На пусковой площадке близ техасского городка Палестайна рвется ввысь наполняемый гелием исследовательский аэростат.
Переведено из журнала «Мозаик» с разрешения Национального научного фонда США.
На лицах под касками отражалось нервное напряжение. Запуск аэростата «Флайт 969-Р» был кульминацией многолетних исследований и завершающим этапом многих месяцев подготовительной работы над программой полета. Для астрофизика Роберта Голдена и его группы ученых из Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства предстоящие несколько часов были решающими.
Полезная нагрузка была готова к полету. На белой оболочке высокого контейнера играли отблески лучей заходящего солнца. Контейнер с полезной нагрузкой весил более 2200 килограммов и содержал самое современное электронное оборудование общей стоимостью свыше миллиона долларов, предназначавшееся для обнаружения и измерения частиц космических лучей.
Запуск в стратосферу аэростатов с приборными контейнерами — постоянная работа сотрудников Национальной станции аэростатных научных исследований, расположенной у городка Палестайн в Техасе. Станция находится в ведении Национального центра по изучению атмосферы, который, в свою очередь, подчиняется некоммерческой Университетской корпорации по атмосферным исследованиям. Деятельность этой корпорации финансируется Национальным научным фондом. В Палестайн съезжаются ученые со всего мира для запуска своей аппаратуры в стратосферу. Станция осуществляет всю необходимую работу по запуску аэростатов, что дает ученым возможность целиком сосредоточиться на экспериментах в области метеорологии, химии атмосферы, физики космических лучей, гамма-астрономии, рентгеновской астрономии, ультрафиолетовой, инфракрасной и оптической астрономии или другой отрасли науки, изучающей околоземное пространство.
Теория воздухоплавания восходит по крайней мере ко временам Леонардо да Винчи, но практические полеты на воздушных шарах начались только в конце XVIII столетия. После пристальных наблюдений за поведением дыма в дымовых трубах, французы Жозеф и Жак Этьен Монголфье успешно запустили в 1783 году первый летательный аппарат легче воздуха. Потенциальные возможности «монгольфьера», как тогда называли наполненный горячим воздухом аэростат, очень скоро стали очевидны. В том же году другой француз Жан Франсуа Пилатр де Розье совершил первый полет на аэростате. Еще один француз Жак Александр Сезар Шарль в том же 1783 году разработал аэростат, наполняемый водородом.
С самого начала аэростат рассматривался как ценный инструмент для научных исследований. В 1804 году французский физик Жозеф Гей-Люссак поднялся на аэростате на высоту 4,6 километра для изучения воздушных течений, колебаний температуры и давления и скорости ветра в атмосфере. Другие ученые быстро развили эту работу. В течение XIX и в начале XX столетий пилотируемые, а с 1910 года непилотируемые полеты аэростатов все шире и шире используются для сбора научной информации.
Однако быстрое развитие авиации в XX столетии оттеснило летательные аппараты легче воздуха на задний план. Наряду с катастрофами, вроде взрыва цеппелина «Гинденбург» в 1937 году, это способствовало почти полному прекращению разработок аэростатов и дирижаблей. После Второй мировой войны, благодаря целому ряду факторов, вновь возник интерес к аэростатам. На смену водороду пришел негорючий гелий. Химики создавали легкие и все более прочные полиэтиленовые (а позднее полиэфирные) пленки. Аэростаты росли в размерах. Они были способны нести более крупные контейнеры с полезной нагрузкой, состоявшей из более сложной автоматической научной аппаратуры. Астрономы поняли, что аэростат дает возможность вынести приборы из насыщенных помехами слоев атмосферы.
В Соединенных Штатах инициатива принадлежит Военно-морскому флоту, выдвинувшему проект «Скайхук». Начиная с 1947 года Научно-исследовательское управление ВМФ проводило обширную программу исследований в стратосфере. Осуществив более трех тысяч запусков шаров-зондов, ученые из Военно-морского флота получили данные о составе верхних слоев атмосферы, проделали исследования инфракрасного излучения, космических лучей и других астрофизических явлений. Одновременно с этим они значительно развили навыки и технику запуска аэростатов.
Военно-воздушные силы США тоже разработали программу научных исследований с помощью шаров-зондов. Цель программы состояла в изучении больших высот, где будет действовать авиация будущего.
Потом аэростаты снова оказались в тени. Создание искусственных спутников Земли, казалось, поставило их будущее под угрозу. Конечно, ИСЗ зарекомендовал себя необыкновенно ценным инструментом исследования. Но такие исследования часто оказываются слишком дорогостоящими или труднодоступными. Многие ученые опять обратили свои взоры к аэростатам.
Сегодня аэростаты играют вполне определенную роль в исследовании околоземного пространства. Преимущество наземных астрономических приборов — в их больших размерах, но наблюдениям с поверхности Земли мешает атмосфера. Значительно лучшие данные можно получить с помощью легких малогабаритных приборов, поднятых самолетом на высоту 15 километров. Аэростат же легко достигает высоты 45 километров, и установленные на нем приборы позволяют производить измерения за пределами 99,8 процента земной атмосферы. Аэростаты, кроме того, позволяют измерять характеристики составных частей атмосферы. Спутники, разумеется, летают еще выше, но стоимость исследований возрастает с высотой. Таким образом, аэростаты часто дают ученым единственную в своем роде возможность производить исследования в стратосфере при умеренных затратах.
Старт в верхние слои атмосферы аэростату дает пусковая автомашина по имени «Крошка Тим».
«Когда-то запуск воздушного шара был несложной задачей, с которой могла справиться без посторонней помощи любая группа ученых-энтузиастов, — говорит Роберт Кубара, руководитель операций в Палестайне. — Теперь же запуск представляет собой комплексную проблему и требует точной координации действий технического персонала, машин и электроники».
Когда «Флайт 969-Р» был собран на стартовой площадке, руководитель запуска Юджин Дефрис и метеоролог Дан Кристиансон произвели заключительную проверку. Барометрическое давление в Люфкине (Техас) отличалось от давления в Далласе меньше, чем на два миллибара. Поэтому приземные ветры будут, по-видимому, менее восьми узлов. Радар метеорологической службы не предвещал никаких гроз в районе запуска. Данные, полученные в результате регулярных запусков метеорологических ракет в Уайт-Сэндс (Нью-Мексико) и на острове Уоллопс (Вирджиния), указывали на сравнительно слабые ветры переменных направлений в стратосфере.
Дефрис дал сигнал техникам. Из гелиевого резервуара грузовика начали выпускать газ в прозрачный баллон по длинным трубам, прикрепленным к нему с каждой стороны.
Полиэтиленовая оболочка толщиной 17,8 микрона была наполнена 5500 кубическими метрами гелия за 68 минут. На высоте, где аэростат плавает в воздухе, его объем должен был достигнуть 650 000 кубических метров. 1 июня 1975 года со станции был запущен самый крупный, аэростат, который когда-либо поднимался в воздух, — его объем равнялся полутора миллионам кубических метров. Существуют планы запуска аэростата объемом в два миллиона кубических метров.
На 152 метра протянулась по стартовой площадке пластмассовая оболочка аэростата, готовая к наполнению гелием. |
У «Крошки Тима», на котором размещался контейнер с полезной нагрузкой, заработал двигатель. Водитель внимательно слушал по внутреннему переговорному устройству указания Дефриса, сидевшего перед машиной на помосте, с которого можно было непосредственно видеть как аэростат, так и контейнер с полезной нагрузкой.
С контрольной вышки запросили Федеральное авиационное управление об окончательном разрешении на запуск. Контролеры Федерального авиационного управления будут следить за полетом аэростата точно так же, как они следят за полетами самолетов.
Заработала аппаратура видео— и звукозаписи.
Прозрачный мешок силился сорваться с привязи. Теперь длинный и стройный баллон с гелием, сконцентрировавшимся в верхней его части, принял вертикальное положение. Техники закончили последнюю предстартовую проверку количества гелия в оболочке. Двигатель «Крошки Тима» заревел во всю силу. Руководитель запуска расположился на большом грузовике с подветренной стороны аэростата.
Дефрис дал команду отпустить аэростат. Гигантская катушка откинулась в сторону, освободив полиэтиленовый мешок. Аэростат рванулся вверх. Пластмассовая оболочка зыбилась на ветру.
В то время как аэростат поднимался, двигаясь в направлении автомашины, Дефрис был готов освободить контейнер с полезной нагрузкой в нужный момент. Поспешишь — он столкнется с пусковой установкой, опоздаешь — шар волоком потащит по стартовой площадке контейнер с миллионной аппаратурой.
Приземной ветер понемногу относил поднимающийся аэростат в сторону. Дефрис дал указание водителю «Крошки Тима» вести машину вдоль новой траектории дрейфа аэростата.
Затем освободили контейнер с полезной нагрузкой. Он снялся с пусковой платформы и вместе с баллоном стал подниматься все выше и выше.
Голден, который был одним из 69 кандидатов, отобранных в 1967 году Национальным научно-исследовательским советом для подготовки в качестве ученого астронавта, с волнением наблюдал, как аэростат поднимался. Внезапно он вспомнил, что тут-то и начинается его работа. Он вскочил в грузовик и направился по проселочной дороге к контрольной вышке.
Там аэростат уже взяли под постоянное наблюдение, которое будет продолжаться до его возвращения на Землю. Слежение за аэростатом осуществлялось целым рядом методов. Визуальное сопровождение с помощью наземных приборов позволяло рассчитать положение аэростата с точностью до двух километров. Наземный радар мог сопровождать его на расстоянии до 90 километров от Палестайна. Система радиозондов, использующая установленный на аэростате 300-милливаттный передатчик, давала сигнал для зеркальной параболической антенны автоматического сопровождения, которая сообщает точные координаты аэростата в пределах до 160 километров от базы. Используя навигационную сеть ВМФ «Омега», технический персонал станции мог наблюдать за положением аэростата по всей территории Соединенных Штатов. Наконец, один из двух самолетов, принадлежащих станции, должен был постоянно находиться вблизи аэростата для радио— или визуального сопровождения.
Оснащенный датчиками температуры, давления и высоты уходит в стратосферу аэростат сверхвысокого давления.
«Флайт 969-Р» поднимался со скоростью 244 метров в минуту, пока не достиг расчетной высоты, близкой к 34,5 километра. На этой высоте плотность гелия равна плотности окружающего воздуха. Аэростат перешел на режим «плавания в воздухе». По мере того, как наружное давление понижалось с высотой, шар увеличивался в размерах и принимал форму гигантской брюквы.
Шансы на успех полета были неплохие. Примерно из ста запусков аэростатов в научных целях девяносто заканчиваются успешно. Неудачи большей частью связаны с дефектами или разрывами непрочной пластиковой оболочки. Один из наиболее ответственных этапов полета — это запуск аэростата: после того, как шар переходит на режим плавания, вероятность успешного завершения полета оценивается весьма высоко.
На командной вышке станции группа сотрудников Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства уже изучала предварительные данные, которые посылала на Землю научная аппаратура. Блок электронной аппаратуры аэростата был предназначен для измерения траектории космических лучей в магнитном поле. Среди этой аппаратуры находились восемь многонитевых пропорциональных счетчиков, расположенных один над другим по вертикали. Каждый из счетчиков содержит сотни нитей, работающих на манер счетчика Гейгера. Когда частица космических лучей проникает в гондолу аэростата, под действием ее электрического заряда одна нить в каждом из восьми счетчиков регистрирует импульс. После того, как частица пройдет через все восемь счетчиков, ученые могут построить ее траекторию с точностью до 0,2 миллиметра.
В приборном контейнере с одной стороны был установлен магнит, притяжение которого искажает траекторию низкоэнергетических частиц космических лучей больше, чем на сантиметр.
В предыдущей работе группа Голдена подтвердила результаты измерений свойств позитронов, попадающих в верхние слои атмосферы из космоса, которые были получены учеными Калифорнийского университета в Беркли. Исходя из теоретических представлений о том, что при образовании вещества образуется такое же количество антивещества, ученые строят предположения о свойствах такого антивещества в межгалактическом пространстве. Антивещество должно нести противоположный электрический заряд по отношению к заряду вещества. Магнитное поле должно отклонять вещество и антивещество в противоположных направлениях. Электрон антивещества должен нести положительный заряд, отсюда его название «позитрон». В ходе более ранних запусков своего аэростата группа ученых из Беркли зарегистрировала 11 позитронов. Голден и его группа зарегистрировали позднее 44 позитрона.
Хотя эти результаты вызывают захватывающий интерес ученых, статистика измерений была недостаточна для анализа ряда характеристик. Например, большое количество регистрируемых позитронов может указать на долготу пути, который проходят космические лучи в космосе, таким образом позволяя развить теорию о месте их возникновения. В предыдущих исследованиях позитронов максимальная погрешность вычислений составляла примерно 30 процентов.
Основная задача запуска аэростата «Флайт 969-Р» заключалась в том, чтобы обнаружить новые позитроны и создать более полную кладовую данных для этих важных исследований. Вторую задачу группа Голдена видела в поисках первых доказательств существования космических антипротонов (протонов с отрицательным зарядом). «Космические лучи таят в себе ключ к тайне происхождения Вселенной, — говорит Голден. — Мы проводим такие измерения, каких никто до сих пор не производил. Для этого нам приходится выносить за пределы атмосферы аппаратуру весом 2000 килограммов на целый день. Аэростат — единственное практическое средство для решения этой задачи».
В 1961 году представители Университетской корпорации собрались в главном управлении Национального научного фонда в Вашингтоне, чтобы обсудить функции недавно созданного Национального научно-исследовательского центра по изучению атмосферы. Они выслушали предложения ряда ученых о необходимости создания национальной станции для запуска аэростатов. Такие станции были у Военно-морского флота и Военно-воздушных сил США, а также у некоторых частных фирм, но не было ни одной государственной станции со свободным доступом для всех заинтересованных исследователей. Поскольку воздушные шары являются одним из важнейших средств для изучения атмосферы, было решено создать Национальную станцию аэростатных научных исследований под эгидой Национального научно-исследовательского центра по изучению атмосферы.
Ветры в стратосфере периодически меняют направление с востока на запад, поэтому нужно было выбрать место для станции в центральной части Соединенных Штатов. Кроме того, в районе станции должны господствовать относительно хорошие условия погоды у поверхности земли. Поиски места будущей станции сузились до двух пунктов близ городков Хоп в Арканзасе и Палестайн в Техасе. Принимая во внимание схему коммерческих воздушных полетов, Федеральное авиационное управление высказалось в пользу Палестайна, и выбор пал на него. Было приобретено 200 гектаров земли по соседству со старой армейской воздушной базой близ Палестайна. Первый запуск состоялся в 1963 году.
Теперь, имея на своем счету свыше тысячи запусков, техасская станция стала играть ведущую в мире роль по использованию аэростатов для научных исследований. Станция производит запуски аэростатов для ученых, приезжающих со всех концов земного шара. Персонал станции выезжает в Австралию, Италию, Аргентину, Канаду, Бразилию и другие страны, где оказывает помощь при запусках аэростатов.
Интерес к аэростатным атмосферным исследованиям быстро возрос, когда в связи с проблемой окружающей среды возникли вопросы, касающиеся влияния различных веществ на состав земной атмосферы. Ученые разработали ряд методов наблюдения за качеством воздуха в стратосфере с помощью приборов, установленных на борту аэростата. Они научились замораживать пробы воздуха в стратосфере и доставлять их на землю для исследования, пропускать воздух через фильтры и изучать задержанные материалы, запускать в небо спектрометры и проводить оптические измерения. С помощью этих и других методов исследователи атмосферы изучают концентрацию воды, водорода, окиси углерода, метана, закиси азота, хлористого водорода, озона и других компонентов верхних слоев атмосферы. Помимо наблюдения за изменениями в химии атмосферы, эти исследования позволяют получать основные представления о составе защитной оболочки Земли, имеющей для нас жизненно важное значение.
Неожиданным для создателей станции явился растущий интерес к новейшей астрономии — к изучению Вселенной путем наблюдения космических лучей, гамма— и рентгеновских лучей, инфракрасного и других излучений.
Научный сотрудник Университета штата Аризона профессор Фрэнк Лоу, который регулярно пользуется услугами станции, объясняет, какую важную роль играет аэростат в его исследованиях инфракрасных излучений Млечного Пути: «В инфракрасной астрономии возможности исследований ограничены фоном тепловых излучений околоземного пространства. Чем выше вам удается поднять телескоп, тем лучше. Мы занимались изучением инфракрасного излучения из центра нашей Галактики. Чтобы вынести измерительную аппаратуру за пределы теплового фона Земли, мы установили ее на борту реактивного самолета, который поднимался на высоту 15 километров. На аэростате нам удалось поднять приборы на высоту порядка 30 километров. Результаты наблюдений улучшились в два с лишним раза. При измерениях с самолета мы теряли более холодные, более протяженные по спектру фоновые излучения. Измерения с аэростата позволили нам обнаружить большие количества вещества — основной компонент нашей Галактики, — которого не удавалось наблюдать раньше. Эти облака материи, возможно, представляют собой материал, из которого образуются звезды. Изучая их, мы, по-видимому, сможем получить значительно более точную картину образования звезд».
К другим важным результатам аэростатных исследований можно отнести:
- Обнаружение сверхтяжелых ядер среди частиц космических лучей.
- Обнаружение азотной кислоты и закиси азота в стратосфере.
- Открытие и подтверждение существования высокоэнергетического гамма-излучения из пульсаров.
- Измерение вертикального распределения фторуглеродов и хлористого водорода в атмосфере.
- Наблюдение рентгеновского излучения во время лунного затмения Крабовидной туманности.
- Открытие водяных паров в атмосфере холодных звезд.
- Измерение содержания метана и окиси углерода в стратосфере.
- Разработка коронографа, предназначенного для установки на борту космической лаборатории «Скайлаб».
- Обнаружение более ста галактических источников инфракрасного излучения.
- Измерение содержания атомарного кислорода в стратосфере.
- Сбор и описание космической пыли, аналогичной, как было показано, наиболее примитивным из известных в солнечной системе материалам — углеродистым каменным метеоритам хондритам.
Станция в Палестайне работает круглый год, но периоды наибольшей нагрузки — это весна и осень. Весной, когда солнце нагревает полярные воздушные течения в Северном полушарии, над Северным полюсом образуются области высокого давления, зимние ветры в стратосфере изменяют направление и дуют по часовой стрелке. Осенью, когда ветры холодные, образуется область низкого давления, и возникают ветры, направленные против часовой стрелки. В эти переходные периоды, которые длятся около двух недель, ветры в стратосфере слабы и переменчивы. Аэростат может оставаться в пределах радиуса действия наземной аппаратуры по приему радиоданных значительно дольше. В течение большей части года максимальное время полета близко к восьми часам, тогда как в переходный период полет продолжительностью 36-48 часов считается вполне обычным.
Переходный период особенно удобен для исследования космических лучей и других научных экспериментов, направленных на поиски редких явлений. Чем дольше остается аэростат в режиме «плавания», тем больше вероятность зарегистрировать редкое явление.
Аэростат «Флайт 969-Р» медленно двигался на восток от Палестайна, затем изменил направление под действием легких ветров переходного периода и начал перемещаться на запад. Роберт Голден был в восторге. Предварительные показания приборов указывали на присутствие позитронов (присутствие или отсутствие антипротонов предстояло установить позднее).
Прошла ночь, потом день. К наступлению второй ночи приборы регистрировали космические лучи уже более 25 часов подряд.
Наконец, аккумуляторы в приборном контейнере исчерпали запас энергии. Эксперимент был закончен. Голден и его группа выключили всю аппаратуру и пошли спать. Ночная смена персонала станции бодрствовала. Утром техники попытаются вернуть контейнер с научной аппаратурой на землю.
Когда на следующий день взошло солнце, аэростат парил в стратосфере над городом Уэйко. С контрольной вышки в Палестайне вызвали Федеральное авиационное управление и уведомили его об окончании полета. После этого управление полетом аэростата было передано пилоту самолета.
Описывая широкие круги перед аэростатом, пилот искал подходящее место для спуска контейнера, удаленное от населенных пунктов. С помощью телеуправления он запалил четыре пироболта, освобождающие парашют с контейнером.
Ничего не произошло.
Пилот повторил всю последовательность команд.
Аэростат продолжал плыть в воздухе.
Пилот немедленно связался по радио со станцией. Обычно работы по завершению полета и возвращению на землю полезного груза проходят гладко: из тысячи проведенных полетов только два закончились потерей полезного груза.
Вышка послала второй самолет к аэростату. По-видимому, у первого самолета отказало сигнальное оборудование. Наспех проглотив утреннюю чашку кофе, Голден вскочил в джип и присоединился к бригаде по спасению груза.
Второй самолет приблизился к аэростату и тоже послал команды на освобождение контейнера.
Опять ничего не произошло.
Единственное, что оставалось, это ждать до 14:30, когда таймер на борту аэростата должен был автоматически отделить контейнер с полезной нагрузкой. Таймер был частью одной из двух резервных систем, предназначенных для автоматического завершения полета.
Наконец, время наступило и прошло. Таймер не сработал.
Оставалось одно: попытаться снизить аэростат до высоты примерно 16 километров, на которой система освобождения груза должна была сработать под действием барометрического давления. Из Палестайна аэростату послали сигнал выпустить часть гелия. Команда подействовала. Аэростат, двигавшийся теперь на запад в сторону Хиллсборо, начал медленно снижаться.
Спасательная бригада примчалась по проселочным дорогам в район спуска. «В Хиллсборо мы сидели перед закусочной «Стаки», пили кока-колу и смотрели в небо, — вспоминает Голден. — Аэростат напоминал гигантский вафельный рожок с мороженым. Нам оставалось только ждать».
Аэростат «Флайт 969-Р» снизился на высоту около 16,5 километра. Ничего не произошло. Барометрическое устройство расцепки тоже не сработало, и отделения парашюта от аэростата не последовало. Выпустили еще некоторое количество гелия. Аэростат, полезный груз которого оставался на месте, парил на высоте 14,5 километра.
Быстро обсудив положение, все пришли к мнению, что одновременный выход из строя нескольких резервных систем весьма маловероятен и что осложнения скорее всего связаны с неполадками в механизме расцепки. Решили, что, если ускорить спуск аэростата, то вытянувшийся кишкой парашют частично раскроется, уменьшит давление на соединительные замки и обеспечит расцепку.
Были посланы команды на открытие клапанов для выпуска гелия, и когда система сработала, аэростат начал быстро опускаться. На высоте примерно 4500 метров парашют раскрылся, и произошла расцепка. Расчет оказался верным.
Контейнер с аппаратурой для изучения космических лучей плавно опустился под оранжево-белым куполом с голубого техасского неба прямо в озеро Наварро-Миллс.
Участники спасательной бригады, получая по радио указания с самолета, быстро прибыли к месту «приводнения», заняли у рыбака лодку, прибуксировали контейнер к берегу, погрузили на грузовик и отвезли в Палестайн, где аппаратуру подвергли тщательной проверке. Она была в отличном состоянии и работала нормально.
Основная задача была успешно выполнена. Приборы зарегистрировали более 400 позитронов. Эти данные позволят исследователям получить гораздо более точные характеристики антивещества, помогут определить проходимое позитронами расстояние в пределах погрешности пять процентов — против 30 процентов в прежних исследованиях.
«Возрождение аэростата только началось, — говорит Альфред Шипли, который руководит станцией в течение последних пяти лет. — С тех пор как открылась эта станция, возможности аэростатов быстро расширяются. По мере того как нам удается запускать более крупные аэростаты на большую высоту и на более продолжительное время, научный мир выдвигает новые задачи, требующие от нас еще больших достижений. Интерес к научным исследованиям с помощью воздушных шаров проявляют все больше и больше стран. Программы научных работ осуществляют Франция, Индия, Австралия, Канада, Бразилия, Япония и другие государства. С нами сотрудничают в нашей деятельности много международных групп. Стратосфера принадлежит всему миру, и научные исследования с помощью аэростатов могут служить хорошим средством для взаимопонимания между странами. Освоение более продолжительных полетов будет иметь важные последствия».
Одна из основных задач станции — усовершенствование научно-технических средств управления полетом аэростата. Инженеры станции разработали многие из систем контроля и управления, которые стали стандартными средствами обслуживания полета воздушных шаров, используемых для современных научных исследований. Но главная исследовательская задача, которая теперь стоит перед станцией, — это создание необходимой базы для продолжительных полетов аэростата. Шипли представляет себе одновременный полет десятков аэростатов во всем мире, причем запускающие их страны будут обмениваться полученными данными. Малые страны, которым не по средствам исследовательские спутники, смогут участвовать в аэростатных исследованиях.
Типичный аэростат, запускаемый на станции, это так называемый аэростат нулевого давления. Он не герметизирован. Если аэростат остается в полете ночью, то гелий остывает, и аэростат теряет подъемную силу, поэтому для сохранения высоты необходимо сбрасывать балласт. Утром, подогреваемый лучами восходящего солнца, аэростат снова поднимается, достигая прежней высоты. При правильном применении балласта аэростат нулевого давления может оставаться в полете в течение нескольких дней.
Для еще более продолжительных полетов требуется аэростат сверхвысокого давления, у которого выпуск газа не предусмотрен. Благодаря этому, аэростат сверхвысокого давления может находиться в полете месяцами, и высота полета лишь незначительно колеблется при изменении окружающих условий. Однако при их современной конструкции такие аэростаты не могут нести очень большую полезную нагрузку. Задача состоит в создании достаточно прочного аэростата, способного выдерживать изменения давления, связанные с чередующимися периодами нагрева и охлаждения, и в то же время достаточно большого, чтобы нести значительную полезную нагрузку.
Разработка аэростата сверхвысокого давления для атмосферных исследований входила в программу, получившую название «Техника глобального горизонтального зондирования». В ходе осуществления этой программы из полиэфирной пленки был создан небольшой аэростат сверхвысокого давления с оболочкой диаметром 3,5 метра, который несет полезную нагрузку весом 1,5 килограмма. С мая 1975 года по январь 1976 года Национальный научно-исследовательский центр по изучению атмосферы запустил свыше 400 таких аэростатов в Южном полушарии в рамках комбинированного эксперимента с участием искусственного спутника. Этот эксперимент по изучению тропических ветров, преобразования энергии и исходного уровня продемонстрировал ценность данного метода исследований и позволил собрать массив важных данных.
На аэростатах, запущенных в рамках упомянутого эксперимента, были установлены системы датчиков для регистрации давления, температуры и высоты аэростата. Эти данные передавались в эфир и принимались приемником, установленным на борту искусственного спутника «Нимбус 6», когда тот проходил над аэростатами. Кроме того, аэростаты посылают спутнику сигналы, по которым можно определить скорость и направление движения аэростатов при дрейфе под действием ветра на высоте примерно 14 километров.
Из 411 аэростатов, запущенных в рамках эксперимента, 33 пересекли экватор, двигаясь из Южного полушария в Северное. Аэростаты пересекали экватор лишь в двух узких зонах между 180° и 140° восточной долготы (от центральной Австралии до международной линии суточного времени) и между 0° и 30° западной долготы (между Южной Америкой и Африкой над Атлантическим океаном). Участники программы полагают, что связь между двумя полушариями на уровне 14 километров обусловлена наблюдающимися в тропиках особенностями планетарной циркуляции атмосферы, которые часто называют ложбинами низкого давления.
Эти ученые обнаружили также, что аэростатная платформа с аппаратурой, регистрирующей давление, температуру и высоту, может служить мощным инструментом для изучения волнового движения в верхних слоях атмосферы. С помощью таких платформ удалось наблюдать исключительные по своему характеру вертикальные воздушные течения, связанные с глубокими конвективными циркуляциями в тропиках. Один аэростат поднялся примерно на 700 метров за семь минут, то есть скорость его вертикального перемещения была 1,7 метра в секунду в отличие типичной скорости вертикального движения аэростата, измеряющейся сантиметрами в секунду. Это указывает на скорости вертикального движения воздуха порядка трех-четырех метров в секунду, которые велики даже для глубоких тропических конвективных бурь.
Группирование аэростатов позволило провести также статистические наблюдения вихревых движений в большем масштабе. Вопреки предполагаемому произвольному направлению их дрейфа, аэростаты, запущенные в тропиках, часто «избегали» определенных областей пространства и собирались плотными группами в других областях. Например, группирование аэростатов над тропическими районами Атлантического океана носило устойчивый характер, указывая на тенденцию ветров в верхних слоях и конвергенции, или движению внутрь, над этой географической областью. В окрестности восточного муссонного течения над Северной Африкой, Индийским океаном и Индонезией аэростаты фактически не появлялись в продолжение всего эксперимента, откуда следует, что над этими точками ветры дуют кнаружи, то есть имеет место дивергенция ветра. В средних широтах не наблюдается больших областей устойчивой средней дивергенции или конвергенции ветров такой величины, как в верхних слоях. Дальнейший анализ должен показать, каким образом эти особенности тропических зон увязываются воедино с общей картиной циркуляции атмосферы.
«Ключ к успеху — это материал, — говорит Шипли. — Нам нужна пленка для оболочки аэростата, способная выдерживать высокие напряжения, противостоять воздействиям суровых условий околоземного пространства, и в то же время достаточно легкая». В испытательной лаборатории при близлежащем Техасском колледже сельского хозяйства и механики ученые проверили целый ряд материалов, как по отдельности, так и в комбинациях, в том числе пленки из полиэфира, полиэтилена, нейлона, тедлара и волокна из дакрона и арамида. Материалы подвергали механике разрывов, анализу критических трещин и испытаниям на образование трещин в мембранах. Были исследованы различные комбинации пленки и волокон с целью определить размеры и стоимость оболочки аэростата в зависимости от напряжения в оболочке, толщины волокон и расстояния между ними. В результате многих сотен отдельных расчетов исследователи пришли к заключению, что наилучшие результаты дает, по-видимому, применение волокон из кевлара поверх полиэфирной пленки толщиной 13 микронов. Предстоит еще много работы, но Шипли считает усовершенствование больших аэростатов сверхвысокого давления лишь делом времени. Вместе с тем он смотрит на вещи трезво, не рассчитывая удовлетворить всем требованиям ученых, пользующихся услугами станции. «Каждый раз, когда мы улучшаем электронику и расширяем возможности аэростатов, — говорит Шипли, — ученые находят новые обоснования своим просьбам увеличить продолжительность полета и вес полезной нагрузки. Но, — добавляет он, при этом широко улыбаясь, — наши работники с удовольствием без промедления принимают вызов».