李嘉騫 沈海軍
熱氣球是人類(lèi)歷史上最早的航空器,比飛機(jī)的發(fā)明早了100多年。迄今為止,全世界已有2萬(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賽事活動(dòng)。
從孔明燈到載人熱氣球
世界公認(rèn)的最古老的“熱氣球”是在中國(guó)古代出現(xiàn)的孔明燈,它已有至少1000年的歷史。那時(shí)候,人們將竹篾扎成方架,糊上紙,制成燈籠,然后點(diǎn)燃下面托盤(pán)上的松脂,上升的松煙會(huì)將燈籠托起升空。這種紙燈當(dāng)時(shí)多用于軍事聯(lián)絡(luò)之用,又被稱(chēng)為“孔明燈”。它在民間流傳范圍很廣,時(shí)至今日,孔明燈的放飛活動(dòng)仍在持續(xù),不過(guò)其意義已不再是過(guò)去的聯(lián)絡(luò)之用,而是成為祈福許愿的民間習(xí)俗,變成中國(guó)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(dāng)空氣受熱膨脹后,密度會(huì)變小從而帶動(dòng)物體向上升起。由此可見(jiàn),孔明燈算得上是最原始的熱氣球。只不過(guò),孔明燈是不能載人的。
載人熱氣球的發(fā)明者是法國(guó)的蒙特哥菲爾兄弟。燃燒物體時(shí),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(kāi)始了對(duì)熱氣球的研究。1782~1783年上半年,他們多次制作熱氣球模型進(jìn)行升空試驗(yàn)。1783年6月,蒙特哥菲爾兄弟用亞麻布和紙做了1個(gè)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(rèn)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(yuǎn)。
同年9月19日,兄弟倆又在法國(guó)國(guó)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(lèi)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(qǐng)兩名法國(guó)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(dá)10千米,創(chuàng)造了人類(lèi)首次升空的歷史。這次飛行比萊特兄弟的飛機(jī)飛行整整早了120年。
在蒙特哥菲爾兄弟研究熱氣球的同時(shí),法國(guó)物理學(xué)家賈克·查爾斯也開(kāi)展了氫氣球的研究工作。1783年8月27日,查爾斯放飛了一個(gè)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(gè)小時(shí),飛行距離36千米。熱氣球和氫氣球的相繼載人飛行成功開(kāi)創(chuàng)了人類(lèi)乘坐氣球升空的歷史。
1785年6月5日,人類(lèi)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(shí),氣球在空中著火失事,羅齊埃遇難。為了紀(jì)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(yīng)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(yīng)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(guó)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(qiáng)度大的美國(guó)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(lái)了光明的前景。
1960年10月21日,第一個(gè)現(xiàn)代材料的熱氣球(被稱(chēng)為現(xiàn)代熱氣球)在美國(guó)飛行成功,現(xiàn)代熱氣球的出現(xiàn)對(duì)熱氣球的應(yīng)用和普及產(chǎn)生了極大的推動(dòng)作用。1966年,歐洲也出現(xiàn)了第一個(gè)現(xiàn)代熱氣球。之后,這項(xiàng)活動(dòng)很快得到推廣普及。
1973年,在美國(guó)的新墨西哥城舉辦了第一屆熱氣球世界錦標(biāo)賽。此后,每?jī)赡暝谑澜绮煌攸c(diǎn)舉辦一屆比賽。國(guó)際航空聯(lián)合會(huì)對(duì)熱氣球飛行還設(shè)有不同類(lèi)型和級(jí)別的升空高度、續(xù)航時(shí)間、飛行距離等項(xiàng)目的世界紀(jì)錄。
1999年3月20日,瑞士飛行員皮卡特和英國(guó)飛行員瓊斯駕駛“百年齡”三號(hào)混合熱氣球,飛行了19天21小時(shí)47分鐘,飛行距離40814千米,實(shí)現(xiàn)了環(huán)球不著陸探險(xiǎn)飛行。2002年7月2日,美國(guó)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(lái)
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(qiáng)度的尼龍或滌綸布制成,雖然材料薄、重量輕,卻非常結(jié)實(shí)。燃燒器是熱氣球的心臟,當(dāng)主燃燒器點(diǎn)燃時(shí),火焰可達(dá)2~3米高,
把氣囊內(nèi)部的空氣迅速加熱,以產(chǎn)生升力。點(diǎn)火燃燒器是主燃燒器的火種,一直保持著不被風(fēng)吹滅的狀態(tài)。吊籃由藤條編制而成,著陸時(shí)能起到緩沖作用。它好比機(jī)艙,用來(lái)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(guò)自帶的機(jī)載加熱器來(lái)調(diào)整氣囊中空氣的溫度,從而達(dá)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(jī)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(guān)。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?xì)忾_(kāi)關(guān),隨時(shí)調(diào)整氣囊內(nèi)的溫度,進(jìn)而操縱熱氣球的升降。
另外,高空和低空的風(fēng)速、風(fēng)向是有差別的。在近地面,受地形、建筑物影響,風(fēng)向會(huì)有所改變,風(fēng)速也會(huì)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(fēng)向變化,有時(shí)風(fēng)向甚至是相反的。飛行員在空中體驗(yàn)各個(gè)高度的不同風(fēng)向,然后操縱氣球升或降至自己所需要的風(fēng)向那一高度,并保持在這一風(fēng)層飛行,便可以達(dá)到自己要飛往某個(gè)目標(biāo)的目的。簡(jiǎn)單地說(shuō),風(fēng)吹向哪里,氣球就飛到哪里;風(fēng)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(fēng)速、風(fēng)向、氣壓等因素綜合影響,飛行過(guò)程中有許多不確定性,因此,對(duì)于駕駛員的技術(shù)要求非常高。
一天中太陽(yáng)剛剛升起時(shí)或太陽(yáng)下山前一兩個(gè)小時(shí),是熱氣球飛行的最佳時(shí)間,因?yàn)榇藭r(shí)的氣流很穩(wěn)定。大風(fēng)、大霧都不利于熱氣球的飛行。按照規(guī)定,風(fēng)速小于6米/秒,能見(jiàn)度大于1500米,而且飛行空域內(nèi)無(wú)降水,才可以自由飛行。對(duì)于熱氣球環(huán)球飛行來(lái)說(shuō),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(dá)到一年中的峰值,最快可達(dá)每小時(shí)400千米,所以,飛行者通常選擇冬季嘗試環(huán)球飛行。
除了觀(guān)光還能做什么
熱氣球是人們接觸天空最便捷也是相對(duì)花費(fèi)較小的一種方法,除了用于觀(guān)光,它在科研和軍事領(lǐng)域也發(fā)揮著作用。
氣象觀(guān)測(cè)
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(jìn)行高空氣象觀(guān)測(cè)。大型非膨脹性的薄膜塑料氣球在邊界層探測(cè)、全球范圍內(nèi)定高的水平探測(cè)以及平流層的探測(cè)試驗(yàn)方面有著廣泛的應(yīng)用。
軍事用途
艦隊(duì)預(yù)警用:將雷達(dá)系統(tǒng)天線(xiàn)部分載于熱氣球上,再將熱氣球拴到軍艦的大桅桿上,無(wú)需動(dòng)力也可遠(yuǎn)觀(guān)八方。
指示潛艇攻擊目標(biāo)用:距敵200千米放一個(gè)氣球出去,鎖定目標(biāo),可為魚(yú)雷或巡航導(dǎo)彈指示目標(biāo)。
戰(zhàn)備執(zhí)勤用:國(guó)境線(xiàn)上隔300~500千米拴一個(gè)熱氣球,上面布置雷達(dá)及導(dǎo)彈,發(fā)現(xiàn)敵方可疑飛行器,便自動(dòng)發(fā)射。
未來(lái)發(fā)展
隨著科學(xué)技術(shù)的日益進(jìn)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(jìn)發(fā)。航天飛機(jī)退出歷史舞臺(tái)后,美國(guó)宇航局目前正在研發(fā)一種費(fèi)用低廉的太空探索方式——使用熱氣球前往太陽(yáng)系的其他行星及其衛(wèi)星。
熱氣球可以執(zhí)行無(wú)人任務(wù),負(fù)責(zé)運(yùn)送設(shè)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(jìn)實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)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(yàn)。目前,美國(guó)俄勒岡州近太空公司正對(duì)熱氣球原型進(jìn)行高空測(cè)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(guò)的火星大氣層?!?/p>
【責(zé)任編輯】趙 菲