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气球

无推进装置的轻于空气的航空器。由气囊和吊在气囊下面的吊篮或吊舱组成。气囊内充以密度比空气小的浮升气体,使气球升空。吊舱用以放置仪器设备,有的可以乘人。

简史

中国在五代时期(公元907~960年)就曾用竹篾扎成方架,糊上纸做成灯笼,点燃下面托盘上的松脂,夜晚升空作为军事信号。这种松脂灯(又名孔明灯)就是一种原始的热气球。在欧洲,直到18世纪后期才发明气球。1783年6月4日法国人蒙哥尔费兄弟表演了他们制作的热气球。气球用纸和亚麻布糊成,直径约为10米,在地面燃烧湿草和羊毛,冒出的热烟灌入气球,使其上升,热气消散后气球又落回地面。1783年11月21日法国人F.P.罗齐埃和M.达尔朗德乘坐蒙哥尔费气球升到约1000米高度,飞行25分钟,实现了人类第一次空中飞行。

1783年法国物理学家J.A.C.查理制成和试放第一个氢气球。以后在法国和其他一些国家氢气球发展很快,经过不断改进,到19世纪初氢气球已成为军事、体育运动和科学试验方面很有实用价值的航空器。氢气球有易燃易爆的缺点。20世纪20年代以后,出现了用氦气代替氢气的氦气球。氦气球虽然比较安全,但价格昂贵。30年代以后,气球在高空探测科学研究上的应用日趋广泛,制造气球的薄膜材料不断改进,设计技术日趋完善,加上载人密闭吊舱的采用,使气球性能不断提高。1960年前后,载人气球飞升高度已达到34.5公里,不载人气球达到46公里,气囊容积最大的可达140万立方米,载重超过5000公斤。

应用

早期的气球主要用在军事上,首先是通信联络和侦察。1871年普法战争中巴黎被围,法国人曾用气球将人员和信件送出包围圈。第一次世界大战中,系留气球被广泛用来当作监视对方的空中平台。气球还可用于防空和轰炸。第二次世界大战中,英国伦敦周围就曾用系留气球群构成空中拦阻网,阻止德军的轰炸机进入。现代高空气球还可以携带高空照相机和其他遥感设备,在一般飞机达不到的 2万米以上高空进行战略侦察。50年代以后,由于其他侦察技术手段的发展,气球在军事上的应用价值大为减小。在民用方面,系留气球可用于在地形险要的地区架设电缆,在林区集运木材。系留气球还可在边远地区用作通信、电视广播的中继站。热气球多用于航空体育运动(见热气球运动)。19世纪以来人们利用气球进行高空观测和研究活动,弄清了大气构造并获得人在高空生理反应的丰富知识,先后创立了高空医学、地球物理等新学科。与火箭和人造地球卫星相比,气球具有留空时间长,仪器便于回收,价格低廉等优点,且能在比飞机高得多的高度(30~50公里)上飞行。

在中国,高空气球探空研究工作开展得较晚,1979年以来已建立了万立方米级的高空科学气球系统。1984年已建造最大容积为5万立方米、载重250公斤的高空探测气球。

分类

气球按升空后有无约束分为自由气球和系留气球两类。自由气球升空后不受限制,随风飘移;系留气球则用绳索系留在地面上,基本保持在固定的高度上。

根据气囊内浮升气体的不同,又可分为热空气气球(简称热气球)、氢气球和氦气球。

(1)热气球:气囊下方有一开口,在开口处有一加热器(如喷灯),被加热的空气因密度小而上升进入气囊,从而使气球浮力大于重力。通过对加热器燃料的控制,可以控制热气球的升降。热空气的密度比氢气和氦气大,但热气球构造简单,价格低廉。乘热气球飞行是一种航空运动。

(2)氢气球:气囊无开口,内部充以氢气,在海平面氢气密度为0.085公斤/米3(空气密度为1.2255公斤/米3),比空气小得多,因此净浮力较大。

(3)氦气球:浮升气体为氦气。氦气在海平面密度为0.169公斤/米3,产生的净浮力比氢气球小。

根据氢气球和氦气球气囊内外压差的不同,又可分为零压式气球和超压式气球。

(1)零压式气球:气囊下面有排气管与外部大气相通,一般在地面时浮升气体不充满气囊。随着高度增加,外部大气压降低,气囊内浮升气体膨胀。气囊胀满后,多余浮升气体即通过排气管排入大气,气囊内外压差大体为零。当气球升到某一高度(设计高度),浮力与重力相等时则停止上升。由于白天和夜间太阳辐射的差别,气温相差很大,夜间温度下降,气囊内浮升气体收缩,浮力减小,使气球飞行高度下降。为维持原来的高度,需抛掉一些压舱物(水或沙袋),以减轻气球重量。到了白天,又需排掉一部分浮升气体。这样每经过一昼夜就要损失部分浮升气体。故零压式气球难于长时间保持设计飞行高度。

(2)超压式气球:气囊与大气不相通。这样,气球在设计高度上飞行时,由于白天温度升高可能使气囊内浮升气体压强大于外部大气压强,气囊要承受一定的压差,因此制作气囊的材料和结构设计技术要求较高,且容积越大难度越大。超压式气球的优点是能长时间在设计高度飞行,有的长达1年之久,这是因为在飞行中,随着昼夜温度的变化,它不需要像零压式气球那样不断排放浮升气体。

构造

最初的热气球用亚麻布和纸糊成,气囊的密封性差。后来采用浸橡胶的优质薄布和丝绸制造气囊,提高了强度和密封性能,氢气球和氦气球才得以发展。50年代以后出现了塑料薄膜(主要是聚乙烯薄膜),质地轻而坚韧,又便于大量生产,是制造气囊的理想材料。自由气球多做成球形以减轻重量,在气囊壁面上用高强度的条带和绳索加强,并喷涂防老化保护层。载人高空气球的吊舱须做成密封增压式的。舱内装有各种仪表、氧气瓶和科学研究用的设备。系留气球多做成像飞艇那样的流线型,尾部有稳定面,使气球像风标一样始终对着风向,减小气球受到的侧风阻力,从而减小地面系留载荷。系留气球的升降用地面绞盘车控制。(见彩图)

蒙哥尔费热气球(1783年)热气球