热气球的原理是空气的热胀冷缩。热气球燃烧器将燃烧加热的空气由气囊下部的端口喷入气囊，当空气受热膨胀后，相对与外部冷空气具有更低的密度，比重变轻而向上升起，使气球拖起吊篮一同升空。
当空气受热发生膨胀后，比重会变轻。因为单位体积热空气的质量较小，热空气比冷空气轻，热空气会升到冷空气上方，使其变轻产生浮力热，就可以使气球载重升空。热气球升空后，再使用燃烧开关来调整上升和下降高度。热气球要上升时，则需要不断加热空气；热气球要下降时，则需要等待空气冷却。
热气球的唯一飞行动力是风。对于环球飞行的热气球来说，必须选择速度和方向都合适的高空气流，并随之运动，才能高效地完成飞行。热气球需要利用不同高度层的风向来控制和调整自己的前进方向，它的飞行速度与风速相同，因此热气球不能主动改变方向。
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