最早的热气球应该是我国的孔明灯，孔明灯用竹篾扎成框架，除底部之外都用纸糊起来。放飞时，点燃下部悬挂的燃料盘中的松脂，加热灯内的空气，使灯内空气温度升高，压强增大，就会将一部分空气排出，使自身重力减小，当整体的重力小于浮力时，就腾空而起。孔明灯据说曾被用来传递军事信号，还被当作祈愿灯，更多的是一种娱乐活动，基本是一次性的，只考虑如何升空，没有如何下降。不过，最终会落下来，因为所带燃料会慢慢燃尽，灯内空气温度会降低，压强减小，大气压将外部空气压入灯内，使灯的重力增大，当整体的重力大于浮力时，就会降落。
现代气球比孔明灯复杂得多，主要由球囊、加热器和吊篮组成。放飞时，先用鼓风机将球囊吹开，然后点燃加热器，向球囊中吹入热空气，将球囊吹起来后继续对球囊内的空气加热，使球囊内空气温度升高，压强增大，排出一部分后，使总重力小于浮力而升空。当然，现代热气球通常要载人的，必须考虑好安全降落，其实很容易想到，就是减弱加热器的火力，使气球内空气温度降低，压强减小，可能会使热气球体积有所减小，所受浮力增大，但变化不大，主要是外部冷空气被压入球内，使气球的重力增大，当整体的重力大于浮力时，气球就会下降。
简单来说是通过控制热气球“气囊”中的热气温度，实现控制上升和下降的 。在气囊开口处，有一个“喷火”装置，喷火时，气囊中温度升高，气球上浮；不喷火时，气囊中的热空气逐渐冷却，气球下沉。热气球的升和降与球体内气温有关，球体内气温高，气球重力减小，小于浮力时，气球就上升，球体内空气温度下降，球体产生的浮力小于球度体自身重量和载重，气球就开始下降。球囊内空气被加热后密度变小，质量轻于球囊外相同体积的冷空气，于是球囊产生浮力而升空。相反，要让热气球降落，逐步关闭燃烧器，让气球内空气冷却即可下落。
具体的物理原理是：热气球飞行是根据热空气密度比冷空气密度小，相同体积热空气比冷空气轻而产生浮力的原理。把球囊内的空气加热,使其变轻产生浮力,就可以使气球载重升空。用开燃烧开关的间隔时间长短，调整球囊温度（气体密度）来控制热气球的上升和下降；利用不同高度层的风向来控制和调整自己的前进方向；利用热空气密度小于冷空气的密度,因此能浮在冷空气上.只要改变热空气的温度 就能实现上浮、下降和悬浮.热气球–热空气密度小於冷空气的密度 因此能浮在冷空气上 只要改变热空气的温度 就能实现上浮、下降和悬浮。
原理其实很简单，在中学的时候，我们学到了密度这一概念，空气是有质量的物质。相同体积的空气，温度不同，它们的密度、质量也不同。这就像水和冰，水结成冰后密度变小。把冰块按入水底，它总漂上来，就是因为冰比水密度小的缘故。气球升空的原理简单地说就是：球囊内空气被加热后密度变小，质量轻于球囊外相同体积的冷空气，于是球囊产生浮力而升空（像冰块在水中上浮一样）。对航空器而言，我们把这一浮力叫做升力。比如一个标准的AX—7级的热气球，它的球囊体积为2180立方米（77000英尺3），在海平面气温15℃时，该球囊内空气总质量为2670公斤。燃烧器将球囊内空气加温时，囊内空气膨胀，密度变小，膨胀后多余的空气从气球底口排出。囊内2180立方米的热空气达到100℃时，质量变为2070公斤，比相同体积的冷空气（15℃）轻了600公斤，此时气球产生了600公斤的升力。如果气球飞行总质量小于600公斤，气球就可以上升了。
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