从热气球想到孔明灯

时间:2017-10-23 12:18:45
来源:中国科学院力学研究所
作者:毛天祥
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从热气球想到孔明灯, 热气球是人类最早的升空载体。1783年11月,法国造纸商蒙戈菲尔兄弟在法国巴黎的穆埃特堡进行了世界上第一次热气球载人空中航行,宣告了热气球这种飞行器的诞生。随后,乘坐

 

热气球是人类最早的升空载体。1783年11月,法国造纸商蒙戈菲尔兄弟在法国巴黎的穆埃特堡进行了世界上第一次热气球载人空中航行,宣告了热气球这种飞行器的诞生。随后,乘坐热气球逐渐成为人们喜爱的一种运动。似乎从诞生之日起,热气球运动就被刻上了贵族烙印。20世纪末期,这种情结又渐渐从当初的“名门世家”移向现今的“豪商巨贾”。而随着热气球材料的改进、制作工艺的提高、驾驶技术的完善,热气球飞行现在已成为任何地点都可进行、任何人都可尝试的新型航空体育运动和观光旅游项目,它不仅是一种财富、身份的反映,更是性格、勇气的象征。据统计,目前全世界有两万多个热气球,在欧美等发达国家,几乎每天都有热气球的比赛或活动。当然,除了航空体育和观光旅游,热气球还常用于航空摄影或科学研究、气象探测等专业应用领域。我们不妨试想一下:乘坐热气球在美丽大地的上空巡游时,那种“君临天下”的感觉该是多么的惬意!

一、热气球是怎样构成的?

不言而喻,“热气球”是采用热空气作为浮升气体的一种气球。它由球囊、吊篮和加热装置三部分构成。

图1  热气球结构示意

球囊包括伞盖(含伞阀、伞裆、布块等部分)、伞圈和伞阀拉绳等。为了便于升空,球囊一般是由强化尼龙或涤纶等制成的,质量很轻但很结实,有很好的抗拉强度,而且是不透气并能耐热的。球气囊底部的尼龙裙摆表面往往涂有特殊的防火材料,以防止火焰点燃气球。球囊顶部的伞阀可以由驾驶员拉动相连的细绳而打开,从而可以依据需要从球囊中排出部分空气。

在球囊下面有像柳条筐似的大开口吊篮,用于承载乘员和设备(如加热冷空气用的煤气罐、飞行仪表等)。大多数吊篮是由藤条编织而成,因为它结实、柔韧且相对较轻。柔韧性有助于气球着陆,因为柳条材料在触地撞击时能够稍微弯曲变形,从而吸收一部分能量。这样,着陆时就能起到缓和冲击的作用。

但是,如果要乘坐热气球做环球飞行时,一般飞行员们是住在一个密封性能极好的压力仓中,压力仓提供适宜的温度、压力和空气环境,这与普通热气球上的大筐是不可同日而语的。当然也有例外的情况:热气球孤胆英雄、美国人福塞特从1997年以来,做过三次环球飞行(以“独立”命名的探险飞行),一直都没有使用压力仓。这样,他要忍受十几千米高空中负20℃以下的低温,而且始终需要配带面罩进行呼吸。

加热装置则包括燃料罐和喷火器等。喷火器是一种燃烧器,它是热气球的心脏,其中有点火器,要一直保持火种,即使被风吹,也不会熄灭。所使用的燃料通常是丙烷或液化气。如果要让热气球从地面升空时,我们就点燃喷火器(或简称为喷灯),将空气加热,气球便会冉冉升起。热气球升空飞行后,我们可以通过控制喷灯的喷油量来操纵气球的上升或下降。

图2  点火器喷发出巨大的火焰

当然,更广义而言,可以升空巡游的气球不一定是填充热空气,人们也发展了各种充填轻气(如氢气或氦气)的气球,此时有的是不带有加热装置的,也有的是装备着加热装置的。一般说来,氢气或氦气的价格昂贵,所以作为运动和观光的气球,基本上是填充热空气的。

二、热气球靠什么原理来升空的?

我们都知道“热胀冷缩”的道理,所以空气加热后密度就会减小。这里给一个数据:温度为15°C时,冷空气的密度为1.293公斤/立方米;而温度达100°C时,热空气的密度仅为0.947公斤/立方米。换句话说,密度值减少了大约26 %。

热气球就是通过加热后空气的密度低于气球外环境空气密度的办法,利用浮力来升空的。根据阿基米德原理,我们知道:浸在流体(气体或液体)里的物体将受到向上的浮力,浮力大小等于物体排开流体所受的重力。物体在流体中是悬浮、上升或下沉,则取决于它本身的重量是等于、小于或大于浮力。

这里让我们来做一个简单的估算:对一个标准的AX—7级热气球,它的球囊体积为2180立方米,或者说它可以排开2180立方米的空气。当环境气温为15°C时,所排开的空气总重量约为2820公斤。也就是说,气球会受到环境空气所产生的2820公斤浮力。但是,没有加热时,囊内空气的温度和环境温度一样,其总重量和排开空气的总重量相等,再加上气球自重(结构、设备和乘员的重量总和),它是无法“上浮”起来的。如果我们使用燃烧器将球囊内空气加温到100°C时,其总重量减少为2065公斤(假定球囊体积不变,而且膨胀后多余的空气要从气球排出)。这样,囊内热空气比相同体积的环境冷空气(仍保持为15°C)轻了755公斤。只要热气球自重小于755公斤,加上球囊内2065公斤的热空气,总重量就小于环境空气所产生的浮力(即2820公斤),此时气球就可以上升了。

为了简明起见,对于热气球问题,我们不妨定义一个“上浮力”,它是气球所受到的环境冷空气产生的浮力减去球囊内热空气总重量:上浮力 =(冷空气密度-热空气密度)*球囊体积。只要这个上浮力大于气球自重,热气球就可以上浮升空了。所以,为什么热气球都是一些“大块头”呢?从这个公式可以看出,球囊体积越大,上浮力就越大。

当然,还有另外一个影响上浮力大小的因素,那就是球囊内空气的温度:温度升高,密度减小;温度下降,密度增加。所以,只要降低球囊内空气温度,球囊内空气总重量增加,环境大气对气球产生的上浮力就减小。当上浮力小于气球自重时,气球就会下降。热气球是通过自带的机载加热器来调整球囊中空气的温度,从而达到控制气球升降的目的。

但是,热气球不能无限制地升高,为什么呢?因为环境大气的密度是随着距地面高度的增加而减小的:高度越高,空气越稀薄。依据大气物理的知识,高度每增加1000米,大气密度就下降10 %。这样,同样体积的球囊排开大气所产生的浮力将相应地减少,因此大气稀薄到一定程度,浮力就不足以支撑气球上浮了。据悉,目前热气球上升的最大高度是34668米,是美国海军飞行员马尔科姆·罗斯和维克托·普拉瑟在1961年创造的。当然,能升到几万米高空的热气球都是填充氦气的,而且体积非常大,直径都要在100米以上。

三、热气球靠什么完成飞行呢?

说到“飞行”,热气球和飞机的飞行完全不是一码事,其实它只是随风而行,所以人们为它起了一个“飘飞”的名字。因为热气球本身并没有动力系统也没有方向舵,飘飞的速度与方向完全取决于风。由于风在不同的高度有不同的方向和速度,所以要根据飞行的需要选择适当的高度、寻找不同的风层。也因为如此,热气球飞行的最佳时间是太阳刚刚升起时或太阳下山前一、二个小时,因为此时的风一般都很平静、稳定。

至于飞行的持续时间,通常情况下,一只热气球携带足够的石油液化气或丙烷能持续飞行两个小时,但一些因素也会影响飞行持续时间,例如:气温、风速、吊篮重量(包括乘客)和在当天飞行的具体时间等。

此外,对于初学者而言,为了“驾驶”热气球而需要不断地寻找风层,也不是一件容易的事情,所以现在也有一种“系留热气球”,它们是固定在某处并不飞走的热气球,只是上升到30至50米的高度,但还是能让初学者体验一下热气球飞行时“君临天下”的感觉。

为了让乘客有更刺激的观感,有人还设计了一种透明款的热气球。它的吊篮地板是一块完全透明的玻璃,旅客可以透过玻璃观看脚下的风景。要知道,通常乘坐热气球的人只能从吊篮的边缘看向地面,当升空的高度较高时,已经有些不安了,何况现在的景色就在自己的脚下。所以,乘坐过它的人都大呼过瘾,这绝对是一次令人难忘的经历!

图3 从吊篮透明地板观看地面景色

四、热气球发明发展的历史情况

十八世纪,法国的造纸商蒙戈菲尔兄弟发明了热气球。他们受到碎纸屑在火炉中不断升起现象的启发,用纸袋把热气聚集起来做实验,使纸袋能够随着气流不断上升。1783年6月4日,蒙戈菲尔兄弟在里昂的安诺内广场做公开表演,一个圆周为110英尺的模拟气球在稻草和木材的火焰中慢慢升起,飘然飞行了1.5英里,这个热气球的乘客是一只公鸡、一只山羊还有一只鸭子。同年9月19日,在巴黎的凡尔赛宫前,蒙戈菲尔兄弟又为国王、王后、宫庭大臣及13万巴黎市民进行了热气球的升空表演。到了那年的冬天,11月21日下午,蒙戈菲尔兄弟还在巴黎的穆埃特堡进行了世界上第一次热气球载人空中飞行,这次飞行持续了25分钟,在1000米的高空飞越半个巴黎,最后降落在意大利广场附近。1785年,法国人布兰卡德和美国人杰弗里斯成功地飞越英吉利海峡。

图4 在法国巴黎进行的热气球实验

热气球最初被用于军事中的通信联络和侦察。在1870年的普法战争中巴黎被围,法国人曾用气球将人和信件送出包围圈。但是很快,驾驶热气球就成为挑战极限的一项运动,受到众多爱好者的青睐。1931年,德国奥古斯塔·皮卡德首次乘气球进入同温层。1933年,奥古斯塔的孪生兄弟让·皮卡德与海军航空员赛特尔和伏特尼飞临18665米高空。

图5 早期气球曾用于军事目的

二十世纪中叶,第二次世界大战以后,随着经济的发展和高新技术的应用,特别是由于化学纤维的研发和丙烷气体的普及,加之热气球操作简单方便、对起飞与着陆场地的要求都不太高,热气球运动得到了迅猛的发展。一项项新纪录不断出现。

1961年,美国的罗斯与普拉瑟创下了气球升高34688米的世界纪录。1978年,美国的阿布鲁佐、安德森和纽曼驾驶“双鹰3号”成功飞越了大西洋。1981年,“双鹰5号”又成功跨越了太平洋。1982年,美国的马尔康姆·福布斯先生驾驶热气球后转摩托车旅游来到中国,自延安到北京,完成了驾球飞临世界每个国家的愿望。1999年,瑞士的皮卡德和英国的布莱恩·琼斯驾驶“飞船3号”首次完成不间断乘热气球的环球飞行。2002年,美国的史蒂夫·福塞特驾驶“独立精神”号热气球首次成功完成单人环球旅行,历时14天,总行程27000多公里。2014年,从上个世纪八十年代起,热气球引入中国。我国已成功地举办了第一届、第二届北京国际热气球邀请赛、泰山国际热气球邀请赛、99'全国热气球锦标赛等大型赛事。

 尽管国际航空联合会宣称“热气球是最安全的飞行器”,然而任何一种飞行器都不可能不发生事故的,特别是在做各类“探险”活动时。这里不妨来介绍近年来的几次事故:(1)2012年1月7日,新西兰北岛城镇卡特顿发生一起观光热气球坠毁事故,在11名罹难者中,有5对是夫妇或情侣。这被称之“最悲情”的事故。(2)2012年3月,美国一个热气球在飞到610米高空时,遭遇暴风雨坠落,当时热气球上的一名控制员李斯塔·伊诺,冷静地命令叫5名跳伞员跳离,但狂风又把热气球卷上去,并再次抛落地面。4天后,他的遗体才在森林中发现。这被称之“最悲壮”的事故。(3)2012年10月,在美国新墨西哥州,一个瓢虫形状的热气球在降落途中撞上电线杆,导致大面积停电,几十万美元的气球被撕裂了,但所幸的是气球上两人却毫发无损。这被称之“最幸运”的事故。(4)2013年2月26日,在埃及开罗,外国游客乘坐的一个热气球在古城卢克索附近坠毁、着火并发生了爆炸,造成至少19名外国游客丧生,其中包括9名中国香港游客。这被称之“死亡人数最多”的事故。

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热气球是人类最早的升空载体。1783年11月,法国造纸商蒙戈菲尔兄弟在法国巴黎的穆埃特堡进行了世界上第一次热气球载人空中航行,宣告了热气球这种飞行器的诞生。随后,乘坐热气球逐渐成为人们喜爱的一种运动。似乎从诞生之日起,热气球运动就被刻上了贵族烙印。20世纪末期,这种情结又渐渐从当初的“名门世家”移向现今的“豪商巨贾”。而随着热气球材料的改进、制作工艺的提高、驾驶技术的完善,热气球飞行现在已成为任何地点都可进行、任何人都可尝试的新型航空体育运动和观光旅游项目,它不仅是一种财富、身份的反映,更是性格、勇气的象征。据统计,目前全世界有两万多个热气球,在欧美等发达国家,几乎每天都有热气球的比赛或活动。当然,除了航空体育和观光旅游,热气球还常用于航空摄影或科学研究、气象探测等专业应用领域。我们不妨试想一下:乘坐热气球在美丽大地的上空巡游时,那种“君临天下”的感觉该是多么的惬意!

一、热气球是怎样构成的?

不言而喻,“热气球”是采用热空气作为浮升气体的一种气球。它由球囊、吊篮和加热装置三部分构成。

图1  热气球结构示意

球囊包括伞盖(含伞阀、伞裆、布块等部分)、伞圈和伞阀拉绳等。为了便于升空,球囊一般是由强化尼龙或涤纶等制成的,质量很轻但很结实,有很好的抗拉强度,而且是不透气并能耐热的。球气囊底部的尼龙裙摆表面往往涂有特殊的防火材料,以防止火焰点燃气球。球囊顶部的伞阀可以由驾驶员拉动相连的细绳而打开,从而可以依据需要从球囊中排出部分空气。

在球囊下面有像柳条筐似的大开口吊篮,用于承载乘员和设备(如加热冷空气用的煤气罐、飞行仪表等)。大多数吊篮是由藤条编织而成,因为它结实、柔韧且相对较轻。柔韧性有助于气球着陆,因为柳条材料在触地撞击时能够稍微弯曲变形,从而吸收一部分能量。这样,着陆时就能起到缓和冲击的作用。

但是,如果要乘坐热气球做环球飞行时,一般飞行员们是住在一个密封性能极好的压力仓中,压力仓提供适宜的温度、压力和空气环境,这与普通热气球上的大筐是不可同日而语的。当然也有例外的情况:热气球孤胆英雄、美国人福塞特从1997年以来,做过三次环球飞行(以“独立”命名的探险飞行),一直都没有使用压力仓。这样,他要忍受十几千米高空中负20℃以下的低温,而且始终需要配带面罩进行呼吸。

加热装置则包括燃料罐和喷火器等。喷火器是一种燃烧器,它是热气球的心脏,其中有点火器,要一直保持火种,即使被风吹,也不会熄灭。所使用的燃料通常是丙烷或液化气。如果要让热气球从地面升空时,我们就点燃喷火器(或简称为喷灯),将空气加热,气球便会冉冉升起。热气球升空飞行后,我们可以通过控制喷灯的喷油量来操纵气球的上升或下降。

图2  点火器喷发出巨大的火焰

当然,更广义而言,可以升空巡游的气球不一定是填充热空气,人们也发展了各种充填轻气(如氢气或氦气)的气球,此时有的是不带有加热装置的,也有的是装备着加热装置的。一般说来,氢气或氦气的价格昂贵,所以作为运动和观光的气球,基本上是填充热空气的。

二、热气球靠什么原理来升空的?

我们都知道“热胀冷缩”的道理,所以空气加热后密度就会减小。这里给一个数据:温度为15°C时,冷空气的密度为1.293公斤/立方米;而温度达100°C时,热空气的密度仅为0.947公斤/立方米。换句话说,密度值减少了大约26 %。

热气球就是通过加热后空气的密度低于气球外环境空气密度的办法,利用浮力来升空的。根据阿基米德原理,我们知道:浸在流体(气体或液体)里的物体将受到向上的浮力,浮力大小等于物体排开流体所受的重力。物体在流体中是悬浮、上升或下沉,则取决于它本身的重量是等于、小于或大于浮力。

这里让我们来做一个简单的估算:对一个标准的AX—7级热气球,它的球囊体积为2180立方米,或者说它可以排开2180立方米的空气。当环境气温为15°C时,所排开的空气总重量约为2820公斤。也就是说,气球会受到环境空气所产生的2820公斤浮力。但是,没有加热时,囊内空气的温度和环境温度一样,其总重量和排开空气的总重量相等,再加上气球自重(结构、设备和乘员的重量总和),它是无法“上浮”起来的。如果我们使用燃烧器将球囊内空气加温到100°C时,其总重量减少为2065公斤(假定球囊体积不变,而且膨胀后多余的空气要从气球排出)。这样,囊内热空气比相同体积的环境冷空气(仍保持为15°C)轻了755公斤。只要热气球自重小于755公斤,加上球囊内2065公斤的热空气,总重量就小于环境空气所产生的浮力(即2820公斤),此时气球就可以上升了。

为了简明起见,对于热气球问题,我们不妨定义一个“上浮力”,它是气球所受到的环境冷空气产生的浮力减去球囊内热空气总重量:上浮力 =(冷空气密度-热空气密度)*球囊体积。只要这个上浮力大于气球自重,热气球就可以上浮升空了。所以,为什么热气球都是一些“大块头”呢?从这个公式可以看出,球囊体积越大,上浮力就越大。

当然,还有另外一个影响上浮力大小的因素,那就是球囊内空气的温度:温度升高,密度减小;温度下降,密度增加。所以,只要降低球囊内空气温度,球囊内空气总重量增加,环境大气对气球产生的上浮力就减小。当上浮力小于气球自重时,气球就会下降。热气球是通过自带的机载加热器来调整球囊中空气的温度,从而达到控制气球升降的目的。

但是,热气球不能无限制地升高,为什么呢?因为环境大气的密度是随着距地面高度的增加而减小的:高度越高,空气越稀薄。依据大气物理的知识,高度每增加1000米,大气密度就下降10 %。这样,同样体积的球囊排开大气所产生的浮力将相应地减少,因此大气稀薄到一定程度,浮力就不足以支撑气球上浮了。据悉,目前热气球上升的最大高度是34668米,是美国海军飞行员马尔科姆·罗斯和维克托·普拉瑟在1961年创造的。当然,能升到几万米高空的热气球都是填充氦气的,而且体积非常大,直径都要在100米以上。

三、热气球靠什么完成飞行呢?

说到“飞行”,热气球和飞机的飞行完全不是一码事,其实它只是随风而行,所以人们为它起了一个“飘飞”的名字。因为热气球本身并没有动力系统也没有方向舵,飘飞的速度与方向完全取决于风。由于风在不同的高度有不同的方向和速度,所以要根据飞行的需要选择适当的高度、寻找不同的风层。也因为如此,热气球飞行的最佳时间是太阳刚刚升起时或太阳下山前一、二个小时,因为此时的风一般都很平静、稳定。

至于飞行的持续时间,通常情况下,一只热气球携带足够的石油液化气或丙烷能持续飞行两个小时,但一些因素也会影响飞行持续时间,例如:气温、风速、吊篮重量(包括乘客)和在当天飞行的具体时间等。

此外,对于初学者而言,为了“驾驶”热气球而需要不断地寻找风层,也不是一件容易的事情,所以现在也有一种“系留热气球”,它们是固定在某处并不飞走的热气球,只是上升到30至50米的高度,但还是能让初学者体验一下热气球飞行时“君临天下”的感觉。

为了让乘客有更刺激的观感,有人还设计了一种透明款的热气球。它的吊篮地板是一块完全透明的玻璃,旅客可以透过玻璃观看脚下的风景。要知道,通常乘坐热气球的人只能从吊篮的边缘看向地面,当升空的高度较高时,已经有些不安了,何况现在的景色就在自己的脚下。所以,乘坐过它的人都大呼过瘾,这绝对是一次令人难忘的经历!

图3 从吊篮透明地板观看地面景色

四、热气球发明发展的历史情况

十八世纪,法国的造纸商蒙戈菲尔兄弟发明了热气球。他们受到碎纸屑在火炉中不断升起现象的启发,用纸袋把热气聚集起来做实验,使纸袋能够随着气流不断上升。1783年6月4日,蒙戈菲尔兄弟在里昂的安诺内广场做公开表演,一个圆周为110英尺的模拟气球在稻草和木材的火焰中慢慢升起,飘然飞行了1.5英里,这个热气球的乘客是一只公鸡、一只山羊还有一只鸭子。同年9月19日,在巴黎的凡尔赛宫前,蒙戈菲尔兄弟又为国王、王后、宫庭大臣及13万巴黎市民进行了热气球的升空表演。到了那年的冬天,11月21日下午,蒙戈菲尔兄弟还在巴黎的穆埃特堡进行了世界上第一次热气球载人空中飞行,这次飞行持续了25分钟,在1000米的高空飞越半个巴黎,最后降落在意大利广场附近。1785年,法国人布兰卡德和美国人杰弗里斯成功地飞越英吉利海峡。

图4 在法国巴黎进行的热气球实验

热气球最初被用于军事中的通信联络和侦察。在1870年的普法战争中巴黎被围,法国人曾用气球将人和信件送出包围圈。但是很快,驾驶热气球就成为挑战极限的一项运动,受到众多爱好者的青睐。1931年,德国奥古斯塔·皮卡德首次乘气球进入同温层。1933年,奥古斯塔的孪生兄弟让·皮卡德与海军航空员赛特尔和伏特尼飞临18665米高空。

图5 早期气球曾用于军事目的

二十世纪中叶,第二次世界大战以后,随着经济的发展和高新技术的应用,特别是由于化学纤维的研发和丙烷气体的普及,加之热气球操作简单方便、对起飞与着陆场地的要求都不太高,热气球运动得到了迅猛的发展。一项项新纪录不断出现。

1961年,美国的罗斯与普拉瑟创下了气球升高34688米的世界纪录。1978年,美国的阿布鲁佐、安德森和纽曼驾驶“双鹰3号”成功飞越了大西洋。1981年,“双鹰5号”又成功跨越了太平洋。1982年,美国的马尔康姆·福布斯先生驾驶热气球后转摩托车旅游来到中国,自延安到北京,完成了驾球飞临世界每个国家的愿望。1999年,瑞士的皮卡德和英国的布莱恩·琼斯驾驶“飞船3号”首次完成不间断乘热气球的环球飞行。2002年,美国的史蒂夫·福塞特驾驶“独立精神”号热气球首次成功完成单人环球旅行,历时14天,总行程27000多公里。2014年,从上个世纪八十年代起,热气球引入中国。我国已成功地举办了第一届、第二届北京国际热气球邀请赛、泰山国际热气球邀请赛、99'全国热气球锦标赛等大型赛事。

 尽管国际航空联合会宣称“热气球是最安全的飞行器”,然而任何一种飞行器都不可能不发生事故的,特别是在做各类“探险”活动时。这里不妨来介绍近年来的几次事故:(1)2012年1月7日,新西兰北岛城镇卡特顿发生一起观光热气球坠毁事故,在11名罹难者中,有5对是夫妇或情侣。这被称之“最悲情”的事故。(2)2012年3月,美国一个热气球在飞到610米高空时,遭遇暴风雨坠落,当时热气球上的一名控制员李斯塔·伊诺,冷静地命令叫5名跳伞员跳离,但狂风又把热气球卷上去,并再次抛落地面。4天后,他的遗体才在森林中发现。这被称之“最悲壮”的事故。(3)2012年10月,在美国新墨西哥州,一个瓢虫形状的热气球在降落途中撞上电线杆,导致大面积停电,几十万美元的气球被撕裂了,但所幸的是气球上两人却毫发无损。这被称之“最幸运”的事故。(4)2013年2月26日,在埃及开罗,外国游客乘坐的一个热气球在古城卢克索附近坠毁、着火并发生了爆炸,造成至少19名外国游客丧生,其中包括9名中国香港游客。这被称之“死亡人数最多”的事故。

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