Телеканал «Наука» 26 сентября 2018

Планер для стратосферы

Планер для стратосферы — в чем ирония этой фразы? В том, что планер летает за счет плотности воздуха и набирает высоту за счет его восходящих потоков. А в стратосфере, как известно, плотность воздуха чрезвычайно мала. Однако нашлись люди, которых это не остановило!
Абсолютный рекорд высоты полета при взлете с земли установил в 1977 году летчик-испытатель Александр Федотов на самолете Е-266 (прототип МиГ-25). Он достиг высоты 37 650 м, что до сих пор не удалось больше никому. Впрочем, как рассказывал сам летчик, полетом это назвать было сложно: самолет выскочил на высоту, как пробка из шампанского, и через секунды уже начал падение.
На безмоторном летательном аппарате рекорд высоты принадлежит Perlan I — специально построенному планеру, который пилотировали американцы Стив Фоссетт (Steve Fossett) и Эйнар Эневолдсон (Einar Enevoldson) в 2006 году. Пользуясь скоростными восходящими потоками, они достигли высоты 15 445 м — потолка, который недостижим для большинства моторных летательных аппаратов (для сравнения, пассажирские лайнеры летают на высотах 9 000 — 11 000 м). Причем, Perlan I не просто выскочил на высоту, он продержался на ней некоторое время в горизонтальном полете и лишь потом начал, планируя, снижаться. Опытные пилоты использовали эффект так называемых горных волн.
Стратосферные горные волны — еще плохо изученное явление. При столкновении высокоскоростного воздушного потока с горным хребтом на подветренной стороне гряды образуются так называемые подветренные (горные) волны. При этом воздушный поток, пересекая горную гряду почти под прямым углом, подпрыгивает на вершине и устремляется вертикально вверх с огромной скоростью. И эта стена воздуха массой в десятки миллионов тонн может достигать границ стратосферы.
С развитием авиации горными волнами научились пользоваться планеристы. В 1933 году подветренные волны впервые были описаны немецкими энтузиастами — Ганцом Дойчманом и Вольфом Гиртом — над горами Крконоше (наиболее высокая часть Судет на территории Польши и Чехии). Через несколько лет эксперт в области горной метеорологии Йоахим Кюттнер опубликовал детальный анализ формирования подветренных волн. Он также описал явление волновых роторов — воздушных воронок, очень опасных для авиации.
В 1940 году недалеко от американского городка Бишоп в Калифорнии военные построили небольшой аэродром. И все бы ничего, если бы не фокусы, которые выкидывала там атмосфера: воздушные возмущения проявлялись совершенно неожиданно и, казалось, беспричинно. После войны аэродром передали в собственность города Лос-Анджелес, под нужды гражданской авиации, и пилоты пассажирских судов быстро прозвали полеты в этом районе «пилотажем над крышкой гроба». Последней каплей терпения авиационной администрации США стал, вероятно, казус с истребителем сопровождения P-38 Lightning. Весной 1950-го этот тяжелый двухдвигательный самолет заходил на посадку и уже снижался по глиссаде, когда был подхвачен воздушным потоком и буквально выброшен на высоту около 10 км.
После этого случая при аэродроме Бишоп создали группу для изучения поведения воздушных масс с подветренной стороны горных хребтов Сьерра-Невады, в частности, для изучения явления горных волн. Проект получил название Sierra Wave. Руководителем был назначен уже известный нам Йоахим Кюттнер, который к тому времени стал признанным авторитетом, и отнюдь не кабинетным: за его плечами уже было три мировых рекорда высоты на планере и работа в NASA. В его команде оказался Эйнар Эневолдсон — будущий авиационный инженер, летчик-испытатель и создатель амбициозного проекта Perlan. Правда, тогда он был счастлив уже тем, что ему за еду и ночлег позволяют обслуживать «летающие лаборатории» — так громко именовались два стареньких планера Pratt Reed PR-G1, напичканные аппаратурой.
Долгое время считалось, что максимальная высота, на которую планер может вынести горная волна, — это граница тропосферы и стратосферы, то есть 10-15 км. На этой высоте мощный восходящий поток ослабевает и рассеивается стратосферными горизонтальными потоками. Но еще главный исследователь горных волн, Йоахим Кюттнер, предположил, что существуют более мощные вертикальные потоки, которые возникают на высоте 10-15 км. Когда горная волна сталкивается на этой высоте с сильным воздушным течением, может возникнуть так называемая «волна столетия». Она обладает чудовищной кинетической энергией, огромной скоростью и уходит глубоко в стратосферу. Находясь в центре этого потока, можно вообще ничего не ощущать, но на границах течения скоростная волна буквально рвет так называемый «медленный воздух» в клочья, закручивая его в роторные потоки. Попадая в них, любой летательный аппарат мгновенно превращается в груду обломков.
Спустя годы подтверждение теории Кюттнера получил Эневолдсон. А метеорологами и атмосферными физиками было установлено, что зимой на полюсах земного шара воздушные потоки спускаются ближе к поверхности Земли и закручиваются вокруг своей оси. Когда эти вихревые образования достигают Анд, они и могут стать причиной возникновения самых мощных и высоких горных волн — стратосферных.
Эневолдсон мечтал оседлать стратосферную волну, которая вынесет его планер к началу космоса. Свой проект он окрестил Perlan. Метеорологи называют так перламутровые облака на высотах 15-30 км: они кажутся светящимися из-за отражаемого солнечного света, преломления лучей в каплях воды, превратившихся в сферические льдинки.
К реализации мечты Эневолдсон приступил в 1990 году, однако первые девять лет прошли в бесплодных попытках найти спонсоров или заинтересовать в экспериментах какой-либо институт. Реальный шаг к мечте позволила сделать только встреча с другим фанатиком рекордов, миллиардером Стивом Фоссеттом. Он сделал карьеру на бирже, но мировую известность получил как путешественник, альпинист и рекордсмен в воздухоплавании и парусном спорте. Фоссетт сразу согласился на предложение Эйнара Эневолдсона слетать на планере в стратосферу. Но для начала нужно было его построить.
Выбор пал на мотопланер Glaser Dirks 505M. Это была обычная серийная машина, которая подверглась значительной переделке: размах крыльев увеличили до 29 м, усилили остекление, обновили авионику. Двигатель демонтировали — его место заняла кислородная система и система жизнеобеспечения. Эйнар сконструировал и установил на планер парашютную систему аварийного снижения.
Сделать кабину герметичной не было возможности, поэтому у NASA арендовали высотные компенсирующие костюмы. На высоте, которую планировали достичь пилоты, температура достигает –56-75 °С, атмосферное давление не превышает 0,1 атм., что равняется давлению на Марсе. Без кислорода на высоте 10 км пилот теряет сознание в течение 50 секунд, а на высоте 15 км за 5 секунд наступает смерть. И это еще не все «прелести» полета, которые поджидали экстремалов.
Скорость движения планера можно контролировать только по приборам, при этом истинная скорость будет отличаться от приборной в разы. Поэтому запас прочности у летательного стратосферного аппарата должен быть намного больше, чем у его атмосферного собрата. А с учетом того, учитывая то, что в стратосфере никто и никогда еще не пилотировал планер, можно смело назвать такой полет прыжком в неизвестность.
В 2002 году Perlan с бортовым номером N577SF, наконец, выкатили из ангара. Осталось определиться с местом для старта. Для стратосферного прыжка, который задумали Эневолдсон и Фоссетт, нужны определенные метеоусловия, которые могут сложиться только в трех местах Земли.
Первое — шведская гора Кебнекайсе (2 106 м), которая входит в Скандинавский хребет и находится в 150 км севернее Полярного круга. Вторая точка лежит на противоположной стороне земного шара, в Новой Зеландии, где на острове Южный. Горы Южные Альпы, которые находятся на этом острове, давно популярны среди планеристов из-за преобладания сильных ветров, которые наиболее благоприятствуют подъему на восходящих потоках. И, наконец, третьим уникальным местом стали горные хребты Патагонии, а точнее, пресноводное озеро Лаго-Архентино в аргентинском национальном парке Лос-Гласьярес.
Три года пилоты пытались поймать волну в Новой Зеландии, но выше 12 км им подняться не удалось. Летом 2006 года, по рекомендации метеоролога, команда перебралась в Патагонию. В этот раз выбор места был удачным: в первый же пробный полет над Андами машину вытолкнуло на 10 500 м — но тут засбоил датчик давления в костюме Фоссетта. Костюм раздуло так, что он грозил заклинить органы управления планером, да и самого Стива практически вдавило в кресло. Нужно было снижаться для посадки. После небольшой потери высоты датчик в костюме заработал, но неисправность могла возникнуть вновь и в самый неподходящий момент. Решение было сложным. Продолжать полет — значит подвергнуть опасности второго пилота, завершить полет — отказаться от мечты на неопределенное время. Зима заканчивалась, а вместе с ней и наиболее благоприятные условия в Южном полушарии. Эневолдсону было 74 года, медкомиссия могла забраковать его для полетов в любой момент. Экипаж принял решение продолжить полет в поисках новой волны. Подняться удалось только до 10 600 м. В тщетных поисках потока планер полчаса кружил, успев залететь на территорию сопредельного Чили. Вернувшись в Аргентину, он внезапно был подхвачен мощным воздушным потоком. Температура в кабине упала до +10 °С, пилоты были измотаны: к этому времени они находились в воздухе уже около пяти часов. Но упускать шанс было нельзя. На высоте 15 500 м летчики решили начать снижение, хотя вертикальный поток не ослабевал.
После успешного спуска и посадки планера командой Perlan было установлено, что Стив и Эйнар на высоте около 10 км попали на подошву другой, более высотной волны. Планер как бы пересел с одного скоростного лифта на другой, который и вынес их в стратосферу. Метеорологическая модель, показания системы GPS и бортовых самописцев зафиксировали подъем на высоту 15 460 м.
Дальнейшие обстоятельства складывались довольно трагично и для проекта Perlan, и для пилотов. Переделанный планер уже исчерпал свой ресурс и морально устарел, поэтому Perlan IN577SF отправился на вечную стоянку в музее авиации в Сиэтле. Эйнар Эневолдсон оставил полеты по настоянию врачей. А в 2007 году, подыскивая площадку в горах Сьерра-Невада, разбился в полете на одномоторном самолете меценат проекта Стив Фоссетт.
Однако Perlan не закрыт — идея подняться на планере в стратосферу нашла сторонников, и не только среди энтузиастов: проектом заинтересовался концерн-гигант Airbus Industries. Разработкой стратосферного планера занялись профессиональные конструкторы, аэродинамики и дизайнеры. И 23 сентября 2015 года этот аппарат с космическими очертаниями (и уже герметичной кабиной) «попробовал» воздух на аэродроме Roberts Field в штате Орегон. Perlan II набрал высоту 15 250 м и показал скорость 643 км/час. Начиная с лета 2016 года, проект Airbus Perlan II базируется в Патагонии и проходит финальную стадию испытаний. Его научная программа включает измерения уровня аэрозолей и парниковых газов, а также изучение процессов обмена энергией между тропосферой и стратосферой. Полученная информация поможет значительно улучшить существующие климатические модели… и позволит пилотам впервые в истории «лицом к лицу» увидеть перламутровые облака.
Публикация подготовлена при участии научно-популярного журнала «Машины и механизмы».
Комментарии
Читайте также
У здания парламента в Финляндии пройдет акция протеста «желтых жилетов»
Посидеть на могилке: в Пскове на остановке вместо лавки установили надгробие XIX века
Красные листья над древней улочкой в Сучжоу
Проблему с новой схемой вывоза мусора в Забайкалье хотят решить мозговым штурмом
Последние новости
12 фактов об адронном коллайдере
Подземные сокровища
Конкурс «Снимай науку!» становится международным