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Page d'aide sur l'homonymie Pour les articles homonymes, voir Ballon.

Un ballon à gaz est un ballon non motorisé gonflé d'un gaz plus léger que l'air, en général du dihydrogène (forme gazeuse de l'hydrogène), du gaz d'éclairage ou de l'hélium, contrairement à la montgolfière, dont l'enveloppe est gonflée d'air chaud. Comme tout aérostat, c'est-à-dire un aéronef se sustentant grâce à la poussée d'Archimède.

Ce peut être :

  • un ballon libre, qui dérive en subissant la vitesse et la direction du vent, mais peut se diriger en faisant varier son altitude.
  • un ballon captif, maintenu par câble.
  • un ballon captif mobile terrestre (type ballon d'observation).
  • un ballon captif mobile maritime, le ballon est maintenu par un câble à une structure flottante lui permettant de se déplacer sur la mer avec le vent comme énergie propulsive.
  • un ballon en grappe.
  • un ballon Meusnier. ballon conçu avec des ballonnets d'air, qui servira plus tard au pilotage du gaz des ballons dirigeables[1].

HistoireModifier

 
Représentation de l'aéronef inventé par Lana

En 1670 Francesco Lana de Terzi, jésuite de Brescia, confiant dans la poussée d'Archimède appliqué à l'air, émit le projet de construction d'un navire à voiles et à rames qui devait voyager dans l'air. Ce navire aérien se composait de quatre sphères creuses de 20 pieds de diamètre et qui devaient être complètement vides d'air. Mais la manière d'y produire le vide était défectueuse et l'exécution à peu près impossible, ils devaient être en cuivre et n'avoir environ qu'un dixième de millimètre d'épaisseur[2]. Dans une situation théoriquement parfaite avec des sphères sans poids, un « ballon à vide » serait 7 % plus léger qu'un ballon rempli d'hydrogène et 16 % plus léger qu'un hélium. Toutefois, étant donné que les parois du ballon doivent pouvoir rester rigides sans implosion, le ballon ne peut être construit avec aucun matériau connu. Cela n'était pas passé inaperçu à Leibniz, Hooke et Borelli, en plus de l'impossibilité d'y faire le vide par le procédé indiqué par Lana. Malgré cela, il y a de nos jours encore matière à discussions sur le sujet[3].

Les idées de ce genre commençaient à se faire jour dès le milieu du XVIIe siècle. On en veut pour preuve un passage du De motu animalium (1680) par Giovanni Alfonso Borelli, médecin et physicien de Naples, qui renseigne que diverses personnes se sont récemment imaginé qu'en imitant la manière dont les poissons se soutiennent dans l'eau (selon la poussée d'Archimède avec leur vessie natatoire), on pourrait mettre le corps humain en équilibre avec l'air en employant une grande vessie vide ou remplie d'un air très rare et en la faisant d'une telle ampleur qu'elle pourrait maintenir un homme suspendu dans le fluide aérien. Mais Borelli loin d'adopter ces idées qui assimilaient l'air à l'eau, s'attachait au contraire à les réfuter[4].

Le 19 avril 1709, un brevet pour une « machine volante » est déposé par Bartolomeu Lourenço de Gusmão et expérimenté à la même époque.

Joseph Galien (en) qui unissait la connaissance de la théologie à celle de la physique publia en 1755 à Avignon un opuscule in 12 intitulé : « Mémoire touchant la nature et la formation de la grêle et des autres météores qui y ont rapport, avec une conséquence ultérieure de la possibilité de naviger [sic] dans l'air à la hauteur de la région de la grêle. Amusement physique et géométrique », réimprimé à Avignon en 1757. Voici quelques passages de cet opuscule qui fut lors de son apparition considéré comme l'œuvre d'un fou : « Notre vaisseau pour naviguer dans les airs nous le construisons de bonne et forte toile doublée bien cirée ou goudronnée couverte de peau et fortifiée de distance en distance de bonnes cordes ou même de câbles dans les endroits qui en auront besoin soit au dedans soit au dehors en telle sorte qu à évaluer la pesanteur de tout le corps de ce vaisseau indépendamment de sa charge ce soit environ deux quintaux par toise carrée ». Après s'être étendu sur la grandeur de son vaisseau, Galien continue ainsi : « Nous voilà donc embarqués dans l'air avec un vaisseau d'une terrible pesanteur. Comment pourra-t-il s'y soutenir et transporter tout un attirail de guerre jusqu'au pays le plus éloigné. C'est ce que nous allons examiner. La pesanteur de l'air de la région sur laquelle nous établissons notre navigation étant supposée à celle de l'eau comme 1 à 1000 et la toise cube d'eau pesant 15120 livres, il s'ensuit qu'une toise cube de cet air pèsera environ 15 livres et 2 onces et celui de la région supérieure étant la moitié plus léger la toise cube ne pèsera qu'environ 7 livres 9 onces ; ce sera cet air qui remplira la capacité du vaisseau. C'est pourquoi nous l'appellerons l'air intérieur qui réellement pèsera sur le fond du vaisseau à raison de 7 livres 9 onces par toise cube. Mais l'air de la région inférieure lui résistera avec une force double de sorte que celui-ci ne consumera que la moitié de la force pour le contre balancer et il lui en restera encore la moitié pour contre-balancer et soutenir le vaisseau avec toute sa cargaison... Quant à la forme qu'il faudrait donner à ces vaisseaux, elle serait sans doute bien différente de celle dont nous venons de parler. Il y aurait beaucoup de choses à ajouter ou à réformer pour les rendre commodes et bien des précautions à prendre pour obvier aux inconvénients ; mais ce sont des choses que nous laissons aux sages réflexions de nos habiles machinistes[4]. »

 
Les utopies de la navigation aérienne au siècle dernier. Vers 1890

Les frères Montgolfier réalisent leurs premières expériences avec des ballons à air chaud en 1782. Le 27 août 1783, le physicien Jacques Charles et les frères Robert font voler un ballon gonflé à l'hydrogène sur le Champ de Mars à Paris[5], la « charlière »[6].

Contrairement à l'invention des frères Montgolfier, très empirique, le ballon de Charles était fermé et constituait un outil scientifique qui ne devait rien au hasard.

Le , il vola au-dessus des jardins des Tuileries à Paris avec l'un des deux frères Robert qui l'avaient aidé à fabriquer le ballon[7]. Ils atterrirent à Nesles-la-Vallée. Dès le premier vol, le ballon à gaz de Jacques Charles dispose de tous les instruments utilisés jusqu'à nos jours sur ce type de machine (enveloppe vernie, filet, panier en osier, soupape, lest et ancre). Les améliorations qui lui seront apportées par la suite seront mineures : guiderope (inventé par l'anglais Green), panneau de déchirure, altimètre.

Il emmena également différents instruments scientifiques.

Le 7 janvier 1785, Jean-Pierre Blanchard et son ami et mécène américain John Jeffries traversent la Manche de Douvres à Guînes en 2 heures 25 minutes, à bord d’un ballon gonflé à l'hydrogène. Cet exploit eut un retentissement dans toute l’Europe et Blanchard se rendit dans de nombreux pays, jusqu'aux États-Unis, pour effectuer des démonstrations de vol en ballon.

En 1804, Louis Joseph Gay-Lussac atteint 7 016 mètres.

En 1867, Henri Giffard fait décoller un ballon captif de 5 000 m3 dans le cadre de l'exposition universelle, ballon qui terminera tristement sa carrière dans les lignes prussiennes en 1870. Il récidivera en 1878 avec un géant de 25 000 m3.

Pendant le siège de Paris par l'armée prussienne en 1870/71, des ballons à gaz, appelés à l'époque ballon monté car emportant des passagers, ont assuré les communications dans le sens de Paris vers la province avec parfois quelques passagers souhaitant fuir Paris (un de ces passagers fut Léon Gambetta). Dans le sens province vers Paris, il était impossible de faire le trajet en ballon (trop d'incertitude à cause de la non dirigeabilité des ballons), malgré les tentatives des frères Albert Tissandier (1839 - 1906) et Gaston Tissandier (1843 - 1899).

En 1875, le Zenith volera 23h heures 40, avant de tuer deux de ses pilotes Sivel et Joseph Croce-Spinelli lors d'un deuxième vol à 8 600 mètres.

En 1897, l'Expédition polaire de S. A. Andrée tente de survoler le Pôle Nord et se termine en fiasco.

En 1900, des épreuves d'aérostation sont organisées à Paris: les courses de ballons deviennent le sport à la mode et constituent même l'« Événement » des Jeux olympiques d'été de 1900 et plus particulièrement des sports de l'Exposition Universelle de 1900 elle-même. Le comité d'organisation souhaite donner une grande importance à ces épreuves, en souvenir du rôle joué par les ballons lors du siège de Paris en 1871, et construit un immense hangar métallique. Une foule nombreuse se presse à Vincennes à proximité du nouveau vélodrome, le long de l'avenue de Charenton, pour assister aux 15 épreuves organisées du 17 juin au 9 octobre, auxquelles participent 46 ballons pour 156 vols au total. Parmi les faits marquants durant les épreuves, une tempête le 17 juin au soir faillit coûter la vie à plusieurs aéronautes. Le 23 septembre, dans le concours d'altitude sans handicap, Jacques Balsan réussit l'exploit d'atteindre 8 558 mètres d'altitude. Parti le 30 septembre dans la course de distance sans handicap, porté par les vents d'ouest, Henry de La Vaulx se pose en Pologne près de Varsovie. Mais, au terme d'une troisième course de distance, Henry de La Vaulx parvient même à poser son ballon le 10 octobre près de Kiev: il a parcouru en deux jours 1 925 km en ballon.

Marie Marvingt devient la première femme à traverser la Manche le 26 oct 1909 à bord de l'Étoile filante.

Audouin Dollfus réalisera le 22 avril 1959 un vol piloté dans une capsule pressurisée, pour l'étude de la vapeur d'eau de la Lune avec un ballon en grappe. Il atteint l'altitude de 14 000 mètres.

Technique de constructionModifier

En aérostation le principe de construction est de faire le plus leger possible afin d'offrir le maximum de charge offerte. Charge offerte= Portance du gaz - charge utile (construction)

régulièrement les équipes modernisent leur ballon en faisant appel à des matériaux de plus en plus leger tout en conservant les caractéristiques mécaniques pour assurer la sécurité du vol.

Cela à permit aux pilotes de passer de 22h de vol en 1906 à plus de 92 heures de vol en 1995 pour un ballon à volume égal (1000m3) dont on peut admirer les performances lors de la célèbre et prestigieuse coupe aéronautique Gordon Bennett.

ConstructionModifier

Il existe plusieurs type de construction. Le ballon est constitué d'une bulle de tissus étanche, emprisonnée dans un filet, auquel est suspendue une nacelle. il est possible de réaliser des ballons sans filet, la conception du tissu choisi permettant de repartir les forces nécessaires à la charge du ballon. Les ballons à ralingues sont apparus dans les années 1990.

L'assemblageModifier

L'assemblage des laizes ( bandes de tissu decoupées) se fait soit par couture, soit par collage ou thermocollage selon le choix technique du tissu.

La nacelleModifier

Historiquement construite en osier, ce matériaux naturel est progressivement remplacé par des matériaux composites. Les fibres de carbone pour les parties structurelles comme le cercle de charge, l'aramide pour son aspect non déchirable de plus en plus utilisés pour remplacer les ralingues en acier, les aluminiums. On trouve différents type de tissu qui sont employés pour envelopper la nacelle comme le cordura pour sa résistance à la déchirure.

Fabrication des aérostats militaires au château de Meudon en France :

PilotageModifier

Le pilotage d'un ballon à gaz est à la fois simple et complexe. Les deux seules actions possible du pilote sont d'une part de larguer du lest et d'autre part de soupaper le gaz ( évacuation du gaz par la partie haute du ballon ). Le principe de pilotage réside dans l' action du pilote à faire l'ascenseur pour aller chercher les vents ( qui ont des valeurs de force et direction différentes selon l 'altitude ) afin d'essayer au mieux de poursuivre une trajectoire voulue. L'anticipation du pilotage est nécessaire pour évaluer selon les données météorologique les trajectoires possible à réaliser. Seul le point de décollage est connu.

L'apprentissageModifier

La formation du pilote de ballon à gaz se transmet essentiellement au travers d'une formation de pilote de montgolfière (moins onéreux que le ballon à gaz pour appréhender le vol aérostatique puis par la réalisation de vol avec des pilotes confirmés en ballon à gaz. Il existe seulement deux instructeurs en France en 2019 pour les ballons à gaz[8]. Le pilote obtiendra une licence de ballon libre BL . Il existe peu de manuel sur la formation du pilote. En France Sébastien Seguineau rédigera un manuel sur la Théorie pour le ballon à gaz en 2005[9]. L'aéronaute Vincent Leys, vainqueur de 9 compétitions de la célèbre course de ballon à gaz la coupe Gordon Bennett participe activement à la formation et à la transmission du savoir.

Les connaissances physique nécessaires à la compréhension du vol sont de maitriser les lois sur les gazs, la poussée d'Archimède et une connaissance aboutie de la météorologie. A cela viendra s'ajouter la compréhension de la navigation aérienne, les règles de l'air, les communications radios, les responsabilités du pilote.

Principe de vol et de gestion du gazModifier

Le ballon à gaz est un ballon à volume dit constant. (Un ballon dirigeable est un ballon à masse de gaz constante). Le pilote gère un volume initial de gaz sachant que ce volume de gaz sera sujet aux variations de températures extérieures, à la pression atmosphérique, aux différentes radiations (Infrarouges). Il pilote le gaz tout au long du vol en anticipant le plus possible les effets de la force d'inertie de la poussée d'Archimède pour limiter des vitesses d'ascensions excessives qui rendraient le pilotage incontrôlable.

L'appendice du ballon est toujours ouvert afin de conserver un volume constant et une pression constante, ainsi il ne peut y avoir de surpression du gaz autre que la surpression du gaz en lui-même dans son contenant (enveloppe)[10].

Le pilotage se compose donc d'action en douceur, réfléchies et non précipitées.

Le gonflage et la peséeModifier

Le gonflage et la pesée sont des éléments essentiels qui vont déterminer le profil du vol possible. l'altitude de départ (Altitude pression), le choix de l'altitude de plénitude et les conditions météorologique qui vont agir sur le gaz comme la température de l 'air, les radiations infrarouges et le vent ( le ballon au sol est soumis aux frottements du vent, le vent peu par exemple refroidir la température intérieure du gaz par échange convectif avec la peau de l'enveloppe), vont déterminer la quantité de gaz que va recevoir l'enveloppe durant le gonflage. Ces paramètres de gonflage vont agir sur la quantité de lest à embarquer afin d'obtenir l'équilibre zero pour le décollage.

La précision du pilotage se fera par la connaissance aboutis des différents paramètres de vol qui sont eux mêmes en constante évolution dans le temps.

AscensionModifier

Pour monter, il faut lâcher du lest, en général du sable, qui est emporté dans ou autour de la nacelle avant le décollage. L'emploi du sable comme lest a son importance, les ballons à gaz peuvent voler en haute altitude et passer rapidement à des températures de vol négative, l'utilisation de lest en eau s'avère dangereux au risque de voir l'eau se congeler; le pilote ne pourrait plus alors piloter son ballon en descente. Néanmoins les pilotes emporte toujours de l'eau en lest pour assurer un délestage au dessus des aéroports ou des sites sensibles[11]. Lors de la montée, le gaz se dilate ( en fonction de la pression atmosphérique et de la température), et il faut laisser échapper l'excédent de gaz (une soupape obstruée est une cause d'accident grave, la surpression du gaz dans l'enveloppe va provoquer la déchirure de l'enveloppe) c 'est le rôle de l'appendice situé en bas du ballon qui est toujours ouvert qui va maintenir une pression constante du gaz dans l'enveloppe.

Pour descendre, il faut ouvrir une soupape qui permet de libérer le gaz. Le gaz se recomprimant, la portance du ballon diminue au fur et à mesure que le ballon descend, ce qui accélère dangereusement la descente. Le pilote doit donc lâcher du lest pour contrôler la vitesse de descente.

À la base de l'enveloppe, un appendice assure le gonflage et l'évacuation du gaz lorsqu'il se dilate à la prise d'altitude. Un système d'évacuation rapide du gaz est prévu pour les atterrissages par vent fort pour éviter d'être traîné sur de grandes distances (panneau de déchirure).

Exception au pilotage: cas de l'altitude de plénitudeModifier

L'altitude de plénitude, c'est altitude à laquelle le gaz prends tout le volume possible de l'enveloppe sans que le gaz s'échappe par l'appendice .L'altitude de plénitude est une altitude variable du ballon pour une poussée d'archimède nulle. Le ballon va monter ou descendre non pas par l action du pilote ou de la poussée d'archimède mais par l'action des paramètres météorologique.

Plus le pilote souhaite monter haut en altitude plus il faudra de lest pour assurer la descente. En effet, non seulement durant la montée une partie de la masse de gaz sera évacuée par l'appendice, mais en plus pour amorcer la descente, le pilote devra soupaper et évacuer volontairement une masse de gaz supplémentaire; A cette altitude le pilote aura le volume de gaz du ballon mais une masse réduite de gaz ( le ballon a évacué de la masse de gaz durant son ascension pour conserver son volume et pression constante), cela va provoquer lors de la descente un volume de gaz qui va se réduire pour une masse de gaz qui va rester constante; seul moyen d'agir pour éviter de descendre rapidement sera de contrôler la vitesse de descente avec du lest..

Pour réaliser des vols de longues distance il est nécessaire au pilote d'ajuster son ballon à une altitude de plénitude pour éviter de soupaper ou de larguer du lest et ainsi se laisser porter par le vent le plus loin possible.

Durant un vol en altitude de plénitude ou un vol stabilisé en altitude, l'action des radiations se fait ressentir. En effet le ballon évolue dans le lit du vent à vitesse air nulle en vol stabilisé alors que sa vitesse sol peut-être importante. Le fait que le ballon ne subit pas de frottement de l'air sur l'enveloppe, le gaz va se réchauffer sous l'action du soleil ou se refroidir sous l'action de la nuit ou d'un nuage modifiant ainsi son altitude densité.

Le vol en altitude de plénitude est une forme de pilotage automatique ou le pilote n'a plus besoin d'agir, le ballon se laissant porter au grés des paramètres météorologique. Le pilote pourra rompre cet équilibre de la poussé d'archiméde pour rejoindre une altitude choisi afin de chercher un vent ayant une direction que le pilote aura choisi.

Exemple de calculateur pour estimer l'altitude de plénitude d'un volume de gaz hélium (application pour ballon dirigeable) : Calculateur de l'altitude de plénitude par Marcel Délèze et Stéphane Rousson.

Le paradoxe du lestModifier

Il est facile de faire monter un ballon dans le ciel, l'art du pilote sera de le faire redescendre en sécurité. La gestion du lest est un point crucial du vol. Le lest servant aussi bien à faire monter le ballon que le faire descendre. Plus le ballon va monter en altitude plus il faudra de lest au pilote pour gérer les différentes phases de son vol.

Pilotage ballon partiellement gonfléModifier

Durant le vol, le pilote étant amené à soupaper son gaz selon le profil de vol choisi, le ballon va progressivement perdre une quantité de gaz porteur. Il aura ainsi une nouvelle altitude de plénitude . Si le pilote souhaite monter plus haut, il devra lacher du lest provoquant une suppression du gaz qui sera evacuée par l'appendice.

NavigationModifier

Le pilote doit gérer trois vitesses de vol : La vitesse ascensionnelle (ou vitesse verticale), la vitesse air et la vitesse sol. La vitesse ascensionnelle aura un impact sur le volume du gaz, le ballon va se refroidir par échange convectif avec les frottement de l'air sur la peau de l'enveloppe, notamment durant la descente ou descente rapide auquel le pilote prête une attention particulière.

Durant la navigation le pilote va gérer la météorologie en anticipant sur les ascendances qu'il va pouvoir rencontrer, et les différents paramètres qui vont influer sur son équilibre de vol, comme l'humidité de l'air, la pluie, la température, variation de pression atmosphérique et radiations[12].

AtterrissageModifier

L'atterrissage s'effectue par une descente progressive et controlée, en agissant sur la soupape pour libérer du gaz et sur le lest. Le pilote dispose d'un guide rope (Corde longue et lourde ) qui est nécessaire pour assurer l 'atterrissage. elle aura pour but de libérer la charge électrostatique accumulée sur l'enveloppe du ballon durant le vol afin de limiter les risques d'inflammation du gaz hydrogène. Le guide rope va agir par sa force de frottement sur le sol en fonction de sa longueur déroulé au sol, permettant de ralentir la vitesse du ballon. Au fur et à mesure que le pilote libère la corde, la masse de la corde qui se pose sur le sol provoque une ascension du ballon, le pilote doit agir en conséquence sur sa soupape, l'art du pilote sera d'anticiper la force d'ascension pour éviter une montée brutale du ballon et inversement.

Les premiers aéronautes utilisaient une ancre pour essayer de s'accrocher au sol, ou aux arbres avec un grappin, la technique fut vite abandonnée après de nombreux accidents, en effet l'ancre rebondissait et revenait sur la nacelle. Pour cela, les aéronautes ont conservé la corde en la rallongeant et en l'alourdissant pour en supprimer l'ancre, l'effet obtenu était de pouvoir donner un maximum de friction au cordage sur le sol : le Guide rope était né[1].

Atterrissage par vent fortModifier

Si le vent au sol souffle est véloce, une recommandation est faite au pilote de se poser dans les arbres, cela peut paraître surprenant. la technique a fait école, en effet, en se posant dans les arbres, la nacelle glisse le long des branches et permet de stopper le ballon. Le risque pour les pilotes est faible, la recommandation est de se glisser dans la nacelle pour éviter que les branches viennent balayer la surface de la nacelle et heurter les pilotes.

Par vent fort, si le pilote cherche à dégonfler son ballon sur un champ par exemple, le guide rope va peu ralentir le ballon et le vent sa progressivement s'engouffrer dans l'enveloppe, transformant le ballon en véritable cerf volant.L'action sur le panneau de déchirure est nécessaire pour évacuer au pus vite le gaz porteur. Le pilote doit garder à l'esprit que même libérée de son gaz, l'enveloppe peut toujours prendre le vent et embarquer le ballon.

Gaz employésModifier

Les gaz porteur (Lifting gas (en)) employés seront l'hydrogène, le gaz de houille (mélange d'hydrogène, de méthane, et d'oxyde de carbone) et l'hélium. Le gaz le plus efficace est le dihydrogène, facile à produire, mais terriblement combustible. Le gaz de houille, moins onéreux, est produit en masse dans des usines à gaz, mais lui aussi est fortement combustible.

À l'époque moderne, on sait produire assez facilement de l'hélium, absolument incombustible, mais un peu moins porteur que l'hydrogène et nettement plus cher.

  • La masse volumique de l'air est 1,293 g/L (L'air est composé d'environ 1/5 d'oxygène (masse molaire 32) et de 4/5 d'azote (masse molaire 28), soit une moyenne d'environ 29.)
  • La masse volumique du dihydrogène (masse molaire de 2) est de 0,089 88 g/L, ce qui est 14 fois moins que la masse volumique de l'air.
  • La masse volumique du gaz d'éclairage (masse molaire approximative de 11.2) est approximativement 0,5 g/L, ce qui est 2,6 fois moins que la masse volumique de l'air.
  • La masse volumique de l'hélium (masse molaire de 4) est de 0,1785 g/L, ce qui est 7 fois moins que la masse volumique de l'air.

L'hydrogèneModifier

 
« Premier voyage aérien exécuté dans un aérostat à gaz hydrogène par Charles et Robert.
Le 1er décembre 1783.
Départ des Tuileries. »

En 1783, Jacques Alexandre César Charles fait voler son ballon avec du dihydrogène dont le procédé de production par réaction de l'acide sulfurique sur du fer est connu depuis longtemps mais surtout depuis les expériences de Henry Cavendish aux environs de 1766. L'« air inflammable » comme on l'appelle est nommé hydrogène par Antoine Lavoisier en 1783.

Les propriétés de l'hydrogène peuvent être énoncée au travers de quelques expériences réalisées en 1865 dans les cours de physique[13] : si l'on gonfle des bulles de savon avec de l'hydrogène, ces bulles, au lieu de tomber, s'élèvent rapidement dans l'air et prennent feu quand on en approche un corps enflammé. La grande légèreté de l'hydrogène lui donne la propriété de traverser les petites ouvertures et les membranes avec beaucoup plus de facilité que les autres gaz, puisque les vitesses avec lesquelles deux gaz traversent un faible orifice d'une membrane, sont en raison inverse de la racine carrée de leur densité. Cette propriété endosmotique remarquable se démontre en plaçant un ballon en caoutchouc mince et plein d'air dans une cloche remplie d'hydrogène, le ballon a été entouré de fil qui s'applique sur lui sans le serrer. Au bout d'un jour, le fil disparaît sous les deux hémisphères qui se forment (à la suite de l'augmentation de volume, et souvent le ballon finit par éclater). Ainsi il a dû entrer dans le ballon 3,5 fois plus d'hydrogène qu'il n'en est sorti d'air, puisque le premier de ces gaz pèse 14 fois moins que le deuxième[13].

Ainsi en 1865, la grande légèreté de l'hydrogène l'avait fait employer pour gonfler les ballons; mais les propriétés qui sont conséquence de cette légèreté ont fait renoncer à cet emploi parce que l'« endosmose » du gaz se faisait trop rapidement. Aussi le gaz d'éclairage, qui du reste est moins coûteux lui est-il généralement substitué[13].

Henri Giffard en 1852 utilisera le dihydrogène afin d'optimiser la portance. Il améliorera la technique de production du dihydrogène, et la qualité de l'enveloppe:

« L'étoffe du ballon consiste en deux toiles réunies par une dissolution de caoutchouc, et enduites à l'extérieur d'un vernis à l'huile de lin. Toutes les coutures ont été recouvertes d'une bande de la même étoffe appliquée au moyen de la dissolution de caoutchouc et enduite du vernis à l'huile de lin. Cet enduit paraît avoir résolu en grande partie le problème, tant cherché, de la conservation du gaz hydrogène dans un aérostat. Tandis que dans la plupart des aérostats construits jusqu'à ce jour, le gaz hydrogène traverse, avec une promptitude extraordinaire, l'étoffe de soie vernie du ballon, l'aérostat de M. Henry Giffard est doué d'une propriété de conservation remarquable. Il n'a pas été nécessaire de renouveler, pendant deux mois, la provision de gaz dans le ballon, une fois gonflé, à la condition de remplacer, tous les deux ou trois jours, les 40 ou 50 mètres cubes de gaz perdus dans cet intervalle, par leur passage à travers l'enveloppe[14]. »

L'hydrogène quasi pur est produit par une réaction de gaz à l'eau: de la vapeur d'eau jetée sur des charbons incandescents:

« Le système employé par M. Giffard pour la préparation du gaz hydrogène au moyen de la décomposition de l'eau repose en partie sur des principes connus, en partie sur des dispositions nouvelles. Il consiste à opérer la décomposition de la vapeur d'eau par le charbon, en faisant d'abord traverser un foyer chargé de coke incandescent, par un courant de vapeur d'eau, qui produit, en réagissant sur le charbon rouge, de l'hydrogène carboné et de l'oxyde de carbone. Pour ramener l'hydrogène carboné à l'état d'hydrogène pur, l'oxyde de carbone à l'état d'acide carbonique, on fait arriver à l'autre extrémité du fourneau, un nouveau courant de vapeur d'eau. Cette vapeur produit de l'hydrogène pur et de l'acide carbonique, en réagissant, par son oxygène, sur les deux gaz qui remplissent l'enceinte du fourneau. Ce mélange d'acide carbonique et d'hydrogène est alors dirigé à travers un dépurateur plein de chaux, semblable à celui dont on se sert dans les usines à gaz. L'hydrogène s'y débarrasse de l'acide carbonique ; de sorte que l'on obtient aussi de l'hydrogène pur, que l'on dirige à l'intérieur du ballon, dès sa sortie du dépurateur à chaux[14]. »

Les ballons dirigeable et autres Zeppelins utiliseront principalement le dihydrogène.

L'hydrogène est bien sûr terriblement combustible. Parmi les catastrophes survenues, citons la mort de Jean-François Pilâtre de Rozier (son ballon combiné dihydrogène/air chaud a brûlé), celle de Sophie Blanchard, et la catastrophe du Hindenburg.

Le gaz d'éclairageModifier

Les recherches sur les ballons à gaz ont conduit à la découverte du gaz d'éclairage en 1784. C'est qu'en effet, à cette époque la question des ballons dirigeables et Montgolfier (1783) occupe l'esprit des scientifiques. Le Limbourgeois, Jan Pieter Minckelers (1748-1824), professeur à l’Université de Louvain, expérimente, dans des opérations de distillation (en fait de pyrolyse) dans un canon d'un fusil chauffé dans une forge, les gaz à destinations de l'aéronautique. Louis Engelbert, sixième duc d'Arenberg, et promoteur de la science et l'art, engage un comité chargé d'examiner la question du meilleur gaz à des fins de ballon à gaz. Minckelers qui est de ce comité, après de nombreuses expériences, publie en 1784 un ouvrage intitulé Mémoire sur l'air inflammable tiré de différentes substances[15].

En annexe à ce mémoire il y a un tableau de « gravités spécifiques des différentes Espèces d'air », réalisé par TF Thysbaert, un membre du comité. Le rapport met en avant les qualités portante du gaz de houille : « Plusieurs expériences faites, prouvent la bonté de l'air de houille par rapport aux machines aérostatiques, la première a été faite avec un petit Balon de baudruche, que S. A. a lancé à son Château de Heverlé le 21 du mois de Novembre dernier, lequel ayant rompu la ficelle qui le retenoit, est allé à perte de vue-dessus des nuées, plusieurs autres ballons de diverses grandeurs, lancés dans la fuite, démontrent la même chose, particulièrement ceux lancés le 24 février à Louvain ; la capacité de l'un était moindre qu'un pied cubique, & celle de l'autre était environ de cinq pieds, ils sont montés avec grande rapidité au point qu'on ne pouvoit plus les distinguer; cinq minutes après leur départ, ils ont été trouvés l'un & l'autre près de Sichem à six lieues de Louvain[15] ».

Le titre de l'ouvrage montre bien que Minckelers a trouvé une meilleure application pour les gaz qu'il expérimente : l'éclairage. Si Minckelers est considéré comme l'un des découvreurs du gaz d'éclairage, il ne donnera pas de suite industrielle à sa découverte, et c'est aux efforts conjugués du français Philippe Lebon, de l'anglais William Murdoch et de l'allemand Frédéric-Albert Winsor que l'on devra l’émergence du gaz d'éclairage (et des gaz manufacturés) aux alentours de 1810. Le gaz d'éclairage ou gaz manufacturé sera essentiellement du gaz de houille contenant du dihydrogène (50 %), du méthane et du monoxyde de carbone.

 
Départ d'un ballon à gaz à l'usine à gaz de la Villette

Le gaz d'éclairage sera utilisé comme gaz dans les ballons à gaz. Son prix raisonnable, ses propriétés osmotiques plus intéressantes le feront longtemps préférer à l'hydrogène.

Dans un ouvrage rédigé James Glaisher, Wilfrid de Fonvielle, Camille Flammarion, Gaston Tissandier en 1870 :

« Le gonflement des aérostats se fait ordinairement par l'hydrogène carboné, ou gaz d'éclairage, dont la densité moyenne est la moitié de celle de l'air. Quoique beaucoup plus lourd que l'hydrogène pur, il est d'un usage beaucoup plus facile, puisqu'au lieu de le fabriquer à grands frais spécialement pour une ascension, il suffit de le faire arriver d'une usine ou d'un tuyau de conduite. Lorsqu'une ascension doit être exécutée dans un établissement scientifique, on peut facilement amener le gaz d'éclairage des tuyaux les plus voisins, et se borner à prendre exactement la quantité de gaz égale à la capacité de l'aérostat.

Si l'on devait, au contraire, gonfler à l'hydrogène pur, il faudrait organiser une installation laborieuse et longue, composée de quelques centaines de touries d'acide sulfurique et de plusieurs milliers de kilogrammes de copeaux de fer, remplir une série de tonneaux joints ensemble d'acide sulfurique et d'eau, conduire le gaz ainsi obtenu dans une cuve où il se lave, le sécher par de la chaux et le refroidir par un courant d'eau, et seulement enfin le conduire à l'aérostat par un long tube. D'ailleurs l'hydrogène pur est, de tous les gaz, celui qui présente les phénomènes d'endosmose les plus intenses : il traverse toutes les membranes, végétales ou animales, avec la plus singulière facilité. Un jet d'hydrogène qui vient frapper une feuille de papier perpendiculairement à sa direction, traverse cette feuille à peu près comme s'il n'avait pas rencontré d'obstacle sur son chemin. Les quantités de gaz qui traversent une enveloppe quelconque sont en raison inverse des racines carrées de leurs densités. Or, la densité de l'hydrogène pur étant quatorze fois et demie moindre que celle de l'air, on comprend qu'il devra passer environ quatre fois plus d'hydrogène dans l'air que d'air dans l'hydrogène. Cette perte continue, à laquelle il est extrêmement difficile de remédier, est une seconde raison de la substitution du gaz d'éclairage à l'hydrogène pur pour le gonflement des aérostats[16]. »

L'héliumModifier

 
Dirigeable publicitaire gonflé à l'hélium

Bien que l'hydrogène ait une force portante approximativement 7 % supérieure, l'hélium a l'avantage d'être incombustible (et même ignifuge)[17].

Suivant la suggestion de Sir Richard Threlfall, la marine des États-Unis subventionne trois petites usines expérimentales de production d'hélium pendant la Première Guerre mondiale. Le but est d'approvisionner les ballons captifs de barrage avec ce gaz ininflammable et plus léger que l'air. Un total de 5 700 m3 d'hélium à 92 % est produit par ce programme, malgré le fait que précédemment, moins de 100 L aient été produits au total[18]. Une partie de ce gaz est utilisé pour le premier dirigeable gonflé à l'hélium dans le monde, le C-7 de la marine américaine, inauguré pour son premier voyage de Hampton Roads en Virginie au terrain de Bolling à Washington le 1er décembre 1921[19].

Bien que le procédé d'extraction par liquéfaction du gaz à basse température ne soit pas mis au point assez tôt pour jouer un rôle significatif pendant la Première Guerre mondiale, la production se poursuivra. L'hélium est utilisé en premier lieu pour gonfler les aérostats.

L'exploration de l'atmosphère, notamment pour la météorologie s'effectue avec des ballons-sondes la plupart du temps gonflés à l'hélium.

UtilisationsModifier

Les ballons à gaz sont utilisés en météorologie pour explorer la stratosphère.

Article détaillé : ballon-sonde.

Pour explorer la haute stratosphère, on parle alors de ballon stratosphérique.

Manifestations aéronautiquesModifier

La Gordon Bennett rassemble plusieurs ballons autour d'une course qui a pour objectif de parcourir la plus longue distance.

Lors de la Balloon Fiesta à Albuquerque aux USA, l'une des deux plus grandes manifestation de ballon dans le monde, une course de ballon à gaz est organisée[20].

RecordsModifier

Un vol en ballon à gaz peut durer plusieurs jours, ainsi le , le ballon à gaz Double Eagle II, piloté par les Américains Anderson, Abruzzo et Newman, a réalisé la première traversée de l'Atlantique en ballon en se posant à Miserey (Eure) en France après un vol de 5 022 km effectué en 5 jours, 17 heures, 5 minutes et 50 secondes.

Altitude :

  • 8600 m, en 1875, par le Ballon le Zenith, piloté par Joseph Croce-Spinelli et Gaston Tissandier.
  • 18 000 m, le , par le ballon à hydrogène FNRS I équipé d'une cabine pressurisée. Ce ballon fut conçu et piloté par le Suisse Auguste Piccard travaillant alors en Belgique.
  • 34 668 m, le par les Américains Malcom Ross et Vic Prather.
  • 53 000 m, le par le ballon inhabité BU60-1 d'un volume de 60 000 m3 et parti de Sanriku, Préfecture d'Iwate, Japon[21].

Dans la culture populaireModifier

Notes et référencesModifier

  1. a et b August Riedinger, Ballonfabrik Augsburg Gmbh, Meisenbach Riffarth and co Munich, 162 p., page 27 : Inutilité de l'ancre
  2. Jean-Chrétien-Ferdinand Hœfer. Histoire de la physique et de la chimie depuis les temps les plus reculés jusqu'à nos jours. Hachette, 1872. Hachette, 1872. Lire en ligne
  3. Sean A. Barton. Department of Physics, Florida State University. Oct 2009. Stability Analysis of an Inflatable Vacuum Chamber sur arxiv.org
  4. a et b Jean Chrétien Ferdinand Hoefer. Histoire de la physique et de la chimie depuis les temps les plus reculés jusqu'à nos jours. Hachette, 1872. Hachette, 1872. Lire en ligne
  5. Jean C. Baudet, Les plus grandes inventions, Primento, , p. 47
  6. « Lavoisier, le parcours d'un scientifique révolutionnaire - CNRS sagascience », sur www.cnrs.fr (consulté le 3 mars 2019)
  7. S'agit-il de Louis Nicolas Robert ou d'un autre?
  8. « Pilotes de ballon libre », sur Ministère de la Transition écologique et solidaire (consulté le 19 septembre 2019)
  9. Sébastien Seguineau, Théorie pour el ballon à gaz, France, Livre Blanc, , 19 p. (lire en ligne)
  10. « FAQs: Gas Ballooning », sur balloonfiesta.com (consulté le 6 octobre 2019)
  11. « Contrôler le ballon avec le sable et l eau » (consulté le 16 novembre 2019)
  12. « Un ballon à gaz », sur frchallenge.ch (consulté le 16 novembre 2019)
  13. a b et c Revue scientifique, Volume 2. 1865 (Livre numérique Google)
  14. a et b Louis Figuier, Émile Gautier. L'Année scientifique et industrielle, Volume 13 (Livre numérique Google)
  15. a et b Jan Pieter Minckelers Mémoire sur l'air inflammable tiré de différentes substances, Collège Faucon 1784 (Livre numérique Google)
  16. James Glaisher, Camille Flammarion, W. De Fonvielle, Gaston Tissandier. Voyages Aériens. 1870 (Livre numérique Google)
  17. (en) Albert Stwertka, Guide to the Elements: Revised Edition, Oxford University Press, New York, 1998 (ISBN 0-19-512708-0), p. 24.
  18. (en) The Encyclopedia of the Chemical Elements, op. cit., p. 261.
  19. (en) Eugene M. Emme, Aeronautics and Astronautics: An American Chronology of Science and Technology in the Exploration of Space, 1915–1960, Washington, D.C., NASA, (lire en ligne), « Aeronautics and Astronautics Chronology, 1920–1924 »
  20. « Balloon Fiesta | Event Schedule », sur balloonfiesta.com (consulté le 6 octobre 2019)
  21. (en) « Research on Balloon to Float over 50km Altitude », Institute of Space and Astronautical Science, JAXA (consulté le 29 septembre 2011)

Voir aussiModifier

Articles connexesModifier

 
Fūsen bakudan, découvert et photographié par la US Navy

Liens externesModifier