热气球飞行的物理知识

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  蓝蓝的天上,飘着几片白云,一只、两只、抑或好多只绚丽夺目的热气球在天空中或冉冉上升,或悬浮停留,成为天与地之间美丽的点缀,构成了一幅幅美丽的画卷。
  热气球因其体积庞大、色彩艳丽、比赛场面壮观,具有很强的视觉冲击力。从热气球在中国升空的那一刻起,就得到了社会各界的广泛关注。热气球运动作为一种新兴的体育运动,还未被更多的人所尝试,对绝大多数人具有强烈的吸引力。
  “多么恬静、和谐的境界呀!”,这可能是所有第一次直接看到空中热气球的人通常的感受。这是热气球展示给人的最美的一面。如此恬静、和谐的境界,谁不想拥有呢?越来越多的人投入到热气球运动中来,乐此不疲。每年在世界各地举行的热气球节更是吸引了天南海北的球迷们。热气球的魅力可真大呀!
  当我们走近热气球,抚摸一下强化锦丝绸制成的柔软的球囊,摇晃几下东南亚进口藤条编制而成的吊篮,感受一下强劲有力的钢丝绳,对安全问题的疑虑我们就可以彻底打消了。国际航联将热气球确定为最安全的航空器。
  经常有小朋友会问, “叔叔,这些热气球也太大了。做小点不行吗?”。热气球当然可以做得小点或大点,它的大小是根据需要定制的。我国古代的孔明灯是现代热气球的雏形,它太小了,以至于几枚硬币都带不起来。”
  热气球能飞起来是因为空气体积热胀冷缩变化非常大。在压强不变的情况下,一定质量的空气温度每升高1℃,增加的体积等于它在0℃时体积的273分之一。所以相同体积的热空气比冷空气轻。由于材料和工艺的限制,热气球球皮最高耐受温度在120℃以下。一般情况下,0℃时每立方米空气的质量大约为1.29千克,20℃时约为1.20千克,110℃时约为0.92千克。可见20℃时热气球内1立方米单位的空气在加热至110℃过程中,将排出0.28公斤的空气。
  明白了这些原理,我们可以算出,对于一位体重30公斤的小朋友,假设一副小的吊篮、球囊也重30公斤,装配10公斤的燃气,总重量为70公斤。我们设计一个250立方米左右的热气球,通常情况下它从20℃加热至110℃时就能够排出重量超过70公斤的空气,小朋友就可以飞起来了。这个热气球的直径大约8米。国际航联理事会按照热气球体积的大小,将热气球分为15个等级。这个小球就属于最小的AX-1级250立方米。最大的AX-15级,≥22000立方米。
  热气球在天上飞,非常的美丽。可是热气球那么大,要怎样吹起来呢?它是如何从一堆布变成一个球的呢?
  这个过程会让我们体会到 “万事开头难”的道理:飞行员首先要将硕大的球囊在地上铺展开,然后将它与放在一边的吊篮连接在一起,再用一个大的鼓风机,将风吹入球囊,使气球一点点地膨胀。鼓风机“突、突、突……”的声音显得刺耳、粗糙,对比热气球在天空中那么美妙的画面境界,显得一点也不相称!当球囊完全展开充气接近80%饱满状态时,飞行员开始点火。“呼、呼、呼……”巨大的火焰燃烧声对于第一次接触热气球的人来说,会让你有点担心和害怕。因为热气球是在用相当于一般家庭煤气炉150倍以上的功率来燃烧压缩气。剧烈的火焰迅速加热热气球球囊内的空气,热空气使气球升到垂直于吊篮的位置时,再加几把大火,气球就可以起飞了。完成一个热气球的起飞过程至少需要四个人。因此,飘飞热气球需要一组人共同努力。热气球在地面上的工作是非常繁琐的。
  不仅如此,热气球系留飞行环境风速不能大于4m/s,自由飞行风速不能大于6m/s。因此,任何一次飞行都要做好较准确的气象观察。许多次,一切准备妥当之后,出现了气候因素不稳定的情况,只有取消飞行。
  现在通常使用的热气球是AX-7级,约为2300立方米。可以产生约800公斤的升力。热气球由球囊、吊篮和加热装置构成。球皮看起来质量很轻,但却极结实,是由强化锦丝绸制成的。球囊是不透气的。吊篮由藤条编制而成,这样着陆时有很好的缓冲效果。吊篮四角放置着4个液化气瓶,每个液化气瓶可装20kg石油液化气。通过管路连接着两个燃烧器。当火点燃时,火焰能喷射3-4米高,并发出巨大的响声。当我们持续燃烧液化气时,球体内空气气温升高,体积变大,一部份空气从球中逸出,整个球体的重量减轻,当它轻于周围同体积的冷空气重量时,热气球就上升。当我们关闭火源时,球体内空气温度下降,体积变小,周围冷空气补充进来,整个球体的重量增大,当它重于周围同体积的冷空气重量时,热气球就开始下降。
  热气球飘飞在蓝天、大地之间,却看不到热气球上有前进、后退、左转、右转的操纵开关,这是为什么呢?
  我们给热气球的飞行起个有趣的名字叫“追风”。因为热气球的动力就是燃烧器,没有方向舵,风的方向就是热气球的运动方向。所以热气球并非真的被“驾驶”,它只是随风而行,飞行速度完全取决于风速。但是,由于风在不同的高度有不同的方向和速度,飞行员可以根据飞行需要的方向,通过控制燃烧器的火焰大小来使热气球升降,从而选择适当的高度寻找方向相同的风层。
  因此,在热气球运动中对气流的把握是相当重要的。这也成为世界各地热气球比赛中的重要科目。比赛中,组委会在赛场设置“十”字靶标。运动员起飞后,通过不断调整高度利用各种气流接近靶标,在规定时间内把沙袋投向靶标,越接近标心得分越高,数场比赛得分相加,积分最多者为胜。
  对于环球飞行的热气球来说,必须选择速度和方向都合适的高空气流,随之运动,才能高效地完成飞行。对于我们一般爱好者来说,一天中太阳刚刚升起时或太阳下山前一二个小时,是热气球飞行的最佳时间,因为此时的风通常很平静,气流也很稳定。大风、大雾都不利于热气球的飞行。按照规定,风速小于6米/秒,能见度大于1.5公里,而且飞行空域内无降水,才可以操纵热气球自由飞行。
  了解了这么多,你是不是更想知道热气球是怎样设计、制造的呢?是不是对热气球心驰神往、跃跃欲试了呢?去吧,驾驶热气球飞在天空中,球随风飘,球、风同速,脚下村庄、河流、树木好像流动的画布……,实在是一件美妙的事,蓝天、白云、还有漂亮的热气球在向你招手呢。
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