Штурм неба

5. НЕОДУШЕВЛЁННЫЕ ИССЛЕДОВАТЕЛИ

Чтобы изучить те слои атмосферы, которые пока ещё недоступны для непосредственного наблюдения, учёные посылают в эти слои аппараты, снабжённые автоматически записывающими или передающими приборами. Эти неодушевлённые исследователи достигают больших высот.

Кроме риска для исследователей, подъём на большие высоты связан с большими материальными затратами. Поэтому часто бывает целесообразно посылать таких неодушевлённых исследователей для сбора сведений о состоянии атмосферы и на высоты, доступные самолётам и аэростатам.

Первый беспилотный аппарат для подъёма приборов в атмосферу был предложен в 1754 году М. В. Ломоносовым. Этот аппарат описывается в протоколе Конференции Академии наук от 1 июля 1754 года: «Советник Ломоносов показал машину, названную им аэродромной, выдуманную им и имеющую назначением при помощи крыльев, приводимых в движение горизонтально в разные стороны заведённой часовой пружиной, сжимать воздух и подниматься в верхние слои атмосферы для того, чтобы можно было исследовать состояние верхнего воздуха метеорологическими приборами, прикреплёнными к этой аэродромной машине. Машина была подвешена на верёвке, перевешенной через два блока, и грузами, подвешенными к другому концу канатика, поддерживалась в равновесии. При заведённой пружине она быстро поднималась вверх и таким образом обещала желаемое действие».

В отчете за 1754 год Ломоносов писал: «Делан опыт машины, которая бы поднимаясь кверху сама, могла поднять с собой маленький термометр, дабы узнать градус теплоты на вышине, которая слишком на два золотника облегчалась, однако, к желаемому концу не приведена».

Ломоносову не удалось закончить работу по созданию беспилотного аппарата для исследования атмосферы. Но то, что не успел сделать великий учёный, сделали его последователи. Несмотря на тяжёлые условия жизни в царской России, русские учёные разработали основные методы беспилотных исследований атмосферы и сделали важный вклад в науку об атмосфере. Для подъёма приборов в воздух стали применяться воздушные змеи, шары-зонды и ракеты.

Воздушный змей. Воздушные змеи начали использоваться для исследования атмосферы ещё в XVIII веке. Они применялись тогда для исследования атмосферного электричества.

Воздушный змей поднимается в воздух по той же причине, что и самолёт. Змей располагается в воздухе так, что воздушный поток, обтекая его, создаёт повышенное давление на его нижнюю поверхность и разрежение над верхней. Благодаря разности давлений возникает сила, поднимающая змей вверх. Разница по сравнению с самолётом состоит только в причинах, вызывающих воздушный поток. Самолёт перемещается относительно воздуха с помощью двигателя и может лететь в любом направлении независимо от ветра, обтекание же воздухом змея происходит обычно за счёт ветра. Змей держится на стальном тросе или шнуре и потому при ветре не перемещается вместе с воздухом. В безветреную погоду змей может подняться в воздух только в том случае, если конец троса, к которому привязан змей, перемещать вдоль поверхности Земли со значительной скоростью и тем создавать встречный его полёту поток воздуха.

Воздушный змей, поднимающий в воздух приборы, строят не из дощечек и бумаги, а из лёгкого металла или дерева и шёлковой материи, и не плоский, а коробчатый (рис. 11).

Рис. 11. Различные формы змеев, использующихся для подъёма приборов.

Высота подъёма воздушного змея ограничена. С увеличением высоты, при неизменном встречном потоке воздуха, подъёмная сила змея уменьшается, так как уменьшается плотность воздуха. Кроме того, чем больше высота, тем больше вес троса, на котором удерживается змей. Поэтому змей обычно достигает высоты 4–5 километров и лишь в очень редких случаях поднимается до высоты больше 9 километров.

Воздушные змеи широко применялись лет 50 назад в качестве разведчиков атмосферы. Много подъёмов воздушных змеев было сделано основателем русской аэрологии В. В. Кузнецовым. Эти подъёмы производились с 1897 года в Павловском парке (Петербург), где располагалось отделение Главной геофизической обсерватории. Сначала они велись нерегулярно, но в 1903 году при Павловской обсерватории было организовано специальное «змейковое» отделение, систематически изучавшее атмосферу с помощью воздушных змеев. В. В. Кузнецов лично конструировал змеи и самопишущие приборы, которые использовались при этих исследованиях.

Подъёмы приборов с помощью воздушных змеев позволили накопить сведения об изменениях в состоянии атмосферы до высоты 4–5 километров. Но с развитием электрификации и воздушных сообщений применять змеи стало опасно. Стальной трос змея, не замеченный пилотом самолёта, может привести к катастрофе. Обрыв троса может вызвать аварию на высоковольтных линиях электропередач. Этих препятствий нет только в таких малонаселённых районах, как Арктика — там змей может ещё применяться.

Шар-зонд и радиозонд. Мы уже говорили, что для подъёма аэростата или стратостата с исследователями и приборами необходима очень большая оболочка. Но для подъёма одних приборов требуются оболочки значительно меньших размеров. Чаще всего для этого употребляются оболочки с объёмом около 2–4 кубических метров у поверхности Земли. Резиновая оболочка наполняется водородом, к ней подвешивается коробочка с приборами. Получается маленький аэростатик. Такой аппарат и отправляют в атмосферу для её исследования. Его называют шар-зонд. «Зондировать» — значит исследовать, разведывать.

Предложение исследовать атмосферу с помощью таких шаров-зондов, снабжённых самозаписывающими приборами, впервые высказал Д. И. Менделеев.

При подъёме шара-зонда с увеличением высоты давление окружающей среды падает, газ растягивает оболочку изнутри и на некоторой высоте разрывает её. Приборы опускаются на Землю. При этом разорвавшаяся оболочка заменяет парашют и не даёт приборам разбиться. Приборы снабжаются запиской с адресом станции, пославшей шар-зонд. Нашедший приборы возвращает их по этому адресу.

Шары-зонды начали применяться с конца XIX столетия. В 1904 году с помощью шаров-зондов были исследованы нижние слои стратосферы. Основной особенностью этих слоёв является постоянство температуры: и на высоте 20 километров, и на высоте 30 километров она одинакова и равна приблизительно минус 55°. В стратосфере всегда хорошая погода, облаков и осадков почти не бывает, плотность воздуха мала. Эти условия весьма удобны для полётов.

Аэролог В. В. Кузнецов за время с 1905 по 1914 год выпустил в Кучино под Москвой 60 шаров-зондов. Наибольшая высота их подъёма была 19 километров. Эти опыты позволили В. В. Кузнецову установить характер изменения температуры в атмосфере по месяцам до высоты 12 километров. В то время, как у поверхности Земли в районе Москвы среднемесячная температура в течение года изменялась от -5 до + 15° Цельсия, на высоте 11–12 километров температура изменялась от —50 до —60° Цельсия. На высоту более 12 километров шары-зонды поднимались редко, поэтому проследить за изменением температуры на этих высотах В. В. Кузнецов не смог.

В 1918–1920 годах советский исследователь В. А. Ханевский, используя данные, полученные при шаро-зондовых и шаро-пилотных подъёмах, установил скорость и направление ветра, а также влажность воздуха до высоты в 20 километров.

В начале 30-х годов зондирование атмосферы в Москве было организовано советским метеорологом профессором В. И. Виткевичем. Шары-зонды дали сведения о распределении давления и температуры на больших высотах. Одиночные шары-зонды поднимались на высоту несколько больше 40 километров.

Однако шар-зонд обладает крупным недостатком — он далеко уносит приборы. Не всегда их удаётся найти, а иногда приборы попадают в водоёмы или под дождь, и тогда записи измерений оказываются испорченными. Там, где населённых пунктов мало, выпускать шары вообще не имеет смысла, так как приборы будут возвращаться крайне редко.

Но даже и в том случае, когда прибор найден и возвращён на место выпуска, проходит очень много времени, прежде чем его записи будут обработаны и станет известно, как же изменялись давление, температура и влажность по высоте во время подъёма шара-зонда.

Между тем, в работе Службы погоды необходимо получать эти сведения как можно быстрее — лучше всего непосредственно во время полёта. Ясно, что шары-зонды не могли удовлетворить этим требованиям.

Чтобы получать показания приборов во время самого полёта, был создан новый прибор, получивший название радиозонда (рис. 12).

Рис. 12. Радиозонд в полете.

Радиозонд автоматически с помощью маленького радиопередатчика посылает условные сигналы о величине давления, температуры и влажности на Землю. Идея этого замечательного неодушевлённого исследователя атмосферы принадлежит советскому учёному профессору П. А. Молчанову.

Первый в мире радиозонд, построенный под его руководством, был выпущен в Павловске, около Ленинграда, 30 января 1930 года. Он достиг высоты 9 километров. Этот полет доказал, что автоматическая передача метеоданных на Землю с помощью радиопередатчика возможна. В 1931 году была организована экспедиция в село Полярное, недалеко от Мурманска, для исследования верхних слоёв атмосферы в Арктике. Эта экспедиция дала первые сведения о состоянии атмосферы во время полярной ночи.

В том же году радиозонды выпускались П. А. Молчановым в Арктике с дирижабля[3]. Эти исследования показали, что в полярных районах среднегодовая нижняя граница стратосферы лежит на высоте около 10 километров; зимой она снижается до высоты в 8–9 километров.

В наши дни организовано систематическое радиозондирование атмосферы. Аэрологические станции два раза в день в одни и те же сроки выпускают в воздух радиозонды. Сведения о температуре, давлении и влажности верхних слоёв, полученные по радио, аэрологические станции сообщают в Центральный институт прогнозов, где составляются очередные прогнозы погоды.

Первые радиозонды П. А. Молчанова достигали высоты 8—10 километров, в 1934 году эта высота увеличилась до 25 километров. Сейчас наибольшая высота подъёма радиозонда составляет 36,5 километра. Это достигнуто в результате совершенствования радиозонда — уменьшения веса приборов и улучшения качества оболочки.

Высота подъёма радиозонда и шара-зонда ограничена главным образом качеством оболочки. Сначала делали матерчатую оболочку. Так как при подъёме вверх объём такой оболочки не изменяется, а плотность окружающего воздуха уменьшается, то уменьшается и подъёмная сила шара. Когда шар достигал высоты, где его подъёмная сила приближалась к нулю, он, плавая в атмосфере, удалялся на большие расстояния от места выпуска.

Чтобы шар поднимался выше и не улетал далеко, матерчатую оболочку заменили резиновой. При подъёме шара давление окружающего воздуха уменьшается, и благодаря этому водород, содержащийся в оболочке, увеличивается в объёме и растягивает её. Но растяжению резины тоже есть предел. На некоторой высоте резина разрывается, и приборы возвращаются на Землю.

Чем лучше качество резины, тем выше может подняться шар. При подъёме шара на высоту до 30 километров объём оболочки увеличивается почти в 90 раз. При этом толщина стенки оболочки уменьшается примерно в 17 раз. При подъёме от 30 до 40 километров объём шара должен увеличиваться ещё почти в два раза.

Совершенно очевидно, что даже для достижения высоты 40 километров оболочка должна быть сделана из резины очень высокого качества.

Ракета. Мы уже знаем, что самолёт не может летать без воздуха. Воздух необходим и для полёта аэростата и шара-зонда.

Ракета же не нуждается в воздухе. Больше того, атмосферный воздух только мешает её полёту, создавая сопротивление её перемещению и несколько ухудшая работу двигателя.

Внешний вид ракеты показан на рисунке 13.

Рис. 13. Внешний вид ракеты.

В камеру сгорания (рис. 14) подаётся горючее (например, керосин) и окислитель (например, азотная кислота).

При горении образуются газы, которые вытекают из камеры через отверстие в её задней стенке.

На рисунке 14, а стрелками изображено распределение давления по поверхности камеры сгорания при работе двигателя у поверхности земли.

Рис. 14. Схема показывает, как возникает сила тяги в ракетном двигателе.

Силы, приложенные к боковым поверхностям и уравновешивающие друг друга, на рисунке не показаны. Сила давления газов на переднюю стенку камеры больше, чем на заднюю, так как площадь задней стенки меньше на величину отверстия; результирующая сила будет направлена в сторону передней стенки.

Тяга всегда направлена в сторону, противоположную направлению вытекающих из камеры сгорания газов. Когда газы выбрасываются в сторону Земли, тяга направлена вверх.

Величина тяги зависит от давления газов в камере и от площади выходного отверстия. Чем больше давление газов и площадь выходного отверстия, тем больше тяга двигателя. Чтобы ракета могла лететь вверх, необходимо, чтобы сила тяги превышала вес ракеты.

Представим теперь, что двигатель работает на такой высоте, где нет воздуха, а значит, нет и внешнего давления. Давление на внутренней поверхности камеры распределится так же, как и в первом случае (рис. 14, б). Исчезновение внешних сил давления приведёт к увеличению результирующей силы, направленной вперёд, хотя процесс горения в камере и распределение давления внутри неё совершенно не изменились. Таким образом, при отсутствии атмосферы ракетный двигатель развивает большую тягу, чем при наличии её. Это ценное свойство ракетного двигателя позволяет использовать его для исследования очень высоких слоёв атмосферы.

Ракетный двигатель работает и в атмосфере и в безвоздушном пространстве. Это не значит, что ракета может достигнуть любой высоты. Наибольшая высота подъёма ракеты зависит от совершенства двигателя и самой ракеты, а также от вида применяющегося топлива.

Ещё в 1903 году знаменитый русский учёный К. Э. Циолковский опубликовал работу «Исследование мировых пространств реактивными приборами». В этой работе Циолковский предложил применить для реактивного двигателя жидкое топливо как наиболее удобное для высотных полётов и дал первую схему ракеты с жидкостно-реактивным двигателем.

«В качестве исследователя атмосферы, — писал Циолковский, — предлагаю реактивный прибор, то-есть род ракеты, но ракеты грандиозной и особенным образом устроенной…».

В 1947 году ракета с жидкостно-реактивным двигателем достигла высоты 187 километров.

Ещё большей высоты подъёма можно достичь с помощью «ракетного поезда» — составной ракеты. В работе «Космические ракетные поезда» в 1929 году Циолковский описал устройство предлагаемой им составной ракеты и подсчитал возможную высоту её подъёма.

Составная ракета представляет собой несколько отдельных ракет, соединённых одна с другой подобно вагонам поезда. Ракеты работают последовательно одна за другой. Ракета, использовавшая своё топливо, отсоединяется от поезда и падает на Землю. Составная ракета в полёте показана на рисунке 15.

Рис. 15. Ракетный поезд в полёте.

Составные ракеты уже используются для аэрологических наблюдений. В 1949 году был запущен ракетный поезд из двух ракет, из которых нижняя достигла высоты около 32 километров, затем отделилась от верхней и упала на Землю, а верхняя достигла высоты 400 километров.

Скорость перемещения ракеты в полёте определяется с помощью радиолокатора. Направление её движения поддерживается автопилотом. Если из-за порыва ветра или из-за неравномерности в работе двигателя она начнёт отклоняться от заданного курса, автопилот, воздействуя на рули, заставит её следовать по заданному курсу.

В метеорологической ракете полезный груз состоит из приборов для измерения температуры, давления и влажности воздуха, приспособления для взятия проб воздуха, фотокамеры для фотографирования Земли, приборов для исследования солнечного излучения и многих других.

Измерить температуру во время ракетного полёта значительно сложнее, чем у поверхности Земли. Обычный термометр, помещённый снаружи ракеты, будет показывать повышенную температуру, так как при полёте воздух перед ракетой сжимается и вследствие этого нагревается, нагретым будет и поток воздуха, обтекающий её. Кроме того, на термометр могут попасть лучи Солнца. Поэтому для измерения температуры во время ракетного полёта созданы специальные термометры. Принцип действия одного из них основан на том, что скорость распространения звука в воздухе изменяется с температурой. Прибор, измеряющий скорость распространения звука, позволяет определить температуру воздуха без всех тех погрешностей, которые сопровождают измерение температуры обычным термометром.

Во время полёта ракеты приборы автоматически делают измерения, которые могут передаваться по радио на Землю. Но передать можно далеко не всё. На высоте взята проба воздуха и её надо доставить в лабораторию. Чтобы при обратном спуске приборы не повредились, та часть ракеты, где они размещены, спускается на парашюте. Это может быть обычный шёлковый парашют в виде зонта или парашют в виде вращающихся лопастей. Встречный поток воздуха заставляет лопасти вращаться, при этом возникает подъёмная сила, замедляющая падение.

Итак, ракета поднимается выше всех других летательных аппаратов. Какие же новые сведения об атмосфере помог получить человеку этот неодушевлённый исследователь?

Учёные и до применения ракет предполагали, что температура в стратосфере сохраняется примерно неизменной только до некоторой высоты, а затем начинает повышаться. Исследовательские полёты ракет подтвердили это предположение. Оказалось, что после высоты в 30–35 километров, где воздух охлаждён примерно до —55°, наблюдается повышение температуры, — на высоте 50–60 километров она достигает около +75° Цельсия. В более высоких слоях температура снова понижается и на высоте около 80 километров равна около —50°.

На высоте больше 100 километров температура воздуха снова возрастает и на высоте 250–300 километров она доходит до +500–600 градусов Цельсия.

Ракеты позволили собрать ценные сведения и о составе атмосферы. Долгое время учёные считали, что химический состав воздуха должен изменяться с высотой; предполагалось, что самый тяжёлый газ воздуха — кислород — должен убывать с высотой быстрее всего, более лёгкий — азот — несколько медленнее, а содержание водорода, который у поверхности Земли имеется в виде ничтожной примеси, должно непрерывно возрастать. Сейчас окончательно доказано, что состав воздуха практически не меняется с высотой.

Лишь в слабой степени выше 20–30 км намечается относительное уменьшение кислорода сравнительно с азотом и заметное убывание тяжёлых газов — аргона и углекислоты.