Khinh khí cầu bay như thế nào: cấu tạo, nguyên lý hoạt động và cách điều khiển

Khinh khí cầu là một trong những loại phương tiện bay lâu đời nhất, nhưng đồng thời lại đặc biệt hiệu quả, có thể giữ mình trên không nhờ lực đẩy Archimedes.

Khác với máy bay, nó không cần phải liên tục chuyển động để duy trì chuyến bay, mà có thể lơ lửng, di chuyển chậm và thực hiện các thao tác cơ động.

Trong bài viết này, chúng tôi sẽ xem khinh khí cầu được cấu tạo như thế nào, nhờ đâu nó nâng lên không trung, nó di chuyển và được điều khiển ra sao, đồng thời các mẫu hiện đại khác gì so với các mẫu cổ điển.

Khinh khí cầu được nâng lên không trung nhờ lực nâng dựa trên định luật Archimedes: một vật chìm trong chất lỏng hoặc khí sẽ chiếm chỗ một thể tích môi trường bằng chính thể tích của nó và chịu một lực hướng lên bằng trọng lượng của phần môi trường bị chiếm chỗ.

✔ Thể tích vỏ bao được bơm đầy bằng khí nhẹ (ví dụ heli hoặc hiđrô), nhẹ hơn không khí xung quanh.

✔ Trọng lượng của lượng không khí bị chiếm chỗ lớn hơn trọng lượng của chính khinh khí cầu (bao gồm khí, vỏ bao, gondola và hàng hóa).

✔ Hình thành lực nâng dư, đưa phương tiện đi lên.

Áp suất bên trong các khoang khí được duy trì ở mức cho phép giữ hình dạng và thể tích; đồng thời, thiết kế có cơ chế bù trừ sự thay đổi áp suất khi lên cao và hạ xuống.

Những loại khí chính được dùng để bơm đầy khinh khí cầu:

Hiđrô — là khí nhẹ nhất, tạo lực nâng lớn nhất.

✅ Ưu điểm:

khả năng tạo lực nâng lớn.

❌ Nhược điểm:

cực kỳ dễ nổ (thảm họa «Hindenburg» năm 1937 đã trở thành bước ngoặt).

Được sử dụng vào đầu thế kỷ XX, nhưng hiện nay hầu như không còn được dùng.

Heli — là khí trơ, không cháy, nhẹ thứ hai sau hiđrô.

✅ Ưu điểm:

an toàn, ổn định.

❌ Nhược điểm:

lực nâng thấp hơn 8% so với hiđrô;

đắt hơn và khó khai thác hơn.

Khinh khí cầu hiện đại gần như luôn được bơm bằng heli.

Để di chuyển, khinh khí cầu được trang bị động cơ và cánh quạt (chân vịt).

• Động cơ xăng / động cơ đốt trong — từng được dùng ở các mẫu đời đầu.

• Động cơ diesel — tiết kiệm hơn, được dùng trong các khinh khí cầu hạng nặng hiện đại.

• Động cơ điện — ngày càng được sử dụng nhiều trong các mẫu mới thân thiện với môi trường (ví dụ: khinh khí cầu phục vụ giám sát môi trường).

• Được bố trí trên gondola hoặc trên các cột đỡ nhô ra.

• Có thể cố định hoặc điều khiển được (vectơ lực đẩy).

• Cánh quạt xoay giúp khinh khí cầu đi tới, lùi, sang ngang và thậm chí treo tại chỗ.

• Một số mẫu hiện đại sử dụng nhiều cánh quạt để tăng khả năng cơ động.

Cánh quạt tạo lực đẩy, đẩy khinh khí cầu tiến, sang bên hoặc lùi lại, tùy theo chiều quay và góc lắp đặt.

1. Vỏ bao — lớp vỏ ngoài kín khí, làm từ vật liệu bền, nhẹ và chịu tia cực tím (ví dụ polyester hoặc composite nhiều lớp). Bảo vệ các khoang bên trong và tạo hình khí động học.

2. Túi khí (khoang khí) — bên trong vỏ bao có một hoặc nhiều túi mềm chứa heli (hoặc hiđrô). Chúng không căng vỏ bao mà chỉ đơn giản lấp đầy thể tích của nó.

3. Túi đàn hồi (air cells / túi khí) — các túi không khí bổ sung bên trong vỏ bao, được bơm đầy hoặc xả bớt không khí để điều chỉnh áp suất và lực nâng.

4. Gondola (giỏ treo) — khoang treo dưới vỏ bao, nơi có phi hành đoàn, hành khách, động cơ, thiết bị và các hệ thống điều khiển.

5. Sống dọc và cánh ổn định — các bộ phận cứng ở phần đuôi, đảm bảo độ ổn định. Trên sống dọc gắn:

• bánh lái hướng (thẳng đứng);

• bánh lái độ cao (nằm ngang).

6. Hệ thống liên kết và dây cáp — nối tất cả các bộ phận và phân bổ tải trọng.

Việc điều khiển khinh khí cầu bao gồm:

• Các bánh lái:

- Bánh lái hướng — quay khinh khí cầu sang trái/phải (yaw).

- Bánh lái độ cao — nâng hoặc hạ mũi (pitch), giúp tăng hoặc giảm độ cao.

• Điều chỉnh độ cao:

-Tải dằn — xả nước hoặc cát để giảm trọng lượng và bay lên.

- Khoang khí và túi không khí — khi lên cao, không khí trong các túi giãn nở và được xả bớt; khi hạ xuống — bơm thêm không khí để duy trì áp suất.

- Thay đổi áp suất — hệ thống thông gió cho phép xả hoặc bơm không khí vào các túi đàn hồi, điều chỉnh khối lượng riêng tổng thể của phương tiện.

• Dây neo và việc neo đậu:

- Khi hạ cánh và đỗ, khinh khí cầu được giữ bằng dây neo và đội mặt đất.

- Đôi khi dùng hệ thống cột neo — khinh khí cầu được buộc vào một cột cao, giống như tàu neo vào cầu cảng.

1. Khinh khí cầu được giữ bằng dây trên mặt đất.

2. Khởi động động cơ — tạo lực đẩy.

3. Lực nâng đã tác dụng, nhưng trọng lượng của gondola và tải dằn vẫn giữ phương tiện lại.

4. Tải dằn (nước, cát) được xả dần, khinh khí cầu trở nên nhẹ hơn.

5. Khi lực đẩy và lực nâng đủ lớn, phương tiện rời khỏi mặt đất.

6. Các bánh lái điều khiển giúp ổn định hướng bay và bắt đầu chuyến bay.

1. Khinh khí cầu hạ xuống, giảm lực đẩy.

2. Đội mặt đất bắt các dây buộc.

3. Phương tiện được cố định dần, có thể được neo vào cột.

4. Khi cần, bơm thêm không khí vào các túi đàn hồi để tránh vỏ bao bị chùng.

• Kết cấu cứng hoặc bán cứng — nhiều mẫu mới có khung (ví dụ: ở khinh khí cầu Zeppelin NT), giúp tăng độ bền và độ ổn định.

• Cánh quạt điều khiển được — cho phép bay theo phương thẳng đứng, sang ngang, treo tại chỗ.

• Động cơ điện và hệ thống lai — giảm tiếng ồn và khí thải.

• Vật liệu hiện đại — vỏ bao làm từ composite, chịu được điều kiện thời tiết và tia UV.

• Hệ thống điều khiển tự động hóa — GPS, cảm biến áp suất, hệ thống lái tự động.

• Ứng dụng — quảng cáo, quan sát, giám sát môi trường, du lịch, vận chuyển hàng hóa đến những khu vực khó tiếp cận.

• Dáng dài, hình điếu xì gà, mũi và đuôi thuôn.

• Vỏ ngoài nhẵn, thường màu trắng (phản xạ ánh nắng).

• Ở đuôi — vây đuôi với các bánh lái (thẳng đứng và nằm ngang).

• Ở hai bên hoặc phía dưới — gondola (giỏ treo), treo bằng dây cáp.

• Cánh quạt có thể nhìn thấy ở bên hông hoặc phía sau.

• Thấy rõ gondola với các ô cửa sổ tròn, đèn hạ cánh và đôi khi cả càng đáp.

• Từ gondola có các dây cáp nối lên vỏ bao.

• Cánh quạt hướng xuống dưới hoặc ra phía sau.

• Trên vỏ bao có thể có các cửa bảo trì, cảm biến và ăng-ten.

Khinh khí cầu hiện đại thường được dùng trong chụp ảnh trên không, và hình ảnh của chúng có sẵn ở độ phân giải cao — nhìn từ dưới lên, chúng giống như «một chiếc xe buýt hình điếu xì gà bay với một giỏ treo».

Khinh khí cầu là một phương tiện bay độc đáo, kết hợp vật lý lực nổi, khí động học và kỹ thuật chế tạo. Nhờ sử dụng khí nhẹ, động cơ và điều khiển chính xác, nó có thể nâng lên êm ái, treo tại chỗ và cơ động.

Công nghệ hiện đại đã làm khinh khí cầu an toàn hơn, hiệu quả hơn và giàu triển vọng hơn, mở ra những cơ hội mới cho việc ứng dụng trong thế kỷ XXI.

Quý vị muốn tham gia vào việc sản xuất khinh khí cầu và nhận lợi nhuận từ việc khai thác chúng? Hãy tham gia theo liên kết, trở thành nhà đầu tư hoặc đối tác của dự án «Khinh khí cầu thế hệ mới».