Aéronef utilisant un gaz plus léger que l'air comme moyen de sustentation dans l'atmosphère, et n'ayant aucun moyen de propulsion.

Introduction

Libres, captifs ou dirigeables, les ballons, loin d'être des vestiges du passé, sont des véhicules de recherche irremplaçables et des moyens de transport ou de manutention. Les ballons libres, ces bulles d'air chaud ou de gaz plus léger que l'air, font partie de la vie quotidienne, que ce soient les montgolfières à vocation sportive ou touristique, les ballons-sondes utilisés en météorologie, les ballons stratosphériques utilisés en astronomie et en géophysique ou encore ceux qui explorent l'atmosphère de la planète Vénus. Les ballons captifs servent de plate-forme expérimentale, de support de radar ou encore, aux États-Unis et au Canada, d'aide au débardage du bois. Si quelques dirigeables tournent dans le ciel pour des actions publicitaires, l'intérêt qui leur est porté ne faiblit pas, comme l'attestent les nombreux projets régulièrement développés. Les spécialistes affirment que le dirigeable reviendra dans une version modernisée, développée en vue d'applications précises telles que la croisière touristique ou le transport de matériel ou d'approvisionnement dans des régions inaccessibles aux véhicules de surface, comme le bassin de l'Amazone ou le Grand Nord canadien ou sibérien.

Les ballons représentent l'application à l'aérostatique du principe d'Archimède : la force ascensionnelle est la différence entre, d'une part, la poussée d'Archimède, égale au poids de l'air déplacé par l'engin, et, d'autre part, son poids propre. Avec l'hydrogène, le plus léger des gaz, qui a l'inconvénient d'être inflammable, elle permet de soulever 1,2 kg par m³ au niveau de la mer ; avec l'hélium, moins léger mais inerte, 1,1 kg par m³. C'est pourquoi même les petits ballons sont gros. L'équilibre aérostatique d'un ballon dépend de la charge embarquée, de la température de l'atmosphère et, pour les engins motorisés, montgolfières comprises, de la consommation en carburant. Cet équilibre est maintenu par le lest d'eau ou de sable, partiellement largué pour monter, et le soupapage de gaz pour descendre. Puisque la densité de l'air diminue avec l'altitude, le ballon doit être d'autant plus gros qu'il doit voler haut. Pour porter 1 kg, il suffit de 1 m³ d'hydrogène au niveau de la mer, alors qu'il en faut 300 à 40 000 m d'altitude.

Dates clés des ballons

Ballons libres ou captifs

Montgolfière, premier voyage aérien libre

Le ballon à air chaud est aussi appelé montgolfière. Si, depuis les frères Montgolfier, le feu de paille a été remplacé par un brûleur au propane, le principe n'a pas changé. L'enveloppe en tissu très léger s'ouvre dans sa partie inférieure sur un anneau rigide, le cercle de charge, auquel la nacelle en osier est attachée par quatre tirants. Le brûleur est fixé en son centre. Une autre ouverture, dans la partie supérieure de l'enveloppe, est bouchée par un cercle de toile qui est plaqué par la pression de l'air chaud ; c'est la soupape de parachute. Pour commander une descente rapide, il suffit de l'ouvrir par l'intermédiaire d'un câble. Elle sert aussi à vider l'air chaud à l'atterrissage. La montgolfière change facilement d'altitude : on chauffe plus pour monter, on chauffe moins pour descendre. La force portante d'un ballon donné ne dépend, en effet, que de l'écart de température entre l'air chaud de l'enveloppe et l'air extérieur. Plus l'altitude du vol est élevée, plus cet écart doit être important.

Montgolfière

Les ballons à gaz sont constitués d'une enveloppe étanche, munie à son sommet d'une soupape et à sa partie inférieure d'un tuyau de gonflement, la manche. La nacelle en osier est attachée à un filet qui coiffe l'enveloppe. En matériaux très légers, celle-ci ne peut supporter que de faibles surpressions internes. Sa dimension doit donc correspondre au volume du gaz (hydrogène, hélium ou gaz de ville ordinaire) en équilibre à l'altitude du vol, l'excédent de gaz étant évacué par la manche. En altitude, le pilotage s'effectue en jetant du lest – sable ou eau – pour monter et en lâchant du gaz pour descendre. À l'envol, le gaz porteur n'occupe qu'une partie du volume disponible ; le ballon reste flasque. Pendant l'ascension, le gaz remplit progressivement l'enveloppe jusqu'à la gonfler au maximum à la forme d'une sphère presque parfaite. Le ballon atteint alors son plafond d'altitude. La mise en œuvre complexe et coûteuse de ces ballons limite leur utilisation sportive.

Les ballons captifs sont attachés au sol par un câble, mais ils sont en mouvement relatif par rapport au vent. Leur carène souple pose donc les mêmes problèmes aérodynamiques que celle des dirigeables et donne lieu aux mêmes solutions : empennages, forme fuselée maintenue par la pression du gaz porteur. Afin de compenser les variations de pression atmosphérique dues à la montée en altitude ou aux changements météorologiques, la carène comporte des fuseaux dilatables pour l'expansion du gaz porteur. Une solution plus élaborée consiste à adopter des ballonnets d'air pressurisé, alimentés par une pompe électrique.

Les dirigeables

Dirigeable Goodyear

D'une manière générale, tout dirigeable est constitué par une carène, de forme aérodynamique, qui contient le gaz porteur, l'hélium, un système propulsif, des moyens de direction – gouvernail et volets – et un dispositif de pilotage, situé dans une nacelle fixée sous la carène. Selon la structure de la carène, on distingue les dirigeables souples, rigides ou semi-rigides.

Les dirigeables souples sont familièrement appelés « blimps » aux États-Unis. Leur carène est une enveloppe étanche en toile enduite de caoutchouc ou de plastique. La forme aérodynamique de celle-ci est maintenue par le simple effet de la pression du gaz porteur. Deux ballonnets à air, situés à l'avant et à l'arrière, assurent le maintien de la surpression interne lors des variations d'altitude. Dans ce but, ils sont gonflés par de l'air prélevé sur le souffle des hélices. L'absence d'élément rigide dans la carène oblige à avoir recours à un système complexe pour fixer les équipements. L'ensemble nacelle-moteur est accroché en différents points à une ligne caténaire, elle-même accrochée à des suspentes qui la relient à la partie supérieure de la carène, où s'applique la pression aérostatique. La parfaite étanchéité exigée de la carène des dirigeables souples rend difficiles la fabrication des tissus et la confection de l'enveloppe. Ce type de carène résiste aux efforts aérodynamiques anormaux en pliant mais ne supporte pas la moindre déchirure, sous peine de mettre en péril la vie de l'engin. La technique des dirigeables souples convient surtout aux petits modèles. Le plus gros d'entre eux, construit par l'US Navy, atteignait 42 000 m³.

Dirigeable Europa N° 2A

La carène des dirigeables rigides est une carcasse en poutres d'aluminium recouverte d'un entoilage. Elle contient plusieurs ballonnets remplis par le gaz porteur. La dissociation faite entre la fonction aérodynamique de la carène et la fonction aérostatique, assurée par les ballonnets, est un élément de fiabilité. Les équipements, moteurs, empennages et gouvernes se fixent aisément sur cette structure rigide, qui, par ailleurs, réagit franchement aux ordres de pilotage. La nacelle s'intègre à la carène, qui peut abriter des cabines et des soutes. D'une construction plus lourde que les dirigeables souples, mais possédant de meilleures qualités aérodynamiques, les dirigeables rigides sont des engins plus importants. Les plus grands ont été construits entre 1930 et 1940 en Allemagne et aux États-Unis ; leur taille était comparable à celle d'un grand navire transatlantique : 250 m de long, plus de 40 m de diamètre pour un volume de 200 000 m³.

Les dirigeables semi-rigides cherchent à combiner les avantages des deux types précédents. Ils sont faits d'une carène souple et d'une quille rigide sur laquelle se fixent aisément nacelle, moteur et équipements. Le plus gros dirigeable semi-rigide, d'un volume de 34 000 m³, a été construit par les Italiens en 1921.

Les hybrides

Combiner les caractéristiques des plus lourds que l'air – avion, hélicoptère – et des plus légers que l'air – les ballons – pour réunir les avantages, mais aussi les inconvénients, de ces deux procédés, tel est l'exercice auquel se sont livrés les concepteurs du ballon-avion ou du ballon-hélicoptère. Dans ces aéronefs hybrides, la portance aérostatique compense le poids propre de l'appareil, la force portante aérodynamique équilibrant le poids variable, c'est-à-dire la charge utile et le carburant. Le ballon-avion a notamment fait l'objet de deux projets américains, le Dynairship de la société Aereon et l'Helipsoid de la société Boeing. Le premier est une aile volante très épaisse gonflée à l'hélium, le second a une carène ellipsoïdale qui forme une aile épaisse. L'analyse théorique a montré que ce concept était intéressant dans deux cas seulement : lorsque la portance aérodynamique restait faible ou lorsqu'elle assurait la totalité de la force portante. Ce résultat limite l'emploi de l'éventuel ballon-avion à de rares applications spécifiques.

Après avoir fait l'objet de projets français et américains, le ballon-hélicoptère est entré dans la réalité : l'hélicostat de l'ingénieur français Étienne Oehmichen à volée en 1931. Il se prête à des utilisations précises comme le prélèvement et le dépôt de charges. Le poids à vide de l'hélicoptère, 50 % du poids total en charge, est équilibré par un ballon. Il s'ensuit que la charge utile de l'hélicoptère a été doublée.

Les ballons et la recherche

Ballons stratosphériques

Que ce soit pour l'étude physique de la haute atmosphère terrestre, ou même pour celle des autres planètes, les chercheurs utilisent couramment des ballons libres à gaz et un type particulier de ballon à air chaud, la montgolfière infrarouge (M.I.R.), soit comme véhicules pour des appareils de mesure, soit comme marqueurs du milieu, dont les courants peuvent être ainsi suivis par radiolocalisation ou par radar.

Conçue par le service d'aéronomie du C.N.R.S. et construite sous sa direction, la montgolfière infrarouge utilise deux sources de chaleur : le Soleil, le jour, et le rayonnement infrarouge de la Terre la nuit. Les M.I.R. circulent à des altitudes situées entre 20 et 30 km. La première d'entre elles, d'un volume de 70 000 m³, a volé pendant 52 jours en 1983. Quant aux ballons stratosphériques libres, ils sont de deux types, ouvert ou pressurisé. Seul ce dernier type se prête à des vols de longue durée, car il possède une flottabilité constante. En effet, son enveloppe étanche, qui a fait l'objet d'études particulières, est capable de supporter la surpression du gaz porteur, chauffé par le Soleil. Sa durée de vie, remarquablement longue, peut atteindre jusqu'à 600 jours.

Emprisonnée dans un manteau de nuages, la surface de la planète Vénus est difficilement observable à distance. Pour explorer son sol (où règne une température de 480 °C), l'U.R.S.S. y a fait atterrir de nombreuses sondes Venera. En 1986, au cours du programme Vega (Venera-Halley), deux sondes soviétiques se dirigeant vers la comète de Halley ont largué sur Vénus un module d'atterrissage qui contenait des ballons mis au point en France par le Centre national d'études spatiales. Gonflés et lâchés dans l'atmosphère de la planète, ces ballons ont dérivé pendant près de 48 heures entre 53 et 55 km d'altitude, explorant la couche nuageuse sur des milliers de kilomètres.