности высот. Ошибка, связанная с предположением средней арифметической tcp., изменяется почти пропорционально квадрату величин частей, на которые делится вся высота, т. ч. если разбить H на промежуточные высоты, каждая в 1000 м, то мы уменьшим ошибку в 4 раза по сравнению с разбивкой H на высоты по 2000 м каждая. При 15° и 50% относительной влажности H0 = 8440 м. Тогда формула (2) примет вид

stratostat f15

Пересчет с H0, подсчитанного при t0, на Н'0 при t'0 по формуле

stratostat f16

Если требуется определить высоту стратостата на основании показаний барографа и известной температуры на земле или если известна температура на какой-либо высоте, то, вводя температурный градиент τ (на основании имеющихся данных об изменении температуры с высотой) по формуле t1 = t2 + τH или t2 = t1 - τH, определяем H по формуле

stratostat f17

Если известна температура t1, то по формуле

stratostat f18

3) В воздухоплавании часто пользуются для приближенного подсчета H таблицей «высотных чисел», подсчитанной Эмденом (табл. 7).

Высотные числа Эмдена для определения высоты подъема

В этой таблице n = p0/pН ; высоты H, приведенные в таблице, определены по формуле (1), причем Н0 = 8000 м, что приблизительно соответствует t0 = 0°С и 760 мм рт. ст. Зная  p0/p= n, находим в табл. 7 H (например, p0/p = 1,93; H = 5255). Для учета изменения температуры по высоте необходимо вводить поправку: увеличивать H на 4% на каждый градус средней температуры (tсp.) воздуха между двумя уровнями, разность высот которых определяется, если tcp. выше 0°С, и уменьшать H на 4% на каждый градус, если tcp. ниже 0°С. Это практическое правило выражается формулой

stratostat f19

Можно рекомендовать до высоты стратосферы определять H по формулам (2), (3) или (4), начиная же с H, где температура устанавливается Const, подсчитывать дальнейшую высоту по формуле (1) без учета изменений температуры, т. е. если например, температура = Const (нижняя граница стратосферы) установится с 11000 м, полная высота

stratostat f20

где H0 и р11 - соответствующие величины для 11000 м.

4) В качестве стандартной, принятой F. А. I. (La Federation Aeronautique Internationale) при установлении международных рекордов высоты, служит формула Соро:

stratostat f21

Эта формула выведена на основании многочисленных атмосферных исследований аэрологических станций Бельгии, Италии, Германии и Австрии; она считается пригодной для высот от 2000 м до 17000 м, ее применяют и до H = 20000 м. Определяя H по формуле (6), получим следующие данные (табл. 8).

Определение высоты подъема стратостата по формуле Соро

Другая формула Соро, пригодная с 2 до 29 км:

stratostat f22

Подсчитанные по этой формуле величины р для данных H приведены в табл. 12. Для высот от 15 до 25 км Соро дает очень простую формулу

stratostat f23

5) В международных метеорология, таблицах (изд. Villars et Co.) приводится формула Лапласа (Laplace), которой часто пользуются для более точного определения высоты подъема шаров-зондов:

stratostat f24

Здесь tср. = (t1 + t2)/2 - средняя температура слоя, I = (l1 + l2)/2 - среднее давление водяных паров в слое, р = (p1 + p2)/2  — среднее барометрическое давление слоя, ϕ - средняя широта места зондажа, h- высота основания слоя. Формула (9) м. б. представлена в виде

stratostat f25

Ральманом (Rahlmann) и Вильдом (Wild) составлены таблицы, дающие логарифмы А, В, С и D. Т. к. в D входит H, то получим первое приближение, отбросив D при определении lg H. Полученную при этом величину H вводим в формулу (9') для окончательного определения H. Подсчет H по этой формуле для большей точности надо производить методом сечений; получится тем большая точность, чем меньшие промежутки высот будут браться.

6) По формулам и таблицам международной стандартной атмосферы.

Плотность воздуха, а также и газов, применяемых в воздухоплавании, с учетом влияния изменения температуры, наличия в газе водяных паров и изменения напряжения силы тяжести с высотой и широтой места м. б. определена по формуле

stratostat f26

где рв.п. - давление в газе водяных паров, δ - удельный вес водяных паров (по отношению к воздуху), s - удельный вес сухого газа (s = γ0в0; Т0 = 273 и р0 = 10333 кг/м2, а - коэффициент объемного расширения газа. Зависимость γ от изменения отношения g/g0 м. б. определена по приведенной выше формуле; как было видно из табл. 4, 5, 6, изменение величины g по сравнению с g0 невелико, поэтому мы этой поправкой пренебрегаем. Изменение плотности в зависимости от температуры может быть довольно значительно.

Изменение температурных условий вследствие, например, облачности (в тропосфере) может в течение нескольких минут увеличить γ на 2—3%. Однако с увеличением H значение температуры уменьшается и затем уступает место давлению. В табл. 9 приведены отношения γн0 для соответствующих H при условии различных температур на уровне моря и при постоянном температурном градиенте 1°С на каждые 160 м высоты. Эта таблица подсчитана по сложной формуле действительной зависимости γн0 от изменения температуры, каковую формулу мы здесь не приводим.

stratostat tabl9

Влажность воздуха при небольшой температуре сравнительно мало влияет на γ; при 0°С и при насыщенном водяными парами воздухе с относительной влажностью 100% γ уменьшается всего на 0,2%, но при 40°С влияние влажности на плотность выразится в 2,75%, при 15°С поправка в 0,67%. Относительная влажность в тропосфере обычно всегда больше 0% и меньше 100%, в среднем принимается в 50%; в стратосфере воздух считается совершенно сухим. Обобщенная формула γвоздуха с учетом влияния температуры, давления и влажности при стандартной температуре = 15°С имеет вид

stratostat f27

и с точностью до 1%

stratostat f28

Здесь γ0 - стандартная плотность сухого воздуха, γ'0 = 1,292 кг/м3 - плотность воздуха при относительной влажности в 50%, р = рв + рв.п равно полному барометрическому давлению, рв - давление воздуха, рв.п -давление водяных паров. При температуре = 0°С формулы (11) и (12) будут иметь вид

stratostat f29

и

stratostat f30

Зависимость между γ и высотой Н выражается приближенными (точная формула очень сложна и неудобна для подсчетов) формулами, из которых приводим: 1) формула Мизеса (von Mises)

stratostat f31

2) формула Гримо (Grimault)

stratostat f32

В этих формулах принята на уровне моря стандартная температура = 15°С. Если температура на уровне моря не 15°С, a t1 то в формулы вводится поправка

stratostat f33

Наибольшую точность по сравнению со стандартной атмосферой, как это видно из табл. 10, дает формула (14) (до Н = 12 км).

3) Линке предложил очень простую формулу

stratostat f34

4) Соро до Н = 14 км рекомендует формулу

stratostat f35

По этой формуле подсчитаны γ в табл. 10.

Определение плотности воздуха по различным формулам

От 15 до 25 км Соро предлагает очень простую формулу

stratostat f36

Для сравнения между собой измерений, произведенных в разное время и в различных местах, замеренные в полете данные принято приводить к международной стандартной атмосфере, определяющейся следующими положениями: а) за нулевую высоту принимается уровень моря р0 = 760 мм рт. ст.; t0 = +15°С; при этих условиях весовая плотность воздуха у0 = 1,225 кг/м3 и массовая плотность ϱ = γ0/g = 0,125 кг·сек24; б) считается до Н = 11000 температура изменяется по закону прямой:

stratostat f37

давление изменяется по формуле

stratostat f38

и плотность по формуле

stratostat f39

в) начиная с Н = 11000 м и выше температура воздуха считается t11 = -56,5°С = Const, давление изменяется по формуле

stratostat f40

и плотность

stratostat f41

г) Влажностью воздуха на всех высотах пренебрегают. Считают везде применимым уравнение Клапейрона для совершенных газов (характеристическая постоянная для воздуха принимается R = 29,3). Переход от действительных, замеренных в полете, условий к стандартным по формуле

stratostat f42

где индекс d означает действительные величины, замеренные в полете. Зная γd, определяем по таблицам стандартной атмосферы (табл. 11) или по графику γ = f(H) соответствующую высоту Н по стандартной атмосфере.

Международная стандартная атмосфера

При приведении замеренных в полете рd и Тd к стандартным может (для небольших высот при полете в зимних условиях) оказаться, что полет совершался под «стандартной Н = 0 м». Если при одном и том же давлении температура воздуха изменилась с Т до Т1, то новая γТ1 определится из

stratostat f43

Таблицы международной стандартной атмосферы составлены до Н = 15000 м. Мы приводим здесь продолжение этой таблицы до Н = 30000 м. Для удобства пользования таблицей переносим в нее данные стандартной атмосферы для Н = 11000—15000 м из имеющихся таблиц через 1000 м.

В действительности считают, что температура воздуха остается в стратосфере постоянной лишь до Н = 20000 —22000 м, выше температура начинает увеличиваться, так что рекомендовать пользоваться стандартной атмосферой и выше 22 км для точных подсчетов нельзя; лучше брать необходимые значения из табл. 12, составленной на основании средних данных из целого ряда наблюдений, произведенных различными метеорологическими станциями средней Европы при помощи шаров-зондов.

Экспериментальные данные давлений и температур

В табл. 12 приведены эти средние данные по Гемфри для лета и зимы отдельно. В той же таблице под рубрикой «По Соро» приведены значения рн, подсчитанные по формуле (9), γн - по формуле (16) и tн, выведенные Соро на основе его предположений о распределении температуры в стратосфере.

Аэростатический расчет. Подъемная сила 1 м3 газа (удельная подъемная сила)

stratostat f44

Здесь и в дальнейшем индексом в обозначены все величины, относящиеся к воздуху, индексом г - к подъемному газу. По формуле (10) удельная подъемная сила газа с учетом наличия водяных паров в воздухе и газе и изменения g с высотой Н и широтой места определится (считая Tг0 = Тв0 = Т0) из формулы

stratostat f45

Не учитывая изменения g, на что при определении а имеем тем большее право, что одновременно с изменением а в том же отношении изменяются и веса поднимаемых масс стратостатом, и считая, что водяные пары, являющиеся составной частью воздуха и газа, учитываются соответствующим изменением γв0 и γг0, перепишем формулу

stratostat f46

Полная подъемная сила газа в оболочке стратостата объемом U будет

stratostat f47

Если принять рв = рг = р (величина р несколько различается на уровнях аппендикса и полюса оболочки, однако очень незначительно, за р всюду принимаем среднее давление на уровне центра объема оболочки), то формула (28) примет вид

stratostat f48

Если при этом температура газа и воздуха, равные вначале, изменяются одинаково, т. е. остается Тв = Тг = Т0, то

stratostat f49

Оболочка стратостата наполняется у земли газом только на небольшую часть своего объема с таким расчетом, чтобы подъемная сила газа у земли А0 была равна сумме весов: конструкции стратостата - gк, всего находящегося в гондоле оборудования и снаряжения – gсн., веса пилотов - gп, балласта маневренного – gб.м и балласта, необходимого для спуска и резервного – gб.с плюс некоторая сплавная подъемная сила Аспл.0, т. е.:

stratostat f50

где

stratostat f51

и

stratostat f52

отсюда

stratostat f53

Чем меньший процент составляет начальный объем газа U от полного объема оболочки Uз.в, тем на большую высоту стратостат может подняться (индекс з.в. здесь и в дальнейшем означает «зона выполнения»). До зоны выполнения, т. е. до той высоты, на которой расширившийся вследствие изменения атмосферных условий газ займет («выполнит») весь объем оболочки, подъем стратостата будет происходить по законам для невыполненного аэростата. Начиная с высоты зоны выполнения, дальнейший подъем - по законам аэростатики для выполненного аэростата. Спуск стратостата происходит по законам для невыполненного аэростата. В течение подъема или спуска возможны, конечно, переходы от одного состояния к другому. На любой высоте Н до зоны выполнения

stratostat f54

или т. к.

stratostat f55

и

stratostat f56

то

stratostat f57

При невыполненной оболочке стратостата стенки ее могут свободно расширяться, поэтому ргн = pвн = pн и формула (37) будет

stratostat f58

Из этого уравнения видно, что Аспл. = Const для всех Н до зоны выполнения, если отношение абсолютных температур газа и воздуха остается неизменным, хотя Тгн ≠ Твн. Т. к. Тгн / Твн = 1 + (Тгн - Твн)/Твн, то следовательно Аспл.н = Const, если отношение разности абсолютных температуp газа и воздуха к температуре воздуха равно Const. Если Тгн = Твн, то уравнение (38) напишется:

stratostat f59

т. е.

stratostat f60

Следовательно, стратостат будет подниматься до высоты зоны выполнения с постоянной сплавной подъемной силой; на этой высоте уравнение (39) еще остается в силе. Высота зоны выполнения определится из формулы

stratostat f60-1

как соответствующая

stratostat f61

где U - объем выполненной оболочки стратостата, остающийся неизменным и при дальнейшем подъеме стратостата выше зоны выполнения. Дойдя до зоны выполнения, стратостат будет продолжать подъем, причем Аспл. будет постепенно уменьшаться за счет свободного выхода части расширяющегося при этом газа через аппендикс (если бы он был закрыт, то вследствие увеличения рг по сравнению с рв напряжение материи оболочки сильно увеличилось бы и она могла бы лопнуть). Подъем будет происходить до зоны равновесия, т. е. до высоты, на которой подъемная сила уменьшится на Аспл. и, следовательно, если балласт при подъеме до зоны равновесия не расходовался, то

stratostat f62

Отсюда высота зоны равновесия определится как соответствующая

stratostat f63

На высоте Н, соответствующей этой плотности воздуха, стратостат остановится (фактически благодаря инерции стратостат несколько превысит эту высоту), дальнейший подъем возможен либо за счет сбрасывания части балласта (уменьшения величины gб.м) либо за счет увеличения t°г по сравнению с t°в. До начала спуска gб.м должен оставаться неприкосновенным, следовательно максимальная высота Нмах, которой стратостат может достигнуть, определится из

stratostat f64

Из этой формулы видно, что Нмах зависит от удельного веса наполняющего стратостат газа и от отношения ∑g + gб.с к объему, т. е. от веса конструкции стратостата и поднимаемых на потолок грузов, приходящихся на единицу объема. При конструировании нового стратостата, задаваясь определенной целью полета, определив количество экипажа (обычно 2—3 чел.), подсчитывают веса оборудования и снаряжения гондолы. Т, о. gп и gсн. (естественно, что gсн. отчасти зависит и от заданной продолжительности полета) известны. Вес конструкции стратостата gк в формуле (31) состоит из веса оболочки gоб., веса клапана, аппендикса, разрывного приспособления и прочего снаряжения оболочки, такелажа, каковой вес обозначим gm, и из веса гондолы gг; последним весом, после того как определены габаритные размеры гондолы, легко задаться хотя бы на основании статистических данных. Т. о. ∑g в формуле (44) м. б. представлено, как

stratostat f65

Вес gConst = gг + gсн. + gn можно считать не зависящим от объема оболочки и от высоты подъема стратостата, вес gоб. + gm зависит от U, которое в свою очередь зависит от заданной Н подъема; gоб. + gm может очень значительно изменяться от U и в пределах данного U зависит гл. об. от веса материи, идущей на изготовление оболочки стратостата. Поверхность оболочки F = 4,85 U2/3; если вес 1 м2 материи q, то gоб. = 4,85 U2/3·q; gm можно задаться как определенным процентом от gоб.; примем gm = k·gоб. (при предварительных подсчётах вес такелажа, аппендикса, клапана и прочего снаряжения оболочки можно принять равным 15% от gоб., т. е. gm = 0,15 gоб., хотя следует иметь в виду, что чем материал легче, тем больший процент от gоб. составляет gm); тогда

stratostat f66

В формуле (44) неизвестно и gб.c; возьмем этот вес в функции от полной подъемной силы газа на потолке:

stratostat f67

Тогда формула (44) перепишется:

stratostat f68

Задаваясь gб.с в долях от Ан max (о количестве необходимого gб.с см. ниже), будем иметь в правой части уравнения (45) неизвестной только величину U. Задаваясь различными U, определим соответствующие им γв min, а по этим последним найдем (из таблиц) значения Нмах, т. е. можем построить кривую Н по U. Предлагаемый способ очень удобен для предварительного выбора объема оболочки, необходимого для достижения заданной Нмах, когда вес 1 м2 материи, из которой будет изготовляться стратостат, известен. Величина s, входящая в формулу (45), при условии равенства Тв = Tг зависит для данного газа от наличия в нем примесей, в частности водяных паров, и от Т0 и р0 на земле. В табл. 13 даны γ0 для воздуха и γ0, а0 и s для водорода и гелия.

stratostat tabl13

Техническим газом называется газ с некоторой средней установленной практикой и обычно у нас применяемой при подсчетах величиной γг0 (точное определение уг0 возможно только на старте, при наполнении стратостата данным газом). Во всех построенных стратостатах газом для наполнения служил водород; гелий, безопасный в пожарном отношении, дает, как видно из табл. 13, меньшую а0 и, следовательно, требует для достижения той же Н, что и при водороде, значительно большего объема стратостата. Если известно γ0 при данном Т1, то пересчет на другое Т производится по формуле γ = γ0Т11/Т). При определении Нмах по формуле (42) мы считаем, что Тгн - Твн, т. е. не учитываем происходящего вследствие влияния солнечной радиации перегрева газа по сравнению с t°в. Эта разница может достигнуть 60—80°С и даже больше. За счет перегрева газа получится некоторая дополнительная подъемная сила:

stratostat f69

Пользуясь приведенными выше соотношениями, принимая новую температуру газа за Т'гн и считая, что t°в не меняется, т. е. Т'вн = Твн = Тгн = Тн, получим

stratostat f70

или, принимая р'н = рн, т. е. считая приращение ΔАн на данной высоте Н

stratostat f71

где Δан = а'н - ан.

Это приращение подъемной силы газа равносильно сбрасыванию со стратостата балласта весом ΔАн, под влиянием чего стратостат поднимется на новую высоту H'max, превышающую Hmaxна ΔH; высота Н'mах

найдется из построенной заранее кривой а'н по Н с учетом данного перегрева t°г по сравнению с t°0 или путем простых пересчетов. Если происходит изменение t°г и t°в, то при условии неизменения рн изменение величины ан можно производить и по формуле, которой обычно пользуются при полетах на сфериках:

stratostat f72

На величину gб.с, входящую в формулу (45), очень сильно влияет возможное изменение атмосферных условий во время полета. Основное количество балласта требуется для компенсации потери подъемной силы за счет выхода части газа через аппендикс при расширении его вследствие перегрева по сравнению с t°в; разница в t°в на месте и в момент старта и t°в при спуске, особенно если спуск происходит после захода солнца (а подъем утром, как обычно), также влияет на величину gб.с; t°г может стать во время спуска (например, ночью) даже ниже t°в; на уменьшение t°г влияет и скорость спуска. Продолжительность пребывания на высоте может отразиться на потере газа вследствие газопроницаемости оболочки. Наконец при обратном прохождении стратостата через тропосферу возможно увеличение влажности воздуха (и газа) по сравнению с той, которая была при подъеме; возможны и осадки, сильно утяжеляющие оболочку. Все эти обстоятельства учесть точно заранее при проектировании нового стратостата невозможно, поэтому величину gб.с приходится учитывать приближенно и на обычных стратостатах не продолжать полет, если нет полной гарантии, что наличие gб.с при данных атмосферных и прочих условиях обеспечивает безопасный спуск.

Существующие формулы для подсчета балласта, применяемые для сферических аэростатов, мало пригодны для стратостата, т. к. дают явно преувеличенное или преуменьшенное количество балласта. Можно рекомендовать gб.с определять по простым формулам

stratostat f73

или по формуле

stratostat f74

или по формуле

stratostat f75

выведенной из соображения, что при окончании спуска t°г = t°в.

При проектировании стратостата следует полученные по этим формулам величины [формулы (51) и (52) дают большие значения gб.с, чем формула (53)] несколько увеличивать. Можно рекомендовать учесть балласт в количестве: для спуска 20—25% и для маневрирования на потолке около 5% от Ан. Кроме того, д. б. резервный балласт, который можно не учитывать, т. к. им будут служить использованные во время полета кислородные баллоны, дробь в приборах и прочее не необходимое и не ценное снаряжение и оборудование. Если такого снаряжения много, то естественно допустимо уменьшить и общее количество балласта, на что особенно возможно рассчитывать при проектировании рекордного стратостата. Уменьшение балласта (взятого в том или ином виде) возможно только в случае проектирования стратостата, обеспечивающего безопасность спуска во всех случаях, т. е. имеющего специальное приспособление для парашютирования оболочки со скоростью не выше 5 м/сек (даже в случае полной потери газа), как это позволяет, например, система стратостата, разработанного автором.

stratostat 26

На фиг. 26 кривая γвн по Н (1), построенная по стандартной атмосфере, и кривые подъемных сил без учета разницы tг и tв (2) и с учетом этой разницы (3); при построении последней кривой считалось, что Тгн = Т0 = 288°С; Твн бралось по условиям стандартной атмосферы; на этой же диаграмме нанесена кривая s по Н (4).

stratostat 27

stratostat 28

На фиг. 27, 28 кривые Н по U, построенные по предлагаемой формуле (45), причем при построении их учитывалось: для кривой (1) - вес 1 м2 оболочки и приходящегося на нее веса швов, аппендикса, клапана, такелажа и пр. ≈ q∙(1+k) = 0,23 кг/м2 и вес балласта gб.с = 0,25Ан кг, т. е. коэффициент n в формуле (45) равен 0,25; для кривой (2) q∙(1+к) = 0,135 кг/м2, n = 0,25; для кривой (3) q∙(1+k) = 0,23 кг/м2 и n= 0,05; для кривой (4) q∙(1+к) = 0,135 кг/м2 и n = 0,05. Рассчитывать на облегчение материи до 100—110 г/м2 возможно (мы упоминали, что Пиккар проектирует стратостат из материи 67 г/м2, уменьшение балласта до 5% от Ан на обычного типа стратостатах невозможно. Из кривых видно, что при увеличении объема до 50000 м3 приращение Н идет быстро, при дальнейшем увеличении U возрастание Н сильно замедляется.

stratostat 29

На фиг. 29 (Н по U при Тгн - Твн = 71,5°) - кривые, аналогичные фиг. 28, но с учетом разогрева газа по сравнению с температурой воздуха. При коэффициенте балласта n= 0,05 спуск возможен только путем парашютирования стратостата. Кривые фиг. 29 строим из следующих соображений: вес всей системы, поднимаемой на данный потолок Н, равен Uan = U'a'n, u' = U∙aн/a'н, т. е. для достижения одного и того же потолка, если учесть перегрев газа, потребуется меньший объем оболочки, чем U. Подставляя различные значения U и находя соответствующие им значения Н из фиг. 29, получим новые кривые Н по U', идущие выше соответствующих кривых Н по U, построенных без учета перегрева газа. Кривые Н по U' показывают (по сравнению с кривыми Н по U), насколько уменьшится объем, потребный для достижения заданной Н, если учитывать разницу температуры газа и воздуха, или насколько увеличится по той же причине достигаемая Н при заданном объеме. Кривые H по U' построены при условии Тгн = Т0, Твн изменяется по стандартной атмосфере: можно построить ряд кривых для различных Тгн - Твн и в зависимости от предполагаемых температурных условий полета определять Н соответствующим данным объемом или объемом, необходимым для достижения данных H. Упомянем, что из кривых а'н по H по сравнению с кривой ан по Н легко определяется приращенное Н при Тгн > Твн.

Научные исследования и приборы для исследований в стратосфере. Основные задачи научных исследований в стратосфере, которые м. б. проведены на стратостатах, следующие: а) Изучение давления, температуры и влажности воздуха, облачности и осадков, видимости атмосферных слоев по горизонтали и вертикали и оптических явлений; проверка барометрической формулы. б) Исследование космических лучей (космического излучения по терминологии Мелликена); измерение их интенсивности последовательно на ряде высот (для получения кривой зависимости интенсивности от массы вышележащего слоя атмосферного воздуха), что дает материал для решения вопроса о природе космических лучей, наблюдения над проникающей способностью (жесткостью) их, что дает возможность определить спектральный состав космических лучей. Изучение космических лучей очень важно, т. к. ими решается ряд физических законов нашей планеты; это изучение может дать ключ к познанию мира за пределами солнечной системы и к строению вселенной. Химическое и физиологическое действие космических лучей очень велико и почти совсем не изучено. в) Наблюдения над проводимостью атмосферы и над напряжением электрического поля. г) Наблюдения над изменением напряжения солнечной и рассеянной радиации с высотой. д) Исследование химического состава воздуха на различных высотах. е) Изучение направления и силы воздушных течений на различных высотах. ж) Определение яркости неба. Кроме того, полетами на стратостате решается ряд практических задач, связанных гл. обр. с подготовкой полетов в стратосфере на стратопланах. з) Применение аэрофотосъемки с больших высот. и) Изучение действия комбинированного влияния на материалы вредных лучеиспусканий, озона, низких и высоких температур. к) Действие тех же комбинированных влияний на человеческий организм. Физиологические условия пребывания человека в специальных герметичных гондолах. Проверка на опыте действия аппаратуры для обеспечения длительного пребывания человека на большой высоте в целях создания правильного жизненного режима. л) Изучение работы аэронавигационных приборов для управления стратосферным полетом в условиях отсутствия земных ориентиров. Влияние магнитных свойств стратосферной среды на показания приборов. м) Изучение вопросов применения аэрофотосъемки с больших высот. н) Проверка регулярности и радиопередачи с больших высот. о) Ряд вопросов о военном использовании стратосферных полетов. Таким образом, стратостат является научной лабораторией для решения чрезвычайно важных научных и практических задач и наиболее простым и реальным на данный момент средством для обеспечения дальнейшего завоевания стратосферы с целью передвижения в ней на стратопланах.

Приборами для наблюдения над давлением воздуха служат ртутные и легкожидкостные специальной конструкции барометры и барометрическая часть специальных метеорографов; для наблюдения над температурой - специальные электрические платиновые термометры и температурные приемники специального метеорографа. На фиг. 30 показан примененный на стратостате «СССР-1» метеорограф, разработанный проф. Молчановым в Институте аэрологии главной геофизической обсерватории.

Метеорограф примененный на стратостате «СССР-1»

Раструб в верхней части вентиляционной шахты прибора устроен для увеличения вентиляции, которая создавалась при помощи вентилятора типа Сирокко. На фиг. 30 кожух снят и справа виден барабан, на котором производится запись. На фиг. 31 автоматическая запись метеорографа при полете «СССР-1».

Автоматическая запись метеорографа при полете «СССР-1»

На фиг. 32 схема также использованного на стратостате «СССР-1» ртутного барометра сифонного типа с точностью измерений до ± 1 мм рт. ст.

схема ртутного барометра сифонного типа использованного на стратостате «СССР-1»

Барометр заключался в металлическую оправу и освещался (при отсчетах) электрическими лампочками. Для избежания неточности в отсчетах, происходящей вследствие непрерывного движения жидкости в трубках во время подъема или спуска стратостата, на резиновых трубках, соединяющих открытые колена сифонов с наружным воздухом, установлены краники, поворотом которых барометр м. б. разъединен от наружного воздуха; при этом жидкость в коленах останавливалась. На фиг. 33 показан ртутный баровакуумметр с передачей перемещения ртутного столба на стрелку, что повышает удобство, а также точность отсчетов по сравнению с нормальным ртутным баровакуумметром в 6 раз.

Ртутный баровакуумметр с передачей перемещения ртутного столба на стрелку

На фиг. 34 дана отдельная верхняя часть прибора со шкалой. Кроме того в ЦАГИ секцией ЛАС под руководством инж. Ноздровского построен светочувствительный высотомер, который имеет 2 шкалы - крупную и мелкую - от 0 до 40000 м. Масштаб показаний по крупной шкале 2 м высоты в 1 мм перемещения стрелки и на мелкой шкале (дибутил-фталатовый баровакуумметр), позволяющей измерять абсолютное давление от 0 до 280 мм рт. ст. с точностью до ±0,03 мм рт. ст.

Ртутный баровакуумметр с передачей перемещения ртутного столба на стрелку

Для точных измерений температур употребляются электрические платиновые термометры. В одном из таких термометров, разработанных ГГО, приемником служит платиновая проволока, натянутая в виде ряда спиралей внутри круглого ободка, заключенного в проволочную защиту. Помещаемый вне кабины приемник соединяется со стрелочным омметром, находящимся в кабине; отсчет производится по шкале омметра, разделенной на градусы температуры; прибор пригоден до температуры = —70°С. Для измерения прозрачности атмосферы и для оптических наблюдений служит фотометр. Проверка барометрической формулы производится путем одновременных отсчетов (с применением радиосигналов) по барометрам и по базисным наблюдениям при помощи точных геодезических теодолитов.

Приборы для измерения интенсивности космических лучей - электрометр Кольгестера; на нем во время полета стратостата «СССР-1» был сделан ряд измерений на высоте 9600—15000 м. Для исследования проникающей способности космических лучей на стратостате «СССР-1» служил электрометр типа Гессе, применяющийся для измерения гамма-лучей радия стратостата. Прибор помещается внутри свинцового фильтра (двустенный медный сосуд со свинцовой дробью между стенками); в боковой стенке фильтра (толщина 3—10 см) два отверстия - одно для микроскопа, другое для освещения прибора электрической лампочкой. Для фотографирования путей космических лучей служит камера Вильсона. Пиккар для определения космической радиации употреблял прибор, состоящий из закрытого сосуда, в котором находится под давлением в 6 atm 30 л углекислого газа, ионизирующего только под действием космических лучей. Электризация массы молекул этого газа определялась электрометром Кальвина. Для улавливания ионов космического происхождения Пиккар употреблял прибор, схема которого изображена на фиг. 35.

Схема прибора для улавливания ионов космического происхождения

Попадая в наполненную разреженным газом трубку Гейгера 1, космические лучи встречают поле слабого действия. Молекулы, рассеянные в этой среде, ионизируются через известные интервалы (что позволяет их легко сосчитать); при этом нарушается установившееся при помощи батареи 2 электрическое равновесие между центральной нитью и посеребренной поверхностью трубки, что резко отражается на показаниях электрометра 3 типа электроскопа, который снимается на кинопленку. Фильм позволяет сосчитать число ионов; частота их появления служит мерой напряжения космической радиации, их производящей. Для определения направления космических лучей Пиккар во втором полете пользовался прибором, состоящим из удлиненной трубки Гейгера для ионизирования, счетной трубки и усилителя, благодаря которому слышны взрывы, происходящие, когда космические лучи в трубке производят ионизацию. Жан Пиккар во время полета 23/Х 1934 г. для измерения действия космических лучей пользовался аппаратом Милликена, имеющим свинцовую оболочку толщиной 4 мм, и аппаратом сконструированным институтом Франклина в Суэртморе. Приборы для измерения проводимости атмосферы - аспиратор Гердиена с фоторегистрирующим приспособлением и электрометром Вульфа. Схема установки этих приборов на стратостат «СССР-1» - на фиг. 36.

Схема установки приборов на стратостат «СССР-1»

Через цилиндрический конденсатор 1 пропеллером 2 от моторчика 3 просасывается воздух в направлении стрелок. Внутри светонепроницаемой алюминиевой камеры 4, жестко соединенной с цилиндром и отделенной от него суконной прокладкой для поглощения вибраций мотора, помещаются электрометр Вульфа 5 и контактные часы 6, приводящие в движение барабан 7 с фотографической лентой. Электромагнит электрометра производит его зарядку, а источник света 8 проектирует движение нитей электрометра на барабан. Весь аппарат приводится в действие током, подводимым из гондолы стратостата от батареи аккумуляторов; измерение напряжения электрического поля - применением лампового вольтметра или однонитевым электрометром. Для изучения напряжения электрического поля Пиккар подвешивал снизу гондолы резиновую трубку длиной 100 м, в нее наливался спирт; трубка проходила в гондолу через изолятор из горного хрусталя. Столб спирта (незамерзающей жидкости) воспринимал электрический потенциал у нижнего отверстия трубки; идущий от него в гондолу металлический проводник позволял измерить разность потенциалов между двумя точками. Другая, примененная Пиккаром схема измерения электризации атмосферы следующая: на длинном стержне, опущенном из гондолы, укрепляются 2 одноосных (один внутри другого) металлических цилиндра, заряженных электричеством разного знака. Во время спуска стратостата, когда между цилиндрами образуется ток воздуха снизу вверх, атмосферные ионы обоих знаков поглощаются одной или другой поверхностью цилиндров; величина этого поглощения определяется электрометром в гондоле. Приборы для наблюдения солнечной и рассеянной радиации - пиранометры специального типа. Проф. Калугиным в ГГО для стратостата «СССР-1» была разработана комбинированная установка, соединяющая в себе пиранометр и альбедометр. Прибор подвешивается на 75 мм от гондолы; трос - провод из трех изолированных жил - через переключатель соединяется с гальванометром. Переключатель позволяет измерять прибором суммарную радиацию неба и солнца, радиацию земли и облаков и комбинацию этих отсчетов. Прибор для взятия проб воздуха, разработанный в ГГО Гольцманом (фиг. 37а), представляет баллон емкостью в 1 л, откачанный и отпаянный под высоким вакуумом.

Прибор для взятия проб воздуха

Включением тока внутри гондолы баллон открывается, набирает воздух и также вновь запаивается. К баллону 1 припаяна трубка 2, переходящая в капилляр 3, расширяющийся и заканчивающийся оттянутым и запаянным острием 4. К трубке с капилляром 3 припаяна окружающая его стеклянная трубка 5, наполненная воздухом под атмосферным давлением. Вокруг капилляра 3 на тонкой асбестовой прокладке обмотана платиновая проволочка 6, являющаяся обмоткой, к концам которой приварены платиновые вводы, впаянные в стеклянную трубку 5. При разряжении в баллоне и внутри капилляра 3 стенка последнего, размягченная от нагрева раскаленной платиновой проволочки, под давлением воздуха в пространстве между 3 и 5 сжимается и сваривается. Для открывания сосуда к трубке 5 через платиновые вводы 7 и 8 припаян тройник 9, внутрь которого входит оттянутый конец 4 капилляра 3. В верхнюю вертикальную часть тройника входит грузик 14 (фиг. 37б), подвешенный на стальной проволоке 15 к штифту 16 якоря 18 электромагнита 19.

Прибор для взятия проб воздуха

Штифт 16 входит в направляющие отверстия вилки 17 обоймы 20 корпуса электромагнита, якорь 18 прижимается к отверстию 17 возбуждающей обмоткой спиральной стальной пружинки 22. При возбуждении электромагнита, 18 оттягивается; грузик 14, падая вниз, разбивает конец 4 капилляра, соединенного с 1 и открывает доступ в 1 воздуха. Для извлечения воздуха из запаянного баллона он имеет трубку 10, оканчивающуюся оттянутым концом 11, входящим в тройник 12, в верхней части вертикальной трубки которого впаяна поперечная платиновая проволочка 13 с вводами. В нижнем запаянном конце вертикальной трубки тройника - стеклянная вата для амортизации удара грузика. Прибор заключен в решетчатый дюралевый футляр, который подвешивается на амортизаторах вне гондолы к стропам оболочки.

 

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Доп. том - 1936 г.