La sustentation du ballon à air chaud

Forces appliquées à un Ballon

Le Ballon doit générer une force d’Archimède (FA) capable de compenser le poids de l’air (PA) dans l’enveloppe et le poids des passagers, de la nacelle, des bruleurs et de la réserve de carburant (PN).

  • Si FA>PA+PN, le ballon se met en montée. C’est ce qui se passe lorsque l’air est chauffé. La poussée d’Archimède reste constante (puisque le volume du ballon est fixe) mais l’air perd de la densité en chauffant et donc le poids PA du gaz diminue.
  • Si FA<PA+PN, le ballon se met en descente. Cela se passe naturellement lorsque le gaz se refroidit par conduction thermique au travers de l’enveloppe. Au moment de l’atterrissage, le pilote ouvre une soupape située en haut du ballon pour laisser échapper de l’air chaud.
  • En cas d’équilibre parfait, le ballon conserve sa vitesse ascensionnelle  comme le prévoit le principe d’inertie

Au cours de sa montée, le ballon rencontre des couches d’air de moins en moins denses. Par conséquent, la poussée d’Archimède diminue. (Puisqu’elle est proportionnelle à la masse d’air déplacé). Si le pilote souhaite poursuivre sa montée, il doit donc chauffer de plus en plus.

Le ballon à air chaud n’est pas une bonne solution pour prendre beaucoup de hauteur. Par contre il permet au pilote de contrôler assez précisément la hauteur. Il peut ainsi frôler la cime des arbres.

Densité des gaz, densité de l’air chaud

Représentation de la densité de deux masses d’air de températures différentes

L’air a une masse volumique  moyenne de 1,22 Kg/m3 au niveau de la mer  à une température de 15°. C’est une des données importantes de l’atmosphère dit standard.

Dans un ballon à air chaud, l’air a une température de 80°C environ. Sa masse volumique  est alors de 0,90 Kg/m3  environ. Cela signifie que pour voler, environs 25% de la matière contenue dans l’enveloppe a été expulsé. L’air chaud est expulsé car, l’effet de la température sur les molécules est d’augmenter leur agitation. L’espace entre les molécules a alors tendance à grandir. Le gaz se dilate et, si l’enveloppe est ouverte comme c’est le cas dans la partie basse du ballon à air chaud,  l’air va s’échapper.

La capacité d’emport est de 600 kg pour une montgolfière classique de 2000 m3.

Si l’enveloppe était fermée, le ballon ne s’élèverait pas. N’essayez donc pas de chauffer un ballon de football pour le faire voler ! Si vous souhaitez faire voler un ballon avec une enveloppe fermée, il faudra le gonfler avec un gaz naturellement moins dense que l’air.

Charlière, montgolfière, roziere

Rozière de Bertrand Piccard (CC Bertrand Piccard)

Une charlière est un ballon fermé contenant un gaz par nature moins dense que l’air. Dans ce cas ce n’est pas le nombre de molécules qui est faible mais, chacune de ces molécules est plus légère que les composants de l’air.  Les gaz utilisés sont l’hélium He et le dihydrogène H2. Ce dernier n’est pourtant plus utilisé du fait de son inflammabilité. L’avantage d’utiliser les gaz légers, c’est qu’il n’est pas utile de les chauffer. Les charlières servent parfois de ballons captifs dans les parcs d’attraction mais les plus connus sont les ballons-sonde lancés par les météorologues pour faire des mesures dans l’atmosphère. Ils peuvent atteindre des altitudes beaucoup plus importantes qu’un ballon à air chaud.

Il existe en fait un troisième type de ballon qui est une association des deux précédents types. Il s’agit de la Rozière. L’enveloppe fermée contenant l’hélium assure une grosse partie de la sustentation. Un deuxième ballon, à air chaud est utilisé pour se placer en montée  ou en descente. En 1999, c’est à bord d’une Rozière que Bertrand Piccard a réalisé le premier tour du monde en ballon.

La masse volumique de l’hélium est imbattable : 0,170 Kg/m3  

Les particularités du vol en montgolfière

La particularité du vol en ballon, c’est que celui-ci ne peut se mouvoir que verticalement dans la masse d’air. C’est-à-dire que c’est le vent qui « décide » de la route. La seule solution pour choisir une trajectoire serait monter ou descendre. En effet la direction du vent varie avec l’altitude.  Mais cette solution est limitée. Elle ne permet pas d’envisager par exemple le vol en circuit fermé. Un vol en montgolfière est donc opéré par un pilote et un véhicule terrestre qui doit le suivre.

Quel avenir pour le dirigeable ?

L’histoire du dirigeable n’est pas un long fleuve tranquille. Sur le papier, tout laisse à penser que son avenir est prometteur. Il possède les qualités du ballon à gaz léger, il peut être dirigé (par définition), il n’a pas besoin de moteur puissant. Mais ses dimensions pachydermiques son instabilité dans les courants d’air turbulents lorsqu’il doit atterrir, sa sensibilité aux problèmes de givrage, plus quelques événements malheureux (Catastrophe du Hindemburg  en 1937) ont souvent compromis son développement.

Comme pour la rozière de Bertrand Piccard, le ballon contient un volume de gaz tel que la poussée d’Archimède  compense assez précisément le poids de l’ensemble. Il s’ajoute à cela un système permettant de mettre en montée ou en descente.  On trouve pour cela deux technologies :

  • La plus courante consiste à gonfler ou dégonfler des ballonnets à l’intérieur même de l’enveloppe. Ce n’est, ni plus ni moins qu’un système de lestage-délestage. L’air supplémentaire embarqué représentant une masse supplémentaire. La deuxième utilité de cette méthode est de permettre d’abaisser la pression intérieure lors de la montée. En effet, la pression atmosphérique s’abaissant lorsque l’on prend de l’altitude, la différence de pression entre l’intérieur et l’extérieur ferait exploser le ballon. En dégonflant les ballonnets au cours de la montée, cette contrainte est atténuée.
  • Une autre solution consiste à utiliser  des ailes. Ces ailes sont plus modestes que celles d’un avion car elles n’ont pas pour fonction de supporter la totalité du poids de l’appareil. Ce type d’aéronef dit hybride est donc à ranger dans la catégorie des plus lourds que l’air.

Il n’en reste pas moins que le dirigeable est pénalisé par une forte emprise au vent de part son volume.

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