熱氣球 人類最早的航空器

李嘉騫 沈海軍

熱氣球是人類歷史上最早的航空器，比飛機的發(fā)明早了100多年。迄今為止，全世界已有2萬多個熱氣球。在歐美等發(fā)達國家，幾乎每天都有熱氣球賽事活動。

從孔明燈到載人熱氣球

世界公認的最古老的“熱氣球”是在中國古代出現(xiàn)的孔明燈，它已有至少1000年的歷史。那時候，人們將竹篾扎成方架，糊上紙，制成燈籠，然后點燃下面托盤上的松脂，上升的松煙會將燈籠托起升空。這種紙燈當時多用于軍事聯(lián)絡之用，又被稱為“孔明燈”。它在民間流傳范圍很廣，時至今日，孔明燈的放飛活動仍在持續(xù)，不過其意義已不再是過去的聯(lián)絡之用，而是成為祈福許愿的民間習俗，變成中國傳統(tǒng)文化的一部分。

孔明燈與今天的熱氣球相比，兩者的工作原理十分相似：當空氣受熱膨脹后，密度會變小從而帶動物體向上升起。由此可見，孔明燈算得上是最原始的熱氣球。只不過，孔明燈是不能載人的。

載人熱氣球的發(fā)明者是法國的蒙特哥菲爾兄弟。燃燒物體時，濃煙滾滾升空，放在爐火上烘烤的衣物能被爐火散發(fā)的熱氣掀起上飄，這讓他們頗受啟發(fā)，萌生了制作熱氣球的念頭。

1782年，蒙特哥菲爾兄弟開始了對熱氣球的研究。1782～1783年上半年，他們多次制作熱氣球模型進行升空試驗。1783年6月，蒙特哥菲爾兄弟用亞麻布和紙做了1個800立方米的熱氣球，在球體下方燃燒稻草，以便讓熱氣球升空。他們認為，濃煙有助于氣球升空，在稻草中又特意加些濕布和腐肉。滾滾濃煙充入氣球后，氣球升空近千米高，飛行了2000米遠。

同年9月19日，兄弟倆又在法國國王和眾大臣面前，把他們用亞麻漆布制作的1只1400立方米的熱氣球（直徑12米、高26米），載著一只母鴨、一只公雞和一只綿羊，升到了500米高空，氣球在空中飛行了8分鐘、4000米后降落在巴黎郊外。這次飛行為人類乘坐熱氣球升空建立了極大的信心。

1783年11月21日，蒙特哥菲爾兄弟將他們精心制作的2200立方米的熱氣球放到巴黎市中心，請兩名法國青年乘上氣球。氣球升到了1000米的空中，飛行了25分鐘，飛行距離達10千米，創(chuàng)造了人類首次升空的歷史。這次飛行比萊特兄弟的飛機飛行整整早了120年。

在蒙特哥菲爾兄弟研究熱氣球的同時，法國物理學家賈克·查爾斯也開展了氫氣球的研究工作。1783年8月27日，查爾斯放飛了一個直徑將近4米的氫氣球。它升空后飛行了45分鐘，飄到了25千米以外后落地。1783年12月1日，查爾斯親自駕駛他制作的氫氣球與M.N.羅伯特成功升空，他們飛行了兩個小時，飛行距離36千米。熱氣球和氫氣球的相繼載人飛行成功開創(chuàng)了人類乘坐氣球升空的歷史。

1785年6月5日，人類首次升空者之一的J.F.P.羅齊埃與某制造商共同研制熱氣與氫氣的混合氣球。不幸的是，在第一次試飛時，氣球在空中著火失事，羅齊埃遇難。為了紀念這位勇敢的先驅(qū)，現(xiàn)代環(huán)球飛行所使用的混合型氣球被命名為“羅齊埃氣球”。

走向現(xiàn)代應用

由于球囊材料和燃料等方面的原因，熱氣球在被發(fā)明后的170多年間都難以推廣應用。直到1956年4月15日，氣囊空氣加溫的難題才最終解決。那天，美國人詹姆斯·孔托使用裝備了新型丙烷燃燒器的熱氣球，成功飛行了26分鐘。其后，熱氣球球囊材料使用了質(zhì)量輕、強度大的美國軍用降落傘尼龍布。新的燃料和球體材料為熱氣球的發(fā)展帶來了光明的前景。

1960年10月21日，第一個現(xiàn)代材料的熱氣球（被稱為現(xiàn)代熱氣球）在美國飛行成功，現(xiàn)代熱氣球的出現(xiàn)對熱氣球的應用和普及產(chǎn)生了極大的推動作用。1966年，歐洲也出現(xiàn)了第一個現(xiàn)代熱氣球。之后，這項活動很快得到推廣普及。

1973年，在美國的新墨西哥城舉辦了第一屆熱氣球世界錦標賽。此后，每兩年在世界不同地點舉辦一屆比賽。國際航空聯(lián)合會對熱氣球飛行還設有不同類型和級別的升空高度、續(xù)航時間、飛行距離等項目的世界紀錄。

1999年3月20日，瑞士飛行員皮卡特和英國飛行員瓊斯駕駛“百年齡”三號混合熱氣球，飛行了19天21小時47分鐘，飛行距離40814千米，實現(xiàn)了環(huán)球不著陸探險飛行。2002年7月2日，美國飛行員史蒂夫·福塞特完成了單人飛行30299千米的環(huán)球熱氣球飛行創(chuàng)舉。

熱氣球靠什么飛起來

熱氣球主要由氣囊、用于加熱空氣的燃燒器以及裝載人員或物品的吊籃三部分組成。

氣囊由高強度的尼龍或滌綸布制成，雖然材料薄、重量輕，卻非常結實。燃燒器是熱氣球的心臟，當主燃燒器點燃時，火焰可達2～3米高，

把氣囊內(nèi)部的空氣迅速加熱，以產(chǎn)生升力。點火燃燒器是主燃燒器的火種，一直保持著不被風吹滅的狀態(tài)。吊籃由藤條編制而成，著陸時能起到緩沖作用。它好比機艙，用來乘載飛行員、乘客、燃料瓶以及溫度表、高度表、升降表等飛行儀表。另外，熱氣球上一般備有兩套燃燒系統(tǒng)，以防在空中出現(xiàn)故障。熱氣球通常用的燃料是丙烷或液化石油氣，氣瓶固定在吊籃內(nèi)，一只熱氣球能自帶80千克的液體燃料。

熱氣球利用加熱的空氣產(chǎn)生浮力飛行，主要通過自帶的機載加熱器來調(diào)整氣囊中空氣的溫度，從而達到控制氣球升降的目的。雖然被叫作航空器，但熱氣球并不能像飛機那樣自由飛翔，飛行員只能操縱熱氣球改變其高度。熱氣球的升與降同球體內(nèi)的氣溫有關。球體內(nèi)的氣溫高，氣球浮力增大，氣球就上升；球體內(nèi)空氣溫度下降，球體產(chǎn)生的浮力小于自身的重量，氣球就下降。飛行員在吊籃內(nèi)操縱著燃氣開關，隨時調(diào)整氣囊內(nèi)的溫度，進而操縱熱氣球的升降。

另外，高空和低空的風速、風向是有差別的。在近地面，受地形、建筑物影響，風向會有所改變，風速也會明顯減小。如果早晨或傍晚從地面飛向空中，每幾米或每十幾米都可能有明顯的風向變化，有時風向甚至是相反的。飛行員在空中體驗各個高度的不同風向，然后操縱氣球升或降至自己所需要的風向那一高度，并保持在這一風層飛行，便可以達到自己要飛往某個目標的目的。簡單地說，風吹向哪里，氣球就飛到哪里；風速有多快，氣球飛行速度就可以有多快。

由于熱氣球的飛行受到風速、風向、氣壓等因素綜合影響，飛行過程中有許多不確定性，因此，對于駕駛員的技術要求非常高。

一天中太陽剛剛升起時或太陽下山前一兩個小時，是熱氣球飛行的最佳時間，因為此時的氣流很穩(wěn)定。大風、大霧都不利于熱氣球的飛行。按照規(guī)定，風速小于6米/秒，能見度大于1500米，而且飛行空域內(nèi)無降水，才可以自由飛行。對于熱氣球環(huán)球飛行來說，最大影響因素就是氣候。每年的12月和1月，北半球高空流的流速達到一年中的峰值，最快可達每小時400千米，所以，飛行者通常選擇冬季嘗試環(huán)球飛行。

除了觀光還能做什么

熱氣球是人們接觸天空最便捷也是相對花費較小的一種方法，除了用于觀光，它在科研和軍事領域也發(fā)揮著作用。

氣象觀測

用橡膠或塑料等材料制成球皮，充以氫、氦等比空氣輕的氣體，攜帶儀器升空，可以進行高空氣象觀測。大型非膨脹性的薄膜塑料氣球在邊界層探測、全球范圍內(nèi)定高的水平探測以及平流層的探測試驗方面有著廣泛的應用。

軍事用途

艦隊預警用：將雷達系統(tǒng)天線部分載于熱氣球上，再將熱氣球拴到軍艦的大桅桿上，無需動力也可遠觀八方。

指示潛艇攻擊目標用：距敵200千米放一個氣球出去，鎖定目標，可為魚雷或巡航導彈指示目標。

戰(zhàn)備執(zhí)勤用：國境線上隔300～500千米拴一個熱氣球，上面布置雷達及導彈，發(fā)現(xiàn)敵方可疑飛行器，便自動發(fā)射。

未來發(fā)展

隨著科學技術的日益進步，熱氣球的使用將不僅僅限于大氣層內(nèi)部，而是向廣闊的宇宙進發(fā)。航天飛機退出歷史舞臺后，美國宇航局目前正在研發(fā)一種費用低廉的太空探索方式——使用熱氣球前往太陽系的其他行星及其衛(wèi)星。

熱氣球可以執(zhí)行無人任務，負責運送設備。它們的潛在目的地很多，第一站將是土星的最大衛(wèi)星——土衛(wèi)六“泰坦”。宇航局的噴氣推進實驗室設計了一種熱氣球，為了能夠在太空飛行中幸存，它必須能夠經(jīng)受住大約-180℃的低溫考驗。目前，美國俄勒岡州近太空公司正對熱氣球原型進行高空測試。公司總裁蒂姆·拉赫邁爾表示：“我們能夠模擬它們必須要穿過的火星大氣層?！?/p>

【責任編輯】趙 菲