実際にどこかに行く必要がある場合、熱気球はかなり実用的ではありません。実際に操縦することはできず、風が吹く速度でしか移動しません。しかし、単に飛行体験を楽しみたいだけなら、これほど素晴らしいものはありません。多くの人が、熱気球での飛行は、これまでに経験した中で最も穏やかで楽しい活動の1つであると説明しています。
熱気球も基本的な科学原理の独創的な応用です。この記事では、これらの気球が空中に浮かび上がる理由と、気球の設計によってパイロットが高度と垂直速度を制御する方法についても説明します。これらの初期の飛行機械の美しいシンプルさに驚かれることでしょう。
熱気球は、非常に基本的な科学的原理に基づいています。つまり、暖かい空気は冷たい空気の中で上昇します。基本的に、熱風は単位体積あたりの質量が少ないため、冷気よりも軽いです。1立方フィートの空気の重さは約28グラム（約1オンス）です。その空気を華氏100度で加熱すると、重量は約7グラム軽くなります。したがって、熱気球に含まれる1立方フィートの空気は約7グラム持ち上げることができます。それはそれほど多くはありません。これが熱気球が非常に大きい理由です。1,000ポンドを持ち上げるには、約65,000立方フィートの熱気が必要です。
次のセクションでは、熱気球のさまざまなコンポーネントを見て、それらがどのように空気を加熱するかを調べます。
- ライジングバルーン
- 気球の操縦
- 打ち上げと着陸
- 風と天気
- 空気：高圧流体
- 気圧+重力=浮力
- バルーニングの歴史
ライジングバルーン
気球を上昇させ続けるには、空気を再加熱する方法が必要です。熱気球は、開いたバルーンエンベロープの下に配置されたバーナーでこれを行います。気球内の空気が冷えると、パイロットはバーナーを発射して気球を再加熱できます。
現代の熱気球は、屋外の調理グリルで一般的に使用されているのと同じ物質であるプロパンを燃焼させることによって空気を加熱します。プロパンは、バルーンバスケットに配置された軽量シリンダーに圧縮液体の形で保管されます。インテークホースはシリンダーの底まで伸びているので、液体を引き出すことができます。
プロパンはシリンダー内で高度に圧縮されているため、ホースを通って加熱コイルにすばやく流れます。加熱コイルは、バーナーの周りにコイル状に配置された鋼管の長さです。気球は、バーナーを起動すると、プロパンは液体形態で流出によって点火されるパイロットランプ。炎が燃えると、周囲のチューブ内の金属が加熱されます。チューブが熱くなると、チューブを流れるプロパンが加熱されます。これにより、プロパンは点火される前に液体から気体に変化します。このガスは、より強力な炎とより効率的な燃料消費をもたらします。
最新の熱気球では、エンベロープは長いナイロン製のゴアで構成され、ウェビングで補強されています。封筒の底から王冠まで伸びるゴアは、いくつかの小さなパネルで構成されています。ナイロンは軽量であるため気球で非常にうまく機能しますが、かなり頑丈で、溶融温度も高くなります。スカート、エンベロープのベースにナイロンは、バルーンを点火からの炎を維持するために、特殊な耐火材料で被覆されています。
浮力が封筒を上に動かし続けるので、熱気は封筒の底の穴から逃げません。パイロットが燃料ジェットを継続的に発射すると、気球は上昇し続けます。ただし、最終的には空気が薄くなり、浮力が弱すぎて気球を持ち上げられないため、高度の上限があります。浮力は気球によって押しのけられた空気の重量に等しいので、大きな気球エンベロープは一般に小さな気球よりも高い高度上限を持ちます。
ほとんどの熱気球は、客室に籐のバスケットを使用しています。枝編み細工品は、頑丈で柔軟性があり、比較的軽量であるため、非常にうまく機能します。柔軟性は気球の着陸に役立ちます。より剛性の高い素材で作られたバスケットでは、乗客は衝撃力の矢面に立つでしょう。枝編み細工品の素材は少し曲がり、エネルギーの一部を吸収します。
気球の操縦
気球の操縦にはスキルが必要ですが、コントロールは実際には非常に簡単です。気球を持ち上げるために、パイロットはプロパンバルブを開くコントロールを動かします。このレバーは、ガスグリルやストーブのノブと同じように機能します。レバーを回すと、ガスの流れが増えるため、炎のサイズが大きくなります。パイロットは、より大きな炎を吹き付けて空気をより急速に加熱することにより、垂直速度を上げることができます。
さらに、多くの熱気球には、2番目のプロパンバルブを開くコントロールがあります。このバルブは、加熱コイルをバイパスするホースを介してプロパンを送ります。これにより、パイロットはガス状のプロパンの代わりに液体プロパンを燃焼させることができます。液体プロパンを燃焼させると、効率が低下し、炎が弱くなりますが、ガスを燃焼させるよりもはるかに静かです。パイロットは、動物を怖がらせないようにするために、家畜農場でこの2番目のバルブを使用することがよくあります。
熱気球には、エンベロープの上部にあるパラシュートバルブを開くためのコードもあります。パイロットが取り付けられたコードを引っ張ると、熱気がエンベロープから逃げ出し、内気温度が低下する可能性があります。これにより、気球の上昇が遅くなります。パイロットがバルブを十分長く開いたままにすると、気球は沈みます。
基本的に、これらは唯一のコントロールです-バルーンを上昇させるための熱と、バルーンを沈めるためのベントです。これは興味深い質問を提起します：パイロットが熱気球を上下にしか動かすことができない場合、彼らはどのようにして気球を場所から場所へと移動させるのでしょうか？結局のところ、風はさまざまな高度でさまざまな方向に吹くため、パイロットは垂直位置を変更することで水平方向に操縦できます。特定の方向に移動するために、パイロットは適切なレベルまで上昇および下降し、風に乗って乗ります。大気圏が高くなると風速が上がるのが一般的であるため、パイロットは高度を変えることで水平速度を制御することもできます。
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気球を水平に操縦するために、パイロットは高度を上昇または下降し、さまざまな風の流れをキャッチします。
もちろん、最も経験豊富なパイロットでさえ、気球の飛行経路を完全に制御することはできません。通常、風の状態はパイロットにほとんど選択肢を与えません。したがって、正確なコースに沿って熱気球を操縦することはできません。そして、気球を操縦して出発点に戻すことができることは非常にまれです。そのため、飛行機の飛行とは異なり、熱気球の操縦は大部分が即興で行われます。このため、熱気球の乗組員の中には、気球がどこに着陸するかを確認するために車で気球を追跡しながら、地面にとどまらなければならない人もいます。その後、彼らは乗客と機器を集めるためにそこにいることができます。
打ち上げと着陸
熱気球の作業の多くは、飛行の開始時と終了時に、乗組員が気球を膨らませたり収縮させたりするときに行われます。観客にとって、これは実際の気球飛行よりもはるかに壮観なショーです。
乗組員が適切な発射ポイントを見つけたら、バーナーシステムをバスケットに取り付けます。次に、風船の封筒を取り付けて、地面に配置し始めます。
封筒が配置されると、乗組員は封筒の基部にある強力なファンを使用して封筒を膨らませ始めます。
気球に十分な空気があると、乗組員はバーナーの炎を封筒の口に吹き込みます。これにより空気が加熱され、気球が完全に膨らんで地面から浮き上がり始めるまで圧力が高まります。
地上クルーのメンバーは、打ち上げクルーが搭乗するまでバスケットを押し下げます。気球バスケットも最後の最後まで地上クルーのビークルに取り付けられているので、気球は発射の準備ができる前に吹き飛ばされることはありません。すべてが設定されると、地上クルーは気球を解放し、パイロットはバーナーから安定した炎を発射します。空気が熱くなると、気球は地面から浮き上がります。
驚くべきことに、このプロセス全体は10分または15分しかかかりません。着陸プロセスは、気球エンベロープの収縮と再梱包と組み合わされて、しばらく時間がかかります。
パイロットが着陸する準備ができたら、着陸の可能性のある場所について地上クルーと話し合います（機内無線を介して）。彼らは、送電線がなく、気球を配置するための十分なスペースがある広いオープンスペースを見つける必要があります。気球が空中に浮かぶとすぐに、パイロットは緊急事態に備えて適切な着陸地点を常に探しています。
気球の着陸は少し荒いことがありますが、経験豊富なパイロットが地面に沿ってぶつかり、気球を徐々に止めて、衝撃を最小限に抑えます。地上要員が着陸地点に到着した場合、着陸したらバスケットを押さえます。気球が適切な位置にない場合、乗組員は気球を地面に沿ってより良い場所に引っ張ります。
地上クルーは、気球を摩耗から保護するために、地上の防水シートを設置します。次に、パイロットはパラシュートバルブを完全に開き、空気が気球の上部から逃げることができるようにします。地上クルーは気球の上部に取り付けられたコードをつかみ、封筒を防水シートに引っ張ります。
気球の封筒が地面に落ちたら、乗組員は空気を押し出し始めます。気球が平らになると、乗組員は気球を詰め物袋に詰めます。このプロセス全体は、巨大な寝袋を梱包するのとよく似ています。
特別な感謝
この記事を手伝ってくれたCargoLifterに特に感謝します。
風と天気
打ち上げ前に、パイロットは気象サービスに電話して、地域の気候と風の状態を調べます。慎重なパイロットは、天候が理想に近い場合、つまり空が晴れていて風の状態が正常な場合にのみ飛行します。嵐は、落雷の危険性があるため、熱気球にとって非常に危険です。雨でも視界が悪くなり、気球の素材が傷つくので問題です（もちろん、雨天で飛び回るのはあまり楽しいことではありません）。そして、良い飛行をするためには素晴らしい風の流れが必要ですが、非常に強い風が気球を簡単に破壊する可能性があります。
パイロットはまた、気象サービスに電話して、気球がどちらの方向に移動するか、空中にいるときにどのように操縦するかについての大まかなアイデアを入手します。さらに、パイロットはパイボール（パイロットバルーンの略）を送信する場合があります。ピボールは、パイロットが発射予定地で風の正確な方向を確認するために解放するヘリウムで満たされた気球です。風が気球を禁止された空域に持ち込むように見える場合、乗組員は新しい発射場所を見つける必要があります。
空中で、パイロットは機内の高度計、バリオメーター、および独自の観測を使用して、適切な高度を見つけます。バーナーを爆破してから気球が実際に持ち上げられるまでに少なくとも30秒の遅延があるため、適切な高度に到達するのはかなり注意が必要です。気球パイロットは、上昇する前に適切なコントロールを少し操作し、上昇を停止する前にそれらを少し遮断する必要があります。経験の浅いパイロットはしばしばオーバーシュートし、横ばいになる前に高くなりすぎます。制御された操作には、何時間ものバルーニングの経験が必要です。
熱気球がどのように空中を飛ぶかを見てきたので、これを可能にする力を見てみましょう。結局のところ、熱気球は地球上で最も基本的な力のいくつかの注目に値するデモンストレーションです。
空気：高圧流体
地球上での生活の驚くべき点の1つは、私たちが常に高圧の流体の中を歩き回っているということです。これは、質量があり、形のない物質です。私たちの周りの空気は、気体状態のいくつかの異なる要素で構成されています。このガスでは、元素の原子と分子が自由に飛び回り、互いにぶつかり合ったり、他のすべてのものにぶつかったりします。これらの粒子が物体に衝突すると、それぞれが少量のエネルギーで押します。空気中には非常に多くの粒子があるため、このエネルギーはかなりの圧力レベルになります（海面では、1平方インチ（psi）あたり約14.7ポンド、または1平方センチメートルあたり1 kg（kg / cm 2！）です。
空気圧の力は2つのことに依存します：
- 粒子の衝突率-一定期間内により多くの粒子が衝突すると、より多くのエネルギーがオブジェクトに伝達されます。
- 衝突の力-粒子がより大きな力で衝突すると、より多くのエネルギーがオブジェクトに伝達されます。
これらの要因は、領域内に存在する空気粒子の数とそれらが移動する速度によって決まります。より多くの粒子がある場合、またはそれらがより速く移動している場合、より多くの衝突が発生し、圧力が大きくなります。粒子速度を上げると、粒子の衝撃力も上がります。
私たちの周りには空気があるので、ほとんどの場合、気圧に気づきません。すべてが等しい場合、空気粒子は領域内に均等に分散するため、すべてのポイントで空気密度が等しくなります。他の力が働いていない場合、これはすべてのポイントで同じ空気圧になります。私たちのすべての側の力が互いにバランスをとっているので、私たちはこの圧力によって押しのけられません。たとえば、14.7 psiは確かに椅子を倒したり、上から押しつぶしたりするのに十分ですが、空気は右、左、上、下、その他すべての角度からほぼ同じ圧力を加えるため、椅子にかかるすべての力は反対方向に向かう等しい力によってバランスが取られます。椅子は、特定の角度から実質的に大きな圧力を感じることはありません。
したがって、他の力が働いていない場合、すべてが空気の塊の中で完全にバランスが取れており、すべての側面から等しい圧力がかかります。しかし、地球上には、考慮すべき他の力、主に重力があります。空気の粒子は非常に小さいですが、質量があるため、地球に向かって引き寄せられます。地球の大気の特定のレベルでは、この引っ張りはごくわずかです。空気の粒子は、地面に向かって目立って落下することなく、直線的に移動しているように見えます。したがって、圧力は小規模でかなりバランスが取れています。ただし、全体として、重力によって粒子が引き下げられ、地表に向かって移動するにつれて圧力が徐々に上昇します。
次のセクションでは、これがどのように機能するかを探ります。
気圧+重力=浮力
大気中のすべての空気粒子は、下向きの重力によって引き寄せられます。しかし、空気中の圧力は、重力の引力とは反対に働く上向きの力を生み出します。この時点では重力が十分に強くなく、より多くの粒子を引き下げることができないため、空気密度は重力と釣り合うレベルにまで増加します。
この圧力レベルは、地球の表面で最も高くなります。これは、このレベルの空気がその上のすべての空気の重量を支えているためです。上の重量が大きいほど、下向きの重力が大きくなります。大気のレベルを上に移動すると、空気の上の気団が少なくなるため、バランス圧力が低下します。これが、高度が上がるにつれて圧力が低下する理由です。
この気圧の違いは、私たちの周りの空気に上向きの浮力を引き起こします。基本的に、気圧は物の上よりも下の方が大きいため、空気は押し下げるよりも押し上げます。しかし、この浮力は重力に比べて弱いです-それは物体によって押しのけられた空気の重さと同じくらい強いだけです。明らかに、ほとんどの固体オブジェクトは、それが移動する空気よりも重くなるため、浮力によってオブジェクトが移動することはありません。浮力は周囲の空気より軽いものしか動かせません。
浮力が何かを空中に押し上げるためには、その周りの空気の等量よりも軽くなければなりません。空気よりも軽い最も明白なことは、まったく何もありません。真空は体積を持つことができますが、質量はありません。したがって、内部に真空があるバルーンは、周囲の空気の浮力によって持ち上げられる必要があるように思われます。ただし、周囲の気圧の力のため、これは機能しません。バルーン内の空気は外気が押し込むのと同じ力で押し出されるため、空気圧は膨張したバルーンを押しつぶしません。一方、真空は粒子がないため、外向きの圧力はありません。何かに対して跳ねる。均等な圧力でバランスをとらないと、外気圧によってバルーンが簡単に押しつぶされてしまいます。また、地表の気圧に耐えるのに十分な強度のコンテナは、浮力で持ち上げるには重すぎます。
別のオプションは、周囲の空気よりも密度の低い空気でバルーンを充填することです。気球内の空気は、大気中の空気よりも単位体積あたりの質量が小さいため、移動する空気よりも軽いため、浮力によって気球が持ち上げられます。しかし、繰り返しになりますが、体積あたりの空気粒子が少ないということは、気圧が低いことを意味します。そのため、周囲の気圧は、内部の空気密度が外部の空気密度と等しくなるまでバルーンを圧迫します。
これはすべて、気球内の空気と気球外の空気がまったく同じ条件下で存在することを前提としています。気球内の空気の状態を変えると、気圧を同じに保ちながら密度を下げることができます。前のセクションで見たように、オブジェクトにかかる空気圧の力は、空気粒子がそのオブジェクトに衝突する頻度と、各衝突の力に依存します。2つの方法で全体的な圧力を高めることができることがわかりました。
- 空気粒子の数を増やして、特定の表面積での粒子の衝突の数を増やします。
- パーティクルの速度を上げて、パーティクルが領域に頻繁に当たるようにし、各パーティクルがより大きな力で衝突するようにします。
したがって、空気圧を失うことなくバルーン内の空気密度を下げるには、空気粒子の速度を上げる必要があります。空気を加熱することで、これを非常に簡単に行うことができます。空気粒子は熱エネルギーを吸収し、より興奮します。これにより、移動が速くなります。つまり、サーフェスとの衝突がより頻繁になり、より大きな力で衝突します。
このため、熱風は冷気よりも粒子あたりの空気圧が高くなるため、同じ圧力レベルに構築するために多くの空気粒子を必要としません。したがって、熱気球は、熱くて密度の低い空気で満たされ、より冷たくて密度の高い空気に囲まれているため、上昇します。
バルーニングの歴史
熱気球の背後にある基本的な考え方は、長い間存在してきました。古代ギリシャで最も偉大な数学者の一人であるアルケメデスは、2、000年以上前に浮力の原理を理解し、力によって持ち上げられた飛行機械を思いついたのかもしれません。 13世紀には、英国の科学者ロジャーベーコンとドイツの哲学者アルベルトゥスマグナスの両方が、この原理に基づいた架空の飛行機械を提案しました。
しかし、1783年の夏、モンゴルフィエ兄弟がフランス上空を8分間飛行して羊、アヒル、鶏肉を送ったときまで、実際には何も起きませんでした。ジョセフとエティエンヌの2人の兄弟は、家族の一流の製紙会社で働いていました。副次的なプロジェクトとして、彼らは加熱された空気によって持ち上げられた紙の容器で実験を始めました。数年の間に、彼らは今日使用されているものとデザインが非常に似ている熱気球を開発しました。しかし、彼らはプロパンを使用する代わりに、付属のファイヤーピットでわら、肥料、その他の材料を燃やすことでモデルに動力を供給しました。
羊、アヒル、鶏は、1783年9月19日、モンゴルフィエ兄弟によるルイ16世の最初のデモ飛行で最初の気球の乗客になりました。彼らは皆、旅行を生き延び、人間がより高い標高で大気を呼吸できるというある程度の保証を国王に与えました。 2か月後、歩兵の専攻であるフランソワダルランデス侯爵と、物理学の教授であるピラトレデロジエが最初に飛行した人間になりました。
他の熱気球の設計と野心的な飛行が続きましたが、1800年までに、熱気球はガス気球によって大部分が影になりました。この人気低下の要因の1つは、イギリス海峡を飛行しようとした際にピラトレデロジェが死亡したことです。彼が飛行のために作った新しい気球には、熱気球のエンベロープに加えて、より小さな水素気球が含まれていました。飛行の早い段階で火が水素に点火し、気球全体が炎上した。
しかし、熱気球が時代遅れになった主な理由は、新しいガス気球の飛行船の設計が多くの点で優れていたためです。主に、飛行時間が長く、操縦できました。
もう1つの人気のあるバルーンタイプはスモークバルーンでした。これらの気球は地面の火事で持ち上げられ、熱源は付いていませんでした。彼らは単に空中で発砲し、それから地面に沈みました。それらの主な用途は、1800年代後半から1900年代初頭にかけての米国の旅行見本市のアトラクションとしてでした。気球乗りはパラシュートを着て、帆布の気球に身を寄せました。次に、何人かの助手が気球を火の穴にかざし、空気をどんどん熱くして、上向きの力を増やしていました。力が十分に大きかったとき、そして気球が発火していなかった場合、助手は手放し、気球乗りは空中に発射されました。気球が最高点に達すると、気球乗りは離れてパラシュートで地面に着きます。
1960年代以降、伝統的な熱気球はルネッサンスを享受してきました。これは、エド・ヨストという男性と彼の会社であるレイヴン・インダストリーズのおかげもあります。 Yostと彼のパートナーは、1956年にRaven Industriesを設立し、米国海軍の海軍研究局（ONR）向けに熱気球を設計および製造しました。 ONRは、小荷物の短距離輸送用の気球を望んでいました。ヨストと彼のチームは、モンゴルフィエ兄弟の気球の基本概念を取り入れて拡張し、プロパンバーナーシステム、新しいエンベロープ材料、新しいインフレーションシステム、および多くの重要な安全機能を追加しました。
彼らはまた、モダンな電球スタイルの封筒の形を思いついた。 Yostは最初に大きな球形の風船を設計しました。これらのバルーンはうまく機能しましたが、奇妙な膨張パターンがありました。空気が加熱されると、バルーンの上部は一杯になりましたが、下部は膨張不足のままでした。効率を上げるために、Yostは下部の余分な生地を取り除き、今日見られるおなじみの「自然な」バルーン形状を開発しました。
1960年代初頭までに、ONRは熱気球への関心を失っていたため、Yostは彼の気球をスポーツ用品として販売し始めました。ますます多くの人々がバルーニングに関与するようになるにつれて、他の会社がすぐに生まれました。何年にもわたって、設計者は熱気球を変更し続け、新しい材料と安全機能を追加し、創造的なエンベロープ形状を開発してきました。一部のメーカーは、バスケットのサイズと積載量を増やし、最大20人の乗客を収容できる気球を製造しています。
しかし、基本的なデザインは、モンゴルフィエ兄弟の元のコンセプトをヨストが修正したものです。この驚くべき技術は世界中の人々を魅了してきました。気球ツアーは数百万ドルのビジネスであり、気球レースやその他のイベントは、観客や参加者の群衆を引き付け続けています。世界中の旅行のためにハイテク気球を作ることは（億万長者の間で）ファッショナブルにさえなりました。ジェット機、ヘリコプター、スペースシャトルの時代でも、熱気球は今でも人気があると言われています。
熱気球と関連トピックの詳細については、次のページのリンクを確認してください。
風に吹かれて
それで、熱気球に乗るのはどんな感じですか？非常に穏やかで平和な体験です。気球は風と共に動くので、そよ風はまったく感じません。あなたが通常高高度に伴う突風がなければ、飛行の経験は非常に安全で落ち着いているように見えます-あなたは単に地面から持ち上げて大気中の空気と一緒に移動します。
初版：2001年2月16日
