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技术历史、技术、我们身边的事物
气球。 发明和生产的历史
气球（简化但不完全准确 - 气球）是一种比空气轻的飞机，它利用封装在外壳中的气体（或热空气）的升力来飞行，外壳的密度小于周围空气的密度（根据阿基米德定律）。 目前尚不清楚第一个热气球升起的确切时间和地点。 1973 年发生了一个耸人听闻的发现：在古代印加人的国家，在现代秘鲁的领土上，一个带有四面体形式外壳的气球的图像，下面悬挂着一个双吊舱 - 一个航天飞机被发现岩画。 此外，还展示了热气球飞行准备、生火、用热空气填充外壳和飞行的阶段。 甚至还标出了外壳的比较尺寸。 我们同时代的人按照这个方案制作的气球被举到空中，结果证明它是相当可行的，一分钟就上升了一百米。 在十四世纪，萨克森的修道士阿尔伯特写道，火的烟雾比空气轻得多，并且由于空气在火的影响下膨胀，在其中上升。 XNUMX 世纪，英国科学家斯卡利格提议用最薄的黄金制作一个外壳，并在其中填充热空气。 一百年后，西拉诺·德·贝热拉克的小说《另一种光，或月球的国家和帝国》出现，其中描述了一些有趣的航空旅行飞机项目，描述了一种类似于热气球的装置。 小说中的主人公在两个密封的、充满烟雾的炮弹的帮助下，几乎飞到了月球本身，在那里他释放了烟雾，并用炮弹作为降落伞，从容地降落到月球表面。 XNUMX世纪上半叶，据编年史记载，梁赞的职员克里亚库特尼做了一个大球，“用肮脏和臭气熏天的烟，用它做了一个套索，坐在里面，邪灵把它举得更高。比桦树。” 然而，习惯上从 5 年 1783 月 600 日开始计数，当时在法国安农市，艾蒂安和约瑟夫·蒙高菲尔兄弟将一个 27 立方米的丝球举到空中。 球的外壳从里面用纸包着，在它的下孔上固定着藤蔓的格子，安装在脚手架上。 台下着火了，热气带着浓烟，把球升到了两公里的高度。 这就是为什么热气球这个名字出现的原因，与以查尔斯教授命名的 charlier 形成鲜明对比，查尔斯教授于 1783 年 XNUMX 月 XNUMX 日发射了一个充满氢气的气球。
第一次人类飞行发生在 21 年 1783 月 21 日。 一个45米高的巨大气球，载着两名冒险者，顺利升空。 两位飞行员都努力将火放在篮子里。 飞行持续了 XNUMX 分钟，最后在距离发射场 XNUMX 公里的城外平稳下降。 顺便说一句，有趣的是，约瑟夫·蒙哥菲尔只在他设计的球上站了一次，而他的兄弟艾蒂安从来没有！
热气球上的第一批人升起十天后，查尔斯教授用氢气填充直径八米的外壳，并与他的助手罗伯特一起进入了悬挂在气球下方的吊舱。 飞行持续了2小时5分钟，并在大约400米的高度飞过。 着陆后，查尔斯决定独自继续飞行。 降落罗伯特后，他爬升到了 2 公里的高度，半小时后，释放了一些氢气，软着陆。 但是......离开缆车，查尔斯发誓“再也不会让自己暴露在这种旅行的危险中”。 直到生命的最后一天，查尔斯还与蒙哥菲尔争论气球发明的荣耀——毕竟，加热空气的气球早在蒙哥菲尔发明之前就已经发明了。 查尔斯发明了一种环绕球并将重量载荷传递给它的绳网，他发明了一个阀门，一个空气锚，并且是第一个使用沙子作为压载物的人，设计了一个气压计来测量高度。 与热气球相比，查理尔是一种更先进的设计。 但是charliers也有一个很大的缺点-要填充它们，必须在发射场，在材料密集的容器中以及在飞行结束后供应比空气轻的气体（氢气或氦气），这种气体必须释放到大气中。 这增加了运行充满氢气或氦气的气球的成本。 热气球和 charliers 在我们的时代之前还有很长的路要走，没有什么特别值得注意的，直到 XNUMX 世纪下半叶都以短期的起伏为特征。 用于外壳的新型耐热材料、高效燃烧器的出现为其注入了第二次生命。
气球第二次诞生后不久，出现了组合设计，结合了两种传统设计的优点。 外壳分为两部分。 上层充满轻质不燃氦气，下层充满热空气。 通过在飞行过程中用丙烷、乙烷或煤油加热它，在特殊的燃烧器中燃烧，宇航员可以调节飞行高度。 这种类型的气球有时被称为玫瑰色气球 - 以纪念第一批气球爱好者之一让-弗朗索瓦·皮拉特雷·德·罗齐尔 (Jean-Francois Pilatre de Rozier)，他死于 1785 年，当时他的气球充满了热空气和氢气的混合物，在飞行中着火了。 加热壳内空气的燃料选择是热气球飞行性能的决定性因素。 毕竟一公斤燃料的热值越大，你在飞行中所需要的燃料就越少，热气球的性能特点就会越好：它能够在空中停留的时间更长，飞得更久。更远的距离或上升到更高的高度。 我们的前辈首先使用所有可以燃烧的东西来加热空气——树枝、稻草、煤等。后来他们改用石油、可燃气体、木炭。 选择的燃料能够快速有效地加热热气球中的空气，价格便宜且负担得起。 因此，我们选择了丙烷和丁烷等比例的混合物。 的确，它比纯丙烷差一些，因为它的挥发性较低，而且燃烧器必须配备额外的装置来增加挥发性。 “尽管如此，”Y.S. Boyko 在他的书中写道，“绝大多数现代热气球都是使用丙烷-丁烷运行的。它在日常生活中很普遍，价格便宜，而且它的储存和运输技术也很发达。它是易燃易灭，固体燃烧产物少，无毒。 燃烧器也变得面目全非。 现在，这些设备充满了调节和控制机制，可以自动保持外壳中所需的热空气温度。 气瓶通常由铝合金制成。 它们中的液态丙烷处于 10-20 个大气压的压力下，液态丙烷上方是进入灯芯的气态丙烷，从飞行开始到结束燃烧。 灯芯的燃烧功率由调节器调节。 灯芯的目的是在飞行过程中点燃主燃烧器。 加热到壳内空气所需温度后，关闭主燃烧器以节省燃气。 当飞行员在变量计上注意到热气球开始下降时，这是由于外壳中的空气冷却引起的，主燃烧器再次打开，空气被加热，热气球上升。 现代热气球的燃烧器功率为1,8-4,6 MW。 然而，信封中的空气可以被加热，而不仅仅是通过在气球上燃烧任何燃料。 还有另一个热源——太阳。 而如果把外壳涂成黑色，它会积聚太阳能。 根据这一原理，1973年在美国建造了太阳能萤火虫热气球，它只利用太阳光的能量飞行。 在法国，已经利用来自太阳的红外辐射开发了许多热气球。 他们得到了 MIR 的名字。 它们的主要区别在于壳中的空气不仅被红外范围的大气辐射加热，而且还被地球加热。 MIR 外壳分为两部分。 由于外壳外表面的特殊涂层（例如镀铝聚酯薄膜），上部几乎不发射红外辐射，因此热量在其下方积聚。 下部由透明聚乙烯薄膜制成，底部有孔。 当这样的浮空器飞越地球上热流向上的区域时，外壳会升温并出现额外的空气静力升力。 白天，气球上升，晚上它下降，但不是到地面，而是到一定高度，地球的辐射足以维持壳内升高的空气温度。 当然，气球的飞行高度将取决于许多因素：该地区的纬度和一年中的季节，天空的清晰度和一天中的时间等。在平流层中，来自热量的空气静力升力太阳和地球的关系总是积极的，也就是说，气球可以不分昼夜地飞过地球的整个表面。 昼夜飞行高度允许您更改位于外壳上部的空气阀，由机载电源驱动的小型发动机控制。 当阀门打开时，壳内的暖空气被从底孔进入的冷空气所取代，冷空气的直径大于阀门的直径。 此外，壳的体积保持不变。 热气球多日飞行激发了航天员的竞技精神。 许多航空爱好者梦想着绕地球飞行。 起初，尝试飞越任何海洋。 大西洋被证明是最合适的，其北部散布着许多空中和海上航线。 这使得监控飞行和寻找冒险飞越大西洋的冒险者变得更加容易。 14 年 1984 月 58 日，70 岁的美国人 D. Kittinger，前军事试飞员，从缅因州的驯鹿市出发，在强劲的顺风作用下，在大约 XNUMX 小时后抵达法国海岸. 他的飞行路线经过纽芬兰，然后是格陵兰以南，在爱尔兰急剧转向东南之前。 这使得选择着陆地点变得有些困难，因为在欧洲上空，飞行员原来是在计划着陆的地方以南很远的地方。 他沿着比利牛斯山脉的北部马刺和法国的地中海沿岸飞行，降落在意大利萨沃纳市附近的一片树林中。 完成困难重重，飞行员从三米高处被甩出吊舱，摔断腿，立即被送往医院。 1998 年，史蒂夫·福塞特创造了飞行记录。 他在新年前夜乘坐飞机，用丙烷气瓶将整个吊舱吊起来，以更长时间地加热外壳中的空气。 然而，在飞行中，他遇到了麻烦——机舱的电脑加热系统出现故障，他开始结冰。 我不得不下降到大气层的温暖层中。 在海拔 914 米的地方，气球驾驶者在阿纳帕地区越过俄罗斯边境。 过了一段时间，他收到了紧急下降的信号——设备终于出现故障，他被迫降落在克拉斯诺达尔地区的 Grechanaya Balka 农场附近。 1998 年的纪录保持者是由瑞士人 Bertrand Picard、比利时人 Bim Verstraeten 和英国人 Andy Elson 组成的国际团队。 从欧洲出发，毫不费力地飞上天空“布拉特林轨道飞行器二号”，飞行了两万多公里。 但是，由于天气恶劣，他们被迫降落在缅甸。 兴奋越来越大。 1999年，来自不同国家的船员接连开始，但往往以失败告终。 欧洲人之间爆发了主要斗争。 英国人安迪·埃尔森和科林·普雷斯科特于 17 年 1999 月 XNUMX 日首先从西班牙出发，在空中停留了 XNUMX 天多，打破了飞行时间和航程的世界纪录，但仍然被迫着陆——他们的燃料耗尽了。 继创纪录的保持者之后，另一个气球于 1 月 XNUMX 日周日早上从瑞士小镇 Chateau d'Eu 出发，目标相同——在我们的星球上进行不间断的飞行。 他的指挥官是著名的瑞士科学家和旅行家奥古斯特·皮卡德-贝特朗的孙子。 他未能准时起飞，即除夕夜，有两个原因：恶劣的天气和北京未获准飞越中国领空。 Orbiter 3 的隔间里没有装氦气，而是装满了丙烷，所以它比 Elson 和 Prescott 的气球更大更重。 它的高度是 55 米，重达 9 吨。 但他能够获得大量燃料，这最终得到了回报。 “皮卡德和他的搭档，英国飞行员布莱恩·琼斯，希望在 16 天内绕地球飞行，”S. Nikolaev 在 Tekhnika-Youth 杂志上写道，“获得飞越中国南部的许可是一项优势。然而，远征远非简单“我们不得不从强烈的地风开始，而不是等待好天气，因为皮卡德害怕错过有利的平流层洋流。开始后他们立即被带到了西班牙。然而，他们设法稍微拉直飞行方向，越过毛里塔尼亚进入有利的气流，将他们送往印度、中国，然后越过太平洋到达加利福尼亚...... 有几次球冻结并开始迅速失去高度。 氧气供应和球控制系统也出现故障...... 直到第十八天，“Orbiter-3”气球经过美洲大陆并最终飞越大西洋时，气球爱好者们才开始认真地希望他们的探险取得圆满成功。 希望给了他们力量，而那时力量已经耗尽。 航天员向检查站报告，其中一台加热器出现故障，机上温度未超过八摄氏度。 两人都得了重感冒。 专业精神科医生伯特兰·皮卡德（Bertrand Piccard）甚至被迫求助于催眠以恢复体力。
21 月 800 日，上午 XNUMX 点左右，飞行了 XNUMX 万多公里的疲惫不堪的飞行员终于可以离开狭窄的机舱。 “老鹰降落了，”他们用无线电向瑞士发送，降落在开罗西南 XNUMX 公里处的穆特村附近。 于是记录就定了。 现代航天员现在应该梦想什么？ 关于飞越两极？ 或者在全球安排气球比赛——谁会更快地环游世界？ 走另一条路可能更有意义。 美国宇航局的专家为天文研究建造了一个巨大的南瓜形气球。 它的直径约为128米，高度为78。2001年春天的一次尝试以失败告终。 球因泄漏而下沉，上升到20公里的高度。 假设这样一个巨人将带着35公斤的科学设备漂浮在1350公里的高度，并在空中停留长达一百天。 在此期间，在顺风的情况下，它将绕我们的星球飞行五次。 在这种情况下，所有控制都将通过无线电和使用自动驾驶仪进行。 设想使用太阳能电池板为车载系统供电。 发射气球的成本至少比发射卫星的成本低三倍，而降落伞携带的设备可以多次使用。 美国设计专业的学生 Eric Reuter 和 David Goodwin 提出了另一个原创项目：一艘 180 米的飞艇将像快船一样漂浮在天空中。 其垂直结构的下部将用作稳定器龙骨，而充满氦气的浮筒——中央的一侧和两侧的浮筒——将用作帆。 巨型气球可用作科学基地或旅游飞机。 作者：Musskiy S.A.
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