ส่วนประกอบและการทำงานของอากาศยานประเภทเบากว่าอากาศ

บอลลูนประกอบด้วยภาชนะบรรจุก๊าซรูปทรงกลมทำด้วยวัสดุเบาเป็นพิเศษ มีที่บรรทุกคน หรือสิ่งของแขวนห้อยอยู่ข้างใต้ ซึ่งโดยมากมักทำเป็นรูปคล้ายตะกร้า เมื่อลอยสูงขึ้นไปแล้วจะล่อง ลอยไปตามกระแสลมแต่บังคับทิศทางไม่ได้ ถ้าเป็นบอลลูนล่าม ภาชนะบรรจุก๊าซมักทำเป็นรูป เพรียวลม คล้ายบุหรี่ซิการ์เพื่อต้องการให้มีการทรงตัวดี และลอยหันหัวทวนลมเสมอ

มีการประดิษฐ์เรือเหาะขึ้นต่อจากบอลลูนเมื่อความเจริญของเครื่องยนต์สันดาปภายในได้ก้าวไปถึงขนาดที่พอจะใช้ในการขับเคลื่อนอากาศยานได้แล้วเรือเหาะมีรูปร่างคล้ายซิการ์มีโครงทำด้วยโลหะน้ำหนักเบาเป็นพิเศษหุ้มผ้าตลอดทั้งตัวทำหน้าที่เป็นภาชนะบรรจุก๊าซมีเครื่องยนต์ขับเคลื่อนและมีหางเสือสามารถบังคับทิศทางตามต้องการได้มีห้องบรรทุกผู้โดยสารติดอยู่ด้านใต้ท้องในระยะแรกการสร้างเรือเหาะใช้โครงแบบอ่อนและแบบกึ่งเกร็งต่อมา เคานต์ เซปเปลิน แห่งเยอรมนีได้สร้างแบบโครงเกร็งขึ้นมีความยาวถึง ๒๔๔ เมตร และมีปริมาตรบรรจุก๊าซได้ถึง ๑๙๘,๒๔๐ ลูกบาศก์เมตร ซึ่งนับได้ว่า เป็นเรือเหาะใหญ่ที่สุดในโลก

ก๊าซที่ใช้บรรจุในบอลลูนและเรือเหาะส่วนมาก คือ ไฮโดรเจนซึ่งหนักประมาณ ๐.๐๘๙๘๗ กิโลกรัมต่อลูกบาศก์เมตรแต่มีข้อเสีย คือ เป็นวัตถุไวไฟมากทำให้เกิดไฟไหม้ง่ายต่อมาจึงได้เปลี่ยนเป็นก๊าซฮีเลียมซึ่งไม่ติดไฟแต่หนักเป็น ๒ เท่าของไฮโดรเจน คือ ๐.๑๗๙๗ กิโลกรัมต่อ ลูกบาศก์เมตร 

การลอยตัวของบอลลูนและเรือเหาะเกิดขึ้นได้เพราะอากาศโดยรอบพยายามผลักดันให้ลอยสูงขึ้นตามกฎของอาร์คีมีดีสที่ว่า "เทหวัตถุใดก็ตามที่แทรกตัวอยู่ในของเหลวย่อมจะถูกของเหลวซึ่งมีปริมาตรเท่ากับเทหวัตถุนั้นยกหรือดันขึ้น" อากาศก็กระทำตัวแบบของเหลวเหมือนกันบอลลูนหรือเรือเหาะจึงถูกอากาศดันขึ้นสู่เบื้องสูงด้วยแรงเท่ากับน้ำหนักของอากาศซึ่งมีปริมาตรเท่าบอลลูนหรือเรือเหาะนั้น ถ้าแรงดันของอากาศเท่ากับน้ำหนักบอลลูนหรือเรือเหาะก็จะลอยอยู่ในอากาศได้ถ้าแรงดันของอากาศมากกว่าบอลลูนหรือเรือเหาะก็จะลอยขึ้นสู่เบื้องบนและตรงกันข้ามถ้าแรงดันของอากาศน้อยกว่า บอลลูนหรือเรือเหาะก็จะตกลงสู่พื้นดิน

เนื่องจากอากาศหนัก ๑.๒๗๗ กิโลกรัมต่อปริมาตรหนึ่งลูกบาศก์เมตรของที่มีปริมาตรหนึ่งลูกบาศก์เมตรต้องมีน้ำหนักไม่เกิน ๑.๒๗๗ กิโลกรัม จึงจะลอยอยู่ในอากาศได้เหตุนี้จึงต้องสร้างบอลลูนหรือเรือเหาะ ซึ่งมีขนาดใหญ่ให้มีน้ำหนักน้อยที่สุดจึงต้องใช้วัสดุมีน้ำหนักน้อยที่สุดโดยมีความแข็งแรงอันเหมาะสมซึ่งไม่มีวัสดุใดที่มีปริมาตรหนึ่งลูกบาศก์เมตรและหนักไม่เกิน ๑,๒๗๗ กิโลกรัม จะสนองความต้องการนี้ได้จึงจำเป็นต้องบรรจุก๊าซเบาที่สุดไว้ภายในตามทฤษฎีแล้วในภาชนะบรรจุก๊าซควรเป็นสุญญากาศแต่ทางปฏิบัติทำไม่ได้เพราะถ้าภายในเป็นสุญญากาศแล้วจะต้องสร้างโครงเรือเหาะหรือโครงเปลือกบอลลูนให้แข็งแรงสามารถทนความดันของบรรยากาศที่กระทำต่อพื้นผิวภายนอกถึง ๑.๐๒๙ กิโลกรัมต่อตารางเซนติเมตรได้ซึ่งแน่นอนว่าจะต้องหนักเกิน ๑.๒๗๗ กิโลกรัมต่อลูกบาศก์เมตรฉะนั้นจึงจำเป็นต้องบรรจุก๊าซเบากว่าอากาศเข้าไปช่วยให้เกิดแรงดันที่ผิวภายในให้เท่ากับความกดของอากาศภายนอกทำให้ไม่จำเป็นต้องมีผิวภาชนะบรรจุก๊าซที่แข็งแรงมากจึงสามารถสร้างให้เบาได้

การบังคับให้ลอยสูงขึ้นและต่ำลงของบอลลูนและเรือเหาะเป็นปัญหายุ่งยากมากต้องมีถุงอับเฉาขึ้นไปด้วยเมื่อต้องการลอยสูงขึ้นกว่าระดับเดิมก็ต้องทิ้งอับเฉาลงเพื่อลดน้ำหนักและเมื่อต้องการลงต่ำก็ระบายก๊าซที่บรรจุไว้ออกทิ้งให้อากาศภายนอกเข้าไปแทนที่ทั้งอับเฉาและก๊าซที่บรรจุไว้ต่างก็มีจำนวนจำกัดเมื่อทิ้งอับเฉาหมดแล้วก็จะลดน้ำหนักต่อไปอีกไม่ได้และก๊าซที่บรรจุไว้เมื่อระบายออกก็ย่อมจะเหลือน้อยลงทุกทีจะเพิ่มเติมได้ก็ต่อเมื่อลงมาถึงพื้นดินอีกครั้งหนึ่งเท่านั้นสรุปแล้วความสะดวกในทางปฏิบัติมีน้อยมาก

อีกปัญหาหนึ่งคือความกดของบรรยากาศซึ่งลดน้อยลงเป็นปฏิภาคกลับกับระยะสูงที่เพิ่มขึ้นทำให้เป็นการยากที่จะรักษาความดันภายในภาชนะบรรจุก๊าซให้เท่ากับความกดของบรรยากาศภายนอกอยู่ได้ ตลอดเวลาที่ระยะสูงเปลี่ยนแปลงไปนอกจากจะต้องทำให้ภาชนะบรรจุก๊าซเปลี่ยนแปลงปริมาตรได้ซึ่งเป็นเรื่องยุ่งยากในการออกแบบสร้างสำหรับบอลลูนอาจทำได้โดยบรรจุก๊าซขณะที่ยังอยู่บนพื้นดินให้มีความกดดันพอสมควรและภาชนะบรรจุก๊าซยังไม่พองตัวเต็มที่เมื่อขึ้นไปสูง ๆ ความกดดันของบรรยากาศลดลงความกดดันของก๊าซภายในจะดันภาชนะบรรจุก๊าซให้พองออกจนเต็มขนาดถ้าบรรจุก๊าซไว้เต็มที่ขณะอยู่บนพื้นดินเมื่อลอยสูงขึ้นไปจะดันภาชนะบรรจุก๊าซให้พองตัวจนกระทั่งระเบิดแตกออกในที่สุดเรือเหาะก็อาจแก้ไขด้วยวิธีเดียวกับบอลลูนได้แต่มีความยุ่งยากในการออกแบบสร้างมากกว่าหลายเท่า

จากปัญหาต่าง ๆ ที่กล่าวแล้วรวมทั้งความไม่สะดวกอื่น ๆ เช่น ต้องมีขนาดใหญ่โตการเคลื่อนไหวอุ้ยอ้ายชักช้าการจอดก็ลำบากความปลอดภัยก็มีน้อยเพราะเกิดไฟไหม้บ่อย ๆ ในบอลลูนหรือเรือเหาะที่จำเป็นต้องใช้ไฮโดรเจนเพราะไม่อาจจะหาฮีเลียมมาบรรจุได้ประกอบกับการค้นคว้าทางอากาศยานหนักว่าอากาศเริ่มจะก้าวหน้าไปในทิศทางที่ถูกต้องและได้ผลดียิ่งขึ้นไปเรื่อย ๆ มนุษย์จึงหันมาเพ่งเล็งการบินด้วยนอากาศยานหนักกว่าอากาศแทนความเจริญของอากาศยานเบากว่าอากาศจึงก้าวหน้าไปแค่เรือเหาะเท่านั้น