热气球：从蒙戈尔菲耶兄弟到现代飞行

背景

热气球由薄而高强度的不透气织物制成的包裹（球囊）组成，内部充入升力气体。因内部加热空气排开外部较冷空气，产生等于被排开空气重量的向上浮力，球囊上升。

历史上，包裹曾用纸、橡胶和各种织物制造。现代常见形状有球体、扁球体和流线型空气动力造型。主要升力气体为氦气、氢气和热空气。

18世纪末，蒙戈尔菲耶兄弟在法国开创热气球飞行。他们发现轻质袋装加热空气可升空，1783年先在阿诺奈演示，后在凡尔赛宫载羊、公鸡和鸭飞行。

首次载人飞行于1783年11月21日在巴黎进行。皮拉特尔·德·罗济耶和弗朗索瓦·劳伦特·达尔朗德侯爵乘坐纸麻球囊、以烟熏和热空气为动力升空。

19世纪期间，气球用于战争侦察和平时航拍。虽提供宝贵观测平台，早期气球不可转向。严肃科学实验直到20世纪末才加速发展。

1934至1961年间，载人气球探索平流层（9.7–24.14公里）。加压舱让机组到达3万米（10万英尺）高空。1961年载人航天出现后，许多此类任务失去意义。

1960年代起，热气球演变为休闲运动。1970年代消费销售激增，1973年美国举办首届世锦赛。如今全球气球爱好者追逐纪录、参与各类竞赛。

现代还在使用气象、零压、超压、军用系留和动力气球等其他类型。

现代热气球由包裹和吊篮组成。包裹通常呈球形，采用非延展材料。吊篮上方安装烃类燃烧器供热空气。

吊篮（贡多拉）载客。通过调节燃烧器火焰强度控制升力。球顶阀门配绳索供乘客控制下降。开裂绳和开裂板着陆时快速排气，减小冲击阻力。

娱乐气球实用高度上限约55公里（34英里）。

四人气球充气通常需四到五人配合。吊篮侧放，包裹铺地，风机冷空气预充。飞行员进囊检查索具、滑轮、魔术贴、飞行索、降落伞和囊体织物。

点火燃烧器后，约60秒气流注满包裹，充盈20000立方英尺（6096立方米）球囊。包裹竖起，机组稳定顶冠抗风。充气完成后飞行员乘客终检，气球变"轻"即可起飞。

包裹靠负载带或索平衡载荷。美厂倾向较重织物配负载带，欧厂偏好轻质织物加密带结构。

织物以尼龙或达克龙（聚酯）编织。尼龙更轻更强；达克龙耐高温。网状编织透气。典型抗拉强度每英寸宽条带40–100磅（18.2–45.4公斤）。

为气密，织物涂聚氨酯，常加氯丁橡胶、硅油和抗UV剂。涂层层数平衡气密性与材料脆性。

关键部件含降落伞和开裂板，对受控下降至关重要。降落伞为失效保险装置，用包裹级织物制造。开裂板用魔术贴密封，设次级排气口增强安全。

网兜支撑吊篮，均匀分散重量。

吊篮主体通常用藤条和柳条编织，胶合板底板。边缘包皮革、麂皮或生皮。不锈钢丝和刚性支架连接吊篮与燃烧器架。部分设计将吊篮悬挂于连接包裹的负载环上，兼作燃烧器安装点。

燃烧器为单体丙烷系统，两个或更多燃料罐供能。永久软管接头连接罐体与燃烧器。组件含液体阀调节燃流、压力表指示剩余动力、汽化丙烷的引火器。不锈钢汽化盘将蒸汽转化为根部粗、尖端长的火焰。

包裹设计通过微弧剖（缝合的分段面板）降低织物应力。剖片中部长、两端短。三种主要剖向：垂直、水平、对角。对角剖最经济，减少布料浪费。许多剖片经计算机设计。

两大主流造型：水滴形和圆形。水滴形上升快、耗能少；圆形用布少、表面积小、加热需求低。典型包裹寿命约400飞行小时。

吊篮自1700年代以来基本未变，仍为方形柳编结构，着陆时缓冲变形。1970年代曾尝试铝和玻璃钢吊舱，但硬着陆易碎裂。后创三角吊篮，便于仪表盘新布局。吊篮寿命约800飞行小时。

自底向上构建。带滑轨的胶合板底托支撑厚达1英寸（2.5厘米）藤框。不锈钢丝和负载框环绕框架。藤条/柳条编织包裹框架，预留钢瓶带孔。成品上清漆定型，边缘包生皮/皮革/麂皮保护。仪表盘和丙烷罐施工中集成。

持续创新旨在让气球飞得更高、更久、控制更精准。重点多在提升燃烧器效率和优化排气系统，预示高空长航时气球飞行新纪元。

制造工艺