Пневматическая балластировка

Пневматическая балластировка (или пневмобалластировка) применительно к аэростатическим стратосферным беспилотным летательным аппаратам (БПЛА) (также известным как стратостаты или атмосферные спутники) — это метод активного управления плавучестью (подъемной силой) аппарата путем изменения количества и плотности газа в его оболочке с помощью нагнетания или стравливания воздуха.

Простыми словами: это система, которая позволяет стратостату «становиться тяжелее» или «легче» без сброса балласта (песка/груза) или потери дорогого гелия.

Вот подробное объяснение того, как это работает, зачем это нужно и какие преимущества дает:

Физический принцип

Аэростатический аппарат (дирижабль или стратостат) работает по закону Архимеда. Чтобы подняться, его общая плотность должна быть меньше плотности окружающего воздуха. Чтобы опуститься или зависнуть — равна или больше.

▶️ Основной газ (обычно гелий) создает постоянную подъемную силу.

▶️ Пневмобалластировка использует внешний воздух в качестве балласта. Внутри основной гелиевой оболочки или в специальных баллонетах (емкостях внутри оболочки) находится воздух.

Как это работает в стратосферных БПЛА

Стратосферные аппараты (например, Барраж-1 (Аэродроммаш) или Loon (Project Loon от Google) или различные исследовательские платформы) сталкиваются с проблемой: днем гелий нагревается солнцем и расширяется, аппарат рвется ввысь. Ночью газ остывает и сжимается, аппарат теряет высоту и может упасть.

Пневмобалластировка решает эту проблему так:

Нагнетание воздуха (Утяжеление):

➡️ Когда аппарат хочет снизиться или когда гелий слишком расширился (например, днем), компрессор засасывает холодный разреженный наружный воздух и закачивает его во внутренний баллонет.

➡️ Воздух тяжелее гелия. Добавляя воздух, мы увеличиваем общую массу аппарата, не меняя его объема. Подъемная сила падает, и аппарат начинает снижаться или компенсирует избыточную плавучесть от нагретого гелия.

Стравливание воздуха (Облегчение):

➡️ Когда нужно подняться или когда гелий сжался (ночью), клапан открывается, и воздух из баллонета стравливается наружу.

➡️ Аппарат становится легче, подъемная сила гелия начинает преобладать, и он набирает высоту.

Зачем это нужно стратосферным БПЛА?

В стратосфере (10–50 км) очень разреженный воздух, и традиционные методы балластировки (сброс груза) работают плохо (слишком много груза нужно сбросить для эффекта) или конечны (балласт заканчивается).

Пневматическая балластировка дает критически важные возможности:

1️⃣ Компенсация суточных колебаний температуры: Это главная проблема. Аппарат может оставаться на заданной высоте неделями, несмотря на смену дня и ночи, закачивая воздух днем и стравливая его ночью.

2️⃣ Коррекция высоты: Возможность точно маневрировать по высоте в поисках нужного направления ветра (стратостаты летят по ветру) или для выполнения миссии.

3️⃣ Экономия гелия: Раньше, чтобы не лопнуть от расширения газа, стратостаты просто стравливали гелий за борт («сброс газа»). Это одноразовая операция — гелий закончился, аппарат упал. Пневмобалластировка позволяет сохранить гелий, сжимая его воздухом и сохраняя объем оболочки неизменным.

4️⃣ Предотвращение разрушения оболочки: Система поддерживает постоянное внутреннее давление, не давая оболочке лопнуть при расширении газа или раздавиться при сжатии.

Конструктивные особенности

Для реализации пневмобалластировки на борту стратосферного БПЛА должны быть:

▶️ Компрессор (насос): Мощный, но легкий насос, способный закачивать очень разреженный воздух (низкое давление на входе) и сжимать его до давления внутри баллонета.

▶️ Система клапанов: Для впуска и выпуска воздуха.

▶️ Баллонеты: Эластичные перегородки или мешки внутри основной оболочки. Когда в баллонет закачивают воздух, он давит на гелий, уменьшая его объем (сжимая его).

▶️ Энергия: Для работы компрессора нужна электроэнергия, которую дают солнечные батареи (днем они питают мотор и заряжают батареи для работы компрессора ночью).

Заключение

Пневматическая балластировка — это технология, которая превращает простой метеорологический шар в управляемый долгоживущий стратосферный атмосферный спутник. Она позволяет аппарату «дышать», регулируя свою плотность за счет окружающего воздуха, чтобы оставаться в заданном коридоре высот в течение многих месяцев.