Виктор Щукин - Штурм неба [Как изучается атмосфера]

В 1918–1920 годах советский исследователь В. А. Ханевский, используя данные, полученные при шаро-зондовых и шаро-пилотных подъёмах, установил скорость и направление ветра, а также влажность воздуха до высоты в 20 километров.

В начале 30-х годов зондирование атмосферы в Москве было организовано советским метеорологом профессором В. И. Виткевичем. Шары-зонды дали сведения о распределении давления и температуры на больших высотах. Одиночные шары-зонды поднимались на высоту несколько больше 40 километров.

Однако шар-зонд обладает крупным недостатком — он далеко уносит приборы. Не всегда их удаётся найти, а иногда приборы попадают в водоёмы или под дождь, и тогда записи измерений оказываются испорченными. Там, где населённых пунктов мало, выпускать шары вообще не имеет смысла, так как приборы будут возвращаться крайне редко.

Но даже и в том случае, когда прибор найден и возвращён на место выпуска, проходит очень много времени, прежде чем его записи будут обработаны и станет известно, как же изменялись давление, температура и влажность по высоте во время подъёма шара-зонда.

Между тем, в работе Службы погоды необходимо получать эти сведения как можно быстрее — лучше всего непосредственно во время полёта. Ясно, что шары-зонды не могли удовлетворить этим требованиям.

Чтобы получать показания приборов во время самого полёта, был создан новый прибор, получивший название радиозонда (рис. 12).

Рис. 12. Радиозонд в полете.

Радиозонд автоматически с помощью маленького радиопередатчика посылает условные сигналы о величине давления, температуры и влажности на Землю. Идея этого замечательного неодушевлённого исследователя атмосферы принадлежит советскому учёному профессору П. А. Молчанову.

Первый в мире радиозонд, построенный под его руководством, был выпущен в Павловске, около Ленинграда, 30 января 1930 года. Он достиг высоты 9 километров. Этот полет доказал, что автоматическая передача метеоданных на Землю с помощью радиопередатчика возможна. В 1931 году была организована экспедиция в село Полярное, недалеко от Мурманска, для исследования верхних слоёв атмосферы в Арктике. Эта экспедиция дала первые сведения о состоянии атмосферы во время полярной ночи.

В том же году радиозонды выпускались П. А. Молчановым в Арктике с дирижабля [3] Дирижабль — управляемый аэростат с двигателем, перемещающим его в воздухе в нужном направлении. . Эти исследования показали, что в полярных районах среднегодовая нижняя граница стратосферы лежит на высоте около 10 километров; зимой она снижается до высоты в 8–9 километров.

В наши дни организовано систематическое радиозондирование атмосферы. Аэрологические станции два раза в день в одни и те же сроки выпускают в воздух радиозонды. Сведения о температуре, давлении и влажности верхних слоёв, полученные по радио, аэрологические станции сообщают в Центральный институт прогнозов, где составляются очередные прогнозы погоды.

Первые радиозонды П. А. Молчанова достигали высоты 8—10 километров, в 1934 году эта высота увеличилась до 25 километров. Сейчас наибольшая высота подъёма радиозонда составляет 36,5 километра. Это достигнуто в результате совершенствования радиозонда — уменьшения веса приборов и улучшения качества оболочки.

Высота подъёма радиозонда и шара-зонда ограничена главным образом качеством оболочки. Сначала делали матерчатую оболочку. Так как при подъёме вверх объём такой оболочки не изменяется, а плотность окружающего воздуха уменьшается, то уменьшается и подъёмная сила шара. Когда шар достигал высоты, где его подъёмная сила приближалась к нулю, он, плавая в атмосфере, удалялся на большие расстояния от места выпуска.

Чтобы шар поднимался выше и не улетал далеко, матерчатую оболочку заменили резиновой. При подъёме шара давление окружающего воздуха уменьшается, и благодаря этому водород, содержащийся в оболочке, увеличивается в объёме и растягивает её. Но растяжению резины тоже есть предел. На некоторой высоте резина разрывается, и приборы возвращаются на Землю.

Чем лучше качество резины, тем выше может подняться шар. При подъёме шара на высоту до 30 километров объём оболочки увеличивается почти в 90 раз. При этом толщина стенки оболочки уменьшается примерно в 17 раз. При подъёме от 30 до 40 километров объём шара должен увеличиваться ещё почти в два раза.

Совершенно очевидно, что даже для достижения высоты 40 километров оболочка должна быть сделана из резины очень высокого качества.

Ракета. Мы уже знаем, что самолёт не может летать без воздуха. Воздух необходим и для полёта аэростата и шара-зонда.

Ракета же не нуждается в воздухе. Больше того, атмосферный воздух только мешает её полёту, создавая сопротивление её перемещению и несколько ухудшая работу двигателя.

Внешний вид ракеты показан на рисунке 13.

Рис. 13. Внешний вид ракеты.

В камеру сгорания (рис. 14) подаётся горючее (например, керосин) и окислитель (например, азотная кислота).

При горении образуются газы, которые вытекают из камеры через отверстие в её задней стенке.

На рисунке 14, а стрелками изображено распределение давления по поверхности камеры сгорания при работе двигателя у поверхности земли.

Рис. 14. Схема показывает, как возникает сила тяги в ракетном двигателе.

Силы, приложенные к боковым поверхностям и уравновешивающие друг друга, на рисунке не показаны. Сила давления газов на переднюю стенку камеры больше, чем на заднюю, так как площадь задней стенки меньше на величину отверстия; результирующая сила будет направлена в сторону передней стенки.

Тяга всегда направлена в сторону, противоположную направлению вытекающих из камеры сгорания газов. Когда газы выбрасываются в сторону Земли, тяга направлена вверх.

Величина тяги зависит от давления газов в камере и от площади выходного отверстия. Чем больше давление газов и площадь выходного отверстия, тем больше тяга двигателя. Чтобы ракета могла лететь вверх, необходимо, чтобы сила тяги превышала вес ракеты.

Представим теперь, что двигатель работает на такой высоте, где нет воздуха, а значит, нет и внешнего давления. Давление на внутренней поверхности камеры распределится так же, как и в первом случае (рис. 14, б). Исчезновение внешних сил давления приведёт к увеличению результирующей силы, направленной вперёд, хотя процесс горения в камере и распределение давления внутри неё совершенно не изменились. Таким образом, при отсутствии атмосферы ракетный двигатель развивает большую тягу, чем при наличии её. Это ценное свойство ракетного двигателя позволяет использовать его для исследования очень высоких слоёв атмосферы.