Того дня у "Білій залі" столичного Будинку вчених Національної академії наук України було затісно від глядачів. Лекція на тему "Стратосферні аеростати. Типологія і можливості" зібрала тих, хто цікавиться проєктуванням і застосуванням апаратів, легших за повітря. Спікер від лекторію "Наукові зустрічі" – провідний інженер Конструкторського бюро інформаційних систем КПІ ім. Ігоря Сікорського Микола Миронов – зміг зацікавити аудиторію розповіддю про стратостати, їхню поведінку у польоті на захмарних висотах, про перспективи стратосферних дирижаблів тощо. Практичний досвід експлуатації аеростатів протягом останніх 15 років дозволив Миколі Ігоровичу відповісти, зокрема, на запитання: що дозволяє деяким стратостатам протягом декількох місяців перебувати у повітрі і виходити у задані оператором райони? Після лекції кореспондент "Київського політехніка" скористався нагодою поспілкуватися з Миколою Мироновим.
– Миколо Ігоровичу, ця лекція довела, що ви давно "у матеріалі". Історія експлуатації аеростатів – то ваше, так би мовити, хобі?
– Почну з цитати. Видатний авіаконструктор, вчений, винахідник, творець гелікоптера, філософ Ігор Сікорський сказав якось про початок авіаційної ери, що тоді "повітроплавання не було ні наукою, ні галуззю промисловості. Воно було дивом". Саме ці слова спадають на думку, коли згадую, як ще за студентських років, півтора десятка років тому, на чемпіонаті України з повітроплавання (теплові аеростати) я разом з колегами у складі метеогрупи виконував дослідження використання повітряної кулі. Уявіть, за польотом невеличкої кулі дослідники стежать за допомогою наземного оптичного теодоліта. Завдяки отриманню кутомірних даних та інших показників визначалися напрямки вітрових потоків залежно від висоти повітряної кулі, а також висота нижнього краю хмарності. Ясна річ, ці дані стали у пригоді пілотам аеростатів. На практиці я ознайомився з метеорологією, основами експлуатації безпілотного повітроплавання. Це зацікавило.
Незабаром мене запросили попрацювати із стандартними радіозондами в аерологічній обсерваторії. Вирішив, що набутого досвіду буде достатньо для створення першої стратосферної платформи. На той час це був перший в Україні проєкт, який передбачав експлуатацію контейнера з метеорологічною апаратурою та "м'яке" приземлення після польоту. Між іншим, передача даних про місцезнаходження гондоли (контейнера з апаратурою) проводилась через мобільний зв'язок.
– Отже, стратостат – повітряна куля з прикріпленою до неї щільно закритою гондолою. З якими труднощами можна стикнутися під час спостереження?
– Складність у тому, що контейнер з апаратурою не є герметичним. Тому електроніка та акумуляторні батареї мають витримувати коливання температури. А головне – перегрівання, адже на висоті понад 17 км у стратосфері через розріджену атмосферу погано відводиться тепло. Таким чином температура навколо гондоли може сягати 70 градусів за Цельсієм. За таких умов електронні деталі можуть оплавитися. Саме увага до цього факту дозволила уникнути втрати стратостатів через відмову електроніки, на відміну від подібних апаратів, що використовувались у ближньому зарубіжжі. Адже ми проводили дослідження у барокамерах і термостатах.
– Як готувалися до першого та наступних стартів? Цікаво, як відбувався експлуатаційний цикл повітряних куль?
– Нагадаю, досвід та наукова складова майбутніх досліджень виникли під час розробки студентських проєктів. Водночас цікавили результати експериментів з космічним випромінюванням, проведення демонстраційних спостережень за атмосферою Землі. Перший запуск відбувався з аерологічної обсерваторії, що у Києві. А готувалися до нього протягом п'яти років. Стратостат працював з використанням водню. Згодом через збільшення об'єму оболонок і маси апарата, а також через вимоги з боку контролюючих повітряний простір органів влади ми перенесли запуски стратостатів подалі від Києва. Це вже згодом з удосконаленням відповідної апаратури з'явилася можливість вивчати склад озонового шару, здійснювати біологічні досліди. Дослідження космічного та іонізуючого випромінювання в атмосфері, аналіз біосфери у верхніх шарах "небесного океану", вивчення озонового шару, аерозолів у верхніх шарах атмосфери – ось далеко не повний перелік наших інтересів. З'явились і замовники на польоти.
Експлуатаційний цикл виглядав таким чином. Згідно із завданням замовника його апаратура інтегрувалася в аеростат. Тут важливо все: маса, габарит, живлення приладів, розміщення антен-датчиків. Відповідно до цих результатів проводилися розрахунки параметрів оболонки стратостата: об'єм газу, базові льотні характеристики.
Після того, як зазначені параметри було погоджено, призначали орієнтовну дату старту. Приблизно за тиждень до запуску аеростатний комплекс оцінював напрямки вітряних потоків і відповідно – можливі райони польоту. Дальність повітряного мандрівника іноді сягала 300 км. Таким чином, ми брали до уваги відстань до державного кордону, великих міст, водойм тощо. Адже кожний політ погоджувався із контролюючими державними організаціями.
– Ви згадали про аеростатний комплекс. Про що мова?
– Аеростатний комплекс складається з чотирьох команд, які розміщуються в автомобілях. Зрозуміло, що під час польотів не вистачає персоналу, а тому дії фахівців комбінуються. Перша команда займається управлінням та пілотними розрахунками. Обробка необхідних даних, корекція прогнозів погоди відповідно до траєкторії польоту, підтримка зв'язку з екіпажами тощо.
На плечі другої команди лягає підготовка аеростата до старту. Наповнення оболонки газом (у польових умовах використовується гелій), запуск обладнання у дію. У розпорядженні колег – стартовий пристрій, газобалонне обладнання тощо. Саме друга команда повинна випустити апарат у конкретне "стартове вікно". Від членів другої команди вимагається вміння працювати навіть за несприятливих погодних умов.
Радіотехнічне спостереження. Цим займаються у третій команді. Між іншим, наші перші стратостати виходили на зв'язок лише після приземлення. Згодом ми отримували онлайн телеметрію під час польоту небесного мандрівника. Це важливо, приміром, для оперативного реагування з точки зору визначення району приземлення. А для цього в активі членів третьої команди, крім досвіду і відповідних знань, необхідні направлена антенна система та приймач сигналів.
Наступна – група підбору. У самій назві міститься завдання для четвертої команди. Оперативно дістатися до району приземлення стратостата, максимально швидко знайти контейнер з парашутом. Це завдання зазвичай не дуже просте. Адже на некерованому парашуті гондола може приземлитися на верхівки дерев, у болото, приводнитися у водоймі тощо. Ось тут знадобляться альпіністські навички з відповідним реманентом. Витримка, фізична сила і цілеспрямованість – то великий плюс.
– Прослухав вашу лекцію і зрозумів, що у кінці 2021 року ви та ваші колеги вміло експлуатували апарат, що здатний досягати 30-кілометрової висоти. А його злітна маса сягала трьох з половиною кілограмів. Ясна річ, подальшим дослідженням завадила широкомасштабна війна з боку російських загарбників. Проте віриться, що ви повернетеся до своїх експериментів. А чи дозволяла технічна база повітряного апарата збільшити експлуатаційну висоту, скажімо, до 35 км?
– Так, нам це під силу. Щоб виконувати старти на більшу відстань від землі, потрібно вивчити властивості латексних оболонок. Адже маємо брати до уваги малий градієнт атмосферного тиску і надтиску в оболонці на великих висотах, а також вплив навколишньої температури, сонячне опромінення. Думаю, якби спільними зусиллями з боку вчених та інженерів нашого університету розвивати напрям стратоплавання надалі, можна б було прислужитися й українському воєнно-промисловому комплексу. Пригадуєте, як наприкінці лютого ЗМІ оприлюднили факт появи ворожих аеростатів, які можуть виявляти конкретні місця розташування зенітних ракетних комплексів? 15 лютого п.р. було помічено 12 повітряних куль, з яких збито шість. А чому відстаємо ми?
– Риторичне запитання. Однак доречне. Світова практика доводить, що можливості стратосферної платформи має великі обшири. Про що слід згадати з точки зору студентських аеростатних дослідницьких програм?
– Світовий досвід свідчить про доцільність таких ініціатив. Ось декілька прикладів.
Програма HASP (High-Altitude Student Platform) реалізовувалась NASA разом з американськими університетами у штатах Вірджинія, Монтана, Флорида, Північна Дакота, а також у колаборації з Universidad Nacional de Ingenieria в Перу. В ході багатьох експлуатаційних циклів проводилися підйоми прототипів малих супутників, різноманітного корисного навантаження для вивчення атмосфери, космічних променів. Це все в канві STEM освіти.
UMaine High Altitude Ballooning program – стратосферна програма університету штату Мен (США). Окрім власних досліджень, тут надають місце для корисного навантаження на аеростатах іншим навчальним закладам, що чудово вписується у федеральні освітні програми.
High Altitude Balloon Workshop (Fort Hays State University, USA, Канзас) – регулярний комплекс заходів, що можна за форматом порівняти з нашою "Весняною школою": студенти знайомляться зі стратосферним носієм (і відповідними розділами фізики атмосфери та космосу), користуючись університетськими лабораторіями конструюють корисне навантаження і беруть участь в експлуатаційному циклі як учасники розрахунків запуску, управління, пошуку.
High-Altitude Balloon Near-Space Experiment (NSE) Launch – реалізується в Універсистеті Небраски (США). Разом зі студентами науковці створюють і тестують у стратосферних польотах елементи мікросупутників.
PILOT Experiment – експлуатація стратосферного телескопа. Програма спрямована більше на наукові, ніж навчальні задачі. Здійснюється силами Франції, Австралії, Нової Зеландії, Канади, Мексики, США.
HABDM. Цей проєкт здійснюється спільно з навчальними закладами і метеорологічною службою Зімбабве (Африка).
До речі, найактивніша у цій галузі американська компанія "Raven" (створила аеростати для Google – ред.) довела експлуатаційний цикл власних аеростатів до одного року. З аеростатних баз США щороку стартують астрономічні стратосферні обсерваторії.
Цей перелік можна значно продовжити. Комплекс якостей стратосферних літальних апаратів у поєднанні з безпекою робить їхнє застосування, приміром, в університетському середовищі дуже зручним. А високі льотні характеристики надають змогу удосконалюватися з професійної точки зору. Адже спеціалісти, які мають у бекграунді роботу з такими апаратами, можуть використати свої навички у будь-якій сфері.
Переконаний, КПІ як науковий і навчальний заклад з давніми традиціями є ідеальним середовищем для впровадження подібних проєктів. Особливо сприяє цьому значна кількість і концентрація фахівців і наукових шкіл різного напряму. Досвід свідчить, що регулярна експлуатація стратосферного аеростатного комплексу відбувається в міждисциплінарному полі. Ця діяльність викликає інтерес і сприяє залученню спеціалістів на перетині різних наукових і технічних сфер.