В честь 150-летнего юбилея мы вновь обращаемся к историям (как удачным, так и неудачным), которые помогли определить научный прогресс, понимание и инновации - с добавлением современного контекста. Ознакомьтесь со всей серией "Из архивов" и посмотрите все наши юбилейные материалы здесь.
Тридцать лет назад вредные облака хлорфторуглеродов, которые собирались в стратосфере Земли в течение полувека, прогрызли сезонную дыру в защитном озоновом слое над Антарктидой диаметром вдвое больше Плутона. Хотя антарктическая особенность была экстремальной, она подчеркивает катастрофу, разворачивающуюся во всей атмосфере Земли. Когда в стратосфере станет меньше озона, защищающего флору и фауну от ультрафиолетовых лучей солнца, пострадают урожаи и повысится заболеваемость раком кожи.
К тому времени, когда в июле 1992 года журнал Popular Science опубликовал статью, описывающую неотложные усилия ученых по всему миру понять динамику разрушения озонового слоя, наши перспективы были ужасны. "Озоновый щит Земли, похоже, разрушается, - писал старший редактор Popular Science Стивен Эшли, - и исследователи должны быстро выяснить причину". По словам Эшли, НАСА сделало все возможное, создав роботизированный беспилотник для сбора данных, который будет бороздить полярные вихри Земли - верхние слои атмосферы над Антарктидой. Этот аппарат, названный "Персей", использует GPS и запрограммированный маршрут для поиска озона.
В 1987 году каждая страна на Земле (впервые и единственный случай) ратифицировала договор, призванный обратить вспять нанесенный ущерб. Монреальский протокол установил руководящие принципы для быстрого постепенного отказа от списка из 100 химических веществ, называемых озоноразрушающими веществами или ОРВ. Со времени публикации статьи в журнале Popular Science в 1992 году выбросы ОРВ сократились на 98 процентов. И хотя размер и серьезность антарктической озоновой дыры колеблется из года в год под влиянием множества факторов, включая сезонную температуру и влажность, тенденция к улучшению ситуации остается неизменной. Эксперты прогнозируют полное восстановление к 2070 году. Помимо того, что озон представляет собой редкую историю экологического успеха, в нем есть и урок: Удивительные вещи возможны - даже в планетарном масштабе - когда каждый берется за дело.
К сожалению, такое единство оказалось труднодостижимым в отношении парниковых газов. С 1992 года мировые лидеры трижды пытались заключить договоры по сокращению выбросов этих веществ, последним из которых было Парижское соглашение по климату. Ни один из них не достиг единодушия, хотя Парижское соглашение уже близко, поскольку к нему присоединились США.
"Озоновый дрон" (Стивен Эшли, июль 1992)
Разрушение озонового щита Земли стало глобальной проблемой. Но как ученые могут получить данные с большой высоты, необходимые для поиска решений? Беспилотный планер может стать ответом на этот вопрос.
На высоте восьмидесяти тысяч футов над бескрайними замерзшими просторами Антарктиды одинокий самолет будет кружить в стратосфере на длинных конических крыльях. Беспилотный планер под названием "Персей" в 1994 году должен подняться выше всех предыдущих винтовых самолетов, чтобы выяснить, что случилось со стратосферным озоновым щитом Земли. Он будет запрограммирован на поиск в холодном, разреженном воздухе над Антарктидой химических веществ, разрушающих озон, и на возвращение важнейших проб воздуха, которые годами ускользали от внимания ученых-атмосферников.
14,4-футовый пропеллер самолета с переменным шагом - настолько длинный, что он не может вращаться до тех пор, пока Perseus не окажется в воздухе, - потребует, чтобы роботизированный корабль был поднят в воздух с базы на антарктической станции Мак-Мердо с помощью троса, намотанного на лебедку. После поднятия в воздух двигатель будет включен, а трос отсоединен.
Затем Perseus будет подниматься по спирали вверх к центру озоновой дыры со скоростью около 40 узлов, достигая скорости 200 узлов на высоте. Хотя техник будет управлять самолетом дистанционно с помощью радиоуправления в пределах прямой видимости, когда он будет находиться у земли, Perseus в основном будет пилотировать сам себя. Его бортовой компьютер будет выполнять запрограммированные навигационные команды на основе данных, передаваемых со спутников глобального позиционирования.
В конечном итоге предполагается, что датчики, установленные в носовой части аппарата, сработают, если высоко летящий зонд войдет в нечеткое, розоватое скопление крошечных ледяных кристаллов - предполагаемый очаг разрушения озона, который исследователи называют полярным стратосферным облаком. Бортовой компьютер даст команду аппарату для забора проб воздуха. Когда датчики перестанут обнаруживать лед, "Персей" изменит курс и продолжит полет по зигзагообразной траектории, чтобы наметить границы вредоносного облака.
Общая продолжительность полета составит около шести часов, из которых час уйдет на отбор проб воздуха. Персей" может нести топливо, достаточное только для подъема, поэтому после остановки двигателя он будет бесшумно скользить до посадки на базе на ледяном шельфе.
Такой полет не может произойти слишком скоро для ученых, изучающих разрушение озонового слоя. Озоновый щит Земли, похоже, разрушается, и исследователям необходимо быстро выяснить причину этого. В октябре прошлого года спутник НАСА Nimbus-7 измерил самую низкую концентрацию озона над Антарктидой за последние 13 лет. До сих пор эта огромная озоновая дыра ограничивалась Южным полушарием, но недавно самолеты НАСА обнаружили в арктическом воздухе обилие химических веществ-предшественников озоновой дыры, что создает угрозу возникновения северной озоновой дыры. Возможно, еще более тревожным является обнаружение истончения уровня озона над северными средними широтами, включая населенные районы Канады и Новой Англии, Великобритании, Франции и Скандинавии. (По словам ученых, условия в прошлом году были необычайно теплыми, поэтому северная озоновая дыра не образовалась).
С 1988 года пилоты разведывательных самолетов ER-2, переоборудованных в самолеты-шпионы U-2, поднимаются на высоту 13 миль над отдаленными и пустынными полярными регионами, чтобы собрать пробы воздуха для ученых. Эти миссии нельзя назвать рутинными. Если один из одномоторных самолетов столкнется с проблемой во время этих тяжелых восьмичасовых ночных полетов протяженностью 1 500 миль, пилот-одиночка почти наверняка погибнет.
Пока что отдача стоит риска, однако, поскольку высоколетящие коллекторы предоставили ученым доказательства, необходимые для того, чтобы обвинить искусственные соединения хлора, называемые хлорфторуглеродами (ХФУ), в разрушении озона и призвать к их запрету. Тем не менее, по словам Джима Андерсона, химика атмосферы из Гарвардского университета, возможности исследователей по дальнейшему моделированию и прогнозированию изменений в озоновом слое в настоящее время ограничены нехваткой важнейших проб воздуха из самого сердца дыры, которая находится на высоте, превышающей потолок любого пилотируемого самолета. Андерсон, который также является научным руководителем шестимесячного арктического стратосферного эксперимента НАСА Airborne Arctic Stratospheric Experiment-2, говорит, что в современных атмосферных моделях (используемых для принятия решений правительством в области экологической политики) отсутствует информация о химическом составе и движении на высоте около 15 миль, или 82 000 футов - важнейшей области формирования и разрушения озона. "Спутники хороши для создания широких карт простых измерений", - говорит Андерсон, - "но для понимания механизма разрушения озона нужны оба - спутники для климатологического обзора и прямые измерения воздушными аппаратами для понимания механизма".
Гигантские воздушные шары, наполненные гелием, десятилетиями использовались для доставки приборов на экстремальные высоты, но эти громоздкие аппараты подвержены капризам погоды, что приводит к задержкам запуска и случайным потерям полезной нагрузки. Единственным доступным самолетом, способным летать достаточно высоко, является SR-71 Blackbird компании Lockheed, но сверхзвуковая скорость этого черного самолета делает невозможным отбор проб. Персей, казалось бы, может дать ответы на многие вопросы.
Инженер-авиаконструктор Массачусетского технологического института Джон Лэнгфорд, президент компании Aurora Flight Sciences Corp. в Манассасе, штат Вирджиния, работает над созданием Perseus, чтобы предложить возможность экстремальной высоты, беспилотного управления и способность переносить научные приборы на крыше при относительно низкой стоимости. Ядро сотрудников Aurora - ветераны проекта Массачусетского технологического института "Дедал", в рамках которого был разработан легкий летательный аппарат с человеческим двигателем, который проехал на педалях 69 миль между греческими островами Крит и Санторин ["88-фунтовый педальный самолет", февраль '87]. Разработка Perseus во многом обязана своему, казалось бы, простому предшественнику.
Высокоэффективные крылья Daedalus, разработанные Марком Дрелой, доцентом кафедры аэронавтики и астронавтики Массачусетского технологического института, поддерживали хлипкий на вид композитный аппарат в воздухе, несмотря на то, что его приводил в движение только человеческий двигатель. Лэнгфорд и Дрела знали, что длинное, тонкое крыло будет работать в разреженном воздухе и на экстремальных высотах, которые необходимы для отбора проб озона. "Было очевидно, что большая часть технологии аэродинамических крыльев и конструкций будет применима к высоколетящим самолетам", - вспоминает Дрела.
Необходимость в недорогой, высотной, беспилотной платформе для исследования атмосферы in situ была определена несколько лет назад группой экспертов из НАСА, Национального управления океанических и атмосферных исследований и Национального научного фонда. Помимо химии озона, группа хотела получить аппарат, который мог бы помочь определить роль облаков в глобальном потеплении, исследовать явления смешения стратосферы и тропосферы для нового исследования Министерства энергетики по климатическим изменениям, найти причины сильных штормов и оценить влияние выхлопных газов сверхзвуковых авиалайнеров в будущем ["The Next SST", Feb. '91].
"Ключевым моментом было то, что аппарат должен быть доступен в 1993-94 годах", - вспоминает Дженнифер Баер-Ридхарт, руководитель проекта по программе создания малых высотных научных самолетов в летно-исследовательском центре НАСА Эймс-Драйден в Эдвардсе, Калифорния. Компания Aurora, уже находящаяся на пути к разработке такого самолета, получила двухлетний контракт НАСА на поставку двух самолетов Perseus стоимостью 2,25 миллиона долларов.
Чтобы снизить затраты, Лэнгфорд отмечает, что стратегия заключается в модификации готовых компонентов и существующих конструкций, а не в разработке индивидуальной технологии.
В результате получился легкий самолет весом 1320 фунтов, "беспилотная версия парусника", по словам Лэнгфорда, с размахом крыльев 59 футов и аэродинамической конструкцией с низким сопротивлением. Крылья, пропеллер, хвостовые поверхности и хвостовая стрела отлиты из пропитанной смолой арамидной ткани Kevlar, сотовых сердечников Nomex и графитовой ткани.
"Композитная структура Perseus напоминает спортивный планер, доведенный до крайности", - говорит Зигфрид Зервекх, руководитель группы аэроструктур компании Aurora. Тот факт, что самолет является беспилотным и что его конструкции не должны работать вечно, как конструкции коммерческих самолетов [то есть без инспекции после каждого полета], означает, что мы можем довести материалы до предела".
"Мы используем многослойную конструкцию для придания жесткости почти всем деталям, включая крылья, хвостовые поверхности и хвостовую стрелу, - продолжает Зервекх. Например, 30-футовые крылья, состоящие из трех частей, имеют только четыре ребра жесткости, поддерживающие их в направлении размаха, поэтому сэндвич-панели должны быть в значительной степени самонесущими. Например, панель крыла длиной 19,7 футов весит 170 фунтов. В результате получается относительно легкая конструкция.
Бортовой компьютер управления полетом/навигации, электронная система управления полетами и необычная силовая установка с замкнутым циклом дополняют основную часть самолета. NASA посчитало, что двигательная установка Perseus достаточно важна для успеха проекта, и выделило ее в отдельный проект стоимостью полмиллиона долларов.
В соответствии со склонностью компании Aurora к классическим названиям, силовая установка для Perseus была названа Arion. Это необычная замкнутая система, включающая 65-сильный роторный двигатель Norton с жидкостным охлаждением, двухскоростную понижающую коробку передач с возможностью сцепления и блокировки пропеллера, жесткий карбоновый приводной вал, большой пропеллер с переменным шагом, баки для хранения бензина и жидкого кислорода, а также большой конденсатор для охлаждения выхлопных газов.
Во многом это работа Мартина Вайде, бывшего главного инженера компании Aurora, который работал инженером в британской компании Group Lotus и у различных американских производителей военных дистанционно пилотируемых аппаратов.
Система двигателя внутреннего сгорания с замкнутым циклом, которая была выбрана для Perseus, поскольку она была самой дешевой и быстрой в разработке, заимствована из работ, выполненных для торпед и подводных лодок. Вместо сжатия внешнего воздуха в тяжелом и дорогом турбокомпрессоре для поддержания мощности, выхлопные газы двигателя подаются обратно во впуск вместе с топливом и кислородом. Старший инженер по двигательной установке Стивен Хендриксон сообщает, что в мае были проведены успешные наземные испытания всего комплекса двигателей.
При сгорании топливно-воздушной смеси температура выхлопных газов достигает почти 2 000° по Фаренгейту, которые обычно выбрасываются за борт. Но поскольку выхлопные газы Perseus будут перерабатываться, большие радиаторы над крылом должны отводить их тепло. Команда Aurora разрабатывает большие теплообменники из нержавеющей стали и алюминия типа "ребро-труба", которые будут работать при низком атмосферном давлении, где теплообмен происходит медленно.
В ноябре этого года прототип Perseus A не достиг и близко своих экстремальных высотных целей во время первых полетов над высохшим озером Эль-Мираж в калифорнийской пустыне Мохаве, будучи ограниченным безопасным потолком в 3000 футов. Но три коротких испытательных полета позволили получить данные, которые проложат путь к высотным полетам через два года, когда Perseus A по частям будет доставлен по воздуху на станцию Мак-Мердо. Там наземная команда из семи человек быстро соберет и подготовит самолет к запуску.
Андерсон из Гарварда разработал легкий, монтируемый на носу пакет приборов, который будет нести "Персей". Его 110-фунтовая система отбора и анализа проб воздуха использует оптический метод поглощения ультрафиолетовых лучей для измерения концентрации озона и более сложное устройство для рассеивания фотонов, которое измеряет уровни разрушающих озон соединений-предшественников в частях на триллион. В марте специалисты НАСА завершили серию сложных испытательных полетов на воздушном шаре, в ходе которых миниатюрный пакет датчиков и его электроника выдержали температуру -80°C, когда они были подняты в воздух с западного побережья Гренландии.
Широко распространенная теория, о которой недавно сообщили Андерсон и двое коллег, объясняет, почему отслеживание этих соединений-предшественников так важно.
Известно, что беспрепятственное ультрафиолетовое (УФ) излучение может вызывать рак кожи, катаракту, нарушение иммунной системы, а также разрушение природных экосистем и сельского хозяйства.
Зимой, когда солнце уходит за полюса, стратосферный воздух быстро становится настолько холодным, что тригидрат азотной кислоты (NAT) в воздухе замерзает. Эти крошечные кристаллы азотной кислоты способствуют образованию частиц водяного льда, которые собираются в розоватые облака (те самые облака, на которые будут направлены детекторы "Персея").
Как только образуются частицы льда с азотной кислотой, на поверхности льда происходят быстрые реакции с участием соляной кислоты и нитрата хлора, который выступает в качестве катализатора (см. "Связь с хлором"). Первая адсорбируется на гранях кристаллов, а при столкновении частиц льда со второй высвобождается молекулярный хлор (C12). "Никто не ожидал, что поверхности льда будут действовать как катализаторы для высвобождения молекулярного хлора", - говорит Андерсон.
Когда полярные воздушные массы охлаждаются, они опускаются. Когда окружающий воздух поступает на место холодного, сила Кориолиса, вызванная вращением Земли, направляет набегающий воздух во вращающиеся струи размером с континент. Эти полярные вихри действуют как полупроницаемые стены, изолируя воздух внутри себя. Несмотря на полярное оседание, свободный молекулярный хлор остается высоко наверху.
С возвращением весеннего солнечного света практически все молекулы хлора распадаются на свободные радикалы хлора - атомы хлора, жаждущие рекомбинации. Этот хлор питает серию каталитических реакций, которые вместе разрушают озон.
"Свободный монооксид хлора разгрызает озон, как Пакман", - отмечает Андерсон. "При концентрации, которую мы наблюдали - более одной части на миллиард по объему, - по нашим оценкам, каждый день теряется 1 процент озона".
В конце сезона воздушные волны планетарного масштаба бьют по полярным вихрям, разрушая их и пополняя запасы полярного озона. Считается, что арктическая озоновая дыра еще не образовалась, потому что северные вихри нестабильны из-за близлежащих горных хребтов.
Многие ученые понимают, что взятие проб из стратосферы жизненно важно для поиска решения проблемы истощения озонового слоя. Планируется создание еще нескольких высоколетящих самолетов. Уже разработан, но пока не используется, гигантский беспилотный самолет Condor, который был создан компанией Boeing Co. из Сиэтла в рамках секретного проекта Министерства обороны. Кондор весом 20 000 фунтов приводится в движение 8 парами 175-сильных двигателей Teledyne Continental с жидкостным охлаждением, двухступенчатым турбонаддувом и промежуточным охлаждением, приводящих в движение трехлопастные пропеллеры длиной 16 футов. Несмотря на то, что в 1989 году аппарат стоимостью 20 миллионов долларов совершил восемь испытательных полетов, у правительства нет средств на его эксплуатацию. В одном из этих полетов "Кондор" компании "Боинг" установил мировой рекорд высоты для самолетов с винтовым двигателем на высоте 67 028 футов. В другом случае засекреченный беспилотник оставался в воздухе в течение двух с половиной дней, пролетев около 20 000 миль.
Другие разработчики самолетов идут по пилотируемому пути. Немецкая группа из Deutsche Forschungsanstalt fiir Luft and Rahrfahrt (DLR) в Оберпфаффенхафене предложила разработать двухместный самолет под названием Strato-2C, который должен быть способен подниматься на высоту 85 000 футов или пролетать 10 000 миль. Композитный самолет будет оснащен двумя 402-сильными двигателями Teledyne Continental с турбокомпрессорами.
Инженеры компании Aurora планируют несколько производных версий "джипа" Perseus (так в НАСА называют следующее транспортное средство больших размеров). Оснащенный эффективным двигателем с турбонаддувом, Perseus B может летать в течение нескольких дней на несколько меньшей высоте, чем модель A, например, чтобы кружить над ураганами. С размахом крыльев 188 футов и двумя толкающими силовыми установками, "Тесей" - аппарат размером с фургон - мог летать с 440-фунтовым грузом на высоте около 100 000 футов в течение месяца. В более отдаленной перспективе "грузовик" Odysseus, работающий на солнечных батареях, сможет путешествовать в стратосфере в течение года со 110-фунтовым грузом на борту.
Работая над увеличением продолжительности и высоты полета, эти стратосферные крейсеры с винтом вполне могут стать почти "спутниками бедняков".
Обложка специального выпуска журнала за июль 1992 года, посвященного пересечению экологии и технологий.