Les aérostats

« PLUS LÉGERS QUE L'AIR les aérostats , plus connus sous le nom de ballons, sont des aéronefs plus légers que l'air.

La sustentation de ces objets est assurée par la poussée d'Archimède, contrairement aux aérodynes (avions, hélicoptères ) dont le vol est permis par les force s aérodynamiques .

Il en existe de nombreux types, dont les noms s'inspirent en grande partie de leurs célèbres inventeurs : les frères Montgolfier, Jacques Charles et le comte Zeppelin.

courante : la flottaison d'un bateau sur l'eau, la montée de l 'air chaud au dessus d'un radiateur, la flottaison d'un glaçon dans un verre d'eau...

le mouvement d 'un corps plongé dans un fluide peut se déterminer à partir du bilan des forces qui lui sont appliquées .

Il subira: • son propre poids : une force verticale dirigée vers le bas proportionnelle à sa masse et à l'accélération de la pesanteur ; •la poussée d'Archi mède .

On peut distinguer trois cas possibles.

Soit le poids de l'objet l'emporte, et dans ce cas celui-ci est animé d'un mouvement vertical vers le bas.

Soit la poussée d'Archimède l'emporte et l'objet est déplacé vers le haut.

Enfin les deux forces peuvent se compenser , auquel cas l'objet est en équilibre: il ne se déplace pas.

------------! On peut simp lifier ce problème de i@IU!!iiiJ fONCTIONNEMENT DES BALLONS « Tout corps plongé dans un fluide subit une poussée verticale, dirigée - - ....

.--..... ..

de bas en haut , égale au poids du fluide déplacé et appliquée au centre de gravité de ce corps» énonce Archimède près de 240 ans avant notre ère.

On observe de nombreux exemples illustrant ce principe dans la vie mécanique en ayant recours à la notion de masse volumique .

la masse volumique d'un corps est le rapport de sa masse sur son volume.

lorsqu'un objet est plongé dans un fluide , son mouvement peut être déterminé en comparant sa masse volum ique à celle du fluide .

Si l'objet est plus dense que le fluide, il coule .

Dans le cas contraire, il flotte.

le ballon est une application directe de ce principe .

Pour mettre un objet en mouvement ascendant ou en suspension dans un fluide, il faut le doter d'une masse volumique plus petite que celle du fluide.

En enfermant une quantité de gaz de masse volumique inférieure à celle de l'air dans une enve loppe , on peut soulever une nacelle de masse raisonnable.

Deux pistes différentes ont été examinées pour obtenir des fluides plus légers que l'air: d 'une part la température du fluide utilisé.

la loi des gaz parfaits nous enseig ne en effet qu'un gaz chaud occupe un volume plus important qu'un gaz froid.

En chauffant une masse d'air donnée, on la dilate et sa masse volumique devient plus faible que l'air environnant.

le bilan des forces qui lui sont appliquées agit donc en faveur d'une mise en mouvement vers le haut.

l'autre piste est la composition du gaz enfermé dans l'enveloppe .

En choisissant directement un gaz de masse volumique inférieure à celle de l'air, on obtient les mêmes résultats que dans le cas de l'air chauffé.

TYPES DE BALLONS On distingue trois grands types de ballons en fonction de leur mobilité.

les ballons captifs sont reliés au sol par un câble et ne sont donc pas mobiles .

les ballons libres quant à eux n'ont pas d'attache au sol, et leur mouvement est avant tout décidé par les courants aériens.

On rencontre enfin le dirige11ble .

Ces ballons sont munis de moteurs et de gouvernes qui les rendent manœuvrables.

Par ailleurs si les aérostats ont pour point commun d'exploiter le principe -----------...&..----------......, d'Archimède , diff érentes inventions Bilan des forces -Poids (Fp) et poussée d'Archimède (FA) Mouvement vertical vers le haut sont nées des différentes pistes permettant d'obtenir une mas se volumique plus faible que l'air .

On distingue les montgolfières des charlières.

Les montgolfières sont des ballons à air chaud : elles exploitent la moindre densité de l'air chauffé.

Les charli ères sont des ballons à gaz : elles exploitent des gaz de densité inférieure à l' a ir .

Elles permettent de nombreuses applications : les ballons sondes et ballons stratosphériques, qui permettent une étude in situ de l'atmosphère via des instruments embarqués.

Il existe un dern ie r type de ballon : la rozière qui est en fait un mélange des montgolfières et des ballons à gaz.

La rozière combine les deux principes en chauffant un gaz différent de l'air.

On trouve également différentes catégories de dirigeables.

leur structure de base peut être plus ou moins rigide, depuis les dirigeables souples (comme le modèle Mouvemant vertical Parseval), jusqu 'aux dirigeables ...

.._ rigides (comme le Zeppelin ) en ~~~ ~~--~~--------------~ passant par une série de modèles semi-rigides (comme le lebaudy ou le Zeppelin NT).

ii!IIJ Jiioi i if1 j,Jijli PREMIERS BALLONS On peut considérer q ue l'aérostation démarre en 1782 avec les premiers essais de vol de Joseph Montgolfier.

l'année 1783 s'avère fertile en réussites : le 4 juin, Joseph et son frère Étienne Montgolfier réalisent la première démon­stration publique de vol d'un aérosta t à a ir chaud à Annonay .

Celui-ci dépasse 1 ooo mètres d 'altitude et parcourt deux kilomètres .

Pilâtre de Rozier et le marquis d'Arlandes devien nent les premiers voyageurs aériens en effectuant le 21 novembre un survol de Paris en montgo lfière , parcourant une dizaine de kilomètres.

En parallèle de ces exploits , Jacques Alexandre Charles mène des investigations sur les ballons à gaz et réalise un ballon à l'hydrogène dont le premier vol a lieu l e 1 " décembre.

UTILISATION PAR L'ARMÉE -PREMIERS BALLONS CAPTIFS Savants et militaires ne tardent pas à comprendre qu'un ballon constitue un excellent atou t dans un champ de bataille.

la première compag nie d 'aérostiers est créée dès 1794.

Ils participent aux opérations militaires en fournissant des renseigne ments sous les ordres de Jean-Ma rie Coutelle .

Ce dernier met sur pied une école d'aérostat ion militaire à Meudon avec l'aide de Nicolas Jacques Conté .

Mais l a complexité de la construct i o n et du transport des aérostats dissuade les généraux français de leur utilité : les aérostiers sont licenciés en 1799 .

le ballon libre n 'offran t pas la maniabilité requise pour la guerre, les inventeurs se lancent très tôt dans l'étude de systèmes de navigation .

le généra l Jean -Baptiste ­ Marie Meusnier est le premier à proposer un ballon de forme ellipsoïdale , muni d 'u n gouvernail.

Cependant son ballon ne s'avère pas pilotabl e.

En revanche l'ajout d'une machine à vapeur actionnant une hélice par Henri G iffard permet une maniabilité rudimentaire .

Grâce à l'ajout d'un moteur électriq ue en 1884 , Charles Renard et Arthur Krebs parvien nent à effectuer un premier aller retour.

Par la suite, les progrès les plus significatifs sont dus à l'invent ion du moteur à explosion .

ESSOR ET DÉCLIN DES DIRICEABLES le comte Zeppelin est l'une des figures les plus marquantes de l 'avènement du dirigeable .

Tout au long de la première guerre mondia le , des d irigeables de plus en plus sophist iqués sont construits.

Ils part icipero nt à de nombreuses attaques et miss ions de reconnaissance .

l'enthousiasme pour les dirigeables ne faiblit pas pendant l'entre deux guerres .

Anglais , Allemands, Français , Italiens et América ins se disputent l'invention d 'e n gins de taille toujours plus spectaculaire.

la vocation des dirigeables déborde alors du domaine milita ir e pour conquérir le transport civil.

Mais les dirigeab les s'avèrent très sensibles a ux conditio n s climatiques .

Par ailleurs , l'hydrogène dont ils sont gonflés les rend hautement inflammables.

Plusieurs catastrophes vont refroidir irrémédiablement l'engouement qu'ils avaient suscité : la perte de l'ltalia en route pour le pôle en 1928 , l 'accident d'un dirigeable anglais lors d 'un trajet londres-Bombay en 1930 et la cllt11sfrophe du Hindenburg , qui prend feu à l'aéropo rt de lakehurst en 1937 .

Cette dernière catastrophe signe la fin de l'utilisation des dirigeables à des fins commerciales.

Finalemen t , les progrès techniques de l'aviati o n au cours de la Seconde Guerre mondiale donnent le coup de grâce à l'ère des dirigeables .

AtROSTATION MODERNE E n dé pit des incide nts, de nombr eux passionnés n 'o nt pas renoncé à la conquête de l'air par les ballons.

le problème de l'inflammabil ité de l'hydrogène a p u être résolu en éliminant le recours à ce gaz au profit de l'utilis ation de l'hélium , plus cher car non renouvelable.

les progrès techno logiques assu rent par ailleurs une meilleure sécurité par l 'usage de matéria ux plus résistants à la déchirure .

Cependant , les aérostats restent très sensibles aux cond itions climatiq ues en raison de leur grand volume .

Par ailleurs , leur vol n 'est pas très économique car ils offrent une importante résistance au vent.

Cela se traduit par un surplus. »