只在太阳的热量下飞行
如果你想象一架飞行器，你可能会想象一架比空气重的飞行器，以某种方式用机翼或螺旋桨保持在高空。重于空气的飞行在有关航空的讨论中占主导地位。 “可持续”飞行器被设计得尽可能轻（同时仍然比空气重），因此它们需要更少的能量来使用任何可再生能源来提升。这些机器包括人力飞机，例如使用踏板旋转螺旋桨的飞机。更轻的仍然是风筝和滑翔机，它们仍然比空气重，但依靠空气阻力和周围较轻的空气飞行。较少讨论的是飞行器比它们飞过的空气轻，因为它们的材料和乘客的重量被它们包含的热空气或轻气体抵消。 [1] 也许这是因为我们大多数人都乘坐客机而不是齐柏林飞艇。从理论上讲，使轻于空气的飞行可持续发展很简单：用阳光加热装满空气的容器，使其上升。 2020 年 1 月，莱蒂西亚·诺埃米·马克斯 (Leticia Noemi Marqués) 乘坐 Aerocene Pacha 太阳能气球自由飞行，这是首个获得国际航空联合会认证的全太阳能、无绳载人飞行。以前的此类飞行未经认证或依赖丙烷燃烧器或充气发生器 [2]。 Aerocene Pacha 不是从太阳能电池板或电池而是直接吸收在信封（气球的织物）中的太阳能飞行。太阳气球是热气球的一个子类，它上升是因为里面的热空气比外面的空气密度小。热气球和氦气球是在 18 世纪的法国实验中开发出来的。 1783 年，航天员接连取得了一系列的热气球第一次。 11 月，Montgolfier 兄弟发射了第一个载有动物的热气球（内含鸭子、公鸡和羊）。 9 月，Pilatre de Rozier 和 Marquis D'Arlandes 成为第一批在热气球中自由飞行的人。最后一个气球飞行的风险是信封会被用来加热热空气的余烬点燃。 [1] 太阳气球在这段历史中等待着、潜伏着。可以说，太阳气球是在 1794 年的一次事故中发明的，当时法国的一个热气球摆脱了系绳，完全依靠太阳的热量升到了空中。 [2] 随着气球发明者开始设计由内燃机驱动的飞艇，如齐柏林飞艇，这种现象的潜力没有被注意到。在 1960 年代，Ed Yost 通过增加丙烷燃烧器对热气球进行了改进，丙烷燃烧器是当今最常用的燃料来源。火灾风险继续困扰着最近的热气球，促使不涉及燃烧的替代设计。在 1990 年代，亚历杭德罗·乌里韦 (Alejandro Uribe) 将巴西社区为节日建造的无人纸气球改造成完全太阳能，以消除气球点燃森林火灾的危险。太阳能气球的原理与燃烧热气球相同，但用外壳吸收阳光来代替燃烧器。从 1972 年开始，Dominic Michaelis 设计并测试了一系列载人太阳能气球，里面有透明的聚酯外壳和黑色织物以吸收热量。 [2] Julian Nott 使用其中之一于 1981 年成功飞越英吉利海峡。这些飞行得到丙烷燃烧器的协助。特雷西·巴恩斯 (Tracy Barnes) 于 1973 年使用四面体形状的单层外壳进行了第一次全太阳能气球飞行。 [3] 目前还不清楚气球是如何膨胀的。 Aerocene Pacha 是最新的载人、无绳、表面上完全独立于化石燃料的太阳能气球飞行。该团队通过使用踏板动力运行的风扇使信封膨胀。载人太阳能气球结合了用于科学研究的燃烧器加热气球和无人太阳能气球的技术。后者的一个例子是 1977 年的 Montgolfière Infrarouge (MIR)，它在平流层下层循环，白天靠阳光飞行，晚上靠红外线飞行。 [2] 由于空气稀薄，红外线足以维持大约 20 公里的高度。 [4] 最近的例子使用了更简单的技术——Heliotrope 太阳能热气球的制造成本约为 30 美元，可以通过保持底部打开并来回走动直到充满空气来“充气”。研究人员还探索了使用系留太阳能气球发电的潜力。由罗伯特·格雷纳 (Robert Grena) 设计的一个风能太阳能系统由一小袋氢气辅助，并通过在阳光下“充电”一段时间进行预热。 [5] 当它被释放时，气球从它的起锚机上解开它的绳索，它为发电机提供动力。风力通过水平拉动气球和绳索来发挥作用。 Grena 提出了在气球最高高度放气的系统，这样能量就不会在下降时因空气或风阻力而损失。这些装置中最简单的一种是由固定在信封上的杆组成，这些杆在上升时被嘲讽的绳子保持弯曲，并在下降时释放张力时拉直，将信封拉紧。
Aerocene 飞行及其同类飞行是否预示着我们更可能乘坐太阳气球而不是客机飞行的时代？四十年前，朱利安·诺特 (Julian Nott) 横渡英吉利海峡时证明了通过（主要是）太阳能气球进行国际旅行是可能的。 Nott从多佛西北的一个点飞到加来附近的Tournehem sur la Hem，飞行距离超过60公里。 Aerocene 太阳气球飞行距离为 2.55 公里（以乌鸦在起飞和着陆点之间飞行时测量）的官方世界纪录并不那么令人鼓舞。大多数太阳气球尝试，特别是用于科学目的，都集中在高度而不是距离上，因此仍有未开发的潜力。如果太阳能技术能够像丙烷燃烧器一样可靠，它们就可以载客横渡太平洋，这是由 Per Lindstrand 和 Richard Branson 于 1991 年在 46 小时 15 分钟内创造的 7671 公里的热气球距离记录（更长的飞行距离）已将热空气与其他气体技术相结合）。 [6] 这将与 Kanellos Kanellopoulos 在 1988 年创造的 115 公里的人类飞行吉尼斯世界纪录相媲美。 [7] 问题仍然是全太阳能气球需要阳光，而在长途旅行中天空很少有云。 .任何基于太阳能气球的运输系统都必须是机会主义的，飞行员等待安全条件，并可能将旅程分成短阶段。 [1] 福克斯，J.（2008 年）。气球、飞艇和风筝——比空气轻：过去、现在和未来。航空杂志 (1968), 112(1133), 421-429。 doi:10.1017/S0001924000002384 [2] Aerocene Community, 2021. 太阳热气球和 Aerocene 简史。 [在线] Aerocene.org。可在：< https://aerocene.org/a-brief-solar-ballooning-and-aerocene/#> [2021 年 7 月 11 日访问]。 [3] 布朗，D.，（1974）。 Sunstat：乘着阳光的气球。热气球，XI(2)，第 5-9 页。可在：< https://www.brisbanehotairballooning.com.au/wp-content/uploads/2015/02/SunstatArticleinBallooning.pdf> [2021 年 7 月 11 日访问]。 [4] Bowman, D.、Norman, P.、Pauken, M.、Albert, S.、Dexheimer, D.、Yang, X.、Krishnamoorthy, S.、Komjathy, A. 和 Cutts, J.，（2020 年） ）。使用 Heliotrope 太阳能热气球进行多小时平流层飞行。大气与海洋技术杂志，37(6)，第 1051-1066 页。 [5] Grena, R., (2013)。太阳能气球作为混合太阳能-风能系统。太阳能，88，第 215-226 页。 https://doi.org/10.1016/j.solener.2012.11.021
[6] Åkerstedt, H., nd CIA 著名的飞行和表演：第 10 部分，1991-1995。 [在线] 国际航空联合会。可在：< https://www.fai.org/sites/default/files/documents/rpt_10_1991-1995.pdf> [2021 年 7 月 11 日访问]。 [7] 吉尼斯世界纪录。，（nd）。最长的人力飞行（距离）。可在：< https://www.guinnessworldrecords.com/world-records/longest-human-powered-flight-%28distance%29> [2021 年 7 月 11 日访问]。 [8] Reay, D. (1977)。 “人力旋翼机和‘鸟人’的持久性”，载于：人力飞行的历史，第 249-262 页。 https://doi.org/10.1016/C2013-0-02894-0
