Повітряні кулі після багатьох десятиліть практично повного забуття поступово повертаються до нашого життя. І йдеться не тільки про розважальні та спортивні літальні апарати, але також про їх промислове та наукове використання. У цьому огляді ми зібрали 5 найбільш наочних прикладівтого як в сучасному світівикористовуються повітряні кулі, а також у яких напрямках вони можуть бути корисними у майбутньому.
Група студентів-техніків із Бостона мріє про приватне освоєння Космосу. Звичайно, вони не мають мільярди доларів, які можна внести як інвестицій у розробку відповідних технологій, як це роблять бізнесмени Ілон Маск і Річард Бренсон, отже, і масштаби їхньої діяльності куди скромніші. Проте вони можуть похвалитися кількома успішними запусками літальних апаратів на велику висоту.
Наприклад, у 2014 році студенти здійснили кілька за допомогою повітряних кульок. Вони прикріпили мобільний телефон із включеною камерою до аеростатів та відпустили їх. Кулі піднялися на висоту 29 кілометрів, де й лопнули, що роздираються зсередини високим, порівняно із зовнішнім тиском. Телефон, що впав, вони потім знайшли завдяки увімкненому датчику GPS.
Звичайно, 29 кілометрів – це не Космос і навіть не суборбітальний простір. Проте з кожним новим запуском висота подібних польотів зростає – студенти постійно модифікують свої аеростати. Поки що їхнє завдання-максимум – досягти позначки 50 км.
Ідейно пов'язаний з маніпуляціями бостонських студентів та цілком «серйозний» проект під назвою Bloostar від іспанської компанії Zero2Infinity. Він передбачає запуск на орбіту штучних супутників Землі з допомогою повітряних куль.
Звичайно, творці розуміють, що через збільшення з кожним наступним кілометром набору висоти різниці тиску всередині і зовні повітряної кулі, аеростати не можуть піднятися до позначки 100 км і вище. Однак це не потрібно. Проект передбачає використання повітряних куль у тому, щоб космічні апарати долали земне тяжіння.
Повітряні кулі підніматимуть їх на висоту 20 кілометрів, після чого апарати відокремляться і далі полетять самостійно, використовуючи традиційну ступінчасту ракетну систему. Ця технологія дозволить значно заощадити ресурси при виведенні супутників на орбіту, адже найбільше палива витрачається ракетами при старті в момент відриву від земної поверхні.
Технологія Bloostar дозволить запускати на висоту до 600 км об'єкти вагою до 75 кг.
Ще один перспективний проект від іспанської компанії Zero2Infinity. У рамках цієї технічної ініціативи вона планує створити повітряні кулі із прикріпленими герметичними капсулами, розрахованими на чотирьох осіб.
Аеростати Bloon зможуть підніматися на висоту до 40 км. Цьому показнику, звісно, далеко навіть рівня суборбітальних польотів, які відбуваються у районі позначки 100 км. Однак і цієї висоти пасажирам буде достатньо для того, щоб відчути близькість Космосу, а себе практично справжніми астронавтами.
Піднявшись на максимальну висоту, аеростати від Zero2Infinity зможуть перебувати на ній протягом трьох годин (порівняйте з кількома хвилинами при польотах на шатлах від Virgin Galactic), а потім плавно спускатися на поверхню Землі протягом п'яти-шостій годин. При цьому саме підйом відбуватиметься у режимі повітряної кулі, а спуск – у режимі параплана.
Під час польоту пасажири зможуть милуватися дивовижною красою планети Земля, а ці види не можна спостерігати навіть з борту авіалайнерів під час трансконтинентальних польотів, адже апарати Bloon піднімаються вчетверо вище. При цьому вартість такої подорожі становитиме кілька десятків тисяч доларів. Для порівняння ціни на польоти з Virgin Galactic стартують від 250 тисяч.
Наприкінці 2014 року група вчених та інженерів з NASA зі станції Мак-Мердо в Антарктиді запустила перший екземпляр нового покоління повітряних куль, науковий аеростат із максимальним обсягом 538 тисяч кубічних метрів.
Очікується, що такі повітряні кулі стануть основою для наукових пошуків у найближчі десятиліття. Адже вони можуть піднімати вантаж вагою 2300 кілограмів на висоту до 33 кілометрів. Цей аеростат може безперервно перебувати в небі протягом приблизно ста днів, притому що сучасний рекорд максимальної тривалості польоту становить 55 діб.
Перша наукова повітряна куля нового покоління підняла на висоту гамма-променевий телескоп COSI, який здатний виявити в небі ділянки, що випромінюють гамма-промені, вивчення яких дозволить розгадати величезну кількість космічних таємниць.
За задумом відомого дизайнера Олів'є Гроссетета, сили повітряних куль цілком вистачає на те, щоб тримати невеликий пішохідний міст, що розкинувся над озерцем в одному з парків при маєтку в північно-західній Англії.
Pont de Singe або «Мавпячий міст» - це один із найнезвичайніших мостів у всьому світі. Адже він тримається над водою не за допомогою потужних основ, а тільки за рахунок трьох великих повітряних куль, прикріплених до конструкції. При цьому, щоб міст не полетів, він фіксується до землі за допомогою кількох прив'язаних мішків з піском.
Щоправда, Pont de Singe – це лише декоративна прикраса парку. Жодної практичної функції він не виконує. Кліпка конструкція не призначена для того, щоб по ній ходили люди - він відразу піде під воду під масою їх тіл.
Міст Pont de Singe знаходиться в так званій японській частині парку англійської садиби. Ця конструкція, за задумом автора, прагне оживити поетичність і мрії в метушні сучасного життя.
: Приватний Космос: хто і навіщо витрачає гроші на особисті ракети та космічні човники
Повітря необхідне всім живим істотам для дихання та створення органічних речовин, також воно захищає Землю від космічної радіації. Завдяки вітру, волога і тепло розносяться по всій поверхні планети, і якби не було вітру, суша перетворилася б на мляву пустелю. Але на цьому користь повітря не закінчується, багато хто просто не знає, як людина використовує властивості повітря, а тим часом, вона проникла в багато сфер людського життя.
Використання властивостей повітря людиною
Ще в давнину люди винайшли вітрило для подорожей океаном та вітряне колесо, яке допомагало в роботі по господарству. Але воно не втратило своєї актуальності й у наш час. Тепер його використовують у вітряних електростанціях, що є чистим способом отримання електрики, оскільки навколишнє середовище при цьому не забруднюється.
Не дивлячись на те, що повітря дуже легке, воно теж має вагу, яка може виштовхнути легші предмети та гази. Завдяки цій його властивості люди випускають шар-зонд, заповнений воднем, який несе на собі прилади, що повідомляють про погоду у верхніх шарах атмосфери. Повітря, як і вода, має властивість розширюватись при нагріванні. Від чого він стає легшим і піднімається вгору. Саме цю його властивість використовували перші повітроплавці, що літали на повітряних кулях, що заповнювалися гарячим повітрям.
Повітря менш щільне, ніж вода. Але при розвитку великої швидкості, на нього можна спертися. Відкриття даної властивості дозволило створити літаки і вертольоти, які надійніші за літальні кулі. Саме за рахунок малої щільності повітря, людина має можливість пересуватися по ньому набагато швидше. У зв'язку з тим, що повітря має низьку щільність, воно погано проводить тепло. Завдяки цьому, людина, одягає теплі речі, тим самим оточуючи себе повітряною оболонкою і їй не холодно, так само як і птахам і звірам. Тепер ви знаєте, як використовують властивості повітря, і неодмінно скористаєтеся його благами у своїх цілях. А якщо ви хочете ознайомитися з ними докладніше, то за посиланням можна прочитати статтю -
Ю. БОЙКО, начальник відділу російського повітроплавного товариства.
Наука та життя // Ілюстрації
Шарльєр середини минулого століття практично не відрізнявся від того, що застосовується сьогодні.
Прив'язний змійковий аеростат.
Радянський аеростат-розвідник.
Так тепер заповнюють монгольф'єр гарячим повітрям.
Збір насіння з дерев.
Аеростат-кран на трелювання лісу.
Будівництво греблі за допомогою аеростату.
Схема сучасного монгольф'єру.
Так виглядає зверху оболонка та її купольне кільце.
Повітроплавання в наш час стає все більш масовим: тисячі яскраво розфарбованих куль пливуть над усіма континентами, і навіть Північний і Південний полюси підкорені мандрівниками-повітроплавцями. Для них, нарешті, з'явився порівняно дешевий, невибагливий і простий в управлінні літальний апарат, подорож яким доставляє ні з чим не порівнянне відчуття польоту.
Вперше, як прийнято вважати, аеростат народився 5 червня 1783 року. Цього дня у французькому містечку Відалон-лез-Адонні, трохи на південь від Ліона, піднявся в повітря так званий монгольф'єр - наповнений гарячим димом куля з паперу та лляного полотна. Він був виготовлений братами Жозефом і Етьєном Монгольф'є - майстрами з виробництва паперу, яких на ідею створення такої кулі наштовхнули спостереження за папером, що спалюється на вогнищі, і клаптиками, що відлітають у небо.
Існують, втім, не надто достовірні відомості і про куди більш ранні польоти повітряних куль. Наприклад, про те, що було піднято в Пекіні в 1306 році під час церемонії вступу на престол імператора Фо Кієна. Або про те, на якому в 1709 літав португальський монах Бартоломео де Кусмао. Але все ж таки офіційним днем народження аеростата вважається 5 червня 1783 року.
А через два з половиною місяці в Парижі на Марсовому полі було піднято в повітря і перший шарльєр - кулю, наповнену легким газом. Свою назву він отримав на ім'я французького професора фізики Жака Шарля, який знайшов спосіб заповнення кулі воднем. Шарльєр виявився набагато ефективнішим за монгольф'єр і багато небезпечніший за нього, оскільки водень у 15 разів легший за повітря, але надзвичайно вибухонебезпечний. Тому згодом – після відкриття гелію – шарльєри стали заповнювати їм.
Перші аеростати були безпілотними, але вже в листопаді того ж 1783 на монгольф'єрі вперше піднялися люди - маркіз двАрланд і Пілатр де Розье, що стояли в прикріпленій до нижньої частини оболонки кошику. У центрі її знаходилася жаровня, яка постачала всередину оболонки гаряче повітря, а сам кошик і оболонка були просякнуті спеціальним протипожежним складом.
У наступному десятилітті - під час Великої французької революції - повітряні кулі розпочали свою військову кар'єру, активно продовжену і в XIX столітті. У франко-прусській війні 1871 року, наприклад, було з їх допомогою налагоджено постійний зв'язок з оточеним німцями Парижем. За 4 місяці на 65 аеростатах було переправлено 150 пасажирів та 16 675 кілограмів листів та депеш загальним числом понад 3 мільйони.
У 1869 році в Росії була організована постійна Комісія із застосування повітроплавання до військових цілей, а з 1870 року - в Усть-Іжорському саперному таборі під Петербургом велися спостереження з аеростатів за пересуваннями військ та коригування артилерійської стрільби. У низці країн з'явилися люди, які займалися аеронавтикою професійно.
У конструкціях вільних газових аеростатів поступово враховувався досвід багатьох тисяч польотів. Більш легкими та міцними стали матеріали оболонок, і їх просочували складами, що зводять до мінімуму витік несучого газу. Більш надійним та зручним став такелаж: троси, стропи та інше обладнання. Сучасний аеростат для вільних польотів майже відрізняється від того, що літав півтора століття тому (малюнок вгорі).
Його виготовлена з шовку оболонка була забезпечена вгорі клапаном для випуску газу, а внизу - відростком, "апендиксом", який також вільно повідомлявся з атмосферою. Відкривали газовий клапан за допомогою проведеного від нього гондоли шнура. Туди ж було проведено й інший шнур – від розривного полотнища, яким аеронавт користувався для швидкого випуску газу під час посадки.
Оболонка покривалася мережею із шовкового шнура, пов'язаного у вигляді петель. Донизу число петель поступово зменшувалося, і вони сходили з кулі окремими спусками, які потім прив'язувалися до підвісного кільця з дерева чи металевої трубки. До цього кільця підв'язувалися і стропи гондоли, якір та баластовий канат – гайдроп. Маніпулюючи ним, а також газовим клапаном і баластом, досвідчені аеронавти робили тривалі польоти.
Але вільний аеростат, що підіймався на прив'язі, виявлявся досить нестійким. Вже при вітрі більше 10 метрів на секунду спостерігач, який перебуває в гондолі, зовсім не міг виконувати свої функції. Щоб утримати аеростат, були потрібні дуже міцні канати і особливо укріплені місця їх приєднання до оболонки, а ця додаткова вага знижувала його підйомну силу. Для підвищення стійкості прив'язних повітряних куль у вітряну погоду стали надавати їм подовжену форму та оснащувати їх оперенням, а керувати ними – за допомогою канатів, що йдуть до наземних лебідок.
Своє перше практичне застосування такі аеростати знайшли у військовій справі: їх успішно використовували ще в армії Наполеона – для підйому спостерігачів, а згодом – у громадянській війні 1861-1865 років у США – для розвідки та коригування вогню артилерії. Найбільшого поширення набула в ті роки конструкція прив'язного змійкового аеростату, який, подібно до повітряного змія, стійко ширяє в повітрі за рахунок взаємодії швидкісного натиску вітру з оболонкою. Її внутрішній обсяг розділений діафрагмою на два відсіки: газомістилище і так званий "повітряний балонет", який повідомляється з навколишньою атмосферою та наповнюється вітровим потоком.
Подібні аеростати з успіхом застосовувалися як у першу світову війну – для розвідки та коригування вогню артилерії, так і у другу світову – як аеростати загородження. Військове використання аеростатів тривало й у роки "холодної війни". Аеростати-розвідники безперешкодно перетинали кордон у товщі хмар, засікти їх локаторами було практично неможливо. А якщо навіть вдавалося їх виявити, то збити було теж непросто: при великому обсязі газу пробоїни не призводять до швидкого витоку.
Для зв'язку занурених підводних човнів у СРСР та США були розроблені аеростатні антенні системи телекомунікації.
Але й у мирному житті аеростати застосовуються досить широко. Стратостати, наприклад, надають чималу допомогу астрономам, піднімаючи телескопи такі великі висоти, де прозорість атмосфери майже ідеальна. Першими такий підйом здійснили американці 1957 року, коли стратостат обсягом 85000 кубометрів підняв телескоп "Стратоскоп-1" на висоту 24 кілометри. Надалі такі підйоми здійснювалися і в нас.
Відомі в історії повітроплавання та випадки запуску космічних аеростатів. У 1960 році в США був запущений за допомогою ракети-носія супутник-аеростат зв'язку "Луна-1". Його виконана з поліефірної плівки та покрита з обох боків алюмінієвою фольгою оболонка розташовувалася під час запуску в контейнері у згорнутому вигляді. Усередині неї знаходилися 20 кілограмів самозаймистого порошку ацетаміду. Після розкриття контейнера та нагрівання сонячними променями він перетворився на газ та заповнив оболонку. На висоті 1680 кілометрів супутник-аеростат "Ехо-1" проіснував 9 років і використовувався як радіовідбивач. Аналогічний йому супутник-аеростат "Луна-2" проіснував на висоті 1030-1310 кілометрів близько 15 років. Обидва ці супутника можна назвати стратостатами - вони розташовувалися у верхніх шарах атмосфери. Використовують стратостати і інших космічних потреб: випробування космічних приладів і герметичних кабін, вивчення космічного випромінювання, дослідження струминних течій великих висотах.
А прив'язні аеростати широко застосовують для наймирніших цілей: для трелювання лісу, розвантаження суден, як аеростатів-кранів на будівництві гребель, дамб, при розробці кар'єрів, особливо глибоких. Зручно використовувати невеликі аеростати для збору насіння з елітних дерев або кедрових шишок.
Наприкінці 1970-х років у Київському громадському КБ повітроплавання була спроектована аеростатна тропопаузна вітроелектростанція (ТВЕС). На висоті 8000-10000 метрів, де розташовується тропопауза (кордон між тропосферою та стратосферою), існують постійні вітрові потоки зі швидкістю 70-100 метрів за секунду. Концентрація вітрової енергії цих висотах в 20-25 разів вище, ніж в Землі. Київські конструктори запропонували встановити на прив'язному аеростаті зі склопластиковою оболонкою вітроколесо та електрогенератори, а енергію, що отримується, передавати по кабель-тросу на Землю. Передбачувана потужність такої вітростанції повинна була становити 1500 кВт, а річне вироблення - близько 10 млн. кВт. ч. Проект не було здійснено.
Останні півтора десятиліття відзначені розквітом спортивного повітроплавання. Крім простоти керування та порівняльної дешевизни повітряна куля відрізняється відносною компактністю: у зібраному вигляді його оболонка разом із кошиком легко вміщаються у причепі легкового автомобіля. Гелій для спортивних польотів дуже дорогий: кожен його кубометр коштує близько 50 рублів, а потрібно для заповнення оболонки не менше 1000 кубометрів. І оскільки газ після посадки доводиться випускати в атмосферу, то на гелієвих аеростатах здійснюються лише унікальні польоти – рекордні та наукові – тривалістю кілька діб. Для подорожей і звичайних спортивних польотів використовується, як правило, монгольф'єр, схема якого наведена на малюнку вгорі.
Оболонка має у верхній частині так званий парашутний клапан. Відкривається він за допомогою шнура управління, кінець якого опущений у гондолу. Сама гондола, як і два століття тому, виготовляється з вербових прутів або очерету, які мають хороші властивості, що амортизують, і витримують удари при грубій посадці.
Навантаження від маси гондоли і її вмісту передають на тканину оболонки вертикальні і горизонтальні силові стрічки, що обплітають її. Їх, так само як і саму оболонку, роблять тепер із легких та міцних синтетичних матеріалів. Тканина оболонки обробляють так, що вона стає повітронепроникною, стійкою до сонячної радіації та негорючої. Нижня частина оболонки - так звана спідниця - виконується з вогнестійких полімерних тканин, здатних витримати температуру до 500 градусів, температура повітря в оболонці зазвичай дорівнює 90-100 градусів Цельсія. Підтримується вона за допомогою одного або двох пальників, з'єднаних шлангами з газовими балонами, а паливом є рідкий пропан, бутан або їх суміш. Рідкий газ потрапляє в занурену в нього трубку завдяки тиску насичених пар і, пройшовши шлангом і через керований пілотом вогневий клапан, потрапляє у випарник. Тут він перетворюється на пару і, змішавшись із повітрям, згоряє у форсунках. Потужність пальників може досягати двох мільйонів кілокалорій на годину. Черговий пальник горить слабким полум'ям постійно - для того, щоб від нього можна було запалити форсунки.
Газовий балон містить зазвичай близько 35 кілограмів пропану, цього достатньо для 45-60 хвилин польоту монгольф'єра. Кожен балон забезпечений запобіжним клапаном та манометром. Коли в одному балоні газ закінчується, пілот переходить на інший балон. Крім пальників та балонів у гондолі встановлені висотомір, варіометр (вимірювач вертикальної швидкості), датчик температури повітря в оболонці, радіостанція, вогнегасник та аптечка.
Питома підйомна сила гарячого повітря за нормальної температури 100 градусів Цельсія становить 0,278 кілограма на кубометр. Це означає, що куля об'ємом 1500-2000 кубометрів може піднімати півтонни, тобто трьох – чотирьох осіб та три – чотири балони з пропаном. Зі збільшенням обсягу кулі збільшується, зрозуміло, і підйомна сила. У 1988 році в Голландії було піднято монгольф'єр об'ємом 24000 кубометрів, його 50 пасажирів розміщувалися в комфортабельному двопалубному кошику.
На монгольф'єрах здійснено унікальні польоти: переліт через Атлантичний океан, підйом на висоту 18000 метрів, готується обліт земної кулі за два тижні.
Аеростат – це літальний апарат, він обов'язково повинен мати свідоцтво про його реєстрацію та свідоцтво придатності до польотів, яке видається відразу після виготовлення та продовжується комісією після нальоту певної кількості годин. Самі пілоти аеростатів проходять підготовку в повітроплавних школах і після проходження теоретичного курсу та польотів – спочатку з інструктором, а потім самостійних – одержують відповідні документи. Щороку вони проходять медкомісію та перевірку теоретичних знань.
Кожен політ ретельно готується. Розробляється маршрут, який не повинен проходити в районах аеропортів, військових об'єктів тощо. Після отримання дозволу на політ вивчаються метеозведення: важливо знати не тільки силу та напрям вітру, а й температуру повітря, висоту хмарності, види опадів. Все це дозволяє планувати політ та забезпечити його безпеку.
Розвитку повітроплавання в нашій країні активно сприяє Російське повітроплавне суспільство, засноване ще в 1880 році, що випускає сьогодні літературу з аеронавтики, організує виставки та спортивні змагання.
Всесвітня федерація повітроплавання проводить чемпіонати світу, що чергуються: у парні роки - для монгольф'єрів, у непарні - для газових аеростатів. У нас в країні Федерація повітроплавання була організована в 1990 році і з того часу провела низку загальноросійських та міжнародних змагань. Її члени беруть участь у чемпіонатах світу та Європи.
Варто, мабуть, додати, що для жителів багатьох країн, а з деяких пір і для жителів великих російських міст вже стали звичними рекламні аеростати, що несуть на своїх бортах полотнища або емблеми рекламодавців, іноді підсвічені зсередини, забезпечені звукомовними установками, виконані як- то кумедних фігур. Все частіше міські свята не обходяться без цих ошатних і літальних апаратів, що важливо плавають у повітрі.
Незважаючи на свою відносну консервативність, аеростатна техніка постійно вдосконалюється і знаходить повітряним кулям все нові й нові сфери застосування. Тому чимало сприяють і розробки вітчизняних конструкторів з повітроплавного центру "Авгур", фірм "Інтеравіа", ПК "Повітря", "Аеронатц", "Аероекологія", НВФ "Аерогіпнефо", "Урал-Джиком" та інших.
Див. у номері на ту саму тему
Вік: 13 років
Місце навчання: МБОУ ЗОШ с. Райманове
Місто, регіон: Місто Туймази, регіон 102, Республіка Башкортостан.
Керівник (Газізулліна Анджела Фанілівна, Школа с. Райманове.)
Історико-дослідницька робота Повітряні кулі: наука, спорт, туризм, розвага.
Я думаю про нього, про блакитне небо. Про чисте і світле, без жодної хмаринки. Я захоплююсь ним, мирним блакитним небом, від нього віє спокоєм і безтурботністю.
Я почала свою роботу з цих слів тому, що людину завжди тягнуло в небо. Навіть у давнину людина прагнула до нього, а тепер людина досягла своєї мети.
Ну, а повітряні кулі і стали першим шляхом у небо.
Актуальність Даної роботи полягає в тому, що практичні можливості повітряних куль уже давно знайшли дуже широке застосування у різних галузях. Наприклад, у туризмі, спорті та різних атракціонах, а також для військових цілей та наукових метеорологічних спостережень.
Мета роботи: Всебічно, в різних аспектах, розглянути застосування повітряної кулі, як найпростішого літального апарату, а також самим виготовити мініатюрну модель, що діє.
У цій роботі поставлено такі завдання:
1. Вивчити літературу на тему.
2. Вивчити особливості конструкції повітряної кулі.
3. Дослідити принцип польоту повітряної кулі.
У роботі використовувалися такі методи:
1. Ретроспективне вивчення літературних джерел.
2. Виконання найпростіших аеродинамічних розрахунків.
3. Виготовлення та дослідні запуски повітряної кулі в мініатюрі з подальшим доведенням та регулюванням.
Об'єктом дослідження стали повітряні кулі різних типів та конструкцій.
Предмет дослідження - Використання повітряних куль у різних галузях.
ГлаваI. Повітряна куля та повітроплавання
I.1. Історія розвитку повітряних куль
Польоти на повітряній кулі були яскраво описані Жюлем Верном у його фантастичних оповіданнях. Багато з його пропозицій стали буллю, увійшли в наше життя і перетворилися на звичайну реальність.
Повітряна куля, а точніше — аеростат, була першим літальним апаратом, який дозволив людині відірватися від землі. Принцип дії аеростату заснований на законі Архімеда, причому підйомна сила літального апарату створюється за рахунок різниці густин повітря та газу, що наповнює оболонку. Більш легкий і менш щільний газ прагне вгору область рівних щільностей, захоплюючи у себе весь літальний апарат.
Слово "аеростат" складено з грецьких слів "аеро" і "статос", що означає "повітря" і "нерухомий". Цей термін застосовується як офіційний науковий, технічний та професійний. У російській мові міцно вкоренилося словосполучення «повітряна куля», яке теж має право на існування. Однак назва «повітряна куля» належить і гумовій іграшці, нащадку древнього міхура, що наповнюється іноді звичайним повітрям, що не має підйомної сили. Тому щодо літального апарату найбільш прийнятним є слово «аеростат».
За технічним рішенням аеростати поділяються на два основні типи - газонаповнені та теплові.
Газонаповнені аеростати винайшов французький професор Жак-Олександр-Сезар Шарль. Перший безпілотний політ аеростат Шарля здійснив 28 серпня 1783 року. Перший пілотований вільний політ на газонаповненому аеростаті відбувся 1 грудня 1783 року, пілотами були професор Шарль і механік Робер. На честь винахідника газонаповнені аеростати якийсь час називали шарльєрами. Оболонка газонаповненого аеростату наповнювалася воднем, іноді - дешевшим метаном. Зараз для цього типу аеростатів застосовується гелій.
Інакше влаштований тепловий аеростат, винахідниками якого є французькі фабриканти брати Жозеф та Етьєн Монгольф'є. Ці аеростати на честь винахідників називають монгольф'єрами. У монгольф'єрів оболонка наповнена гарячим повітрям чи пароповітряною сумішшю. Для підтримки високої температури повітря всередині оболонки монгольф'єри оснащені пальниками, що найчастіше працюють на природному газі.
Захопившись природничими науками, брати Монгольф'є 5 червня 1783 підняли в небо перший безпілотний тепловий аеростат. 19 вересня того ж року ними було здійснено піднесення на монгольф'єрі тварин. На висоту близько півкілометра піднялися баран, качка та півень. Політ пройшов успішно, можливість безпечного перебування людини у небі було доведено. Першою людиною, яка здійснила політ на повітряній кулі, був Джин-Франкос. Це сталося 15 жовтня 1783 і стало початком ери повітроплавання.
Підготовка пілотованого польоту зажадала від братів Монгольф'є оснащення свого аеростата топкою. Поки йшли експерименти, Етьєн Монгольф'є та молодий фізик Пілатр де Розьє здійснювали підйоми на прив'язному монгольф'єрі. 21 листопада 1783 року відбувся перший вільний пілотований політ аеростату. На борту знаходилися Пілатр де Розьє та маркіз д'Арланд. Пілоти регулювали температуру повітря в оболонці, підкидаю солому в топку. Політ тривав близько двадцяти хвилин і пройшов благополучно. Таким чином, пріоритет у винаході пілотованої повітряної кулі належить братам Етьєну та Жозефу Монгольф'є.
Конструкція повітряної кулі мало змінилася з його винаходу до теперішнього часу. Повітряна куля майже завжди має сферичну чи грушоподібну форму. Оболонка повітряної кулі є величезним мішком з тканини, покритим каучуком, що забезпечує еластичність і його герметичність. До середини 19 століття повітряні кулі були керовані. Піднявшись у повітря, куля просто дрейфувала за вітром. Гаряче повітря остигало, просочувалося через оболонку, куля втрачала висоту. Регулювання висоти польоту здійснювалося скиданням баласту (мішки з піском), завантаженого перед початком польоту гондолу або випуском повітря через клапан. Були зроблені спроби влаштування регульованих вітрил, але це успіху не дало.
У період франко-прусського конфлікту 1870-71 рр. 65 повітряних куль було використано для перекидання пасажирів та вантажу з обложеного Парижа. У 1875 р. було зроблено спроби перетнути на повітряній кулі протоку Ла-Манш. Однак цей захід мав сумнівний успіх. Пілоти були змушені викинути з гондоли все обладнання, спорядження та навіть одяг. На початку 20 століття повітряний кулі стали використовуватиме наукових цілей щодо стратосфери, й у 1901 р. було здійснено перший висотний підйом.
I.2. Застосування повітряних куль
Сучасні аеростати - це повітряні кулі, які піднімаються нагору завдяки нагрітому повітрі. Їх оболонка виготовлена із синтетичного матеріалу зі спеціальним покриттям, яке забезпечує повітронепроникний ефект. Також аеростат укомплектований блоком пальників, які працюють на пропані та бутані. Окрім цього повітряна куля оснащена барометричними приладами, а також вентилятором для попереднього надходження в оболонку холодного повітря.
За весь час свого існування повітряні кулі застосовувалися і досі використовуються для різних військових та наукових цілей, для спорту, туризму та розваг.
- Прив'язні кулі для військових цілей поділяються на кріпаки та польові; ті та інші відрізняються лише розмірами і служать для огляду розташування своїх і ворожих військ, їх розташування та рухів. Іноді вони служать коригування стрільби артилерії. Такі аеростати забезпечуються телефонами, провідники яких у зв'язку зі штабами головних начальників. Прив'язні канати кріпляться до кулі за допомогою трапеції, як видно на кресленні, що обумовлює вертикальне положення кошика за будь-якого ухилу кулі і не допускає обертання кошика.
- Прив'язні кулі для метеорологічних і фотографічних цілей вводяться останнім часом у різних державах і є метеорологами високими пунктами для наукових спостережень. Ці кулі мають невелику ємність і піднімають одні записуючі метеорологічні інструменти.
- Прив'язні кулі для підйомів публіки останнім часом служать неодмінною приналежністю будь-якої великої виставки і робляться звичайно значного обсягу, щонайменше 8000 куб. м. Сьогодні балонінг - це унікальна і прибуткова галузь системи підприємств і унікальний метод атракції, що привертає увагу всіх без винятку. Катання на повітряних кулях – елітна розвага для заможних туристів. Так як ця справа зазвичай має чисто комерційну підкладку, то часто підприємці для здешевлення свого підприємства будують кулі з матеріалів не дуже високої якості, чому і піднімають публіку тільки в гарну погоду, побоюючись за цілість свого аеростата і особливо за дорогий газ (звичайно водень) . Майже всі виставкові аеростати закінчували тим, що рвалися. Ось чому не слід допускати експлуатацію виставкових куль довше шести місяців, вважаючи їх у наповненому вигляді. Куля, яка вислужила цей термін, вже не представляє гарантій безпеки.
- Світлові сигнальні кулі є невеликими шарльєрами, зробленими з прозорої легкої матерії. Така куля розраховується на підйом електричного двожильного кабелю та кількох ламп з розжарюванням. Внизу ставиться динамо-машина з двигуном або батарея з гальванічних елементів або електричних акумуляторів, призначених для живлення ламп; там же є спеціальний комутатор у роді телеграфного ключа Морзе для замикання та розмикання струму та подачі сигналів. Лампи підвішуються або всередині кулі, тоді вся куля світиться, або підвішуються під кулею. Іноді вогні ламп робляться різнобарвними. Висота підйому зазвичай не перевищує 200 м-коду.
- Пробні повітряні кулі - це невеликі кульки, не більше одного метра ємності, зазвичай з пролакованого паперу, що наповнюються газом. Служать визначення напряму вітру і пускаються перед польотом. Зазвичай робляться кольоровими та постачаються стрічками з паперу. Для метеорологічних цілей до такої кульки підв'язується чорна стрічка певної довжини з позначеними поперечними, значно розширеними кінцями. Знаючи довжину стрічки, судять про видалення аеростату, вимірюють в той же час кути, що складаються з горизонтом, допомогою теодоліту та напрямок по компасу, легко виводять напрямок та швидкість руху повітряних течій на різних висотах.
- Повітроплаванняяк спорт почало розвиватися наприкінці 19 століття. Конструкції повітряних куль удосконалювалися. Поступово стали встановлювати рекорди дальності та висоти польотів. Розвиток іншої літальної техніки залишило аеростати привілеєм спортсмена
ГлаваII.Конструкція повітряної куліII.1. Розрахунки мініатюрної моделі куліШироке поширення в побуті легких пластикових пакетів, газових запальничок і стеаринових свічок дозволяє сподіватися на можливість здійснення польоту повітряної кулі в домашніх умовах. Теоретично обґрунтувати таку можливість може навіть учень середньої освітньої школи, який почав вивчати умови плавання тіл з курсу фізики. Як зазначалося у першому розділі, принцип дії аеростату грунтується на законі Архімеда. Вимірювання показали, що питома підйомна сила µ гарячого повітря при 100 ° C становить 0,278 кг/м. Це означає, що за температури атмосфери 0 °C один кубічний метр повітря, нагрітого до 100 °C, здатний підняти вантаж масою 278 г.
Позначимо об'єм кулі V , щільність щодо холодного повітря кімнати P1 і нагрітого повітря в оболонці кулі P2. Сила Архімеда, що діє на кулю, дорівнює вазі витісненого кулею холодного повітря f 1 = P 1 gV, а сила тяжіння, що діє на нагріте повітря в кулі, дорівнює f 2 = P 2 gV. Тоді підйомна сила кулі становить
f=f 1 -f 2 =(P 1 -P 2)gV (1)
У нашому розпорядженні є тонкий поліетиленовий пакет розміром 30x40 см. Якщо такий пакет наповнити повітрям, то вийде тіло, яке приблизно можна замінити паралепіпедом з основою 15x15 см і висотою близько 40 см. Об'єм надутого пакета приблизно дорівнює 0,009 кубічних метрів, або 9 літрів. Згідно з табличними даними, щільність сухого повітря при нормальному тиску і температурі 20 °С становить 1,205 кг/м, а при 100 °С дорівнює 0,946 кг/м. Підставляючи ці значення у формулу (1), отримуємо, що підйомна сила проектованої повітряної кулі може досягти величини 2,28 10 Н. Це означає, що куля зможе підняти вантаж (вважаючи і його оболонку) масою 0,0233 кг ( 23 р.)
Перевірити виконаний розрахунок можна, якщо скористатися наведеним вище значенням питомої підйомної сили гарячого повітря: куля об'ємом 9 л, повітря в якому нагрітий до 100°С, зможе підняти вантаж масою m=µV=0,0255кг. Це непогано узгоджується з отриманим вище значенням, особливо якщо врахувати, що наш розрахунок проведений для перепаду температури не 100 ° С, а 80 ° С.
Отже, щоб повітряна куля полетіла вгору, сила тяжіння, що діє на оболонку кулі та інші її елементи, повинна бути меншою за силу Архімеда.
Монгольф'єр літає тому, що щільність нагрітого повітря всередині кулі менша, ніж холодного зовні.
Щоб зрозуміти, чому щільність повітря залежить від його температури, потрібно згадати газові закони.
Відповідно до закону Гей-Люссака об'єм V даної маси m газу при постійному тиску прямо пропорційний його абсолютної температури T:
Звідси випливає, що щільність газу P=m/V при незмінному тиску обернено пропорційна абсолютної температури: PТ = const. Тоді для двох різних значень температури T 1 і T 2 відношення відповідних густин P 1 і P 2 дорівнює:
P 1 /P 2 = T 2 /T 1 (3)
Зміну густини газу можна записати у вигляді:
∆P = P 1 -P 2 = P 1 (1-P 2 /P 1)
Враховуючи співвідношення (3), звідси отримуємо, що зміна щільності газу при нагріванні його від температури T 1 до T 2 = T 1 + ∆T становить
∆P = P 1 (1-T 1 /T 2) = P 1 *∆T/T 2 (4)
Тому повітря об'ємом V , нагрітий до температури Т 2 , при температурі навколишнього повітря Т 1 згідно із законом Архімеда (1) у стані підняти вантаж масою
m= ∆P*V = P 1 *∆T/T 2 *V (5)
Підстановка в останню формулу значень P 1 =1,205 кг/м, V = 0,009м 3 Т 2 =373 К та ∆T = 80 К дає значення m = 0,0233кг, яке цілком узгоджується з оцінками, отриманими вище.
Повітряна куля, на відміну, наприклад, від дирижабля, знизу відкрита. Це отвір абсолютно необхідно, інакше на великій висоті, де тиск зовнішнього повітря мало, внутрішній тиск розірве оболонку кулі.
У разі дирижабля підйомна сила Архімеда обумовлена, очевидно, різницею тисків на верхню і нижню поверхні. А за рахунок чого виникає підйомна сила повітряної кулі?
Неважко збагнути, що в повітряній кулі або аеростаті підйомна сила виникає за рахунок різниці тисків ззовні і зсередини на ті самі ділянки його оболонки. Поблизу нижнього отвору аеростату ця різниця тисків дорівнює нулю, так як внутрішній обсяг аеростату вільно повідомляється з атмосферою. У верхній частині оболонки зазначена різниця тисків досягає максимуму [додаток 1].
Повітряні кулі в туризмі та в розвагі,використовуються по-різному деякі для того, щоб побачити з неба різні архітектурні споруди, ну деякі щоб просто розважитися, щоб набратися емоцій.
Повітряні кулі це чудово.
Сайт Повітряні кулі
Повітряні кулі - це вироби з тонкого, спеціально обробленого латексу. При надування повітряної кульки повітрям, або гелієм стінки її розтягуються і стають дуже тонкими, тому з готовими виробами з кульок потрібно правильно поводитися.
Найчастіше ми використовуємо круглі кульки з гелієм або повітрям. Тому вони висять на стелі або лежать на підлозі. Відразу після надування, вони піддаються агресивному впливу довкілля. До факторів, на які вплинути дуже складно відносяться:
Сонячне світло, під його дією стінки кульки окислюються і руйнуються, що сильніше світить сонце, то швидше йде процес;
Висока температура навколишнього середовища, під її дією газ усередині кульки нагрівається, що призводить до активізації руху його молекул, внаслідок чого ці молекули швидше просочуються крізь стінки кульки в навколишнє середовище і кулька втрачає здатність літати;
Висока вологість негативно впливає на полімерний клей, нанесений на внутрішню поверхню кулі, він просто не висихає і не перешкоджає виходу гелію в навколишній простір;
Гроза, за такої погоди процеси окислення кульки багаторазово прискорюються.
До негативних факторів, на які можна вплинути, належать:
Підвісні стелі, які, говорячи російською мовою, виготовляються із спресованої скловати, на їх поверхні можуть залишатися гострі частинки, що руйнують кулю при зіткненні з ними;
Сильний вітер, при якому кулі труться одна об одну і в деяких випадках можуть луснути;
Пил, що піднімається вітром з найближчого будівництва, дороги, або пісочниці діє на кульку як наждачний папір, протираючи його;
Контакт із будь-якими гострими та гарячими предметами;
Транспортування куль у запиленому багажному відділенні.
При експлуатації кульок необхідно враховувати ці фактори, а отже:
- Уникати прямого сонячного світла, що потрапляє на кулі.
- Не використовувати кулі в спекотну погоду або жарких приміщеннях.
- Для забезпечення максимального часу польоту не використовувати кулі у приміщеннях з підвищеною вологістю.
- У шторм, грозу та при сильних поривах вітру не виносити кулі надвір.
- Транспортувати та переносити кулі акуратно.
Крім круглих куль, існують і різні композиції із кульок. У професійному виконанні вони робляться без використання клею. Це дозволяє надати фігурам додаткову міцність і використовувати їх не лише як прикрасу, а й як іграшку для дітей. На такі вироби впливають ті самі чинники, що й круглі кулі. Але, при їх використанні як іграшка можна зіткнутися з низкою проблем:
При експлуатації таких іграшок вони можуть луснути, налякавши дорослих або дітей, втративши товарний вигляд, або просто зіпсуючись;
У разі вибуху кульки розлітаються на дрібні шматочки, що може призвести до травми як дитини, так і дорослої;
На виробах з куль можуть бути нанесені написи або малюнки, зроблені перманентними маркерами, які можуть пофарбувати руки, обличчя або одяг;
Деякі елементи, виготовлені з кульок дуже дрібні, дитина може відірвати їх від виробу і проковтнути.
Виходить, що не тільки навколишнє середовище може впливати негативно впливати на кульки, призводячи до втрати їх товарного вигляду, скорочуючи час польоту, а й самі кульки вимагають можуть негативно вплинути на людину, яка ці кулі використовує. При замовленні повітряних куль необхідно враховувати це.
