Шарльер

Воздушные шары и дирижабли:
1 — аэростат Монгольфье;
2 — аэростат Шарля;
3 — аэростат Бланшара;
4 — аэростат Жиффара;
5 — свободный аэростат Жиффара;
6 — аэростат Дюпюи де Лом;
7 — аэростат Генлейна;
8 — аэростат Ренара и Кребса.

Жак Алекса́ндр Сеза́р Шарль 1820.

Первый запуск шарльера Жаком Шарлем и Ле Фрером Робером, 27 августа 1783 года, на Марсовом поле в Париже. Иллюстрация с конца XIX века.

Воздушный шар Олимпийских игр 1900 года на Le Parc d'aerostation в Париже

Шарлье́р (фр. charlière) — аэростат, наполненный водородом, гелием или другими газами легче воздуха. Назван по имени французского учёного и изобретателя Жака Александра Сезара Шарля. Аэростат объёмом 25 м³ совершил свой первый полёт 27 августа 1783 года при стечении 300 тыс. зрителей на Марсовом поле в Париже. Первый полёт «шарльера» с экипажем (Ж. А. С. Шарль и М. Н. Робер) состоялся 1 декабря 1783 года в Париже. Французский профессор физики Жак Шарль считал, что дымный воздух — это не лучшее решение, ведь горячий воздух, остывая, теряет подъёмную силу, чего нельзя сказать о водороде, так как он изначально легче воздуха. Жак Шарль использовал лёгкую шёлковую ткань, смоченную раствором каучука в скипидаре, в качестве оболочки, способной длительное время держать летучий газ.

Наполнение

Для того чтобы шарльер поднялся в воздух, газ должен быть легче воздуха. При заданной температуре и давлении плотность газа пропорциональна молекулярной массе. Для того чтобы газ был легче воздуха, его молекулярный вес должен быть ниже 28,97. Грузоподъёмность пропорциональна разности между 28,97 и молекулярным весом газа. Веществ с молекулярным весом ниже 29 и газообразных при комнатной температуре, немного:

• Водород. Молекулярный вес 2. Высокая грузоподъёмность (1,204 кг/м³), безвреден, недорог, но пожаро- и взрывоопасен. Широко применяется для беспилотных шарльеров.
• Гелий. Молекулярный вес 4. Высокая грузоподъёмность (1,115 кг/м³), безвреден, безопасен, но дорог. Широко применяется для пилотируемых шарльеров.
• Неон. Молекулярный вес 20. Безвреден, безопасен, но дороже гелия, и из-за высокого атомного веса грузоподъёмность втрое ниже, чем у водорода (0,400 кг/м³). Применяется ограниченно.
• Метан. Молекулярный вес 16. Малотоксичен, недорог, но пожаро- и взрывоопасен. Применяется ограниченно.
• Аммиак. Молекулярный вес 17. С резким запахом, ядовит, слегка горюч, относительно недорог и доступен. Применяется ограниченно, для метеозондов.
• Фтороводород (HF). Молекулярный вес 21. Крайне ядовит (смертельная концентрация — сотые доли процента; в меньших концентрациях вызывает ожоги кожи и органов дыхания). Химически агрессивен (прожжёт почти любую оболочку). Не применяется.
• Ацетилен (C₂H₂). Молекулярный вес 26. Крайне пожаро- и взрывоопасен. Не применяется.
• Диборан (B₂H₆). Молекулярный вес 27,6. На воздухе нестабилен, самовоспламеняется. Не применяется.
• Азот. Молекулярный вес 28. Безвреден, недорог, но грузоподъёмность ничтожная (0,043 кг/м³). Не применяется.
• Этилен (C₂H₄). Молекулярный вес 28. Пожаро- и взрывоопасен. Не применяется по той же причине, что и азот.
• Угарный газ (CO). Молекулярный вес 28. Горюч и крайне токсичен. Не применяется по той же причине, что и азот.

Кроме того, в качестве наполнителей предложено использовать водяной пар и в прошлом использовался светильный газ (смесь метана, водорода и угарного газа). Исходя из вышеописанных свойств газов, наиболее предпочтительным и широко используемым является гелий. Использовать водород, аммиак или метан можно только для беспилотных аэростатов, и их заполнение газом необходимо осуществлять на открытом пространстве, вдали от источников огня или электричества, с применением заземления всего оборудования. Неон предосторожностей не требует — как и гелий, он абсолютно безопасен.

Воздушная подъёмная сила

Считая температуры газа-наполнителя и окружающей газовой среды — воздуха — одинаковыми, воздушную подъёмную силу шарльера можно выразить формулой:

$F={\frac {28,97-M}{22,4}}$,

Здесь $F$ — подъёмная сила в килограммах на 1 м³ (так же, г/л) газа-наполнителя относительно воздуха при нормальных условиях.

$28,97$ — средняя молекулярная масса воздуха, г/моль,

$M$ — средняя молекулярная масса газа-наполнителя, г/моль,

$22,4$ — молярный объем любого газа при нормальных условиях, л/моль.

Подъёмная сила шарльера на 1 м³ газа-наполнителя при нормальных условиях

Газ наполнитель	Химическая формула	Молекулярная масса	Подъёмная сила (кг/м³)
Водород	H2	2	1,204
Гелий	He	4	1,115
Метан	CH4	16	0,579
Аммиак	NH3	17	0,534
Азот	N2	28	0,043

При равенстве температуры и давления атмосферного воздуха и газа-наполнителя, и до тех пор, пока оболочка шарльера вмещает всё начальное количество наполнителя, подъёмная сила аппарата не зависит от атмосферных условий, поскольку при отклонениях их от нормальных соотношение плотностей воздуха и наполнителя остаётся постоянным, и разница весов наполнителя и вытесняемого им воздуха не меняется. Таким образом, если подъёмная сила превышает вес оболочки, оснастки и полезного груза шарльера, он будет подниматься неограниченно. Предел этому может наступить по следующим причинам:

1. экипаж выпускает из оболочки часть наполнителя, или он, расширившись вследствие понижения атмосферного давления, сам частично вытекает через нижнюю горловину оболочки;
2. герметичная, упругая оболочка (например, детского шарика, наполненного гелием, или метеозонда), растягиваясь при расширении наполнителя, оказывает на него дополнительное давление, вследствие чего он расширяется в меньшей степени, чем атмосферный воздух, и разница плотностей наполнителя и воздуха, а, следовательно, и подъёмная сила шарльера, уменьшается;
3. в верхних слоях атмосферы, в которые поднимаются стратостаты, молекулярный состав воздуха изменяется: уменьшается доля более тяжёлых фракций, главным образом — кислорода. Вследствие этого средний молекулярный вес воздуха уменьшается, что ведёт к снижению подъёмной силы стратостата.

См. также

• Монгольфьер

Ссылки

• Gasballoon Launch field Gladbeck (англ.)
• Stratocat (англ.)
• Preston et al. Determination of Venus Winds by Ground-Based Radio Tracking of the VEGA Balloons (англ.) // Science : journal. — 1986. — Vol. 231, no. 4744. — P. 1414—1416. — doi:10.1126/science.231.4744.1414. — . — PMID 17748082.