منطاد على ارتفاعات عالية

في فرنسا خلال عام 1783، شملت أول تجربة عامة باستخدام البالونات المملوءة بالهيدروجين جاك تشارلز ، وهو أستاذ فرنسي في الفيزياء، والأخوين روبرت ، وهما مصممان مشهوران لأدوات الفيزياء.

قدّم تشارلز كميات كبيرة من الهيدروجين ، الذي لم يكن يُنتج سابقًا إلا بكميات قليلة، وذلك بمزج 540 كيلوغرامًا من الحديد و 270 كيلوغرامًا من حمض الكبريتيك . استغرق ملء البالون خمسة أيام، ثم أُطلق من ساحة شامب دي مارس في باريس، حيث احتشد 300 ألف شخص لمشاهدة هذا الحدث. انطلق البالون وارتفع عبر السحب، لكن تمدد الغاز تسبب في تمزقه، فهبط بعد 45 دقيقة على بُعد 20 كيلومترًا من باريس. ^{[ 5 ]}      

استُخدمت المناطيد المأهولة عالية الارتفاع منذ ثلاثينيات القرن العشرين لأغراض البحث والسعي لتحقيق أرقام قياسية في ارتفاع الطيران ، بما في ذلك رحلات أوغست بيكارد التي وصلت إلى 16201 مترًا (16.2 كيلومترًا) ، والمنطاد السوفيتي أوسوفياخيم-1 على ارتفاع 22000 متر (22.0 كيلومترًا) ، والمنطاد الأمريكي إكسبلورر 2 على ارتفاع 22066 مترًا (22.1 كيلومترًا) . ^{[ 6 ]}      

تشمل رحلات المناطيد المأهولة البارزة على ارتفاعات عالية ثلاثة أرقام قياسية تم تسجيلها لأعلى قفزة بالمظلات:

• أول رقم قياسي سجله جوزيف كيتينجر عام 1960 على ارتفاع 31300 متر (31.3 كيلومتر) لمشروع إكسلسيور  
• ثم جاء فيليكس بومغارتنر في عام 2012 على ارتفاع 38,969 مترًا (39.0 كيلومترًا) لصالح فريق ريد بول ستراتوس  
• وآخرهم آلان يوستاس في عام 2014 على ارتفاع 41419 مترًا (41.4 كيلومترًا).  

في الولايات المتحدة، تخضع عمليات التحليق بالبالونات على ارتفاعات عالية لأحكام الباب 14، الجزء 101 من قانون اللوائح الفيدرالية ؛ ولا تخضع البالونات للتنظيم إلا إذا كان وزن حمولتها يزيد عن أربعة أرطال وكثافتها تزيد عن ثلاثة أونصات لكل بوصة مربعة، أو إذا كان وزن الحمولة يزيد عن ستة أرطال بغض النظر عن الكثافة، أو إذا كانت الحمولة متصلة بالبالون بواسطة حبل يتطلب قوة تزيد عن 50 رطلاً لقطعه. وتخضع أي بالونات تستوفي هذه الشروط للتنظيم، والذي يتضمن عادةً التنسيق مع مركز مراقبة الحركة الجوية المحلي ، وتطبيق نظامين طارئين لخفض الحمولة ونظامين طارئين لإنهاء البالون. ^{[ 17 ]}

يُعد اختبار مدى الراديو جزءًا أساسيًا من هذه الهوايات. غالبًا ما يُستخدم راديو الهواة مع راديو الحزم للتواصل بسرعة 1200 باود ، باستخدام نظام يُسمى نظام الإبلاغ التلقائي عن الحزم إلى المحطة الأرضية. كما تُصنع وتُشغل أجهزة تتبع أصغر تُسمى أجهزة التتبع الدقيقة أو أجهزة التتبع الصغيرة جدًا (بيكو) تحت بالونات صغيرة. وقد استخدمت هذه الأجهزة الصغيرة شفرة مورس ، وفيلد هيل ، و RTTY لنقل مواقعها وبيانات أخرى. ^{[ 18 ]}

تم تسجيل أولى عمليات إطلاق بالونات الهواة على ارتفاعات عالية في فنلندا بواسطة برنامج Ilmari في 28 مايو 1967، وفي ألمانيا في عام 1964. ^{[ 19 ]}

برنامج أرهاب

هواية إطلاق المناطيد على ارتفاعات عالية باستخدام الراديو للهواة ( ARHAB ) هي تطبيق تقنيات الراديو التناظرية والرقمية للهواة على مناطيد الأرصاد الجوية ، وقد اقترح رالف واليو (رمز نداء الراديو للهواة W0RPK) هذا الاسم لهذه الهواية. يُشار إليها غالبًا باسم "برنامج الفضاء للفقراء"، حيث تُمكّن ARHAB الهواة من تصميم نماذج عاملة للمركبات الفضائية وإطلاقها في بيئة تُحاكي الفضاء. ويُعتبر بيل براون (رمز نداء الراديو للهواة WB8ELK) رائد حركة ARHAB الحديثة بإطلاقه الأول لمنطاد يحمل جهاز إرسال راديو للهواة في 15 أغسطس 1987.

تتألف رحلة ARHAB من منطاد، ومظلة هبوط، وحمولة من طرد واحد أو أكثر. تحتوي الحمولة عادةً على جهاز إرسال لاسلكي للهواة يسمح بتتبع الرحلة حتى هبوطها. تستخدم معظم الرحلات نظام تتبع آلي للإبلاغ عن الحزم (APRS) الذي يحصل على موقعه من جهاز استقبال نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) ويحوله إلى إرسال لاسلكي رقمي. قد تستخدم رحلات أخرى منارة تناظرية ويتم تتبعها باستخدام تقنيات تحديد اتجاه الراديو . غالبًا ما تتطلب الرحلات طويلة المدة استخدام أجهزة إرسال عالية التردد مصممة خصيصًا وبروتوكولات بيانات بطيئة مثل RTTY و Hellschreiber وشفرة مورس و PSK31 ، لنقل البيانات عبر مسافات طويلة باستخدام طاقة بطارية قليلة. يتطلب استخدام أجهزة إرسال لاسلكية للهواة في رحلة ARHAB رخصة هواة، ولكن يمكن استخدام أجهزة الإرسال اللاسلكية غير المخصصة للهواة بدون رخصة.

بالإضافة إلى معدات التتبع، قد تشمل مكونات الحمولة الأخرى أجهزة استشعار، ومسجلات بيانات، وكاميرات، وأجهزة إرسال تلفزيونية للهواة ، أو أدوات علمية أخرى. تحمل بعض رحلات ARHAB حزمة حمولة مبسطة تُسمى BalloonSat .

تستخدم رحلة نموذجية لبرنامج ARHAB بالونًا قياسيًا للأرصاد الجوية مصنوعًا من اللاتكس، وتستغرق حوالي ساعتين إلى ثلاث ساعات، وتصل إلى ارتفاع يتراوح بين 25 و35 كيلومترًا (16-22 ميلًا) . وقد أدت التجارب التي أُجريت على بالونات الضغط الصفري ، وبالونات الضغط الفائق ، وبالونات اللاتكس المزودة بصمامات، إلى تمديد مدة الطيران إلى أكثر من 24 ساعة. وفي مارس 2008، استغرقت رحلة بالون الضغط الصفري التي نفذها برنامج "روح نوكسفيل" أكثر من 40 ساعة، وهبطت قبالة سواحل أيرلندا، على بُعد أكثر من 5400 كيلومتر (3400 ميل) من نقطة إطلاقها. وفي 11 ديسمبر 2011، أطلق مشروع كاليفورنيا للفضاء القريب، الرحلة رقم CNSP-11 التي تحمل رمز النداء K6RPT-11، رحلة قياسية قطعت خلالها مسافة 10036 كيلومترًا (6236 ميلًا) من سان خوسيه، كاليفورنيا ، إلى هبوط في البحر الأبيض المتوسط . واستغرقت الرحلة 57 ساعة ودقيقتين. أصبحت أول رحلة ناجحة عبر القارات في الولايات المتحدة، وأول رحلة ناجحة عبر المحيط الأطلسي باستخدام منطاد لاسلكي للهواة على ارتفاعات عالية. ^{[ 20 ] [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ]} ومنذ ذلك الحين، حلّقت عدة رحلات حول الأرض باستخدام مناطيد ذات ضغط عالٍ مصنوعة من أغشية بلاستيكية. ^{[ 24 ] [ 25 ]}      

تستضيف فعالية الإطلاق الكبرى للسهول الكبرى (GPSL) كل عام في الولايات المتحدة تجمعًا كبيرًا لمجموعات ARHAB.

القمر الصناعي البالوني عبارة عن حزمة بسيطة مصممة لحمل تجارب خفيفة الوزن إلى الفضاء القريب. ^{[ 28 ]} وهي تُعدّ مدخلاً شائعاً لمبادئ الهندسة في بعض مقررات المدارس الثانوية والجامعات. تُحمل الأقمار الصناعية البالونية كحمولات ثانوية على متن رحلات ARHAB. أحد أسباب بساطة الأقمار الصناعية البالونية هو أنها لا تتطلب تضمين معدات تتبع؛ إذ تُحمل بالفعل كحمولات ثانوية بواسطة كبسولات تتبع.

بدأ برنامج "بالون سات" التابع لمؤسسة "سبيس غرانت" في أغسطس 2000. وقد صُمم البرنامج ليكون وسيلة عملية لتعريف طلاب العلوم والهندسة الجدد المهتمين بدراسات الفضاء ببعض التقنيات الهندسية الأساسية، ومهارات العمل الجماعي، وأساسيات علوم الفضاء والأرض. ويُعد برنامج "بالون سات" جزءًا من دورة تُدرّسها مؤسسة "سبيس غرانت" في جامعة كولورادو في بولدر. ^{[ 29 ]}

غالبًا ما يخضع تصميم الأقمار الصناعية البالونية لقيود الوزن والحجم. وهذا يشجع على اتباع ممارسات هندسية جيدة، ويطرح تحديًا، ويسمح بإدراج العديد من الأقمار الصناعية البالونية في رحلة ARHAB . عادةً ما تكون مادة هيكل البالون من الستايروفوم أو الفومكور، نظرًا لخفة وزنها وسهولة تشكيلها وتوفيرها عزلًا جيدًا نسبيًا.

معظمها مزود بمستشعرات، ومسجلات بيانات، وكاميرات صغيرة تعمل بدوائر مؤقتة. تشمل المستشعرات الشائعة درجة حرارة الهواء، والرطوبة النسبية، والميل، والتسارع. وقد تضمنت التجارب التي أُجريت داخل بالونات الأقمار الصناعية أشياءً مثل الحشرات المحفوظة في الأسر والمواد الغذائية.

قبل الإطلاق، تخضع معظم الأقمار الصناعية البالونية لاختبارات صارمة. تهدف هذه الاختبارات إلى ضمان عمل القمر الصناعي البالوني بكفاءة عالية وتقديم نتائج علمية دقيقة. تشمل هذه الاختبارات اختبار النقع في درجات حرارة منخفضة للغاية، واختبار السقوط، واختبار الوظائف، والوزن. يحاكي اختبار النقع في درجات الحرارة المنخفضة درجات الحرارة المنخفضة التي سيتعرض لها القمر الصناعي البالوني أثناء مهمته. ونظرًا لأن الإطلاق والهبوط قد يكونان قاسيين، فإن اختبار السقوط يتطلب من القمر الصناعي البالوني أن يبقى متماسكًا وقادرًا على العمل بعد سقوطه المفاجئ. أما اختبار الوظائف فيتحقق من قدرة طاقم القمر الصناعي البالوني على تجهيزه في موقع الإطلاق.

إلى جانب الأنشطة العلمية، أطلقت المدارس والشخصيات المؤثرة وغيرهم من الأفراد مجموعة متنوعة من الحمولات المبتكرة إلى طبقة الستراتوسفير باستخدام بالونات عالية الارتفاع. وشملت هذه الحمولات دمى دببة، ^{[ 30 ]} وتماثيل ليغو ، ^{[ 31 ] [ 32 ]} وشطائر هامبرغر، ^{[ 32 ]} وبيتزا، ^{[ 33 ] [ 34 ] [ 35 ]} وفطائر كورنيش ، ^{[ 36 ]} وخبز الثوم ، ^{[ 37 ]} ولحم مقدد وعلب بيرة. ^{[ 32 ]} كما حاولت شركة توشيبا اليابانية لتصنيع الإلكترونيات تسجيل إعلان في الفضاء القريب باستخدام كرسي بذراعين وكاميرات مربوطة ببالون عالي الارتفاع. ^{[ 32 ]}

قامت شركة وورلد فيو إنتربرايزز ببناء وتشغيل ميناء المناطيد الفضائي في توكسون، أريزونا . ويعود ملكية الميناء إلى مقاطعة بيما، أريزونا . ^{[ 43 ] [ 44 ] [ 45 ]}