Воздухоплавание в век космических побед

Малообъёмные привязные аэростаты

Современное представление о воздухоплавательных летательных аппаратах связано, в основном, с тепловыми аэростатами и тепловыми дирижаблями, полёты которых представляют собой красочное зрелище. В данной статье делается попытка познакомить читателя с одним из типов воздухоплавательных аппаратов, а именно – с малообъёмными привязными аэростатами.

The modern conception about aeronautical aircraft is connected mainly with hot-air balloons and hot airships, which flying is a colorful spectacle. This article is an attempt to acquaint the reader with one of another types of aeronautical vehicles - namely, a low-volume, tethered aerostats.

Современные представления о воздухоплавательных летательных аппаратах связаны в основном с тепловыми аэростатами и тепловыми дирижаблями, полёты которых представляют собой красочное зрелище. Такие полёты осуществляются как в рамках спортивных мероприятий, так и в качестве иллюстрации праздничных фестивалей.

Спортивные мероприятия инициируются как национальными спортивными организациями, так и международными спортивными органами и, в частности, ФАИ (Federation Aeronautique Internationale). Практически, благодаря этой международной федерации, в мире сохраняется целое направление науки и техники – воздухоплавание. А ведь именно с этих летательных аппаратов начиналось покорение воздушного океана человечеством.

Вероятно, следует напомнить, что виды воздухоплавательных аппаратов включают в себя свободные аэростаты, привязные аэростаты и дирижабли. Но и каждый вид таких аппаратов насыщен самыми различными типами, как по назначению, так и по конструкторским решениям. Например, только свободные аэростаты включают в себя газовые и тепловые, высотные и низколетящие, автоматические и управляемые – с дальнейшим делением по подтипам и конструктивным решениям.

Чаще всего только в литературных источниках публикуются материалы мемуарного характера с воспоминаниями о применении привязных аэростатов военного назначения: об аэростатах наблюдения (АН), с помощью которых в начале ХХ века проводилась корректировка артиллерийской стрельбы. Более поздние воспоминания рассказывают об аэростатах заграждения (АЗ), которые использовались в качестве средств защиты воздушного пространства при налёте вражеской авиации.

Автору судьба позволила встретиться с действительно профессиональными воздухоплавателями, воздухоплавателями «прошлого». Я имею в виду специалистов, профессионально подготовленных ещё в институте дирижаблестроения (такой институт существовал в конце 30-х годов) и прошедших практику проектирования, изготовления и эксплуатации (в том числе и в период войны) самых различных привязных аэростатов.

Так сложилась история, что в конце 50-х и начале 60-х годов прошлого века возникла необходимость создания высотных автоматических аэростатов и привязных аэростатов в интересах министерства обороны. Время моей производственной практики и место работы практически совпало с этим периодом!

В данной статье мне хотелось бы остановиться на совершенно новом направлении в привязном аэростатостроении, а именно – о создании малообъёмных привязных аэростатов. Мне представилась возможность принимать участие в этих разработках или быть ведущим конструктором по этим темам.

В процессе разработок систем привязных аэростатов оказалось, что они могут быть использованы не только в качестве средств подъёма полезной нагрузки в атмосфере Земли, но и в качестве датчиков параметров среды, своеобразных меток и других агрегатов создаваемых систем.

До этого периода системой с привязным аэростатом, имеющим самый маленький объём оболочки, считалась система мобильного привязного аэростата корабельного базирования. Боевой аэростат МАЗ-1, применявшийся для защиты морских боевых средств (кораблей, катеров), имел объём оболочки 12-150 м³. Естественно, создать оболочку аэростата из прорезиненной материи (самым лёгким материалом того времени была материя «500») было невозможно.

Тогда была поставлена задача создания мобильной системы для непосредственного (как сейчас принято говорить, в режиме «онлайн) контроля за распределением скорости ветра в приземном слое. Коллективу КБ-3 (одному из подразделений предприятия) пришлось возвратиться к такому проекту, естественно, на новой технологической базе. Подвижный вариант наземного оборудования, в частности лебёдки, был выполнен с использованием лёгкого двигателя внутреннего сгорания от мотороллера «Вятка». В качестве метеооборудования использовали серийный комплекс с ветрогенератором («вертушкой»), сигнал с которого дистанционно передавался по проводу. В техническом плане это вынудило нас вернуться к использованию специального кабель-троса, производство которого пришлось возобновить (рис. 1).

Середина 60-х годов связана с бурным развитием химической промышленности, созданием тонких полимерных плёнок, разработкой и освоением технологий сборки изделий из таких материалов.

В КБ возникает инициативная группа, предложившая использование тонких плёнок для создания привязных аэростатов. К успеху этой инициативы привело одобрение начальника КБ, кстати, выпускника института дирижаблестроения, П.С.Щеглова.

Хронологически проектирование привязных аэростатов из полимерных плёнок началось с аэростатов, имеющих объём оболочек 
3 м3. Были спроектированы, изготовлены и прошли буксировочные испытания два аппарата. Они были выполнены с двумя вариантами оперения: пневматическим, традиционной схемы и оперением экзотической схемы, а именно – в виде конического кольцевого элемента, удерживаемого на корпусе радиальными мягкими полотнищами.

Положительные результаты первых экспериментов привели к возможности реализации альтернативного решения по созданию мобильной системы метеозондирования приземного слоя атмосферы.

По результатам расчётов был спроектирован и изготовлен аэростат с объёмом оболочки 5 м³. При этом боковые стабилизаторы были выполнены «газовыми», т.е. их полости были соединены с газовым объёмом оболочки. И самое главное – такой небольшой её объём был достигнут благодаря принципиально новому техническому решению, а именно – тому, что сама оболочка стала выполнять роль датчика скорости ветра вместо ветрогенератора - «вертушки». Результаты расчётов показали, что при соблюдении определённых начальных условий эксплуатации имеется строгая математическая зависимость между скоростью ветра на высоте стоянки аэростата и натяжением (и углом) привязного троса у поверхности, где установлена лебёдка. Роль кабель-троса стал выполнять привязной трос.

Оптимизация системы привела к тому, что для развёртывания (газонаполнения оболочки) стал необходим только один стандартный газовый баллон, а конструкторское исполнение ручной лебёдки позволило закрепить её на «топографической» треноге. На фотографии (рис. 2) показан общий вид созданной системы, выпуск которой был принят в серийное исполнение.

Уверенность в создании плёночных привязных аэростатов позволила расширить номенклатуру изделий, что привело к созданию размерного ряда таких изделий с объёмами оболочек от 0,045 м³ (45 литров!) до 90 м³.

Привязные аэростаты с таким небольшим объёмом оболочки были предназначены для использования, в основном, в качестве метки при поиске некоторых объектов.

В качестве таких поисковых объектов, например, предполагались подводные аппараты, местонахождение которых необходимо было установить после аварийных ситуаций. Естественно, в этих случаях процесс газонаполнения и запуск аэростата в воздух должны были осуществляться автоматически. Заказчиком разработки выступил один из создателей таких подводных аппаратов, который удивил и нас, поставив на систему газовый баллон с гелием под давлением 600 атм.

Процесс автоматического старта был отработан и впоследствии применён при создании системы связи в проекте самолёта-амфибии.

Реальное использование малообъёмного аэростата, изготовленного из полиэтиленовой плёнки, специально нарабатываемой для воздухоплавательных аппаратов, связано с метеорологическими исследованиями и в научных целях. В 70-х годах, например, реализовывалась программа ПИГАП (программа исследований глобальных атмосферных процессов), в которой предусматривалось использование измерительной аппаратуры, поднимаемой на высоту до 300 метров на привязном аэростате. По заказу института экспериментальной метеорологии (г. Обнинск) был выполнен проект такого аэростата, опытные образцы изготовлены и поставлены заказчику. Автор с некоторым сожалением вспоминает эту разработку, так как в коллектив участников экспедиции был включён, однако «руководство» так и не разрешило мне выезд в кругосветное плавание. На борту исследовательского судна «Профессор Визе» экспедиция совершила многомесячное плавание с заходом в порты Южной Америки, Австралии и многие другие интересные районы мира. Такова жизнь!

Ниже приведу некоторые иллюстрации «другого нашего проекта», к сожалению, только для системы, разработанной специалистами США и опубликованной в Интернете. Это система с использованием привязного аэростата, поднимающая специальный привязной трос, названная нами системой «подхвата», по схеме её функционирования.

Нам, как разработчикам системы, были представлены документальные материалы по спасению пилотов США из вьетнамских джунглей. Сбитых и спасшихся на парашютах пилотов «Фантомов» поднимали в воздух специальные самолёты, сбросив пилотам предварительно контейнер с необходимым оборудованием. Небольшой аэростат поднимал в воздух специальный трос, другой конец которого закреплялся к подвесной системе, связывающей одновременно двух пилотов.

В динамике такой операции в процессе как траектория подъёма, так и возникающие максимальные перегрузки соответствуют допустимым значениям.

Создаваемая нами система была предназначена для работы в цепи технологических операций одной из космических задач того времени. Я был назначен ведущим конструктором по аэростатной части этой темы, а ведущим предприятием по самолёту – КБ О.К.Антонова. В качестве базового самолёта предполагалось использовать самолёт АН-24. При подготовке к работе в данном проекте я впервые попал в это КБ. (И конкретно для воздухоплавателей: там я познакомился с членами известного к этому времени общественного КБ дирижаблестроения).

К сожалению, из-за изменения технологии работ с космическими объектами, работа не была продолжена.

Для некоторого представления на рисунке 3 показана схема работ американской системы подхвата, а на фотографии (рис. 4) показана операция подхвата реальной системы.

Самый большой привязной аэростат с оболочкой, выполненной из плёночного материала, имел объём свыше 80 м³. Естественно, по прочностным характеристикам полиэтилен не мог быть использован в конструкции. Для выполнения задачи был наработан специальный двухслойный материал, названный «плёнкой ЛП-1». Материал был «односторонним», поэтому конструкцию аэростата пришлось сильно усложнить. Кроме того, были поставлены специальные требования по радиопрозрачности, особенно в области диапазона систем наблюдения. Все элементы, не удовлетворяющие этим требованиям, необходимо было тщательно экранировать. Для некоторых элементов конструкций, в том числе и для привязного троса, задача потребовала решения технологических проблем.

Наконец, о назначении этого привязного аэростата. С его помощью осуществлялся подъём на высоту до 2-х километров «полезной» нагрузки – тестового элемента-имитатора определённых космических форм на полигоне Казахстана (г. Приозёрск).

Конечно, приведенные примеры не исчерпывают всех областей использования малообъёмных привязных аэростатов, однако и этот перечень позволяет оценить эффективность их применения.

Что же касается применения привязных аэростатов с оболочками объёмом от 100 до 14000 м³, то их эффективность связана с областями связи, наблюдения, контроля окружающей среды, обороны и инновационных направлений современного развития науки и техники.

Владимир Учватов