Ballon à gaz

Il existe plusieurs types 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'assemblage des laizes (bandes de tissu découpées) se fait soit par couture, soit par collage ou thermocollage selon le choix technique du tissu.

Historiquement construite en osier, ce matériau 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 types 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 :

• 
  Découpage des toiles pour composer des fuseaux (1/5)
• 
  Assemblage des fuseaux (2/5)
• 
  Préparation du vernis (3/5)
• 
  Étalage du vernis et vérification des joints (4/5)
• 
  Aérostat au campement sous sa tente de protection (5/5)

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 manuels 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 gaz, la poussée d'Archimède et une connaissance aboutie de la météorologie. À cela viendra s'ajouter la compréhension de la navigation aérienne, les règles de l'air, les communications radios, les responsabilités du pilote.

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 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 zéro 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.

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 emportent 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).

L'altitude de plénitude, c'est altitude à laquelle le gaz prend 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 force ascensionnelle 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 météorologiques.

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. À 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 sur de longues distances, 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 gré des paramètres météorologiques. Le pilote pourra rompre cet équilibre de la poussé d'Archiméde pour rejoindre une altitude choisie 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.

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.

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 lâcher du lest provoquant une suppression du gaz qui sera évacué par l'appendice.

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].

L'atterrissage s'effectue par une descente progressive et contrôlée, 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. Ce guide rope 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. D'autre part, le guide rope va agir par sa force de frottement sur le sol (en fonction de sa longueur déroulée au sol), ce qui permet de diminuer la vitesse du ballon. Au fur et à mesure que la corde touche le sol, sa masse qui se pose sur le sol provoque cependant une tendance à l'ascension du ballon, aussi le pilote devra agir en conséquence sur sa soupape ; l'art du pilote sera donc d'anticiper cette tendance à l'ascension afin d'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 vers la nacelle. Le grappin abandonné, les aéronautes ont cependant conservé la corde en l'allongeant et en l'alourdissant, l'effet obtenu était de créer un maximum de friction du cordage sur le sol : le guide rope était né[1].

Si le vent au sol est véloce, une recommandation est faite au pilote de se poser dans les arbres ; cela peut paraître surprenant, pourtant la technique a fait école. En effet, en se posant dans les arbres, la nacelle glisse le long des branches ce qui permet de stopper le ballon. Le risque pour les pilotes est faible, la recommandation étant de se recroqueviller dans la nacelle pour éviter les branches balayant la surface de la nacelle.

Par vent fort, si le pilote cherche à dégonfler son ballon au-dessus d'un champ par exemple, le guide ropene va pas ralentir assez le ballon et le vent va s'engouffrer dans l'enveloppe, transformant le ballon en véritable cerf-volant. L'action sur le panneau de déchirure est alors nécessaire pour évacuer au plus 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 entraîner le ballon.

« Premier voyage aérien exécuté dans un aérostat à gaz hydrogène par Charles et Robert.
Le 1^er 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 énoncées 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.

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]. »

Dirigeable publicitaire gonflé à l'hélium

Bien que l'hydrogène (de densité de 0,069 par rapport à l'air) ait une force portante approximativement 7 % supérieure à celle de l'hélium (de densité de 0,139), celui-ci 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 1^er 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.

• Cinq semaines en ballon ( 962)
• The Aeronauts (2019)

• Cinq semaines en ballon de Jules Verne

Fūsen bakudan, découvert et photographié par la US Navy

• Aérostation
• Histoire de l'aérostation
• Ballon (aéronef)
• Record d'altitude
• Aerophile (spécialiste du ballon à gaz captif)
• Bulle des cimes (Exploration des canopées des forêts tropicales)
• Stratellite
• Montgolfière, ballon à air chaud et rozière, ballon mixte
• Utilisations militaires
  • Ballon monté : ballons à gaz utilisés durant le Siège de Paris (1870)
  • Opération Outward et projet Fugo durant la Seconde Guerre mondiale
• Ballon dirigeable
• Voilier des airs

• Les manifestations aérostatiques de 1783 à 1819 à Nantes

• Portail des transports
• Portail de l’aéronautique