В тот день в "Белом зале" столичного Дома ученых Национальной академии наук Украины было тесно от зрителей. Лекция по теме "Стратосферные аэростаты. Типология и возможности" собрала интересующихся проектированием и применением аппаратов, легче воздуха. Спикер от лектория "Научные встречи" – ведущий инженер Конструкторского бюро информационных систем КПИ им. Игоря Сикорского Николай Миронов – смог заинтересовать аудиторию рассказом о стратостатах, их поведении в полете на заоблачных высотах, о перспективах стратосферных дирижаблей и т.д. Практический опыт эксплуатации аэростатов за последние 15 лет позволил Николаю Игоревичу ответить, в частности, на вопрос: что позволяет некоторым стратостатам в течение нескольких месяцев находиться в воздухе и выходить в заданные оператором районы? После лекции корреспондент "Киевскогоая политехника" воспользовался случаем пообщаться с Николаем Мироновым.
– Николай Игоревич, эта лекция доказала, что вы давно "в материале". История эксплуатации аэростатов – это ваше, так сказать, хобби?
– Начну с цитаты. Выдающийся авиаконструктор, ученый, изобретатель, создатель вертолета, философ Игорь Сикорский сказал как-то о начале авиационной эры, что тогда «воздухплавание не было ни наукой, ни отраслью промышленности. Оно было чудом. Именно эти слова приходят в голову, когда вспоминаю, как еще в студенческие годы, полтора десятка лет назад, на чемпионате Украины по воздухоплаванию (тепловые аэростаты) я вместе с коллегами в составе метеогруппы выполнял исследование использования воздушного шара. Представьте, за полетом небольшого шара исследователи следят с помощью наземного оптического теодолита. Благодаря получению угломерных данных и других показателей определялись направления ветровых потоков в зависимости от высоты воздушного шара и высота нижнего края облачности. Естественно, эти данные пригодились пилотам аэростатов. На практике я ознакомился с метеорологией, основами эксплуатации беспилотного воздухоплавания. Это заинтересовало.
Вскоре меня пригласили поработать со стандартными радиозондами в аэрологической обсерватории. Решил, что приобретенного опыта будет достаточно для создания первой стратосферной платформы. В то время это был первый в Украине проект, который предусматривал эксплуатацию контейнера с метеорологической аппаратурой и "мягкое". приземление после полета. Между прочим, передача данных о местонахождении гондолы (контейнера с аппаратурой) производилась через мобильную связь.
– Следовательно, стратостат – воздушный шар с прикрепленной к нему плотно закрытой гондолой. С каким трудом можно столкнуться во время наблюдения?
– Сложность в том, что контейнер с аппаратурой не является герметичным. Поэтому электроника и аккумуляторы должны выдерживать колебания температуры. А главное – перегревание, ведь на высоте более 17 км в стратосфере из-за разреженной атмосферы плохо отводится тепло. Таким образом, температура вокруг гондолы может достигать 70 градусов по Цельсию. В таких условиях электронные детали могут оплавиться. Именно внимание к этому факту позволило избежать потери стратостатов из-за отказа электроники, в отличие от подобных аппаратов, которые использовались в ближнем зарубежье. Мы ведь проводили исследования в барокамерах и термостатах.
– Как готовились к первым и следующим стартам? Интересно, как происходил эксплуатационный цикл воздушных шаров?
– Напомню, опыт и научная составляющая будущих исследований возникли при разработке студенческих проектов. В то же время, интересовали результаты экспериментов с космическим излучением, проведения демонстрационных наблюдений за атмосферой Земли. Первый запуск происходил из аэрологической обсерватории в Киеве. А готовились к нему в течение пяти лет. Стратостат работал с использованием водорода. Впоследствии из-за увеличения объема оболочек и массы аппарата, а также из-за требований со стороны контролирующих воздушное пространство органов власти, мы перенесли запуски стратостатов подальше от Киева. Это со временем с усовершенствованием соответствующей аппаратуры появилась возможность изучать состав озонового слоя, осуществлять биологические опыты. Исследование космического и ионизирующего излучения в атмосфере, анализ биосферы в верхних слоях "небесного океана", изучение озонового слоя, аэрозолей в верхних слоях атмосферы – вот далеко не полный перечень наших интересов. Появились и заказчики на полеты.
Эксплуатационный цикл выглядел следующим образом. Согласно заданию заказчика, его аппаратура интегрировалась в аэростат. Здесь важно все: масса, габарит, питание приборов, размещение антенн-датчиков. Согласно этим результатам производились расчеты параметров оболочки стратостата: объем газа, базовые летные характеристики.
После того, как указанные параметры были согласованы, назначали ориентировочную дату старта. Приблизительно за неделю до запуска аэростатный комплекс оценивал направления ветряных потоков и соответственно возможные районы полета. Дальность воздушного путешественника иногда достигала 300 км. Таким образом, мы принимали во внимание расстояние до государственной границы, крупных городов, водоемов и т.д. Ведь каждый полет согласовывался с контролирующими государственными организациями.
– Вы упомянули об аэростатном комплексе. О чем идет речь?
– Аэростатный комплекс состоит из четырех команд, размещаемых в автомобилях. Понятно, что во время полетов не хватает персонала, поэтому действия специалистов комбинируются. Первая команда занимается управлением и пилотными расчетами. Обработка необходимых данных, коррекция прогнозов погоды в соответствии с траекторией полета, поддержка связи с экипажами и т.д.
На плечи второй команды ложится подготовка аэростата к старту. Наполнение оболочки газом (в полевых условиях используется гелий), запуск оборудования в действие. В распоряжении коллег – стартовое устройство, газобаллонное оборудование. Именно вторая команда должна выпустить аппарат в конкретное "стартовое окно". От членов второй команды требуется умение работать даже при неблагоприятных погодных условиях.
Радиотехническое наблюдение. Этим занимаются в третьей команде. Между тем, наши первые стратостаты выходили на связь только после приземления. Впоследствии мы получали онлайн-телеметрию во время полета небесного путешественника. Это важно, например, для оперативного реагирования с точки зрения определения района приземления. А для этого в активе членов третьей команды кроме опыта и соответствующих знаний необходимы направленная антенная система и приемник сигналов.
Следующая – группа подбора. В самом названии содержится задача для четвёртой команды. Оперативно добраться до района приземления стратостата, максимально быстро найти контейнер с парашютом. Эта задача обычно не очень проста. Ведь на неуправляемом парашюте гондола может приземлиться на верхушки деревьев, в болото, приводниться в водоем и т.д. Вот здесь понадобятся альпинистские навыки с подходящим инвентарем. Выдержка, физическая сила и целеустремленность – это большой плюс.
– Прослушал вашу лекцию и понял, что в конце 2021 года вы и ваши коллеги умело эксплуатировали аппарат, способный достигать 30-километровой высоты. А его взлетная масса достигала трех с половиной килограммов. Естественно, дальнейшим исследованием помешала широкомасштабная война со стороны русских захватчиков. Однако верится, что вы вернетесь к своим экспериментам. А позволяла ли техническая база воздушного аппарата увеличить эксплуатационную высоту, скажем, до 35 км?
– Да, нам это по силам. Чтобы выполнять старты на большее расстояние от земли нужно изучить свойства латексных оболочек. Ведь необходимо принимать во внимание малый градиент атмосферного давления и сверхдавления в оболочке на больших высотах, а также влияние окружающей температуры, солнечное облучение. Думаю, если бы совместными усилиями со стороны ученых и инженеров нашего университета развивать направление стратоплавания в дальнейшем, можно было бы послужить и украинскому военно-промышленному комплексу. Помните, как в конце февраля СМИ обнародовали факт появления вражеских аэростатов, которые могут обнаруживать конкретные месторасположения зенитных ракетных комплексов? 15 февраля т.г. было замечено 12 воздушных шаров, из которых сбито шесть. А почему мы отстаем?
– риторический вопрос. Однако уместно. Мировая практика доказывает, что возможности стратосферной платформы имеют большие просторы. О чем следует упомянуть с точки зрения студенческих аэростатных исследовательских программ?
– Мировой опыт свидетельствует о целесообразности таких инициатив. Вот несколько примеров.
Программа HASP (High-Altitude Student Platform) реализовывалась NASA вместе с американскими университетами в штатах Вирджиния, Монтана, Флорида, Северная Дакота, а также в коллаборации из Universidad Nacional de Ingenieria в Перу. В ходе многих эксплуатационных циклов производились подъемы прототипов малых спутников, разнообразной полезной нагрузки для изучения атмосферы, космических лучей. Это все в канве STEM образования.
UMaine High Altitude Ballooning program – стратосферная программа университета штата Мэн (США). Кроме собственных исследований, здесь предоставляют место для полезной нагрузки на аэростатах другим учебным заведениям, прекрасно вписывающимся в федеральные образовательные программы.
High Altitude Balloon Workshop (Fort Hays State University, USA, Канзас) – регулярный комплекс мероприятий, сравнимых с нашей "Весенней школой": студенты знакомятся со стратосферным носителем (и соответствующими разделами физики атмосферы и космоса), пользуясь университетскими лабораториями конструируют полезную нагрузку и участвуют в эксплуатационном цикле как участники расчетов запуска, управления, поиска.
High-Altitude Balloon Near-Space Experiment (NSE) Launch – реализуется в Университете Небраски (США). Вместе со студентами ученые создают и тестируют в стратосферных полётах элементы микроспутников.
PILOT Experiment – эксплуатация стратосферного телескопа. Программа направлена больше на научные, чем учебные задачи. Осуществляется силами Франции, Австралии, Новой Зеландии, Канады, Мексики, США.
HABDM. Этот проект осуществляется совместно с учебными заведениями и метеорологической службой Зимбабве (Африка).
Кстати, самая активная в этой области американская компания "Raven" (создала аэростаты для Google – ред.) довела эксплуатационный цикл собственных аэростатов до одного года. С аэростатных баз США ежегодно стартуют астрономические стратосферные обсерватории.
Этот список можно значительно продлить. Комплекс качеств стратосферных летательных аппаратов в сочетании с безопасностью делает их применение, например, в университетской среде очень удобным. А высокие летные характеристики позволяют усовершенствоваться с профессиональной точки зрения. Ведь специалисты, имеющие работу в бэкграунде с такими аппаратами, могут использовать свои навыки в любой сфере.
Убежден, что КПИ как научное и учебное заведение с давними традициями является идеальной средой для внедрения подобных проектов. Особенно способствует этому значительное количество и концентрация специалистов и научных школ разного направления. Опыт свидетельствует о том, что регулярная эксплуатация стратосферного аэростатного комплекса происходит в междисциплинарном поле. Эта деятельность вызывает интерес и способствует привлечению специалистов на пересечении разных научных и технических сфер.