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热气球的基本原理是热胀冷缩。当空气受热膨胀后，比重会变轻而向上升起。
热气球主要由一个巨大的气囊和一个用于装载人员或物品的吊篮以及用于加热空气的燃烧器组成。
燃烧器将燃烧加热的空气由气囊下部的端口喷入气囊，热空气聚集在气囊中产生升力，使气球拖起吊篮一同升空。
目前球囊通常由阻燃的强化尼龙或涤纶制成。球囊的质地很薄、很轻，但却有非常好的抗拉强度，而且是不透气的。
吊篮由藤条编制而成（我国大多数采用东南亚进口的材料），着陆时能起到缓冲的作用。
吊篮四角放置四个热气球专用液化气瓶，置计量器，吊篮内还装有温度表、高度表、升降表等飞行仪表。
燃烧器是热气球的心脏，比一般家庭煤气炉的燃烧能量大150倍。当主燃烧器点燃时，火焰有2-3 米高，并发出巨大的响声。点火燃烧器是主燃烧器的火种。一直保持火种，不会被风吹熄灭。另外，热气球上有两套燃烧系统以防备空中出现的故障。
热气球通常用的燃料是丙烷或石油液化气，气瓶固定在吊篮内，一只热气球能自带80公斤的液体燃料。
热气球没有动力系统，在空中是随风而行。但是，由于风在不同的高度有不同的方向和速度，驾驶员可以根据飞行需要的方向选择适当的高度。