На заре высотных полётов: из истории технических идей в воздухоплавании XIX в

ББК 39.59 YAK 629.733

И.В. МОРОЗОВ

I.V. MOROZOV

НА ЗАРЕ ВЫСОТНЫХ ПОЛЁТОВ: ИЗ ИСТОРИИ ТЕХНИЧЕСКИХ ИДЕЙ В ВОЗДУХОПЛАВАНИИ XIX в.

THE DAWN OF HIGH-ALTITUDE FLYING: FROM THE HISTORY OF TECHNICAL IDEAS IN THE BALLOONING OF THE 19th CENTURY

В статье освещается история высотных полётов на аэростатах в XIX в. Рассмотрено зарождение идеи и первые проекты высотного снаряжения.

The history of high-altitude balloon flights of the 19th century are reported in the article. The origin of ideas and first projects of high-altitude equipment and pressurized cabins are discussed.

Ключевые слова: история авиации, воздухоплавание, научные исследования в атмосфере.

Key words: history of aviation, aeronautics, balloon, flight altitude, science researches in the atmosphere, high-altitude equipment, pressurized cabin.

Для полёта человека на большой высоте необходимо применение систем жизнеобеспечения. Решение проблем, связанных с обеспечением жизнедеятельности на пути к покорению больших высот, стало важным условием развития воздухоплавания в XIX в.

Проблема обеспечения защиты человека от кислородного голодания и низкого давления при подъёме на высоту возникла ещё задолго до появления воздухоплавания. С симптомами гипоксии люди сталкивались при восхождении на горы. В XVI в. Дж. А. де Акоста описал симптомы гипоксии, которые он испытал во время пребывания в Андах и ввёл термин «горная болезнь» [23, с. 3].

Появление воздухоплавания позволило совершать подъёмы на высоту, недоступной ранее. 15 октября 1783 г. состоялся первый подъём человека на аэростате, совершенный французским ученым П. де Розье. Оболочки первых аэростатов - монгольфьеров - наполнялись горячим воздухом. Его быстрое охлаждение, а также ограниченный запас топлива на борту, значительно сокращали продолжительность и высоту полёта. Тем не менее, эти полёты показали ошибочность распространённого мнения о том, что живые существа неизбежно задохнутся под облаками, даже на небольшой высоте [2, с. 12].

Первый полёт на шарльере, оболочка которого была наполнена водородом, состоялся 1 декабря 1783 г. Шарльеры были лишены присущих монгольфьерам недостатков, ограничивающих продолжительность и высоту полёта, а также имели большую (в 3,5 раза) подъёмную силу при равном объёме [3, с. 6]. Уже во втором полете на шарльере была достигнута высота около 3 км, при этом пилотировавший аэростат профессор Ж.А. Шарль испытал боль в ушах, вызванную изменением давления, гипотермию и симптомы гипоксии [23, с. 5]; 23 июня 1784 г. П. де Розье и химик Пру поднялись на монгольфьере на высоту 4 км, в дальнейшем же практически все полёты выполнялись на шарльерах.

Высота 4 км является верхней границей работоспособности человека без подачи дополнительного кислорода при дыхании атмосферным воздухом [16, с. 164]. Дальнейшие подъёмы подтвердили появление болезненных ощущений. Так, в 1803 г. Э.Г. Робер и М. Лое достигли высоты более

7 км, испытывая проблемы с самочувствием. В 1862 г. английский метеоролог Дж. Глейшер с пилотом Г.Т. Коксуэлом поднялись на высоту более 8 км, едва не погибнув.

Проблема холода, помимо угрозы здоровью, затруднявшего проведение исследований и управление аэростатом, считалась не менее серьёзной и опасной [27, с. 328]. На высоте 6 км температура воздуха составляет приблизительно -24 °С, опускаясь до -43 °С на 9 км [9]. Тёплая одежда не в полной мере обеспечивала защиту от воздействия низких температур при подъёме на высоту. В 1873 г. французский воздухоплаватель и конструктор дирижаблей и аэростатов А. Жиффар построил обогреватель для рук, принцип работы которого был основан на выделении тепла при реакции гашения извести [27, с. 330]. Важным для обеспечения безопасности полёта обстоятельством являлось отсутствие огня при работе такого обогревателя.

Однако неудобства и опасность не останавливали воздухоплавателей и ученых, продолжавших совершать подъёмы на большую высоту с целью проведения метеорологических и других наблюдений. О незаменимости воздухоплавания для метеорологии свидетельствовала яркая речь, произнесённая на учредительном собрании Французского общества воздухоплавания: «Явления, происходящие в атмосфере, нам почти неизвестны. Вынужденные ползать по поверхности земли, наблюдатели не имели до сих пор возможности изучать что-либо другое, кроме нижнего слоя атмосферы. Воздухоплаватели, наоборот, могут исследовать воздушную сферу по всем направлениям...» [15, с. 38].

Первый в России и один из первых в мире серьёзно организованных полётов на аэростате с научными целями состоялся 30 июня 1804 г. Этот полет «в высшей части атмосферы» совершили академик Я.Д. Захаров и бельгийский физик и воздухоплаватель Робертсон. «Воздушные путешествия производимы были до сих пор единственно из корыстолюбия и для удовольствия народного <...> Санкт-Петербургская императорская Академия наук, рассуждая о пользе, какую сие воздушное плавание наукам принести может, вознамерилась первая учинить оное для ученых исследований. Главный предмет сего путешествия состоял в том, чтобы узнать с большею точностью о физическом состоянии атмосферы и о составляющих её частях в разных, но определённых возвышениях оной», говорилось в рапорте академика Захарова в Академию наук о результатах своего путешествия [6, с. 31-32].

В том же 1804 г. Парижской академией наук были организованы два научных подъёма, проходившие при участии физиков Гей-Люссака и Био. Но наиболее активно исследовательские полёты организовывались в третьей четверти XIX в. Англии и Франции. По инициативе Дж. Глейшера в 1850 г. в Англии было создано метеорологическое общество, в 1866 г. - научное воздухоплавательное. На основании данных, полученных Глейшером в многочисленных подъёмах, был выведен общий закон изменения температуры воздуха с высотой; установлено влияние, оказываемое на её распределение облачностью, влажностью, временем года и т.д. Результатами его наблюдений пользовались до конца XIX в. во многих научных исследованиях. С 1892 г. исследовательские подъёмы, тщательно организованные в научном отношении, стало проводить Берлинское воздухоплавательное общество. В России после Я.Д. Захарова в 1804 г. и М.А. Рыкачева в 1873 г. научных наблюдений на аэростатах не проводилось до конца 1880-х гг., когда появилось военное воздухоплавание и был образован воздухоплавательный отдел при Императорском Русском Техническом Обществе. С этого времени подъёмы на аэростатах в России стали проводиться довольно часто, и при каждом из них измерялись температура и влажность воздуха [7, с. 3].

Первое время воздухоплаватели применяли обычные измерительные приборы, однако постепенно становилась очевидной необходимость их доработки. Серьёзное внимание этому вопросу стало уделяться только с конца 1880-х гг. Первым шагом стало применение вращательных психрометров, ис-

пользовавшихся до этого в морском деле. Вскоре Р. Ассманом был создан более совершенный аспирационный психрометр. Для измерения давления воздуха использовались ртутные и анероидные барометры, а также барографы. На точность показаний ртутного барометра влияло вертикальное ускорение, погрешность к показаниям анероидных приборов давали частые перемены давления. Разница в показаниях ртутного и анероидного барометров могла составлять 2-3 мм (разница в высоте 30-50 м) и более [7, с. 57]. Барографы позволяли с достаточно большой точностью определить высоту, но на их работе также сказывалось влияние разреженного воздуха. Подобные особенности осложняли работу аэронавтов по проведению измерений и обработке их результатов.

Одной из целей некоторых высотных подъёмов было исследование влияния высоты на организм человека. Первым, кто стал серьёзно изучать самочувствие при подъёме на высоту стал французский физиолог П. Бер. Он впервые раскрыл основные физиологические механизмы действия понижения барометрического давления на организм и определил пути защиты от неблагоприятного воздействия [14]. Результаты исследований самого Бера, его предшественников и современников, были обобщены в книге «Барометрическое давление», опубликованной в 1878 г. [18]. Ранее, 22 марта 1874 г., воздухоплавателями Сивелем и Кроче-Спинелли по совету Бера впервые было применено кислородное оборудование для обеспечения жизнедеятельности экипажа аэростата. В ходе полёта была достигнута высота 7,3 км.

До этого устройства для обеспечения дыхания и защиты человека в условиях неблагоприятной среды предназначались, главным образом, для погружения под воду. Например, ещё в 1664 г. ученый Р. Гук создал аппарат для дыхания под водой: «затопленные свинцовые ящички с воздухом под водой позволяли человеку с зажатым носом дышать через трубку <...> и это могло бы длиться и дольше, если бы человек находился в более удобной позе» [13, с. 4].

В XIX в. получили размах работы по созданию технических средств для подводных работ, появились устройства, обеспечивающие дыхание для горнодобывающей промышленности, горноспасательных работ, пожарных. В 1878 г. английский подводник Г. Флейс получил патент, а в 1879 г. успешно применил первый автономный дыхательный аппарат. Создание и успешное применение новых, все более совершенных аппаратов наталкивало на мысль о возможности применения их для целей воздухоплавания.

Рекордный полет на аэростате «Зенит» аэронавтов Кроче-Спинелли, Сивеля и Тиссандье состоялся 15 апреля 1875 г. В этом полете также использовалось кислородное оборудование - над корзиной аэростата крепились три ёмкости со смесью воздуха (30%) и кислорода (70%), дышать которой воздухоплаватели должны были через гибкие трубки с мундштуками. «Зенит» достиг высоты около 8,6 км [28, с. 343]. Однако, несмотря на использование для дыхания дополнительного кислорода, двое аэронавтов, Сивель и Кроче-Спинелли, погибли. Вероятно, этому способствовало то обстоятельство, что у человека при развитии кислородного голодания снижается внутренний сигнал опасности; кроме того, запас кислорода был невелик. Причиной острой гипоксии могло также стать засасывание воздуха через нос.

Трагическое известие о гибели воздухоплавателей «Зенита» побудило многих обратить пристальное внимание на вопросы, связанные с высотными полётами. В частности, выдающийся русский физиолог И.М. Сеченов с 1879 г. занялся исследованиями, позволившими установить причину гибели воздухоплавателей [12, с. 226-231]. Под влиянием вести о гибели аэронавтов, Д.И. Менделеев 7 октября 1875 г. выступил с предложением для проведения исследований в «высших слоях атмосферы» «прикреплять к аэростату герметически закрытый, оплетённый, упругий прибор для помещения наблюдателя, который тогда будет обеспечен сжатым воздухом и может безопасно для себя делать определения и управлять шаром» [6, с. 185].

Впервые идея применения герметичного объёма для обеспечения жизнедеятельности воздухоплавателя на большой высоте встречается в рассказе американского писателя Э.А. По «Необыкновенное приключение некоего Ганса Пфааля» (1835 г.) [17]. Корзина с воздухоплавателем описанного в рассказе аэростата защищалась «совершенно непроницаемой эластичной каучуковой камерой в виде мешка». Разреженный воздух из атмосферы втягивался, сгущался и проходил в камеру пригодным для дыхания. Отработанный воздух выпускался через клапан. Не исключено, что некоторые идеи были заимствованы Э. По из водолазного дела. Другим предвидением Э. По, наряду с применением гермокабины, стало упоминание о декомпрессионной болезни [22]. В авиации изучение влияния на организм быстрой декомпрессии было начато только в 1936 г. [5, с. 12].

Помимо схожих технических и медицинских задач, и высотные полёты на аэростатах, и погружения в глубины океана, расширяли границы среды обитания человека и имели большое научное значение. Это сходство отмечал, в частности, Г. Тиссандье, проводивший аналогию между исследованиями океанских глубин и высотными исследованиями в атмосфере [26, с. 293]. Более общее сравнение принадлежит Д.И. Менделееву: «Для ползающего на дне морском неведомы бури поверхности; так же и нам почти неизвестны явления, в верхних слоях атмосферы происходящие» [4, с. 181]. Подобные аналогии могли способствовать заимствованию технических идей из морского дела при разработке вопросов высотных полётов. Что отражало общую тенденцию влияния судостроения в XIX в. на воздухоплавание.

Действительно, ещё с древности была известна идея водолазного полуколокола [8, с. 7] - средства для погружения под воду в виде водонепроницаемого купола, обеспечивающего сохранение в нем газовой подушки, в которой водолаз может дышать [10, с. 2]. В дальнейшем герметичные объёмы, в которые помещался человек, применялись, в частности, в конструкции подводных лодок, работы по созданию которых активизировались в XIX в. Изобретатели подводных аппаратов первыми столкнулись с необходимостью разработки технических средств для обеспечения жизнедеятельности в условиях герметичного пространства, решающих задачи обеспечения кислородом, поглощения или удаления углекислого газа и вредных примесей, поддержания необходимых значений давления, температуры и влажности воздуха. Работы, связанные с погружениями, сопровождались наблюдениями и исследованиями в области медицины о влиянии на организм состава воздуха, используемого для дыхания, величины барометрического давления. Воздухоплаватели, решая задачу повышения высоты полёта, столкнулись с аналогичными медицинскими и техническими проблемами.

Заимствование технических решений из водолазного дела демонстрирует возникновение высотного скафандра, идея которого впервые встречается также в научно-фантастической литературе. Так, в романе французских фантастов Ж. Ле Фора и А. де Граффиньи «Необыкновенные приключения русского ученого» (1895 г.) [20] говорится о костюме для космических путешествий, который представлял собой резиновый водолазный костюм с ёмкостью для воздуха. Во втором томе книги авторами даётся более подробное описание дыхательного аппарата, основанное на переносе известных из водолазного дела знаний [21]. В 1898 г. американский астроном-популяризатор Г.П. Севисс в романе «Завоевание Эдисоном Марса» [25] дал описание костюма для выхода из космического корабля. Этот герметичный костюм также должен был представлять собой подобие водолазного, но из более лёгкого материала. Идея высотного скафандра являлась принципиально верной. Однако в XIX в., несмотря на то, что уже было разработано множество водолазных скафандров различной конструкции, попыток создания высотных скафандров не предпринималось. Этот факт объясняется тем, что в их применении ещё не возникло реальной необходимости.

В 1871 г. французский воздухоплаватель Л. Тридон предложил применить для аэростата герметичную гондолу. Она должна была состоять из двух частей: открытой верхней, использовавшейся на небольшой высоте для управления аэростатом, и герметичной нижней, где имелось оборудование для дыхания, воздушный насос, иллюминаторы [19; 24, с. 177].

В России, после Д.И. Менделеева, с предложением организовать подъёмы на специально построенных аэростатах с герметичной гондолой выступил профессор Н.Д. Пильчиков [6, с. 537-538]. Единственной проблемой на пути к достижению больших высот ему представлялось отсутствие средств, обеспечивающих человеку нормальные жизненные условия. В связи с этим Пильчиков предложил для подъёма на высоту 20-30 км или более использовать гондолу («порт-аэронавт») в виде герметичного алюминиевого цилиндра с пуховой оболочкой снаружи и изнутри в качестве теплоизоляционного материала. Необходимые условия внутри должны были обеспечиваться высотной системой регенерационного или вентиляционного типа. Управление аэростатом и научными приборами предполагалось осуществлять изнутри с помощью электросистемы.

В январе 1893 г. предложение Пильчикова было рассмотрено на заседании VII отдела Русского технического общества. «По обсуждении предложения Отдел постановил, «что теоретические и опытные данные указывают, что приблизительно уже на высоте 11 км подъёмная сила водорода равна 0. Вообще можно думать, что вряд ли возможно подняться выше 8-9 км в над поверхностью земли» [6, с. 537]. Такое мнение, вероятно, было основано на неточных представлениях об изменении параметров атмосферы с высотой. Широко была распространена и точка зрения о невозможности достижения человеком высоты более 9 км, что также не способствовало развитию высотных полётов. Кроме того, на стремление воздухоплавателей подниматься все выше повлияла катастрофа «Зенита». Так, например, К. Фламмарион, после гибели Кроче-Спинелли и Сивеля писал: «На основании этих прискорбных опытов можно заключить, что наибольшая высота, за которую человек не должен переходить, равняется 8000 м» [11, с. 28].

Не способствовало развитию высотных полётов и то, что информация об атмосфере могла быть получена с помощью шаров-зондов, оснащённых автоматическими приборами (их активное применение началось в 1890-х гг.). Результаты исследований, проведённых с помощью шаров-зондов, привели к открытию стратосферы на рубеже XIX-XX вв. Шары-зонды позволяли проводить измерения в стратосфере на недоступной человеку высоте, некоторыми из них в конце XIX в. была достигнута высота более 20 км.

Несмотря на интерес к проблеме высотных полётов со стороны русских ученых, о котором свидетельствуют работы Д.И. Менделеева, Н.Д. Пильчи-кова, И.М. Сеченова, пилотируемых высотных подъёмов в России не проводилось. Одной из главных причин такого положения дел являлась сложность с поиском значительных денежных средств, необходимых для строительства специальных аэростатов и организации подъёмов. Полёты на большую высоту имели исключительно научное значение.

В конце XIX в. Германскому обществу воздухоплавания удалось заинтересовать своими идеями военных и получить необходимые средства для организации научных экспедиций на аэростатах. В 1892 г. метеорологи впервые получили крупные ассигнования для организации исследовательских полетов [15, с. 44]. В результате были установлены новые рекорды: 4 декабря 1894 г. А. Берсон на аэростате «Феникс» достиг высоты 9155 м.; 3 июля 1901 г. Берсон и Р. Зюринг поднялись на высоту 10,5 км, приблизившись к нижней границе стратосферы.

Берсон и Зюринг получали дополнительный кислород через трубки с мундштуком, из-за чего испытывали проблемы, включая потерю сознания. Вскоре физиолог Г. фон Шреттер, работавший совместно с воздухоплавате-

лями, пришёл к выводу о необходимости применения вместо мундштуков -масок, исключающих подсос воздуха через нос. Также Шреттер первым отметил необходимость дыхания чистым кислородом на большой высоте.

Таким образом, единственным средством защиты человека от неблагоприятного воздействия разряженной атмосферы и гипоксии на больших высотах на рубеже XIX-XX вв. являлись трубки (затем - кислородные маски) для дыхания. Применение кислородной маски без избыточного давления делало возможным безопасное нахождение человека на высоте до 12 км [1, с. 6], что определяло возможностям воздухоплавательной техники начала XX в. Не получила практической реализации идея герметичной гондолы аэростата, представлявшая собой решение более сложное технически и более дорогое.

Решение проблемы обеспечения жизнедеятельности экипажа в XIX в. являлось основной технической задачей на пути к большой высоте. Полеты человека позволили успешно решить ряд проблем, связанных с созданием приборов для проведения измерений при высотных полётах, свидетельством чему является широкое применение в конце XIX в. автоматических шаров-зондов.

На протяжении немногим более ста лет воздухоплаванием был пройден путь от первого подъёма человека в воздух до достижения им границы стратосферы и начала её исследования. Благодаря высотным полётам воздухоплавателей XIX в. были проведены исследования влияния высоты на организм и созданы первые образцы высотного снаряжения. Эти изобретения и исследования в значительной мере способствовали развитию появившейся в XX в. авиации.

Литература

1. Алексеев, С.М. Высотные и космические скафандры [Текст] / С.М. Алексеев, С.П. Уманский. - М. : Машиностроение, 1973. - 280 с.

2. Арие, М.Я. Дирижабли [Текст] / М.Я. Арие. - Киев : Наук. Думка, 1986. -264 с.

3. Бойко, Ю.С. Воздухоплавание в изобретениях [Текст] / Ю.С. Бойко. - М. : Транспорт, 1999. - 352 с.

4. Вейгелин, К.Е. Очерки по истории лётного дела [Текст] / К.Е. Вейгелин. -Киев : Оборонгиз, 1940. - 458 с.

5. Виолетт, Ф. Взрывная декомпрессия и её действие на организм человека [Текст] / Ф. Виолетт. - М. : Воениздат, 1961. - 128 с.

6. Воздухоплавание и авиация в России до 1907 г. [Текст] // Сборник документов и материалов / под ред. В.А. Попова. - М. : Оборонгиз, 1956. - 952 с.

7. Воздухоплавание и исследование атмосферы [Текст] / под ред. М.М. Помор-цева. - СПб., 1897. - № 3. - 119 с.

8. Войтов, Д.В. Подводные обитаемые аппараты [Текст] / Д.В. Войтов. - М. : АСТ, 2002. - 303 с.

9. ГОСТ 4401-81 Атмосфера стандартная. Параметры. - Введен 01.07.82. - М. : Издательство стандартов, 2004. - 180 с.

10. ГОСТ Р 52119-2003. Техника водолазная. Термины и определения. - Введён 2004-06-01. - М. : Издательство стандартов, 2003. - 15 с.

11. Святский, Д.О. Что такое стратосфера [Текст] / Д.О. Святский. - М. ; Л. : ОНТИ НКТП СССР, 1935. - 120 с.

12. Сеченов, И.М. Экспериментальные исследования [Текст] / И.М. Сеченов // Собр. соч. / И.М. Сеченов.- М. : Моск.ун-т, 1907. - Т. 1. - 261 с.

13. Следков, А.Ю. Создание акваланга. Историческое исследование [Текст] / А.Ю. Следков. - СПб. : ООО «ИТД «ОСТРОВ», 2010. - 96 с.

14. Фельдман, Г.Э. Поль Бер (1833-1886) [Текст] / Г.Э. Фельдман [и др.].- М. : Наука, 1979. - 288 с.

15. Чернов, А.А. Путешествия на воздушном шаре [Текст] / А.А. Чернов. - Л. : Гидрометеоиздат, 1975. - 232 с.

16. Шуберт, Г. Физиология человека в полете [Текст] / Г. Шуберт. - М. ; Л. : Нар-комздрав СССР, Биомедгиз, 1937. - 204 с.

1У. По, Э.А. Полное собрание рассказов [Текст] / Э.А. По. - М. : Наука, 1970. -С. 83-11У.

lB. Bert, P. La pression barométrique: recherches de physiologie expérimentale [Text] / P. Bert. - Paris, 18У8. - 11У1 с.

19. High Flying in a Sealed Airplane [Text] // Popular Science. - 1921. - March. -С. 5G.

2G. Le Faure, G. Aventures extraordinairesd'un savant russe [Text] / Le Faure G., De Graffigny H. - 1-re partie: La Lune. - Paris, 1BB9. - 542 с.

21. Le Faure G. Aventures extraordinairesd'un savant russe [Text] / Le Faure G., De Graffigny H. - 2-e partie: Le Soleil et les petites planètes. - Paris, 1BB9. -394 с.

22. Lünen, A. von. Under the waves, above the clouds: A history of the pressure suit [Text] / A. Lünen. - TU Darmstadt, 2G1G. - 33У с.

23. Principles and practice of aviation medicine [Text] / Ed. by Claus Curdt- Christiansen et al. - World Scientific, 2GG9. - 82У с.

24. Rynin, N.A. Interplanetary flight and communication [Text] / N.A. Rynin. Volume 2, no. б: Superaviation and superartillery. - Jerusalem, 19У1. - 232 с.

25. Serviss, G.P. Serviss. Edison's Conquest of Mars [Text] / G.P. Serviss, P. Garrett .Los Angeles : Carcosa House, 194У. - 18б с.

26. Tissandier G. L'ascension de longue durée du ballon «Le Zénith» [Text] / G. Tis-sandier // La Nature / G. Tissandier. - 18У5. - № 9У. - С. 293-298.

2У. Tissandier G. Les ascensions aérostatiques à grande hauteur [Text] / G. Tissandier // La Nature. - 18У4. - № 2У. - С. 326-33G.

28. Le voyage à grande hauteur du ballon «Le Zénith» [Text] / G. Tissandier // La Nature / G. Tissandier. - 18У5. - № 1GG. - С. 33У-344.