В 1670 г. ученый монах Лана предложил проект воздушного корабля на металлических шарах, из которых предварительно выкачен воздух. Принцип этот в его чистом виде был правильный. Но практически проект, конечно, был не реальным. Пустотные шары Лана должны были неизбежно расплющиваться атмосферным давлением.
Лет 50 после этого другой монах — Жозеф Гальен — придумал еще один способ путешествия в воздухе. Если монах Лана хотел получить подъемную силу за счет полной пустотности в своих шарах, то Гальен предложил половинчатое решение: в громадной оболочке должен оставаться воздух, но наполовину разреженный против нормального.
Гальен предлагал наполнять оболочку разреженным воздухом, взятым с высоких гор.
Сама мысль использовать для подъема разреженный воздух была правильной, во Гальен не учел того, что этот воздух неизбежно потеряет свою разреженность, а значит, и подъемную силу, как только он окажется в атмосферных условиях, у поверхности земли.
Реальным может быть только такой воздушный корабль, оболочка которого содержит в себе какой-либо разреженный газ (не исключая и воздуха), но внутреннее давление этого газа должно быть не ниже наружного атмосферного давления.
В 1783 г. братья Монгольфьер проделали во Франции серию бессмертных опытов по подъему в воздух шаровых оболочек, наполненных дымом от сжигания шерсти, смешанной с соломой. Эти опыты увенчались воздушным путешествием двух человек, которые смело доверили свою жизнь изобретенному «аэростатическому ядру», наполненному «монгольфьеровым газом».
 |
| Воздушный шар — монгольфьер. |
В первое время думали, что сила, которая гонит шары-монгольфьеры вверх, образуется будто or смешения продуктов сгорания шерсти («начала животного») с дымом от соломы («началом растительным). Думали, что от соединения этих двух «начал» получается электричество, ну, а от последнего ожидали тогда всего.
Опровергнуть этот предрассудок удалось не сразу. Это сделал в следующем году физик Соссюр. Не прибегая ни к соломе, ни к шерсти, ни к какому другому «началу», он заставил подняться на воздух бумажную оболочку в виде мяча только тем, что ввел внутрь ее через отверстие снизу железную полоску, сильно нагретую. Этим он бесспорно доказал, что подъем происходит от нагретого внутри воздуха. Воздух этот находится в разреженном состоянии, но давление его равно атмосферному давлению снаружи. Благодаря этому шары-монгольфьеры и могли подняться в воздух.
*
Возник другой вопрос: как высоко могут подниматься воздушные шары?
Один ученый того времени дал блестящий ответ на этот вопрос: шар может подниматься как угодно высоко, если при наличии начальной подъемной силы будут соблюдены два условия: во-первых, шар не должен терять ни одной капли своего подъемного газа и, во-вторых, оболочка шара должна при этом беспрепятственно расширяться под действием газа внутри.
В верхних слоях атмосферы плотность воздуха уменьшается. По мере подъема шара газ внутри его мягкой оболочки расширяется, и плотность его уменьшается в той же степени, как и плотность наружного воздуха. Поэтому соотношение между плотностями воздуха и газа в оболочке будет оставаться на любой высоте все время таким же, каким оно было и у земной поверхности, если только оболочка не будет задерживать расширения газа изнутри. Стало быть, шар будет все время сохранять свою начальную подъемную силу.
Можно ли выполнить эти два условия на практике? Ведь если они выполнимы, то овладение стратосферой, даже ее высших слоев, не должно представлять особых трудностей.
В известных пределах это, конечно, возможно. Впервые в стратосферу мы проникли именно таким путем. Бралась очень прочная и сильно растяжимая резина. Из нее выделывали шаровые оболочки, которые наполняли водородом. Затем эти баллоны, или, как их называют, шары-зонды наглухо завязывались и пускались на свободу. Конечно, такие шары поднимали только метеорологические приборы. Но они залетали на высоты до 30, 35 и более километров.
В пределах такого потолка выполняются оба указанных выше условия: газ не теряется (практически), а оболочка легко растягивается, во много раз увеличивая объем шара. Но в конце концов, конечно, наступает момент, когда резина сдает, лопается, и тогда поднятые приборы летят вниз (для замедления падения применяются специальные меры).
Годится ли этот способ для подъема в стратосферу людей?
Вопрос может найти решение не только в плоскости одной аэростатики, но и в плоскости технологии материалов: найдется ли подходящий резиновый материал для оболочки? В современных стратостатах, как и в обычных воздушных шарах, эта задача решается тем, что в них применяется не растягивающаяся оболочка с так называемым аппендиксом, т. е. рукавом-отростком внизу баллона, через который газ свободно выходит наружу. Такая оболочка заполняется газом у земли, как известно, лишь примерно на одну десятую или одну двенадцатую часть своего объема. Полную форму она приобретает на своем статическом потолке (20—22 км). Выше стратостат может пойти лишь за счет сбрасывания балласта, с выпуском через аппендикс излишков газа. Но в этом способе есть один недостаток: с увеличением высоты надо увеличивать и объем оболочки, а это весьма утяжеляет всю систему и усложняет конструкцию.
Итак, перед современной техникой можно поставить другое решение вопроса: создать такой материал, достаточно прочный и легкий, который позволил бы увеличивать объем сделанной из него оболочки в 15—20 раз. Требование это не чрезмерное: чтобы увеличить объем даже в 27 раз, достаточно, чтобы линейное (в одном направлении) растяжение материала было всего лишь в 3 раза. Следовательно, при таком растяжении материала оболочка воздушного шара позволит залетать в стратосферу и выше 22 км.
*
Опыты с шарами-монгольфьерами, о которых мы рассказывали выше, дают основание подумать, нельзя ли и для современного воздухоплавания использовать разреженный воздух при повышенной температуре.
 |
| Карикатура, изображающая массовые полеты на воздушных шарах. |
Здесь любопытно вспомнить устройство воздушного шара «Виктория» в романе Жюля Верна «Пять недель на аэростате». Для регулирования высоты полета и сохранения подъемной силы газа автор придумал следующее приспособление, которое должно было подогревать газ внутри оболочки. Сильный источник электроэнергии разлагает электролизом воду. Составные части ее — кислород и водород — сводятся особым образом по трубкам вместе, образуя так называемый гремучий газ; последний сжигается в горелке и дает необходимую теплоту для нагревания внутренности баллона.
Конечно, современный читатель забракует такую сложную схему. Уж если понадобился для горения кислород, то зачем его брать с собой на борт в виде составной части воды, когда кислорода сколько хочешь в воздухе за бортом. Наши моторы внутреннего сгорания (бензиновые, нефтяные и др.) работают именно так, используя для сжигания своего топлива кислород атмосферного воздуха. С точки зрения целесообразности вся установка Жюля Верна излишке сложна. Зачем при превращении исходной энергии (электрической) в конечную (теплоту) вводить еще лишний процесс — горение. Не проще ли, раз уж есть такой чудесный и почти неисчерпаемый (по роману) источник энергии, сразу обратить это электричество на нагрев либо самой оболочки либо каких-нибудь калориферов внутри нее, как мы это делаем теперь в различных электрогрелках или в тканях, согреваемых электрическим током?
Но ведь будет еще проще, если обходиться совсем без легкого газа в оболочке, заменить его только нагреваемым воздухом.
Подсчитаем, насколько это выгодно. Один кубический метр воздуха весит при 0° и нормальном давлении (в 760 мм рт. ст.) 1,29 кг. При 100° вес такого же объема воздуха будет 0,95 кг, а при 200° уже только около 0,8 кг. Следовательно, подъемная сила одного кубического метра гретого воздуха составит:
при 100° 1,29 — 0,95 = 0,34 кг
при 200° 1,29— 0,8 = 0,49 кг
Другими словами, в указанных температурных условиях каждый кубический метр емкости баллона позволяет поднять, грубо говоря, от одной трети до полкилограмма груза.
Этот результат мы получаем, принимая температуру наружного воздуха равную 0°. Если же температура снаружи выше нуля, то подъемная сила будет соответственно меньше, а на морозе больше.
Подъемная сила водорода в 2— 3 раза больше, чем подъемная сила нагретого воздуха (у чистого водорода — до 1,1 кг). Даже светильный газ поднимает на 1 м³ от 0,6 до 0,75 кг. Соотношение, как видно, не в пользу гретого воздуха. Но это, конечно, все же не исключает возможности применения гретого воздуха для подъема шаров.
Возьмем воздушный шар средних размеров, емкостью около 1 500 м³ (диаметр 14 м). Собственный вес такого шара слагается из следующих частей:
Оболочка 238 кг.
Сеть 64 кг.
Клапан 13 кг.
Корзина со стропами 90 кг.
Итого 405 кг.
При 100° баллон в 1 500 м³ может поднять ⅓ × 1 500 = 500 кг.
Остается излишек: 500—405 = 95 кг. Этот излишек подъемной силы может поднять одного человека с некоторым количеством балласта. При 200° общая подъемная сила возрастает до 750 кг. Это уже позволит подняться 2—3 воздухоплавателям.
Разумеется, для поддержания необходимой температуры в таком «тепловом шаре» необходимо взять с собой какую-то грелку и топливо. Недавно в иностранных журналах появилось описание воздушного шара некоего немецкого изобретателя. Шар этот тоже имел емкость около 1 500 м³. Он был рассчитан для подъема на гретом воздухе одного человека. О грелке было сказано, что она является тайной изобретателя, а топливо в ней — нефть. Думается, что применение нефти вряд ли целесообразно, ибо это сравнительно тяжелое топливо. Здесь может быть целесообразнее использовать какое-нибудь топливо не тяжелее, а может быть, даже и легче воздуха, т. е. какой-либо газ. Тот же светильный газ, или многие углеводы, вроде «блау-газа», которым топят моторы на дирижабле «Граф Цеппелин», — вот возможное горючее для «тепловых шаров». Такое топливо не требует затраты на себя подъемной силы.
Итак, перед нами встают две задачи — приспособить простую, ненадежную газовую горелку, которая могла бы поддерживать температуру внутри оболочки в известных пределах, и найти такой материал для оболочки, который мог бы выдерживать температуру до 150—200°, сохраняя непроницаемость. Тогда полеты на тепловом шаре будут даже удобнее, чем на водородном, потому что регулирование внутренней температуры в оболочке будет в некоторых случаях заменять собой применение балласта и пользование клапаном.
Гретый воздух обойдется, конечно, много дешевле, чем водород.
Не будет и пожарной опасности, связанной с наличием легко взрываемого водорода.
Недостаток таких монгольфьеров XX в. — это небольшая подъемная сила гретого воздуха, особенно в пределах до 100°. Однако, если удастся выработать материал, который позволит повышать температуру воздуха внутри оболочки до 150—200°, то явится возможность пользоваться тепловыми аэростатами с большей подъемной силой.
Возможно, это представит известный интерес для дирижаблей и привязных аэростатов.
Вот как мечты и нереальные планы ученых прошлых веков — летать на шарах с разреженным воздухом — могут воплотиться в действительность.
К. Вейгелин.
Комментариев нет:
Отправить комментарий