61848 (Полеты в стратосферу в СССР в 1930-е гг.)

Полеты в стратосферу в СССР в 1930-е гг.

Дружинин Юрий Олегович - к.т.н., ИПУ им. В.А. Трапезникова РАН

Соболев Дмитрий Алексеевич - к.т.н., ИИЕТ им. С.И. Вавилова РАН

30-е гг. XX в. ознаменовались полетами стратостатов - высотных аэростатов с герметической гондолой, которые позволили вести разнообразные исследования (в первую очередь - космических лучей) на высотах более 16 км. На протяжении полутора десятилетий, до появления реактивных самолетов, а также геофизических и метеорологических ракет, стратостаты и радиозонды оставались единственными летательными аппаратами, позволявшими проводить прямые измерения физических параметров высоких слоев атмосферы. В аэростатных исследованиях стратосферы активное участие принял СССР, бросивший вызов ведущим странам Запада. Это внесло в стратосферные исследования элемент соперничества и в известной степени придало им черты космической и лунной "гонки" 1960-х гг.

Полеты первых советских стратостатов - "СССР-1", "Осоавиахим-1", "СССР-1 бис" - неоднократно описывались в историко-технической литературе. Но в 30-е гг. были построены также стратостаты-гиганты "СССР-2", "СССР-3" и "Осоавиахим-2". Сведения о них практически отсутствуют (единственное упоминание содержится в статье Н. В. Якубовича в журнале "Крылья Родины" [1]. Это заставило авторов данной публикации предпринять дополнительные архивные исследования. Они позволили с достаточной полнотой и достоверностью восстановить картину попыток новых стратосферных рекордов, предпринятых в СССР в 1934-1940 гг., а также ответить на вопрос, почему сведения о них не встречаются на страницах советской прессы 30-х гг.

Предыстория высотных полетов на аэростатах

В начале эпохи воздухоплавания немногочисленные научные полеты выполнялись на высотах 2-3 км, на которых аэронавты не испытывали никакого физического недомогания. Только рекордный высотный полет, выполненный 5 сентября 1862 г. английским ученым Джеймсом Глэшером и профессиональным воздухоплавателем Генри Трейси Коксуэллом на аэростате "Mammoth", показал опасность кислородного голодания. Аэронавты, поднявшиеся на высоту 9000 м без кислородных приборов, испытали страшные страдания и избежали гибели только благодаря сильной воле Коксуэлла, сумевшего вовремя открыть газовый клапан для снижения высоты.

15 апреля 1875 г. состоялся полет французских воздухоплавателей Кроче-Спинелли, Сивеля и Тиссандье на аэростате "Зенит" ("Le Zenith"), в ходе которого была достигнута высота 8600 м. Несмотря на то что аэронавты периодически дышали запасенным в специальных баллонах кислородом, на высоте около 8000 м они потеряли сознание. Когда же шар спустился ниже, в живых остался только Тиссандье, а Сивель и Кроче-Спинелли погибли. Выдающийся русский физиолог И.М. Сеченов в своем докладе 21 декабря 1879 г. (2 января 1880 г.) на VI съезде естествоиспытателей и врачей в С.-Петербурге и последующих работах доказал, что причина гибели французских воздухоплавателей "лежит первично в очень сильно и быстро наступающем падении напряжения кислорода в легочном воздухе" [2].

7(19) октября 1875 г. Д.И. Менделеев выступил на заседании Русского физического общества при С.-Петербургском университете с сообщением "О температуре верхних слоев атмосферы" [3]. Находясь под впечатлением трагической судьбы пилотов "Зенита", он предложил использовать для исследования высших слоев атмосферы, наряду с автоматическими беспилотными аэростатами, также и пилотируемые воздушные шары с герметически закрытой гондолой. Высказанные Д.И. Менделеевым идеи можно рассматривать как первое в России техническое предложение принципиальной схемы стратостата [4].

Программа высотных исследований, намеченная Менделеевым, предполагала 15-20 полетов, которые должны были обойтись не менее чем в 30 тыс. рублей. Но денег не нашлось даже на постройку одного высотного аэростата, и в итоге предложение Менделеева так и не было реализовано.

В последующие годы в России с проектами стратостатов выступили известный ученый и изобретатель профессор Новороссийского университета Н.Д. Пильчиков (1893) и военный воздухоплаватель М.Н. Канищев (1911), также не получившими поддержки. Не были реализованы проекты стратостатов и зарубежных изобретателей.

Между тем нижняя граница стратосферы (10500 м) была достигнута 31 июля 1900 г. германскими исследователями А. Берсоном и Р. Зюрингом на аэростате "Preussen" ("Пруссия", объем оболочки - 8400 м3) с открытой гондолой. Несмотря на то что воздухоплаватели были тепло одеты и периодически вдыхали кислород, на высоте свыше 9000 м они неоднократно теряли сознание и едва не погибли.

Малый интерес, проявленный в научном мире к проблеме пилотируемого полета в стратосферу, по-видимому, объясняется тем, что все задачи по исследованию верхних слоев атмосферы (измерение температуры, давления, влажности и даже взятие проб воздуха) могли быть выполнены автоматическими шарами-зондами.

Положение стало меняться после открытия в 1912 г. австрийским физиком Виктором Гессом космических лучей. В течение двух десятилетий аппаратура, применявшаяся для их исследования, прошла путь от простейших электроскопов до камеры Вильсона и счетчиков. Все эти приборы на первых порах требовали присутствия человека в корзине аэростата.

В начале 30-х гг. стратосферные исследования получили поддержку также со стороны военных, так как отдельные рекордные самолеты достигли верхней границы тропосферы, и замаячила идея создания стратосферных боевых самолетов, неуязвимых для зенитной артиллерии и авиации ПВО. Опыт полетов стратостатов мог быть весьма полезен при разработке таких самолетов.

Буквально накануне решительного штурма стратосферы произошли две катастрофы, показавшие насущную необходимость создания герметичной кабины. 4 мая 1927 г. капитан Хауторн Грей (США) поднялся на водородном аэростате объемом 2265 м3 с аэродрома Скотт-Фильд (шт. Иллинойс) и достиг высоты 12944 м в открытой гондоле. Грей был одет в специальный высотный костюм и пользовался кислородной маской. Во время второго полета 4 ноября 1927 г. потолок подъема аэростата остался тем же, но во время продолжительного спуска запас кислорода был израсходован и Грей погиб. Трагедией закончился и полет испанского воздухоплавателя Бенито Моласа, стартовавшего 15 сентября 1928 г. из города Алькала (провинция Альбачете) в стратосферу на шаре "Espana" ("Испания", объем 2200 м3). Он находился в открытой гондоле и пользовался кислородным прибором, поломка которого привела к гибели пилота.

Первым, кто реализовал на практике идею аэростата с герметичной кабиной, стал швейцарский физик Огюст Пиккар, приступивший к исследованию космических лучей. Получив поддержку Бельгийского национального фонда для научных исследований (Fonds Nationale de la Recherche Scientifique), Пиккар назвал свой аэростат в честь этой организации "FNRS". Стратостат с оболочкой объемом 14130 м3 и гондолой из алюминия толщиной 3,5 мм и диаметром 2,1 м был построен зимой 1929-1930 гг. и оборудован необходимой аэронавигационной и научной аппаратурой.

27 мая 1931 г. Пиккар и Кипфер вновь стартовали из Аугсбурга. В ходе полета была достигнута рекордная высота 15781 м (по барографу). Из-за отказа управления газовым клапаном воздухоплаватели должны были находиться в стратосфере до захода солнца, после чего стратостат начал спуск из-за охлаждения газа в оболочке. После семнадцатичасового полета стратостат совершил благополучную посадку в итальянской части Тироля.

18 августа 1932 г. состоялся второй полет "FNRS" с аэродрома Дюбендорф около Цюриха. В этом полете Пиккар и бельгийский физик Макс Козинc достигли высоты 16201 м (по барографу). Эта высота и была зарегистрирована по правилам Международной аэронавтической федерации (ФАИ) как мировой рекорд, хотя по точному геодезическому измерению была определена высота подъема 16940 м. Стратостат совершил посадку в Ломбардии (Италии) недалеко от Дзенцано. В результате второго полета были получены ценные данные по космическим лучам [5].

Успешные полеты Пиккара побудили ученых и конструкторов многих стран мира приступить к проектированию новых стратостатов. Безусловным лидером новых стратосферных гонок являлись США, которые не только воспользовались опытом О. Пиккара, но и пригласили в качестве консультанта его брата - Жана-Феликса Пиккара. Никто в США и во всем мире не сомневался, что именно американские стратонавты в самое ближайшее время превысят рекордную высоту Пиккара. Поэтому первый полет стратостата "СССР-1", значительно улучшивший рекорд Пиккара, произвел ошеломляющее впечатление.

Стратостат "СССР-1"

19 января 1932 г. в Москве председатель Гидрометеорологического комитета РСФСР Н.Н. Сперанский созвал первое заседание по изучению стратосферы. На этом заседании был заслушан доклад метеоролога В.И. Виткевича о задачах изучения стратосферы и образована Комиссия по изучению стратосферы под его председательством.

Первое заседание Комиссии по изучению стратосферы состоялось 22 января 1932 г. На нем был намечен план работ, включавший также постройку стратостата для подъема с людьми на высоту 20-25 км. Члену комиссии М.Н. Канищеву (еще в 1911 г. работавшему над данной проблемой) было поручено разработать проект стратосферного аэростата. Из-за недостатка средств Комиссия не смогла развернуть свою работу, тем более что весною 1932 г. Гидрометеокомитет РСФСР был расформирован. Постройка стратостатов пошла по линии Осоавиахима и Управления ВВС.

Работу по созданию стратостата возглавил командир Отдельного воздухоплавательного дивизиона Г.А. Прокофьев. В проектировании и постройке принимали участие Отдел воздухоплавания ГК НИИ ВВС, кафедра воздухоплавания Военно-воздушной академии им. профессора Н.Е. Жуковского, Научно-исследовательский институт резиновой промышленности и ряд других организаций.

Оболочка стратостата "СССР-1" отличалась от оболочек обычных свободных аэростатов в основном своими размерами - ее объем составлял 24500 м3. Ее размеры и необычная высота предстоящего полета потребовали особой тщательности производства. Изготовили оболочку на московском заводе "Каучук" под руководством К.Д. Годунова. На нее пошло примерно 5000 погонных метров перкалевой материи производства Богородско-Глуховской мануфактуры, на которую нанесли тонкие слои специального резинового состава. Рецептуру и технологические процессы для изготовления ткани оболочки разработали сотрудники Научно-исследовательского института резиновой промышленности Е.Н. Кузина и Г.К. Левитина. Ткань предварительно подвергалась испытаниям на прочность и газонепроницаемость при нагреве, охлаждении, действии рентгеновских и ультрафиолетовых лучей. Оболочка была сшита и склеена из 24 полотнищ меридианно-трапециевидного раскроя. Гондола должна была обеспечить нормальные условия для длительного пребывания людей в сильно разреженном воздухе при очень низкой температуре среды и интенсивном солнечном облучении. Ее конструктором и одним из инициаторов постройки стратостата был начальник Бюро особых конструкций ЦАГИ В.А. Чижевский. Гондола должна была удовлетворять следующим требованиям:

абсолютная герметичность,

достаточная прочность,

хорошая видимость во все стороны,

быстро открывающиеся входные люки,

размещение вне гондолы необходимого для спуска балласта и

надежное устройство для его сбрасывания,

амортизирующее посадочное устройство, предохраняющее гондолу от удара при посадке,

защита от низкой температуры и солнечного нагрева,

удобное размещение приборов.

Изготовили гондолу на московском авиазаводе № 39 им. В.Р. Менжинского.

Гондола шарообразной формы диаметром 2,3 м была склепана из тонких (толщиной 3 мм), выколоченных по форме шара листов дюралюминия и имела каркас из вертикальных стоек, проходящих через обшивку и склепанных с ней фланцами. К нижним ушкам стоек (под гондолой) крепилось стальное кольцо с узлами для посадочного устройства и кольцо для подвески балласта, а к верхним ушкам - кольцо для крепления 24 строп от оболочки. Внутри гондолы с каркасом был соединен горизонтальный пол для экипажа. Каркас, осуществляя связь между оболочкой и посадочным устройством, воспринимал нагрузки от веса балласта, приборов, экипажа. На обшивку гондолы эти нагрузки не передавались, она воспринимала только давление воздуха изнутри.

Гондола имела девять иллюминаторов для кругового обзора диаметром 120 и 150 мм. Несмотря на значительный запас прочности стекол, выдерживавших при толщине 10-15 мм давление свыше 5 кг/см [2], каждый иллюминатор был снабжен аварийной заслонкой. Два входных люка диаметром 750 мм имели запорные механизмы, позволяющие закрывать и открывать их за 5-6 секунд. Крышка люка, отлитая из алюминиевого сплава, имела в центре герметичный сальник с проходящим через него валиком с внутренней и наружной ручками управления. При повороте ручки специальный зубчатый механизм с двумя передаточными валиками поворачивал кольцо у внешнего обвода крышки с шестью конусными бобышками, которые при закрывании выходили под ролики, закрепленные на кольце обшивки и прижимали при этом крышку к резиновому уплотнению в кольце обшивки. При обратном повороте ручки конуса выходили из-под роликов, крышка открывалась и на петлях откидывалась вниз. Посадочное устройство в виде усеченной пирамиды, сплетенной из ивовых прутьев, на которой устанавливалась гондола, служило амортизатором при посадке. При ударе о землю со скоростью 5-7 м/с оно должно было сломаться, поглотив силу удара. Одновременно оно выполняло роль подставки при стоянке гондолы на земле. Его размеры были достаточны, чтобы разместить внутри нее мешки с балластом.

Теория и практика воздухоплавания установили, что начавшийся спуск аэростата с предельно достигнутой им высоты происходит со все возрастающей скоростью. Для того чтобы эта скорость не превысила допустимой величины, необходимо гасить ее сбрасыванием балласта. "СССР-1" мог брать для этого до 1 т балласта в виде мелкой свинцовой дроби в 40 мешках, подвешенных к кольцу гондолы внутри посадочного устройства. Каждый мешок удерживался на кольце штырьком, при его вытаскивании мешок освобождался, но не падал, а, будучи привязан снизу, опрокидывался, и содержимое его высыпалось, не причиняя вреда никому на земле. Вынимались штырьки тросом, наматывавшимся на барабан, вал которого проходил вовнутрь гондолы через герметичный сальник и заканчивался рукояткой. Весь балласт мог быть сброшен за 1-2 минуты. Клапан выпуска водорода, расположенный в верхней точке оболочки, управлялся аналогичным образом, т.е. барабан был вне гондолы, а штурвал - внутри. С его помощью пилоты могли начать спуск стратостата по своему усмотрению. Барабан связывался с клапаном прочным шнуром, проходившим через аппендикс вовнутрь оболочки.