В XVI веке английский ученый Скалигер предлагал сделать из тончайшего золота оболочку и наполнить ее горячим воздухом. Еще через сто лет появился роман Сирано де Бержерака «Иной свет, или Государства и империи Луны», в котором наряду с целым рядом интересных проектов летательных аппаратов для воздушных путешествий описано устройство, похожее на монгольфьер. Герой романа с помощью двух герметических, наполненных дымом оболочек долетает почти до самой Луны, где выпускает дым, и, пользуясь оболочками как парашютом, спокойно опускается на ее поверхность.
В первой половине XVIII века, согласно летописи, рязанский подьячий Крякутный сделал большой шар, «налил дымом поганым и вонючим, от него сделал петлю, сел в нее, и нечистая сила подняла его выше березы».
И все же отсчет принято вести с 5 июня 1783 года, когда во французском городе Аннон братья Этьен и Жозеф Монгольфье подняли в воздух шелковый шар объемом 600 кубических метров. Оболочка шара изнутри была оклеена бумагой, а на нижнем его отверстии была укреплена решетка из виноградных лоз, которая устанавливалась на подмостках. Под подмостками был разведен костер, и горячий воздух с дымом поднял шар на высоту двух километров. Вот почему произошло название монгольфьер в отличие от шарльера, названного в честь профессора Шарля, запустившего 27 августа 1783 года шар, наполненный водородом.
Первый полет с людьми состоялся 21 ноября 1783 года. Огромный воздушный шар высотой 21 метр с двумя смельчаками на борту плавно оторвался от земли. Оба аэронавта старательно поддерживали огонь в корзине. Полет продолжался 45 минут и окончился плавным спуском за городом на расстоянии девяти километров от места старта. Кстати, интересно отметить, что Жозеф Монгольфье только один раз поднялся на шаре своей конструкции, а его брат Этьен ни разу!
Через десять дней после подъема первых людей на монгольфьере профессор Шарль наполнил оболочку диаметром восемь метров водородом и вместе с помощником Робертом вошел в подвешенную под шаром гондолу. Полет длился 2 часа 5 минут и проходил на высоте около 400 метров. После приземления Шарль решил продолжить полет один. Высадив Роберта, он поднялся на высоту 2 километра и через полчаса, выпустив часть водорода, совершил мягкую посадку. Но… выходя из гондолы, Шарль поклялся «никогда больше не подвергать себя опасностям таких путешествий». До последнего дня своей жизни Шарль оспаривал у Монгольфье славу изобретения воздушного шара – ведь шар с нагретым воздухом был изобретен задолго до Монгольфье.
Шарль изобрел веревочную сеть, охватывающую шар и передающую на него весовые нагрузки, он изобрел клапан, воздушный якорь и первый применил песок в качестве балласта, сконструировал барометр для измерения высоты. По сравнению с монгольфьером шарльер был более совершенной конструкцией.
Но шарльеры имели и большой недостаток – для их наполнения необходимо иметь на месте старта запас газа легче воздуха (водород или гелий), в материалоемкой таре, а после окончания полета этот газ нужно выпускать в атмосферу. Это повышало стоимость эксплуатации шаров, использующих в качестве наполнителя водород или гелий.
Впереди у монгольфьеров и шарльеров был долгий путь до наших дней, ничем особо не примечательный, отмечавшийся кратковременными взлетами и падениями вплоть до второй половины XX столетия. Появление новых термостойких материалов для оболочек, эффективных горелок вдохнуло в них вторую жизнь.
Вскоре после второго рождения воздушных шаров появились комбинированные конструкции, сочетающие в себе достоинства обеих традиционных. Оболочка была поделена на две части. Верхняя наполняется легким и негорючим гелием, а нижняя – горячим воздухом. Подогревая его в ходе полета пропаном, этаном или керосином, сжигаемым в специальных горелках, аэронавты регулируют высоту полета. Этот тип воздушных шаров называют иногда розьерами – в честь одного из первых воздухоплавателей Жана Франсуа Пилатра де Розье, погибшего в 1785 году, когда его шар, наполненный смесью горячего воздуха и водорода, загорелся в полете.
Выбор топлива для нагрева воздуха в оболочке является определяющим фактором в летно-технических характеристиках монгольфьеров. Ведь чем большей теплотой сгорания обладает килограмм топлива, тем меньше топлива необходимо брать в полет, тем лучшими летно-техническими характеристиками будет обладать монгольфьер: он сможет дольше находиться в воздухе, пролетит большее расстояние или поднимется на большую высоту.
Наши предшественники для нагрева воздуха вначале использовали все, что могло гореть, – ветви деревьев, солому, уголь и т д. В дальнейшем перешли к нефти, горючим газам, древесному углю. Выбиралось то топливо, которое могло быстро и эффективно прогреть воздух в монгольфьере, быть дешевым и доступным.
В итоге остановились на смеси пропана с бутаном в равных долях. Она, правда, несколько хуже чистого пропана, так как обладает меньшей испаряемостью и горелки приходится оснащать дополнительными устройствами для увеличения испаряемости.
«Несмотря на это, – пишет в своей книге Ю.С. Бойко, – подавляющее большинство современных монгольфьеров работает на пропан-бутане. Он широко распространен в быту, дешев, а технология его хранения и транспортирования хорошо отработана. Он отличается легкостью зажигания и тушения, малым количеством твердых продуктов сгорания и нетоксичностью.
Неузнаваемо изменились и горелки. Теперь это устройства, насыщенные регулирующими и контролирующими механизмами, автоматически поддерживающими необходимую температуру горячего воздуха в оболочке.
Газовые баллоны, как правило, выполняются из алюминиевых сплавов. Жидкий пропан в них находится под давлением 10-20 атмосфер, причем над жидким пропаном находится газообразный пропан, поступающий к фитилю, который горит от начала полета и до его конца. Силу горения фитиля настраивают регулятором. Назначение фитиля – зажигать основную горелку во время полета. После прогрева до необходимой температуры воздуха в оболочке основную горелку в целях экономии газа выключают. Когда пилот замечает по вариометру начало спуска монгольфьера, что вызывается охлаждением воздуха в оболочке, основная горелка вновь включается, воздух подогревается и монгольфьер поднимается. Мощность горелок современных монгольфьеров составляет 1,8-4,6 МВт».
Однако воздух в оболочке можно нагреть, не только сжигая какое-либо топливо на борту воздушного шара. Есть еще один источник тепла – солнце. И если оболочку выкрасить в черный цвет, то она будет аккумулировать солнечную энергию. По такому принципу в 1973 году в США построили монгольфьер «Солар файрфлай», который совершал полеты с использованием только энергии солнечных лучей. Во Франции был разработан ряд воздушных шаров, использующих инфракрасное излучение солнца. Они получили название МИР. Основное их отличие в том, что воздух в оболочке нагревается не только атмосферной радиацией инфракрасного диапазона, но и земной.
Оболочка МИР разделена на две части. Верхняя часть практически не излучает инфракрасной радиации ввиду особого покрытия внешней поверхности оболочки, например, алюминированным майларом, поэтому тепло скапливается под ней. Нижняя часть выполнена из прозрачной полиэтиленовой пленки с отверстием внизу. Когда такой аэростат летит над районом земли, где вверх направлен тепловой поток, то оболочка нагревается и появляется дополнительная аэростатическая подъемная сила. Днем воздушный шар поднимается, ночью опускается, но не до земли, а до некоторой высоты, где излучение земли достаточно для поддержания повышенной температуры воздуха в оболочке.
Конечно, высота полета воздушного шара будет зависеть от многих факторов: широты местности и сезонов года, ясности неба и времени суток и т д. В стратосфере аэростатическая подъемная сила от тепла солнца и земли всегда положительна, то есть воздушный шар может летать над всей поверхностью земли днем и ночью.
Высоту полета днем и ночью позволяет изменить воздушный клапан, находящийся в верхней части оболочки и управляемый небольшим двигателем, питаемым от бортового источника энергии. Когда клапан открыт, теплый воздух в оболочке замещается холодным, поступающим через нижнее отверстие, диаметр которого больше диаметра клапана. Причем объем оболочки остается постоянным.
