Солнечные тепловые шары

“Люди всегда мечтали летать. Сегодня эта мечта стала кошмаром для экологии. А что, если бы мы могли летать по-другому?»

Томас Сарасено

Сегодня отмечается день гражданской авиации. Смысл праздника напомнить важность авиации, особенно международных авиаперевозок, для социального и экономического развития мира. Сам смысл этого развития все чаще в наше время приобретает зеленый оттенок, и все больше критики с точки зрения экологов достается именно международным перевозкам.

И все это в основном относится к аппаратам тяжелее воздуха, несмотря на то что сам факт начала полета человека начался с воздушных шаров.

А точнее тепловых воздушных шаров, которые и придали самому понятию авиация изначальный смысл, но вскоре утратили его по причине своей тихоходности и зависимости от погоды.

Но в наше время все более актуальным становятся вопросы экологичности и независимости от потенциальных мест посадки. И поэтому стоит вновь рассмотреть варианты возможного второго возрождения изначальной авиации — аэронавтики.

Конечно сейчас тепловые шары летают тоже используя углеводородное топливо для поддержки положительной плавучести, но так было не всегда!

Более того по отношению к всем тепловым воздушным шарам утверждать такое теоретически неверно! А чтоб стало понятнее для начала приведу один исторический пример.

4 июня 1783г в городе Анноне близ Лиона, братья Монгольфье провели первую публичную демонстрацию запуска воздушного шара, наполненного дымом. Этот шар был сделан из бумаги и представлял собой просто прототип без нагрузки. Он поднялся на высоту 1600-2000 метров и пролетел около 2 км в течение 10 минут. Второй шар при высоте 18,5 метров, и диаметре 13 метров, был сделан из ткани, а не бумаги как часто упоминают в этой истории. Он впервые поднял трех животных — барана, петуха и утку. А после успеха полета со временем в небо подняли и людей. Маркиз Пилатра де Розье, и друга братьев д’Арланд. Они поднялись уже на новом шаре похожей конструкции, но больше размером и адаптирован под перемещение людей. Высота шара равнялась 22,5 м, диаметр 15 м.
15 октября 1792г Пилатр де Розье совершил первый привязной полет, поднявшись до высоты 25 метров. Потом, были совершены ещё несколько пробных полетов, и вместе с д’Арландом он таким же образом поднялся до высоты 100 метров.

Наконец, 21 ноября 1792 года состоялся первый полет свободного аэростата с Пилатром и д’Арландом на борту. Поднявшись на высоту 1000 метров, шар пролетел 8 км над Парижем, и опустился через 45 минут в пригороде Парижа. Но был еще один полет… между этими датами. Так 29 мая 1784 года воздушный шар Академии Дижона (3565 м3), аналогичный Монгольфье был надут обычным воздухом.

«Комиссары» посчитали целесообразным оставить его в таком состоянии до следующего дня, чтобы дать высохнуть некоторым участкам, которые только что были покрыты лаком.

Они заметили, что термометр поднялся до 39 градусов, в то время как на солнце он показывал всего 23°. Несколькими днями ранее они заметили, что он поднялся до 60° при тех же обстоятельствах, но они не отметили наружную температуру в это время (температура, вероятно, указывается в «градусах Реомюра», почти единственных, используемых в это время).

30 мая, около полудня и половины, поднялся сильный ветер и начал трясти воздушный шар. 2 человека остались на страже, намереваясь удержать его за стежки сети. Куски сети порвались в их руках, и аэростат взмыл вверх, но после достижения высоты в 162.5 метра упал на землю, предварительно подняв воздух одного из рабочих на удерживающей веревке, вес которого был всего 37 килограмм.

Это был первый официально задокументированный полет человека на «солнечном тепловом воздушном шаре». Хоть и не преднамеренный.

И что еще более важно, если подумать о потенциальном воздействии солнечного излучения на все предыдущие полеты совершаемые днем… все они в определенной степени проходили не без помощи тепла от света Солнца.

Из чего можно сделать вывод, что фактически все воздушные тепловые шары получают часть энергии для подъемной силы от Солнца при движении днем.

И естественно это касается не только шаров, но и дирижаблей.

Хотя с последними обычно часто было наоборот, если несущим газом был не воздух. Так печально знаменитый дирижабль Гинденбург имел внешнюю оболочку из хлопка, легированного смесью отражающих материалов, предназначенных для защиты газовых мешков внутри от излучения, как ультрафиолетового (которое могло бы повредить их), так и инфракрасного (которое могло бы вызвать их перегрев).

В то же время для современных шаров Монгольфье сейчас эффект строго обратный.

Воздухоплаватели давно заметили что чем темнее шар, тем меньше расход газа днем при перемещении.

Черный цвет не популярен у воздухоплавателей-любителей, но иногда встречается. Но говорить о том что эти шары специально сделаны с мыслью об большем использовании солнечной инсоляции не приходится.

Для этой цели в истории были отдельные примеры о которых стоит поговорить.

Один из первых доказанных примеров, если не считать полета солнечного шара для доказательства теории древних шаров Наска, можно считать полет «тетруна».

Предполагаемый шар Наска выглядел похожим образом

То, что в доколумбову эпоху индейцы не знали тайны воздухоплавания, признают все знатоки истории и культуры древней Америки. Однако рисунки насканской пампы как бы подсказывают иное мнение. И потому не удивительно, что после того, как гигантская «галерея» на юге Перу вызвала всеобщий интерес, в Пампа-де-Наска появился Джим Вудмэн. Это был человек, который искал следы древних индейцев не только на земле, но и в воздухе и пытался доказать, что далекие предки нынешних жителей этого района были способны не только создавать огромные изображения, но и подниматься в облака, обозревать свои творения с высоты птичьего полета.
Эксперимент Вудмэна, получивший краткое название «Наска», не убедил исследователей древнеамериканских культур в том, что древние индейцы совершали полеты в воздухе. Однако сам по себе этот эксперимент настолько интересен, что с учетом некоторых вполне законных оговорок о нем стоит упомянуть.
Вудмэн старался обнаружить косвенные свидетельства и факты, говорящие о том, что в доколумбовой и послеколумбовой Америке были известны полеты на воздушном шаре. Сведения он собирал не один, а с большой группой сотрудников — любителей и профессионалов — Международного общества исследователей (International Explorers Society) с центром в Корал-Гейблз, во Флориде, которое и финансировало проект «Наска».
И он нашел аналог косвенно в… Европе! Португалец бразильского происхождения Бартоломеу де Гусман возможно заимствовал идеи древних наска во время колонизации и построил шар для демонстрации перед королем. Его назвали «Passarola », что в переводе с португальского означает «Воробышек». Говорят, что шар будто бы несколько раз пролетал над Лиссабоном на высоте более 1000 метров. Единственным пассажиром был сам Бартоломеу де Гусман, которого лиссабонцы стали называть «О Voador» (дословно: «Летающий человек»)
Этот факт был отображен на почтовой марке, выпущенной в 1944 году и стоившей 120 крузейро, где изображены Гусман и его воздушный шар. У последнего своеобразная форма, напоминающая перевернутую пирамиду. Именно так, согласно утверждениям инициаторов проекта «Наска», выглядели и предполагаемые воздушные шары перуанцев доколумбовой эпохи.
Зная форму воздушного шара индейцев, Вудмэн и его друзья стали искать материал, из которого древние перуанцы могли соорудить свой воздушный корабль. Монсеньор Гусман для верхнего покрытия «Воробышка» использовал хлопчатобумажную ткань. Хлопчатобумажными тканями, как было известно сотрудникам Международного общества исследователей, пользовались и древние насканцы. Но были ли они достаточно плотны и пригодны для верхней оболочки воздушного шара?
Ответить на этот вопрос участникам проекта «Наска» помог один из членов МОИ — ее представитель в Перу Михаэль де Бакей. Он заведовал в Лиме туристским бюро, которое специализировалось на прогулочных полетах над «картинной галереей» в Пампа-де-Наска.
Бакей не верил в пустынный «космодром», не заинтересовала его и теория о «взлетных полосах». Внимание руководителя туристского бюро привлекли «отверстия» в земле, главным образом по краям трапеций и прямоугольников. Обнаруженные здесь кучки камней производили такое впечатление, будто длительное время находились под воздействием сильного жара. Так же выглядели и почерневшие камни в окружности 10–15 метров от каждого из «отверстий». Обгорелые края светлых площадок в Пампа-де-Наска можно объяснить по-разному: возможно, создатели гигантских «рисунков» разжигали здесь большие костры, чтобы погреться (ведь ночью в пустыне становится холодно), а может быть, они устраивали кострища в честь своих божеств или, может быть… Де Бакей предложил другое толкование. Не обрабатывали ли индейцы в ямах свои ткани дымом для того, чтобы придать им большую плотность? Не исключено, что обработанная дымом материя повышала прочность оболочки воздушного шара!
Члены МОИ решили провести эксперимент. Они начали искать неразграбленные могилы насканцев, чтобы получить в свое распоряжение более или менее хорошо сохранившиеся ткани. Затем, взяв несколько керамических сосудов, на которых был якобы изображен полет воздушного шара, а главное, шесть образчиков насканских тканей, они вылетели в американский город Су-Фолс (штат Южная Дакота), где находится крупнейший в мире завод по производству аэростатов, приводимых в движение нагретым воздухом. Результаты испытания насканских тканей в лабораториях фирмы «Рейвен» были весьма положительными. Хлопчатобумажные ткани насканцев оказались значительно плотнее современных тканей. В настоящее время аэростаты производят из тканей, на одном квадратном сантиметре которых насчитывается 65 X 35 волокон. На квадратном сантиметре древних насканских тканей содержалось 75 X 40 волокон, а в образчике парадной ткани — даже 80 X 45 волокон! Итак, индейцы полторы тысячи лет назад умели вручную вырабатывать значительно более плотные ткани, чем те, которые вырабатывают самые современные станки. Остальные лабораторные испытания также прошли успешно. Ткани не были тяжелыми. Измерительный прибор — тестер «Фрейзер 513» — засвидетельствовал еще один невероятный факт: воздухопроницаемость у древнеперуанских тканей меньше, чем у тех, из которых ныне изготовляют парашюты. Итак, лабораторная проверка тканей древних насканцев показала, что из них можно изготовить воздушный шар, пригодный для полета. На этом закончился первый этап эксперимента. Вудмэну и его коллегам не удалось доказать, что перуанские индейцы сооружали воздушные шары, приводимые в движение нагретым воздухом, однако они все же установили, что далекие предки современных индейцев могли создавать из известных им материалов летательные аппараты, не нуждающиеся в двигателе.

Так в мае 1973 года Трейси Барнс, тесно сотрудничая с коллегами Карлом Стефаном и Доддсом Меддоком, совершил первый полет на солнечном воздушном шаре с «консервированным двигателем»(до это в течении 10 лет проводились эксперименты на эту тему).

Этот шар был сделан из спиральной трубки ткани, которая была сформирована в тетраэдр.

На борту своего черного трехгранника Трейси пролетел около десяти минут и совершил безопасную посадку на небольшом поле. В том же году он также был удостоен награды Федерации воздухоплавания Америки за разработку солнечного воздушного шара и успешный полет на нем.

Тогда впервые в истории авиации солнечная энергия стала единственным источником подъемной силы, но основным недостатком была ограниченная маневренность воздушного шара или медленная реакция между моментом выпуска воздуха или охлаждения и восстановлением потерянной высоты. Эти проблемы характерны для большинства солнечных шаров и сейчас, но были и исключения с более стабильной управляемостью.

Так летом 1996 года Жан-Поль ДОМЕН совершил первый свободный полет солнечного воздушного шара на расстояние 300 м. Воздушный шар был диаметром 16 м, надутый окружающим воздухом (без добавления пара). Это простая оболочка из черного полиэтилена толщиной 15 микрон. В верхней части установлен клапан диаметром 2,5 м. Нижнее отверстие имеет ширину около 2 м; пропеллер, приводимый в действие электродвигателем, позволяет надувать/сдувать воздушный шар для контроля высоты.

Еще он тестировал воздушные шары «Bulle d’Orage» (громовая ячейка) в период с 1992 по 1996 год. Идеей этих шаров была энергия солнца добытая косвенно.

Жан-Поль ДОМЕН нашел решение в огромном количестве энергии, доступной в грозах: в кучево-дождевом облаке вертикальная скорость может достигать 100 м/с из-за тепла, выделяемого конденсирующимся водяным паром. После чего он задавшись вопросом «А что, если мы сделаем то же самое с воздушным шаром, заключающим в себе небольшое облако?» сделал… парогенератор для заполнения шара собственной разработки.

Очевидно что Жан-Поль тут был вдохновлен опытами Монгольфье, которые тестировали закачку пара ранее в бумажную оболочку своего шара с негативным результатом, на основании того что… считали что раз облака это пар, и он летает, у них может получиться его «запрячь».

Водяной пар хранится прямо в оболочке аэростата. Во время подъема солнце нагревало воздух, и когда достигая высоты точки росы (в солнечный летний день на высоте около 2000 м), далее именно конденсация водяного пара обеспечивает необходимую энергию для продолжения подъема.

Далее было много испытаний реализованных под контролем CNES (Centre National d’Etudes Spatiales) (своего рода французское N.A.S.A.), целью которых было поднять тяжелый груз в стратосферу:

15 мая 1992 года груз 1 кг под воздушным шаром 30 м3 поднялся на высоту 18000 м,

6 мая 1993 года воздушный шар 600 м3 поднял груз 40 кг на высоту 12200 м,

февраль 1996 года воздушный шар 8000 м3, диаметром 25 м поднял груз 270 кг на высоту высота 12000 м

Но после финансирование прекратилось и Жан-Поль ДОМЕН переключился на более прибыльные и нужные исследования по опреснению морской воды.

В те же годы в Латинской Америке, молодой энтузиаст из Колумбии, г-н Алехандро Урибе, спасал традицию воздушных шаров в Бразилии при помощи перевода местной традиции запуска воздушных шаров с горелками на солнечную тягу.

Дело в том что в Южной Америке (особенно в Бразилии) существует традиция запуска воздушных шаров (иногда более 60 м в высоту).

Они сделаны из шелковой бумаги или крафт-бумаги, построены населением. Эти шары являются частью местного народного искусства. Они также являются частью многих больших ярмарок. Эти шары бывают всех размеров и форм, несут баннеры, ночью они освещаются свечой, подвешенной внизу, которая нагревает воздух в шаре (по аналогии с китайскими фонариками).

Дети и взрослые согласно традиции должны следовать за шарами все время и попытаться первыми поймать их, когда они вернутся на землю.

Но эти шары могут стать причиной большого пожара (так в декабре 1995 года бумажный шар поджег, полностью уничтожил промышленный завод Renault. После чего полиция уничтожила все строящиеся шары, и запретила все полеты в Колумбии).

В Бразилии полиция запрещает эти шары, и их строительство законодательно еще с 1998 года!

Поэтому чтобы сохранить традицию Алехандро Урибе экспериментировал с солнечными шарами, чтоб внедрить их вместо старых огнеопасных. Он вспомнил трюк, который был показан на основе молочных пакетов еще в восьмидесятых: цилиндрический солнечный шар (такой же, как Pif Gadget) сделанный по сути из мусора летал относительно неплохо.

Он провел модернизацию традиционных шаров из шелковой бумаги, за счет замены её на полиэтилен… и шар полетел практически так же!

А в 1998 году он сделал уже 5-метровый солнечный шар, собрав его из черных мусорных мешков, один из таких шаров со светоотражающей частью был принят за НЛО и вызвал большой страх у населения.

31 декабря 1999 года, он надул полиэтиленовую конструкцию длиной 135 м, весом 250 кг и с 17 км клейкой ленты на нем! Совершив полет на нем на глазах многочисленных зрителей, прессы по традиции он играл на флейте, пролетая на воздушном шаре, чтобы вызвать удачу.

Воздушный шар поднимался несколько раз на одном месте, теряя форму, но потом совершил полет над городом. Однако в результате 15 минутного полета воздухоплаватель зацепился за несколько линий электропередач, после чего упал. Затем воздушный шар был восстановлен, и через 20 дней он успешно поднялся вновь в воздух 23 января 2000 года! Так появилась традиция запуска не только беспилотных шаров, но и людей на самодельных воздушных шарах!

Его красочные огромные шары стали настолько популярными, что был организован Фестиваль солнечных шаров, который остается ежегодным основным мероприятием, привлекающим как волонтеров, так и энтузиастов. Этот фестиваль спонсируется иногда несколькими компаниями и правительством.

Традиция создания самодельных солнечных шаров получила развитие так же и в Аргентине. Но несколько под иным углом вопроса.

28 января 2020 года в Салинас-Грандес, Жужуй, Аргентина, художник Томас Сарасено запустил второй раз Fly with Aerocene Pacha, огромный солнечный тепловой шар, символизирующий победу над углеродной зависимостью полетов аэростатов.

Впервые в истории один человек поднялся в небо, используя только тепло солнца и воздух, и даже для накачки шара он надувался с помощью вентиляторной системы с педальным приводом.

А первый полностью солнечный, привязанный полет D-OAEC совершил 8 ноября 2015 года в Уайт-Сэндс, Нью-Мексико. При этом зависнув на 2 часа 55 минут, он тогда стал самым продолжительным сертифицированным пилотируемым полетом в своем роде.

При нормальных обстоятельствах полета шара на горячем воздухе с пилотом и пассажиром потребовал бы 324 литра топлива, чтобы совершить такое же путешествие.

Полеты при помощи Aerocene Pacha стал самыми продолжительными полетами человека на полностью солнечном воздушном шаре, который когда-либо был зарегистрирован с учетом нулевого углеродного следа.

Для сравнения средний воздушный шар (2200 м3) потребляет около 136 литров жидкого пропана за один час полета. Это эквивалентно 207 кг CO2e (при 1,522 кг CO2/л) или эквивалентно выбросам углерода при проезде среднего автомобиля на расстояние 1250 км.

Та же организация Aerocene пропагандируя использование солнечных шаров изобрела их новый вид, более простой в изготовлении и использовании.

Завершая рассказ о солнечных шарах думаю стоит упомянуть об различных самодельных конструкциях аэростатов для подъема одного человека внешне похожих на нечто из области современного искусства.

Первый пример — шар «59 шагов, чтобы подняться в воздух с помощью солнечной энергии» от проекта Aerocene.

Этот проект Томаса Сарасено в сотрудничестве с архитектором Наталией Миодрагович создан при помощи мусорных мешков, прозрачной ленты, веревок, велосипедных колес и других бросовых материалов для изготовления конструкции.

Авторы дают инструкцию на процесс сборки разбитую на 59 очень подробных шагов (а работе двух человек на выполнение проекта уходит около 24 часов).

Второй пример похожего шара неизвестных авторов сделан из больших полос пленки.

Оба эти проекта за счет открытости солнечному излучению со всех сторон в прозрачных участках света на первый взгляд решают задачу равномерного нагрева воздуха внутри.

А так же легче поддаются ремонту за счет большего количества сегментов подходящих для замены.

Так же в тех участках, где свет проникает внутрь шара через прозрачную часть, и попадает на темный участок с другой стороны может быть замерен больший нагрев за счет эффекта теплицы.

Еще несмотря на свою странную конструкцию у такого рода шаров может быть даже решена правовая сторона вопроса.

Так в течение нескольких лет существовала категория Международной авиационной федерации (FAI) для солнечных аэростатов, но она почти никогда не использовалась! Это класс A, подкласс AT, определенный в соответствии со Спортивным кодексом FAI, раздел 1 – Аэростаты. Часть 2.1.1.5: Подкласс AT: Свободные аэростаты, не попадающие в подклассы AA, AX, AM или AS.

Свободный аэростат(этот и многие описанные ранее), который получает свою плавучесть в результате нагрева воздуха с использованием только солнечных и/или внешних источников излучения, может быть включен в этот подкласс.

Но при этом все равно остается риск правовых претензий при свободном полете, поэтому сообщество Aerocene рекомендует делать из таких шаров «воздушные скульптуры»(а по факту шары на привязи).

Это немного напоминает предложение архитектора Андреаса Тьелдфлаата, что не удивительно. Потому что Aerocene так же во многом состоит из творческих людей.

P.S. — Подобные методы в теории способны повысить КПД перевозок шарами, уменьшив углеродный след, и опять же заставляют задуматься об возможном продолжении подобной практики упрощения.

Но, и в том что есть, присутствует определенный потенциал помимо описанного.

Например, естественный свет как мы знаем может быть постоянным в дни полярного дня или «белых ночей».

И там же в полярных и приполярных областях, как правило, тропосфера всегда ниже чем на экваторе (8 — 10 км в зависимости от погоды).

Подробнее с цифрами

Полярный день — период, когда Солнце не заходит за горизонт дольше суток. Полярный день — следствие наклона плоскости экватора Земли к плоскости эклиптики, который составляет примерно 23°26′. Самый короткий полярный день наблюдается на широте полярного круга — 66°33′ за вычетом радиуса солнечного диска (15-16′) и атмосферной рефракции (на уровне моря в среднем 35′), итого около 65°43′. Таким образом, полярный день можно наблюдать в городах, лежащих немного южнее северного полярного круга (к примеру Новый Уренгой), в то время как полярной ночи там наблюдаться ещё не будет. Самый долгий полярный день наблюдается на полюсах — более 6 месяцев. На Северном полюсе это примерно 190 дней с 19 марта по 25 сентября, на Южном — 184 дня с 21 сентября по 23 марта. Во время полярного дня на протяжении каждых суток Солнце не заходит за горизонт, а описывает круг вдоль линии горизонта. Интересно, что благодаря рефракции в течение примерно 4 суток вблизи равноденствий Солнце светит одновременно на обоих полюсах.
Вблизи полярных кругов, с внешней стороны, наблюдаются белые ночи.
Белые ночи — ночи, в течение которых естественное освещение остаётся достаточно высоким, то есть вся ночь состоит лишь из сумерек. Явление наблюдается в высоких и приполярных широтах обоих полушарий перед летним солнцестоянием и после него.

Время наступления белых ночей и их продолжительность зависит от географической широты. Точного астрономического определения понятия «белые ночи» не существует. Например, под этим может пониматься явление, когда вся ночь представляет собой интервал непрерывных гражданских сумерек от захода до восхода солнца. Необычайно светлые ночи могут наблюдаться и в более низких широтах в том случае, когда в стратосферу попадает мелкодисперсная взвесь, рассеивающая солнечный свет на больших высотах. В частности, такое явление наблюдалось после падения Тунгусского метеорита.

А при взлете на поверхности которой есть высокая отражающая способность(вода/снег) первый этап полета пройдет легче. Опять же это если в целом для большего нагрева не греть шар зеркалами на старте.

P.S. 2 – Если говорить о стационарном использовании тепловых аэростатов были оригинальные примеры.

Проект солнечной электростанции предлагал Роберто Грен в своей работе «Солнечные шары как смешанные системы солнечной и ветровой энергии»(2010). Он предполагал что солнечные воздушные шары, в которых солнечное излучение используется для непосредственного нагрева воздуха в воздушном шаре, могут быть использованы в качестве смешанной энергетической системы, которая использует как солнечное излучение, так и высотные ветры. В теории если воздушный шар нагреть на уровне земли, а затем отпустить, то восходящий дрейф из-за солнечной энергии и боковой дрейф из-за ветра могут быть использованы для выработки энергии за счет разматывания троса с генератором. На большой высоте воздушный шар полностью сдувался бы (за исключением небольшой камеры, заполненной гелием, которая предотвращает падение воздушного шара) и возвращался обратно к земле (и при этом аэродинамическое сопротивление при спуске было бы сильно меньше по отношению к подъему). Ранее похожую идею описывал Эдмондс (2009), где применение обычных воздушных шаров для производства/генерации энергии было представлено как система которая использовала воздушный шар, нагреваемый на уровне земли внешним солнечным коллектором. Потенциально такие системы могли бы быть дополнены солнечными панелями по причине явной просадки выработки энергии при спуске из-за цикличности процесса.