从“埃及热气球爆炸事故”想到的···

C336重庆市育才成功学校

蔡恩达

 [摘要]：本文通过对埃及热气球爆炸事故的思考，查阅了热气球的发展历史、探讨了热气球的安全隐患，从阿基米德原理出发，提出了相应的安全控制措施，希望对热气球的安全改进有所帮助。

关键词：热气球安全隐患工作原理安全措施改进

一、           不安全的热气球

1、事件回顾

埃及旅游城市卢克索2013年2月26日发生热气球爆炸坠落惨剧，酿成19人身亡，其中包括9名中国香港游客。事故发生在热气球准备降落时，因操作失误，连接吊篮内燃气罐和引擎的软管突然断裂，罐体内的高压燃气喷薄而出，碰到引擎上方的火焰后热气球重新升空并爆炸，原本一次愉快的旅行变成了安全事故。

2、热气球的历史与现状

十八世纪，法国人蒙戈菲尔兄弟因受碎纸屑在火炉中不断升起的启发，做了一个圆周为110英尺的模拟气球升起，飘然飞行了1.5英里。自此，热气球成为不受地点约束、操作简单方便的公众体育项目。现在全世界有20000多个的热气球在飞行。我国目前已有100多个热气球，显然热气球已成为体育和旅游项目，然而热气球的安全事故也越来越多。

其实我们国家远在三国时期就有了类似热气球的“孔明灯”，用以寄托思念和祝愿，这个传统今天还很盛行。古时候还有将孔明灯用于战争的案例呢，即当装有燃料的孔明灯飞到敌营上空时，将灯射破，达到火烧敌营的目的。

3、热气球存在的安全隐患

通过对国内某地热气球的调研和此次事故的了解，认为热气球的安全隐患有：（1）热气球带有四个庞大的燃气罐，总体积一般为家庭用使用的煤气罐的10倍大小，存在爆炸和泄露的安全隐患；（2）连接燃气罐和燃烧装置的是软管，存在脱落、老化，进而导致泄露的的安全隐患；（3）热空气的控制采用调解燃烧火焰大小的方式，存在熄火、火灾和气球速度不稳定的安全隐患；（4）降落时颠簸，存在落地倾倒的安全隐患。

本文就是探讨如何消除这些安全隐患，让热气球真正安全起来。

二、           热气球工作原理

热气球由球囊、吊篮和加热装置三部分构成。加热装置把球囊内的空气加热，使其变轻，产生内外压力差——浮力，使气球载重升空。用开燃烧开关的间隔时间长短，调整球囊内的温度（气体密度）来控制热气球的上升和下降；利用空气不同高度层的风向来控制和调整气球的前进方向。

热气球和孔明灯是典型的阿基米德原理的应用实例，当调解燃烧火焰，使球囊内的气体密度因温升而减小时，球囊内的空气重量减小，热气球的整体重量就小于空气的浮力，这时气球表现为上升；当调解燃烧火焰，使球囊内的气体密度因温降而增大时，球囊内的空气重量增大，热气球的整体重量大于空气的浮力，这时气球表现为下降；当调解燃烧火焰，使得浮力与热气球的整体重量相等时，热气球表现为悬浮状态，随风向运动。

当人们乘坐热气球翱翔蓝天时，是多么惬意的一件事情啊。

三、           安全措施和改进

1、 用液态汽油燃料代替压缩液化燃气（热能来源）

热气球之所以带有多个庞大的压缩燃气罐是因为要保证足够的飞行时间和出于燃气易于汽化燃烧的考虑。没有考虑液态燃料的原因是液态燃料如何方便汽化的问题不宜解决。我们都知道液态燃料的燃烧值大于汽化燃料，即等值燃烧值液态燃料拥有更小的体积，这就为减小燃料罐带来了可能。这样避免了携带庞大、高压容器升空，为更安全起见，液态燃料容器可以考虑使用阻燃塑料制造，容器的重量也得到了有效减轻。那么如何实现液态燃料汽化的过程呢？

2、 用发动机的工作原理实现高压、高温气体的供给（热能、比热的实现）

汽车发动机利用冲程的运动，吸气、喷油、点火、爆炸，实现热能转化为动能的工作原理完全适用于热气球；并且不需要能量转化所必需的复杂机械系统，高速的冲程运动完全满足热气球对高温、大量热空气的需求。首先发动机单冲程燃油燃烧爆炸的温度与火焰燃烧的温度相当，其次发动机的转速多少适宜呢？这取决于气缸的多少和容量，以四缸为例，单个活塞产生的高温气体体积为0.001立方米，发动机的转速为3000转/分钟，相当于120Km/小时的油耗，这与热气球的燃气消耗相当，那么每分钟可以提供高温（500℃）气体的体积为0.001*4*3000=12m³；相当于50~70℃200m3的热空气供给，完全可以满足热气球正常工作时的50~70℃的空气温度和消耗的需求。发动机变成了高温高压气体的供给器，避免了给热气球增重的影响，同时减少了热气球不安全的燃烧装置和软管连接弊端。

3、 用档位设计的方法控制热空气流量（浮力控制）

热气球热空气的控制采用调解燃烧火焰大小的方式，存在熄火、火灾和气球速度不稳定的安全隐患。档位控制类似于汽车换档，这样我们就能实现热空气无级变速的流量调整，热气球终于可以自由升降了。实际上这个控制的实现就像踩油门，重一点，喷油就多，发动机的转速就快，温升就快，热气球飞得越高，否则相反。这点类似于摩托车将变速与发动机一体化的设计思想。

如果采用喷气分流的设计，能让多余的热空气变向排出的话，还能起到推动热气球水平移动的作用，这样我们还能控制热气球运动的轨迹和着陆点了。

4、 增加伞柄，智能化热气球（浮力控制）

像雨伞一样给热气球增加一个空心的伸缩柄，热空气通过空心柄即能进入气囊，又能根据需要排出，类似电路开关的原理；当着陆时，热空气就不会再进入气囊了，就像射破孔明灯一样，确保着陆后热气球可控；同时也方便了热气球启动时的繁琐工作，空心柄只要竖直在地上，就可以启动发动机了。

当热气球在空中时，伞柄上好可以安装若干个测温仪，这样我们能更准确地控制热气球内的空气温度，对控制飞行高度可进一步精确实现。

5、 着陆气垫（作用力与反作用力）

目前的热气球在降落时，经常发生颠簸，甚至存在落地倾倒的安全隐患，如果可以设计成气压降落的形式，就可以解决这一问题，看来，我的发动机又有新功能了。

四、           后记

物理真是太有趣了，它培养了我科学思考的习惯，我将努力学习，将来把学到的知识用于实践，做一个智能热气球。

评委评语：小作者从现实生活中的热点寻找研究问题，从而使文章体现出现实性与时代性。从现实中发现所研究的问题并提出问题解决的方法，体现出良好的科学素质。