1、如果您確實需要去某個地方，那熱氣球不會是一種實用的飛行器。實際上您不能真正駕駛熱氣球，因為風(fēng)吹得有多快，氣球飛行的速度就多快。但如果您只想體驗一下飛行的感覺，那熱氣球會是一種非常獨特的方式。許多人將乘坐熱氣球飛行稱為自己體驗過的最寧靜、最讓人愉快的活動之一。熱氣球也是基本科學(xué)原理的一項創(chuàng)造性應(yīng)用。在本文中，我們將了解熱氣球為何能夠升空，以及如何設(shè)計氣球才能讓駕駛員控制氣球的高度和垂直速度?？吹竭@些外形美麗、結(jié)構(gòu)簡單的早期飛行器，您一定會驚奇不已！四座CargoLifter熱氣球熱氣球工作原理熱氣球源于一個非?；镜目茖W(xué)原理：熱空氣會升到冷空氣上方。從本質(zhì)上講，熱空氣比冷空氣輕，因為單位體積熱空

2、氣的質(zhì)量較小。1立方分米的空氣大約重1克，若加熱到37.8攝氏度，同樣體積空氣的重量會減少約0.25克。因此，熱氣球中每立方分米空氣可以升起0.25克的物體。但這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。這也是為什么熱氣球看起來如此巨大的原因要升起454公斤的物體，您需要大約1,840立方米的熱空氣！要確切了解這一工作原理，請轉(zhuǎn)至本文氣壓+重力=浮力部分。要保持氣球上升，您需要不斷加熱空氣。熱氣球利用位于氣囊開口下方的燃燒器實現(xiàn)這點。氣球中的空氣冷卻時，駕駛員可以通過點燃燃燒器來重新加熱空氣。熱氣球有三個基本組成部分：加熱空氣的燃燒器、存放空氣的氣囊和裝載乘客的吊籃?，F(xiàn)代熱氣球通過燃燒丙烷加熱空氣。丙烷是室外燒烤的一種常用燃

3、料。丙烷壓縮液化后儲藏在氣球吊籃中的輕型氣瓶內(nèi)。進(jìn)氣管接在氣瓶底部，以便從氣瓶中抽出液體。燃燒器火焰加熱氣囊中的空氣。丙烷在氣瓶中高度壓縮，所以它能迅速通過進(jìn)氣管流入加熱盤管。加熱盤管簡單來說就是一段盤繞在燃燒器周圍的線圈上的鋼管系統(tǒng)。氣球駕駛員啟動燃燒器時，丙烷以液態(tài)形式流出，并用長明小火點燃。隨著火焰燃燒，周圍管道系統(tǒng)中的金屬受熱升溫，就會加熱流經(jīng)管道的丙烷。這樣丙烷在點燃前從液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)。氣態(tài)丙烷可以產(chǎn)生更強(qiáng)烈的火焰，并使燃料更高效地燃燒。現(xiàn)在，大多數(shù)熱氣球的氣囊由長條狀的尼龍三角帆布條制成，中間使用縫合線加固。從氣囊底部延伸到頂部的三角帆布條是由大量小片的氣囊片組成的。尼龍非常適合用于

4、熱氣球，因為它不但材質(zhì)輕，而且相當(dāng)結(jié)實，同時熔點也較高。氣囊底部的尼龍裙擺表面涂有特殊的防火材料，以防止火焰點燃?xì)馇?。熱空氣不會從氣囊底部的開孔中逸出，因為浮力會使其上升。如果駕駛員持續(xù)點燃噴射的氣體燃料，氣球?qū)⒊掷m(xù)上升，但存在一定的高度限制，因為空氣最終變得過于稀薄，以致于浮力太弱而不足以抬升氣球。浮力等于氣球所排開空氣的重量，因此通常大型氣囊的上升高度限制要高于小型氣囊。點擊燃燒器各個部件以查看高分辨率圖片。吊籃承載旅客、丙烷氣瓶和導(dǎo)航設(shè)備。大多數(shù)熱氣球使用柳條吊籃作為“乘客廂”。柳條很適合用于氣球，因為它結(jié)實、柔韌且相對較輕。柔韌性有助于氣球著陸，而用更為堅硬材料制成的吊籃會使乘客感覺到

5、巨大的沖擊力。柳條材料則能夠稍微彎曲，吸收一部分能量。駕駛駕駛氣球需要技巧，但是操作實際上非常簡單。要升起氣球，駕駛員只需移動控制裝置，打開丙烷閥。這種控制桿的工作方式正類似于煤氣烤架或煤氣灶的旋鈕：轉(zhuǎn)動旋鈕時，氣流加大，火焰變旺。駕駛員可以通過噴出更大的火焰來快速加熱空氣，提高垂直上升速度。要使燃燒器噴射，駕駛員需要打開丙烷閥。另外，許多熱氣球配有一個可以打開二號丙烷閥的控制裝置。該閥通過軟管輸送丙烷，而繞過了加熱盤管。這樣駕駛員就能燃燒液態(tài)丙烷，而不是丙烷氣體。液態(tài)丙烷雖然燃燒效率稍低，火焰較弱，但燃燒的噪音比燃燒丙烷氣體時更小。飛過農(nóng)場上方時，駕駛員經(jīng)常使用二號閥，以免驚嚇到動物。熱氣球

6、還有一根細(xì)繩，用于打開氣囊頂部的降落傘閥。駕駛員拉動相連的細(xì)繩時，可以從氣囊中排出一部分空氣來降低內(nèi)部氣溫。這會使氣球減緩攀升速度。如果駕駛員開啟該閥的時間足夠長，氣球?qū)⑾陆怠馇騼?nèi)部的降落傘閥。一根凱夫拉爾（Kevlar）細(xì)繩從氣球頂部經(jīng)過氣囊中心，一直向下連接到吊籃中。大體上，熱氣球就只有這些控制項目：加熱讓氣球上升，排氣令氣球下降。這就出現(xiàn)一個有趣的問題：如果駕駛員僅可以控制熱氣球上下移動，他們怎樣才能讓氣球從一個地方飛到另一個地方？實際上駕駛員可以通過改變垂直位置來進(jìn)行水平移動，因為高度不同，風(fēng)向也會不同。要向特定方向移動，駕駛員只需上升和下降到合適的高度，然后御風(fēng)而行。在大氣中，高度

7、越高，風(fēng)速通常也會越快，所以駕駛員可以通過改變高度來控制水平速度。要水平操縱氣球，駕駛員可以通過上升或降低，駕馭不同的氣流。當(dāng)然，即使經(jīng)驗最豐富的駕駛員也不能完全控制熱氣球的飛行路線。通常，風(fēng)力條件只能讓駕駛員做出極少的選擇。因此，您實際上無法沿確切的航線駕駛熱氣球，也很難返回起點。因此與駕駛飛機(jī)不同，駕駛熱氣球在很大程度上依靠臨時發(fā)揮，每時每刻都可能不一樣。為此，熱氣球機(jī)組的一些工作人員必須留在地面，驅(qū)車追蹤氣球以預(yù)測熱氣球在哪里著陸。然后，這些工作人員到著陸點去接乘客和設(shè)備。起飛和著陸熱氣球飛行開始和結(jié)束時有大量工作要做。工作人員需要給氣球充氣或放氣。對于旁觀者來說，這實際上是一場比熱氣球

8、飛行更具觀賞價值的表演。工作人員發(fā)現(xiàn)合適的起飛點后，將燃燒器系統(tǒng)連接到吊籃，然后連接氣球氣囊，并開始在地面上展開氣囊。展開氣囊后，工作人員開始在氣囊底部利用大功率風(fēng)機(jī)給氣囊充氣。氣球充入足量空氣時，工作人員將燃燒器火焰噴射到氣囊嘴中，加熱空氣，產(chǎn)生壓力，直到氣球完全面膨脹且開始脫離地面。地勤人員從下面抓住吊籃，直到起飛人員全部登上氣球。起飛前，氣球吊籃還連接到地勤人員的車輛上，以確保氣球在起飛前不會被風(fēng)吹走。萬事俱備后，地勤人員松開氣球，駕駛員啟動燃燒器，噴射出穩(wěn)定的火焰。隨著空氣受熱變輕，氣球升起并飛離地面。令人驚訝的是整個過程只需10至15分鐘！著陸過程包括給氣球放氣并重新打包整理，所用時

9、間稍長一些。駕駛員準(zhǔn)備著陸時，他或她會通過機(jī)載電臺與地勤人員討論可能的著陸位置。他們需要找到一片開闊的空地，其中沒有電纜，并有足夠的空間容納氣球。氣球一旦升空，駕駛員就會不斷尋找合適的著陸位置，以防出現(xiàn)緊急情況。氣球著陸時可能會有點簡單粗暴，但經(jīng)驗豐富的駕駛員會慢慢讓氣球撞向地面，逐漸使氣球停止下來，將沖擊降到最低。如果地勤人員已趕到著陸地點，那么一旦氣球著陸，他們就會向下抓住吊籃。如果氣球的著地位置不佳，工作人員會沿地面將氣球拉到更好的著陸地點。點擊這些圖像查看高分辨率圖片地勤人員布置好地面油布，保護(hù)熱氣球免受磨損或撕裂。駕駛員始終保持降落傘閥打開，以便空氣可從氣球頂部逸出。地勤人員抓住連接

10、在氣球頂部的繩索，并將氣囊拉到油布上。一旦氣囊著地后，工作人員就開始將空氣排出氣囊。氣球拉平后，工作人員將其打包放入物品袋。整個過程非常類似于打包巨型睡袋。起飛前，駕駛員會呼叫氣象服務(wù)機(jī)構(gòu)，了解特定區(qū)域的氣候和風(fēng)力狀況。謹(jǐn)慎的駕駛員只會在氣象條件接近理想狀態(tài)時飛行，即天氣晴朗和風(fēng)力狀況正常。暴風(fēng)雨對熱氣球來說極其危險，因為有可能遭到雷擊。即使雨水也會帶來麻煩，因為下雨會降低能見度并損壞氣球（當(dāng)然，無論如何，在濕漉漉的天氣里到處飛行肯定很乏味）。另外還需要有適合的氣流才能享受到美妙的飛行體驗風(fēng)太強(qiáng)很容易毀壞氣球。駕駛員還會呼叫氣象服務(wù)機(jī)構(gòu)，大致了解氣球會飛向哪個方向，以及氣球升空后應(yīng)怎樣操縱。駕

11、駛員可能會先釋放一個探測氣球（充滿氦氣的氣球），以此來查看預(yù)定起飛地點的確切風(fēng)向。如果風(fēng)有可能將氣球吹到禁航區(qū)，工作人員將需要尋找新的起飛地點。駕駛員釋放充滿氦氣的探測氣球以查看確切風(fēng)向。飛行時，駕駛員使用機(jī)載的高度計、升降速度表和他們自己的觀測方法，了解飛行的正確高度。到達(dá)正確高度需要很高的技巧，因為燃燒器噴射和氣球?qū)嶋H上升之間至少存在30秒的延遲。氣球駕駛員必須在需要上升前提前片刻啟動正確的控制裝置，然后在需要停止上升時，提前關(guān)閉這些裝置。欠缺經(jīng)驗的駕駛員經(jīng)常會飛過目標(biāo)，或者在穩(wěn)定高度前上升過高。只有積累許多個小時的氣球駕駛經(jīng)驗才能自如地控制氣球運行。駕駛員在氣球上攜帶數(shù)種儀器。既然我們已

12、經(jīng)了解熱氣球如何在空氣飛行，現(xiàn)在讓我們來看看是什么作用力使氣球得以在空中飛行。實際上，熱氣球是地球上一些最基本的作用力的神奇表演。不可思議的是，在地球上，我們其實一直生活在一種高壓流體中。這是一種具有質(zhì)量但沒有形狀的物質(zhì)。我們周圍的空氣由幾種不同的氣態(tài)元素組成。空氣中氣態(tài)元素的原子和分子在四處自由飛翔，彼此碰撞，并撞擊其他所有物體。當(dāng)這些微粒碰撞到物體上時，每個微粒都會施加少量能量來推動物體。因為空氣中有如此多的微粒，這些能量累加起來可以達(dá)到一個十分可觀的壓力水平（在海平面上，每平方厘米受到的壓力為1公斤?。?。氣壓的作用力取決于兩點： 微粒碰撞的比率單位時間內(nèi)發(fā)生碰撞的微粒越多，則轉(zhuǎn)移到物體上

13、的能量就越多。 沖擊力微粒的撞擊力越大，轉(zhuǎn)移到物體上的能量就越多。這兩項因素又由單位區(qū)域內(nèi)有多少空氣微粒以及這些空氣微粒的移動速度決定。如果微粒越多，或者說移動速度越快，就會有越多的碰撞，因此產(chǎn)生的壓力越大。微粒速度提高也會增加微粒的沖擊力。大部分時間我們并不會注意到氣壓，因為我們周圍都是空氣。對于所有物體來說都是一樣的，某個區(qū)域里的空氣微粒平均分散，因此每個點都具有相同的空氣密度。如果沒有任何其他作用力，就意味著所有點的氣壓都相同。我們不會受到這種壓力推動，因為我們四周的作用力互相平衡。例如，每平方厘米1公斤的壓力確實足以掀翻椅子，或從上面壓碎椅子，但是因為來自上、下、左、右以及所有其他角度

14、的空氣的作用力大致相等，椅子上的每個作用力均與相反方向的作用力平衡。實質(zhì)上椅子在任何角度都不會受到更大的壓力。因此在沒有其他作用力的情況下，處于大氣中的一切事物都能完全保持平衡，來自各個側(cè)面的壓力都相等。但在地球上，還有其他作用力要考慮，其中主要是重力。盡管空氣微粒極其微小，但他們?nèi)杂匈|(zhì)量，因此都受到地面的拉力。在地球大氣的微觀粒子水平上，這種拉力非常細(xì)微空氣微粒看起來沿著直線移動，不會出現(xiàn)明顯落向地面的趨向。因此在微觀角度上壓力是大致平衡的。但總體來看，重力會向下拉動微粒，而且越靠近地面，壓力就會越大。原理如下：大氣中的所有空氣微粒都受到向下的重力的牽引。但是空氣中的壓力會產(chǎn)生向上的力，作用

15、與重力的下拉效果相反?？諝饷芏葧e聚到平衡重力所需的任何水平，因為此時重力不足以拉下更多數(shù)量的微粒。這一壓力水平在地球表面恰好達(dá)到最高值，因為這個高度的空氣需要支持其上所有空氣的重量該高度以上的重量越大，意味著向下的重力越大。當(dāng)您在大氣中向上移動時，其上的空氣密度會逐漸降低，因而用于平衡重力的壓力也會隨之減小。這就是為什么壓力會隨著高度升高而下降。氣壓的這種差異會形成我們周圍空氣中向上的浮力。實質(zhì)上，物體下方的氣壓高于物體上方的氣壓，因此空氣對于物體的向上推力要大于向下推力。但與重力相比，這個浮力相對較弱，其大小僅相當(dāng)于物體所排開的空氣的重量。顯而易見，大多數(shù)實心物體都要比其排開的空氣重，所以

16、浮力根本移動不了這些物體。浮力只能移動比周圍空氣輕的物體。現(xiàn)在，讓我們看看熱氣球怎樣利用這個基本原理。對于空氣中向上推動物體的浮力，物體必須比周圍同體積空氣的重量輕。然而比空氣輕的物體，明顯并不存在。真空物體可以具有體積但是沒有質(zhì)量，因此看起來，內(nèi)部真空的氣球應(yīng)該可以借助周圍空氣的浮力飛起來。然而由于周圍存在空氣壓力，這實際上并不可行。氣壓不會壓癟充滿氣體的氣球是因為氣球內(nèi)部的空氣向外的推力等于氣球外部空氣向內(nèi)的推力。但是，真空物體沒有任何向外的壓力，因為其內(nèi)部沒有微粒去碰撞任何物體。沒有相等的壓力用以平衡，外部的空氣壓力很容易就會壓癟氣球。而任何能夠承受地面空氣壓力的堅固容器都過于沉重，以致

17、于浮力無法升起這些容器。另一個辦法是使氣球充滿密度低于周圍空氣的氣體。因為氣球內(nèi)空氣的單位體積質(zhì)量要低于大氣中的空氣，所以氣球內(nèi)的空氣將比氣球所排開的空氣輕，這樣浮力就能使氣球上升。但是單位體積的空氣微粒越少意味著空氣壓力越低，因此周圍的空氣壓力會擠壓氣球，直到氣球內(nèi)部的空氣密度等于外部的空氣密度。所有這些結(jié)論，都以氣球內(nèi)的空氣和氣球外的空氣處于相同狀況為前提。如果我們改變氣球內(nèi)部的空氣狀況，就可以在保持空氣壓力不變的同時，減小空氣密度。我們從上一節(jié)內(nèi)容可知：作用在物體上的空氣壓力取決于空氣微粒碰撞此物體的頻率以及每次碰撞的力。我們發(fā)現(xiàn)可以通過兩種方式提高整體壓力： 增加空氣微粒的數(shù)量，這樣可

18、以讓更多的微粒沖擊給定的表面區(qū)域。 提高微粒的速度，這樣微粒將更頻繁地撞擊某個區(qū)域且每次撞擊時產(chǎn)生更大的沖擊力。氣球內(nèi)單位體積空氣的微粒數(shù)量較少，但是因為這些微粒移動速度更快，所以內(nèi)外空氣壓力仍保持相等。因此，為了在不降低空氣壓力的同時減小氣球內(nèi)的空氣密度，只需提高空氣微粒的運動速度。而通過加熱空氣能非常方便地做到這點?？諝馕⒘Ｎ諢崮埽兊酶踊钴S，更快速地移動。這意味著它們會更頻繁地撞擊表面，同時產(chǎn)生更大的沖擊力。因此，熱空氣中每個微粒所產(chǎn)生的空氣壓力要高于冷空氣中的微粒，這樣您無需同樣多的空氣微粒就能達(dá)到相同的壓力水平。熱氣球上升的原因就是它充滿了溫度高、密度低的熱空氣，而周圍是溫度低、

19、密度高的冷空氣。人類很久之前就已經(jīng)了解了熱氣球的基本原理。2000多年前，偉大的古希臘數(shù)學(xué)家阿基米德就發(fā)現(xiàn)了浮力定律，而且有可能已經(jīng)構(gòu)想出借助浮力升空的飛行器。13世紀(jì)時，英國科學(xué)家羅吉爾培根和德國哲學(xué)家阿爾伯特馬格納斯（Albertus Magnus）分別根據(jù)該定律提出假想中的飛行器。御風(fēng)而行乘熱氣球航行的感覺是怎么樣的？那是一種非常寧靜平和的體驗。因為氣球隨風(fēng)飛行，您感覺不到一絲微風(fēng)。沒有人們通常以為高空中會有的大風(fēng)，相反飛行非常安全平靜您只不過是升離地面并隨著大氣中的空氣一起移動！但是直到1783年人類才真正飛離地面。當(dāng)時法國的蒙哥爾費兄弟將一只羊、一只鴨子和一只小雞送上天空，并在空中停

20、留了八分鐘。另外一對兄弟，約瑟夫和埃蒂安，在自家頗有名氣的紙業(yè)公司工作。作為一個輔助項目，他們開始實驗用熱空氣升起紙質(zhì)飛船。經(jīng)過多年試驗，他們開發(fā)出一種設(shè)計與如今非常類似的熱氣球。但當(dāng)時并沒有丙烷，因此他們在相連的火盆中燃燒稻草、糞肥和其他材料，來為自己的熱氣球提供動力。在蒙哥爾費兄弟于1783年9月19日為法國國王路易十六進(jìn)行的首次熱氣球飛行表演中，羊、鴨子和小雞成為史上第一批熱氣球乘客。三只小動物都安然無恙地完成了空中旅行，這讓國王確信人類也能在高空呼吸空氣。兩個月后，步兵少校Francois dArlandes侯爵和物理學(xué)家Pilatre de Rozier教授成為第一批實現(xiàn)空中飛行的人

21、類。雖然接下來出現(xiàn)過其他熱氣球設(shè)計和雄心勃勃的飛行，但到1800年時，熱氣球相比氣體氣球，很大程度上已經(jīng)黯然失色。熱氣球的受歡迎度急劇下降的原因之一就是Pilatre de Rozier教授在嘗試飛躍英吉利海峽時不幸遇難。他為這次飛行建造的新式氣球除了熱氣球氣囊外還添加了一個小型氫氣球。飛行中火苗過早地引燃了氫氣，結(jié)果整個氣球突然燒成一片火海。但熱氣球失寵的主要原因是新型氣體氣球的飛艇式設(shè)計在許多方面要好于熱氣球，最突出的是氣體氣球的飛行時間更長且駕駛方便。另一種流行的氣球類型是煙霧氣球。這些氣球靠地面上的火升空，而不連接任何加熱源。它們只是發(fā)射到空中，然后再落回地面。19世紀(jì)末20 世紀(jì)初，這些氣球主要在美國各地的巡回游藝會中用于吸引顧客。氣球駕駛者穿上降落傘，將自己連到帆布?xì)馇蛏?。然后，幾個助手將氣球固定到火坑上方，讓空氣變得越來越熱，從而產(chǎn)生向上的作用力。如果作用力足夠大，且氣球未起火，助手就松開氣球，