実際にどこかに行く必要がある場合、熱気球はかなり非実用的な乗り物です。実際に操縦することはできず、風が吹くのと同じ速度でしか進みません。しかし、単に飛行体験を楽しみたいだけなら、これに勝るものはありません。多くの人は、熱気球での飛行を、これまで経験した中で最も穏やかで楽しいアクティビティの 1 つだと言います。

熱気球も、基本的な科学原理を独創的に応用したものです。熱い 熱気球の仕組みは？この記事では、これらの気球がなぜ空中に上昇するのかを説明し、気球の設計によってパイロットが高度と垂直速度をどのように制御できるのかも説明します。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でしょう。

熱気球は、暖かい空気が冷たい空気の中を上昇するという非常に基本的な科学原理に基づいています。基本的に、熱い空気は単位体積あたりの質量が小さいため、冷たい空気よりも軽いです。空気 1 立方フィートの重さは約 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、重さは約7グラム軽くなります。したがって、熱気球に含まれる空気の各立方フィートは約 7 グラムを持ち上げることができます。これは大したことではありません。これが熱気球が非常に巨大な理由です。1,000 ポンドを持ち上げるには、約 65,000 立方フィートの熱風が必要です。

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、空気をどのように加熱するかを調べます。

上昇気球

風船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、開いた気球の外皮の下にバーナーを配置してこれを行います。気球内の空気が冷えると、パイロットはバーナーを点火して空気を再加熱できます。

現代の熱気球は、屋外の調理用グリルで一般的に使用されるも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内に配置された軽量シリンダー内に圧縮液体の形で保管されます。吸入ホースはシリンダーの底まで伸びており、液体を取り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るため、ホースを通って加熱コイルまで急速に流れます。加熱コイルは、バーナーの周りにコイル状に配置された長い鋼管です。風船乗りがバーナーを始動すると、プロパンが液体の形で流れ出し、パイロットライトによって点火されます。

炎が燃えると、周囲の配管内の金属が加熱されます。チューブが熱くなると、チューブ内を流れるプロパンが加熱されます。これにより、点火する前にプロパンが液体から気体に変化します。このガスにより、より強力な炎が得られ、燃料消費がより効率的になります。

最新の熱気球のほとんどは、エンベロープは長いナイロンのゴアで作られ、縫い付けられたウェビングで補強されています。エンベロープの底部からクラウンまで伸びるゴアは、多数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風船に非常に適していますが、かなり丈夫で融解温度も高いためです。スカート、つまり封筒の基部のナイロンは、炎が風船に着火するのを防ぐために、特殊な耐火性素材でコーティングされています。

浮力によって熱風が上に移動し続けるため、熱風は封筒の底の穴から逃げることはありません。パイロットが燃料ジェットを噴射し続けると、気球は上昇し続けます。ただし、最終的には空気が非常に薄くなり、浮力が弱くなりすぎて気球を持ち上げることができないため、高度には上限があります。浮力は気球によって押しのけられる空気の重量に等しいため、一般に、より大きな気球エンベロープはより小さな気球よりも高度の上限が高くなります。

ほとんどの熱気球は客室に籐製のバスケットを使用しています。籐は丈夫で柔軟性があり、比較的軽量であるため、非常に適しています。柔軟性は気球の着陸に役立ちます。より硬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ことになります。籐素材は少し曲がり、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、実際の操作は非常に簡単です。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制御装置を動かします。このレバーは、ガス グリルやコンロのノブと同じように機能します。回すとガスの流れが増加し、炎が大きくなります。パイロットは、より大きな炎を吹き出して空気をより速く加熱することで、垂直速度を高めることができます。

さらに、多くの熱気球には、2 番目のプロパン バルブを開く制御装置が付いています。このバルブは、加熱コイルをバイパスするホースを通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ではなく、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、効率が低く弱い炎が生成されますが、ガスの燃焼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、畜産場でこの 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。パイロットが付属のコードを引くと、熱気がエンベロープから一部放出され、内部の空気温度が低下します。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開いたままにしておくと、バルーンは沈んでしまいます。

基本的に、制御できるのはこれらだけです。熱を加えてバルーンを上昇させ、通気してバルーンを沈めます。これは興味深い疑問を引き起こします。パイロットが熱気球を上下に動かすことしかできないとしたら、どうやって気球をある場所から別の場所に移動させるのでしょうか?結局のところ、風は高度が異なると異なる方向に吹くため、パイロットは垂直位置を変えることで水平方向に操縦することができます。特定の方向に移動するには、パイロットは適切なレベルまで上昇および下降し、風に乗って移動します。一般に、大気圏の高度が上がるにつれて風速は増加するため、パイロットは高度を変更することで水平速度を制御することもできます。

もちろん、最も経験豊富なパイロットであっても、気球の飛行経路を完全に制御できるわけではありません。通常、風の状況によってパイロットに与えられる選択肢はほとんどありません。したがって、正確なコースに沿って熱気球を実際に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ることができることは非常にまれです。

そのため、飛行機の操縦とは異なり、熱気球の操縦はほとんどが瞬間瞬間の即興で行われます。このため、熱気球乗組員の一部は地上に留まり、車で気球の後を追いかけ、着地点を確認しなければなりません。その後、乗客と機材を回収するために現場に行くことができます。

離陸と着陸

熱気球の作業の多くは、乗組員が気球を膨らませたりしぼませたりする飛行の開始時と終了時に行われます。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。

乗組員は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、地面に広げ始めます。

封筒が配置されると、乗組員は封筒の底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。

気球内に十分な空気が入ったら、乗組員はバーナーの炎を封筒の口に吹き付けます。これにより空気が加熱され、風船が完全に膨らみ地面から浮き上がり始めるまで圧力が高まります。

地上乗組員は、打上げ乗組員が乗り込むまでバスケットを押さえます。風船バスケットも地上作業員車両に最後まで取り付けられているので、打ち上げの準備が整う前に気球が吹き飛ばされることはありません。すべての設定が完了したら、地上職員が気球を放し、パイロットがバーナーから安定した炎を点火します。空気が加熱されると、気球は地面から浮き上がります。

驚くべきことに、このプロセス全体にかかる時間はわずか 10 ～ 15 分です。バルーンの外皮を収縮させて再梱包することを伴う着陸プロセスには、さらに時間がかかります。

パイロットは着陸の準備ができたら、地上乗務員と着陸の可能性のある場所について話し合います (機内無線を介して)。彼らは、電線がなく、気球を配置するのに十分なスペースがある、広くてオープンなスペースを見つける必要があります。気球が飛行するとすぐに、パイロットは緊急事態に備えて適切な着陸場所を常に探しています。

気球の着陸は少し荒いかもしれませんが、経験豊富なパイロットが地面に沿ってぶつかって気球を徐々に停止させ、衝撃を最小限に抑えます。地上職員が着陸地点に到着した場合は、着陸後にバスケットを押さえます。気球が適切な位置にない場合は、乗組員が地面に沿ってより良い位置まで気球を引っ張ります。

地上職員は気球を磨耗から守るために地上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全開にし、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。地上職員は気球の上部に取り付けられたコードをつかみ、封筒を防水シートの上に引っ張ります。

気球の外皮が地面に着くと、乗組員は空気を押し出し始めます。気球が平らになったら、乗組員がそれをスタッフサックに詰めます。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。

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、その地域の気候と風の状態を調べます。用心深いパイロットは、天候が理想に近いとき、つまり空が晴れていて風の状態が正常なときのみ飛行します。

嵐は落雷の危険があるため、熱気球にとって非常に危険です。雨が降っても視程が低下し、気球の素材が損傷するため、問題が発生します（もちろん、いずれにしても雨天で飛行するのはあまり楽しくありません）。また、良好な飛行には良好な風の流れが必要ですが、非常に強い風は気球を簡単に破損させる可能性があります。

パイロットはまた、気象局に電話して、気球がどの方向に移動するか、また空中に上がったらどのように操縦すべきかについての大まかなアイデアを得る。さらに、パイロットはピボール (パイロット バルーンの略) を飛ばすこともあります。パイボールとは、パイロットが発射予定地の正確な風の方向を確認するために放すヘリウムを満たした単なる風船です。風により気球が禁止空域に進入しそうな場合、乗組員は新たな発射場所を探す必要がある。

空中では、パイロットは搭載された高度計、バリオメーター、および自身の観測値を使用して適切な高度を見つけます。バーナーが爆発してから実際に気球が上昇するまでには少なくとも 30 秒の遅れがあるため、適切な高度に到達するのは非常に困難です。

気球のパイロットは、上昇する前に少しだけ適切なコントロールを操作し、上昇を止める前に少しだけコントロールをオフにする必要があります。経験の浅いパイロットは、横ばいになる前に上昇しすぎてオーバーシュートしてしまうことがよくあります。制御された操作は、何時間もの気球飛行の経験によってのみ実現されます。

熱気球がどのように空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を顕著に示しています。

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、つまり質量はあるが形のない物質の中を歩き回っていることです。私たちの周りの空気は、いくつかの異なる元素が気体状態で構成されています。この気体の中では、元素の原子や分子が自由に飛び回り、互いに衝突したり、あらゆる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、それぞれが微量のエネルギーで押されます。空気中には非常に多くの粒子が存在するため、このエネルギーはかなりの圧力レベルに達します (海面では、平方インチあたり約 14.7 ポンドの圧力 (psi)、または平方センチメートルあたり 1 kg (kg/cm ² !))。

空気圧の力は次の 2 つの要素によって決まります。

これらの要因は、エリア内に存在する空気粒子の数とそれらの移動速度によって決まります。粒子の数が多い場合、または粒子の移動速度が速い場合、衝突の回数も多くなり、圧力も大きくなります。パーティクルの速度を上げると、パーティクルの衝突の力も増加します。

私たちの周りには空気があるため、ほとんどの場合、気圧に気づきません。すべての条件が等しい場合、空気の粒子はエリア内に均一に分散し、すべての点で空気密度が等しくなります。他の力が作用しない場合、これはすべての点で同じ空気圧に変換されます。私たちのあらゆる側の力が互いにバランスをとっているため、私たちはこのプレッシャーに振り回されることはありません。

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には十分ですが、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保たれます。椅子は、どの角度から見ても大きな圧力を感じることはありません。

したがって、他に力が働いていない場合、空気の塊の中ですべてが完全にバランスが取れており、すべての方向からの圧力が等しいことになります。しかし地球上では、主に重力など、考慮すべき他の力が存在します。

空気の粒子は非常に小さいですが、質量があるため、地球に向かって引っ張られます。地球の大気の特定のレベルでは、この引力は非常にわずかであり、空気の粒子は地面に向かって顕著に落下することなく、直線的に移動しているように見えます。したがって、圧力は小規模ではかなりバランスが取れています。ただし、全体としては、重力によって粒子が下に引っ張られるため、地表に近づくにつれて圧力が徐々に増加します。

次のセクションでは、これがどのように機能するかを見ていきます。

気圧 + 重力 = 浮力

大気中のすべての空気粒子は、重力の下向きの力によって引き寄せられます。しかし、空気中の圧力は、重力の引力に逆らう上向きの力を生み出します。この時点では、重力はより多くの粒子を引き下ろすほど強くないため、空気密度は重力と釣り合うレベルまで増加します。

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にある空気すべての重さを支えているためです。上にある重さが大きくなるということは、下向きの重力が大きくなることを意味します。大気のレベルが上がるにつれて、その上の空気の質量が減り、平衡圧力が低下します。高度が上がると気圧が下がるのはこのためです。

この気圧の差により、私たちの周囲の空気に上向きの浮力が生じます。基本的に、空気圧は物の上よりも物の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く、物体によって押しのけられる空気の重さと同じくらいの強さしかありません。明らかに、ほとんどの固体物体は押しのける空気よりも重いため、浮力ではまったく動かされません。浮力は周囲の空気よりも軽いものしか動かすことができません。

浮力で物体を空中に押し上げるには、その物体は周囲の同体積の空気よりも軽くなければなりません。空気より軽い最も明白な物は何もありません。真空には体積はありますが、質量はありません。そのため、内部が真空になっている風船は、周囲の空気の浮力によって持ち上げられるはずです。ただし、周囲の気圧の力により、これは機能しません。

風船の中の空気は、外の空気が押し込むのと同じ力で押し出されるため、膨らんだ風船は気圧によって潰されません。一方、真空には粒子がないため、外向きの圧力はありません。何かに跳ね返る。均等な圧力のバランスが取れていないと、外気圧によって風船は簡単に押しつぶされてしまいます。そして、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風船を満たすことです。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、押しのけている空気よりも軽くなり、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するため、内部の空気密度が外部の空気密度と等しくなるまで、周囲の気圧によって気球が圧迫されることになります。

これらはすべて、気球内の空気と気球の外の空気がまったく同じ条件で存在してい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、気圧を同じにし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、物体にかかる気圧の力は、空気の粒子がその物体と衝突する頻度と、各衝突の力によって決まります。次の 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。

したがって、気圧を失わずに気球内の空気密度を下げるには、空気粒子の速度を上げるだけで済みます。空気を加熱することで非常に簡単にこれを行うことができます。空気粒子は熱エネルギーを吸収し、さらに励起されます。これにより、オブジェクトの動きが速くなり、より頻繁に、より大きな力で表面と衝突することになります。

このため、熱い空気は冷たい空気よりも粒子あたりの空気圧力が大きいため、同じ圧力レベルにするためにそれほど多くの空気粒子は必要ありません。したがって、熱気球は、熱くて密度の低い空気で満たされており、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。

気球の歴史

熱気球の背後にある基本的なアイデアは、長い間存在していました。古代ギリシャの最も偉大な数学者の一人であるアルキメデスは、2,000 年以上前に浮力の原理を解明し、その力によって飛行する機械を思いついたのかもしれません。 13 世紀、イギリスの科学者ロジャー ベーコンとドイツの哲学者アルベルトゥス マグナスは、どちらもこの原理に基づいた仮説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羊、アヒル、ニワトリを 8 分間の飛行でフランス上空に送るまでは、何も始まりませんでした。二人の兄弟、ジョセフとエティエンヌは、家族が営む有名な製紙会社で働いていました。サイドプロジェクトとして、彼らは熱風によって上昇する紙容器の実験を開始しました。

数年かけて、彼らは現在使用されているものと非常によく似たデザインの熱気球を開発しました。しかし、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、ニワトリは、1783 年 9 月 19 日、ルイ 16 世のためのモンゴルフィエの最初のデモンストレーション飛行で、最初の気球乗客となった。彼らは全員この旅行を生き延びたので、人類は高地で大気を呼吸できるという確信を国王に与えた。 2か月後、歩兵少佐のフランソワ・ダルランド侯爵と物理学教授のピラートル・ド・ロジエが人類で初めて空を飛んだ。

その後も他の熱気球の設計や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の影に大きく隠れてしまいました。この人気低下の要因の一つは、英仏海峡での飛行未遂でピラトル・ド・ロジエが死亡したことである。彼がこの飛行のために作った新しい気球には、熱気球の外皮に加えて、より小さな水素気球が含まれていました。飛行初期に火災が水素に引火し、気球全体が爆発炎上した。

しかし、熱気球が時代遅れになった主な理由は、新しいガス気球飛行船の設計がさまざまな点で優れていたためでした。主に飛行時間が長く、操縦が可能であったことです。

もう 1 つの人気のバルーン タイプはスモークバルーンです。これらの気球は地上の火によって持ち上げられ、熱源は取り付けられていませんでした。彼らはただ空中に飛び上がり、そして地面に沈んでいきました。

これらの主な使用は、1800 年代後半から 1900 年代初頭にかけて、米国の移動博覧会のアトラクションとして行われました。風船乗りはパラシュートを付けてキャンバス製気球に乗りました。次に、数人の助手が風船を焚き火台の上にかざして、空気がますます熱くなり、上向きの力が増大します。力が十分に大きいとき、そして気球が燃えていないときは、助手たちが手を放し、気球乗りが空中に打ち上げられるだろう。気球が最高点に達すると、気球乗りは切り離されてパラシュートで地上に降り立ちます。

1960 年代以来、伝統的な熱気球は、エド ヨストという男性と彼の会社、レイブン インダストリーズのおかげで復活を遂げました。ヨストと彼のパートナーは、アメリカ海軍の海軍研究局 (ONR) 向けの熱気球を設計および製造するために、1956 年にレイブン インダストリーズを設立しました。 ONR は、小さな荷物の短距離輸送のために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コンセプトを採用して拡張し、プロパン バーナー システム、新しいエンベロープ素材、新しい膨張システム、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、現代的な電球風の封筒の形も考案しました。 Yost は最初に大きな球形の風船をデザインしました。これらの風船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、風船の上部は膨らみましたが、底部は膨らみが不十分なままでした。効率性を高めるために、ヨストは底部の余分な生地を取り除き、今日私たちが見慣れている「自然な」バルーンの形を開発しました。

1960 年代初頭までに、ONR は熱気球への関心を失ったため、ヨストは気球をスポーツ用品として販売し始めました。気球開発に参加する人が増えるにつれ、すぐに他の会社も誕生しました。長年にわたり、設計者は熱気球の改良を続け、新しい素材や安全機能を追加し、創造的な外皮の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 人の乗客を乗せられる気球を製造しています。

しかし、基本的なデザインは依然としてモンゴルフィエ兄弟のオリジナルのコンセプトをヨストが修正したものです。この驚異的な技術は世界中の人々を魅了しています。気球ツアーは数百万ドル規模のビジネスであり、気球レースやその他のイベントは引き続き多くの観客や参加者を魅了しています。世界中を旅行するためにハイテク気球を作ることは（億万長者の間で）流行しています。ジェット機、ヘリコプター、スペースシャトルの時代においてさえ、熱気球が依然として非常に人気があるということは、熱気球について多くを物語っています。