Zrakala, ki sodelujejo z atmosfero, spadajo v dve široki kategoriji: lažja od zraka in težja od zraka. Ta delitev temelji na različnih principih letenja. V prvem primeru za ustvarjanje dvižne sile uporabljajo Arhimedov zakon, torej uporabljajo aerostatsko načelo. Pri vozilih, ki so težja od zraka, nastane dvižna sila zaradi aerodinamične interakcije z atmosfero. Pogledali bomo prvo kategorijo, letala lažja od zraka.
Vzpon v zračnem oceanu
Naprava, ki za dvigovanje uporablja arhimedovsko - vzgonsko - silo, se imenuje balon. To je letalo, opremljeno z lupino, napolnjeno z vročim zrakom ali plinom, ki ima nižjo gostoto kot okoliška atmosfera.
Razlika v gostoti plina znotraj in zunaj lupine povzroči razliko v tlaku, zaradi katere nastane aerostatična vzgonska sila. To je primer delovanja Arhimedovega principa.
Dvižni strop letal lažjih od zraka je določen z prostornino in elastičnostjo lupine, načinom polnjenja inatmosferski dejavniki – predvsem padec gostote zraka z višino. Dosedanji rekord za vzpon s posadko je 41,4 km, brez posadke - 53 km.
Splošna klasifikacija
Balon je splošno ime za cel razred letal. Najprej so vsi baloni razdeljeni na nenadzorovane (baloni) in nadzorovane (zračne ladje). Obstajajo tudi privezani baloni, ki se uporabljajo na različnih področjih za določene posebne naloge.
1. Baloni. Načelo letenja z balonom ne pomeni možnosti krmiljenja letala v vodoravni ravnini. Balon nima motorja in krmila, zato njegov pilot ne more izbrati hitrosti in smeri svojega leta. Na žogi je regulacija višine možna s pomočjo ventilov in balasta, sicer pa je njen let drift po zračnih tokovih. Glede na vrsto polnila obstajajo tri vrste balonov:
- Baloni na vroč zrak.
- Charliers s plinskim polnjenjem. Najpogosteje sta bila za te namene uporabljena (in se še naprej uporabljata) vodik in helij, vendar imata oba svoje pomanjkljivosti. Vodik je zelo vnetljiv in z zrakom tvori eksplozivno zmes. Helij je predrag.
- Rozierke so baloni, ki združujejo obe vrsti nadevov.
2. Zračne ladje (francosko dirigeable - "nadzorovane") so letala, katerih zasnova vključuje elektrarno in krmilje. Po drugi strani so zračne ladje razvrščene po številnih merilih: po togostilupine, po vrsti pogonske enote in pogona, po načinu ustvarjanja vzgonske sile itd.
Zgodnja zgodovina aeronavtike
Prvo zanesljivo napravo, ki se je dvignila v zrak s pomočjo Arhimedove sile, je verjetno treba šteti za kitajsko luč. Anali omenjajo papirnate vrečke, ki se dvigajo pod vplivom vročega zraka iz svetilke. Znano je, da so takšne luči uporabljali v vojaških zadevah kot sredstvo za signalizacijo že v 2.-3. stoletju; možno je, da so bili znani že prej.
Zahodna tehnična misel je do konca 17. stoletja prišla na idejo o možnosti tovrstnih naprav in spoznala nesmiselnost poskusov ustvarjanja mišičastih vztrajnikov za človeški let. Tako je jezuit Francesco Lana zasnoval letalo, dvignjeno s pomočjo evakuiranih kovinskih krogel. Vendar tehnična raven tega obdobja nikakor ni dopuščala izvedbe tega projekta.
Leta 1709 je duhovnik Lorenzo Guzmao portugalskemu kraljevemu dvoru pokazal letalo, ki je bilo tanka lupina, zrak v kateri se je segreval z mangalom, obešenim od spodaj. Naprava se je uspela dvigniti za nekaj metrov. Na žalost ni nič znanega o Guzmaovih nadaljnjih dejavnostih.
Začetek aeronavtike
Prvo letalo, lažje od zraka, katerega uspešen preizkus je bil uradno zabeležen, je bil balon brata Joseph-Michel in Jacques-Etienne Montgolfier. 5. junija 1783 je ta balon preletel francosko mesto Annone in premagal2 km v 10 minutah. Največja višina dviga je bila približno 500 metrov. Lupina žoge je bila platnena, z notranje strani oblepljena s papirjem; Kot polnilo so uporabljali dim iz žgane mokre volne in slame, dolgo kasneje pa so ga imenovali "toplozračni balonski plin". Letalo je bilo poimenovano "balon na vroč zrak".
Skoraj istočasno, 27. avgusta 1783, se je v Parizu v zrak dvignil balon, napolnjen z vodikom, ki ga je zasnoval Jacques Charles. Lupina je bila izdelana iz svile, impregnirane z raztopino gume v terpentinu. Vodik je bil pridobljen z izpostavljanjem železnih opilkov žveplovi kislini. Žogo s premerom 4 metre so polnili več dni, porabili so več kot 200 kilogramov kisline in skoraj pol tone železa. Prvi charlier je izginil v oblakih pred 300.000 gledalci. Lupina balona, ki je eksplodirala visoko v ozračju, je 15 minut pozneje padla na podeželje blizu Pariza, kjer so jo uničili prestrašeni domačini.
Prvi leti s posadko
Prvi potniki letalskega aparata, ki je vzletel 19. septembra 1783 v Versaillesu, so bili najverjetneje brez imena. Petelin, raca in oven so leteli v košari z balonom 10 minut in dosegli 4 km, nato pa so varno pristali.
Polet ljudi z balonom na vroč zrak se je prvič zgodil 21. novembra istega prelomnega leta 1783. Izdelali so ga fizik Jean-Francois Pilatre de Rozier in dva njegova tovariša. Nato je novembra de Rozier utrdil svoj uspeh z navdušencem nad balonarjem Marquisom Françoisom. Laurent d'Arland. Tako se je izkazalo, da je stanje prostega letenja varno za ljudi (dvomi so še vedno obstajali).
1. december 1983 (resnično pomembno leto za aeronavtiko!) je vzletel tudi Charliere, ki je imel na krovu posadko, ki je poleg samega J. Charlesa vključevala mehanika N. Roberta.
V naslednjih letih so bili poleti obeh vrst balonov zelo razširjeni, vendar so imeli plinski baloni še vedno nekaj prednosti, saj so baloni na vroč zrak porabili veliko goriva in razvili malo dviga. Rosiers pa so žoge kombiniranega tipa, ki so se izkazale za prenevarne.
Balon v uporabi
Baloni so zelo kmalu začeli služiti ne le v razvedrilne namene, temveč tudi v potrebe znanosti in vojaških zadev. Že med prvim letom sta se Charles in Robert ukvarjala z merjenjem temperature in tlaka zraka na veliki nadmorski višini. Kasneje so bila znanstvena opazovanja pogosto narejena iz balonov. Uporabljali so jih za preučevanje Zemljine atmosfere in geomagnetnega polja ter pozneje kozmičnih žarkov. Baloni se pogosto uporabljajo kot meteorološke sonde.
Služba vojaških balonov se je začela med francosko revolucijo, ko so začeli uporabljati privezane balone za spremljanje sovražnika. Kasneje so bile takšne naprave uporabljene za višinsko izvidništvo in prilagajanje ognja ne le v 19., ampak tudi v prvi polovici 20. stoletja. Med veliko domovinsko vojno so bili privezani baražni baloni elementZračna obramba velikih mest. V času hladne vojne so obveščevalne službe Nata proti ZSSR uporabljale višinske balone. Poleg tega so bili razviti komunikacijski sistemi dolgega dosega za podmornice, ki uporabljajo privezane balone.
višje in višje
Stratosferni balon je balon tipa "charlier", ki se zaradi konstrukcijskih značilnosti lahko dvigne v zgornje redke plasti Zemljine atmosfere - stratosfero. Če je let s posadko, je tak balon napolnjen s helijem. V primeru leta brez posadke je napolnjen s cenejšim vodikom.
Zamisel o uporabi balona na velikih nadmorskih višinah pripada D. I. Mendelejevu in jo je izrazil leta 1875. Za varnost posadke naj bi po mnenju znanstvenika zagotavljala zaprta balonska gondola. Vendar pa ustvarjanje takšnega letala zahteva visoko tehnično raven, ki je bila dosežena šele leta 1930. Tako pogoji letenja zahtevajo posebno razporeditev stratosferskega balona, uporabo lahkih kovin in zlitin, razvoj in implementacijo sistemov za sproščanje balasta in termoregulacije gondole in še marsikaj.
Prvi stratosferski balon FNRS-1 je ustvaril švicarski znanstvenik in inženir Auguste Picard, ki se je skupaj s P. Kipferjem prvič povzpel v stratosfero 27. maja 1931 in dosegel višino 15.785 m.
Ustvarjanje teh letal je bilo posebej razvito v ZSSR. V drugi polovici tridesetih let prejšnjega stoletja so sovjetski aeronavti postavili številne rekorde v poletih v stratosfero.
Leta 1985, med izvajanjem sovjetskega prostoraProjekt Vega je v ozračje Venere izstrelil dva stratosferska balona, napolnjena s helijem. Delali so na nadmorski višini približno 55 km več kot 45 ur.
Prva zračna ladja
Poskusi izdelave balona, nadzorovanega v vodoravnem letu, so se začeli izvajati skoraj takoj po prvih poletih toplozračnih balonov in čarlijev. J. Meunier je predlagal, da bi letalu dali elipsoidno obliko, dvojno lupino z baloneto in jo opremili s propelerji, ki jih poganja mišična moč. Vendar je ta ideja zahtevala prizadevanja 80 ljudi…
Zaradi pomanjkanja ustreznega pogonskega agregata za letne razmere je bil dolga leta voden balon ostal le sanje. Šele leta 1852 ga je lahko izvedel Henri Giffard, čigar avto je prvi polet opravil 24. septembra. Giffardova zračna ladja je imela krmilo in parni stroj s 3 konjskimi močmi, ki je obračal propeler. Prostornina plinsko napolnjene lupine je bila 2500 m3. Mehka lupina zračne ladje se je zrušila zaradi sprememb atmosferskega tlaka in temperature.
Še dolgo po poletu prve zračne ladje so inženirji poskušali doseči optimalno kombinacijo moči in teže motorja, da bi izboljšali zasnovo lupine in gondole naprave. Leta 1884 je bil na zračno ladjo nameščen električni motor, leta 1888 pa bencinski. Nadaljnji uspeh industrije zračnih ladij je bil povezan z razvojem strojev s togo lupino.
Uspeh in tragedija Zeppelinov
Preboj v ustvarjanju zračnih ladij je povezan z imenom grofa Ferdinandavon Zeppelin. Let njegovega prvega stroja, izdelanega v Nemčiji na Bodenskem jezeru, se je zgodil 2. julija 1900. Kljub okvari, ki je povzročila prisilni pristanek na jezeru, je zasnova togih zračnih ladij po nadaljnjih testiranjih veljala za uspešno. Zasnova stroja je bila izboljšana, zračno ladjo Ferdinanda von Zeppelina pa je kupila nemška vojska. V prvi svetovni vojni so cepeline uporabljale že vse vodilne sile.
Toga lupina zračne ladje je bila sestavljena iz kovinskega okvirja v obliki cigare, prevlečenega s tkanino, prevlečeno s celunom. Znotraj okvirja so bile pritrjene plinske jeklenke, napolnjene z vodikom. Letalo je bilo opremljeno s krmnimi krmili in stabilizatorji, imelo je več motorjev s propelerji. Rezervoarji, tovorni in motorni prostori, potniški krovi so bili nameščeni na dnu okvirja. Prostornina zračne ladje je lahko dosegla 200 m3, dolžina trupa je bila ogromna. Dolžina zloglasnega Hindenburga je bila na primer 245 m. Vožnja tako ogromnega stroja je bila izjemno težka.
V obdobju med svetovnima vojnama so bili cepelini široko uporabljeni kot prevozno sredstvo, tudi pri čezatlantskih poletih. Vendar pa številne nesreče, od katerih je bila najbolj znana, je bil propad zračne ladje Hindenburg zaradi požara, in visoki stroški teh strojev niso igrali v njihovo korist. Toda glavni dejavnik za zmanjšanje industrije zračnih ladij je bila prihajajoča druga svetovna vojna. Narava vojskovanja je zahtevala množično uporabohitrega letalstva in v njem ni bilo resnega mesta za zračne ladje. Posledično in po vojni jih ni bilo več oživljanja kot široko rabljenega vozila.
Baloni in sodobnost
Kljub razvoju letalstva zračne ladje in baloni niso izginili v pozabo, nasprotno, do konca 20. stoletja se je zanimanje zanje znova povečalo. To je posledica napredka pri razvoju visokotehnoloških materialov in računalniških sistemov za nadzor in varnost ter relativnega pocenitve proizvodnje helija. Zračne ladje se lahko ponovno rodijo kot stroji, ki opravljajo pomembne naloge v nekaterih posebnih panogah, na primer pri vzdrževanju naftnih ploščadi ali pri prevozu kosovnega tovora na oddaljenih območjih. Vojska je spet začela kazati nekaj zanimanja za ta letala.
Miniaturne zračne ladje se uporabljajo tudi za različne aplikacije, na primer za snemanje televizijskih oddaj.
Javnost, vajena letal, helikopterjev in vesoljskih plovil, ponovno zanima aeronavtika. Festivali balonov v različnih državah sveta, vključno z Rusijo, so postali pogost pojav. Zahvaljujoč toplotno odpornim lahkim materialom in posebnim gorilnikom, ki jih poganjajo plinske jeklenke, toplozračni baloni doživljajo drugo mladost. Izumili so tudi sončne toplozračne balone, ki na splošno ne zahtevajo zgorevanja goriva.
Veliko zanimanje športnikov in gledalcev povzročajo tekmovanja in očarljivi množični starti številnih naprav,vsak festival balonov. Ti dogodki so že dolgo sestavni del zabavne industrije.
Težko je napovedati, kakšna bo prihodnost letal, lažjih od zraka. Lahko pa samozavestno rečemo: to prihodnost imajo.
