Воздушный шар положил начало гражданской авиации. Принцип его работы не изменился по сей день: отсутствует и двигатель, и руль для управления. Есть лишь купол с корзиной, горелка и мешки с песком.

История создания

Воздушный шар воплотил древнейший замысел человека о подчинении воздушной стихии. Первое описание аэростата было сделано в 1306 году французским миссионером Бассу, который стал свидетелем его подъема в воздух в Китае, в день восхождения на престол императора Фо Киена.

И все же родиной аэростата признается Франция, а его первыми изобретателями — братья Этьен и Жозеф Монгольфье. В 1783 году в городе они произвели запуск сконструированного ими шарообразного аэростата 3,5 метров в диаметре и массой 155 кг, наполненного горячим воздухом. Его полет протекал всего 10 минут на высоте 300 м, а пройденный путь составил около километра.

Купол аэростата братьев Монгольфье был выполнен из льняной ткани и оклеен бумагой. Для подогрева воздуха был разведен костер из мелко нарезанной соломы. А спустя недолгое время устройство агрегата дополнилось специальной корзиной для путешественников.

Подъем в воздух первого аэростата стал небывалым событием для той эпохи. В честь их создателей агрегаты стали называть монгольфьерами.

Устройство воздушного шара

Современные агрегаты производятся из более технологичных материалов, но схема осталась той же, что и братьев Монгольфье. Для пошива оболочки больше не используется лен и бумага, их заменил тонкий и прочный полиэфирный материал. Вместо костра в корзину под купол устанавливается регулируемая газовая горелка.

Воздушный шар в основе своей рабочей конструкции имеет следующие составные элементы:

• Купол, который наполняется газом для подъема на заданную высоту.
• Горелка — самая сложная деталь, посредством которой создается поток горячего воздуха в купол.
• Корзина для пассажиров, пилота и багажа.

Купол аэростата

Это главная часть воздушного шара, которая сшивается из отдельных кусков материи в колонки, которые затем прочно прикрепляются друг к другу. В качестве материала изготовления используется высокопрочный полиэстер или полиамидная ткань. С внутренней стороны она обрабатывается силиконовой пропиткой, что не позволяет проникать и уходить газу.

Основные требования к куполу, это:

• Прочность и устойчивость к внешним воздействиям и механическим повреждениям.
• Термоустойчивость, поскольку происходит постоянный контакт с нагретым газом.
• Эластичность, за счет которой возможно сохранение заданной формы.

Купол надувается за счет поступления нагретого газа: воздуха, водорода или иного, и за счет его поднимается в небо на нужную высоту. Газ подается через технологическое отверстие в нижней части купола. Для безопасности это отверстие обрабатывается специальной жароустойчивой лентой. Устройство оснащается также специальным клапаном, который используется для вывода наружу горячего газа при снижении и приземлении.

Снаружи конструкции фиксируются ленты нагрузки. К верхней части купола они крепятся с помощью кольца, а внизу присоединяются к подвесным канатам. В итоге образуется надежный каркас, который может иметь различный объем и поднимать груз разной массы.

Горелка

Это технологический элемент аэростата, обеспечивающий подогрев газовой смеси, подъем агрегата в воздух, а также поддержание заданной температуры при полете.

Работает горелка на жидком пропане, который поступает к ней из цилиндров, нагреваясь, становится газообразным и подается непосредственно в шар.

Современные горелки очень мощные, порядка 6000 МВт, производятся из нержавеющей жаропрочной стали. Они не опасны в эксплуатации, поскольку оснащены специальной защитой от ожогов.

Корзина

Предназначена для переноса путешественников и грузов. Необходимо обеспечить ее легкость, и в то же время прочность, поэтому каркас ее выполняется из лозы, а дно — из непромокаемой фанеры. С куполом корзина соединяется стальным тросом. Чтобы воздух не охлаждался, устанавливаются полиуретановые стояки, которые вместе с тросом закрываются специальными оболочками.

В углу корзины размещаются и закрепляются на ремнях цилиндры с газом. Обязательно изготавливаются отсеки для огнетушителя и необходимых в путешествии аксессуаров.

С наружной части на корзину навешивается балласт — мешки с песком. Их сбрасывают в том случае, ели необходимо увеличить высоту полета.

Классификация аэростатов

Существует два наиболее распространенных типа классификации по:

• Способу наполнения купола.
• Назначению.

По способу наполнения оболочки воздушный шар бывает:

• Тепловым.
• Газовым.
• Комбинированным.

Тепловые аэростаты по-прежнему величают монгольфьерами. Подъем их осуществляется за счет подачи горячего воздуха.

В газовых подъемная сила создается легкими газами и их смесями. По-другому их называют шарльерами по имени сконструировавшего их француза Жака Шарля. В 1783 г он впервые с успехом испытал воздушный шар, наполняемый водородом.

Комбинированные аэростаты в полете используют как горячий воздух, так и газовую смесь. Для этого они оснащены двумя оболочками. Разработал такую схему французский физик Пилатр де Розье. К сожалению, изобретатель с помощником погибли во время испытательного полета в 1785 г, но его устройства используются и получили название розьеров.

В 1999 англичанин Брайан Джонс и швейцарец Бертран Пиккар на розьере отправились в первое в истории кругосветное путешествие и благополучно вернулись из него.

По назначению аэростаты делятся на:

• Свободные или неуправляемые. Их применяют в спорте, экстремальном отдыхе, для научных целей и рекламы.

• Привязные. Те же неуправляемые, но зафиксированные на поверхности земли тросом. Это позволяет контролировать его удаленность. Могут подниматься в воздух с пассажирами и без. Привязной шар имеет обтекаемую форму и хвостовое оперение. Используется для обучения парашютистов, для обзора местности, в научных и рекламных целях.

• Стратостат. Неуправляемое устройство, которое поднимается в стратосферу, как правило, без пассажиров, с целью научных исследований. Отличается большим размером и герметичной корзиной.

• Управляемые или дирижабли. Их название происходит от французского «dirigeable» - «управляемый». Впервые дирижабль был запущен в воздух в 1852 г. Он был сделан в форме сигары, оснащен винтом и парогенератором. Дирижабли получили широкое распространение в то время. Сегодня они нашли свое применение в туризме, грузовых и гражданских перевозках. В качестве двигателя устанавливаются паровые машины, бензиновые, дизельные и электрические двигатели, а также газовые турбины.

Как летает воздушный шар

Принцип полета аэростата основан на законах физики. Воздух или газ, поступающие в оболочку, имеют температуру выше, чем в окружающей среде, а плотность ниже. Соответственно, под действием выталкивающей силы он устремляется вверх. На определенной высоте действие силы тяжести уравновешивает выталкивающую силу и аэростат «зависает» в небе.

Как управлять аэростатом

Разумеется, шар очень зависит от ветра. Однако большинство современных агрегатов поддаются управлению. Высота полета задается при помощи выпускного клапана в вершине оболочки, а для изменения направления движения используется боковой клапан.

Подготовка

Управление аэростатом — непростое занятие, оно требует обучения и тщательной подготовки. Большое значение имеют метеорологические условия, такие как видимость, облачность, направление и скорость ветра. На основе этой информации и выстраивается маршрут. На пути движения обязательно должны быть участки, пригодные для совершения посадки, поскольку во время путешествия не исключено возникновение непредвиденных обстоятельств.

Взлет

Для осуществления старта выбирают ровную территорию, удаленную от жилых объектов, деревьев, столбов и линий электропередачи.

Для подъема шара в воздух требуются усилия всего экипажа. Вначале воздушный шар собирают:

• Прикрепляют горелку к гондоле и соединяют ее с газовыми баллонами посредством шлангов.
• Проводят пробное включение горелки.
• Растягивают купол в направлении ветра и пристегивают его к гондоле карабинами.

По окончании сборки купол наполняют холодным воздухом с помощью вентилятора. Затем включают горелку. Горячий воздух отрывает шар от поверхности, и экипаж занимает свои места.

Если полет производится на привязном аэростате, его предварительно фиксируют на поверхности.

Полет

Для контроля за полетом требуются хорошие навыки. Для увеличения высоты производится подогрев воздуха путем запуска горелки, а для уменьшения – открывается выпускающий клапан. Движение в боковом направлении происходит за счет попутного ветра. Чтобы двигаться скорее, пилот может подняться повыше, где скорость ветра больше.

Спуск

Для приземления заранее подбирают площадку, большую и безопасную. Пилот выпускает воздух из купола при помощи клапана и воздушный шар потихоньку опускается на поверхность.

Примечательным является то, что если аэростаты столкнутся друг с другом в воздухе, то… ничего не произойдет. Они просто оттолкнутся и полетят дальше. Да и столкнуться им весьма сложно, ведь они путешествуют по направлению ветра — в одну и ту же сторону.

Сила Архимеда, или выталкивающая сила, действует не только в жидкостях (например, воде), но и в газах (например, воздухе). Но из-за того, что плотность воздуха (1,29 кг/м 3) намного меньше чем воды (1000 кг/м 3), выталкивающая сила здесь незначительна.

Именно поэтому многие предметы не плавают в воздухе, как в воде. Сила тяжести, действующая на тела, оказывается сильнее выталкивающей силы воздуха.

Однако, как и в воде, чем больший объем занимает тело при неизменной массе, то есть чем больше понижается его средняя плотность, тем больше на него будет действовать выталкивающая сила.

Кроме того, существуют газы, плотность которых меньше, чем воздуха. Такими являются водород и гелий. Также сам воздух при нагревании расширяется, и его плотность уменьшается.

Если заполнить более легким, чем воздух, газом воздушный шар, то выталкивающая сила воздуха поднимет его вверх. Но так как выталкивающая сила воздуха не велика, материал шара имеет ощутимую массу, и к шарам крепят корзины с людьми и другими грузами, то сами шары должны быть огромными. В них должно содержаться достаточное количество более легкого газа, заполняющего большой объем, чтобы выталкивающая сила, действующая на этот объем, превзошла вес всего воздушного шара.

В настоящее время летательные воздушные шары заполняют обычно гелием, так как он не горит, как водород, поэтому безопасен. Раньше воздушные шары заполняли нагретым воздухом. Под шаром находилась горелка. Уровнем огня в ней можно было регулировать высоту, на которую поднимется шар.

Воздух с высотой становится более разреженным, т. е. менее плотным. Поэтому воздушные шары не могут подниматься высоко.

Любители полетов на воздушных шарах есть по всему миру, и они могут предложить путешествие на монгольфьере, как за деньги, так и за волонтерскую помощь их наземной команде. Если вы уже вкусили прелести таких полетов и теперь желаете самостоятельно дергать за стропы и разжигать горелку, путешествуя соло, то прежде вам необходимо пройти курс обучения и сертификации. Знакомство с принципами работы воздушного шара даст вам преимущество и поможет определиться – подходит ли вам это хобби.

Шаги

Часть 1

Базовые основы

Разбираемся – почему шар летает. Принцип действия воздушных шаров очень прост. Поскольку вы нагреваете воздух или любой другой газ, он становится менее плотным. Точно также, как пузырь воздуха, поднимающийся в аквариуме, горячий воздух будет подниматься над более плотным, холодным воздухом, который его окружает. Стоит подогреть воздух в шаре до нужной температуры, и он сам сможет поднять вверх и купол, и корзину вместе со всем ее содержимым.

Изучаем конструкцию шара. Его устройство настолько простое, что вы уже можете в нем запросто ориентироваться, то изучение необходимой терминологии поможет вам и вашей команде общаться друг с другом:

Одеваем защитную одежду. Пилот должен носить защитные очки, так как он будет находиться возле пламени. Также, пилот и команда должны быть одеты в прочные перчатки, одежду с длинными рукавами и длинные штаны, изготовленные из ткани, не содержащей нейлон, полиэстер и другие, легко воспламеняемые материалы.

• Каждый, кто находится в корзине, должен иметь в виду, что воздушный шар может приземлиться в грязи или труднодоступной местности, а потому надетая одежда и обувь должны быть максимально комфортными.

1. Для того чтобы подняться выше, нужно выпустить больше пропана. Чтобы увеличить подачу пропана в огонь, нужно побольше открыть взрывной клапан на шланге, прикрепленном к газовому баллону, который обычно располагается прямо под горелкой. Чем больше вы откроете клапан, тем большее количество горячего воздуха устремится в шар и тем быстрее он поднимется. .

   • Сброс балласта или любого тяжелого объекта, размещенного по бокам воздушного шара, уменьшит его полную плотность и также заставит подниматься ввысь. По понятным причинам этот прием не рекомендуется применять при полете над населенной местностью.

2. Изучаем, как оставаться на стабильной высоте. Как и любой объект, более теплый, чем окружающая его среда, воздушный шар остывает в течение длительного времени, что заставляет его постепенно снижаться. Чтобы оставаться на одной высоте, вы должны использовать один из приемов:

   Чтобы опустить, откройте парашютный клапан. Помните, что парашютный клапан – это откидная створка на верхушке конверта. В обычном состоянии она герметично закрыта и, чтобы приоткрыть ее, нужно потянуть за стропу красного цвета, которая называется стропой разрыва. Это позволяет горячему воздуху выйти через верх. Пока шар не опустится до нужной отметки, держите стропу натянутой. Затем, отпустите ее, и откидная створка снова закроется.

   Контролируем направление снижения или подъема. Напрямую влиять на направление движения воздушных шаров невозможно. Существуют несколько воздушных потоков, которые наслаиваются один на другой. Поднимайте или опускайте шар, улавливая разные перекрестные потоки воздуха, и он будет менять направление движения. Пилоты часто вынуждены изменять маршрут своего движения, подстраиваясь под нужные воздушные потоки.

   Проверьте силу ветра. Знание того, когда полет следует отменить, очень важный фактор подготовки пилотов. Полет при сильном ветре чрезвычайно опасен, и осуществлять его запрещено. Новички должны придерживаться простого правила: летать либо в первые часы после восхода солнца, либо за несколько часов до заката, когда направление ветра более предсказуемо и его скорость невелика.

   Проверьте наличие предметов жизнеобеспечения. В корзине должны быть как минимум: огнетушитель, аптечка, топографическая карта, авиационная карта, альтиметр (прибор для измерения высоты) и бортовой журнал, в котором пилот фиксирует все детали полета. Проверьте датчик пропана в баллонах. Вы должны быть уверены, что в них достаточно топлива для полета – обычно расход составляет около 30 галлонов (114 литров) в час. Для длительных полетов вам также понадобится радиостанция и возможно электронное навигационное оборудование.

   Для взлета наполните шар. Чтобы оторваться от земли, почти всем воздушным шарам требуется помощь нескольких человек. Во-первых, горелку нужно закрепить на раме корзины и установить сбоку от конверта, который лежит на земле. Рот конверта поднять и расправить, и в в течение десяти минут с помощью мощного насоса закачивать воздух, который затем нагревается горелкой. Обычно, пока шар готовится к полету, корзина на земле удерживается людьми или привязывается к автомобилю. Когда пассажиры и пилот уселись в корзину, пилот выпускает из горелки мощную струю пламени и шар отрывается от земли.

   Во время старта нужно быть предельно внимательным. Пилот должен быть очень сосредоточен и следить за тем, как надувается конверт, а наземная команда контролирует все стропы. Постоянно осматривайтесь по сторонам во всех направлениях, чтобы вовремя заметить деревья или другие объекты, на которые может наткнуться шар во время взлета. Как только почувствуете первый порыв ветра во время подъема, сразу же зафиксируйте свой взгляд на препятствии, которое расположено по курсу взлета и не отрывайтесь от него, пока шар не преодолеет препятствие. Это помогает быстро фиксировать отклонение от курса и немедленно на него реагировать, ускоряя взлет.

   Изучите все погодные явления в районе полета. Для получения летного сертификата будущие пилоты воздушных шаров должны пройти тест по метеорологии, чтобы понимать, как взаимодействуют и влияют друг на друга температура, высота и влажность, а также, что могут рассказать вам о состоянии воздуха различные виды облаков. Конечно, перечислить все в этой инструкции не выйдет, но пару примеров можно привести:

   • Существенные изменения в направлении ветра, когда вы поднимаетесь или спускаетесь, называются порывом ветра и требуют особого внимания, поскольку могут ускорить или замедлить ваше движение. Если сильный порыв ветра загасит пламя вашей горелки, зажгите ее снова и во избежание падения, как можно быстрее нагрейте шар.
   • Если воздушный шар медленно реагирует на ваши действия, или вы замечаете, что воздух вместо того, чтобы устремлять вас вверх расходуется впустую, значит, вы попали в «инверсию» – состояние, при котором, чем выше вы поднимаетесь, тем теплее становится воздух вокруг вас. Компенсировать инверсию можно, увеличив количество нагреваемого воздуха или напротив, уменьшив, в зависимости от направления движения.

3. Проверяйте направление и скорость ветра, научитесь читать метеорологическую карту, используя эти данные для составления общей картины скорости и направления движения воздушных потоков. Чтобы узнать локальные условия, плюньте или брызните немного крема для бритья на край корзины.

На воздушном шаре нет ни моторов, ни привычного нам руля. Из всего технологического арсенала — только горелки, мешки с песком и специальный клапан в верхней части купола для травления воздуха. Как же управлять этим летательным аппаратом?

Из истории воздухоплавания

Появление на свет воздушных шаров стало первым реальным воплощением вековой мечты человечества о покорении пятого океана. В 1306 году французский миссионер Бассу впервые описал, как находясь в Китае, стал свидетелем полета воздушного шара при вступлении на престол императора Фо Киена.

Однако родиной воздухоплавания считается французский городок Аннонэ, где 5 июня 1783 года братья Этьен и Жозеф Монгольфье подняли в небо созданный ими шарообразный аэростат, наполненный нагретым воздухом.

Полет летательного аппарата весом около 155 кг и диаметром 3,5 метров длился всего 10 минут. За это время он преодолел около километра на 300-метровой высоте, что стало выдающимся событием для своего времени. Позже, воздушные шары в честь создателей стали называть монгольфьерами.

Воздушный шар братьев Монгольфье состоял из льняной оболочки, обклеенной бумагой. Чтобы ее наполнить горячим воздухом был разведен костер из мелко нарубленной соломы. А 3 месяца спустя, в конструкцию летательного аппарата было внесено дополнение в виде специальной корзины для пассажиров.

Современные воздушные шары несомненно более совершенны, но сделаны практически по той же схеме. Для изготовления сферической оболочки шара используется специальный тонкий и прочный полиэфирный материал. Изменилась система нагрева воздуха. Функцию костра выполняет регулируемая пропановая газовая горелка, установленная в корзине прямо под куполом.

Несмотря на большую зависимость от ветра, современные воздушные шары управляемы. Высота полета регулируется выпускным отверстием в верхней части купола с помощью разрывного шнура. Для изменения курса предусмотрен боковой клапан. Существуют и более сложные конструкции, где внутри основного купола может размещаться еще один, заполненный гелием.

Как управлять воздушным шаром с корзиной

Управление воздушным шаром – занятие, требующее серьезной подготовки и немалых финансовых затрат. Достаточно сказать, что курс обучения пилота аэростата стоит сегодня около 200 тыс. рублей. Цена самого аэростата (в зависимости от модели) соизмерима с ценой легкового автомобиля.

Подготовка

Полету предшествует тщательная подготовка. Прежде всего необходимо изучить метеоусловия – облачность, видимость и скорость ветра. В соответствии с полученными данными планируется маршрут полета. Ввиду непредвиденных изменений метеоусловий выбирается именно такой маршрут, где на пути есть достаточно мест для безопасных посадок.

Взлет

Чтобы воздушный шар взлетел, необходимы усилия всего экипажа. Оптимальный вариант места для старта – ровная площадка 50 х 50 метров в открытом поле, где рядом нет никаких посторонних объектов – столбов, деревьев, ЛЭП.

Затем начинается сборка шара: к корзине крепятся горелки, которые соединяются специальными шлангами с газовыми баллонами. После пробного запуска горелки экипаж приступает к растягиванию купола (обязательно по направлению ветра). Далее растянутый купол специальными карабинами пристегивается к корзине.

Следующий этап – заполнение купола холодным воздухом с помощью вентилятора, после чего запускается горелка для нагрева воздуха. Разогретый воздух поднимает купол с земли, и экипаж (с пассажирами) занимает свои места. Чтобы шар не улетел, его предварительно привязывают к автомобилю.

Полет

Несмотря на отсутствие мотора и крыльев, воздушный шар управляем, что требует определенных навыков. Основные средства управления – горелки и выпускной клапан. Для набора высоты горелка включается и воздух дополнительно нагревается, а для снижения – клапан приоткрывается. Горизонтальный полет происходит за счет попутного ветра. Именно здесь проявляется мастерство пилота. Так, чтобы лететь быстрее, он может увеличить высоту полета, где скорость ветра сильнее.

Спуск

Место посадки выбирается заранее. Оно должно быть большим и безопасным. Идеальный вариант – футбольное поле рядом с автомобильной дорогой. О месте посадки экипаж по радио сообщает на землю. Далее пилот выпускает воздух из купола при помощи клапана. Шар плавно опускается на землю.

Почему летают шары с гелием?

Казалось бы, очень простой вопрос, но иногда он ставит в тупик. Скорее всего, потому, что в школе нам это объясняли сухим языком цифр на скучных уроках. Но сегодня мы хотим веселые воздушные шары, и нас мучают простые вопросы о том, как долго они могут летать и какой вес они смогут поднять. Значит, нужно поближе познакомиться с некоторыми свойствами гелия.

Гелий - это газ. Им наполняется воздушный шарик. Это газ намного легче воздуха. Один кубический метр воздуха, который состоит из смеси разных газов, весит 1,293 кг, а один кубический метр гелия 0,178 кг. Получается, гелий легче воздуха 7,26 раза . Так же выходит, что один кубический метр гелия может поднять 1,115 кг , то есть чуть больше килограмма.

Выходит, что шары летают потому, что они заполняются газом гелием, который в 7,26 раза легче воздуха. Получается, шар подобно пузырьку воздуха в воде, который со дна поднимается вверх. Конечно, существует еще и такой газ как водород, его подъемная сила еще больше. Однако, использовать его нельзя, в отличии от гелия, он взрывоопасен и горюч. Вместо радости и восторга мы можем получить ожоги, пожары, травмы и летальный исход. Но вот интересно, какой вес может поднять этот шарик?

Объем стандартного шара, размером 30 сантиметров, составляет около 14 литров. Поэтому, гелий, который заполняет весь объем шара, может поднять около 15,61 грамм. Но, сам шар тоже имеет свой вес, который составляет порядка 3 грамм. Поэтому в результате на шарике мы можем поднять лишь 12,61 грамм.

Однако, мы живем не в идеальном мире и на практике подъемная сила стандартного шара не превышает 10 грамм. Причин тому много, самая главная заключается в том, что гелий очень быстро просачивается сквозь стенки шара, поэтому сразу же после надувания шарик теряет подъемную силу. На практике, после надувания обычный шар, размером 30 сантиметров, перестанет летать через 12-18 часов.

Конечно, шар можно обработать специальным составом, чтобы тот терял гелий значительно медленнее, однако и состав имеет свой вес и эффект наступает после его застывания, а за это время шарик успевает «похудеть». Но когда эффект все-таки наступит шар сможет продержаться в воздухе от 3 до 30 суток. Поскольку в нем будет сохранятся гелий в количестве, которое сможет обеспечить подъемную силу большую, чем вес самого шара.

Но вот теперь мы подходим к самому интересному вопросу, а сколько нужно шариков, чтобы поднять в воздух человека? Если ваш вес 70 килограмм, то путем несложных математических расчетов, мы можем прийти к выводу, что для этого требуется 7000 (семь тысяч) воздушных шаров.

Опять же, после надувания шаров, они начнут терять подъемную силу сразу же. На надувание 7000 шаров, команде из 4х человек потребуется весь день, а может быть и вся ночь. Поэтому реально, шариков может потребоваться гораздо больше. Значит, для поднятия человека нужна большая команда, и огромное количество шаров с запасом. Думаю, десяти тысяч шариков (!!!) вполне достаточно для того, чтобы поднять человека в воздух.

Но обычно, люди хотят поднять подарок весом 200. Теперь мы точно знаем, что 20 шаров имеют подъемную силу в 200 грамм. Однако, поднять 200 грамм они не смогу, подъемная сила скомпенсирует вес подарка и всего-то. Значит нам нужен как минимум 21 шар, чтобы подъемная сила в результате составила 10 грамм. Но, конечно, шары лучше взять с запасом, штук 25-30. Чтобы наверняка!

Получается, что шар летает поскольку он заполнен гелием, который в 7,26 раза легче чем воздух, стандартный шар имеет подъемную силу около 10 грамм и способен летать 12-18 часов без обработки, от 3 до 30 суток с обработкой.