Luchtballonnen: Van de Gebroeders Montgolfier tot Modern Vliegen

Achtergrond

Een luchtballon bestaat uit een niet-poruze envelop van dun, hoogsterk materiaal gevuld met een hefgas. De envelop stijgt omdat de verwarmde lucht binnenin de koudere omringende lucht verdringt, wat een opwaartse drijvende kracht creëert gelijk aan het gewicht van de verdrongen lucht.

Historisch werden enveloppen gemaakt van papier, rubber en diverse stoffen. Vandaag zijn de meest voorkomende vormen bollen, oblate sferoïdes en gestroomlijnde aerodynamische vormen. De primaire hefgassen zijn helium, waterstof en verwarmde lucht.

Geschiedenis

In de late 18e eeuw pioneerden de gebroeders Montgolfier het luchtballonvliegen in Frankrijk. Na ontdekking dat verwarmde lucht in een lichte zak de zak kon tillen, demonstreerden ze hun uitvinding in 1783, eerst in Annonay en later in Versailles met een schaap, haan en eend als passagiers.

De eerste bemande vlucht vond plaats op 21 november 1783 in Parijs. Pilâtre de Rozier en de Marquis François Laurent d'Arlandes stegen op in een papier-en-linnen ballon aangedreven door rook en verwarmde lucht.

Door de 19e eeuw werden ballonnen gebruikt in oorlogvoering voor verkenning en in vredestijd voor luchtfotografie. Hoewel ze waardevolle observatieplatforms booden, waren vroege ballonnen niet stuurbare. Ernstige wetenschappelijke experimenten kreeg pas in de late 20e eeuw momentum.

Tussen 1934 en 1961 verkenden bemande ballonvluchten de stratosfeer (9,7–24,14 km). Geperst capsules lieten bemanningen altitudes van 30 km bereiken. De opkomst van ruimtevaart in 1961 maakte veel van deze missies achterhaald.

Sinds de jaren zestig hebben luchtballonnen zich ontwikkeld tot een recreatieve sport. Consumentenverkoop steeg in de jaren zeventig, en de eerste WK's werden in 1973 in de VS gehouden. Vandaag jagen ballonvaarders wereldwijd records en nemen ze deel aan diverse competities.

Andere ballontypen in gebruik zijn meteorologische, nul-druk, superdruk, militair aangebonde en aangedreven ballonnen.

Modern luchtballonvliegen

Contemporaine ballonnen bestaan uit een envelop en een mand. De envelop is doorgaans sferisch en gemaakt van een niet-rekbaar materiaal. Verwarmde lucht wordt geleverd door een koolwaterstofbrander gemonteerd boven de mand.

De mand, of gondel, draagt passagiers. Hef wordt beheerd door de branderflame-intensiteit aan te passen. Een klep aan de top van de ballon, uitgerust met een touw, stelt passagiers in staat de daling te controleren. Een ritskogel en ritspaneel maken snelle gasontlasting tijdens landing mogelijk om impacts te verminderen.

Praktische hoogtelimieten voor recreatieve ballonnen liggen op ongeveer 55 km.

Opblazen van een vierpersoonsballon vereist meestal een bemanning van vier tot vijf personen. De mand wordt op z'n kant gelegd, de envelop op de grond uitgespreid, en een ventilator pre-inflateert de ballon met koude lucht. De piloot gaat dan de envelop in voor pre-vluchtcontroles op rigging, katrollen, Klettband-tabs, vliegdraden, parachute en envelopstof.

Zodra de brander ontstoken wordt, vult een golf lucht de envelop in ongeveer 60 seconden, vullend een ballon van 6.096 m³. De envelop rijst, en de bemanning stabiliseert de kroon tegen de wind. Na opblazen voeren piloot en passagiers finale controles uit voordat de ballon 'licht' wordt en klaar is voor opstijging.

Grondstoffen

Envelop

Enveloppen balanceren hun lading met belastingbanden of -touwen. Amerikaanse fabrikanten favorisieren zwaardere stoffen met belastingbanden, terwijl Europese bouwers lichtere stoffen en meer bandstructuren kiezen.

De stof is geweven uit nylon of Dacron (polyester). Nylon is lichter en sterker; Dacron verdraagt hogere temperaturen. De weef is een mesh die luchtdoorlaatbaarheid toelaat. Typische trekkracht varieert van 18,2–45,4 kg per inch-brede strook.

Om de envelop luchtmakes te maken, wordt de stof bekleed met polyurethane, vaak versterkt met neopreen, silicone en een UV-remmer. Het aantal lagen balanseert luchtmakesheid met materiaalkwetsbaarheid.

Belangrijke envelopcomponenten zijn een parachute en een ritspaneel, beide cruciaal voor gecontroleerde daling. De parachute is een fail-safe apparaat gemaakt van envelop-kwaliteit stof. Het ritspaneel, verzegeld met Klettband, heeft een secundaire vent voor extra veiligheid.

Een net ondersteunt de mand, wat het gewicht gelijkmatig over de ballon verdeelt.

Mand

De mandlichaam is doorgaans geweven uit ratten en wilgen, met een multiplexvloer. Randen zijn gebonden in leer, chamois of rawhide. Roestvrijstahldraden en starre supports verbinden de mand met het branderframe. Sommige ontwerpen hangen de mand aan een belastingring vast aan de envelop, die ook als branderbevestigingspunt dient.

Brander

De brander is een enkelblok propanesysteem aangedreven door twee of meer brandstoftanks. Een permanente slangkoppeling verbindt de tanks met de brander. De brandercomponenten omvatten een vloeistofklep die brandstofstroom regelt, een drukmanometer die beschikbare kracht aangeeft, en een pilotlicht dat propaan verdampt. Roestvrijstalen verdampingscoils converteren de damp in een vlam met een dikke basis en lange punt.

Ontwerp

Envelop

Envelopontwerp richt zich op het verminderen van stofspanning door licht gebogen gores – de sectionele panelen die samen genaaid worden – te gebruiken. Gebogen gores zijn langer in het midden dan aan de uiteinden. Drie hoofdgore-orientaties bestaan: verticaal, horizontaal en diagonaal. Diagonale gores zijn het meest economisch, stofverspilling minimaliserend. Veel gores zijn computer-ontworpen.

Twee dominante vormen zijn de druppel- en de ronde envelop. Druppelenveloppen klimmen sneller en gebruiken minder energie, terwijl ronde enveloppen minder stof gebruiken, oppervlakte en verhittingsbehoefte reducerend. Een typische envelop duurt ongeveer 400 vlieguren.

Mand

Manden zijn sinds de 1700ern grotendeels onveranderd gebleven, als vierkante rieten constructies die bij impact buigen. In de jaren zeventig experimenteerden sommige fabrikanten met aluminium en fiberglas gondels, maar deze waren gevoelig voor splijten bij harde landings. Een latere innovatie introduceerde een driehoekige mand, wat nieuwe instrumentpaneel-arrangementen mogelijk maakte. Manden duren typisch ongeveer 800 vlieguren.

Het Productieproces

Envelop

• Envelopconstructie begint met het naaien van gores. Of met de hand of industriële naaimachine, fabrikanten gebruiken een dubbele overlagnaad met ongeveer acht steken per inch (3 per cm). Sommige gebruiken een platte naad of zigzagnaad, maar de dubbele overlag biedt superieure sterkte en lichtheid. Belastingbanden en -touwen worden in deze fase ook genaaid.
• Na het naaien wordt de envelop bekleed. Coatings worden mechanisch onder druk aangebracht.
• Voor advertentiedoeleinden wordt een appliqué – zoals een slogan of logo – aangebracht. Dit kan met acrylspuitverf, zelfklevende letters of direct in de gores genaaid voor grotere artwork.

Mand

• Manden worden van de basis opgebouwd. Een multiplexbasis met lopen ondersteunt een rieten frame tot 2,5 cm dik. Roestvrijstahldraden en belastingframes omringen het frame. Ratten of wilgen worden om het frame geweven, met gaten voor cilinderrimen. De afgeronde mand wordt verlakt om vorm te behouden, en rawhide, leer of chamois beschermt de randen. Instrumentpanelen en propaantanks worden tijdens constructie geïntegreerd.

Brander

• Fabrikanten outsourcen vaak brandercomponenten, assemblend ze tussen mand en envelop na voltooiing van de andere onderdelen.

De Toekomst

Lopende innovaties richten zich op het mogelijk maken van hogere stijgingen, langere operatie en grotere controle. Meeste vooruitgang focust op verbeterde branderefficiëntie en verfijnde ontlastingssystemen, wat een nieuw tijdperk van hoogte- en lange-duur ballonvluchten belooft.