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热气球的工作原理
LastupdatedontheafternoonofJanuary3,2021
热气球的工作原理
如果您确实需要去某个地方，那热气球不会是一种实用的飞行器。
实际上您不能真正驾驶热气球，因为风吹得有多快，气球飞行的速度就多快。
但如果您只想体验一下飞行的感觉，那热气球会是一种非常独特的方式。
许多人将乘坐热气球飞行称为自己体验过的最宁静、最让人愉快的活动之一。
热气球也是基本科学原理的一项创造性应用。
在本文中，我们将了解热气球为何能够升空，以及如何设计气球才能让驾驶员控制气球的高度和垂直速度。
看到这些外形美丽、结构简单的早期飞行器，您一定会惊奇不已！
四座CargoLifter热气球
热气球源于一个非常基本的科学原理：
热空气会升到冷空气上方。
从本质上讲，热空气比冷空气轻，因为单位体积热空气的质量较小。
1立方分米的空气大约重1克，若加热到摄氏度，同样体积空气的重量会减少约克。
因此，热气球中每立方分米空气可以升起克的物体。
但这远远不够。
这也是为什么热气球看起来如此巨大的原因——要升起454公斤的物体，您需要大约1,840立方米的热空气！
要确切了解这一工作原理，请转至本文部分。
要保持气球上升，您需要不断加热空气。
热气球利用位于气囊开口下方的燃烧器实现这点。
气球中的空气冷却时，驾驶员可以通过点燃燃烧器来重新加热空气。
热气球有三个基本组成部分：
加热空气的燃烧器、存放空气的气囊和装载乘客的吊篮。
现代热气球通过燃烧丙烷加热空气。
丙烷是室外烧烤的一种常用燃料。
丙烷压缩液化后储藏在气球吊篮中的轻型气瓶内。
进气管接在气瓶底部，以便从气瓶中抽出液体。
燃烧器火焰加热气囊中的空气。
丙烷在气瓶中高度压缩，所以它能迅速通过进气管流入加热盘管。
加热盘管简单来说就是一段盘绕在燃烧器周围的线圈上的钢管系统。
气球驾驶员启动燃烧器时，丙烷以液态形式流出，并用长明小火点燃。
随着火焰燃烧，周围管道系统中的金属受热升温，就会加热流经管道的丙烷。
这样丙烷在点燃前从液态变为气态。
气态丙烷可以产生更强烈的火焰，并使燃料更高效地燃烧。
现在，大多数热气球的气囊由长条状的尼龙三角帆布条制成，中间使用缝合线加固。
从气囊底部延伸到顶部的三角帆布条是由大量小片的气囊片组成的。
尼龙非常适合用于热气球，因为它不但材质轻，而且相当结实，同时熔点也较高。
气囊底部的尼龙裙摆表面涂有特殊的防火材料，以防止火焰点燃气球。
热空气不会从气囊底部的开孔中逸出，因为浮力会使其上升。
如果驾驶员持续点燃喷射的气体燃料，气球将持续上升，但存在一定的高度限制，因为空气最终变得过于稀薄，以致于浮力太弱而不足以抬升气球。
浮力等于气球所排开空气的重量，因此通常大型气囊的上升高度限制要高于小型气囊。
点击燃烧器各个部件以查看高分辨率图片。
吊篮承载旅客、丙烷气瓶和导航设备。
大多数热气球使用柳条吊篮作为“乘客厢”。
柳条很适合用于气球，因为它结实、柔韧且相对较轻。
柔韧性有助于气球着陆，而用更为坚硬材料制成的吊篮会使乘客感觉到巨大的冲击力。
柳条材料则能够稍微弯曲，吸收一部分能量。
驾驶
驾驶气球需要技巧，但是操作实际上非常简单。
要升起气球，驾驶员只需移动控制装置，打开丙烷阀。
这种控制杆的工作方式正类似于煤气烤架或煤气灶的旋钮：
转动旋钮时，气流加大，火焰变旺。
驾驶员可以通过喷出更大的火焰来快速加热空气，提高垂直上升速度。
要使燃烧器喷射，驾驶员需要打开丙烷阀。
另外，许多热气球配有一个可以打开二号丙烷阀的控制装置。
该阀通过软管输送丙烷，而绕过了加热盘管。
这样驾驶员就能燃烧液态丙烷，而不是丙烷气体。
液态丙烷虽然燃烧效率稍低，火焰较弱，但燃烧的噪音比燃烧丙烷气体时更小。
飞过农场上方时，驾驶员经常使用二号阀，以免惊吓到动物。
热气球还有一根细绳，用于打开气囊顶部的降落伞阀。
驾驶员拉动相连的细绳时，可以从气囊中排出一部分空气来降低内部气温。
这会使气球减缓攀升速度。
如果驾驶员开启该阀的时间足够长，气球将下降。
气球内部的降落伞阀。
一根凯夫拉尔（Kevlar）细绳从气球顶部经过气囊中心，一直向下连接到吊篮中。
大体上，热气球就只有这些控制项目：
加热让气球上升，排气令气球下降。
这就出现一个有趣的问题：
如果驾驶员仅可以控制热气球上下移动，他们怎样才能让气球从一个地方飞到另一个地方？
实际上驾驶员可以通过改变垂直位置来进行水平移动，因为高度不同，风向也会不同。
要向特定方向移动，驾驶员只需上升和下降到合适的高度，然后御风而行。
在大气中，高度越高，风速通常也会越快，所以驾驶员可以通过改变高度来控制水平速度。
要水平操纵气球，驾驶员可以通过上升或降低，驾驭不同的气流。
当然，即使经验最丰富的驾驶员也不能完全控制热气球的飞行路线。
通常，风力条件只能让驾驶员做出极少的选择。
因此，您实际上无法沿确切的航线驾驶热气球，也很难返回起点。
因此与驾驶飞机不同，驾驶热气球在很大程度上依靠临时发挥，每时每刻都可能不一样。
为此，热气球机组的一些工作人员必须留在地面，驱车追踪气球以预测热气球在哪里着陆。
然后，这些工作人员到着陆点去接乘客和设备。
起飞和着陆
热气球飞行开始和结束时有大量工作要做。
工作人员需要给气球充气或放气。
对于旁观者来说，这实际上是一场比热气球飞行更具观赏价值的表演。
工作人员发现合适的起飞点后，将燃烧器系统连接到吊篮，然后连接气球气囊，并开始在地面上展开气囊。
展开气囊后，工作人员开始在气囊底部利用大功率风机给气囊充气。
气球充入足量空气时，工作人员将燃烧器火焰喷射到气囊嘴中，加热空气，产生压力，直到气球完全面膨胀且开始脱离地面。
地勤人员从下面抓住吊篮，直到起飞人员全部登上气球。
起飞前，气球吊篮还连接到地勤人员的车辆上，以确保气球在起飞前不会被风吹走。
万事俱备后，地勤人员松开气球，驾驶员启动燃烧器，喷射出稳定的火焰。
随着空气受热变轻，气球升起并飞离地面。
令人惊讶的是整个过程只需10至15分钟！
着陆过程包括给气球放气并重新打包整理，所用时间稍长一些。
驾驶员准备着陆时，他或她会通过机载电台与地勤人员讨论可能的着陆位置。
他们需要找到一片开阔的空地，其中没有电缆，并有足够的空间容纳气球。
气球一旦升空，驾驶员就会不断寻找合适的着陆位置，以防出现紧急情况。
气球着陆时可能会有点简单粗暴，但经验丰富的驾驶员会慢慢让气球撞向地面，逐渐使气球停止下来，将冲击降到最低。
如果地勤人员已赶到着陆地点，那么一旦气球着陆，他们就会向下抓住吊篮。
如果气球的着地位置不佳，工作人员会沿地面将气球拉到更好的着陆地点。
点击这些图像查看高分辨率图片
地勤人员布置好地面油布，保护热气球免受磨损或撕裂。
驾驶员始终保持降落伞阀打开，以便空气可从气球顶部逸出。
地勤人员抓住连接在气球顶部的绳索，并将气囊拉到油布上。
一旦气囊着地后，工作人员就开始将空气排出气囊。
气球拉平后，工作人员将其打包放入物品袋。
整个过程非常类似于打包巨型睡袋。
起飞前，驾驶员会呼叫气象服务机构，了解特定区域的气候和风力状况。
谨慎的驾驶员只会在气象条件接近理想状态时飞行，即天气晴朗和风力状况正常。
暴风雨对热气球来说极其危险，因为有可能遭到雷击。
即使雨水也会带来麻烦，因为下雨会降低能见度并损坏气球（当然，无论如何，在湿漉漉的天气里到处飞行肯定很乏味）。
另外还需要有适合的气流才能享受到美妙的飞行体验——风太强很容易毁坏气球。
驾驶员还会呼叫气象服务机构，大致了解气球会飞向哪个方向，以及气球升空后应怎样操纵。
驾驶员可能会先释放一个探测气球（充满氦气的气球），以此来查看预定起飞地点的确切风向。
如果风有可能将气球吹到禁航区，工作人员将需要寻找新的起飞地点。
驾驶员释放充满氦气的探测气球以查看确切风向。
飞行时，驾驶员使用机载的高度计、升降速度表和他们自己的观测方法，了解飞行的正确高度。
到达正确高度需要很高的技巧，因为燃烧器喷射和气球实际上升之间至少存在30秒的延迟。
气球驾驶员必须在需要上升前提前片刻启动正确的控制装置，然后在需要停止上升时，提前关闭这些装置。
欠缺经验的驾驶员经常会飞过目标，或者在稳定高度前上升过高。
只有积累许多个小时的气球驾驶经验才能自如地控制气球运行。
驾驶员在气球上携带数种仪器。
既然我们已经了解热气球如何在空气飞行，现在让我们来看看是什么作用力使气球得以在空中飞行。
实际上，热气球是地球上一些最基本的作用力的神奇表演。
不可思议的是，在地球上，我们其实一直生活在一种高压流体中。
这是一种具有但没有形状的物质。
我们周围的空气由几种不同的气态元素组成。
空气中气态元素的和分子在四处自由飞翔，彼此碰撞，并撞击其他所有物体。
当这些微粒碰撞到物体上时，每个微粒都会施加少量来推动物体。
因为空气中有如此多的微粒，这些能量累加起来可以达到一个十分可观的压力水平（在海平面上，每平方厘米受到的压力为1公斤！
）。
气压的取决于两点：
∙的比率——单位时间内发生碰撞的微粒越多，则转移到物体上的能量就越多。
∙冲击力——微粒的撞击力越大，转移到物体上的能量就越多。
这两项因素又由单位区域内有多少空气微粒以及这些空气微粒的移动速度决定。
如果微粒越多，或者说移动速度越快，就会有越多的碰撞，因此产生的压力越大。
微粒速度提高也会增加微粒的冲击力。
大部分时间我们并不会注意到气压，因为我们周围都是空气。
对于所有物体来说都是一样的，某个区域里的空气微粒平均分散，因此每个点都具有相同的空气密度。
如果没有任何其他作用力，就意味着所有点的气压都相同。
我们不会受到这种压力推动，因为我们四周的作用力互相平衡。
例如，每平方厘米1公斤的压力确实足以掀翻椅子，或从上面压碎椅子，但是因为来自上、下、左、右以及所有其他角度的空气的作用力大致相等，椅子上的每个作用力均与相反方向的作用力平衡。
实质上椅子在任何角度都不会受到更大的压力。
因此在没有其他作用力的情况下，处于大气中的一切事物都能完全保持平衡，来自各个侧面的压力都相等。
但在地球上，还有其他作用力要考虑，其中主要是。
尽管空气微粒极其微小，但他们仍有质量，因此都受到地面的拉力。
在地球大气的微观粒子水平上，这种拉力非常细微——空气微粒看起来沿着直线移动，不会出现明显落向地面的趋向。
因此在微观角度上压力是大致平衡的。
但总体来看，重力会向下拉动微粒，而且越靠近地面，压力就会越大。
原理如下：
大气中的所有空气微粒都受到向下的重力的牵引。
但是空气中的压力会产生向上的力，作用与重力的下拉效果相反。
空气密度会积聚到平衡重力所需的任何水平，因为此时重力不足以拉下更多数量的微粒。
这一压力水平在地球表面恰好达到最高值，因为这个高度的空气需要支持其上所有空气的重量——该高度以上的重量越大，意味着向下的重力越大。
当您在大气中向上移动时，其上的空气密度会逐渐降低，因而用于平衡重力的压力也会随之减小。
这就是为什么压力会随着高度升高而下降。
气压的这种差异会形成我们周围空气中向上的浮力。
实质上，物体下方的气压高于物体上方的气压，因此空气对于物体的向上推力要大于向下推力。
但与重力相比，这个浮力相对较弱，其大小仅相当于物体所排开的空气的重量。
显而易见，大多数实心物体都要比其排开的空气重，所以浮力根本移动不了这些物体。
浮力只能移动比周围空气轻的物体。
现在，让我们看看热气球怎样利用这个基本原理。
对于空气中向上推动物体的浮力，物体必须比周围同体积空气的重量轻。
然而比空气轻的物体，明显并不存在。
真空物体可以具有体积但是没有质量，因此看起来，内部真空的气球应该可以借助周围空气的浮力飞起来。
然而由于周围存在空气压力，这实际上并不可行。
气压不会压瘪充满气体的气球是因为气球内部的空气向外的推力等于气球外部空气向内的推力。
但是，真空物体没有任何向外的压力，因为其内部没有微粒去碰撞任何物体。
没有相等的压力用以平衡，外部的空气压力很容易就会压瘪气球。
而任何能够承受地面空气压力的坚固容器都过于沉重，以致于浮力无法升起这些容器。
另一个办法是使气球充满密度低于周围空气的气体。
因为气球内空气的单位体积质量要低于大气中的空气，所以气球内的空气将比气球所排开的空气轻，这样浮力就能使气球上升。
但是单位体积的空气微粒越少意味着空气压力越低，因此周围的空气压力会挤压气球，直到气球内部的空气密度等于外部的空气密度。
所有这些结论，都以气球内的空气和气球外的空气处于相同状况为前提。
如果我们改变气球内部的空气状况，就可以在保持空气压力不变的同时，减小空气密度。
我们从上一节内容可知：
作用在物体上的空气压力取决于空气微粒碰撞此物体的频率以及每次碰撞的力。
我们发现可以通过两种方式提高整体压力：
∙增加空气微粒的数量，这样可以让更多的微粒冲击给定的表面区域。
∙提高微粒的速度，这样微粒将更频繁地撞击某个区域且每次撞击时产生更大的冲击力。
气球内单位体积空气的微粒数量较少，但是因为这些微粒移动速度更快，所以内外空气压力仍保持相等。
因此，为了在不降低空气压力的同时减小气球内的空气密度，只需提高空气微粒的运动速度。
而通过加热空气能非常方便地做到这点。
空气微粒吸收热能，变得更加活跃，更快速地移动。
这意味着它们会更频繁地撞击表面，同时产生更大的冲击力。
因此，热空气中每个微粒所产生的空气压力要高于冷空气中的微粒，这样您无需同样多的空气微粒就能达到相同的压力水平。
热气球上升的原因就是它充满了温度高、密度低的热空气，而周围是温度低、密度高的冷空气。
人类很久之前就已经了解了热气球的基本原理。
2000多年前，伟大的古希腊数学家阿基米德就发现了浮力定律，而且有可能已经构想出借助浮力升空的飞行器。
13世纪时，英国科学家罗吉尔·培根和德国哲学家阿尔伯特·马格纳斯（AlbertusMagnus）分别根据该定律提出假想中的飞行器。
御风而行
乘热气球航行的感觉是怎么样的？
那是一种非常宁静平和的体验。
因为气球随风飞行，您感觉不到一丝微风。
没有人们通常以为高空中会有的大风，相反飞行非常安全平静——您只不过是升离地面并随着大气中的空气一起移动！
但是直到1783年人类才真正飞离地面。
当时法国的蒙哥尔费兄弟将一只羊、一只鸭子和一只小鸡送上天空，并在空中停留了八分钟。
另外一对兄弟，约瑟夫和埃蒂安，在自家颇有名气的纸业公司工作。
作为一个辅助项目，他们开始实验用热空气升起纸质飞船。
经过多年试验，他们开发出一种设计与如今非常类似的热气球。
但当时并没有丙烷，因此他们在相连的火盆中燃烧稻草、粪肥和其他材料，来为自己的热气球提供动力。
在蒙哥尔费兄弟于1783年9月19日为法国国王路易十六进行的首次热气球飞行表演中，羊、鸭子和小鸡成为史上第一批热气球乘客。
三只小动物都安然无恙地完成了空中旅行，这让国王确信人类也能在高空呼吸空气。
两个月后，步兵少校Francoisd'Arlandes侯爵和物理学家PilatredeRozier教授成为第一批实现空中飞行的人类。
虽然接下来出现过其他热气球设计和雄心勃勃的飞行，但到1800年时，热气球相比，很大程度上已经黯然失色。
热气球的受欢迎度急剧下降的原因之一就是PilatredeRozier教授在尝试飞跃英吉利海峡时不幸遇难。
他为这次飞行建造的新式气球除了热气球气囊外还添加了一个小型氢气球。
飞行中火苗过早地引燃了氢气，结果整个气球突然烧成一片火海。
但热气球失宠的主要原因是新型气体气球的飞艇式设计在许多方面要好于热气球，最突出的是气体气球的飞行时间更长且驾驶方便。
另一种流行的气球类型是烟雾气球。
这些气球靠地面上的火升空，而不连接任何加热源。
它们只是发射到空中，然后再落回地面。
19世纪末20世纪初，这些气球主要在美国各地的巡回游艺会中用于吸引顾客。
气球驾驶者穿上降落伞，将自己连到帆布气球上。
然后，几个助手将气球固定到火坑上方，让空气变得越来越热，从而产生向上的作用力。
如果作用力足够大，且气球未起火，助手就松开气球，而气球驾驶者就会飞到空中。
气球到达最高点时，驾驶者与气球分离，利用降落伞返回地面。
自20世纪60年代起，传统的热气球迎来了复兴，这在一定程度上得益于一位名叫埃德·约斯特的男子和他的公司RavenIndustries。
约斯特与合伙人在1956年成立了RavenIndustries公司，专门为美国海军研究办公室（ONR）设计和制造热气球。
ONR需要一种用于短途运输少量货物的气球。
约斯特和他的团队借鉴了蒙哥尔费兄弟的气球的基本理念，并加以扩展，添加了丙烷燃烧器系统、新的气囊材料、新的充气系统和许多重要的安全功能。
他们还设计出具有现代感的灯泡形气囊。
约斯特首先设计出巨大的球形气球。
这种气球效果不错，但会出现奇怪的膨胀现象：
加热空气时，气球顶部充满热空气，但底部却充气不足。
出于效率方面的考虑，约斯特去掉了底部多余的织物，形成了我们现在所熟悉的“正常”气球形状。
到20世纪60年代初，ONR对热气球已经失去兴趣，因此约斯特开始将他的气球作为运动设备销售。
随着越来越多的人参与热气球飞行，其他公司很快涌入该行业。
多年以来，设计师不断改进热气球设计，添加新的材料和安全功能，并发展出各种新奇的气囊形状。
一些生产商还增大了吊篮的尺寸和装载容量，使热气球最多能够容纳20名乘客！
但其基本设计依然是约斯特对蒙哥尔费兄弟的最初设计理念的改进型。
这项神奇的技术已经吸引了世界各地的人。
热气球旅行是一项价值数百万美元的事业，同时热气球竞赛和其他活动继续吸引着大量观众和参与者。
乃至于建造高科技热气球进行环球旅行已经成为众多亿万富翁的一项时髦爱好。
即使在、直升机和当道的今天，热气球依然如此受欢迎，就很能说明热气球的魅力了！
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