熱氣球是人類(lèi)最早的升空載體。1783年11月，法國(guó)造紙商蒙戈菲爾兄弟在法國(guó)巴黎的穆埃特堡進(jìn)行了世界上第一次熱氣球載人空中航行，宣告了熱氣球這種飛行器的誕生。隨后，乘坐熱氣球逐漸成為人們喜愛(ài)的一種運(yùn)動(dòng)。似乎從誕生之日起，熱氣球運(yùn)動(dòng)就被刻上了貴族烙印。20世紀(jì)末期，這種情結(jié)又漸漸從當(dāng)初的“名門(mén)世家”移向現(xiàn)今的“豪商巨賈”。而隨著熱氣球材料的改進(jìn)、制作工藝的提高、駕駛技術(shù)的完善，熱氣球飛行現(xiàn)在已成為任何地點(diǎn)都可進(jìn)行、任何人都可嘗試的新型航空體育運(yùn)動(dòng)和觀光旅游項(xiàng)目，它不僅是一種財(cái)富、身份的反映，更是性格、勇氣的象征。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前全世界有兩萬(wàn)多個(gè)熱氣球，在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家，幾乎每天都有熱氣球的比賽或活動(dòng)。當(dāng)然，除了航空體育和觀光旅游，熱氣球還常用于航空攝影或科學(xué)研究、氣象探測(cè)等專(zhuān)業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。我們不妨試想一下：乘坐熱氣球在美麗大地的上空巡游時(shí)，那種“君臨天下”的感覺(jué)該是多么的愜意！

一、熱氣球是怎樣構(gòu)成的？

不言而喻，“熱氣球”是采用熱空氣作為浮升氣體的一種氣球。它由球囊、吊籃和加熱裝置三部分構(gòu)成。

圖1  熱氣球結(jié)構(gòu)示意

球囊包括傘蓋（含傘閥、傘襠、布?jí)K等部分）、傘圈和傘閥拉繩等。為了便于升空，球囊一般是由強(qiáng)化尼龍或滌綸等制成的，質(zhì)量很輕但很結(jié)實(shí)，有很好的抗拉強(qiáng)度，而且是不透氣并能耐熱的。球氣囊底部的尼龍裙擺表面往往涂有特殊的防火材料，以防止火焰點(diǎn)燃?xì)馇颉Ｇ蚰翼敳康膫汩y可以由駕駛員拉動(dòng)相連的細(xì)繩而打開(kāi)，從而可以依據(jù)需要從球囊中排出部分空氣。

在球囊下面有像柳條筐似的大開(kāi)口吊籃，用于承載乘員和設(shè)備（如加熱冷空氣用的煤氣罐、飛行儀表等）。大多數(shù)吊籃是由藤條編織而成，因?yàn)樗�結(jié)實(shí)、柔韌且相對(duì)較輕。柔韌性有助于氣球著陸，因?yàn)榱鴹l材料在觸地撞擊時(shí)能夠稍微彎曲變形，從而吸收一部分能量。這樣，著陸時(shí)就能起到緩和沖擊的作用。

但是，如果要乘坐熱氣球做環(huán)球飛行時(shí)，一般飛行員們是住在一個(gè)密封性能極好的壓力倉(cāng)中，壓力倉(cāng)提供適宜的溫度、壓力和空氣環(huán)境，這與普通熱氣球上的大筐是不可同日而語(yǔ)的。當(dāng)然也有例外的情況：熱氣球孤膽英雄、美國(guó)人福塞特從1997年以來(lái)，做過(guò)三次環(huán)球飛行（以“獨(dú)立”命名的探險(xiǎn)飛行），一直都沒(méi)有使用壓力倉(cāng)。這樣，他要忍受十幾千米高空中負(fù)20℃以下的低溫，而且始終需要配帶面罩進(jìn)行呼吸。

加熱裝置則包括燃料罐和噴火器等。噴火器是一種燃燒器，它是熱氣球的心臟，其中有點(diǎn)火器，要一直保持火種，即使被風(fēng)吹，也不會(huì)熄滅。所使用的燃料通常是丙烷或液化氣。如果要讓熱氣球從地面升空時(shí)，我們就點(diǎn)燃噴火器（或簡(jiǎn)稱(chēng)為噴燈），將空氣加熱，氣球便會(huì)冉冉升起。熱氣球升空飛行后，我們可以通過(guò)控制噴燈的噴油量來(lái)操縱氣球的上升或下降。

圖2  點(diǎn)火器噴發(fā)出巨大的火焰

當(dāng)然，更廣義而言，可以升空巡游的氣球不一定是填充熱空氣，人們也發(fā)展了各種充填輕氣（如氫氣或氦氣）的氣球，此時(shí)有的是不帶有加熱裝置的，也有的是裝備著加熱裝置的。一般說(shuō)來(lái)，氫氣或氦氣的價(jià)格昂貴，所以作為運(yùn)動(dòng)和觀光的氣球，基本上是填充熱空氣的。

二、熱氣球靠什么原理來(lái)升空的？

我們都知道“熱脹冷縮”的道理，所以空氣加熱后密度就會(huì)減小。這里給一個(gè)數(shù)據(jù)：溫度為15°C時(shí)，冷空氣的密度為1.293公斤/立方米；而溫度達(dá)100°C時(shí)，熱空氣的密度僅為0.947公斤/立方米。換句話說(shuō)，密度值減少了大約26 %。

熱氣球就是通過(guò)加熱后空氣的密度低于氣球外環(huán)境空氣密度的辦法，利用浮力來(lái)升空的。根據(jù)阿基米德原理，我們知道：浸在流體（氣體或液體）里的物體將受到向上的浮力，浮力大小等于物體排開(kāi)流體所受的重力。物體在流體中是懸浮、上升或下沉，則取決于它本身的重量是等于、小于或大于浮力。

這里讓我們來(lái)做一個(gè)簡(jiǎn)單的估算：對(duì)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的AX—7級(jí)熱氣球，它的球囊體積為2180立方米，或者說(shuō)它可以排開(kāi)2180立方米的空氣。當(dāng)環(huán)境氣溫為15°C時(shí)，所排開(kāi)的空氣總重量約為2820公斤。也就是說(shuō)，氣球會(huì)受到環(huán)境空氣所產(chǎn)生的2820公斤浮力。但是，沒(méi)有加熱時(shí)，囊內(nèi)空氣的溫度和環(huán)境溫度一樣，其總重量和排開(kāi)空氣的總重量相等，再加上氣球自重（結(jié)構(gòu)、設(shè)備和乘員的重量總和），它是無(wú)法“上浮”起來(lái)的。如果我們使用燃燒器將球囊內(nèi)空氣加溫到100°C時(shí)，其總重量減少為2065公斤（假定球囊體積不變，而且膨脹后多余的空氣要從氣球排出）。這樣，囊內(nèi)熱空氣比相同體積的環(huán)境冷空氣（仍保持為15°C）輕了755公斤。只要熱氣球自重小于755公斤，加上球囊內(nèi)2065公斤的熱空氣，總重量就小于環(huán)境空氣所產(chǎn)生的浮力（即2820公斤），此時(shí)氣球就可以上升了。

為了簡(jiǎn)明起見(jiàn)，對(duì)于熱氣球問(wèn)題，我們不妨定義一個(gè)“上浮力”，它是氣球所受到的環(huán)境冷空氣產(chǎn)生的浮力減去球囊內(nèi)熱空氣總重量：上浮力 =（冷空氣密度-熱空氣密度）*球囊體積。只要這個(gè)上浮力大于氣球自重，熱氣球就可以上浮升空了。所以，為什么熱氣球都是一些“大塊頭”呢？從這個(gè)公式可以看出，球囊體積越大，上浮力就越大。

當(dāng)然，還有另外一個(gè)影響上浮力大小的因素，那就是球囊內(nèi)空氣的溫度：溫度升高，密度減小；溫度下降，密度增加。所以，只要降低球囊內(nèi)空氣溫度，球囊內(nèi)空氣總重量增加，環(huán)境大氣對(duì)氣球產(chǎn)生的上浮力就減小。當(dāng)上浮力小于氣球自重時(shí)，氣球就會(huì)下降。熱氣球是通過(guò)自帶的機(jī)載加熱器來(lái)調(diào)整球囊中空氣的溫度，從而達(dá)到控制氣球升降的目的。

但是，熱氣球不能無(wú)限制地升高，為什么呢？因?yàn)榄h(huán)境大氣的密度是隨著距地面高度的增加而減小的：高度越高，空氣越稀薄。依據(jù)大氣物理的知識(shí)，高度每增加1000米，大氣密度就下降10 %。這樣，同樣體積的球囊排開(kāi)大氣所產(chǎn)生的浮力將相應(yīng)地減少，因此大氣稀薄到一定程度，浮力就不足以支撐氣球上浮了。據(jù)悉，目前熱氣球上升的最大高度是34668米，是美國(guó)海軍飛行員馬爾科姆·羅斯和維克托·普拉瑟在1961年創(chuàng)造的。當(dāng)然，能升到幾萬(wàn)米高空的熱氣球都是填充氦氣的，而且體積非常大，直徑都要在100米以上。

三、熱氣球靠什么完成飛行呢？

說(shuō)到“飛行”，熱氣球和飛機(jī)的飛行完全不是一碼事，其實(shí)它只是隨風(fēng)而行，所以人們?yōu)樗�起了一個(gè)“飄飛”的名字。因?yàn)闊釟馇虮旧聿�沒(méi)有動(dòng)力系統(tǒng)也沒(méi)有方向舵，飄飛的速度與方向完全取決于風(fēng)。由于風(fēng)在不同的高度有不同的方向和速度，所以要根據(jù)飛行的需要選擇適當(dāng)?shù)母叨取�尋找不同的風(fēng)層。也因?yàn)槿绱耍瑹釟馇蝻w行的最佳時(shí)間是太陽(yáng)剛剛升起時(shí)或太陽(yáng)下山前一、二個(gè)小時(shí)，因?yàn)榇藭r(shí)的風(fēng)一般都很平靜、穩(wěn)定。

至于飛行的持續(xù)時(shí)間，通常情況下，一只熱氣球攜帶足夠的石油液化氣或丙烷能持續(xù)飛行兩個(gè)小時(shí)，但一些因素也會(huì)影響飛行持續(xù)時(shí)間，例如：氣溫、風(fēng)速、吊籃重量（包括乘客）和在當(dāng)天飛行的具體時(shí)間等。

此外，對(duì)于初學(xué)者而言，為了“駕駛”熱氣球而需要不斷地尋找風(fēng)層，也不是一件容易的事情，所以現(xiàn)在也有一種“系留熱氣球”，它們是固定在某處并不飛走的熱氣球，只是上升到30至50米的高度，但還是能讓初學(xué)者體驗(yàn)一下熱氣球飛行時(shí)“君臨天下”的感覺(jué)。

為了讓乘客有更刺激的觀感，有人還設(shè)計(jì)了一種透明款的熱氣球。它的吊籃地板是一塊完全透明的玻璃，旅客可以透過(guò)玻璃觀看腳下的風(fēng)景。要知道，通常乘坐熱氣球的人只能從吊籃的邊緣看向地面，當(dāng)升空的高度較高時(shí)，已經(jīng)有些不安了，何況現(xiàn)在的景色就在自己的腳下。所以，乘坐過(guò)它的人都大呼過(guò)癮，這絕對(duì)是一次令人難忘的經(jīng)歷！

圖3 從吊籃透明地板觀看地面景色

四、熱氣球發(fā)明發(fā)展的歷史情況

十八世紀(jì)，法國(guó)的造紙商蒙戈菲爾兄弟發(fā)明了熱氣球。他們受到碎紙屑在火爐中不斷升起現(xiàn)象的啟發(fā)，用紙袋把熱氣聚集起來(lái)做實(shí)驗(yàn)，使紙袋能夠隨著氣流不斷上升。1783年6月4日，蒙戈菲爾兄弟在里昂的安諾內(nèi)廣場(chǎng)做公開(kāi)表演，一個(gè)圓周為110英尺的模擬氣球在稻草和木材的火焰中慢慢升起，飄然飛行了1.5英里，這個(gè)熱氣球的乘客是一只公雞、一只山羊還有一只鴨子。同年9月19日，在巴黎的凡爾賽宮前，蒙戈菲爾兄弟又為國(guó)王、王后、宮庭大臣及13萬(wàn)巴黎市民進(jìn)行了熱氣球的升空表演。到了那年的冬天，11月21日下午，蒙戈菲爾兄弟還在巴黎的穆埃特堡進(jìn)行了世界上第一次熱氣球載人空中飛行，這次飛行持續(xù)了25分鐘，在1000米的高空飛越半個(gè)巴黎，最后降落在意大利廣場(chǎng)附近。1785年，法國(guó)人布蘭卡德和美國(guó)人杰弗里斯成功地飛越英吉利海峽。

圖4 在法國(guó)巴黎進(jìn)行的熱氣球?qū)嶒?yàn)

熱氣球最初被用于軍事中的通信聯(lián)絡(luò)和偵察。在1870年的普法戰(zhàn)爭(zhēng)中巴黎被圍，法國(guó)人曾用氣球?qū)⑷撕托偶�送出包圍圈。但是很快，駕駛熱氣球就成為挑戰(zhàn)極限的一項(xiàng)運(yùn)動(dòng)，受到眾多愛(ài)好者的青睞。1931年，德國(guó)奧古斯塔·皮卡德首次乘氣球進(jìn)入同溫層。1933年，奧古斯塔的孿生兄弟讓·皮卡德與海軍航空員賽特爾和伏特尼飛臨18665米高空。

圖5 早期氣球曾用于軍事目的

二十世紀(jì)中葉，第二次世界大戰(zhàn)以后，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和高新技術(shù)的應(yīng)用，特別是由于化學(xué)纖維的研發(fā)和丙烷氣體的普及，加之熱氣球操作簡(jiǎn)單方便、對(duì)起飛與著陸場(chǎng)地的要求都不太高，熱氣球運(yùn)動(dòng)得到了迅猛的發(fā)展。一項(xiàng)項(xiàng)新紀(jì)錄不斷出現(xiàn)。

1961年，美國(guó)的羅斯與普拉瑟?jiǎng)?chuàng)下了氣球升高34688米的世界紀(jì)錄。1978年，美國(guó)的阿布魯佐、安德森和紐曼駕駛“雙鷹3號(hào)”成功飛越了大西洋。1981年，“雙鷹5號(hào)”又成功跨越了太平洋。1982年，美國(guó)的馬爾康姆·福布斯先生駕駛熱氣球后轉(zhuǎn)摩托車(chē)旅游來(lái)到中國(guó)，自延安到北京，完成了駕球飛臨世界每個(gè)國(guó)家的愿望。1999年，瑞士的皮卡德和英國(guó)的布萊恩·瓊斯駕駛“飛船3號(hào)”首次完成不間斷乘熱氣球的環(huán)球飛行。2002年，美國(guó)的史蒂夫·福塞特駕駛“獨(dú)立精神”號(hào)熱氣球首次成功完成單人環(huán)球旅行，歷時(shí)14天，總行程27000多公里。2014年，從上個(gè)世紀(jì)八十年代起，熱氣球引入中國(guó)。我國(guó)已成功地舉辦了第一屆、第二屆北京國(guó)際熱氣球邀請(qǐng)賽、泰山國(guó)際熱氣球邀請(qǐng)賽、99'全國(guó)熱氣球錦標(biāo)賽等大型賽事。

　盡管?chē)?guó)際航空聯(lián)合會(huì)宣稱(chēng)“熱氣球是最安全的飛行器”，然而任何一種飛行器都不可能不發(fā)生事故的，特別是在做各類(lèi)“探險(xiǎn)”活動(dòng)時(shí)。這里不妨來(lái)介紹近年來(lái)的幾次事故：（1）2012年1月7日，新西蘭北島城鎮(zhèn)卡特頓發(fā)生一起觀光熱氣球墜毀事故，在11名罹難者中，有5對(duì)是夫婦或情侶。這被稱(chēng)之“最悲情”的事故。（2）2012年3月，美國(guó)一個(gè)熱氣球在飛到610米高空時(shí)，遭遇暴風(fēng)雨墜落，當(dāng)時(shí)熱氣球上的一名控制員李斯塔·伊諾，冷靜地命令叫5名跳傘員跳離，但狂風(fēng)又把熱氣球卷上去，并再次拋落地面。4天后，他的遺體才在森林中發(fā)現(xiàn)。這被稱(chēng)之“最悲壯”的事故。（3）2012年10月，在美國(guó)新墨西哥州，一個(gè)瓢蟲(chóng)形狀的熱氣球在降落途中撞上電線桿，導(dǎo)致大面積停電，幾十萬(wàn)美元的氣球被撕裂了，但所幸的是氣球上兩人卻毫發(fā)無(wú)損。這被稱(chēng)之“最幸運(yùn)”的事故。（4）2013年2月26日，在埃及開(kāi)羅，外國(guó)游客乘坐的一個(gè)熱氣球在古城盧克索附近墜毀、著火并發(fā)生了爆炸，造成至少19名外國(guó)游客喪生，其中包括9名中國(guó)香港游客。這被稱(chēng)之“死亡人數(shù)最多”的事故。

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責(zé)編：微科普