四川一景区热气球坠落发生悲剧,属于惰性气体的氦气为什么会爆炸?-当前视讯

2023-01-23 16:25:57 来源:力学Nerd王小胖

1、引言


(资料图片仅供参考)

大年初一,四川乐山的一个景区内,发生了热气球升空坠落事故,目前已导致1死3伤。根据媒体的采访报道:正常情况下,这个热气球是由钢丝绳牵住,只能升空10余米。事发的热气球因钢丝绳断裂,失控后持续上升,约1000m后发生爆炸。另外,从采访画面中,也发现所谓的“热气球”并没有热源提供热气,有媒体已经证实它其实是个氦气球

所以,这起事故发生原因:1、钢丝绳断裂,2、氦气球爆炸。两者先后发生,才酿成事故。如果单独发生,或许并不会致死。去年九月打松塔的“热气球”,相当于满足了条件1,最后有惊无险,安全落地。实际上,打松塔的热气球其实是氢气球,是一种遇明火极易发生爆炸的气体。而这次事发气球是氦气,一种惰性的气体,一般状态下很难与气体物质发生反应。可是为什么会发生爆炸呢?

2、浮力的计算——了解钢丝绳的受力

氦气的密度0.1785g/L(178.407g/m3),约是标准空气(1.29kg/m3)的 1/7。正因为其密度小,才能在空气中浮起来,就像浮于水面一样。

漂浮的气球

根据阿基米德的浮力公式,物体受到的浮力等于其排开流体的重力,F浮=ρ空gV排,其实也就是上下的大气压力差。事故的氦气球体积并不清楚,不过根据有关标准,能够乘坐4人的气球,其体积大概是2200m3,充满气后球高21米,最大直径18米。按此测算,该氦气球在地面时的升力约27.8KN,是一个成年人体重的37倍。去掉气球的自重,带个3-4个人,完全没问题。

3、钢丝绳的断裂

空载情况下,游客还未上去,此时钢丝绳的受力是最严重的,受到的拉力最大。这种氦气球,不想热气球,产生自重的结构较少,整体重量较轻。没有查到具体多重,大概是5KN的自重。这样的话,钢丝绳承受的拉力至少22.8KN。为了方便控制升降,大概率是靠单根钢丝绳拉扯控制。不然,也就不会发生此次事故了,因为想要几根钢丝绳同时断裂,是不太可能的。

钢丝绳

这种用途下的钢丝绳,肯定不是单根钢丝,而是多根钢丝组合而成,一般情况下其直径约5mm。这样的话,这根钢丝绳内部应力约有1161MPa,钢丝绳比较低的强度等级有1470MPa。所以,正常情况下,5mm粗的钢丝绳是可以拉住这个氦气球的。不过,强度余量仅多了300多MPa,安全系数不够高。如果有较大的横风助力,这根钢丝绳很有可能会吃不消。如果选择等级更好、直径更大的钢丝绳,那么安全也更有保障。

吊着的钢丝绳

即便钢丝绳能够承受住这气球的拉扯之力,但是时间长了,钢丝绳的力学性能会下降。我敢打赌,这种用途的钢丝绳,就是传统工艺加工而成的,就是普通的钢丝绳。它不像冰丝带屋顶的那种缆索(高钒密闭索),各方面都有着较好的力学性能。这种普通的钢丝绳,时间长了都会有问题。1、长期处于拉扯和放松交替工作的状态,是一种低周疲劳,这种工作状态下,其内部微结构会发生变化,从而影响整体的承载能力。2、这种普通钢丝绳易生锈,日晒雨淋之下,逐渐腐蚀钢丝,减小其受力面积,增大其内部应力,最终“啪”地一声,断成两段。

生锈的钢丝绳

4、氦气球的爆炸——物理炸裂

众所周知,氦气与氢气不一样,是一种比较稳定的气体,一般情况下不与其他物质发生反应。氦气不存在闪点,也就是说氦气与空气形成混合物时,是不会被点燃的,那就更不可能会引发爆炸了。氦气遇到火都不会燃烧,那么事发的氦气球为何会爆炸?

流浪地球太阳氦闪

这个爆炸确实发生,有人明显听到了爆炸发出的声音。不过,这个爆炸不是化学爆炸,而是物理爆炸。也就是气球内压太大了,被撑爆了。在地面上还好好的,怎么到了高空就爆了呢?原因在于大气密度。前面的大气密度1.29kg/m3,其实是地面的密度,随着高度的增加,空气越来越稀薄,其密度也会逐渐降低。

大气密度与高度的关系(知乎:爱吃兔子的草)

上图为大气密度与高度的关系,随着高度的增加,在2W米以内,密度呈直线下降。事发氦气球的高度,据媒体报道,大概是1000米左右,因为从高空坠下,其过程也就数十秒。虽然1000m的高度,其密度变化并不太大,但是也是下降了的,估算的话大概是1.20kg/m3,比地面小了0.09kg/m3

高空气压下降

在空中的热气球球布,内部有氦气的内压,外侧有大气压。在地面上的时候,外侧的大气压较大,内部充气后,这块气球布在内压下想要膨胀,但是外部大气压压迫着它,在内外压之下保持平衡。但是,到了高空之后,外部大气压变小了,内部压力得到释放,气球布被胀大,结果这块气球布承受不了这种膨胀,直接发生爆裂了。

气球爆炸

在海拔3000米以内,每上升10米,大气压大约降低100 Pa。那么1000米处的大气压约下降了10KPa,是地面大气压的10%。10%的气压变化,对于一个结构来说并不大。发生此次事故的一个原因,大概率在于商贩把氦气球的气,充得太足了(默认气球质量过关)。不然,10%的外载变化,还是能够承受得起的。

5、总结

本次事故源于钢丝绳的断裂,和气球的物理爆炸。在假设所有东西都合格的前提下,钢丝绳的断裂可能源于时间太长,有疲劳损伤和腐蚀;气球的物理爆炸可能源于商贩充气太足。权威的结论,等待官方调查结果。

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