Ballon à gaz

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Ballon au dihydrogène de Jacques Charles et des frères Robert en 1783.

Un ballon à gaz (ou aussi charlière) est un objet volant, c'est-à-dire un aéronef, « plus léger que l'air », synonyme d'aérostat.

Le ballon vole grâce à la poussée d'Archimède.

Contrairement à la montgolfière, dont l'enveloppe est gonflée d'air chaud, le ballon à gaz contient un gaz moins dense que l'air à température identique, en général du dihydrogène, du gaz d'éclairage ou de l'hélium.

Un ballon à gaz ne peut être contrôlé que dans la direction verticale, et dans une certaine mesure horizontalement par le biais des courants aériens différents selon l'altitude.

Histoire

C'est la même année que les frères Montgolfier, mais quelques jours après eux, que le physicien Jacques Charles fait voler un ballon gonflé au dihydrogène.

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

Le 1^er décembre 1783, 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^[1]. 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 amélioration qui lui seront apportées par la suite seront mineures : guiderope (inventé par l'anglais Green), panneau de déchirure.

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 au dihydrogène. 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 voler 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 Tissandier.

En 1875, le Zenith volera 23h heures 40, avant de tuer deux de ses pilotes 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.

Technique

Construction

Le ballon est constitué d'une bulle de tissus étanche, emprisonnée dans un filet, auquel est suspendue une nacelle.

Pilotage

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.

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).

Gaz employés

Les gaz 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) 0,08988 g/L, ce qui est 14 fois moins que la masse volumique de l'air.
• La masse volumique du gaz d'éclairage (masse molaire de 4) 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) 0,1785 g/L, ce qui est 7 fois moins que la masse volumique de l'air.

L'hydrogène

« 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 sont 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^[2]: 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, fil disparait sous les deux hémisphères qui se forment (suite de l'augmentation de volume, et souvent le ballon fait 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^[2].

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 couteux lui est-il généralement substitué^[2].

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^[3]. »

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^[3]. »

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) et la catastrophe du Hindenburg.

Le gaz d'éclairage

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^[4].

En annexe à ce mémoire il y a un tableau de « gravités spécifique 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^[4] ».

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 (en: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^[5]. »

L'hélium

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)^[6].

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^[7]. 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^[8].

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.

Utilisations

Les ballons à gaz sont utilisés pour explorer la haute stratosphère. On parle alors de ballon stratosphérique.

Records

Un vol en ballon à gaz peut durer plusieurs jours, ainsi le 17 août 1978, 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 :

• 18 000 m, le 15 août 1932, 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 4 mai 1961 par les Américains Malcom Ross et Vic Prather.
• 53 000 m, en mai 2002 par le ballon inhabité Fujikura d'un volume de 60 000 m³ et parti de Sanriku, Préfecture d'Iwate, Japon.

Notes et références

Annexes

Articles connexes

• Aérostation
• Histoire de l'aérostation
• Record d'altitude
• Aerophile SA (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

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