热气球原理和制作

热气球原理和制作


发布日期: 2016-10-24 更新日期: 2017-01-03 编辑:xuzhiping 浏览次数: 8790

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摘要: 有这样一个故事:1793年,法国组建了一支装备气球的队伍,被称为当时的空军。空军人员分别乘坐在很多大筐内,每一个箩筐被一个热气球吊在空中,在这种气球中充满了燃烧木炭所产生的烟和热空气,依靠空气的浮力,将吊在气球下面的大箩筐及武装人员一起吊起。在这个气球上还装有...

有这样一个故事:1793年,法国组建了一支装备气球的队伍,被称为当时的空军。空军人员分别乘坐在很多大筐内,每一个箩筐被一个热气球吊在空中,在这种气球中充满了燃烧木炭所产生的烟和热空气,依靠空气的浮力,将吊在气球下面的大箩筐及武装人员一起吊起。在这个气球上还装有能够控制升降的绳索。后来这个队伍被认为是世界上最早出现的空军。

中国很早就出现了原始的热气球。汉朝时的淮南王刘安曾在与宾客集体编写的《淮南万毕术》一书中,介绍了一个使鸡蛋升飞的方法:在鸡蛋上凿一个小孔,撇去蛋清和蛋黄,然后把艾火装进空蛋壳中燃烧,蛋壳就能升飞起来。“艾火令鸡子飞”可以被认为是中国人对于热气球原理和制作方法的最早实践。

五代时期,中国人发明了松脂灯,这是世界上最早的实用型热气球。五代时期是中国历史上的大动乱时期,朝代更迭频繁,战祸连年不断。当时有一位随夫从军、在福建西北部山区行军作战的妇女,受到百姓用松脂照明的启示,发明了一种能升空的灯 ——松脂灯,用于晚间指挥军队作战,互相传递信息。这种灯用竹蔑扎制成方形或圆形,周围和顶上糊纸,下面挂一盛松脂的小 盘,点燃松脂,当灯内充满烧热的空气时,松脂灯就能升到空中。为纪念这位妇女,人们将这种灯叫做妇娘灯,在四川一带也叫孔明灯。

在世界其他国家,谁最先制成了热气球,说法并不统一,但航空界比较一致的说法是法国人蒙哥尔费兄弟对热气球的发展作出了具有里程碑意义的贡献,他们是被世界航空界公认的航空先驱者。约瑟夫•蒙哥尔费和弟弟艾蒂安•蒙哥尔费曾因造出了新式的仿羊皮纸和水锤扬水器而成为当时颇有名气的发明家。1782年冬天,哥哥约瑟夫在家点燃壁炉取暖时,突然对壁炉中的烟、 火星、灰粉以及一些未充分燃烧的小杂物不断地从火堆上升起并钻进烟道然后从高高的烟筒口排出的现象产生了兴趣,他想,如果把这些“热气”收集起来,是否也能带动人造物体上升呢?为了满足这突然萌发的好奇心,他立刻动手用上等丝绸做了一个口袋,在口袋的底部点纸燃烧,当热空气进入口袋使之鼓起以后, 约瑟夫把手一松,口袋就升飞到了天花板。看到想法得到初步实 现,兴奋不已的约瑟夫便立刻与比他小五岁但兴趣爱好相似的弟弟艾蒂安商议,于是他们决定做进一步的试验。

经过多次试验和改进,兄弟俩决定在1783年6月4日公开表演。当天,他们将一个以亚麻布做面、纸做衬里,直径约10米的大气球(当时他们把它叫做“浮空器”),抬到昂纳内市场上,在挤满了欲睹奇观的观众面前,蒙哥尔费兄弟俩激动地展开布气球,并在下面燃烧稻草和羊毛,当气球充满热气鼓起时,8个人才能勉强拉住系留绳,在一声号令下,众人松手,气球徐徐升空,并向前飘移,一直上升到大约1830米的高度,降落在距投放点近2000米的地方。

当众升放气球的成功,给了他们更大的信心,他们向巴黎科学院作了详尽报告,很快便收到了巴黎科学院邀请他们去首都做表演的信。艾蒂安用轻质纱和纸精心制作了一个高达22.8米的气囊,为了使升空表演精彩动人,他们还在气囊下吊挂了一只笼子,准备了一头绵羊、一只公鸡和一只鸭子。

1783年9月19日,法国首都巴黎凡尔赛宫前广场上,聚集了约10多万前来观看蒙哥尔费兄弟做气球升空表演的群众,包括国王路易十六和王后玛丽•安托瓦内特以及众多的达官贵人。这次表演非常成功。热气球连同吊挂在下面笼子里的3位“乘客”最高升至约500米的空中,8分钟后在约3600米以外降落, “乘客”只是在落地时受了点轻伤。为了奖励他们,路易十六特意将圣米歇尔勋章授予了约瑟夫•蒙哥尔费和艾蒂安•蒙哥尔费兄弟俩。从此,兄弟两人闻名遐迩,热气球也被称为“蒙哥尔费 气球”。

热气球第一次带着人类离开地面,则是1783年的事。安全载物升空飞行的成功,自然刺激人们亲自升空航行的欲望。当时路易王宫内有一位名叫弗朗索瓦•皮拉特尔•德罗齐埃的气球爱好者渴望乘坐气球成为人类第一位升空者。蒙哥尔费兄弟便制作了一个体积更大的气球,球囊下系留的篮筐可容两人,在升空的同时,能在空中不断添加燃料,使气球气囊保持充气状态。 1783年10月15日,罗齐埃乘系留气球,上升了约26米高度,4分30秒以后降回大地。这次飞行虽然停空时间短暂,但却具有里程碑式的意义。在此之后,气球和飞艇在科学考察、交通运输和军事上发挥了不小的作用。

在军事方面,最早将气球应用于作战活动的是法国。1794 年,法国成立了第一个气球观察分队,并在同年的法奥战争中执行观察和侦察任务。1870~1871年的普法战争中,法国曾施放了66个气球,并建立了被围的巴黎与未被占领地区的“空中航线”,进行通信联络和撤运人员等活动。

1870年下半年,普鲁士军队包围了巴黎,切断了法国首都与外界的水陆联系。当时,巴黎市尚有6名训练有素的气球驾驶员,虽只有几只气球但有大量制造气球和进行充气的材料。由于情况紧急,便想到了气球这一交通工具,第一个担当重任的是名叫朱尔•迪鲁弗的气球驾驶员,他从巴黎起飞后飞越对方围攻部队阵地上空,3小时后安全降落在法国未被占领的埃夫勒,送出了极其重要的公文急报。但气球航行大都是单向的而且不是每次都能成功的。有一名经过短期训练担任气球驾驶员的水兵普兰斯,在出发前曾向同伴夸口:“我将要进行一次创纪录的远距离航行,我的这次飞行将会成为人们谈论的话题。”然而倒霉的普兰斯升空后就遇到了强劲的东风,气球很快被吹到了海上,在他把所带的急件扔到利沙半岛以后,气球最后消失在大西洋上空。

在其他国家,如美国在1861~1864年间的南北战争中,双方都曾使用气球进行侦察。日本于1904年6月日俄战争爆发后组建了临时气球队,在8月21~24日攻占当时俄国占领的旅顺口作战中施放气球侦察俄军阵地,搜集情报。第一次世界大战中,气球被广泛用作侦察和监视对方的空中平台。

第二次世界大战中,法国内政部长甘伯特曾经乘坐气球从空中飞越德国军队的防线,到达巴黎西南200千米处的城市都尔,在那里组织起新的军团,并不断用气球同巴黎保持空中联系。为此,德军还专门设计制造了一种用于追踪和打击法国通信气球的大炮,这种大炮被人们称为“气球炮”。在这次大战中,苏联、 英国也曾分别在莫斯科、伦敦用系留气球构成空中拦阻网,以阻止德机低空侵袭。由于这种方式十分有效,系留气球逐渐成为第 二次世界大战时城市防空的常用装备。

为什么热气球能飞上天空呢?

气球由气囊、吊挂系统和升降设备组成。气球的气囊多用质轻、透明、坚韧而又耐寒的聚乙烯或聚酯合成纤维薄膜制成,加强条带多用涤纶或尼龙丝筋制成。根据气态方程,在压力不变、 温度升高时,气体的体积会增大。因为空气加热后体积会增大, 所以热空气的密度比常温下的空气密度低。由阿基米德定律可知,物体所受的浮力等于它所排开的液体或气体的重量。充满热空气的气囊所排开的空气的重量远远大于气囊内热空气的重量, 因此,气球借空气的浮力升空。采用充气、放气或抛出压舱物可 以调整气球的升降。最初,热气球的水平运动只能靠随风飘移, 后来,人们在气球下的吊舱内安装了推进装置,这样就可以自由地进退了。到20世纪60年代,载人气球飞行高度已达34.5千米,气囊最大容积达140万立方米,载重量超过5000千克。按升空后有无约束,一般把气球分为系留气球和自由气球。

现在,人们已不仅仅使用热空气充填气球的气囊了,随着科技的发展,先后出现了充填氢气和氦气的气球。它们同样也是依据气体中的浮力原理制成的。近年来,人们在老式系控气球的基础上又研制成一种用合成纤维制作的新型气球,不仅可用于反射雷达波,而且可以装上红外光源和电子干扰装置用以诱骗和干扰 敌方导弹,每三个气球构成一组,成了现代电子战中的“空中陷阱”。在未来战争中,气球仍将在防空、侦察、通信和作为空中平台等领域内发挥作用。

人们在气球的基础上增加了推进装置和控制装置,从而发明了飞艇。飞艇是一种装有推进装置、可以操纵、漂浮于空气中的航空器。它由艇体、推进装置、尾翼、操纵系统和吊舱等几个部分组成。其艇体的容积一般为:软式的1000~7000立方米;硬式的20万立方米;半硬式的8000~35000立方米。它不仅能依靠充满艇体的比重小于空气的氢和氦气产生浮力上升,利用排放 气体控制下降,而且可以用推进装置产生前进动力,用尾翼来控制飞行方向。它的最高时速能够达到150千米左右。世界上第一艘载人飞艇是由法国人吉法尔于1852年9月试飞成功的。第一次世界大战前后,是飞艇发展的兴盛时期。大战中,德、英、法 等国都建立了飞艇队,用于执行侦察、巡逻、反潜和轰炸等任务。

第一次世界大战结束以后,由于飞机的迅速发展,飞艇的研制趋于衰落。但20世纪70年代以来,髙分子纤维材料的出现和自动控制技术的完善,使飞艇的发展又获得了新的活力。现代飞艇除用于运输外,还用于空中预警、海岸巡逻和缉毒等。

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