"Khí cầu" là "một túi đựng không khí nóng" hay "các chất khí trong trường hợp dùng khí hidro" thì còn được gọi là khinh khí cầu, thường có khối lượng riêng nhỏ hơn không khí xung quanh và nhờ vào lực đẩy Ác-si-mét có thể bay lên cao trong khí quyển.
Các loại khí cầu nhỏ dùng cho trang trí hay đồ chơi trẻ em còn được gọi là bong bóng bay. Các loại lớn được dùng cho mục đích thám hiểm, thể thao, viễn thám khoa học, viễn thông,...
Có thể chia khí cầu thành 3 loại chính: loại dùng lửa để đốt nóng không khí bên trong và tạo sức nâng, loại dùng khí thuần túy (thường là heli hoặc hydro nhẹ hơn không khí), loại lai dùng không khí nóng và có thêm một ngăn chứa heli hoặc hydro ở trên cùng. Khí cầu lai và khí thuần túy được sử dụng nhiều cho những quãng đường xa vì đòi hỏi ít nhiên liệu hơn để duy trì trạng thái bay trong thời gian dài.
Khí cầu siêu áp hoạt động trong thời hạn siêu dài của NASA trong chuyến bay ở Nam Cực. (Ảnh: NASA)
Giới chuyên gia đã sử dụng khí cầu suốt nhiều thập kỷ để tiến hành các nghiên cứu khoa học. Qua thời gian, khả năng và độ tin cậy của khí cầu tăng lên đáng kể. Chúng cung cấp giải pháp nghiên cứu khoa học chi phí thấp với thời gian bay dài hơn.
Khí cầu khoa học tiêu chuẩn của NASA làm bằng màng polyethylene. Vật liệu này chỉ dày 0,002 cm. Khí cầu tiêu chuẩn này hở phía dưới để cân bằng áp suất bên trong với môi trường xung quanh. Hệ thống gồm khí cầu, dù và kiện hàng chứa thiết bị để tiến hành các phép đo khoa học.
Trong khi khí cầu tiêu chuẩn truyền thống có thời gian bay từ vài ngày đến vài giờ, khí cầu thời hạn dài của NASA thường đi qua các lục địa hay vòng quanh thế giới. Chuyến bay của chúng có thể kéo dài đến 3 tuần.
Ngoài ra, NASA cũng phát triển khí cầu thời hạn siêu dài. Loại khí cầu này làm bằng các vật liệu tiên tiến và sử dụng thiết kế hình quả bí ngô để thực hiện những chuyến bay lên tới 100 ngày. Chúng hoàn toàn kín và được điều áp để duy trì độ cao không đổi cả ngày lẫn đêm. Kiện hàng của khí cầu thời hạn siêu dài gồm hệ thống năng lượng mặt trời, bộ thu và phát sóng vô tuyến, máy tính, pin và các hệ thống khác cần thiết cho thí nghiệm khoa học.
Các khí cầu được phóng lên bằng cách bơm heli (chỉ bơm đầy một phần khí cầu) và thả với kiện hàng treo lơ lửng bên dưới. Khi khí cầu bay lên cao, khí heli sẽ nở ra và lấp đầy bên trong.
Sau khi các phép đo khoa học hoàn tất, trạm điều khiển phát lệnh vô tuyến để tách kiện hàng chứa thiết bị khỏi khí cầu. Kiện hàng nhẹ nhàng đáp xuống mặt đất nhờ một chiếc dù, sau đó có thể được thu hồi và tái sử dụng. Việc tách kiện hàng tạo ra một vết rách lớn trên khí cầu, giải phóng lượng heli còn lại. Khí cầu cũng rơi xuống đất, được thu hồi và vứt bỏ.