15 октября 1783 года воздушный шар с французским учёным Пилатром де Розье (Pil?tre de Rozier) на борту оторвался от земли и поднялся на несколько десятков метров удерживаемый верёвкой. Сбылась мечта человечества о подъёме в небо. В Европе началось увлечение воздухоплаванием. Оболочки многих первых аэростатов — монгольфьеров — наполнялись горячим воздухом, который довольно быстро остывал. Ограничен был и запас взятого на борт топлива, которым служила солома. Эти обстоятельства значительно сокращали продолжительность и высоту полёта.
1 декабря 1783 года состоялся первый полёт на шарльере — более совершенном типе аэростата, оболочка которого наполнялась уже водородом (позднее для этой цели стал также применяться светильный газ — смесь водорода, метана и других горючих газов). Шарльеры были лишены присущих монгольфьерам недостатков, ограничивающих продолжительность и высоту полёта, являлись менее пожароопасными и обладали большей в 3,5 раза подъёмной силой при равном объёме. В дальнейшем практически все полёты совершались именно на них.
Первые подъёмы показали ошибочность бытовавшего в то время представления о том, что живые существа неизбежно задохнутся под облаками даже на небольшой высоте. Впрочем, подобные опасения всё же были не напрасны. Уже во время второго полёта на шарльере, в ходе которого профессор Жак Александр Сезар Шарль (Jacques Alexandre César Charles) поднялся приблизительно на 3 км, воздухоплаватель испытал состояние кислородного голодания и боль в ушах от быстрого изменения давления. Последующий опыт подтвердил появление болезненных ощущений на высоте. Например, с ухудшением самочувствия столкнулись в 1803 году знаменитый тогда воздухоплаватель Этьен-Гаспар Робер (Étienne Gaspard Robert) и его спутник. В 1804 году трое итальянских аэронавтов при восхождении на 6 км почувствовали головокружение и тошноту. Иногда неприятности возникали уже начиная с высоты 2—2,5 км.
Помимо ухудшения самочувствия большие трудности вызывал холод. На высоте 6 км температура воздуха составляет приблизительно минус 24оC, опускаясь до минус 43оC к 9 км. Это не только доставляло неудобства (например, онемение пальцев затрудняло проведение исследований и управление аэростатом), но и являло собой серьёзную опасность, представляя угрозу здоровью и даже жизни. Тёплая одежда в полной мере защитить воздухоплавателей не могла.
Всё же неудобства и опасность не останавливали отважных первопроходцев, продолжавших совершать высотные полёты. Главной целью их восхождений были метеорологические и другие научные наблюдения. Возможность подняться на высоту, не доступную какими-либо иными путями, и наблюдать различные атмосферные явления в процессе их зарождения и развития представляла огромный интерес для изучения атмосферы. О незаменимости аэростатов 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...»1
Основными измеряемыми параметрами были температура и давление окружающего воздуха на различных высотах. Термометр и барометр присутствовали на борту в каждом исследовательском полёте. Изучалось и множество других самых разнообразных вопросов; например, в 1786 году была сделана первая попытка измерений электрического напряжения в атмосфере при подъёме на аэростате.
Первый в России и один из первых в мире серьёзно организованных полётов на аэростате с научными целями состоялся 30 июня 1804 года. Этот полёт «в высшей части атмосферы» совершили приглашённый воздухоплаватель Робер и академик Яков Дмитриевич Захаров. «Воздушные путешествия производимы были до сих пор единственно из корыстолюбия и для удовольствия народного <…> Санктпетербургская императорская Академия наук, рассуждая о пользе, какую сие воздушное плавание наукам принести может, вознамерилась первая учинить оное для учёных 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 путешествия2. Для этого полёта «в самой большей от земли отдалённости» были поставлены разнообразные исследовательские задачи, изучать предстояло «скорейшее или медлительнейшее выпарение жидкостей, уменьшение или увеличение магнитной силы, углубление магнитной стрелки, увеличение или уменьшение согревательной силы солнечных лучей... яркость цветов, призмою произведённых, несуществование или существование электрического вещества, некоторые замечания на влияние и перемены, какие разжиженный воздух над человеком производит, летание птиц, наполнение способом Торричелли свободных от воздуха склянок при каждом падении на дюйм барометра и некоторые другие физические и химические опыты». Для проведения исследований на борт были взяты «1) двенадцать склянок с кранами в ящике с крышкою, 2) барометр с термометром, 3) термометр, 4) два электрометра с сургучом и серой, 5) компас и магнитная стрелка, 6) секундные часы, 7) колокольчик, 8) голосовая труба, 9) хрустальная призма, 10) известь негашёная и некоторые другие вещи для физических и химических опытов». О результатах полёта, в ходе которого учёный поднялся более чем на 2 км, Я. Д. Захаров сделал подробное донесение в Академию наук.
В том же 1804 году Парижской академией наук были организованы два восхождения, проходившие при участи известных физиков Жозефа Луи Гей-Люссака (Joseph Louis Gay-Lussac) и Жана-Батиста Био (Jean-Baptiste Biot). Но наиболее активно научные полёты с подъёмом на большую высоту начали проводить только в третьей четверти XIX века в Англии и во Франции. По инициативе метеоролога Джеймса Глейшера (James Glaisher) в 1850 году в Англии возникло метеорологическое общество, а в 1866 году — и научное воздухоплавательное общество. На основании данных, полученных Глейшером во время многочисленных подъёмов, был выведен общий закон изменения температуры воздуха с высотой; установлено влияние, оказываемое на распределение температуры облачностью, влажностью, временем года и т. д. Результатами его наблюдений пользовались до конца XIX века во многих научных работах. С 1892 года исследовательские полёты, тщательно организованные в научном отношении, стало проводить Берлинское воздухоплавательное общество. В России после Я. Д. Захарова в 1804 году и Михаила Александровича Рыкачева в 1873 году научных наблюдений на аэростатах не проводилось до конца 1880-х годов, когда появилось военное воздухоплавание и был образован воздухоплавательный отдел при Императорском Русском Техническом Обществе.
Первое время исследователи пользовались обыкновенными измерительными приборами, но постепенно становилась очевидной необходимость их доработки. Было установлено отрицательное влияние застоя воздуха около термометра, влияние на измерительные приборы солнечных лучей и т. д. С конца 1880-х годов вопросу разработки специальных приборов стало уделяться серьёзное внимание.
Для измерения давления воздуха (по которому, в частности, определялась высота) применялись ртутные и анероидные барометры и самопишущие барографы. На точность показаний ртутных барометров влияло вертикальное ускорение аэростата; погрешность к показаниям анероидных приборов давали частые перемены давления воздуха. Разница в показаниях ртутного и анероидного барометров могла составлять более 2—3 мм (что соответствует разнице в высоте 30—50 м и более)3. Подобные особенности осложняли работу аэронавтов по проведению измерений и затрудняли обработку их результатов.
Помимо уникальных условий для исследований, немаловажным (а, возможно, в некоторых случаях и главным) обстоятельством, способствовавшим стремлению подняться как можно выше, была конкуренция между воздухоплавателями. Так, 5 сентября 1862 года англичане Глейшер и Генри Трейси Коксуэлл (Henry Tracey Coxwell) совершили едва не стоивший им жизни высотный полёт, во время которого несколько раз теряли сознание4. Глейшер предположил, что им удалось подняться на 11 км. Некоторыми современниками сама такая возможность справедливо ставилась под сомнение, однако именно намерение побить рекорд англичан было в числе побудительных мотивов к высотным полётам французских воздухоплавателей Жозефа Кроче-Спинелли (Joseph Croce-Spinelli), Теодора Сивеля (Théodore Sivel) и Гастона Тиссандье (Gaston Tissandier).
В 1890-х годах для высотных исследований атмосферы начали применяться небольшие беспилотные шары-зонды. Они оснащались лёгкими самопишущими баротермографами, позволявшими измерять давление и температуру. Наблюдение шаров-зондов с земли давало возможность проводить измерения направления и скорости ветра, получать информацию о циркуляции атмосферы. Шары-зонды позволяли проводить измерения в стратосфере на недоступной человеку высоте, некоторым из них уже в конце XIX века удалось подняться выше 20 км.
Сам термин «стратосфера» ввёл французский метеоролог Леон Тейсерен де Бор (Léon Teisserenc de Bor), заявивший в 1902 году об открытии «изотермического слоя», находящегося на высоте более 10—11 км. Это заключение было сделано на основании многочисленных наблюдений с помощью шаров-зондов. Данные о том, что на этой высоте прекращается снижение температуры, получали и другие исследователи, но многие отказывались верить в их достоверность. Немецкий учёный Хуго Гергезель (Hugo Hergesell) в 1896 году даже начал развивать теорию, позволявшую исправить полученное экспериментально значение температуры на высоте 14 км на минус 68оC вместо минус 53оC5.
Возвращаясь к полётам человека, высотными в XVIII—XIX веках могли называться и подъёмы, не превышавшие 2 км, ввиду их редкости. Однако применительно к воздухоплаванию того времени высотными всё же уместнее считать восхождения на 3—4 км и более. Они имели высотную специфику, связанную с разреженным воздухом и низкой температурой, и, в отличие от других, требовали защиты экипажа от неблагоприятного воздействия среды. Вопросу жизнеобеспечения при высотных полётах посвящён следующий параграф.
Высотные полёты и проблема жизнеобеспечения
Воздухоплаватели не были первыми, кто столкнулся с неблагоприятными условиями большой высоты. Ещё задолго до полётов на аэростатах с симптомами гипоксии, вызванными влиянием пониженного парциального давления кислорода, люди встречались при восхождении на горы. Иезуитский священник Хосе де Акоста (José de Acosta) ещё в XVI веке описал симптомы, которые он испытал во время пребывания в Андах, и ввёл термин «горная болезнь». Позволив совершать подъёмы на недоступную ранее высоту, появление воздухоплавания обострило вопрос о необходимости защиты человека. Влияние высоты на организм стало целенаправленно изучаться и нередко ставилось в задачу исследовательских полётов.
Многими учёными выдвигались разные гипотезы о причинах высотной болезни. Первым, кто стал серьёзно изучать проблему ухудшения самочувствия при подъёме и объяснил, какое влияние понижение барометрического давления оказывает на человека, был французский физиолог Поль Бер (Paul Bert), занимавшийся также вопросами водолазной медицины. Ему удалось раскрыть основные физиологические механизмы этого процесса и определить пути защиты от неблагоприятного воздействия. Результаты исследований самого Бера, его предшественников и современников были обобщены в книге «Барометрическое давление», опубликованной в 1878 году6.
При постоянном процентном содержании кислорода (около 21%) с подъёмом на высоту уменьшается его парциальное давление, и для того, чтобы обеспечить человеку нормальное парциальное давление (150 мм рт. ст.), необходимо увеличивать процентное содержание кислорода во вдыхаемом воздухе. 22 марта 1874 года, по совету Бера, воздухоплаватели Сивель и Кроче-Спинелли в полёте на аэростате «Полярная звезда» впервые применили кислород для дыхания. Небольшой его запас находился в мягких баллонах.
15 апреля 1875 года Кроче-Спинелли, Сивель и Тиссандье на аэростате «Зенит» поднялись на 8600 м. Перед этим они проходили подготовку под руководством Бера, в том числе тренировались в барокамере. Воздухоплаватели взяли с собой кислородное оборудование — над корзиной аэростата крепились три ёмкости со смесью воздуха (30%) и кислорода (70%). Дышать нужно было через каучуковые трубки с мундштуками, проходившие через флаконы с ароматической жидкостью. На борту имелись два анероидных барометра для измерения высоты в диапазонах 0—4 и 4—9 км, спиртовой термометр для измерения температуры до минус 30оC, другой термометр, специальный барометр для измерения максимальной высоты, спектроскоп, компасы, карты, бинокль.
Всё же, несмотря на тщательные приготовления, на высоте события начали развиваться совсем не так, как было запланировано. Г. Тиссандье рассказывал о полёте: «…меня охватила такая слабость, что я даже не мог повернуть головы, чтобы посмотреть на своих товарищей. Хотел схватить трубку с кислородом, но уже не мог поднять руки. Однако голова моя продолжала работать вполне ясно. Я не переставал наблюдать за барометром; по-прежнему не сводил глаз со стрелки, которая вскоре подошла к цифре давления в 290, затем в 280 и стала переходить за неё.
Я хотел крикнуть: “Мы на высоте 8000 метров!”. Но язык у меня был точно парализован. Вдруг глаза мои закрылись, и я упал без чувств. Это было приблизительно в 1 ч. 30 м.
В 2 ч. 8 м. я на минуту пришёл в себя. Шар быстро спускался. У меня достало сил перерезать верёвку одного мешка с балластом, чтобы ослабить скорость спуска, и записать в книжечке следующие строки; привожу их дословно:
“Мы спускаемся; температура –8о; я бросаю балласт; давление – 315. Мы спускаемся. Сивель и Кроче всё ещё без чувств на дне корзины. Спускаемся очень быстро”.
Едва успел я написать эти строки, как меня охватила дрожь, и я снова упал в изнеможении. Ветер дул сильно снизу вверх, то есть показывал, что мы очень быстро спускаемся. Через несколько минут я почувствовал, что меня трясут за руку, и узнал Кроче; он пришёл в себя. “Бросайте балласт, — сказал он мне, — мы спускаемся”. Но я мог только с трудом открыть глаза и даже не заметил, очнулся ли Сивель.
Помню, что Кроче отцепил аспиратор и бросил его за борт, затем также выбросил балласт, одеяла и ещё что-то. Но всё это помнится мне крайне смутно, и на этом обрываются дальнейшие воспоминания, потому что тут я опять впал в забытьё, и даже на этот раз более сильное, чем перед тем: мне казалось, что я засыпаю вечным сном»7.
Несмотря на взятый с собой кислород, Сивель и Кроче-Спинелли погибли. Вероятно, трагедии способствовало то обстоятельство, что при развитии острого кислородного голодания организм человека перестаёт подавать сигнал об опасности. Вдобавок и без того небольшой запас кислорода должен был расходоваться экономно. Причиной острой гипоксии могло также стать засасывание воздуха через нос.
Трагическое известие о гибели воздухоплавателей распространилось далеко за пределы Франции и побудило многих обратить пристальное внимание на вопросы, связанные с высотными полётами. Так, русский физиолог Иван Михайлович Сеченов в 1879 году занялся исследованиями, позволившими установить непосредственную причину гибели аэронавтов8. Выведенная им формула для определения парциального давления кислорода в альвеолярном воздухе на различных высотах стала основой для определения величины необходимой человеку добавки кислорода.
Использование дополнительного кислорода для дыхания было оправданно и открывало перед воздухоплаванием новые возможности, но сложность и исключительно научное значение не способствовали развитию высотных полётов. На отношение к ним сильно повлияли и события с «Зенитом». Например, астроном и метеоролог Камиль Фламмарион (Camille Flammarion), совершавший полёты на аэростатах, 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»9. Ещё меньше необходимости идти на риск стало с началом запусков шаров-зондов.
Между тем в конце XIX века Германскому обществу воздухоплавания удалось заинтересовать своими идеями военных. В 1892 году по распоряжению кайзера Вильгельма II метеорологи впервые получили крупные ассигнования для организации исследовательских полётов. В результате были установлены новые рекорды. 4 декабря 1894 года профессор Артур Берсон (Arthur Berson) на аэростате «Феникс» достиг высоты 9155 м. 31 июля 1901 года Берсон и метеоролог Рейнхард Зюринг (Reinhard Süring) на аэростате «Пруссия» поднялись на 10 500 м, приблизившись к нижней границе стратосферы (по предположению Зюринга, максимальная высота, достигнутая в этом полёте, могла составлять 10 800 м).
«Поднимаясь всё выше, мы не чувствовали особенного ухудшения своего состояния, если не считать того, что нас начала охватывать слабость. Слабость становилась всё ощутимее. На высоте приблизительно 10 000 метров мы, однако, сумели сделать ещё четыре серии наблюдений с паузами по шесть минут. Достигнув высоты 10 230 метров и тщательно провентилировав кислородом свои лёгкие, мы провели ещё одну серию наблюдений. Мы всё время, без перерыва вдыхали кислород и, кроме того, были достаточно хорошо защищены от холода. Поэтому мы решили подняться ещё выше», — рассказывал Р. Зюринг о полёте 31 июля10.
Но Берсон и Зюринг тоже не избежали потери сознания. Как и экипаж «Зенита», они получали кислород через трубки с мундштуками, что не исключало дыхания через нос. Чтобы устранить эту проблему, в начале XX века стали использоваться дыхательные маски. Они были лишены указанного недостатка, зато имели множество других, из-за чего даже с появлением масок трубки с мундштуками оставались на службе до 1930-х годов.
И хотя рекордный полёт «Пруссии» не был полностью успешным и жизнь воздухоплавателей в нём подверглась огромному риску, можно сказать, что в начале XX века человеком была освоена уже вся высота тропосферы. «Ключом» к этому стало решение проблемы жизнеобеспечения. Путь дальше — полёты в стратосфере — требовал применения новых технологий, впервые задумываться о которых стали в XIX веке благодаря развитию водолазного дела и воздухоплавания.
Информация о книгах издательского дома «Интеллект» — на сайте www.id-intellect.ru
Комментарии к статье
1 Цитируется по: Чернов А. А. Путешествия на воздушном шаре. — Л.: Гидрометеоиздат, 1975, 232 с.
2 Воздухоплавание и авиация в России до 1907 г. Сборник документов и материалов / Под ред. В. А. Попова. — М.: Оборонгиз, 1956, 952 с.
3 Воздухоплавание и исследование атмосферы / под ред. М. М. Поморцева. — СПб, 1897, № 3, 119 с.
4 Glaisher J., Flammarion C., de Fonvielle W., Tissandier G. Voyages aériens. — Paris: L. Hachette et cie, 1870, 612 p.
5 Rochas M. L’invention du ballon-sonde // La Météorologie, 2003, № 43, р. 48—52.
6 Bert P. La pression barométrique: recherchés de physiologie expérimentale. — Paris, 1878, 1171 p.
7 Тиссандье Г., Фламмарион К. Путешествия по воздуху. — М., 1899, 383 с.
8 Сеченов И. М. Собрание сочинений. Т. 1: Экспериментальные исследования. — М.: Моск. ун-т, 1907, 261 с.
9 Святский Д. О. Что такое стратосфера. — М.; Л.: ОНТИ НКТП СССР, 1935, 120 с.
10 Цитируется по: Чернов А. А. Путешествия на воздушном шаре. — Л.: Гидрометеоиздат, 1975, 232 с.
