Дирижабъл

Днес, когато човечеството е достигнало толкова далеч, пионерите на летенето са сякаш забравени. Но е добре да си припомним началото, там откъдето тръгва всичко.
Началото на въздухоплаването съвсем не е поставено от братята Орвил и Уилбърт Райт, които през 1904 произвеждат първият летателен апарат по тежък от въздуха. Началото е поставено много по рано и то с използването на коренно различна технология – тази на апаратите по леки от въздуха.

Принципът по-леки от въздуха

Един от първите полети с екипаж на борда, изпълнен от братя Райт в Северна Каролина през 1903 г. На 22 май 1906 г. братя Райт получават патент за своето изобретение. През 1909 г. създават компанията „Райт“, която се занимава с производство на летателни апарати и обучение на пилоти. Братя Райт са едни от най-значимите личности на 20 век, допринесли изключително много за развитието на авиацията.

Според физическите процеси обуславящи получаването на подемна сила, летателните апарати се делят на две групи; по-леки от въздуха или газоподемни (надуваеми) летателни апарати, които в следствие на статичната подемна сила се носят или плават из въздуха, и по тежки от въздуха, които в резултат на създадена при полета динамична подемна сила летят във въздуха. Ето защо се говори за статично и динамично въздухоплаване. Първите въздухоплаватели характеризират свободния балон и като аеростат, неговата техника като аеростатика и себе си като аеронавти.  При опитите да се направи свободния балон управляем се наслояват аеростатика и аеродинамика.

Подемната сила се характеризира като сила, която действа противоположно на теглото на тялото. Динамичната подемна сила, която прави възможно летенето на по-тежки от въздуха тела, се създава чрез подходящо оформяне на техния профил (например на крилата на самолета). Статична подемна сила изпитва тяло, което е потопено с течност или е обкръжено от някакъв газ (например въздух). Подемната сила е равна на теглото на изместената от тялото течност, респективно газ (закона на Архимед). Плаващото (носещото се) тяло тежи толкова, колкото равното му по обем количество от изместената от него обкръжаваща го среда (медиум). Способността на балона да се издигне от земната повърхност в атмосферата се дължи на статичната подемна сила на газовия му пълнеж. За тази цел се употребява газ с по малка плътност от тази на въздуха (светилен газ, хелий, водород или горещ въздух).

Статичната подемна сила на балона отговаря на теглото, респективно на масата на онова количество въздух, което се измества от опънатата му от газа обвивка. Един кубичен метър въздух при 0 градуса и на морското равнище има маса 1,293 кг. Всяко тяло с по малка маса при същия обем като въздуха винаги ще се издига нагоре. Ако от статичната подемна сила се извади теглото на затворения в балонната обвивка газ, ще се получи подемната сила на балона. Тази подемна сила противодейства на общото тегло на балона (теглото на обшивката, мрежата, коша, екипажа и товара). Ако първата е по голяма балонът се издига в атмосферата. Ако общото тегло е по голямо от подемната сила, балонът пада към земната повърхност. Когато подемната сила и общото тегло са равни, балонът се носи на една и съща височина.

Максимална подемна сила би се постигнала, ако теглото на газовия пълнеж е нула, т.е. Ако вътрешността на балона се изпомпа, стане „безвъздушна” (вакуум).  Наистина във вътрешността на балонната обвивка би могло да се създаде вакуум, обаче теглото, което ще има конструкцията на такава обвивка, за да противостои на външното налягане, ще бъде винаги чувствително по голямо от подемната сила. Ето защо никога не ще може да се осъществи „вакуумен балон „ или „вакуумен дирижабъл”.

Аеростатиката обаче се основава и на други закони. Така трябва да се спомене влиянието на изменящата се температура на въздуха върху газовия пълнеж. Всички газове при повишаване на температурата с един градус се разширяват с около 0,4%, а при охлаждане се свиват също толкова. Например при 20 градуса въздухът е с около 8% по лек от този при 0 градуса. Ето защо зимата и при време с високо атмосферно налягане условията за полети на балони и дирижабли са най благоприятни. За подемната сила на самолетите напротив, атмосферните условия имат много по малко значение.

Поредица картички посветени на полета с балон от XVII в.

Обемът на един кубичен метър въздух с температура 0 градуса се увеличава при 20 градуса на 1,073m3 при 100 градуса на 1,366m3 при 300 градуса на 2,098m3. Така че ако въздухът се загрее точно до 273 градуса обемът му ще се удвои, а плътността ще се намали наполовина. В среда с по студен и следователно по тежък въздух нагретият въздух става статична подемна сила. Благодарение на този принцип балонът на братята Монголфие, който имал маса 230 кг  и побирал 600m3 горещ въздух, се издигнал на 5 юни 1783 г. в Апоней на височина около 2000 метра.
Тъй като увеличаването на диаметъра на едно кълбо (сфера) повърхността му нараства само на квадрат, а обемът му на куб, за полети с балон това означава, че само опити с достатъчно големи балони обещават успех. Когато се уголемява балонът, повърхността му расте по бавно отколкото обемът, т.е. отколкото статичната подемна сила. Отначало братята Монголфие са строили само малки балони, поради което нито един от тях не могъл да лети. И други са правели същата грешка, макар още тогава геометричните отношения между диаметър, повърхност и обем са били известни. Дори с горещ въздух те постигнали своята цел едва когато повече по усет, отколкото въз основа на знания построили по големи балони.

Професор Шарл през  1783 г. пръв открива изключителната годност на водорода за полети с балони. За разлика от въздуха (1293 g/m3) водородът има относителна плътност само 89  g/m3. Един кубичен метър от този газ създава статична подемна сила 12 N, докато същият обем горещ въздух само 4 N.

Едно влияние на което се подлага само „статичното” въздухоплаване , е топлинното облъчване от слънцето. При слънчево облъчване се нагрява газът във вътрешността на балона, но не и околната атмосфера, така че газовият пълнеж става по лек в сравнение с околния въздух. Ако балонът не е силно опънат, обемът му се увеличава, т.е. подемната сила нараства.  Ако балонът е силно опънат, излишният газ излита и масата на газовия пълнеж намалява. При охлаждане например поради заоблачаване газът отново се свива и обемът, респективно подемната сила намалява. Това влияние е твърде силно и за компенсиране на загубата на подемна сила в такъв случай трябва да се изхвърля баластът.

Монголфиери и шарлиери

На 5 юни 1783 г. станало първото официално потвърдено издигане на балон, изпълнен с горещ въздух, без екипаж и без полезен товар в Аноней, Франция, извършено от братята Жак-Етиен и Жозеф-Мишел Монголфие. Двамата изучавали математика и естествени науки и посвещавали свободното си време на физически и технически опити. Изпълненият с горещ въздух балон с диаметър 10 м достигнал около 2000 м височина и паднал в лозя на разстояние 2 км от мястото на излитането.

Прастарото желание на хората да летят било изпълнено в течение на една и съща година по два начина, защото на 27 август на Марсово поле в Париж последвало второто в историята издигане на балон и първият старт на водороден балон, извършено от професора по физика Жак Александър Шарл. Водородният балон бил направен от копринена тафта, която отвътре била гумирана с разтвор от каучук. Този балон достигнал около 1000 метра височина и след 50 минути се спуснал в едно село, където селяните го разкъсали на парчета, понеже го сметнали за някакво чудовище.

 
Балони с горещ въздух, Сан Диего, Калифорния, САЩ

След един неуспех –издигналият се на високо балон с горещ въздух (привързан балон) скоро след старта си бил разрушен от буря – братята Монголфие пуснали на 19 септември във Версай балон с три животни на борда. Полетът на екипажа траял 8 минути и овенът, петелът и патицата се приземили невредими на разстояние 4 км.
На 21 ноември стартирал балон, изпълнен с горещ въздух, от парка на увеселителния дворец Ла Мюет с двама души на борда – Пилатр дьо Розие и маркиз д` Арланд, който прелетял за 25 минути около 8 км над покривите на Париж.     Балонът имал значителни размери; височината му достигала 21 метра, диаметърът му 14 метра, а обемът му 20 000 м2 (около 20 пъти по голям от среден днешен балон). Сто хиляди парижани наблюдавали развълнувани първият полет на хора.
Пак през същата 1783 – на 1 декември- от Тюйлери в Париж се извършило второто издигане на водороден балон с професорите Шарл и Робер на борда.  След междинно приземяване в Несъл, отдалечен на 40 км от стартовата площадка, продължил единичен полет на Шарл /35 минути/. Общото време на целия полет било 4 часа и 20 минути, а достигнатата при това най голяма височина – 2700м. Този път се стекли 300 000 зрители. Ликуването било безгранично. Балонната треска обхванала цяла европа. На 4 юни 1784 последвал първия полет на жена. Мадам Тибъл летяла с монголфиера над Лион и доказала доброто си самочувствие , като изпяла една ария.

Само 14 месеца след историческият полет  на Роие и Д`Арланд над Париж последвало и първото прелитане на Ламанш. Французинът Франсоа Бланшар и американецът Джон Джефрис стартирали на 7 януари 1785 от Дувър. След изпълнен с приключения полет по време на който поради загуба на газ били принудени да изхвърлят всичко което могат, включително храната която носели и панталоните на Бланшар, замръзнали, но невредими се пуснали на френска земя при Кале.

Ето няколко от по значимите събития в началото на историята на полетите с балони.
Първата жертва на аероновтиката станал по ирония на съдбата и първият човек който полетял- Пилатр дьо Розие. На 15 юни 1785 г. той паднал с балон в ламанша при опит да го прелети потегляйки от Булон. На 22 октомври 1797 г. последвал и първият височинен скок с парашут. Гарнерен скочил от 1000 метра височина със саморъчно конструиран парашут и се приземил благополучно. През 1821 г. Чарлз Грин пръв запълнил балон със светилен газ. Този газ наистина дава само 7 N подемна сила на кубически метър, но е евтин и лесно се набавя. На 7/8 ноември 1836 г. Грин, Холанд и Мейсън излетели с балона „Ройалл – Вохол” от Лондон за Насау – Германия и за 18 часа летене през деня и нощта изминали 722 км.

Две години след това бил отбелязан важен напредък в балонното строителство. Джон Уайз пръв въвел приспособлението за бързо изпразване на балона, а на 6 юли 1847 г. балонът станал и спасителен парашут. На 2000 метра височина балонът на английските летци Коксуел и Джипсън се спукал. При падането те прерязали едно въже благодарение на което долната част на балона хлътнала навътре и той приел формата на парашут. Две години по късно на 7 октомври 1849 г. бил извършен първият полет над Алпите от Франсиск Арбан, който с газов балон прелетял от Марсилия (Франция) да Торино (Италия).  Първият 1000 км полет с балон бил дело на Джон Уаййз. С трима души на борда на своя газов балон той стигнал от Сент Луис до Хендерсън (САЩ), като за 20 часа и 40 минути изминал 1292 км. Най после през 1878 г. балонът станал достъпно забавление за масите. През време на Парижкото световно изложение в гигантския привързан балон на Анри Жифар били издигани едновременно по 50 посетители на около 600 м височина. Общо около 35 000 души се възползвали от тази възможност.

Сгорещяване на въздуха вътре в балона