Un ballon a gaz est un ballon non motorise gonfle d'un gaz plus leger que l' air , en general du dihydrogene (forme gazeuse de l' hydrogene ), du gaz d'eclairage ou de l' helium , contrairement a la montgolfiere , dont l'enveloppe est gonflee d'air chaud. Il s'agit d'un aerostat , c'est-a-dire un aeronef se sustentant grace a la poussee d'Archimede .

Ce peut etre :

• un ballon libre, qui derive en subissant la vitesse et la direction du vent, mais peut se diriger en faisant varier son altitude.

• un ballon captif , maintenu par cable.
• un ballon captif mobile terrestre (type ballon d'observation ).
• un ballon captif mobile maritime, le ballon est maintenu par un cable a une structure flottante lui permettant de se deplacer sur la mer avec le vent comme energie propulsive.
• un ballon en grappe.
• un ballon Meusnier , ballon concu avec des ballonnets d'air, qui servira plus tard au pilotage du gaz des ballons dirigeables ^{[ 1 ]} .

Histoire [ modifier | modifier le code ]

En 1670 Francesco Lana de Terzi , jesuite de Brescia , confiant dans la poussee d'Archimede appliquee a l'air, emit le projet de construction d'un navire a voiles et a rames qui devait voyager dans l'air. Ce navire aerien se composait de quatre spheres creuses de 20 pieds de diametre et qui devaient etre completement vides d'air. Mais la maniere d'y produire le vide etait defectueuse et l'execution a peu pres impossible, ils devaient etre en cuivre et n'avoir environ qu'un dixieme de millimetre d'epaisseur ^{[ 2 ]} . Dans une situation theoriquement parfaite avec des spheres sans poids, un ≪  ballon a vide  ≫ serait 7 % plus leger qu'un ballon rempli d'hydrogene et 16 % plus leger qu'un helium. Toutefois, etant donne que les parois du ballon doivent pouvoir rester rigides sans implosion, le ballon ne peut etre construit avec aucun materiau connu. Cela n'etait pas passe inapercu a Leibniz, Hooke et Borelli, en plus de l'impossibilite d'y faire le vide par le procede indique par Lana. Malgre cela, il y a de nos jours encore matiere a discussions sur le sujet ^{[ 3 ]} .

Les idees de ce genre commencaient a se faire jour des le milieu du XVII ^e  siecle. On en veut pour preuve un passage du De motu animalium (1680) par Giovanni Alfonso Borelli , medecin et physicien de Naples, qui renseigne que diverses personnes se sont recemment imagine qu'en imitant la maniere dont les poissons se soutiennent dans l'eau (selon la poussee d'Archimede avec leur vessie natatoire ), on pourrait mettre le corps humain en equilibre avec l'air en employant une grande vessie vide ou remplie d'un air tres rare et en la faisant d'une telle ampleur qu'elle pourrait maintenir un homme suspendu dans le fluide aerien. Mais Borelli loin d'adopter ces idees qui assimilaient l'air a l'eau, s'attachait au contraire a les refuter ^{[ 4 ]} .

Le 19 avril 1709 , un brevet pour une ≪ machine volante ≫ est depose par Bartolomeu Lourenco de Gusmao et experimente a la meme epoque.

Le 27 aout 1783 , le physicien Jacques Charles et les freres Robert font voler un ballon sans passager, gonfle a l' hydrogene , sur le Champ de Mars a Paris ^{[ 5 ]} , la ≪ charliere ≫ ^{[ 6 ]} . Toutefois le premier vol humain aura lieu a bord du ballon a air chaud des freres Montgolfier le 19 octobre 1783 .

Le 1 ^er decembre 1783 , Jacques Charles vola au-dessus des jardins des Tuileries a Paris avec l'un des deux freres Robert qui l'avaient aide a fabriquer le ballon ^{[ 7 ]} . Ils atterrirent a Nesles-la-Vallee .

Contrairement a l'invention des freres Montgolfier, tres empirique, le ballon a gaz de Charles etait ferme et constituait un outil scientifique qui ne devait rien au hasard. Des le premier vol, le ballon de Charles dispose de tous les instruments utilises jusqu'a nos jours sur ce type de machine (enveloppe vernie, filet, panier en osier, soupape, lest et ancre). Les ameliorations qui lui seront apportees par la suite augmenteront la securite, notamment a l'atterrissage : guiderope (invente par l'anglais Green), panneau de dechirure. Il emmenait egalement differents instruments scientifiques.

Le 7 janvier 1785 , Jean-Pierre Blanchard et son ami et mecene americain John Jeffries traversent la Manche de Douvres a Guines en 2 heures 25 minutes, a bord d’un ballon gonfle a l'hydrogene. Cet exploit eut un retentissement dans toute l’Europe et Blanchard se rendit dans de nombreux pays, jusqu'aux Etats-Unis , pour effectuer des demonstrations de vol en ballon.

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

En 1867, Henri Giffard fait decoller un ballon captif de 5 000  m ³ dans le cadre de l'exposition universelle, ballon qui terminera tristement sa carriere dans les lignes prussiennes en 1870. Il recidivera en 1878 avec un geant de 25 000  m ³ .

Pendant le siege de Paris par l'armee prussienne en 1870/71, des ballons a gaz, appeles a l'epoque ballon monte car emportant des passagers, ont assure les communications dans le sens de Paris vers la province avec parfois quelques passagers souhaitant fuir Paris (un de ces passagers fut Leon Gambetta ). Dans le sens province vers Paris, il etait impossible de faire le trajet en ballon (trop d'incertitude a cause de la non dirigeabilite des ballons), malgre les tentatives des freres 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 deuxieme vol a 8 600 metres.

En 1897, l' Expedition polaire de S. A. Andree tente de survoler le Pole Nord et se termine en fiasco.

En 1900, des epreuves d'aerostation sont organisees a Paris : les courses de ballons deviennent le sport a la mode et constituent meme l'≪ Evenement ≫ des Jeux olympiques d'ete de 1900 et plus particulierement des sports de l' Exposition Universelle de 1900 elle-meme. Le comite d'organisation souhaite donner une grande importance a ces epreuves, en souvenir du role joue par les ballons lors du siege de Paris en 1871, et construit un immense hangar metallique. Une foule nombreuse se presse a Vincennes a proximite du nouveau velodrome, le long de l'avenue de Charenton, pour assister aux 15 epreuves organisees du 17 juin au 9 octobre , auxquelles participent 46 ballons pour 156 vols au total. Parmi les faits marquants durant les epreuves, une tempete le 17 juin au soir faillit couter la vie a plusieurs aeronautes. Le 23 septembre , dans le concours d'altitude sans handicap, Jacques Balsan reussit l'exploit d'atteindre 8 558 metres d'altitude. Parti le 30 septembre dans la course de distance sans handicap, porte par les vents d'ouest, Henry de La Vaulx se pose en Pologne pres de Varsovie . Mais, au terme d'une troisieme course de distance, Henry de La Vaulx parvient meme a poser son ballon le 10 octobre pres de Kiev : il a parcouru en deux jours 1 925  km en ballon.

Marie Marvingt devient la premiere femme a traverser la Manche le 26 oct 1909 a bord de l'Etoile filante .

Audouin Dollfus realisera le 22 avril 1959 un vol pilote dans une capsule pressurisee, pour l'etude de la vapeur d'eau de la Lune avec un ballon en grappe. Il atteint l'altitude de 14 000 metres.

Technique de construction [ modifier | modifier le code ]

En aerostation, 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).

Regulierement, les equipes modernisent leur ballon en faisant appel a des materiaux de plus en plus legers tout en conservant les caracteristiques mecaniques pour assurer la securite du vol.

Cela a permis aux pilotes de passer de 22h de vol en 1906 a plus de 92 heures de vol en 1995 pour un ballon a volume egal (1000m3) dont on peut admirer les performances lors de la celebre et prestigieuse coupe aeronautique Gordon Bennett .

Construction [ modifier | modifier le code ]

Il existe plusieurs types de construction. Le ballon est constitue d'une bulle de tissus etanche, emprisonnee dans un filet, auquel est suspendue une nacelle. Il est possible de realiser des ballons sans filet, la conception du tissu choisi permettant de repartir les forces necessaires a la charge du ballon. Les ballons a ralingues (cordages cousus sur l'enveloppe) sont apparus dans les annees 1990.

L'assemblage [ modifier | modifier le code ]

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

Fabrication des aerostats militaires au chateau de Meudon en 1794.

• 
  Decoupage des toiles pour composer des fuseaux (1/5)
• 
  Assemblage des fuseaux (2/5)
• 
  Preparation du vernis (3/5)
• 
  Etalage du vernis et verification des joints (4/5)
• 
  Aerostat au campement sous sa tente de protection (5/5)

La nacelle [ modifier | modifier le code ]

Historiquement construite en osier, ce materiau naturel est progressivement remplace par des materiaux composites. Les fibres de carbone pour les parties structurelles comme le cercle de charge, l'aramide pour son aspect non dechirable de plus en plus utilises pour remplacer les ralingues en acier, les aluminiums. On trouve differents types de tissu qui sont employes pour envelopper la nacelle comme le cordura pour sa resistance a la dechirure.

Pilotage [ modifier | modifier le code ]

L'apprentissage [ modifier | modifier le code ]

Il existe seulement deux instructeurs en France en 2019 pour les ballons a gaz ^{[ 8 ]} . Le pilote obtiendra une licence de ballon libre BL . Il existe peu de manuels sur la formation du pilote. En France Sebastien Seguineau a redige un manuel sur la Theorie pour le ballon a gaz en 2005 ^{[ 9 ]} .

Principe de vol et de gestion du gaz [ modifier | modifier le code ]

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-meme dans son contenant (enveloppe) ^{[ 10 ]} .

Ascension [ modifier | modifier le code ]

Pour monter, il faut lacher du lest, en general du sable, qui est emporte dans ou autour de la nacelle avant le decollage. Neanmoins, les pilotes emportent toujours de l'eau en lest pour assurer un delestage au-dessus des aeroports ou des sites sensibles ^{[ 11 ]} .

Navigation [ modifier | modifier le code ]

Durant la navigation, le pilote va gerer la meteorologie en anticipant sur les ascendances qu'il va pouvoir rencontrer, et les differents parametres qui vont influer sur son equilibre de vol, comme l'humidite de l'air, la pluie, la temperature, variation de pression atmospherique et radiations ^{[ 12 ]} .

Atterrissage [ modifier | modifier le code ]

Le grappin abandonne, les aeronautes ont cependant conserve la corde en l'allongeant et en l'alourdissant, l'effet obtenu etait de creer un maximum de friction du cordage sur le sol : le guide rope etait ne ^{[ 1 ]} .

Gaz employes [ modifier | modifier le code ]

Les gaz porteurs ( Lifting gas   (en) ) employes seront l'hydrogene, le gaz de houille (melange d'hydrogene, de methane, et d'oxyde de carbone) et l'helium. Le gaz le plus efficace est le dihydrogene , facile a produire, mais terriblement combustible. Le gaz de houille , moins onereux, est produit en masse dans des usines a gaz , mais lui aussi est fortement combustible.

A l'epoque moderne, on sait produire assez facilement de l' helium , absolument incombustible, mais un peu moins porteur que l'hydrogene et nettement plus cher.

• La masse volumique de l'air est 1,293   g/L au niveau du sol (L'air est compose d'environ 1/5 d'oxygene (masse molaire 32) et de 4/5 d'azote (masse molaire 28), soit une moyenne d'environ 29.)
• La masse volumique du dihydrogene au niveau du sol (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'eclairage (gaz de "houille" naturel de sulfure d'hydrogene emis des fossiles. Au niveau du sol (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'helium au niveau du sol (masse molaire de 4) est de 0,178 5   g/L , ce qui est 7 fois moins que la masse volumique de l'air.

L'hydrogene [ modifier | modifier le code ]

En 1783 , Jacques Alexandre Cesar Charles fait voler son ballon avec du dihydrogene dont le procede de production par reaction de l' acide sulfurique sur du fer est connu depuis longtemps mais surtout depuis les experiences de Henry Cavendish aux environs de 1766 . L'≪ air inflammable ≫ comme on l'appelle est nomme hydrogene par Antoine Lavoisier en 1783 .

Les proprietes de l'hydrogene peuvent etre enoncees au travers de quelques experiences realisees en 1865 dans les cours de physique ^{[ 13 ]}  : si l'on gonfle des bulles de savon avec de l'hydrogene, ces bulles, au lieu de tomber, s'elevent rapidement dans l'air et prennent feu quand on en approche un corps enflamme. La grande legerete de l'hydrogene lui donne la propriete de traverser les petites ouvertures et les membranes avec beaucoup plus de facilite 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 carree de leur densite. Cette propriete endosmotique remarquable se demontre en placant un ballon en caoutchouc mince et plein d'air dans une cloche remplie d'hydrogene, le ballon a ete entoure de fil qui s'applique sur lui sans le serrer. Au bout d'un jour, le fil disparait sous les deux hemispheres qui se forment (a la suite de l'augmentation de volume, et souvent le ballon finit par eclater). Ainsi, il a du entrer dans le ballon 3,5 fois plus d'hydrogene qu'il n'en est sorti d'air, puisque le premier de ces gaz pese 14 fois moins que le deuxieme ^{[ 13 ]} .

Ainsi en 1865, la grande legerete de l'hydrogene l'avait fait employer pour gonfler les ballons; mais les proprietes qui sont consequence de cette legerete ont fait renoncer a cet emploi parce que l'≪  endosmose  ≫ du gaz se faisait trop rapidement. Aussi le gaz d'eclairage , qui du reste est moins couteux lui est-il generalement substitue ^{[ 13 ]} .

Henri Giffard en 1852 utilisera le dihydrogene afin d'optimiser la portance. Il ameliorera la technique de production du dihydrogene, et la qualite de l'enveloppe.

L'hydrogene quasi pur est produit par une reaction de gaz a l'eau : de la vapeur d'eau jetee sur des charbons incandescents.

Les ballons dirigeable et autres Zeppelins utiliseront principalement le dihydrogene.

L'hydrogene est combustible. Parmi les catastrophes survenues, la mort de Jean-Francois Pilatre de Rozier (son ballon combine dihydrogene/air chaud a brule), celle de Sophie Blanchard , et la catastrophe du Hindenburg .

Le gaz d'eclairage [ modifier | modifier le code ]

Les recherches sur les ballons a gaz ont conduit a la decouverte du gaz d'eclairage en 1784 . C'est qu'en effet, a cette epoque la question des ballons dirigeables et Montgolfier (1783) occupe l'esprit des scientifiques. Le Limbourgeois , Jan Pieter Minckelers (1748-1824), professeur a l’ Universite de Louvain , experimente, dans des operations de distillation (en fait de pyrolyse) dans un canon d'un fusil chauffe dans une forge, les gaz a destinations de l'aeronautique. Louis Engelbert , sixieme duc d'Arenberg , et promoteur de la science et l'art, engage un comite charge d'examiner la question du meilleur gaz a des fins de ballon a gaz. Minckelers qui est de ce comite, apres de nombreuses experiences, publie en 1784 un ouvrage intitule Memoire sur l'air inflammable tire de differentes substances ^{[ 14 ]} .

Le titre de l'ouvrage montre bien que Minckelers a trouve une meilleure application pour les gaz qu'il experimente : l' eclairage . Si Minckelers est considere comme l'un des decouvreurs du gaz d'eclairage, il ne donnera pas de suite industrielle a sa decouverte, et c'est aux efforts conjugues du francais Philippe Lebon , de l'anglais William Murdoch et de l'allemand Frederic-Albert Winsor que l'on devra l’emergence du gaz d'eclairage (et des gaz manufactures ) aux alentours de 1810 . Le gaz d'eclairage ou gaz manufacture sera essentiellement du gaz de houille contenant du dihydrogene (50 %), du methane et du monoxyde de carbone .

Le gaz d'eclairage sera utilise comme gaz dans les ballons a gaz. Son prix raisonnable, ses proprietes osmotiques plus interessantes le feront longtemps preferer a l'hydrogene.

L'helium [ modifier | modifier le code ]

Bien que l'hydrogene (de densite 0,069 par rapport a l'air) ait une force portante approximativement 7 % superieure a celle de l'helium (de densite 0,139), celui-ci a l'avantage d'etre incombustible (et meme ignifuge) ^{[ 15 ]} .

Suivant la suggestion de Sir Richard Threlfall , la marine des Etats-Unis subventionne trois petites usines experimentales de production d'helium pendant la Premiere Guerre mondiale . Le but est d'approvisionner les ballons captifs de barrage avec ce gaz ininflammable et plus leger que l'air. Un total de 5 700  m ³ d'helium a 92 % est produit par ce programme, malgre le fait que precedemment, moins de 100   L aient ete produits au total ^{[ 16 ]} . Une partie de ce gaz est utilise pour le premier dirigeable gonfle a l'helium dans le monde, le C-7 de la marine americaine, inaugure pour son premier voyage de Hampton Roads en Virginie au terrain de Bolling a Washington le 1 ^er decembre 1921 ^{[ 17 ]} .

Bien que le procede d'extraction par liquefaction du gaz a basse temperature ne soit pas mis au point assez tot pour jouer un role significatif pendant la Premiere Guerre mondiale, la production se poursuivra. L'helium est utilise en premier lieu pour gonfler les aerostats .

L'exploration de l'atmosphere, notamment pour la meteorologie s'effectue avec des ballons-sondes la plupart du temps gonfles a l'helium.

Utilisations [ modifier | modifier le code ]

Les ballons a gaz sont utilises en meteorologie pour explorer la stratosphere .

Pour explorer la haute atmosphere, on parle alors de ballon stratospherique . Dans ce domaine ils concurrencent les satellites pour des missions d'observation militaire ^{[ 18 ]} .

Les ballons captif a gaz sont aussi utilises dans le domaine de la defense et de l'observation.

Manifestations aeronautiques [ modifier | modifier le code ]

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 a Albuquerque aux Etats-Unis, l'une des deux plus grandes manifestations de ballon dans le monde, une course de ballon a gaz est organisee ^{[ 19 ]} .

Records [ modifier | modifier le code ]

Un vol en ballon a gaz peut durer plusieurs jours, ainsi le 17 aout 1978 , le ballon a gaz Double Eagle II , pilote par les Americains Anderson, Abruzzo et Newman, a realise la premiere traversee de l'Atlantique en ballon en se posant a Miserey (Eure) en France apres un vol de 5 022  km effectue en 5 jours, 17 heures, 5 minutes et 50 secondes.

Altitude :

• 8600 m, en 1875, par le Ballon le Zenith, pilote par Joseph Croce-Spinelli et Gaston Tissandier.
• 18 000  m , le 15 aout 1932 , par le ballon a hydrogene FNRS I equipe d'une cabine pressurisee. Ce ballon fut concu et pilote par le Suisse Auguste Piccard travaillant alors en Belgique .
• 34 668  m , le 4 mai 1961 par les Americains Malcom Ross et Vic Prather.
• 53 000  m , le 23 mai 2002 par le ballon inhabite BU60-1 d'un volume de 60 000  m ³ et parti de Sanriku , Prefecture d'Iwate , Japon ^{[ 20 ]} .

Dans la culture populaire [ modifier | modifier le code ]

Films [ modifier | modifier le code ]

• Cinq Semaines en ballon (1962)
• Le Vol de l'aigle (1982)
• The Aeronauts (2019)

Livres [ modifier | modifier le code ]

• Cinq semaines en ballon de Jules Verne

Notes et references [ modifier | modifier le code ]

Voir aussi [ modifier | modifier le code ]

Articles connexes [ modifier | modifier le code ]

• Aerostation
• Histoire de l'aerostation
• Ballon (aeronef)
• Record d'altitude
• Aerophile (specialiste du ballon a gaz captif)
• Bulle des cimes (Exploration des canopees des forets tropicales)
• Stratellite
• Montgolfiere , ballon a air chaud et roziere , ballon mixte
• Utilisations militaires
  • Ballon monte  : ballons a gaz utilises durant le Siege de Paris (1870)
  • Operation Outward et projet Fugo durant la Seconde Guerre mondiale
• Ballon dirigeable
• Voilier des airs

Liens externes [ modifier | modifier le code ]

• Les manifestations aerostatiques de 1783 a 1819 a Nantes

• Portail des transports
• Portail de l’aeronautique