【科普花园】《新世纪飞天梦》连载（2）升空飞天是人类不断的追求（之一）
编者按：《新世纪飞天梦》是中国科学院力学研究所的王柏懿和林烈两位研究员撰写的一部科普小书。它图文并茂，以通俗的语言、严谨的分析和详实的史实，展示了人类不懈追求升空飞天的艰辛历程，说明了各类航天飞行器的基本原理和主要功能，还介绍了航天大师钱学森。承蒙作者的盛意，他们同意以网络书的形式在本网站上发表全书内容。该书主要是为小学高年级和初中的学生们编写的，有些较为专深的相关知识则采用“小贴士”“知识链接”和“你知道吗”等框图形式在文中给出。
2、升空飞天是人类不断的追求（上）
2.1 乘坐热气球在高空游弋
热气球是人类最早研制成功的一种升空飞行器。十八世纪八十年代，法国的造纸商蒙戈菲尔兄弟发明了热气球，据说是他们受到碎纸屑在火炉中不断升起现象的启发。1783年6月4日，蒙戈菲尔兄弟在里昂做了公开的表演，一个模拟气球在稻草和木材的火焰中慢慢升起，飘然飞行了2000多米，这个热气球的乘客是一只公鸡、一只山羊还有一只鸭子。到了那年的冬天，11月21日下午，蒙戈菲尔兄弟在巴黎又进行了世界上第一次热气球载人空中飞行，这次飞行持续了25分钟，在1000米的高空飞越半个巴黎。这样就宣告了热气球这种飞行器的诞生。
其实，热气球的发明权应当属于咱们中国人，那就不得不提到今天仍然存在的一种“民间工艺品”——孔明灯。现在，我们国家的不少地方还保留着放飞孔明灯来祈福、许愿的习俗，每到元宵节和中秋节等重要的节日，许多人会把自己的愿望写在小纸条上、拴在孔明灯的下面，让它们带着飞上天空。
这种“火灯笼”干嘛叫孔明灯呢？民间有两种传说。一种说法是，它是诸葛亮（又叫诸葛孔明）发明的。相传三国时期（公元220-280年）蜀汉的重臣诸葛亮北伐时被曹魏的大将司马懿围困在平阳，全军上下束手无策。诸葛亮命人拿来白纸千张，糊成无数个灯笼，利用烟气升空，再通过风力飘走，把系在上面的求救信息送了出去，终于搬来救兵，从而得以转败为胜。另一种说法是，相传五代时期（公元907-960年），有一个名为莘七娘的女子随丈夫在福建打仗时，用竹篾扎成方架，糊上纸，做成大灯，底盘上放置燃烧着的松脂，使它在空中飘飞，用作军事联络信号。这种“松脂灯”后来传到了四川，被称为“孔明灯”，因为它的外形就像诸葛亮戴的帽子。
当然，这只是一些传说，不过它们表明：中国人发明“热气球”比西方人要早上一千多年！看着这些漫天随风飘飞的孔明灯，我们不禁感叹不已：如果我们中国人当时能继续前进，努力将孔明灯发展为载人升空的一种飞行器，那今天会是怎样的情景呢？我们今天的青少年一定要记住这个历史教训：要想强国富民，必须发展科技。
为什么说现代西方人发明的热气球的原型就是古代中国人发明的孔明灯呢？原来它们升空飘飞的原理完全一样，都是利用热空气比外界气体密度低、重量轻的特点。现在我们来看看现代热气球是怎样构成的？它由球囊、吊篮和加热装置三部分构成。
球囊包括伞盖、伞圈和伞阀拉绳等。为了便于升空，球囊一般是由强化尼龙或涤纶等制成的，质量很轻但很结实，不透气而且能耐热。在球囊下面有一个像柳条筐似的大开口吊篮，那是用来盛放载乘员和设备（如加热冷空气用的煤气罐、飞行仪表等）。大多数吊篮是由藤条编织而成，因为它结实、柔韧并且相对较轻。这样，着陆时就能起到缓和冲击的作用。加热装置包括燃料罐和喷火器等，所使用的燃料通常是丙烷或液化气。
如果要让热气球从地面升空时，我们就点燃喷火器，将球囊里的空气加热，再通过拉开伞阀的办法，把多余的气体排到环境里去。这样，气球便会冉冉升起。如果熄火，球囊里的空气变冷，气球便会下降。热气球的升降就是依靠调节喷火器的加热量来控制的。
和热气球相比，孔明灯的结构没有这么复杂，因为它不需要载人升空。但是，复杂的热气球和简单的孔明灯的工作原理却是一码事。孔明灯的主体一般用竹篦编成,并用棉纸等轻薄材料糊成灯罩，开口朝下。底部的支架是用竹木削成的篦条来搭构的，在支架中间放着松脂或蘸有煤油（或花生油）的棉纱（或纸）。如果想要点灯升空时,就点燃松脂或油纱，灯内的空气受热；油脂燃尽后，灯内空气变冷，孔明灯便自动下降。
大家一定要问：为什么球囊里的空气热了，气球就会升空呢？
首先，我们从日常生活中知道有“热胀冷缩”的现象：物体受热后，温度升高，体积加大，密度减小。所以空气加热后密度就会减小。这里给大家一个数据：温度为15°C时，冷空气的密度为1.293公斤/立方米；而温度到100°C时，热空气的密度仅为0.947公斤/立方米。其次，我们从日常生活中也可以知道“物体沉浮”的现象：放在水中的木头会浮在水面而铁块却会沉到水底。这又是什么缘故呢？这就和力学里面研究的“浮力”有关了。
根据阿基米德原理，我们知道：浸在流体（气体或液体）里的物体将受到向上的浮力，浮力大小等于物体排开的流体所受到的重力。物体在流体中是悬浮、上升或下沉，则取决于它本身的重量是等于、小于或大于浮力。当热气球充满空气时，它排开了同样体积的空气，因而受到了浮力，但是气球不会升空，因为球囊内外空气的温度相同、密度相同，这个浮力和球囊内空气的重量抵消了。
如果把球囊内的空气加热，它的密度就比外面的减小了，浮力就可以大于球囊内热空气的重量了。由于气球还有结构、设备和乘员等重量（人们称之为“气球自重”），所以球囊内热气体的温度要足够高，或者说热气体的密度要足够低，直到浮力大于气球总重量（气球自重和球囊内热空气重量之和），热气球才可以升上天空。所以，我们就不难明白，为什么热气球都是一些“大块头”呢？因为球囊体积越大，所能产生的浮力就越大。
但是，热气球是不能无限升高的，因为环境大气的密度是随着距地面高度的增加而减小的：高度越高，空气越稀薄。所以，离地面越高，同样体积的球囊排开大气所产生的浮力越小。当大气稀薄到一定程度，浮力就不足以支撑气球上浮了。目前载人热气球上升的最大高度是34668米。当然，能升到几万米高空的热气球都是填充氦气的，而且体积非常大，直径都要在100米以上。但是，这个高度距离人们的“飞天”目标，实在是太远了。
从上个世纪中叶以来，乘坐热气球逐渐成为人们喜爱的一种运动，因为它操作简单方便、对起飞与着陆场地的要求都不太高。当我们坐在热气球从地面腾空而起，在几十米到上千米的高空游弋，从吊篮的边缘观赏辽阔美丽的天地景色，人人都会大呼过瘾：这绝对是一次令人难忘的经历啊！这里就涉及到了热气球的“飞行”问题。其实，它没有动力系统也没有方向舵，只能是随风而行，所以人们为热气球起了一个“飘飞”的词语。
飘飞的速度与方向完全取决于风。由于风在不同的高度有不同的方向和速度，所以要根据飞行的需要选择适当的高度、寻找不同的风层。至于飞行的持续时间，主要决定于热气球携带的燃料量。当然气温、风速、吊篮重量（包括乘客）和在当天飞行的具体时间等因素也会有所影响。但是，对于专业的热气球运动员，他们早已创造了一项项记录：飞越大西洋，飞越太平洋，甚至不间断的环球飞行。
随着热气球材料的改进、制作工艺的提高、驾驶技术的完善，热气球飞行现在已成为任何地点都可进行、任何人都可尝试的新型航空体育运动和观光旅游项目，它不仅是一种财富、身份的反映，更是性格、勇气的象征。当然，除了航空体育和观光旅游，热气球还常用于航空摄影或科学研究、气象探测等专业应用领域。这里，让我们设身试想一下：乘坐热气球在美丽大地的上空巡游时，那种“君临天下”的感觉该是多么的惬意！
