热气球是如何工作的

为了让气球保持上升，你需要一种重新加热空气的方法。热气球就是这样燃烧器放置在一个开放的气球信封．当气球中的空气冷却时，飞行员可以通过点燃燃烧器来重新加热气球。

现代热气球通过燃烧来加热空气丙烷这种物质通常用于户外烧烤架．丙烷以压缩液体的形式储存在放置在气球篮子里的轻质圆柱体中。进气软管一直延伸到钢瓶的底部，所以它可以把液体抽出来。

由于丙烷在气瓶中被高度压缩，它很快通过软管流向加热线圈。加热盘管是简单的长度钢管安排在一个线圈周围的燃烧器。当气球驾驶员启动燃烧器时，丙烷以液体的形式流出，并被一个燃烧器点燃指示灯．当火焰燃烧时，它会加热周围管道中的金属。当油管变热时，它会加热流经它的丙烷。这使得丙烷在被点燃之前从液体变成气体。这种气体产生更强的火焰和更有效的燃料消耗。

在大多数现代热气球中，气囊是用长尼龙制成的戈尔，用缝在织带加固。伤口，从信封底部一直延伸到皇冠，是由一些较小的面板．尼龙很适合制作气球，因为它很轻，但它也相当坚固，熔化温度高。的裙子在信封底部的尼龙上涂了一层特殊的耐火材料，以防止火焰点燃气球。

热空气不会从信封底部的孔中逃逸，因为浮力使它向上移动。如果飞行员不断地喷射燃料，气球就会继续上升。然而，高空是有限制的，因为最终空气变得非常稀薄，浮力太弱，无法举起气球。浮力等于气球所排开的空气的重量，因此较大的气球包膜通常比较小的气球有更高的高空极限。

大多数热气球使用柳条篮作为乘客舱。柳条很好用，因为它坚固、灵活，而且相对较轻。这种灵活性有助于气球着陆:在一个由更坚硬的材料制成的篮子里，乘客会感受到冲击力的冲击。柳条材料稍微弯曲，吸收一些能量。

驾驶气球需要技巧，但操控其实很简单。为了提升气球，飞行员移动一个打开丙烷阀门的控制器。这种杠杆的工作原理就像燃气烤架或炉子上的旋钮:当你转动它时，气体流量增加，所以火焰的大小也会增加。飞行员可以通过喷射更大的火焰来更快地加热空气来提高垂直速度。

此外，许多热气球都有一个打开第二个丙烷阀门的控制装置。这个阀门通过软管输送丙烷，软管绕过加热线圈。这使得飞行员可以燃烧液态丙烷，而不是气体形式的丙烷。燃烧液态丙烷的效率较低，火焰较弱，但比燃烧气体要安静得多。飞行员经常在牲畜农场上空使用这第二个阀门，以防止惊吓动物。

热气球也有一根绳子来打开降落伞阀在信封的顶部。当飞行员拉动连接的绳子时，一些热空气会从包层中逸出，降低内部空气的温度。这导致气球缓慢上升。如果飞行员保持阀门打开的时间足够长，气球就会下沉。

从本质上讲，这是唯一的控制措施——加热使气球上升，排气使气球下沉。这就提出了一个有趣的问题:如果飞行员只能上下移动热气球，他们如何让气球从一个地方飞到另一个地方呢?事实证明，飞行员可以通过改变垂直位置来水平机动，因为风在不同高度向不同方向吹。为了向特定的方向移动，飞行员会上升或下降到适当的高度，并随风飞行。由于风速通常随着你在大气中的高度而增加，飞行员也可以通过改变高度来控制水平速度。

当然，即使是最有经验的飞行员也不能完全控制气球的飞行路线。通常情况下，风向给飞行员的选择很少。因此，你不能沿着确切的路线驾驶热气球。你能驾驶气球回到起点是非常罕见的。因此，与驾驶飞机不同的是，热气球驾驶在很大程度上是即兴的，每时每刻。出于这个原因，一些热气球机组人员不得不呆在地面上，开车跟着气球看它在哪里着陆。然后，他们可以在那里收集乘客和设备。

在热气球飞行中，很多工作都发生在飞行的开始和结束，即机组人员给气球充气和放气的时候。对于观众来说，这是一个比实际气球飞行更壮观的表演。

一旦宇航员找到合适的发射点，他们就会将燃烧器系统安装在篮子上。然后他们把气球信封绑在一起，开始把它铺在地上。

信封一摊开，工作人员就开始在信封底部用强力风扇给它充气。

当气球里有足够的空气时，工作人员将燃烧器的火焰吹进信封口。这会加热空气，增加压力，直到气球膨胀并开始离开地面。

地面工作人员按住篮子直到发射人员登上飞船。直到最后一分钟，气球篮还会挂在地面工作人员的车上，这样气球就不会在准备发射前被吹走。一切就绪后，地勤人员释放气球，飞行员从燃烧器中稳定地点燃火焰。当空气加热时，气球就会飞离地面。

令人惊讶的是，整个过程只需要10到15分钟。着陆过程，加上放气和重新包装气球外壳，需要更长的时间。

当飞行员准备好降落时，他或她与地勤人员讨论可能的降落地点(通过机载设备)广播)．他们需要找到一个宽阔的开放空间，那里没有电线，有足够的空间来放置气球。气球一升空，飞行员就不断地寻找合适的着陆点，以防出现紧急情况。

气球着陆可能会有点颠簸，但有经验的飞行员会沿着地面颠簸，逐渐让气球停下来，将冲击降至最低。如果地勤人员成功到达着陆地点，他们将在着陆后按住篮子。如果气球的位置不太好，宇航员就会把它沿着地面拉到一个更好的位置。

地勤人员在地面铺上防水布，防止气球磨损。然后飞行员一直打开降落伞阀，这样空气就可以从气球顶部逸出。地勤人员抓住一根绑在气球顶部的绳子，把信封拉到防水布上。

一旦气球的外壳落在地面上，机组人员就开始把空气推出去。当气球被压平后，工作人员把它装进一个物料袋。整个过程就像打包一个巨大的睡袋。

在发射前，飞行员将打电话给气象服务机构，了解该地区的气候和风力状况。谨慎的飞行员只在天气接近理想的时候飞行，即天空晴朗，风力正常的时候。暴风雨对热气球来说是极其危险的，因为有危险闪电罢工。甚至下雨也是个问题，因为它会降低能见度，破坏气球的材料(当然，在潮湿的天气里到处飞也没什么意思)。虽然你需要良好的气流来进行良好的飞行，但强风很容易损坏气球。

飞行员还会打电话给气象服务部门，以大致了解气球的飞行路线，以及升空后应该如何操作。此外，飞行员可能会发送一个piball(飞行员气球的简称)。皮球只是一个充满氦气的气球，飞行员释放它来观察未来发射场的确切风向。如果看起来风会把气球吹进禁飞区，机组人员就需要找到一个新的发射地点。

在空中，飞行员将使用机载设备测高计，可变电感器和他们自己的观察来找到合适的高度。到达正确的高度是相当棘手的，因为从爆破燃烧器到气球实际上升至少有30秒的延迟。气球飞行员必须在他们想要上升之前稍微操作适当的控制，在他们想要停止上升之前稍微关闭它们。没有经验的飞行员经常会飞过头，在平飞之前飞得太高。只有经过数小时的热气球飞行经验才能控制操作。

现在我们已经了解了热气球是如何在空中飞行的，让我们来看看使它成为可能的力。事实证明，热气球是地球上一些最基本的力的非凡展示地球．

生活在地球上令人惊奇的一件事是，我们一直在高压环境中行走流体——一种物质质量而且没有形状。我们周围的空气是由几种不同的气态元素组成的。在这种气体中原子元素分子自由地飞行，相互碰撞。当这些粒子与物体碰撞时，每个粒子都会产生微量的推力能源．因为空气中有如此多的粒子，这些能量加起来是相当大的压力水平(在海平面上，约为每平方英寸14.7磅压力(psi)，或每平方厘米1公斤(kg/cm)²!)

的力气压的大小取决于两个因素:

这些因素是由一个地区有多少空气颗粒和它们移动的速度决定的。如果有更多的粒子，或者它们移动得更快，就会有更多的碰撞，从而产生更大的压力。增加粒子的速度也会增加粒子的冲击力。

大多数时候我们不会注意到气压，因为我们周围到处都是空气。在所有条件相同的情况下，空气颗粒会均匀地分散在一个区域内，因此每一点的空气密度都是相等的。如果没有任何其他力的作用，这就意味着所有点的气压都是相同的。我们不会被这种压力推来推去，因为我们周围的力量相互平衡。例如，14.7 psi当然足以撞倒一把椅子，或者从顶部压碎它，但由于空气从右、左、上、下和所有其他角度施加的压力大致相同，椅子上的每一个力都由一个相反方向的相等力平衡。从任何特定的角度来看，椅子都不会感到很大的压力。

因此，在没有其他力起作用的情况下，所有东西都将在一团空气中完全平衡，来自四面八方的压力均等。但在地球上，主要还有其他力量需要考虑重力．虽然空气颗粒非常小，但它们确实有质量，所以它们被拉向地球。在地球大气的任何特定层面上，这种拉力都是非常微小的——空气粒子似乎是直线移动的，不会明显地落到地面上。所以，压力在小范围内是相当平衡的。然而，总的来说，重力会把粒子往下拉，这导致你向地球表面移动时压力逐渐增加。

在下一节中，我们将探索这是如何工作的。

大气中的所有空气粒子都受到向下的重力的吸引。但空气中的压力产生了一个向上的力，与重力作用相反。空气密度会增加到平衡重力的水平，因为在这一点上，重力还不足以拉下更多的粒子。

这个压力等级在表面是最高的地球因为这个高度的空气支撑着上面所有空气的重量——上面的重量越大，向下的引力就越大。当你在大气中向上移动时，上面的空气质量就会减少，因此平衡压力就会减小。这就是为什么气压随着海拔的升高而下降。

这种气压的差异在我们周围的空气中产生了向上的浮力。本质上，物体下面的气压比物体上面的气压大，所以空气向上推的比向下推的多。但与重力相比，这种浮力很弱——它的强度仅相当于物体所置换的空气重量。显然，大多数固体都比它所排开的空气重，所以浮力根本无法移动它。浮力只能移动比周围空气轻的物体。

要想有浮力把物体推到空中，物体必须比周围等体积的空气轻。比空气轻的最明显的东西是什么都没有。真空可以有体积，但没有质量，因此，看起来，一个内部有真空的气球应该是被周围空气的浮力举起来的。然而，由于周围空气压力的力量，这行不通。气压不会压碎充气的气球，因为气球内部的空气向外推的力与外部空气向内推的力相同。另一方面，真空没有任何向外的压力，因为它没有与任何物体碰撞的粒子。如果没有相等的压力来平衡它，外界的气压就很容易把气球压碎。任何足以承受地球表面空气压力的容器都太重了，无法被浮力举起来。

另一种选择是用密度小于周围空气的空气填充气球。因为气球里的空气单位体积的质量比大气中的空气小，所以它会比被它置换的空气轻，所以浮力会把气球抬起来。但同样，每体积的空气颗粒越少，气压就越低，所以周围的气压会挤压气球，直到气球内部的空气密度与外部的空气密度相等。

所有这些都是假设气球内的空气和气球外的空气在完全相同的条件下存在。如果我们改变气球内的空气状况，我们可以降低密度，同时保持气压不变。正如我们在上一节中看到的，空气对物体的压力取决于空气粒子与物体碰撞的频率，以及每次碰撞的力。我们可以通过两种方式增加整体压力:

所以，要在不失去气压的情况下降低气球中的空气密度，你只需要增加空气颗粒的速度。你可以很容易地通过加热空气来做到这一点。空气粒子吸收了热能，变得更加兴奋。这使得它们移动得更快，这意味着它们会更频繁地与表面碰撞，产生更大的力。

由于这个原因，热空气每个粒子施加的空气压力比冷空气更大，所以你不需要那么多空气粒子来达到相同的压力水平。因此，热气球之所以能上升，是因为它充满了密度较小的热空气，而周围是密度较大的冷空气。

热气球背后的基本概念已经存在很长时间了。阿基米德，古希腊最伟大的数学家之一，计算出了浮力原理早在2000多年前，人们就可能设想过由飞行器举起的力量。在13世纪，英国科学家罗杰·培根和德国哲学家阿尔伯图斯·马格努斯都根据这一原理提出了假想的飞行器。

但直到1783年夏天，蒙戈菲(Montgolfier)兄弟在法国上空进行了8分钟的飞行，将一只羊、一只鸭子和一只鸡送上了太空。两兄弟，约瑟夫和艾蒂安，为他们家族著名的造纸公司工作。作为一个次要项目，他们开始试验用加热空气抬高的纸容器。在几年的时间里，他们开发了一种热气球，其设计与今天使用的热气球非常相似。但是，他们没有使用丙烷，而是在附带的火坑中燃烧稻草、肥料和其他材料来为模型提供动力。

1783年9月19日，蒙哥菲夫妇为国王路易十六进行了首次飞行演示，羊、鸭和鸡成为了第一批热气球乘客。他们都在旅途中幸存下来，这让国王确信，人类可以在更高的海拔呼吸大气。两个月后，步兵少校弗朗索瓦·达兰德侯爵(Marquis Francois d'Arlandes)和物理学教授彼拉特·德·罗齐尔(Pilatre de Rozier)成为了第一个飞行的人。

其他的热气球设计和雄心勃勃的飞行接踵而至，但到了1800年，热气球在很大程度上已经被蒙上了阴影气体的气球．声望下降的一个因素是彼拉多·德·罗齐尔在一次企图飞越英吉利海峡的飞行中死亡。他为这次飞行建造的新气球除了热气球外，还包括一个更小的氢气球。大火在飞行初期点燃了氢气，整个气球爆炸起火。

但是热气球不再流行的主要原因是新的气球飞船设计在许多方面都有优势——主要是飞行时间更长，而且可以操纵。

另一种流行的气球类型是烟气球．这些气球是由地面上的火升起的，没有任何附加的热源。它们只是飞向空中，然后又沉回地面。它们的主要用途是在19世纪末和20世纪初的美国旅游博览会上作为一种吸引力。气球驾驶员会穿上降落伞，把自己绑在一个帆布气球上。然后，几个助手会把气球举到火坑上，让空气越来越热，从而增加向上的力。当推力足够大时，如果气球没有着火，助手们就会松手，气球驾驶员就会被发射到空中。当气球到达最高点时，气球驾驶员就会脱离气球，用降落伞降落到地面。

自20世纪60年代以来，传统的热气球开始复兴，这在一定程度上要归功于一个名叫埃德·约斯特(Ed Yost)的人和他的公司Raven Industries。约斯特和他的合伙人在1956年成立了乌鸦工业公司，为美国海军研究办公室(ONR)设计和制造热气球。ONR希望气球用于小货物的短程运输。约斯特和他的团队采用了蒙戈菲尔兄弟的气球的基本概念，并对其进行了扩展，增加了丙烷燃烧器系统、新的信封材料、新的充气系统和许多重要的安全功能。

他们还发明了现代灯泡风格的信封形状。约斯特首先设计了大型球形气球。这些气球工作得很好，但有一个奇怪的膨胀模式:当空气被加热时，气球的顶部充满了空气，但底部仍然没有膨胀。为了提高效率，约斯特去掉了底部多余的织物，形成了我们今天看到的熟悉的“自然”气球形状。

到了20世纪60年代初，ONR已经对热气球失去了兴趣，所以约斯特开始把他的气球作为运动器材出售。随着越来越多的人参与到热气球运动中来，其他公司很快就涌现出来。多年来，设计师们不断修改热气球，添加新的材料和安全功能，以及开发创造性的信封形状。一些制造商还增加了篮子的尺寸和装载能力，制造了可以容纳20名乘客的气球!

但基本设计仍然是约斯特对蒙戈菲兄弟最初概念的改进版本。这项非凡的技术吸引了全世界的人。气球旅行是一项价值数百万美元的生意，气球比赛和其他活动继续吸引着成群的观众和参与者。制作高科技气球环游世界甚至成为了一种时尚(在亿万富翁中)。这真的说明了很多关于热气球，他们仍然如此受欢迎，即使在年代喷气式飞机，直升机而且航天飞机．

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最初发表于2001年2月16日