Китайский воздушный шар, пролетевший над США на прошлой неделе, летал намного выше, чем пассажирские самолёты. Но как высоко и как далеко могут летать такие шары?
В мае 2002 года воздушный шар, запущенный из Центра воздушных шаров Санрику (SBC) на севере Японии, незаметно побил все абсолютные рекорды высоты, когда-либо установленные человечеством. Он быстро преодолел высоту, достигнутую при первом успешном подъёме на воздушном шаре в 1783 году. Затем он преодолел высоту полёта на воздушном шаре 1901 года, который достиг 10,8 км и привёл к открытию стратосферы. После этого шар уже скользил по всем рекордам высоты, когда-либо установленным любым видом летательного аппарата, будь то вертолёт или самолёт (как винтовой, так и реактивный).
Воздушный шар даже поднялся выше рекордной высоты, достигнутой бывшим руководителем Google Аланом Юстасом в 2014 году, когда он поднялся на воздушном шаре до 41,4 км, прежде чем выйти из капсулы и прыгнуть с парашютом на Землю. Он продолжал подниматься через верхние слои стратосферы в мезосферу, включающую в себя самую холодную часть атмосферы. Здесь температура может упасть примерно до -143 градусов по Цельсию, что ниже любой температуры, когда-либо зарегистрированной на поверхности Земли. Наконец воздушный шар достиг высоты 53 км над поверхностью. Только объекты, запущенные с помощью ракеты взлетали выше.
Именно воздушные шары, а не самолёты, доставили людей и их научные инструменты ближе всего к краям космоса.
Эти, казалось бы, простые авиационные устройства могут доставлять инструменты и оборудование в места, недоступные самолётам, и оставаться там намного дольше.
Через несколько дней после того, как предположительно китайский воздушный шар наблюдения был сбит во время дрейфа на высоте почти 18 км над Соединёнными Штатами, в BBC Future занялись выяснением того, почему воздушные шары так часто выбирают учёные, интернет-компании, синоптики и, возможно, правительственные шпионские агентства.
Как высоко могут летать воздушные шары
Воздушные шары, достигающие больших высот, такие как воздушный шар-рекордсмен 2002 года явно отличаются от воздушных шаров, используемых для увеселительных поездок. Что нужно, чтобы сделать корабль, способный подниматься так высоко? У Расса Ван Дер Верффа из Raven Aerostar (американского производителя высотных аэростатов) есть идея получше, чем у большинства.
Ван Дер Верф, вице-президент компании по решениям для стратосферы, является инженером, возглавляющим команду, разрабатывающую воздушные шары для использования на километры выше сферы авиалайнеров. Raven Aerostar работала как в оборонном, так и в коммерческом секторах, например, создавая воздушные шары для интернет-проекта Google Loon.
За последние 10 лет Raven Aerostar запустила более 3000 воздушных шаров и усовершенствовала способ их изготовления. «Мы разработали различные рецептуры пластмасс. И у нас есть несколько запатентованных вещей, которые мы используем сейчас и которые значительно лучше, чем то, что мы использовали 10 лет назад. Другая проблема заключается в том, как этот пластик сшивается или сваривается - это особый процесс, в который мы вложили множество усилий».
Фото: bbc.com
Эти улучшения не только помогают воздушным шарам летать выше, но и помогают им дольше оставаться в воздухе. «Просто чтобы дать вам некоторое представление, Thunderhead, который является нашим текущим коммерческим продуктом, совершил полёт продолжительностью 150 дней с одним воздушным шаром. А с Loon наш рекорд составил 320 дней. Так что это цифры, которых у нас определённо не было 30 лет назад, таким образом материалы и технологии производства сильно изменили продолжительность полёта». Проект Loon был отменён в 2021 году, но Ван Дер Верфф ожидает, что его компания скоро сможет запустить воздушный шар, который будет находиться в воздухе в течение всего календарного года.
Китайский воздушный шар, сбитый на этой неделе после того, как он преодолел тысячи километров Тихого океана и континентальной части США, показывает, какие огромные расстояния способны преодолевать такие шары. При этом то, насколько высоко они могут летать, также зависит от того, насколько качественно сделан воздушный шар, несущий полезную нагрузку.
Флот воздушных шаров Loon, способных нести коммуникационные технологии, обеспечивая мобильную связь в отдалённых или пострадавших от стихийных бедствий районах, был разработан для работы на высоте 19...25 км. Это в два раза выше, чем у большинства авиалайнеров, и заметно выше, чем почти у всех (кроме самых специализированных) самолетов.
Что несут воздушные шары на большую высоту
В зависимости от своей миссии, эти воздушные шары могут нести что угодно, от научного измерительного оборудования и средств связи до датчиков и камер для наблюдения за поверхностью Земли. По словам Ван Дер Верфф, проектировать оборудование для таких условий непросто: «Разработка электроники для воздушного шара очень похожа на разработку электроники для космического корабля. Там очень холодно, но что забавно и интересно, так это то, что, как правило, когда люди проектируют электронику для стратосферы, у них на самом деле больше проблем с охлаждением, чем с поддержанием тепла, ведь там практически нет воздуха. Потому, невозможно подуть вентилятором на радиатор, чтобы охладить элементы. Обратная сторона этой проблемы заключается в том, что всё это загружается и начинает работать на земле. Таким образом, вы должны работать в этой среде, а затем переходить в другую среду на высоте 27,5 км, что является проблемой».
Фото: bbc.com
Поддерживать работу этих электрических приборов на высоте более 20 км над поверхностью Земли тоже непросто. «Сегодня большая часть авиации по-прежнему работает на ископаемом топливе», - говорит Ван Дер Верфф. «Когда вы сжигаете реактивное топливо, образуется много энергии. Соответственно большинство электронных датчиков и средств связи, разработанных для самолётов, потребляют много энергии, ведь мощность не является серьёзным ограничением для большинства самолётов».
Инструменты, переносимые на шаре требуют другого решения. «Мы получаем всю нашу энергию от солнца в течение дня, попутно заряжая батареи, а затем дрейфуем ночью питаясь от батарей», - говорит Ван Дер Верфф. «Более того, когда мы маневрируем шаром вверх и вниз, то используем компрессор с электрическим приводом, который может потреблять до 800 Вт. Потому существуют реальные конструктивные ограничения, связанные с использованием энергии для датчиков и оборудования связи».
Как управлять таким воздушным шаром
Менять курс аэростата на таких высотах тоже сложно. Ван Дер Верфф говорит, что лучший способ - это перемещать воздушный шар вверх и вниз, где он может воспользоваться уникальными свойствами стратосферы. «Это называется стратосферой, потому что там есть разные слои с разными атмосферными свойствами. Когда мы летали на всех этих воздушных шарах, то обнаружили, что на этих разных высотах на самом деле довольно много различий в скорости и направлении ветра».
Многое из этого было неизвестно ещё несколько десятилетий назад, и учёные и инженеры используют алгоритмы, пытаясь предсказать характер стратосферного ветра. Это означает, что, хотя воздушный шар не может «бездельничать», как самолёт, пролетая вокруг фиксированной точки по принципу гоночной трассы, он может использовать преимущества различного поведения ветра между этими слоями. «Если я смогу точно смоделировать и предсказать разнообразие ветров в этих разных слоях стратосферы, тогда я смогу изменить высоту и, как бы, сохраниться в определённой области», - говорит Ван Дер Верфф. «И пока я нахожусь достаточно близко к тому, что пытаюсь измерить, понаблюдать, сообщить - даже если я «полубесцельно» блуждаю вокруг этой целевой точки - я обеспечиваю полезный эффект».
Цена
Воздушные шары намного дешевле спутника, запускаемого с помощью ракеты, что делает их не только коммерчески выгодными, но и доступными для увлечённых энтузиастов-любителей. Стив Рэндалл - один из них. За последние 15 лет он запустил более 200 воздушных шаров недалеко от своего дома на востоке Англии и помогает управлять компанией Random Engineering, занимающейся высотными воздушными шарами. Инженер на пенсии, Рэндалл ранее разработал самый доступный способ, с помощью которого обычный человек может приблизиться к космосу. «Типичный латексный воздушный шар, вероятно, поднимается на высоту около 30,48 км», - говорит он. «Мой же самый высокий полет составил 45 км. Это даёт представление о том, чего можно достичь».
Возможны и более высокие полёты - как доказали японцы в 2002 году - но это связано с более высокой ценой. Воздушные шары не ограничены топливом или зарядом батареи, как это может быть у дронов или самолётов. Это может означать, что даже очень простые воздушные шары могут преодолевать огромные расстояния при правильном ветре. «Вы знаете, в летние месяцы полёт может достигать расстояния 16 км», - говорит Рэндалл. «Зимой это может быть 800 км. Я лично приземлял воздушные шары за пределами Великобритании».
Фото: bbc.com
Высотные полёты на воздушном шаре редко попадают в заголовки газет, как в последнее время, но каждый день метеорологические станции по всему миру запускают не менее 1800 метеозондов. У многих есть записки с просьбой вернуть их в соответствующее учреждение, а некоторые даже предлагают вознаграждение. «Я никогда не терял свою полезную нагрузку», - говорит Рэндалл. «Воздушный шар будет подниматься, опускаться, может быть, на расстоянии 80 км, и вы найдёте его где-нибудь на фермерском поле. Иногда он приземляется на дерево, и вам нужно достать шесты и потянуть его вниз».
Только один из из более 200 воздушных шаров, которые запустил Рэндалл, не мог быть возвращён, потому что приземлился слишком высоко на дереве - «взбираться на 15-метровое дерево, чтобы попытаться вернуть его, было слишком сложно» - но в по крайней мере, он знал, где его полёт закончился.