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？

1、引言

(资料图片)

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，不像热气球，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。