Un ballon,
comment ça vole

           
 
On retrouve deux grandes familles dans l’aviation légère et sportive, laquelle regroupe tous les sports de l’air : les aérodynes et les aérostats.

Les aérodynes, dont la sustentation est principalement assurée par des forces aérodynamiques, sont aussi appelés « les plus lourds que l’air ». Les aérostats, dont la sustentation est assurée par la poussée d'Archimède, sont appelés les « plus léger que l'air ».

Ainsi, le ballon à gaz est un aérostat. Il contient un gaz moins dense que l'air à température identique, en général de l’hydrogène ou de l'hélium, (auparavant du gaz d'éclairage) contrairement à la montgolfière, dont l'enveloppe est gonflée d'air chaud. Un aérostat ne se déplace pas lui-même (-stat pour « statique »). Sauf pour les dirigeables, le vol d'un aérostat ne peut être contrôlé que dans la direction verticale, et dans une certaine mesure horizontalement par le biais des courants aériens de différentes directions selon l'altitude.
 
Conception d'un ballon à gaz
 
L'enveloppe étanche est réalisée dans une matière qui s'apparente à un tissu caoutchouc de coton enduit. A la partie supérieure, on trouve une soupape ou un parachute qui permet l'évacuation du gaz. A la partie inférieure, la manche de gonflement appelé appendice, sert à faire entrer le gaz dans l'enveloppe pendant le gonflage du ballon et permet l'évacuation libre d'un excès de gaz dilaté par la différence de pression atmosphérique durant le vol. Un jeu de cordes permet d'agir sur la soupape depuis la nacelle. L’enveloppe est reliée selon les technologies (filet ou ralingues) au cercle de charge, lui-même arrimé à la nacelle.
     

1 - Soupape

2 - Enveloppe

3 - Filet

4 - Corde de soupape

5 - Casse goutte

6 - Petite patte d’oie

7 - Ouverture rapide de sécurité

8 - Corde d'ouverture rapide

9 - Suspentes

10 - Anneau de Pöesche

11 - Tenseur d’appendice

12 - Cercle de charge

13 - Suspente de nacelle

14 - Nacelle

15 - Guiderope

16 - Appendice

17 - Corde panneau de parachute

18 - Panneau de déchirure

19 - Parachute

20 - Corde de parachute

21 - Ralingues

Ballon à filet
Ballon à ralingues
 
Les ballons à gaz à filets, dits « traditionnels » : Dès l'origine, les ballons sont majoritairement équipés d'une soupape à clapet en bois et d'un filet, auquel est suspendu la nacelle. Un panneau de déchirure permet un dégonflage rapide du ballon en cas d'atterrissage avec trop vent, pour éviter un traînage important. Ce type de construction permet grâce à l'emploi de matériaux synthétiques pour les filets de réaliser des ballons légers, aptes à la compétition : c'est sur ce type de ballon que les pilotes français ont remporté des courses Gordon Bennett (voir reportage 2013)

Les ballons à gaz à ralingues
apparus au début des années 1990 et produits par la firme allemande Wörner (1993 : Type Certification of the netless gas balloon for hydrogen and helium), se distinguent par deux innovations majeures, qui facilitent la mise en place des ballons : Le filet est remplacé par des ralingues et la soupape est remplacée par un parachute. Voir les schémas ci-dessus. 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).

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Les gaz plus légers que l'air
 
En 1783, la question des ballons dirigeables, montgolfières, et ballons à gaz, occupe l'esprit des scientifiques. Les recherches sur les ballons à gaz ont conduit à la découverte du gaz d'éclairage en 1784. Les ballons à gaz ont alors utilisés principalement ce gaz en remplacement de l’hydrogène, avant l’utilisation de l'hélium, plus cher mais non combustible.
Quoique plus lourd que l'hydrogène, le gaz de houille était alors disponible à souhait et présentait de meilleures qualités osmotiques. Il était aussi moins onéreux car produit en masse dans des usines à gaz, mais fortement combustible. En 1950, il est remplacé par le gaz naturel. Le gaz de houille n'est plus utilisé de nos jours.

L’air atmosphérique est un mélange gazeux très léger, sa masse volumique est de 1,293 g/L (l'air est composé d'environ 1/5 d'oxygène et de 4/5 d'azote). Mais il existe des gaz encore plus légers que l’air qui permettent le bon fonctionnement des ballons : l' enveloppe du ballon est remplie de gaz, volontairement choisi plus léger que l’air (hydrogène, hélium, air chaud), d’un volume calculé en fonction de la masse à soulever.

La masse volumique du gaz d'éclairage (ou gaz de houille) est approximativement 0,5 g/L, ce qui est 2,6 fois moins que la masse volumique de l'air. Il est constitué d'un mélange d'hydrogène, de méthane etc.
La masse volumique de l’hydrogène est de 0,08988 g/L, ce qui est 14 fois moins que la masse volumique de l'air.

L'hydrogène est l'élément chimique le plus simple; son isotope le plus commun est constitué seulement d'un proton et d'un électron.

L'hydrogène est ainsi le plus léger atome existant et donc le plus léger des gaz.

L'hydrogène est le principal constituant du Soleil et de la plupart des étoiles, dont l'énergie provient de réactions de fusion thermonucléaire de l'hydrogène.
La masse volumique de l'hélium est de 0,1785 g/L, ce qui est 7 fois moins que la masse volumique de l'air.

L'hélium est un gaz noble (gaz rare) pratiquement inerte.

On connait huit isotopes de l'hélium, le plus abondant est l'hélium 4, constitué de deux protons et deux neutrons.

L'hélium est, après l'hydrogène, l'élément le plus abondant de l'Univers. En effet, la grande majorité de l'hélium a été formé dans les minutes suivant le Big Bang.
 

Hydrogène : Son nom provient du grec « hydro » signifiant « eau », et « gène », signifiant « engendrer ». Ce nom a été inventé par Lavoisier pour désigner le gaz appelé à l'époque « air inflammable » et qui avait été mis en évidence par Cavendish en 1766.
Son nom scientifique est dihydrogène, mais dans le langage courant il est appelé « hydrogène ». Il est disponible à des prix qui peuvent être très intéressants en sortie d'usine. Mais son inconvénient majeur est d’être inflammable. Il a été utilisé pour le première fois en 1783. C'est de loin le gaz le plus couramment employé pour le gonflement des ballons à gaz, comme l'avait déjà fait par Jacques Charles en 1783.

Hélium : Son nom provient du grec Helios, le Soleil, ce gaz ayant été observé pour la première fois dans le spectre solaire. Aujourd’hui, sa quantité restante sur Terre devient inquiétante. C’est pourquoi il est rare et cher. Il est non disponible en sortie d'usine. Il a été utilisé pour la première fois en 1921 aux Etats-Unis. L’avantage d’utiliser ce gaz est qu’il est incombustible.

En conclusion, le choix de gaz plus légers que l'air est restreint, et le gaz le plus intéressant pour la pratique de l'aérostation est l'hydrogène.

 
Mise en place et gonflage d'un ballon à gaz
     
Les techniques de mise en place diffèrent légèrement suivant le type de ballon : à filet (à gauche) ou à ralingues (à droite). Il faut généralement de 3 à 4 heures pour préparer un ballon à gaz.

Lors d’inflation à l’hydrogène, certaines précautions doivent être prises. Les tubes de gonflage doivent être conducteurs et étanches. La vanne de fermeture principale doit être toujours surveillée. La personne en charge doit toujours être en contact visuel avec le pilote ou le responsable du ballon.
Des extincteurs (poudre) avec une teneur minimale de 12 kg doivent être à portée de main. Quand il y a la preuve d'un orage imminent le processus d'inflation doit être immédiatement arrêté.
 
Un cordon de sécurité doit être installé avec des signes visibles, qui indiquent que fumer et allumer son téléphone portable est interdit. Des photos d'un gonflage de 18 ballons sur le reportage inflation Gordon Bennett 2013.

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Le vol libre d'un ballon à gaz
 
Tout comme en montgolfière, le pilote ne peut agir directement que sur l'altitude du ballon. Il pourra jouer avec celle-ci pour choisir les vents qui lui sont favorables. Aujourd’hui, grâce aux prévisions météorologiques et à l’observation du ciel, on peut avoir une idée de la trajectoire du ballon. Une fois en vol, le pilote, surtout par matin calme, peut jouer avec les différentes altitudes et le relief pour trouver des courants différents. Mais plus le vent se renforce, plus les possibilités de diriger le ballon s’amoindrissent. Le choix de route est donc limité, et le ballon dérive au gré des vents.

Un pilote de ballon au décollage ne sait jamais où il atterrira, ... et c'est là tout le charme du ballon libre !
   
Pour monter, il faut lâcher du lest, en général du sable, qui est emporté dans ou autour de la nacelle avant le décollage.

Lors de la montée, le gaz se dilate, et il faut laisser échapper l'excédent de gaz (une soupape obstrué est une cause d'accident grave par déchirure de 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.

Lorsque le risque d'un orage se manifeste pendant le vol ou est déjà présent, l’atterrissage immédiat est inévitable. 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).

A l’atterrissage, le freinage au sol se fait à l’aide d’une très grosse corde nommée guiderope.
 
Le dégonflage s’effectue après le vol à l’aide : soit du parachute dans le cas de ballons à ralingues, soit d'une soupape dans le cas de ballons à filet
 
Sources Texte et Crédits Photos
 

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