На пути в космос. Стратостаты
Сегодня посмотрим, на чем в 1930-е годы предки впервые оторвались от Земли на расстояние в 20 километров.
Гондола стратостата «СССР-1»: кольчугалюминий, утеплитель из оленьего войлока, амортизатор из ивовых прутьев.
1. Предыстория. Зачем?
Одной из главных научных целей путешествий в стратосферу было измерение интенсивности космических лучей. Наилучшие условия для этого были вдали от поверхности Земли, чем дальше — тем лучше. А поскольку обслуживать тогдашнюю аппаратуру должен был человек, то полеты закономерно должны были стать пилотируемыми.
Параллельно в виду надвигающейся большой войны перед военными забрезжила идея сверхвысотной авиации с невиданными доселе скоростями и вне зоны досягаемости зенитного огня.
Интересы ученых и военных совпали. Помноженные на романтику открытий и стремление к рекордам, эти факторы вылились в краткий бум стратонавтики 1930-х годов.
Игроков в стратосфере было трое: швейцарец Огюст Пиккар, СССР и США. С 1931 по 1935 год эти участники построили с десяток стратостатов и установили шесть мировых рекордов высоты.
2. Устройство гондолы
Поскольку давление в стратосфере крайне низкое, то человеку там необходима герметичная капсула или скафандр. В 1930-х остановились на первом, более простом, варианте.
К разработке гондол подходили весьма тщательно — например, для кабины рекордного стратостата «СССР-1» сделали полноразмерный деревянный макет, отработали на нем компоновочные решения, выполнили гондолу в металле, испытали ее давлением и лишь после этого допустили к полету.
Гондолы первых советских стратостатов оснащались амортизационным устройством из ивовых прутьев, размещавшимся под кабиной (см. первый снимок).
При скорости более 5 м/с «корзина» должна была сломаться, поглотив энергию удара.
У первого «настоящего» стратостата «FNRS-1» Огюста Пиккара амортизаторы были только, так сказать, персональные: 
Американцы ушли не дальше — команда Explorer II была экипирована лишь шлемами для американского же футбола.
Углекислый газ в гондоле поглощался патронами с гидроксидом натрия (едким натром), кислород добавлялся вручную из баллонов с жидким или газообразным О2.
Влажность воздуха в гондолах часто никак не регулировалась, быстро достигала 100% и выпадала в виде росы или инея на стенках. В одном из полетов советские стратонавты едва успели закончить замеры параметров до того, как реки конденсата смыли риски на шкалах приборов, сделанные тушью. Позже появились сорбенты-поглотители влаги. Была интересная идея с осушением воздуха путем его охлаждения до выпадения конденсата, но опробована она, насколько мне известна, не была.
Следующий вопрос — терморегуляция в кабине, ведь температура в стратосфере составляет -50…-60 градусов.
Гондола FNRS-1 была оригинальней всех: 
С одной стороны ее покрасили в белый, а с другой — в черный цвет. По замыслу создателя, поворот сферы той или иной стороной к Солнцу должен был регулировать температуру в гондоле.
4 — пропеллер для вращения гондолы.
На практике устройство не заработало, солнце светило с «черной» стороны и внутренняя температура в первом полете Пиккара поднялась до +38.
В следующем полете вентилятор сняли, а всю капсулу покрыли серебрянкой. Внутри стало минус 16.
Американские конструкторы сделали то же, но по своему: 
Предполагалось, что верхняя половина сферы будет отражать солнечное излучение, а нижняя — поглощать тепло от Земли. Идея сработала лучше предыдущей, но тоже не блестяще: во время полетов в гондоле были бодрые +5 градусов.
Советские стратонавты просто теплоизолировали металлические гондолы, обтягивали их материей и красили в серый или голубой цвет. Как показала практика, такое решение оказалось самым удачным.
Проблему герметизации веревки управления маневренным клапаном на выходе из гондолы конструктор FNRS-1 Пиккар решил, пропустив клапанную веревку через U-образную трубку, заполненную ртутью. Ртуть своим весом компенсировала разницу давлений и являлась жидким уплотнителем, не препятствуя прохождению клапанной веревки.
Вид сверху на внутренность гондолы; в верхней части снимка видна U-образная трубка: 
(это снимок «Осоавиахима-1», на котором U-трубку «срисовали» с FNRS-1)
Приборы для взятия проб воздуха размещались снаружи кабины. Так, на стропах «СССР-1» подвешены стеклянные сосуды, из которых откачан воздух. По сигналу из кабины электромагнит отпускал грузик, тот отбивал конец горлышка, и воздух из стратосферы поступал в сосуд. При последующей подаче тока разогревалась платиновая проволока и запаивала горлышко обратно.
(«СССР-1» строился под эгидой ВВС РККА — вспоминаем про интерес армии — поэтому стартовая команда состоит из красноармейцев).
США. Explorer. И тут военные: 
3. Водород и балласт
Теория и практика воздухоплавания гласили: снижение аэростата с предельной высоты происходит со все возрастающей скоростью. Балласта брали много — до 30% от подъемной силы — и во время спуска сбрасывали, чтобы скорость не стала слишком большой.
О важности балласта говорит тот факт, что «Осоавиахим-1» во время рекордного подъема на 22 км сохранил так мало балласта, что спуститься благополучно шансов уже не имел, в связи с чем и разбился (см. Документы о катастрофе стратостата «Осоавиахим-1»).
Однако гондола стратостата — это не корзина воздушного шара, она герметична. В экстренных случаях экипаж мог выкинуть малоценное оборудование типа кислородных баллонов и аккумуляторов или выброситься с парашютами, но это возможно уже на относительно небольшой высоте, когда можно открыть люки. Для сброса балласта на высоте нужно было техническое решение.
На FNRS-1 и «Осоавиахиме-1» весовая нагрузка в виде свинцовой дроби находился внутри гондолы. При необходимости пилот совком зачерпывал дробь, насыпал в приемную воронку, закрывал верхний кран, открывал нижний — дробь высыпалась, оставляя гондолу герметичной.
9 — устройство сброса балласта
У стратостата «СССР-1» дробь в мешках находилась под гондолой, внутри уже знакомого нам амортизатора.
Мешки удерживались штырьками; стратонавт крутил рукоятку (на рисунке поз.22), трос наматывался на барабан и последовательно выдергивал штырьки. Мешки, будучи привязанным к амортизационной корзине за нижний конец, опрокидывались, высыпая дробь через свой верхний конец. Таким образом, устранялись несчастные случаи, которые могли бы произойти, если бы дробь падала мешками. Длина троса была подобрана таким образом, чтобы при одном полуобороте вала вытаскивался один штырек. Если пилот хотел сбросить, скажем, три мешка балласта, он должен был прокрутить ручку на 1,5 оборота.
Вся тонна балласта могла быть сброшена за минуту, посему такая схема считалась более продвинутой.
Чтобы дать пилоту возможность контролировать запас балласта, у двух окон гондолы «СССР-1» снаружи были укреплены два зеркала, при помощи которых пилот видел подвешенные под капсулой мешки.
Внутри гондолы. Видны: рукоятка сброса балласта, кислородные баллоны, откинутая аварийная заглушка на иллюминаторе: 
Для сравнения внутренности «американца»: 
Американцы мешки с балластом и аккумуляторы подвешивали снаружи гондолы, но сбрасывали также изнутри, выдергивая соответствующие штырьки.
Собственно, сброс балласта и открытие выпускного клапана в верху оболочки — это все инструменты управления стратостатом. Хотим вверх — сбрасываем балласт, вниз — выпускаем газ из оболочки.
Выпускной клапан: 
Клапан открывался путем дерганья за соответствующую веревку в гондоле.
Непосредственно при посадке стратонавты тянули другую веревку, помеченную красным лоскутком — веревку разрывного полотна. При приземлении этот большой кусок ткани в верху оболочки позволял быстро освободить оболочку от водорода.
Черный кружок — выпускной клапан, черный треугольник — разрывное полотнище.
Иногда разрывное полотнище не срабатывало:
Аэростат стал быстро приближаться к земле. Выбрасыванием балласта мы уменьшили быстроту спуска. Наконец, гайдроп коснулся верхушек деревьев. Шар облегчился и мы некоторое время шли на гайдропе, конец которого волочился по верхушкам деревьев, срывая, благодаря быстроте движения, ветви. Вскоре перед нами показалась река. Мы перешли ее на гайдропе. Еще несколько минут и мы бросаем якорь, он зацепил, и мы с размаху кидаемся в чащу и хватаемся за стропы, чтобы облегчить первый удар. Для остановки шара стараемся разорвать разрывное полотнище. Но к нашему несчастию оно оказалось настолько прочно прикрепленным, что мы вдвоем не можем его оторвать. Тогда я схватился за клапанную веревку, чтобы открыть клапан.
Между тем, шар, удерживаемый якорем, начинает делать громадные скачки. То он поднимается сажен на 100, то с размаха вновь кидается в лес. Бросив разрывную ленту, мы оба ухватились за клапанную веревку и держали клапан открытым, рассчитывая, что хоть понемногу газ из шара выйдет…
Оболочку изготавливали из прорезиненного хлопка или шелка, в верхней части плотнее, чем в нижней. Здесь хорошо видно: 
4. На старт!
Пуски стратостатов переносились так же часто, как через 50 лет будут переносится старты «шаттлов».
Погоду ждали месяцами. Высота рекордных стратостатов составляла более сотни метров, и для старта нужен был штиль, ибо в противном случае ветер сносил наполняющуюся оболочку. В частности, поэтому американцы запускали свои аппараты из каньона, а много позже — с палубы авианосца, который мог своим ходом скомпенсировать ветер.
По той же причине нижнюю часть огромной оболочки стратостата «СССР-3» при старте подвязали к верхней, уменьшив его высоту. После подъема на несколько сот метров «скрепы» отпустили, но нижняя часть оболочки задела веревку разрывного полотнища, оно открылось, и стратостат рухнул с высоты 700–800 м:
Был сегодня у меня в редакции Прилуцкий. Выглядит по-прежнему бодро, крепко, только речь стала немного торопливее. Рассказал некоторые подробности об аварии «СССР-3».
— Поднимаемся. Вдруг толчок. Семенов говорит: «опускаемся». Я взглянул на вариометр: -4 [скорость снижения 4 м/с]. Ну, думаю, это местное явление. Скинул немного балласта. Ничего, у американцев также было. Смотрю: -15! Ээ! Как крутанул ручку, так сразу тонну скинул. «Держись, Юрий Георгиевич!!! Земля!» — крикнул Семенов.
Больше я ничего уже не слышал. Очнулся в больнице. Я был без парашюта, снял, чтобы не мешал, Семенов в нем.
— Так почему же все-таки произошла авария?
— Слишком большая влажность воздуха. Когда распустили второй старт разрывное и задело. [отсюда]
Так же, как ветер, недопустим был и туман. «СССР-1» при первом старте 23 сентября 1933 года набрал на оболочку полтонны влаги и просто не смог взлететь — водород стравили, запуск перенесли.
Обычно старт происходил в теплый сезон, рано утром. Ночью оболочку заполняли газом через главный аппендикс (рукав), который потом завязывался. Дополнительные аппендиксы, через которые внутрь оболочки проходили веревки клапана и разрывного полотнища, оставались открытыми: через них внутренность оболочки свободно сообщалась с атмосферой.
Заправка Explorer’а: 
Тут тоже были нюансы. Заполнение «СССР-2»:
На центральном московском аэродроме разложена гигантская оболочка, вокруг 1000 баллонов со сжатым водородом. Дается команда, баллоны открываются, и водород по шлангам сначала небольшого диаметра, затем соединяющимся и увеличивающимся, пошел в патрубок диаметром больше полуметра, соединенный с оболочкой. Оболочка начала приподниматься, пухнуть. Она растет на глазах все выше и выше… Уже верхний купол на высоте примерно 100 м. А заполнение продолжается, часть оболочки еще лежит на земле, вздувается горбом, водород образует эти горбы и с шумом прорывается кверху. И вдруг… при одном таком прорыве внутри оболочки раздался глухой грохот, вверху показались языки пламени. Все бросились врассыпную. А оболочка с пламенем вверху медленно опускается на землю. Команда — «закрыть баллоны», начали обрезать шланги. Паника улеглась. Оболочка догорела до земли, образовался большой выжженный круг, и все погасло.
Потом выяснилось — рабочие завода «Каучук», готовившие оболочку, не могли ходить по ней босиком, она «кололась», масса шелковой прорезиненной ткани при шевелении заряжалась электричеством.
Водород вообще из-за своей взрывоопасности доставлял массу проблем. Только один из рекордных стратостатов — американский «Explorer II» летел на гелии.
Параллельно с заполнением оболочки взвешивали гондолу, пломбировали метеоприборы и запускали радиозонды-разведчики погоды, если таковые имелись.
Предстартовый осмотр оболочки «СССР-1» с шаров-прыгунов: 
Когда подавалась команда «Тишина на старте!», к верхушке оболочки поднимался «прыгун», стратонавты тянули веревку выпускного клапана, и «прыгун» на слух убеждался, что клапан открылся.
Как видно, оболочка заправлялась водородом далеко не полностью. Поскольку на высоте 20 км плотность воздуха составляет 0,09 кг/куб.м против 1,2 кг/куб.м на уровне моря, то и объем оболочки с подъемом увеличивался во 10…15 раз: 
20 километров — это как раз та высота, вокруг которой шла борьба рекордов. Положение на 1934 год (финальную точку здесь поставил Explorer II с результатом 22066 м): 
В черной рамке — погибшие Федосеенко, Васенко и Усыскин с «Осоавиахима-1».
Вообще стратостаты падали разнообразно и регулярно, особенно, к сожалению, советские. Так «садился» Explorer I (разрыв оболочки): 
По той же причине, но не столь стремительно, упал и советский «СССР-1-бис». И в том, и в другом случае люди спаслись, выбросившись с парашютами, но в целом стратосфера взяла человеческих жизней, пожалуй, больше, чем космос.
5. Послесловие
После Второй мировой стратостаты использовали для испытаний космических скафандров и систем спасения, с них пытались запускать ракеты, применяли для шпионажа и наблюдений за космосом, а завтра из стратосферы обещают раздавать интернет.
6. Приложения
а) FAQ: Почему каждый стратостат имеет свой «потолок»? В какое время года лучше летать в стратосферу? Для чего при спуске стратостата обычно выпускают длинную веревку (гайдроп), которая волочится по земле? и т.д. — Прянишников В.И. «Занимательное мироведение в вопросах и ответах» (1939).
б) Кинохронику можно увидеть в фильмах про Осоавиахим-1 и про Explorer II.
в) Картинки и технические описания взяты в основном из книг Мартенс. Техническая энциклопедия. Дополнительный том (1936) и Труды всесоюзной конференции по изучению стратосферы (1935).
г) Последний по времени, кхм, пилотируемый полет на стратостате — проект «Хвост» с мышенавтом на борту.
