Jak działają balony na ogrzane powietrze?

Mimo że to bracia Montgolfier skonstruowali pierwszy balon w 1783 w Annonay, to sama technologia wykorzystująca ogrzane powietrze do wznoszenia się w górę ma znacznie dłuższą historię, która sięga aż do starożytnych Chin w postaci tzw. lampionów szczęścia.

Braciom z Francji udało się przekształcić i dostosować tę z pozoru prostą zasadę działania, by ostatecznie wykorzystać ją na znacznie większą skalę, tworząc pierwszy w dziejach ludzkości środek transportu powietrznego.

Balony na ogrzane powietrze być może nie mają już przed nami zbyt wielu tajemnic, ale na jeden, wydawałoby się, prosty lot składa się wiele drobnych elementów. Wymaga to przy tym ogromu wiedzy oraz odpowiedniego przygotowania.

Zacznijmy od szybkiej lekcji fizyki. Zasada działania jest dość prosta. Wszystko opiera się na wyporności i gęstości.

Ciepłe powietrze unosi się do góry w chłodniejszym, ponieważ jest ono po prostu lżejsze (niższa masa na jednostkę objętości). Mniejsza gęstość oznacza, że składa się ono z mniejszej liczby cząsteczek, a przez to szybciej się porusza.

Ta różnica w gęstości pomiędzy ciepłym a chłodnym powietrzem wytwarza siłę wyporności. W praktyce chłodniejsze, cięższe powietrze „wypycha” cieplejsze do góry – podobnie jak woda wypiera przedmiot, który jest od niej lżejszy.

Na pierwszy rzut oka wszystko jest jasne. Trzy główne części, ale każda z nich korzysta z konkretnych rozwiązań i usprawnień zaprojektowanych z myślą o bezpieczeństwie, sterowności i funkcjonalności.

To właśnie ten ogromny materiałowy „balon” (nazywany również czaszą), który zatrzymuje ogrzane powietrze i nadaje kształt całej konstrukcji. Wykonana jest z bardzo wytrzymałych materiałów syntetycznych (w tym poliestru, ripstopu, hyperlast i w niewielkiej części z Nomexu – tego samego materiału, z którego szyje się kombinezony strażackie), odpornych na wysokie temperatury i chroniących balon przed uszkodzeniami mechanicznymi. Choć z daleka wygląda jak wielki jednolity kawał materiału, kryje w sobie dużo więcej, niż mogłoby się początkowo wydawać:

• Bryty (ang. gores): To pionowe pasy materiału, z których zbudowana jest główna część powłoki balonu. Są ze sobą połączone w taki sposób, by uzyskać zaokrąglony, zwężany ku dołowi kształt, co pomaga balonowi utrzymać właściwą formę i zapewnia stabilność podczas lotu.
• Podstawa balonu (ang. skirt): Tak właśnie nazywa się dolna część powłoki, znajdująca się blisko pozycji pilota oraz palnika. Wykonana z Nomexu dla lepszej ochrony przed wysokimi temperaturami i ogniem.
• Taśmy nośne: To wzmocnione pasy, najczęściej wykonane z poliestru, wszyte w powłokę. Ich zadaniem jest równomierne rozkładanie obciążenia na całą konstrukcję balonu poprzez przenoszenie go na ramę nośną za pomocą stalowych lin, co zapewnia jego stabilność i bezpieczeństwo podczas lotu.
• Klapy rotacyjne (ang. rotation vents): To dwa pionowe otwory znajdujące się na dwóch przeciwległych najszerszych punktach powłoki. Zapewniają lepszą kontrolę nad obrotami balonu oraz stabilizację w locie, zwłaszcza przy silnym wietrze. Chronią (lub pomagają ograniczać), na przykład, przed niekontrolowanymi obrotami w trakcie lotu.
• Systemy do spuszczania powietrza (ang. deflation systems): Balony różnych rodzajów i rozmiarów wykorzystują różne systemy deflacyjne, które można wykorzystywać do stopniowego upuszczania powietrza podczas lotu, albo do szybkiego spuszczania powietrza (przydaje się zwłaszcza po lądowaniu). Na samej górze powłoki znajduje się duży otwór połączony tylko drobną siatką składającą się z taśm nośnych. Od wewnątrz jest on jednak przykryty luźnym kawałkiem materiału oraz sznurkami, przez co cała konstrukcja przypomina nieco spadochron. Pod wpływem ciśnienia panującego w powłoce otwór jest szczelnie zamknięty podczas lotu. Pilot ma możliwość otworzenia klapy z poziomu kosza, pociągając za sznurek (zazwyczaj czerwony), a po jego wypuszczeniu klapa zamyka się, wracając do pierwotnej pozycji.

Cały układ składa się z palnika oraz ramy nośnej wraz z butlami na propan. Palnik ogrzewa powietrze w powłoce balonu poprzez spalanie propanu, wytwarzając tym samym siłę nośną, która pozwala balonowi wznieść się do góry. To wersja podstawowa tego typu układów, ale w bardziej zaawansowanych modelach balonów może być on znacznie bardziej rozbudowany.

• Palnik: Palnik odpowiada za podgrzewanie powietrza wewnątrz powłoki balonu, żeby wytworzyć siłę nośną. Płomień i moc palnika można regulować, co pomaga w zmianie wysokości balonu podczas lotu. W nowszych modelach używa się czasem układów z kilkoma palnikami, co poprawia wydajność, efektywność i zapewnia większą kontrolę.
• Butle z propanem: To po prostu zbiorniki na propan pod wysokim ciśnieniem. Najczęściej wykonane są ze stali lub aluminium i przymocowane są do ramy nośnej. Propan płynie do palnika przez przewody z regulacją ciśnienia, zapewniając niezbędną energię do podtrzymywania płomienia przez cały lot. Liczba cylindrów zależy od rozmiaru balonu oraz czasu trwania lotu.
• Rama nośna: Rama nośna to element konstrukcyjny, do którego przymocowane są palniki oraz butle z propanem w gondoli. Do jej budowy wykorzystuje się lekkie, ale wytrzymałe materiały, takie jak aluminium lub stal nierdzewna. Rama nośna pomaga również w równomiernym rozkładaniu ciężaru i pochłanianiu sił oddziałujących na balon podczas lotu. Zapewnia stabilność palnikom i całemu systemowi zasilania.

Kosz balonu (lub gondola) wykonany jest z plecionki wierzbowej (wikliny), ponieważ jest to lekki i wytrzymały materiał. Jedynym wyjątkiem są małe balony sportowe, gdzie czasem korzysta się z alternatywnych rozwiązań.

Na podłogę i podstawę często stosuje się sklejkę wodoodporną, wzmocnioną drewnianymi prowadnicami, a krawędzie pokrywa się skórą dla dodatkowej ochrony. Sam kosz połączony jest z ramą nośną za pomocą linek ze stali nierdzewnej.

• Kosze otwarte: Są to klasyczne, proste kosze wykonane z wikliny bądź rattanu. Jak sama nazwa wskazuje, nie mają żadnych wewnętrznych przegród.
• Kosze z przegrodami: Kosze te posiadają wewnętrzne przegrody, które wyznaczają osobne miejsca dla pilota i pasażerów. Istnieje wiele różnych rodzajów tego typu koszy, na przykład z przegrodami w kształcie litery T lub Y.
• Kosze sportowe: Kosze przeznaczone do baloniarstwa wyczynowego lub szybkich lotów. Zwykle są znacznie mniejsze i lżejsze, co zapewnia im lepszą zwrotność i osiągi.

Ciekawostka: Cameron Balloons opracowała pierwsze prototypy wykorzystujące wiklinę syntetyczną i wstępne badania wyglądają obiecująco. Na ten moment jednak nie ma żadnych planów na wprowadzenie tego rozwiązania na szerszą skalę – uzyskanie koniecznych cetryfikatów to długi i skomplikowany proces.

Pierwszy krok to znalezienie odpowiedniego miejsca do przygotowania balonu i rozpoczęcia lotu. Powinna być to płaska, równa powierzchnia (najlepiej trawiasta), bez przeszkód, które mogłyby potencjalnie uszkodzić powłokę balonu. Jeśli miejsce jest osłonięte od wiatru – tym lepiej.

Gdy pilot znajdzie odpowiednie miejsce do lądowania zaczyna odpowiednio zmniejszać intensywność płomienia, żeby stopniowo obniżać wysokość lotu. Otwarcie klapy spadochronowej zmniejsza ryzyko twardego lądowania, ale samo przyziemienie zazwyczaj kończy się nieznacznym odbiciem od ziemi.

Bezpieczne lądowanie wymaga dużych umiejętności i doświadczenia – w końcu to najtrudniejsza część lotu.

Zobacz gdzie latamy!