Стратоста́т (стратосферный аэростат) — свободный аэростат, предназначенный для полётов в стратосферу, то есть на высоту более 11 км. Стратостаты, предназначенные для подъёма только до нижних слоёв стратосферы, называются субстратостатами.
Устройство и оборудование стратостата Хотя стратостат, по сути, является аэростатом, его устройство имеет ряд существенных отличий от тропосферных и субстратосферных воздушных шаров в силу других условий полёта. Плотность воздуха в нижних слоях стратосферы на порядок меньше, а на высотах около 30 км на 2 порядка меньше, чем на уровне моря, поэтому для создания достаточной аэростатической подъёмной силы объём баллона должен быть достаточно большим и, как правило, превышает 14 000 м³, а объём самого крупного баллона составлял 850 000 м³. Вследствие сильного расширения газа с высотой на старте баллон имеет сильно вытянутую грушевидную форму, которая приближается к шарообразной вблизи верхней точки полёта (то есть на старте имеют очень низкую т. н. «степень наполнения»). Как правило, баллон стратостата наполняется гелием, в довоенное время в ряде полётов применялся водород, который намного дешевле и обладает большей подъёмной силой, но в смеси с воздухом крайне взрывоопасен. Небольшая удельная подъёмная сила газа на значительной высоте (вследствие низкой плотности воздуха) повышает требования к весу оболочки баллона. Обычно её делают из очень тонкого и прочного пластика. В большинстве случаев баллон оборудуется клапаном для стравливания газа, который используется для обеспечения снижения стратостата, а также для уменьшения скорости подъёма во время взлёта.
Гондола стратостата должна надёжно защищать экипаж от смертельных для человека условий стратосферы — низкого давления воздуха и низкой (до −70 °C) температуры. Оболочка гондолы должна выдерживать значительное внутреннее давление, она изготавливается из лёгких металлов, таких как алюминий, и обычно имеет сферическую форму. Как правило, полёт длится в течение многих часов, и экипажу необходима система регенерации воздуха, подобная той, которая применяется в подводных лодках и космических кораблях. Для поглощения углекислого газа может применяться гидроксид лития, для восполнения запасов кислорода — баллоны со сжатым, а в послевоенных полётах также с жидким кислородом.
Система терморегуляции служит для поддержания комфортной температуры в гондоле. Оригинальную систему применил в стратостате FNRS-1 Огюст Пикар: гондола была покрашена с одной стороны в белый, а с другой — в чёрный цвет, что при повороте к Солнцу соответствующей стороной приводило к нагреванию или остыванию гондолы. Однако в первых полётах устройство поворота гондолы не работало, что вызвало один раз перегрев, другой раз — сильное охлаждение воздуха в гондоле. В более поздних полётах использовалась относительно надёжная электрическая система терморегуляции.
Герметичная гондола затрудняет непосредственный сброс балласта, которым оснащают стратостат для регулирования скорости подъёма и спуска. В FNRS-1 для этого применялась специальная воронка, через которую можно было сбрасывать дробь без разгерметизации. В более поздних полётах применялась электромагнитная система сброса балласта, подобная применяемым в батискафах.
Измерительное и научное оборудование стратостата определяется целями полёта. Во всех полётах гондола оснащается внутренним и наружным термометрами и высотомером, достаточно часто используются счётчики радиоактивных частиц, оборудование для определения химического состава или забора проб воздуха, фото- и видеооборудование. В ряде полётов в состав оборудования включался телескоп для проведения астрономических наблюдений.
FNRS-1
Первый в мире стратостат был сконструирован и построен швейцарским учёным Огюстом Пикаром, который планировал использовать его для исследования космических лучей. Стратостат был оборудован сферической герметичной гондолой из алюминия, которая защищала экипаж от непригодных для жизни условий стратосферы. Проектирование и создание гондолы было осуществлено в 1930 году при поддержке бельгийской организации Fonds National de la Recherche Scientifique (FNRS), в честь которой она была названа FNRS-1.
27 мая 1931 года Огюст Пикар и Пауль Кипфер совершили первый в истории полёт в стратосферу из города Аугсбург, Германия, достигнув высоты 15785 м. Через некоторое время после старта выяснилось, что гондола негерметична, но Пикару быстро удалось заделать щель. В ходе дальнейшего подъёма отказал механизм управления клапаном баллона, и стратостат потерял управление. В завершение выяснилось, что неисправна система терморегуляции гондолы, из-за нагрева солнцем температура поднялась до 40 °C при температуре воздуха снаружи стратостата −50 °C. Несмотря на все неприятности, ночью, когда баллон остыл, стратонавтам удалось благополучно приземлиться в тирольских Альпах. 18 августа 1932 года Пикар совершил второй рекордный полёт, в целом более удачный, вместе с бельгийским учёным Максом Козинсом. Стратостат стартовал из Цюриха и достиг высоты 16,2 км. Во время полётов Пикар собрал важные данные о верхних слоях атмосферы и о космических лучах.
Впоследствии Огюст Пикар использовал идею, заложенную в стратостате, при проектировании первого батискафа FNRS-2 — автономного глубоководного исследовательского аппарата. Батискаф был построен по той же схеме: герметичная гондола и баллон, но роль баллона, наполненного лёгким газом, играет стальной поплавок, наполненный бензином.
Стратостаты в СССР
В СССР полёты Пикара вызвали большой интерес, и в 1933—1934 годах были построены стратостаты «СССР-1» и «Осоавиахим-1». 30 сентября 1933 «СССР-1» конструкции К. Д. Годунова совершил полёт на высоту 19 км, установив новый мировой рекорд. Вместе с Годуновым стратостат пилотировали Э. К. Бирнбаум и выдающийся советский воздухоплаватель Г. А. Прокофьев.
30 января 1934 года в 9 утра из Кунцева (под Москвой) стартовал «Осоавиахим-1» с экипажем в составе П. Ф. Федосеенко, А. Б. Васенко, И. Д. Усыскин. Это был первый в истории зимний полёт стратостата. Несмотря на то, что Федосеенко, который руководил подготовкой стратостата, был очень опытным аэронавтом, летал ещё в гражданскую войну, участвовал в полётах с Фридманом, риск был велик. Около 12 часов дня, после достижения высоты 20,6 км, была потеряна связь с пилотами. Помятая гондола была обнаружена в 17 часов в Инсарском районе Мордовской области, возле села Потижский Острог, в 8 км южнее станции Кадошкино. Полёт завершился катастрофой, всё оборудование было разбито, члены экипажа погибли. Судя по записям в журнале, аппарат достиг высоты 22 км. По официальному заключению, причиной катастрофы стало превышение предельной безопасной высоты полёта для этого аппарата (около 20,5 км). Вследствие перегрева солнечным теплом оболочки произошёл сброс объёма газа, что затем сказалось на скорости спуска. Снижение происходило слишком быстро, скорость падения стала критической, и на высоте около 2 км произошёл отрыв гондолы от баллона. Дополнительными факторами, повлиявшими на исход полёта, были слабое крепление гондолы, запутывание клапанной верёвки и сложные условия полёта. Члены экипажа награждены орденом Ленина посмертно. Урны с прахом героев были захоронены в Кремлёвской стене лично Сталиным, Молотовым и Ворошиловым.
В 1934 году аварией закончился полёт стратостата «СССР-2».
26 июня 1935 года стартовал стратостат «СССР-1-бис» с экипажем в составе К. Я. Зилле, Ю. Г. Прилуцкий, А. Б. Вериго. После выполнения научной программы, в начале снижения, выяснилось, что оболочка баллона повреждена. Через некоторое время после входа в тропосферу, когда появилась возможность безопасно открыть люк, Прилуцкий и Вериго выпрыгнули с парашютом. Зилле удалось благополучно посадить облегчённую гондолу.
В 1937 году упал стратостат «СССР-3».
18 июля 1938 года из-за отказа кислородного оборудования погибли стартовавшие 16 июля с лётного поля под Звенигородом (Подмосковье) на субстратостате — физиологической обсерватории ВВА-1 для изучения влияния высотного давления на организм человека, воздухоплаватели Яков Григорьевич Украинский, Серафим Константинович Кучумов, Пётр Михайлович Батенко и Давид Евсеевич Столбун. 18 июля, во второй половине дня, шар-стратостат опустился на высоковольтную ЛЭП в центре города Сталино (сейчас Донецк). Взметнулось огромное пламя: взорвался водород, которым была заполнена оболочка шара ВВА-1. Стратонавты были похоронены в Сталино на пересечении бульвара Пушкина и проспекта 25-летия РККА. На их могиле 26 апреля 1953 г. был установлен памятник.
22 июня 1940 г. в 5.17 «Осоавиахим-2» стартовал в Звенигороде с майором И. И. Зыковым и научным работником АН СССР А. П. Кузнецовым. Перед стартом не было проверено состояние ранцевого механизма, и на первых же секундах взлёта на высоте 10 м произошло самоотделение гондолы от оболочки; экипаж отделался ушибами.
В 1958 году в СССР был построен стратостат «Волга».
Проект Man High
Исследования Пикара также привлекли внимание и в США. Его брат-близнец Жан Пикар, гражданин США, в 1933—1934 построил стратостат «Век прогресса» (Century of Progress), который совершил два полёта, внеся весомый вклад в исследование стратосферы. Во втором полёте участвовала его жена Жанет, ставшая первой женщиной-стратонавтом. 11 ноября 1935 года американские исследователи А. Стивенс и О. Андерсон на стратостате Explorer-2 достигли высоты 22066 м, полёт водородного стратостата Explorer-1, состоявшегося за год до этого, завершился аварией, экипажу удалось спастись, выпрыгнув с парашютом.
В 1957—1958 годах ВВС США была проведена серия стратосферных полётов на высоту около 30 км, получившая название «Man High» (первоначальное название «Дедал»). Хотя в 1950-е годы самолёты уже достигали стратосферы, они не могли находиться там дольше нескольких минут, стратостат же мог висеть в условиях, близких к космическим, в течение многих часов, что имело большое значение для отработки систем жизнеобеспечения космических полётов.
9 ноября 1955 года был заключён контракт на создание первого стратостата серии «Man High». В 1956 году проект был детально разработан и утверждён командованием ВВС. Проект осуществлялся сотрудниками центра разработки ракетного вооружения ВВС и авиамедицинской полевой лаборатории, расположенных на базе ВВС США Холломан в штате Нью-Мексико. Руководителем был назначен полковник Джон Пол Стапп. Основными целями проекта были отработка систем жизнеобеспечения, контроля состояния пилота, катапультирования и посадки, исследование космической радиации и влияния условий высотного полёта на организм человека. Впоследствии многие из результатов, полученных в ходе реализации проекта, были использованы при создании серии американских космических кораблей «Меркурий».
В ходе подготовки были произведены испытания парашютной системы гондолы, отработана посадка на сушу и на воду, пилоты произвели ряд полётов в открытых аэростатах и прыжков с парашютом. 2 июня 1957 года в 6 часов 23 минуты возле города Саут Сент-Пол в штате Миннесота стратостат Man High I начал первый пилотируемый полёт. Пилотом стал Джозеф Киттингер. Максимальная высота полёта составила 29260 м, что значительно превышало достигнутые к тому времени результаты, несмотря на то, что продолжительность полёта была сокращена с 22 часов до 6,5 из-за небольшой утечки кислорода.