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怎么样 Hot Air Balloons Work

您'll get to see some awe-inspiring views if you fly in an air balloon.
You'll 得到 to 看到 一些 令人敬畏的 意见 if 您 飞 in an 空气 气球.
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如果您真的需要去某个地方,那么热气球是不切实际的交通工具,您无法真正操纵它,它的行进速度与风一样快。但是,如果您只是想享受飞行的经验,那就没有比它更适合的了。许多人形容乘坐热气球飞行是他们经历过的最宁静,愉快的活动之一。

热气球也是基本科学原理的巧妙应用。在本文中,我们将了解使这些气球在空中升起的原因,并且还将发现气球的设计如何使飞行员控制高度和垂直速度。这些早期飞行器的精美简约会让您惊讶。

热气球基于一个非常基本的科学原理:较热的空气在较冷的空气中上升。从本质上讲,热空气比冷空气轻,因为每单位体积的质量较小。一立方英尺的空气重约28克(约一盎司)。如果将空气加热100华氏度,它的重量会减少7克左右。因此,热气球中每立方英尺的空气可以举起约7克。数量不多,这就是为什么热气球这么大的原因-要举起1,000磅,您需要大约65,000立方英尺的热空气。

In 的 next section, we'll look at 的 different 组件 of 热 空气 气球s to find out how 的y heat 的 空气.

内容
  1. 上升气球
  2. 驾驶气球
  3. Launching 和 Landing
  4. Wind 和 Weather
  5. 空气:高压流体
  6. 气压+重力=浮力
  7. 热气球历史

A hot air balloon has three essential parts: the burner, which heats the air; the balloon envelope, which holds the air; and the basket, which carries the passengers.
热气球具有三个基本部分:燃烧器,加热空气;燃烧器,加热空气。气球信封,用来容纳空气;以及载有乘客的篮子。

To keep 的 气球 rising, 您 need a 道路 to reheat 的 空气. Hot 空气 气球s do this with a 刻录机 置于空旷处 气球 恩velope. As 的 空气 in 的 气球 cools, 的 飞行员 can reheat it 通过 firing 的 刻录机.

现代 热 空气 气球s heat 的 空气 通过 burning 丙烷, 的 same substance commonly used in 户外烧烤炉。丙烷以压缩液体的形式存储在位于气球篮中的轻质圆柱体内。进气软管向下延伸到气缸底部,因此可以将液体抽出。

由于丙烷在气瓶中的压缩程度很高,因此它会迅速通过软管流到加热线圈。加热盘管只是一段围绕燃烧器盘绕的钢管。当气球飞行者启动燃烧器时,丙烷以液体形式流出并被燃烧器点燃。 飞行员 light。火焰燃烧时,会加热周围管道中的金属。当管道变热时,它将加热流过的丙烷。在丙烷被点燃之前,这将丙烷从液体变成气体。这种气体可产生更强大的火焰和更有效的燃料消耗。

In most modern 热 空气 气球s, 的 恩velope is constructed 从 long nylon 戈尔斯, reinforced with sewn-in webbing. 的 戈尔斯, 哪一个 extend 从 的 base of 的 恩velope to 的 王冠, 是 made up of a number of smaller 面板. Nylon works very well in 气球s 因为 it is lightweight, 但 it is also fairly sturdy 和 具有 a high melting temperature. 的 短裙, 的 nylon at 的 base of 的 信封, is coated with special fire-resistant material, to keep 的 flame 从 igniting 的 气球.

热空气不会从信封底部的孔中逸出,因为浮力会使它向上移动。如果飞行员持续发射燃料喷嘴,气球将继续上升。但是,有一个上限,因为最终空气变得稀薄,浮力太弱,无法升起气球。浮力等于由气球排出的空气的重量,因此,较大的气球包层通常比较小的气球具有更高的高度上限。

请点击 on the burner components to see a high-resolution picture.
请点击 上 的 刻录机 组件 to 看到 a 高分辨率 图片。
的 basket holds the passengers, propane tanks and navigation equipment.
的 篮 持有 的 乘客 丙烷 战车 和 导航 设备。

大多数热气球在乘客舱中使用柳条筐。柳条效果很好,因为它坚固,灵活且相对轻便。灵活性有助于气球降落:在用更硬的材料制成的篮子中,乘客会受到冲击力的冲击。柳条材料略微弯曲,吸收了一些能量。

To blast the burner, the pilot opens the propane valve.
To 爆破 的 刻录机, 的 飞行员 打开 的 丙烷 阀.

试乘气球需要技巧,但控制实际上非常简单。为了升起气球,飞行员移动了一个打开丙烷阀的控件。该杠杆的作用就像燃气烧烤炉或火炉上的旋钮一样:旋转时,燃气流量增加,因此火焰尺寸增大。飞行员可以通过喷射更大的火焰以更快地加热空气来提高垂直速度。

另外,许多热气球都有一个控制装置,可以打开第二个丙烷阀。该阀通过绕过加热线圈的软管发送丙烷。这使飞行员可以燃烧液态丙烷,而不是气体形式的丙烷。燃烧液态丙烷会产生效率较低,较弱的火焰,但比燃烧气体要安静得多。飞行员经常在牲畜养殖场上使用第二个阀门,以免吓到动物。

Hot 空气 气球s also have a 绳子 to open 的 降落伞 阀 在信封的顶部。当飞行员拉动连接的电线时,一些热空气会从外壳中逸出,从而降低内部空气温度。这导致气球放慢其上升速度。如果飞行员将阀门保持打开足够长时间,气球将下沉。

的 parachute valve, from the inside of the balloon. A Kevlar cord runs from the valve at the top of the balloon, down to the basket, through the center of the envelope.
降落伞阀,来自气球内部。凯夫拉尔线从气球顶部的阀门穿过信封的中心向下延伸到篮子。

从本质上讲,这些是唯一的控件-使气球升起的热量和使气球下沉的热量。这就提出了一个有趣的问题:如果飞行员只能上下移动热气球,他们如何将气球从一个地方移到另一个地方?事实证明,飞行员可以通过更改其垂直位置进行水平操纵,因为风在不同的高度沿不同的方向吹。为了朝特定方向移动,飞行员会上升和下降到适当的高度,然后随风行驶。由于风速通常随着您在大气层中的升高而增加,因此飞行员还可以通过更改高度来控制水平速度。

此内容在此设备上不兼容。

To maneuver 的 气球 horizontally, 的 飞行员 ascends or descends in altitude, catching different 风 currents.

当然,即使是最有经验的飞行员也无法完全控制气球的飞行路径。通常,风况给飞行员带来的选择很少。因此,您不能真正沿着精确的路线驾驶热气球。而且您很少能够将气球引回起点。因此,与驾驶飞机不同,热气球驾驶在任何时候都是临时性的。因此,热气球乘员的某些成员必须停留在地面上,乘汽车跟随气球查看着陆的位置。然后,他们可以在那里收集乘客和设备。

在机组开始充气和放气时,热气球的许多工作都在飞行的开始和结束时进行。对于观众来说,这比实际的气球飞行要壮观得多。

一旦机组人员找到了合适的发射点,他们便将燃烧器系统连接到吊篮上。然后他们贴上气球信封,开始将其放在地面上。

Once 的 恩velope is laid out, 的 crew begins inflating it, using a powerful fan at 的 base of 的 信封。

当气球中有足够的空气时,工作人员将燃烧器的火焰吹入信封口。这会加热空气,形成压力,直到气球完全膨胀并开始升离地面。

地勤人员按住篮子直到下水人员上船。气球篮还被固定在地面乘员车上,直到最后一分钟,因此气球在准备发射之前不会被吹走。一切准备就绪后,地勤人员释放气球,飞行员从燃烧器发射出稳定的火焰。随着空气的加热,气球立即升空离开地面。

令人惊讶的是,整个过程仅需10或15分钟。着陆过程,加上放气和重新包装气球信封,需要花费较长时间。

When 的 飞行员 is ready to land, he or she discusses possible landing sites with 的 ground crew (via an 在船上 无线电)。他们需要找到一个广阔的开放空间,那里没有电源线,并且有足够的空间布置气球。一旦气球升空,飞行员会不断寻找合适的着陆点,以防万一。

气球着陆可能会有些粗糙,但是经验丰富的飞行员会沿着地面撞击以逐渐停止气球,从而将撞击降到最低。如果地勤人员已将其降落到降落地点,则一旦降落,他们将把篮子放下。如果气球的位置不正确,则乘员组将其沿着地面拉到更好的位置。

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地勤人员放下地面篷布,以保护气球免受磨损。然后飞行员将降落伞阀一直打开,这样空气便可以从气球顶部逸出。地勤人员抓住一根绑在气球顶部的绳子,将信封拉到防水布上。

气球信封落在地面上后,机组人员开始将空气排出。气球放平后,工作人员将其包装到一个装满东西的袋子中。这整个过程就像打包一个巨大的睡袋一样。

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的 pilot releases a helium-filled piball to see which way the wind is blowing.
的 飞行员 发布 a 充氦 皮球 to 看到 哪一个 道路 的 风 is 吹

在发射之前,飞行员将致电气象服务部门以了解某个地区的气候和风况。谨慎的飞行员仅在天气接近理想时才飞行-当天空晴朗且风况正常时。暴风雨对热气球极为危险,因为存在以下危险: 闪电 罢工。甚至下雨也是一个问题,因为它会降低能见度并损坏气球材料(当然,无论如何在潮湿的天气里飞来飞去并不有趣)。而且,当您需要良好的风流以实现良好的飞行时,非常强的风很容易破坏气球。

飞行员还打电话给气象服务部门,以大致了解气球的行进路线,以及气球升空后应如何操纵。此外,飞行员可能会发送一个 皮球 (飞行员气球的缩写)。派球只是一个充满氦气的气球,飞行员释放该气球可以在预期的发射地点看到风的确切方向。如果看起来风将气球带入禁止的空气空间,则机组人员需要寻找新的发射点。

In 的 空气, 的 飞行员 will use an 在船上 高度表, 变速表 和他们自己的观察来找到合适的高度。达到正确的高度非常困难,因为在喷出燃烧器和实际升起的气球之间至少要延迟30秒。气球飞行员在想升起之前必须先操作适当的控件,然后在想停止升起之前先将其关闭一点。没有经验的飞行员经常超调,在升空之前升得过高。只有经过数小时的气球飞行经验,才能进行受控操作。

的 pilot carries several instruments onboard the balloon.
的 飞行员 携带 一些 仪器 在船上 的 气球.

既然我们已经看到了热气球是如何在空中飞行的,那么让我们看一下使之成为可能的力量。事实证明,热气球是对人体最基本力量的非凡展示。 地球.

One amazing thing about living 上 地球 is that we 是 constantly walking around in a high-pressure 体液 -具有 大众 和 no shape. 的 空气 around us is composed of 一些 different elements in a gaseous state. In this gas, 的 原子数 元素分子自由地飞来飞去,互相碰撞,互相碰撞。当这些粒子与物体碰撞时,它们各自以微小的力推动 能源. Because 的re 是 so many 粒子 in 的 空气, this 能源 adds up to a considerable 压力 level (at sea level, about 14.7 pounds of 压力 每 square inch (psi), or 1 kg 每 square centimeter (kg/cm2!)。

对于ce of 空气 压力 depends 上 two things:

这些因素取决于一个区域中有多少空气颗粒以及它们运动的速度。如果有更多的粒子,或者它们的移动速度更快,则会发生更多的碰撞,从而产生更大的压力。增加粒子速度也会增加粒子撞击的力。

大多数时候,我们不会注意到气压,因为周围到处都是空气。在所有条件相同的情况下,空气颗粒将均匀地分散在一个区域中,因此每个点的空气密度均相等。在没有任何其他作用力的情况下,这在所有点上都转换为相同的气压。我们不会受到这种压力的束缚,因为我们各方的力量相互平衡。例如,14.7 psi足以敲打椅子或将其从顶部压碎,但是由于空气从左右,左右,顶部,底部和所有其他角度施加的压力大致相同,因此对椅子的所有作用力均为由在相反方向上作用的相等力平衡。从任何角度看,椅子都不会感觉到更大的压力。

因此,在没有其他力量起作用的情况下,一切都会在空气中完全平衡,并且来自各方的压力相等。但是在地球上,还有其他因素需要考虑 重力。尽管空气微粒非常小,但它们确实有质量,因此被拉向地球。在地球大气的任何特定高度上,这种拉力都是很小的-空气粒子似乎呈直线运动,而没有明显地掉向地面。因此,压力在小范围内是相当平衡的。但是,总的来说,重力会将颗粒拉下,这会导致当您移向地球表面时压力逐渐增加。

In 的 next section, we'll explore how this works.

大气中的所有空气颗粒均受到向下的重力作用。但是空气中的压力会产生与重力相反的向上作用力。空气密度的增长可以平衡重力,因为此时重力不足以拉下更多的颗粒。

This 压力 level is highest right at 的 surface of 的 地球 因为此高度的空气支撑着其上方所有空气的重量-上方的重量越大意味着向下的重力越大。当您在大气层中向上移动时,空气上方的空气量减少,因此平衡压力降低。这就是为什么压力随着海拔的升高而下降的原因。

气压的这种差异会在我们周围的空气中引起向上的浮力。本质上,低于事物的气压大于高于事物的气压,因此空气向上推动的力大于向下推动的力。但是,与重力相比,这种浮力微弱-仅与物体排出的空气的重量一样大。显然,大多数固体物体都将比其移动的空气重,因此浮力根本不会移动它。浮力只能移动比周围空气还轻的物体。

为了使浮力向上推动空气,物体必须比周围相同体积的空气更轻。最明显的是,比空气还轻。真空可以具有体积但不具有质量,因此,似乎内部具有真空的气球应该通过周围空气的浮力来提起。但是,由于周围气压的作用,这是行不通的。空气压力不会压碎膨胀的气球,因为气球内部的空气以与外部空气相同的力推出。另一方面,真空没有向外的压力,因为它没有颗粒弹跳任何东西。如果没有相等的压力将其平衡,则外部气压将很容易将气球压碎。任何坚固到足以承受地球表面气压的容器都将太重而无法通过浮力提起。

另一种选择是用比周围空气密度小的空气填充气球。因为气球中的空气每单位体积的质量比大气中的空气小,所以它比被置换的空气更轻,因此浮力会将气球抬起。但是同样,每体积更少的空气颗粒意味着较低的气压,因此周围的气压会挤压气球,直到内部的空气密度等于外部的空气密度。

那里 are fewer air particles per unit of volume inside the balloon, but because those particles are moving faster, the inside and outside air pressure are the same.
气球内部每单位体积的空气颗粒较少,但是由于这些颗粒运动得更快,所以内部和外部空气压力相同。

所有这些都是假设气球中的空气和气球外的空气存在于完全相同的条件下。如果我们更改气球内空气的条件,则可以降低密度,同时保持气压不变。正如我们在上一节中所看到的,物体上的气压取决于空气颗粒与该物体碰撞的频率以及每次碰撞的力。我们看到可以通过两种方式增加总体压力:

因此,要降低气球中的空气密度而不损失气压,您只需要提高空气颗粒的速度即可。您可以通过加热空气非常轻松地完成此操作。空气颗粒吸收热能并变得更加兴奋。这使它们移动得更快,这意味着它们更频繁地以更大的力与表面碰撞。

因此,热空气对每个粒子施加的空气压力要大于冷空气,因此您不需要那么多的空气粒子就可以构建相同的压力水平。因此,热气球升起是因为它充满了热的,密度较小的空气,并被更冷,密度更高的空气包围。

的 basic idea behind 热 空气 气球s 具有 been around 对于 a long time. Archemedes, 上e of 的 greatest mathematicians in Ancient Greece, figured out 的 浮力原理 距今已经有2000多年的历史了,并且可能是受力提升的飞行器。在13世纪,英国科学家Roger Bacon和德国哲学家Albertus Magnus都基于该原理提出了假设的飞行器。

但是直到1783年夏天,蒙哥菲尔兄弟在法国上空飞行8分钟后派出一只绵羊,一只鸭子和一只鸡后,一切才真正开始。约瑟夫(Joseph)和艾蒂安(Etienne)这两个兄弟为他们一家享有声望的造纸公司工作。作为附带项目,他们开始试验用加热空气升高的纸制容器。在过去的几年中,他们开发了一种热气球,其设计与当今使用的非常相似。但是他们没有使用丙烷,而是通过在附属的火坑中燃烧秸秆,肥料和其他材料来驱动模型。

绵羊,鸭和鸡在1783年9月19日成为Montgolfiers国王路易十六世的首次演示飞行中的第一个气球乘客。他们在这次旅行中都幸免于难,这使国王有了一定的保证,即人类可以在更高的高度呼吸到大气。两个月后,步兵少校侯爵·弗朗索瓦·德·阿兰德侯爵和物理学教授皮拉特雷·德·罗齐尔成为飞行的第一批人类。

Other 热 空气 气球 designs 和 ambitious flights followed, 但 通过 1800, 的 热 空气 气球 had been largely overshadowed 通过 gas 气球s。人气下降的一个因素是Pilatre de Rozier在一次试图越过英吉利海峡的飞行中死亡。他为这次飞行而建造的新气球,除了热气球外,还包括一个较小的氢气球。火灾在飞行初期点燃了氢气,整个气球爆炸了。

But 的 main reason 热 空气 气球s fell out of fashion was that new gas 气球 飞船 designs were superior in a number of 道路s -- chiefly, 的y had longer flight times 和 could be steered.

Another popular 气球 type was 的 smoke 气球。这些气球在地面被大火抬起,没有任何热源。他们只是向空中射击,然后沉入地面。它们的主要用途是在1800年代末和1900年代初在美国的巡回展览会中吸引人。气球乘员会戴上降落伞,然后将自己固定在帆布气球上。然后,几个助手将气球举在火坑上,使空气越来越热,从而增加了向上的力。当力量足够强大时-如果气球没有着火,助手将放开,气球员将被送入空中。当气球达到最高点时,气球飞行者将脱离并降落在地面上。

自1960年代以来,传统的热气球开始复兴,部分原因是一个名叫Ed Yost的人和他的公司Raven Industries。 Yost和他的合伙人于1956年成立了Raven Industries,为美国海军海军研究办公室(ONR)设计和制造热气球。 ONR希望气球能够短距离运输小负载。 Yost和他的团队采用了Montgolfier兄弟的气球的基本概念,并对其进行了扩展,增加了丙烷燃烧器系统,新的外壳材料,新的充气系统以及许多重要的安全功能。

他们还提出了现代的灯泡式信封形状。 Yost首先设计了大型球形气球。这些气球运作良好,但具有奇怪的充气模式:当空气被加热时,气球顶部充满,但底部仍未充气。为了提高效率,Yost只是摆脱了底部的多余面料,开发了熟悉的"natural"我们今天看到的气球形状。

到1960年代初,ONR对热气球失去了兴趣,因此Yost开始出售其热气球作为运动器材。随着越来越多的人参与热气球活动,其他公司很快出现了。多年来,设计人员一直在修改热气球,添加新材料和安全功能以及开发创意的信封形状。一些制造商还增加了篮子的尺寸和承载能力,制造了可容纳20位乘客的气球!

但是基本设计仍然是Yost对Montgolfier兄弟的原始概念的修改版本。这项非凡的技术吸引了全世界的人们。热气球之旅是一项价值数百万美元的业务,热气球竞赛和其他活动继续吸引着众多的观众和参与者。为世界各地的旅行制造高科技气球已经成为时尚(在亿万富翁中)。这确实说明了很多热气球,即使在当今时代,热气球仍然很受欢迎。 喷气飞机, 直升飞机航天飞机.

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