Статьи
Статья

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 и Эйнар Эневолдсон 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 9000 — 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 (2106 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/ч. 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. 

Автор статьи Валерий Смирнов. Статья опубликована в журнале Машины и Механизмы № 133 2016 год.

Читайте также
Почему мозг — не компьютер
Почему мозг — не компьютер
Мозг часто сравнивают с компьютером, а компьютер — с мозгом. Но, строго говоря, это ошибка
«Е-шки» в составе — признак того, что еда безопасна
«Е-шки» в составе — признак того, что еда безопасна
«Продукт без консервантов»? Нашли, чем гордиться.
Главный академик: 140 лет со дня рождения отца советской физики
Главный академик: 140 лет со дня рождения отца советской физики
Если вы не знаете Абрама Иоффе — вы не знаете ничего о физике