Воздушный шар, его устройство и виды.
Воздушный шар – это летательный аппарат (аэростат), в котором для полёта используется газ, который легче воздуха.
Воздушный шар как летательный аппарат, устройство воздушного шара
Монгольфьеры, шарльеры и розьеры. Тепловые, газовые и комбинированные воздушные шары
Воздушный шар как летательный аппарат, устройство воздушного шара:
Воздушный шар – это летательный аппарат (аэростат), в котором для полёта используется газ, который легче воздуха.
Воздушный шар движется в воздухе благодаря потокам ветра, имеющим различное направление и интенсивность.
Воздушный шар является самым простым летательным аппаратом. В отличие от дирижаблей, воздушные шары не имеют двигателей для самостоятельного горизонтального движения в воздухе. Однако они имеют механизмы для управления вертикальным полётом.
Воздушный шар состоит из заполненной газом тканевой оболочки (купола) и прикреплённой к ней корзины (гондолы, капсулы или прицепной кабины), предназначенной для перевозки людей или оборудования. Купол воздушного шара изготавливается их кусков ткани, прочно прикрепленных друг к другу. Он изготавливается из высокопрочного полиэстера или полиамидной ткани. С внутренней стороны тканевая оболочка обрабатывается силиконовой пропиткой, не позволяющей газу проникать через нее и уходить наружу.
Поскольку в целом воздушный шар менее плотен, чем окружающий его воздух, он поднимается вверх вместе с прикрепленной к нему полезной нагрузкой.
Воздушный шар не лишен недостатков. Так, у него отсутствует механизм управления. Воздушным шаром невозможно управлять горизонтально, так как он летит в том направлении, куда его направят воздушные потоки. Кроме того, на воздушном шаре невозможно перевозить крупногабаритные и тяжёлые грузы.
Типы и виды воздушных шаров:
В зависимости от наполнения различают следующие типы воздушных шаров: монгольфьеры (тепловые воздушные шары), шарльеры (газовые воздушные шары) и розьеры (комбинированные воздушные шары).
По назначению шары делятся на свободные или неуправляемые, привязные и управляемые (дирижабли).
Монгольфьеры, шарльеры и розьеры. Тепловые, газовые и комбинированные воздушные шары:
Монгольфьеры или Montgolfière – воздушные шары, наполненные нагретым воздухом. Монгольфьеры также именуются тепловыми воздушными шарами.
Свое название они получили по фамилии изобретателей братьев Монгольфье – Жозеф-Мишеля и Жак-Этьенна.
Первый демонстрационный полёт монгольфьер совершил в городе Аннонэ (Annonay, Франция) 5 июня 1783 г. Шар без экипажа поднялся на высоту до 500 метров и продержался в воздухе около 10 минут, пролетев при этом 2 километра.
19 сентября 1783 г. в Версале (под Парижем) в присутствии короля Людовика XVI во дворе его замка в час дня воздушный шар взмыл в воздух, унося в своей корзине первых воздушных путешественников, которыми были овца, курица и утка. Шар пролетел 4 км за 10 минут.
21 ноября 1783 г. в Париже впервые в воздух на монгольфьере поднялись воздухоплаватели. Стартовав около 14:00 от замка ла Мюетт в Булонском лесу (парк на западной окраине Парижа), воздушный шар поднялся на высоту около 1 км. Пролетев около 9 км за 25 минут, перелетев Сену, первые воздухоплаватели приземлились на холме Бют-о-Кай между ветряными мельницами невдалеке за городским валом.
Первый монгольфьер, созданный братьями Монгольфье, имел простую конструкцию: из купола и корзины. Он наполнялся горячим воздухом, благодаря которому поднимался вверх. В дальнейшем конструкция монгольфьера была доработана. Конструкция современного воздушного шара включает в себя пропановую горелку, устанавливаемую между тканевой оболочкой и корзиной, для нагрева воздуха и набора высоты и спускной клапан, устанавливаемый в тканевой оболочке для спуска нагретого воздуха и снижения высоты. С помощью пропановой горелки воздух нагревается, и, поскольку разреженный горячий воздух легче холодного, шар взлетает. В случае набора слишком большой высоты пилот дёргает за специальный шнур, соединённый с клапаном в тканевой оболочке воздушного шара – часть горячего воздуха выходит наружу, и воздушный шар опускается (снижается).
Принцип работы монгольфьера заключается в следующем. При нагревании воздух расширяется, поэтому заданный объем пространства содержит меньше воздуха. Это делает его легче и, если его подъемная сила больше, чем вес воздушного шара, содержащего нагретый воздух, он (нагретый воздух) согласно закону Архимеда будет поднимать воздушный шар вверх. Воздушный шар, наполненный горячим воздухом, может подниматься вверх только до тех пор, пока не закончится топливо для пропановой горелки, поддерживающей воздух в нагретом состоянии.
Подъёмная сила (F) монгольфьера в килограммах на 1 м³ объёма оболочки может быть выражена формулой:
F = 0,465 · Р · (1/Та – 1/То)
где
Та – абсолютная температура воздуха в атмосфере, выраженная в K,
То – абсолютная температура воздуха в оболочке, выраженная в K,
Р – атмосферное давление в мм рт. ст.
Например, при атмосферном давлении 760 мм рт. ст., температуре атмосферного воздуха 20 °С и средней температуре воздуха в оболочке 50 °С подъёмная сила монгольфьера составит 0,11 кг на 1 м³ объёма оболочки.
Шарльеры – воздушные шары, наполненные лёгким газом, как правило, водородом, гелием или другими газами легче воздуха. Шарльеры также именуются газовыми воздушными шарами.
Шарльеры свое название получили по имени французского учёного и изобретателя Жака Александра Сезара Шарля.
Первый демонстрационный полёт без экипажа шарльер совершил 27 августа 1783 г. на Марсовом поле в Париже. Полёт «шарльера» с экипажем состоялся 1 декабря 1783 г. в Париже.
Для того чтобы шарльер поднялся в воздух, газ, которым наполняется шар, должен быть легче воздуха, т.е. быть менее плотным, чем сам воздух. При заданной температуре и давлении плотность любого газа пропорциональна его молекулярной массе. В конечном итоге для того чтобы газ был легче воздуха, его молекулярный вес должен быть ниже молекулярной массы воздуха – 28,98 г/моль.
Грузоподъёмность воздушного шара пропорциональна разности между 28,98 г/моль и молекулярным весом газа. Веществ с молекулярным весом менее 28,98 г/моль и газообразных при комнатной температуре, немного. Это водород (2,016 г/моль), гелий (4,0026 г/моль), неон (20,1797 г/моль), метан (16,04 г/моль), аммиак (17.0306 г/моль), азот (28 г/моль) и пр. Из всех этих легких газов для воздухоплавания применяются водород для беспилотных шарльеров (обладает высокой грузоподъёмностью, недорог, но пожаро- и взрывоопасен) и гелий для пилотируемых шарльеров (обладает высокой грузоподъёмностью, безвреден, безопасен, но дорог). Остальные газы применяются весьма ограниченно из-за своей токсичности, пожаро- и взрывоопасности либо невысокой грузоподъёмности.
Устройство шарльера как воздушного шара отличается от устройства монгольфьера. У первого отсутствует пропановая горелка. Кроме того, шарльер снабжен балластом, который сбрасывается для набора высоты, а также спускным клапаном для сброса газа и снижения высоты.
Особенностью шарльеров является то, что воздушные шары данного типа имеют большую подъемную силу для заданного объема, чем монгольфьеры. Поэтому им не нужно иметь большие объемы купола.
Подъёмная сила (F) шарльера в килограммах на 1 м³ газа-наполнителя при нормальных условиях может быть выражена формулой:
F = (29 – М) / 22,4
где М – молекулярная масса газа-наполнителя.
Например, подъемная сила водорода при нормальных условиях составляет 1,205 кг/м³, гелия – 1,116 кг/м³, метана – 0,58 кг/м³, аммиака – 0,536 кг/м³, азота – 0,045 кг/м³.
Розьеры – воздушные шары, использующие для полета подъемную силу одновременно легкого газа и нагретого воздуха, размещённых в отдельных оболочках. Розьеры также именуются комбинированными воздушными шарами.
Изобретателем первого комбинированного воздушного шара был французский физик Пилатр де Розье. Конструкция состояла из двух соединенных оболочек: верхняя, сферическая, была заполнена водородом, а нижняя, цилиндрическая, — подогреваемым воздухом. По задумке автора, аппарат должен был включать в себя преимущества шарльеров (газовых шаров) и монгольфьеров (шаров с нагретым воздухом).
Первый полёт розьера с экипажем состоялся 15 июня 1785 г. и окончился неудачно при попытке пересечь пролив Ла-Манш. Из-за технической неисправности воздушный шар упал с большой высоты, не отлетев от берегов Франции, и экипаж, состоявший из изобретателя и его помощника, погиб.
Данный тип воздушного шара в настоящее время иногда используется для рекордных полетов на большие расстояния, например, для кругосветных путешествий.
Примечание: © Фото https://www.pexels.com, https://pixabay.com