Илья Усыскин – прерванный полет

"Безумству храбрых поем мы славу!

Безумство храбрых - вот мудрость жизни!

Воздухоплавание – летание на аппаратах легче воздуха (в отличие от aвиации). До начала 20-х годов XX века термин «воздухоплавание» обозначал передвижение по воздуху вообще. Зарождение научных основ воздухоплавания и первые попытки подняться в воздух, используя законы аэростатики, относятся к 18 веку. Как свидетельствует летопись, в России попытка подъёма на большом шаре, наполненном дымом, относится к 1731году.

С изобретением воздушного шара показалось, что большего не стоит и желать. Ведь вековая мечта человека осуществилась, — он хоть и не обрел крылья, но получил возможность часами парить в небе как птица. Обобщенное впечатление первых воздухоплавателей гласило: «Ничто не сравнимо с блаженством ухода от земли». Усовершенствованные аэростаты были послушны воле человека, повинуясь его приказу, они, то набирали высоту, то опускались на землю.

Однако довольно-таки скоро исследователи обратили внимание на одну деталь, которая сводила на нет всю прелесть полета на воздушном шаре, — он был целиком подвластен воле ветра. И если человек научился преодолевать земное притяжение, то он никак не мог повлиять на силы небесные. Сменил во время полета ветер свое направление, и шар вместо Парижа мог оказаться в Лондоне. Такая «точность» доставки груза не могла удовлетворить ни заказчика, ни самого воздухоплавателя.

Тема воздухоплавания заинтересовала меня после прочтения газетной статьи, в которой рассказывалось о подвиге моего земляка - физика И. Д. Усыскина.

Имя Ильи Давыдовича Усыскина известно далеко за пределами нашей Родины и его имя носит одна из улиц районного центра, поселка Большое село Ярославской области.

Мне захотелось узнать о его жизни и подвиге более подробно, поэтому в своей работе я постарался проследить историю развития воздухоплавания, познакомиться с различными модификациями аэростатов, с вкладом И. Д. Усыскина в развитие воздухоплавания в России.

Во всемирной истории воздухоплавания наряду с выдающимися достижениями есть и немало печальных страниц. Стремление человека подняться в воздух и даже прорваться в космос всегда было сопряжено с огромным риском. В книге И. А. Муромова рассказывается о тех авиакатастрофах, что сильнее всего потрясли человечество в конце XIX — начале XXI века: от крушения аэростата «Зенит» до гибели шаттла «Колумбия». Здесь же можно прочесть о гибели вохздушного «Титаника»: 76лет назад, установив рекорд высоты, разбился аэростат "Осоавиахим-1".

30 января 1934 года стратостат "Осоавиахим-1", на борту которого находились Павел Федосеенко, Андрей Васенко и Илья Усыскин, поднялся на высоту 22 тысячи метров. При спуске экипаж погиб.

Жизнь – как звезда

В январский день 1934 года земля услышала голос человека: «Земля – Сириус! Говорит «Осоавиахим – 1».

Внутри стальной скорлупы гондолы три человека заняты напряженной работой. Их цель: проникнуть в стратосферу, приподнять завесу над еще неразгаданными силами природы.

Экипаж стратостата "Осоавиахим-1":

Павел Федорович Федосеенко, пилот 1. 05. 1898 – 30. 01. 1934г.

Андрей Богданович Васенко, конструктор оболочки и такелажа 28. 12. 1899 – 30. 01. 1934г.

Илья Давыдович Усыскин, научный сотрудник Ленинградского физико-технического института 13. 11. 1910 – 30. 01. 1934г.

Илья Усыскин родился 13 ноября 1910 года с. Большое село Ярославской губернии, в семье Давыда Анатольевича Усыскина. Отец – революционер, член РСДРП с 1898 года после трехгодичной ссылки в Сибири, вместе с женой Любовью Ильиничной, поселился в с. Большом и работал кузнецом. Илюша был четвертым ребенком в семье, всего было пять братьев и сестер. Читать он научился у матери к пяти годам и никогда не расставался с книгой.

В 1915 году семья переезжает в город Белёв Тульской губернии. В Белёве мальчик, обладающий очень хорошими способностями к рисованию, целыми днями проводит в художественной студии, открывшейся для детей после революции.

В 1922 году его решили послать на учебу в Москву, но в Москву он не поехал. Семья переехала в Пензу. Здесь он поступил в пензенскую трудовую школу № 1 имени Белинского, увлекся радиоделом, в связи с этим математикой и физикой. Большие способности проявлял в изучении иностранных языков. Уже в школе он настолько хорошо знал немецкий язык, что читал в подлиннике Гёте.

В 1923 году семья Усыскиных жила в селе Милятино, там в то время организовался пионерский отряд, в который– Илья, брат и сестра Соня – вступили.

В 1926 году окончил школу и в следующем году поступил на электротехнический факультет МВТУ имени Баумана.

В 1928 году, мечтая о научной работе, переводится в Ленинградский политехнический институт. За время учебы в институте овладел английским языком, позднее изучил итальянский.

В 1931 году окончил институт по отделению физики, был оставлен в аспирантуре, одновременно стал работать в физико-техническом институте. Аспирантуру закончил досрочно и стал научным сотрудником Ленинградского физико-технического института.

О подвиге, совершенном Ильей Усыскиным во имя науки, знают многие. А вот каким был Илья в детские годы, о чем мечтал, чем жил – из литературных источников известно не очень много. Из письма брата Ильи Усыскина, Евгения, которое он написал краеведам Большесельской средней школы в январе 1966 года известно о семье, в которой росли, а основная часть его рассказа посвящена Илье.

«Нас в семье было пятеро братьев и сестер. Все мы родились в разных местах России, так как из-за преследований полицией наши родители часто меняли места жительства. Илья родился в Большом селе, где отец работал кузнецом, 13 ноября 1910 года. Как рассказывали родители (сам я не мог понимать, так как был на два года моложе Ильи), Илья рос очень спокойным и вдумчивым ребенком, был всеобщим любимцем.

Сколько себя помню, примерно с 1917 года, Илья был всегда очень организованным и необычайно способным. Характерной его особенностью было умение доводить до конца любое начатое дело – строил ли он игрушки, или занимался уроками, или уже позже занимался конструированием радиоприемников. Он очень хорошо умел распределять свое время».

Лет с десяти Илья составлял расписание занятий на день, в котором точно было указано время занятий, отдыха, дополнительного чтения, занятий спортом. Такая организованность в сочетании с усидчивостью, упорством в достижении цели и выдающиеся природные способности способствовали тому, что Илья всегда был впереди своих товарищей по школе и закончил ее на год раньше сверстников.

Илья рано проявил любовь и способность к рисованию и в 10 лет очень хорошо писал маслом этюды. К сожалению, все его картины во время войны пропали. Остались только портреты ученых, которые он рисовал для физического кабинета школы №1 имени В. Г. Белинского в Пензе, где в то время учился.

В комсомол Илья вступил в школе в 1925 году и был очень активным комсомольцем. Он организовал в школе шахматный кружок, участвовал в работе стрелковой секции и брал первые призы на городских соревнованиях, занимался в художественном и радиокружках. Первый свой радиоприемник Илья сделал еще в 1924 году, на самой заре радиолюбительства. С этого началось его увлечение физикой и математикой, которым он посвятил свою жизнь.

Понимая, что серьезно заниматься наукой можно только хорошо зная иностранные языки, он и за их изучение взялся по серьезному. Годам к 16 он изучил немецкий и английский языки настолько, что хорошо читал в подлинниках Гете и Шекспира. Уже в институте он неплохо изучил французский и итальянский языки и мог разбираться в шведском.

К 16 годам Илья окончил школу и поступил в Ленинградский политехнический институт. Там он быстро обратил на себя внимание и уже со второго курса его привлек к научной работе знаменитый академик Иоффе, руководитель советских физиков. Учась на четвертом курсе, Илья уже преподавал на младших курсах, а после окончания института занялся проблемой атомного ядра вместе с Курчатовым, Арцимовичем, Алихановым и другими ныне известными академиками.

Но тогда еще не было установок для изучения атомных частиц. И изучать их можно было в частности на космических лучах. А для этого нужно было высоко подняться над атмосферой, так как она отражает поток космических лучей.

В 1931-1932 годах в СССР начали строить стратостат для научных наблюдений. Строили его в Ленинграде и Илья был одним из инициаторов создания стратостата. Он познакомился с главным конструктором стратостата – Андреем Богдановичем Васенко, вместе с которым они обсуждали какой научной аппаратурой оборудовать стратостат.

Илья совмещал научную работу с деятельностью секретаря комитета комсомола физико-технического научно-исследовательского института, преподаванием в политехническом институте и руководством лабораторией космических лучей, а также вел ряд других работ. На все у него хватало времени, так как был он исключительно организованным человеком.

К 1933 году он написал уже несколько научных работ, которые принесли ему известность. Поэтому, когда в октябре 1933 года состоялось торжественное празднование 15-летия комсомола, Илья, как лучший молодой ученый, был приглашен в президиум юбилейного пленума ЦК ВЛКСМ, о нем были написаны статьи в «Комсомольской правде» и в журнале «Молодая гвардия».

Весной 1933 года было решено отправить в стратосферу стратостат «Осоавиахим». Для исследования космических лучей Илья Усыскин сконструировал прибор на основе камеры Вильсона и готовился к полету. Несмотря на запрещение руководства института, настойчиво доказывал необходимость самому исследовать космические лучи.

Экипаж стратостата «Осоавиахим» состоял из пилота Федосеенко, конструктора Васенко и научного сотрудника Усыскина.

Полет на стратостате состоялся 30 января 1934 года. Он был посвящен 17 съезду партии.

Стратонавтам удалось подняться на высоту 22 тысячи метров. Были проведены серьезные научные исследования. В 16 часов 5 минут начался спуск стратостата, в 16. 21 гондола стратостата упала на землю и экипаж погиб.

Вот такая короткая, но яркая жизнь была у нашего земляка. Всего 24 года жизни было отпущено ему, но и за эти годы он оставил на земле заметный, неизгладимый след. Его жизнь, как звезда, и может стать примером для многих мальчишек.

Физические основы воздухоплавания

С давних времен люди мечтали о возможности летать над облаками, плавать в воздушном океане, как они плавали по морю. Для воздухоплавания вначале использовали воздушные шары.

Для того чтобы шар поднялся в воздух, необходимо, чтобы архимедова сила была больше силы тяжести, то есть

Fа >Fтяж.

Поэтому шар наполняли теплым воздухом или газом, плотность которого меньше плотности воздуха (водород, гелий).

Чтобы подняться выше, с шара сбрасывают балласт (специально взятый груз) и этим облегчают его. Для спуска шара из его оболочки при помощи специального клапана выпускают часть газа. При помощи газовой горелки, находящейся в нижней части теплового аэростата можно регулировать температуру воздуха в нем, а значит, его плотность и выталкивающую силу.

В романе Жюль Верна «Пять недель на воздушном шаре» предлагается способ оценить приблизительные размеры шара. «Аэростат, уносимый смерчем, вертелся в бешеном вихре, словно маленький шарик. Непрестанно крутясь в воздушном водовороте, он несся вперед со скоростью девяноста миль в час.

Под нижней частью шара качалась корзина с пятью пассажирами, едва видимыми в густых, пропитанных водяной пылью облаках, нависших над самым океаном». «После самого тщательного подсчета Фергюссон пришел к заключению, что воздушный шар со всем, что он содержит, должен весить четыре тысячи английских фунтов. Вслед за этим надо было вычислить необходимую при этом подъемную силу и, исходя из нее, определить емкость шара. Масса весом четыре тысячи фунтов вытесняет сорок четыре тысячи восемьсот сорок семь кубических футов воздуха; другими словами, сорок четыре тысячи восемьсот сорок семь кубических футов воздуха весят примерно четыре тысячи фунтов».

Вычислим массу воздушного шара со всем тем, на что он был рассчитан.

Оболочка шара – 300 кг, корзина, сеть – 120 кг, оружие, провиант – 200 кг, балласт – 100 кг, 6 человек – 480 кг, масса водорода – 90 кг (для наполнения воздушного шара в то время использовали водород, ρ = 0,09 кг/м3).

Итого приблизительно: 1300 кг.

Вычислим объем воздуха, вытесняемый массой 1300 кг.

V = m / ρ;

V = 1300 кг : 1,2 кг/м3 = 1083 м3

Обычно шар наполняют на две трети, так как по мере того как шар будет подниматься в менее плотные слои атмосферы, газ, заключенный в оболочке, станет расширяться, и может разорвать ее.

1083:3*2= 722 м3

Значит, объем шара будет равен: 1083 + 722 = 1805 м3

Чтобы вычислить высоту шара воспользуемся формулой:

r = 7,7 м, а высота шара – 15 метров.

Чтобы проверить полученные результаты обратимся к исторической справке.

История воздухоплавания

Монгольфьеры

Монгольфьер (фр. Montgolfière) — аэростат с оболочкой, наполненной горячим воздухом. Название получил по фамилии изобретателей братьев Монгольфье.

В 1782 году Братья Жан-Этьенн и Жозеф-Мишель Монгольфье, увлекавшиеся вопросами динамического воздухоплавания, а также пытавшиеся экспериментировать с оболочками, наполняемыми водородом, знакомые с этим открытием, пришли к выводу, что причиной подъема облаков является их электризация. С целью получения газа, обладающего электрическими свойствами, они начали сжигать мокрую солому и шерсть. Этот материал они использовали по аналогии с процессами, происходящими в электрографе, а воду добавляли для получения пара, схожего с составом облаков. Свои шары (вначале они были прямоугольных форм и только затем сферические) они называли аэростатическими машинами. Один из таких шаров, диаметром 3,5 метра, масса всей конструкции составила 785 кг. был показан родным и знакомым. Шар, поднявшись на высоту 300 метров, продержался в воздухе около 10 минут. После этого братья Монгольфье построили оболочку диаметром более 10 метров, она была сделана из холста, в верхней части изнутри оклеена бумагой и усилена веревочной лентой. Демонстрация этого шара состоялась на базарной площади в городе Анноне 5 июня 1783 года. Был составлен протокол, который отразил все подробности полета. Шар поднялся на высоту до 500 метров и продержался в воздухе около 10 минут, пролетев при этом 2 километра.

Монгольфьеры использовали и для научных целей

В 1804 г. известный химик академик Я. Д. Захаров и бельгийский физик и воздухоплаватель Э. Робертсон, поднявшись в гондоле аэростата, наполненного водородом, на высоту 2550 м и пролетев расстояние более 60 км за 3 ч 45 мин, провели ряд исследований. Они обнаружили, что ветер внизу и ветер вверху могут не совпадать по направлениям, что температура воздуха падает с ростом высоты. Они определяли изменение видимости некоторых предметов на поверхности Земли, оценивали восприятие слухом звуковых колебаний на больших высотах при помощи колокольчика. Оказалось также, что если крикнуть в рупор вниз, то отразившийся от земли звук возвращается и колеблет аэростат. Так что, зная скорость звука и измеряя время между его подачей и возвращением, можно было определять высоту полета.

Интересно, что профессионально занимался воздухоплаванием Дмитрий Иванович Менделеев. Изучая свойства газов при разных давлениях, он, в частности, установил, что закон Бойля – Мариотта абсолютно справедлив лишь в относительно узком диапазоне давлений. Это привело Менделеева к совершенствованию барометра и созданию на его основе высотометра. А 7 августа 1887 г. во время полного солнечного затмения 53-летний профессор один поднимается на воздушном шаре для наблюдения за короной Солнца. Впоследствии в статье «Воздушный полет из Клина во время затмения» Менделеев писал: «Кругом аэростата была масса народу, кто-то кричал «бис», и я подумал: хорошо бы в самом деле повторять и повторять это торжество науки, хорошо потому, что есть масса чрезвычайно интересных задач, которые можно разрешить только при поднятии на аэростатах».

Как же устроен современный монгольфьер?

Его оболочка имеет в верхней части так называемый парашютный клапан. Открывается он с помощью шнура управления, конец которого опущен в гондолу. Сама гондола, как и два века назад, изготавливается из ивовых прутьев или тростника, которые обладают хорошими амортизирующими свойствами и выдерживают удары при грубой посадке.

Нагрузку от массы гондолы и ее содержимого передают на ткань оболочки, оплетающие ее вертикальные и горизонтальные силовые ленты. Их, так же как и саму оболочку, делают теперь из легких и прочных синтетических материалов. Ткань обрабатывают так, что она становится воздухонепроницаемой, устойчивой к солнечной радиации и негорючей. Нижняя же часть оболочки – так называемая юбка – выполняется из огнестойких полимерных тканей, способных выдержать температуру до 500°С, температура воздуха в оболочке обычно равна 90-100°С. Поддерживается она с помощью одной или двух горелок, соединенных шлангами с газовыми баллонами, а топливом служит жидкий пропан, бутан или их смесь. Жидкий газ попадает в погруженную в него трубку благодаря давлению насыщенных паров и, пройдя по шлангу, через управляемый пилотом огневой клапан попадает в испаритель. Здесь он превращается в пар и, смешиваясь с воздухом, сгорает в форсунках. Мощность горелок может достигать двух миллионов килокалорий в час. Дежурная горелка горит слабым пламенем постоянно — с тем, чтобы от нее можно было зажечь форсунки.

Газовый баллон вмещает обычно 35 кг пропана, этого достаточно для 45–60 мин полета монгольфьера. Каждый баллон снабжен предохранительным клапаном и манометром. Когда в одном баллоне газ заканчивается, пилот переключается на другой баллон. Помимо горелок и баллонов в гондоле установлены высотомер, вариометр (измеритель вертикальной скорости), датчик температуры воздуха в оболочке, радиостанция, огнетушитель и аптечка.

Удельная подъемная сила горячего воздуха при температуре 100°С составляет 0,278 килограмм на кубометр. Это значит, что шар объемом 1500–2000 кубометров может поднимать полтонны, т. е. трех-четырех человек и три-четыре баллона с пропаном. С увеличением же объема шара увеличивается, разумеется, и подъемная сила. В 1988 году в Голландии был поднят монгольфьер объемом 24000 кубометров, его 50 пассажиров размещались в комфортабельной двухпалубной корзине.

На монгольфьерах совершены уникальные полеты через Атлантический океан, подъем на высоту 18 000 метров, готовится облет земного шара за две недели.

Список крупнейших катастроф монгольфьеров

✓ Счет погибшим в результате катастроф воздушных шаров был открыт 15 июня 1785 года. В этот день погибли пилот, физик, изобретатель Жан Франсуа Пилатр-де-Розье и его друг — механик Ромен.

✓ 13 августа 1989 года над австралийским городом Алис-Спрингс столкнулись в полёте два воздушных шара с экскурсантами. Корзина одного из монгольфьеров пропорола оболочку второго шара. Пострадавший шар рухнул на землю. Пилот и 12 пассажиров погибли в катастрофе. Эта крупнейшая катастрофа монгольфьера, за всю историю воздухоплавания занесена в книгу рекордов Гиннесса.

✓ 14 августа 2003 года, в районе населенного пункта Кастен-Бай-Бехаймкирхен (Австрия), из-за сильного ветра, монгольфьер потерял управление и зацепил высоковольтную ЛЭП. Из троих находившихся в воздушном шаре людей погибли двое мужчин. Выжила только жена одного из них, которая находилась на 28-й неделе беременности. Она немедленно была доставлена в больницу, где и родила дочь.

✓ 31 августа 2007 года — близ Ванкувера загорелся и рухнул на землю монгольфьер. Из тринадцати человек находящихся на борту воздушного шара погибли (заживо сгорели) двое (мать и дочь).

✓ 17 мая 2008 года — близ деревни Семков Городок Минский район корзина монгольфьера ударилась о крышу одного из домов, затем о стену другого. При столкновении, из нее выпали два человека — пилот и 8-летняя девочка, которые были травмированы, но это спасло им жизнь. Двое оставшихся в воздушном шаре погибли, ибо далее корзина ударилась о землю, и в ней взорвались сразу все четыре баллона с газом.

✓ 14 октября 2008 года — В КНР от города Гуйлинь загорелся и рухнул на землю воздушный шар. Из семи человек находящихся в корзине монгольфьера, погибли четверо. Все жертвы - граждане Голландии.

✓ 25 мая 2009 года в турецкой провинции Невшехир воздушный шар, на котором находились туристы из Великобритании, потерпел аварию и упал на землю. Семь британцев получили тяжелые травмы, один турист погиб в катастрофе.

✓ Аэростаты

Аэростат – это летательный аппарат, он обязательно должен иметь свидетельство о его регистрации и свидетельство годности к полетам, которое выдается сразу после изготовления и продлевается комиссией после налета определенного количества часов. Сами пилоты проходят подготовку в воздухоплавательных школах и после прохождения теоретического курса и полетов – сначала с инструктором, а затем самостоятельных – получают соответствующие документы. Ежегодно они проходят медкомиссию и проверку теоретических знаний.

Каждый полет тщательно готовится. Разрабатывается маршрут, который не должен проходить в районах аэропортов, военных объектов и т. п. В органы воздушного надзора сообщаются все данные полета – дата, место старта, высота и цели полета. После получения разрешения на полет изучаются метеосводки: важно знать не только силу и направление ветра, но и температуру воздуха, высоту облачности, виды осадков. Все это позволяет планировать полет и обеспечить его безопасность.

Всемирная федерация воздухоплавания проводит чередующиеся чемпионаты мира в четные годы – для монгольфьеров, в нечетные – для газовых аэростатов.

Шарльер

Шарльер — аэростат, наполненный водородом, гелием или другими газами легче воздуха. Назван по имени французского учёного и изобретателя Жака Александра Сезара Шарля. Первый полёт совершил 27 августа 1783 года на Марсовом поле в Париже. Французский профессор физики Жак Шарль считал, что дымный воздух — это не лучшее решение, ведь горячий воздух, остывая, теряет подъемную силу, чего нельзя сказать о водороде, так как он изначально легче воздуха. Жак Шарль использовал лёгкую шелковую ткань, смоченную раствором каучука в скипидаре, в качестве оболочки, способной длительное время держать летучий газ.

Жак Александр Сезар Шарль 1820.

Наполнение шарльера

Для того, чтобы шарльер поднялся в воздух, газ должен быть легче воздуха. При заданной температуре и давлении плотность газа пропорциональна молекулярному весу. Для того, чтобы газ был легче воздуха, его молекулярный вес должен быть ниже 28,7. Грузоподъёмность пропорциональна разности между 28,7 и молекулярным весом газа. Веществ с молекулярным весом ниже 29 и газообразных при комнатной температуре, немного:

Водород. Молекулярный вес 2. Высокая грузоподъёмность, безвреден, недорог, но взрывоопасен. Широко применяется для беспилотных шарльеров.

Гелий. Молекулярный вес 4. Высокая грузоподъёмность, безвреден, безопасен, но дорог. Широко применяется для пилотируемых шарльеров.

Неон. Молекулярный вес 20. Безвреден, безопасен, дешевле гелия, но из-за высокого атомного веса грузоподъёмность втрое ниже, чем у гелия. Применяется ограниченно.

Метан. Молекулярный вес 16. Горюч. Применяется ограниченно.

Аммиак. Молекулярный вес 17. С резким запахом, ядовит, слегка горюч. Применяется ограниченно, для метеозондов.

Фтороводород. Молекулярный вес 21. Крайне ядовит (смертельная концентрация — сотые доли процента; в меньших концентрациях вызывает ожоги кожи и органов дыхания). Химически агрессивен (прожжёт почти любую оболочку). Не применяется.

Ацетилен (C2H2). Молекулярный вес 26. Очень легко воспламеняется. Не применяется.

Диборан (B2H6). Молекулярный вес 27,6. На воздухе воспламеняется самопроизвольно. Не применяется.

Азот. Молекулярный вес 28. Безвреден, недорог, но грузоподъёмность ничтожная. Не применяется.

Этилен (C2H4). Молекулярный вес 28. Не применяется по той же причине, что и азот, а также из-за горючести.

Угарный газ (CO). Молекулярный вес 28. Не применяется по той же причине, что и азот, и из-за токсичности.

Кроме того, в качестве наполнителей предложено использовать водяной пар и в прошлом использовался светильный газ (смесь метана, этилена и водорода).

Стратостаты

Хотя стратостат по сути является аэростатом, его устройство имеет ряд существенных отличий от тропосферных и субстратосферных воздушных шаров в силу других условий полёта. Плотность воздуха в нижних слоях стратосферы на порядок, а на высотах около 30 км на 2 порядка меньше, чем на уровне моря, поэтому для создания достаточной аэростатической подъёмной силы объём баллона должен быть достаточно большим и, как правило, превышает 14000 м³, а объём самого крупного баллона составлял 283000 м³. Вследствие сильного расширения газа с высотой на старте баллон имеет сильно вытянутую грушевидную форму, которая приближается к шарообразной вблизи верхней точки полёта. Как правило, баллон стратостата наполняется гелием, в довоенное время в ряде полётов применялся водород, который намного дешевле, но в смеси с воздухом крайне взрывоопасен. Небольшая удельная подъёмная сила газа на значительной высоте (вследствие низкой плотности воздуха) повышает требования к весу оболочки баллона. Обычно её делают из очень тонкого и прочного пластика. В большинстве случаев баллон оборудуется клапаном для стравливания газа, который используется для обеспечения снижения стратостата, а также для уменьшения скорости подъёма во время взлёта.

Гондола стратостата должна надёжно защищать экипаж от смертельных для человека условий стратосферы — низкого давления воздуха и низкой (до −70 °C) температуры. Оболочка гондолы должна выдерживать значительное внутреннее давление, она изготавливается из лёгких металлов, таких как алюминий, и обычно имеет сферическую форму. Как правило, полёт длится в течение многих часов, и экипажу необходима система регенерации воздуха, подобная той, которая применяется в подводных лодках и космических кораблях. Для поглощения углекислого газа может применяться гидроксид лития, для восполнения запасов кислорода — баллоны со сжатым, а в послевоенных полётах также с жидким кислородом.

Система терморегуляции служит для поддержания комфортной температуры в гондоле. Оригинальную систему применил в стратостате FNRS-1 Огюст Пикар: гондола была покрашена с одной стороны в белый, а с другой — в чёрный цвет, что при повороте к Солнцу соответствующей стороной приводило к нагреванию или остыванию гондолы. Однако в первых полётах устройство поворота гондолы не работало, что вызвало один раз перегрев, другой раз — сильное охлаждение воздуха в гондоле. В более поздних полётах использовалась относительно надёжная электрическая система терморегуляции.

Герметичная гондола затрудняет непосредственный сброс балласта, которым оснащают стратостат для регулирования скорости подъёма и спуска. В FNRS-1 для этого применялась специальная воронка, через которую можно было сбрасывать дробь без разгерметизации. В более поздних полётах применялась электромагнитная система сброса балласта, подобная применяемым в батискафах.

Измерительное и научное оборудование стратостата определяется целями полёта. Во всех полётах гондола оснащается внутренним и наружным термометрами и высотомером, достаточно часто используются счетчики радиоактивных частиц, оборудование для определения химического состава или забора проб воздуха, фото- и видеооборудование. В ряде полётов в состав оборудования включался телескоп для проведения астрономических наблюдений.

Огюст Пикар в гондоле стратостата FNRS-1

Первый в мире стратостат был сконструирован и построен выдающимся швейцарским учёным Огюстом Пикаром, который планировал использовать его для исследования космических лучей. Стратостат был оборудован сферической герметичной гондолой из алюминия, которая защищала экипаж от непригодных для жизни условий стратосферы. Проектирование и создание гондолы было осуществлено в 1930 году при поддержке бельгийской организации Fonds National de la Recherche Scientifique (FNRS), в честь которой она была названа FNRS-1.

27 мая 1931 Огюст Пикар и Пауль Кипфер совершили первый в истории полёт в стратосферу из города Аугсбург, Германия, достигнув высоты 15,785 км. Через некоторое время после старта выяснилось, что гондола негерметична, но Пикару быстро удалось заделать щель. В ходе дальнейшего подъёма отказал механизм управления клапаном баллона и стратостат потерял управление. В довершение выяснилось, что неисправна система терморегуляции гондолы, из-за нагрева солнцем температура поднялась до 40°C при температуре воздуха снаружи стратостата −50°C. Несмотря на все неприятности, ночью, когда баллон остыл, стратонавтам удалось благополучно приземлиться в тирольских Альпах. 18 августа 1932 Пикар совершил второй рекордный полёт, в целом более удачный, вместе с бельгийским учёным Максом Козинсом. Стратостат стартовал из Цюриха и достиг высоты 16,2 км. Во время полётов Пикар собрал важные данные о верхних слоях атмосферы и о космических лучах.

Впоследствии Огюст Пикар использовал идею, заложенную в стратостате, при проектировании первого батискафа FNRS-2 — автономного глубоководного исследовательского аппарата. Батискаф был построен по той же схеме: герметичная гондола и баллон, но роль баллона, наполненного лёгким газом, играет стальной поплавок, наполненный бензином.

Дирижабли

20 сентября 1874 года крестьянин М. Т. Лаврентьев на аэростате объемом 2400 м3 достиг высоты более 6000 м. 14 июля 1894 года в России проведены первые опыты по использованию привязного аэростата в морском флоте.

Но самой главной бедой изобретателей прошлого было отсутствие легкого, но сильного мотора. Поневоле оставалось рассчитывать лишь на собственные мускулы. Одним из первых предложил это сделать французский военный инженер М. Менье. По его проекту на шаре устанавливались воздушные винты (пропеллеры), вращать которые, за неимением мотора, должны были сами члены экипажа.

Пропеллер (от латинского слова «propello» — гоню, толкаю вперед) — вал с винтовыми лопастями, обеспечивающий движение самолета, вертолета, судна.

Человек 20—30 было бы вполне достаточно. Вскоре оказалось, что для длительного полета количество «гребцов» должно быть увеличено, и в следующем своем проекте М. Менье предусмотрел гондолу, способную вместить 50 человек. Однако для того, чтобы поднять в воздух такой груз, необходимо было изготовить шар объемом не менее 70000 м3, а для того, чтобы такой гигант мог соперничать с ветром, сил 50 человек могло и не хватить. Инженер попал в замкнутый круг — чем больше «гребцов», тем больших размеров должен быть шар, а чем больше изготовишь шар, тем больше для него понадобится «гребцов». Разорвать этот круг М. Менье помог его соотечественник инженер-судостроитель Дюпюи де Лом.

По его мнению, выход был в том, чтобы создать шар минимальных размеров. В 1872 году аэростат, построенный по такому принципу, взлетел в воздух. Его экипаж состоял из 8 человек, которые изо всех сил вращали механизмы, соединенные с пропеллерами. Аппарат смог развить скорость до 8 км/ч, но это был его предел — на большее у экипажа не хватило сил. Несмотря на это, полет был полностью управляемым, что дало возможность объявить о новом этапе в развитии воздухоплавания. На смену неуклюжему воздушному шару пришел маневренный дирижабль — что в переводе с французского обозначало «управляемый». Следует отметить, что изменилось не только название летательного аппарата, но и его форма. Обращение к опыту построения морских судов не прошло бесследно для воздухоплавания. Как известно, узкая лодка имеет более обтекаемую форму, чем широкая, и поэтому требует для движения меньших усилий гребцов. Вскоре появились аэростаты, оболочки которых были вытянуты и напоминали гигантскую сигару. А для новичков воздухоплавания — дирижаблей — такая форма стала традицией.

Первую попытку снабдить дирижабль механическим двигателем совершил тоже француз — никому не известный механик-самоучка Анри Жиффар (1825-1882).

На первый свой дирижабль А. Жиффар планировал установить двигатель собственной конструкции, над которым он трудился целый год. Ему удалось построить паровой агрегат весом 45 кг и мощностью 3 л. с. Для того времени это были рекордные результаты, ведь существовало негласное правило, что каждая лошадиная сила, развиваемая паровым мотором, «весила» 100 кг.

Оболочка дирижабля напоминала остроконечную сигару длиной 44 и диаметром 12 м. Сверху на оболочку была наброшена сеть, к которой крепился горизонтальный брус. Он, как хребет, держал платформу с котлом и паровой машиной. Здесь же находился пилот. Усилия паровой машины передавались на пропеллер диаметром 3,5 м. «Сигара» заполнялась легким, но взрывоопасным светильным газом.

Первый полет дирижабля А. Жиффара состоялся 23 сентября 1852 года. Корабль плавно взмыл вверх, выпуская черные клубы дыма, и поднялся на двухкилометровую высоту. Анри, выполнявший обязанности и пилота, и механика, дал машине полные обороты. Винт бешено вращался, но аппарат стоял на месте — мешал встречный ветер. Разочарованный пилот потушил топку и благополучно опустился на землю.

Вторая конструкция Анри в полтора раза превышала размеры первого дирижабля. На этот раз Жиффар взял в полет своего помощника. Однако и этот полет не принес удовлетворения изобретателю. На высоте оболочка внезапно начала выпускать газ, вынудив экипаж к аварийному спуску. Но едва платформа коснулась земли — «сигара» выскользнула из сетки и бесследно исчезла за облаками. Неудачи не сломили упорного изобретателя. Он вновь берется за разработку очередного летательного аппарата. На этот раз им должен был стать гигантский дирижабль.

К сожалению, построить его А. Жиффару не удалось. Конструктор ослеп. В середине апреля 1882 г. его нашли мертвым в собственной квартире. Все признаки указывали на самоубийство.

Казалось, первые удачные полеты дирижаблей А. Жиффара откроют человеку путь к созданию нового вида транспорта — воздушного. Ведь дирижаблю не нужны хорошие дороги, ему не служат помехой горные перевалы и не страшны водные преграды. Однако через некоторое время оказалось, что о рождении транспортного воздухоплавания говорить еще рано. Вначале должен был появиться мощный и легкий двигатель внутреннего сгорания и новые материалы для изготовления надежной оболочки. После исторического полета А. Жиффара должно было пройти еще пятьдесят лет.

Впрочем, энтузиасты воздухоплавания все эти годы не сидели сложа руки. В 1872 г. в воздух поднялся дирижабль, созданный австрийским инженером П. Хейнлейном. Установленный на нем мотор, работающий на светильном газе, вращал четырехлопастный пропеллер. Этим же газом была заполнена гигантская сигарообразная оболочка аппарата. Мощность, развиваемая новым видом двигателя, позволяла дирижаблю П. Хейнлейна достигать скорости в 20 км/ч.

Через два года после смерти А. Жиффара его соотечественники, воздухоплаватели Шарль Александр Ренар и Антуан Кребс, установили на жестком аэростате электродвигатель мощностью 1,5 л. с. В первый полет их аппарат отправился 9 августа 1884 г. Этот день вписан красными чернилами в историю развития воздухоплавания. Впервые в мире дирижабль «La France» совершил полет по замкнутой кривой, который начался и закончился в одной точке. Воздушный корабль длиной 50 метров вылетел из городка Шале-Мюдон, сделал круг и плавно приземлился на месте вылета. Когда немецкие изобретатели Карл Бенц (1844—1929) и Готлиб Даймлер (1834—1900) построили первый работоспособный бензиновый мотор, воздухоплаватели сразу же нашли ему применение. Их соотечественник, воздухоплаватель доктор В. Вельфер, в 1896 г. установил новый двигатель на дирижабле собственной конструкции.

Однако ставить мотор, из выхлопной трубы которого летели искры, на оболочку, наполненную водородом, было равносильно тому, что подносить спичку к бочке с порохом. В июне 1897 г. дирижабль доктора В. Вельфера взорвался в воздухе, унеся жизни своего «родителя» и случайного пассажира.

Но неудачи не смогли сломить волю и стремление людей стать полноправными хозяевами небес. И очередная победа не заставила себя долго ждать. В ноябре 1899 г. бразилец, проживающий во Франции, Альберто Сантос-Дюмон (1873—1932) впервые облетел на дирижабле Эйфелеву башню и вернулся на то место, откуда совершил взлет. Началась великая гонка строительства дирижаблей. И затронула она не только «родину воздухоплавания». Очень скоро «воздушную монополию» французов разрушил немецкий энтузиаст воздухоплавания граф Фердинанд фон Цеппелин (1838—1917).

Следует отметить, что в начале XX века уже полностью сложилась система классификации изготавливаемых дирижаблей. Они бывают трех видов — мягкой системы, с корпусом из прорезиненного материала; полужесткой, с металлической фермой вдоль нижней части; и жесткой — корпус последнего представляет собой металлический каркас, на который натянута оболочка. К днищу корпуса крепятся гондолы — одна или несколько, где размещаются экипаж, механизмы управления, двигатели.

В конце XIX века появились и такие конструкции дирижаблей, в которых не только каркас, но и сама оболочка были изготовлены из листового металла. Одним из первых, кто разработал проект подобного аппарата, стал австрийский инженер Д. Шварц. В 1893 г. он переехал в Россию, где на деньги царского правительства решил реализовать свой проект в металле. Через некоторое время в воздухоплавательном парке Петербурга было развернуто строительство 47-метрового цельнометаллического дирижабля. К сожалению, завершить строительство не удалось — закончились деньги, и инженеру пришлось вернуться на родину. Еще 4 года понадобилось Шварцу на то, чтобы построить свой аппарат в Германии. К 1897 г. проект был реализован полностью. В гондоле первого цельнометаллического дирижабля был установлен двигатель внутреннего сгорания мощностью 12 л. с. , который вращал четыре пропеллера. С его помощью аппарат уверенно оторвался от стартовой площадки и рекордно быстро набрал высоту в 250 м, но после отказа двигателя рухнул на землю.

В России также занимались разработкой собственных дирижаблей. Основоположник современной космонавтики Константин Эдуардович Циолковский (1857—1935), еще в 1892 году он опубликовал работу «Аэростат управляемый металлический», в которой научно доказал возможность и целесообразность создания дирижаблей больших размеров. Кстати, именно по этому пути через 8 лет пошел граф Фердинанд фон Цеппелин, аппараты которого были самыми большими в мире. Но и тут его опередил Циолковский. Уже в 1896 году он представил на суд научной общественности России проект цельнометаллического дирижабля длиной 210 м и с объемом оболочки — 70000 м3. Гигант был рассчитан на перевозку 200 пассажиров и нескольких тысяч тонн груза. Почему-то России того времени оказалось не под силу построить летательный аппарат таких размеров. Лидерство в воздухе было отдано немцам.

Цеппелины

Но вернемся к дирижаблям графа фон Цеппелина. Прямо на поверхности одного из озер Германии был создан огромный цех-ангар, в котором началось строительство дирижаблей-гигантов. Более 100 поплавков поддерживали на воде конструкцию длиной 140, высотой — 20 и шириной 23 м.

Ангар — сооружение для хранения, технического обслуживания и ремонта воздухоплавательной и авиационной техники.

Первая разработка Ф. фон Цеппелина, получившая порядковый номер «LZ-1», покинула ангар в 1900 году. Это был дирижабль жесткого типа длиной 128 м и объемом оболочки более 11000 м3. Для обеспечения безопасности полета на своем аппарате изобретатель применил в нем никогда не используемое ранее в воздухоплавании конструкторское решение. Вся оболочка дирижабля была разделена на несколько изолированных друг от друга отсеков. В каждом из них был установлен резервный баллон с газом. Теперь в случае повреждения оболочки одного из отсеков дирижабль мог сохранить летные качества.

Один из многочисленных дирижаблей, построенных Фердинандом фон Цеппелином.

Дирижабль конструкции Цеппелина, серии «LZ». 1902 г. («Deufschland». )

Дирижабль «Shute-Lanz SL-1».

За несколько лет вслед за «LZ-1» ангар покинуло еще несколько дирижаблей Ф. фон Цеппелина. Так, построенный в 1906 году 128-метровый дирижабль с порядковым номером «LZ-3» имел возможность подняться на высоту в несколько километров и развить скорость до 50 км/ч, неся при этом 10 человек экипажа и почти 3000 кг груза. А построенный в 1910 году аппарат «LZ-7», получивший название «Deuschland», мог взять на борт сразу 20 пассажиров.

Не прошло и десяти лет, как «цеппелины» уже вовсю совершали коммерческие рейсы. Неудивительно, что имя создателя этих гигантов, длина которых уже доходила до 200 м, стало нарицательным для дирижаблей того времени, а предложенная Ф. фон Цеппелином оболочка легла в основу практически всех управляемых аппаратов легче воздуха, которые быстрыми темпами начали создавать в Англии, Германии, США. К началу XX в. общее число дирижаблей-цеппелинов в мире достигало 500 штук.

В первом десятилетии XX века дирижабли, наполненные водородом, стали вполне послушны воле человека. Но хотя они отличались большой грузоподъемностью, дирижабли были громоздки, неуклюжи и тихоходны. А целая серия воздушных катастроф в начале XX века, доказала их низкую надежность. Все эти недостатки заставляли изобретателей продолжать поиски иных способов покорения воздушного океана.

Стратостат «Осоавиахим-1»

До старта считанные часы

В 1930 году несколько талантливых инженеров Ленинградского отделения ОСОАВИАХИМ загорелись идеей построить новый стратостат для покорения рекордных для того времени высот. Однако из-за финансовых трудностей в советской России непосредственная работа над проектом началась только в конце 1932 года. Главным конструктором стратостата назначили Васенко, а руководителем работ — опытного инженера Чертовского.

В июне 1933 года оболочка «Осоавиахим-1» была доведена в объёме до 24940 м³. В августе того же года готовый стратостат осмотрела комиссия Гражданского воздушного флота под руководством Спасского и, несмотря на то что люк кабины признали неудовлетворительным по возможности его закрывать, допустила летательный аппарат к эксплуатации.

Для проведения научных опытов и наблюдения стратостат «ОАХ-1» оснастили лучшими на то время приборами, созданными в Главной геофизической обсерватории, часть оборудования подготовили в Радиевом и Физико-техническом институтах. Институт экспериментальной биологии ходатайствовал, чтобы в стратосферу взяли мушек-дрозофил.

Первоначально старт «ОАХ-1» был назначен на 30 сентября 1933 года, но метеоусловия заставили повременить с полетами. Из-за не улучшающихся погодных условий полет стратостата по решению Центрального совета Осоавиахима отсрочили до теплых дней весны 1934 года. Научную аппаратуру гондолы демонтировали и отправили в Ленинград, оболочку «Осоавиахима-1» сложили и убрали в чехол.

Осенью в беседе с журналистами командир стратостата «СССР-1» (который незадолго до этого достиг отметки в 19000 метров) Прокофьев сделал революционное заявление, что он и его экипаж готовятся повторить рейд в стратосферу, не дожидаясь наступления тепла, - зимой.

Это побудило Павла Федосеенко подать рапорт в Центральный совет Осоавиахима с предложением осуществить полёт зимой. ЦСО дал добро, и испытатели стали готовиться к полёту. Несмотря на все усилия членов Осоавиахима, подготовить полёт в 1933 году не удалось, и его вновь перенесли на январь 1934 года.

28 января 1934 года «Осоавиахим-1» был доставлен к месту старта в Кунцево. Полёт было решено посвятить XVII съезду компартии, который проходил в те дни в Москве, о чём члены экипажа дали ряд интервью и выступили по радио.

30 января 1934 года с 8. 00 до 9. 00 часов прошла завершающая предполётная подготовка «ОАХ-1» и было произведено окончательное взвешивание стратостата. Накануне к расчётному весу осоавиахимовцы добавили 180 килограмм балласта. Благодаря использованию манёвренного и аварийного балластов стало возможным поднять полётный потолок до 20500 метров.

Первый и последний полёт «Осоавиахим-1»

По окончании предполётной подготовки «Осоавиахим-1» с экипажем в составе трёх человек: командира экипажа Павла Фёдоровича Федосеенко, бортинженера Андрея Богдановича Васенко и научного сотрудника Ильи Давыдовича Усыскина оторвался от земли. Это был первый в истории воздухоплавания зимний полёт стратостата. Павел Федосеенко, который руководил подготовкой стратостата, был очень опытным советским аэронавтом, летавшим ещё в гражданскую войну и участвовавшим в полётах с Фридманом. Он считал, что риск зимнего полёта был чрезвычайно велик.

В 9. 16 ч на земле принимают первую радиограмму «Осоавиахима-1»: «Слушайте, слушайте! Говорит „Сириус“! Высота 1600 м. Прошли облака. Температура минус 3 градуса».

Все шло в расчётных пределах, риск обледенения был минимален.

В 9. 56 ч экипаж «ОАХ-1» передает вторую радиограмму: «Говорит „Сириус“! Высота 15000 м по альтиметру. Ведём непрерывные наблюдения космических лучей. Взяты три пробы воздуха. Внизу сплошная облачность. Определить направление невозможно».

В 10. 14 следующее сообщение: «Говорит „Сириус“! Высота 19000 метров!». Аэронавты достигли рекордной высоты, установленной на «СССР-1». Подъём продолжался, несмотря на выявленную неполадку: сбои поглотителя углекислоты и влаги.

Затем были получены сообщения: «Говорит „Сириус“! У микрофона командир стратостата Федосеенко. Штурмуем высоты двадцатого километра».

«Говорит „Сириус“! Время сейчас 11. 16 ч. Высота по альтиметру 20500 метров. »

«Осоавиахим-1» установил новый мировой рекорд.

Потом были получены ещё несколько радиограмм, которые службы обеспечения полёта не могли разобрать полностью из-за низкого качества связи и сильных атмосферных помех:

«11. 42. Говорит „Сириус“! Высота 20600 м. Слушайте, слушайте! Передаём радиограмму XVII съезду партии»

«11. 49. Говорит „Сириус“! Производим непрерывные наблюдения и опыты для изучения космических лучей»

«Алло! Говорит „Сириус“! Временно прекращаем приём и передачу, для того чтобы включить патроны для поглощения углекислоты»

Это были последние радиосообщения, переданные «ОАХ-1».

Катастрофа стратостата «Осоавиахим-1»

Около полудня связь с пилотами «Осоавиахим-1» была утрачена, и о его судьбе ничего не было известно около пяти часов. Около 17 часов покорёженная гондола была обнаружена в 16 км от станции Кадошкино Московско-Казанской железной дороги около деревни Потиж-Острог Инсарского района Мордовской автономной области. Полёт завершился катастрофой, всё оборудование стратостата было разбито, члены экипажа погибли. Тщательное изучение дневников, бортжурнала и показаний приборов позволило по большей части установить картину катастрофы. Из записей, сделанных Васенко и Усыскиным, следует, что стратостат в 12. 33 достиг рекордной высоты 22000 метров и продержался на этой высоте около 12 минут, после чего экипаж начал плавное снижение.

Экипаж около трёх минут держал открытым клапан, но прогретый солнечными лучами воздушный шар опускался чрезвычайно медленно. Лишь через 45 минут начался безостановочный, медленный, не внушающий никаких опасений спуск к Земле. Через час с четвертью стратостат, несмотря на то что пилоты выпустили значительное количество газа из оболочки, все ещё находился на высоте около 18000 метров. Тем временем световой день подходил к концу, и возникла опасность, что после заката резкое снижение интенсивности обогрева аэростата Солнцем может привести к аварийной ситуации.

До высоты 17800 метров «ОАХ-1» снижался со скоростью 1 м/с. Скорость не превышала расчётную. В бортовых журналах было отмечено, что на высоте 14300 метров была взята очередная проба воздуха за бортом. Однако скорость снижения нарастала, километром ниже она удвоилась. Пропорционально нарастанию скорости охлаждался и газ в оболочке шара. На высоте около 12000 метров температуры газа и наружного воздуха практически сравнялись, вследствие чего подъёмная сила стратостата резко упала. Для спасения «Осоавиахим-1» экипажу необходимо было сбросить более 700 килограммов балласта. На борту же имелось 420 килограммов балласта, включая аварийный, но даже его экипаж сбросить не успел. Скорость снижения составляла уже 15 м/с и продолжала расти. Гондола с увеличивающимся усилием тянула за собой шар стратостата, и на высоте полтора-два километра от земли стропы оборвались. Экипаж в течение последних десяти минут падения находился в беспорядочно вращающейся кабине, ударяясь о корпус и приборы. Выбраться наружу и воспользоваться парашютами в таких условиях было практически невозможно.

Заключение комиссии по расследованию катастрофы «Осоавиахим-1»

По официальному заключению причиной катастрофы стратосферного аэростата стало превышение предельной безопасной высоты полёта для этого аппарата (около 20,5 км). Вследствие перегрева солнечным теплом оболочки произошёл сброс объёма газа, что затем сказалось на скорости спуска. Снижение происходило слишком быстро, скорость падения стала критической, и на высоте около 2 км произошёл отрыв гондолы от баллона. Дополнительными факторами, повлиявшими на исход полёта, были слабое крепление гондолы, запутывание клапанной верёвки и сложные условия полёта. Комиссия также установила, что удар гондолы «Осоавиахим-1» о землю произошёл в 16 часов 23 минуты.

После катастрофы «Осоавиахим-1»

Все члены экипажа «ОАХ-1» были посмертно награждены орденом Ленина. Урны с прахом героев были захоронены в Кремлёвской стене лично Иосифом Сталиным и Вячеславом Молотовым.

На месте падения стратостата поставлен обелиск, установлен памятник в Саранске. В честь стратонавтов назван проезд в Москве, улицы в Санкт-Петербурге и Саранске. Посёлок Потиж-Острог Инсарского района Мордовии, близ которого упал стратостат, переименован в село Усыскино, колхоз этого села носил имя Федосеенко.