Budujemy aerostaty, czyli o tym, jak zbudować latający model balonu napełniany ogrzanym powietrzem
Trochę historii
W drugiej połowie XIII wieku bracia Etienne i Joseph Mongolfier, susząc pranie nad kominkiem, zauważyli, że buchające znad paleniska rozgrzane powietrze unosi materiał do góry. Wtedy to właśnie zaintrygowani zaobserwowanym zjawiskiem sięgnęli do traktatu o powietrzu Josepha Priestleya. Pod wpływem tej lektury rozpoczęli eksperymenty z papierowymi torebkami, które napełnione gorącym powietrzem nad piecem kuchennym unosiły się w górę. Doświadczenia z papierowymi torebkami naprowadziły ich na pomysł stworzenia balonu.
Pierwszy balon, który skonstruowali, został nazwany „Ad astra”, czyli „Do gwiazd”. Wykonali go z płótna i papieru. Miał średnicę ponad 10 metrów i wypełniało go rozgrzane, zatem rozrzedzone i przez to lżejsze od atmosferycznego powietrza, które ogrzewane było przez palące się pod nim ognisko. Był to balon bezzałogowy. Pierwszy raz wzbił się w niebo z rynku w Annonay 5 czerwca 1783 r. Kilka miesięcy później, tj. 19 września, w Wersalu wypuścili balon z owcą, kogutem i kaczką.
Pierwszym człowiekiem w historii lotnictwa, który wzniósł się w powietrze na balonie, był J.F. Pilatre de Rozier (15 października 1783 r.) Baloniarstwo szybko zdobyło popularność, do napełniania balonów zaczęto używać wodoru, już 1 grudnia 1783 r. Jacques Alexandre Charles wraz z Nicolasem Louisem Robertem podczas lotu balonem wypełnionym wodorem osiągnęli wysokość 524 m. Jednak balony miały istotną wadę, były zdane na łaskę natury i mogły latać tylko niesione wiatrem. Zmieniła to rewolucja przemysłowa, a dokładnie zastosowanie silnika, najpierw parowego.
W 1851 roku Henri Jules Giffard zgłosił patent na zastosowanie maszyny parowej do napędu balonu, tak powstał sterowiec. Pierwszy sterowiec wyposażony w śmigło napędzane maszyną parową o mocy 2,2 kW 24 września 1852 r. wzniósł się w powietrze i pokonał 27-kilometrową trasę z Paryża do Élancourt. Po wynalezieniu silnika spalinowego bardzo szybko zastosowano ten rodzaj napędu do sterowców. Sterowce były jak dotąd największymi statkami powietrznymi latającymi w ziemskiej atmosferze, największy z nich LZ-129 „Hindenburg” miał długość wynoszącą 245 m i średnicę 41 metrów. Po początkowych sukcesach w XIX i na początku XX wieku aerostaty straciły na popularności. Dziś balony bezzałogowe wykorzystywane są do badań atmosfery głównie jako balony meteorologiczne, natomiast rola balonów załogowych sprowadza się do lotów sportowych i rekreacyjnych - baloniarstwo jest jedną z dyscyplin sportów lotniczych.
Młodzi adepci sztuki modelarskiej też budują modele balonów, jest to w Aeroklubie Polskim jedna z dyscyplin sportów modelarskich przeznaczona dla młodzików, w części aeroklubów regionalnych rozgrywane są co roku zawody takich modeli, a ich zwycięzcy uczestniczą w Mistrzostwach Polski Modeli Balonów. Takie modele swoim wyglądem przypominają konstrukcje z początków baloniarstwa i często nazywane są „mongolfierkami”.
I trochę fizyki
Model balonu na ogrzane powietrze to rodzaj aerostatu, w którym siła wyporu powstaje na skutek różnicy gęstości ogrzanego powietrza wewnątrz i chłodniejszego na zewnątrz. Zgodnie z prawem Archimedesa siła nośna balonu jest równa:
F wyporu = V(ρ temp. zew. – ρ temp. wew.)
V – objętość balonu
ρ – ciężar właściwy powietrza
Żeby balon uniósł się w powietrze, siła wyporu musi być większa od jego ciężaru. Znając objętość balonu, temperaturę otoczenia oraz temperaturę wewnątrz balonu, możemy, wstawiając wartości z tabelki, obliczyć siłę wyporu.
Ale żeby nasz balon latał statecznie, jego środek ciężkości musi być umieszczony poniżej środka wyporu, tak żeby uzyskać zapas stateczności potrzebny do stabilnego lotu. Można to uzyskać poprzez przyklejenie kartonowego kołnierza wokół otworu do napełniania gorącym powietrzem, ciężar kołnierza spowoduje obniżenie środka ciężkości, zapewniając stateczny lot.
Budujemy model balonu
Modele balonów ze względów ekologicznych muszą być wykonane z lekkiej bibułki i klejone przy użyciu klejów roślinnych, czasem się może zdarzyć, że nasz balon wyląduje na drzewie lub w miejscu, skąd nie będziemy mogli go odzyskać. Bibułka jest materiałem naturalnym, ulegającym bardzo szybkiej biodegradacji. Nie mogą też zawierać źródła ciepła, są napełniane gorącym powietrzem tuż przed startem i latają do momentu ostygnięcia powietrza wewnątrz balonu, jest to podyktowane względami bezpieczeństwa.
Do budowy modelu balonu potrzebować będziemy 10 arkuszy gładkiej bibułki o rozmiarze 50×70 cm. Taką bibułkę można kupić w sklepach papierniczych lub hurtowniach opakowań. Poza bibułką niezbędny jest pasek papieru do wzmocnienia i obciążenia dołu balonu, klej roślinny w sztyfcie oraz ostre nożyczki.
Arkusze bibułki sklejamy po dwa i składamy w pakiet, na którym rysujemy kontur brytu. Wycinamy naraz wszystkie 5 brytów, z wyciętych brytów sklejamy powłokę balonu. Dół balonu wzmacniamy, przyklejając pasek papieru o szerokości ok. 5 cm, a od góry przyklejamy wzmacniający krążek wycięty z bibułki. Po wyschnięciu kleju dokładnie sprawdzamy, czy powłoka balonu jest dokładnie sklejona, pozostawienie szczelin czy miejsc niedoklejonych spowoduje, że gorące powietrze szybko ucieknie z balonu.
Jeśli nasz balon jest już gotowy, możemy wypuścić go w powietrze. Do napełnienia balonu gorącym powietrzem najprościej jest użyć elektrycznej nagrzewnicy - opalarki, dobrze, jeśli nagrzewnica ma regulację temperatury, do momentu napełnienia powłoki balonu nagrzewnica pracuje ze zmniejszoną mocą, pełnej mocy używamy do dogrzania już napełnionego modelu. Podczas startów balonów na dworze najczęściej używa się palnika gazowego i specjalnego „kominka” wykonanego z kawałka elastycznej metalowej rury zamocowanej na trójnogu.
Przedstawiony tutaj model balonu jest najmniejszą poprawnie latającą konstrukcją wykonaną z bibułki, ale z bibułki można wykonać całkiem spore konstrukcje latających balonów.
Mariusz Wrona
