LA MONTGOLFIERE

Aspects hitoriques

Biographie des inventeurs :

Joseph Montgolfier était un Français, producteur de papier en Annonay. Il est né en 1740 (mort en 1810) et avait une véritable passion pour les nouvelles machines, comme c'était très à la mode à l'époque. Avec son frère cadet Etienne, ils avaient souvent rêvé au vol humain. Ils avaient même déjà imaginé de capturer les nuages dans une espèce d'enveloppe et d'y suspendre un panier. Cependant ils ne savaient pas comment réaliser cette idée. Ainsi, quand Joseph parvint à gonfler sa chemise en la tenant par le col au dessus du feu dans sa cheminée, il sut immédiatement qu'il venait d'avoir une idée de génie. Il comprit que, l'air chaud étant plus léger que l'air froid, il pouvait de cette manière soulever quelquechose de lourd. Il fit part de sa découverte à Etienne et tous deux commencèrent à imaginer la forme qu'il pouvait utiliser pour construire un ballon pour leurs premières expériences. Pour commencer, ils choisir un globe d'un mètre cube, en soie. Ils le chauffèrent au-dessus d'un feu, et il décolla d'une trentaine de mètres. Ces évènements eurent lieu en Novembre 1782. On peut les considérer comme la naissance de l'aérostatique.

Histoire:

La montgolfière a été créée en 1783 en France. Le 19 Septembre 1783 à Versailles, devant le roi Louis XVI, le premier vol avec passager a lieu: ils avaient embarqué à bord un mouton, un coq et un chien. Les animaux sont récupérés 3 kilomètres plus loin, après un vol de 8 minutes. Ils  ont refait  l'expérience avec un homme et cela a été un succès.
 

La conquête des airs par les ballons :

En décembre, ils poursuivirent leurs expériences avec un ballon de 3 m3, puis en avril 1783 avec un ballon de 800 m3 qui s'éleva à 400m d'altitude. Jusque là, ils avaient travaillé secrètement dans leur jardin, mais à mesure que l'altitude des vols augmentait, ils avaient peur que leurs voisins ne découvrent leurs expériences et qu'ils leurs volent l'idée: ils décidèrent donc d'organiser un envol public de leur ballon sur la place principale d'Annonay, devant des gens dignes de confiance qui pourraient leur servir de témoins pour certifier que les Montgolfier étaient bien à l'origine de l'idée. Ils construirent un ballon de 900 m3 dont l'enveloppe était faite de coton cousu sur du papier. Le 4 juin, ils l'attachèrent à deux mas et au sol et ils y suspendirent une nacelle remplie de paille et de laine. Quand une chaleur suffisante fut générée pour soulever le ballon, ils coupèrent les cordes et le ballon s'envola, montant jusqu'à 10000m. Quand il se refroidit, une dizaine de minutes plus tard, il atterrit dans un champs et commença à brûler à cause du feu résiduel dans la nacelle. Malheureusement, les paysans qui travaillaient dans ce champs furent pour le moins effrayés par cet engin étrange venu du ciel, et ils ne firent rien pour éteindre le feu. Par conséquent le prototype fut entièrement détruit par le feu. Toutefois les témoins du vol certifièrent son authenticité, et les frères Montgolfier purent écrire à l'Académie des Sciences pour être officiellement déclarés comme étant les premiers à avoir construit un objet volant.

Calendrier de la conquête des airs par les ballons :

  • 4 juin : la première "montgolfière", gonflée à l'air chaud, s'élève dans le ciel d'Annonay (Ardèche);
  • 27 août : un aérostat rempli d'hydrogène vole durant 45 minutes au-dessus de Paris entre le Champ-de-Mars et Ecouen ;
  • 19 septembre : à Versailles, en présence du roi Louis XVI, une "montgolfière" enlève une cage d'osier renfermant un mouton, un coq et un canard. On dit que Pilâtre de Rozier était sur les lieux pour constater l'état de santé de ces "premiers voyageurs de l'espace" au terme de leur épopée;
  • 21 novembre : Pilâtre de Rozier et le marquis d'Arlandes s'envolent à bord d'une « montgolfière » pour le premier voyage aérien. Mais la nécessité d'alimenter en paille le réchaud situé à la base du ballon leur ôte toute possibilité de se livrer à la moindre observation ou expérience;
  • 1er décembre : installés dans la nacelle d'un ballon à hydrogène, les physiciens français Charles et Robert réalisent les premières expériences scientifiques "spaciales" (mesure de température et de pression)
     
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Depuis cette époque, bien d'autres tentatives ont été faites. L'issue dramatique de certaines d'entre elles ne découragea nullement les audacieux aéronautes.

Une montgolfière moderne comporte 3 éléments de base:

La nacelle

Elle est toujours construite en osier et son plancher en bois. Malgré l'apparition de nouveaux matériaux, l'osier est encore le plus solide et le plus résistant. Si les nouveaux matériaux sont peut-être plus légers, aucun ne concilie résistance et élasticité suffisante pour amortir le choc de l'atterrissage,du moins pour un prix équivalent.

On fabrique aujourd'hui des nacelles dont la capacité va de une à plus de 50 personnes. En Europe, on trouve en général des nacelles pouvant contenir de 4 à 6 personnes. Les grosses nacelles (parfois à deux étages!) sont en effet réservées aux vastes espaces, africains en particulier

Le brûleur

Depuis l'avènement du brûleur à propane au début des années soixantes, il n'a pas beaucoup évolué. Le principe est très simple: le propane contenu dans des bouteilles est sous pression donc liquide. Il passe dans un serpentin de vaporisation, dans lequel il est réchauffé et vaporisé, il peut alors être brûlé. l'air de l'enveloppe est ainsi chauffé, jusqu'à une centaine de degré, et le ballon devient donc plus léger que l'air. Le talent du pilote consiste à chauffer au bon moment. En effet le brûleur n'est pas utilisé de manière continue mais par à-coups et le pilote doit anticiper le refroidissement du ballon car l'action du brûleur n'est ressenti qu'une dizaine de secondes après.

L'enveloppe

Elle est fabriquée en nylon, un matériau qui résiste à de très hautes températures. De plus il ne brûle pas au contact de la flamme du brûleur. Il se peut qu'il fonde localement mais le feu ne se propagera jamais à toute l'enveloppe. Elle est relée à la nacelle par des câbles en acier.

La forme de l'enveloppe est très semblable d'un ballon à l'autre. Certaines montgolfières publicitaires toutefois représentent des objets, mais on n'a pas le droit de transporter de passagers dedans, car elles sont trop instables.
 
Schéma d'une montgolfière:

                A.Enveloppe
                B.Jupe
                C.Câbles de soutien
                D.Brûleurs
                E.Panier de rotin

                La nacelle
                1.Système de brûleurs
                2.Tuyau d'alimentation du brûleur
                3.Contour de suède
                4.Panier de rotin
                5.Valve d'échappement (propane)
                6.Structure des câbles de soutien
                7.Protecteur en cuir
                8.Base en bois

 

 

A:Panneau parachute

B: Partie supérieure

C: Partie méridienne

D: Sangle verticale

 E: Sangle horizontale anti-déchirement

F: Partie inférieure

G: Corde de parachute à l'intérieur du ballon

H: Corde de couronne

I: Nacelle : voir détails ci-dessous


 
A: Brûleur

 B: Cadre de charge en acier

 C: Manette de commande

 D: Tuyau d'arrivée des gaz

 E: Rebord rembourré

 F: Fourreau de protection

 G: Poignée intérieure

 H: Extincteur

 I: Instruments, radio, ...

 J: Cylindre de gaz

 K: Sangle de fixation de cylindre

 L: Poignée de transport

 

 

Technologie

La masse totale d'une montgolfière de 2 200 m³ est alors de l'ordre de 2 500 kilos ce qui représente une inertie importante, et tout l'art du pilotage consiste à anticiper sur les réactions de l'appareil. L'autonomie dépend bien sûr des réserves de gaz que l'on peut embarquer à bord de la nacelle ; la durée moyenne des vols se situe aux alentours de 60 minutes.

Quelles sont les dimensions d'une montgolfière?
Le volume d'un ballon de montgolfière typique varie entre 65 000 et 105 000 pieds cubes, et sa hauteur peut atteindre 70 pieds.
Le volume des montgolfières actuelles varie entre 600 et 7 500 mètres cubes, le plus courant étant de 2 200 mètres cubes.

Quelle charge peut-elle emporter?
Ce volume permet d'emporter une charge totale de 500 kilogrammes, un mètre cube d'air porté à 100°c pouvant soulever une charge de 250 grammes dans un air ambiant normal et à pression normale.

Quelle altitude peut atteindre une montgolfière?
La plupart des vols en montgolfière se font à une altitude qui varie entre 1000 et 1500 pieds. Cependant, elles peuvent aussi ne survoler que la cime des arbres, ou encore aller beaucoup plus haut.

Combien de temps une montgolfière peut-elle rester dans les airs?
Tout dépend. Habituellement, la montgolfière transporte suffisamment de carburant pour deux heures de vol, mais des facteurs comme la température de l'air ambiant, le poids qui se
trouve à l'intérieur de la nacelle et le temps détermineront la durée du vol.

Quelle vitesse une montgolfière peut-elle atteindre?
 Elle est aussi rapide que le vent. Ou aussi lente. Comme la  montgolfière n'est pas munie d'un dispositif de propulsion avant, sa  vitesse est entièrement déterminée par celle du vent.

Comment se gonfle une montgolfière ?
 

C'est au moment de gonfler le ballon que la montgolfière devient un véritable sport d'équipe. En effet, le ballon étant très peu maniable au sol, en particulier les jours de grand vent, il faut quatre personnes pour réussir à le gonfler. On commence d'abord par étendre l'enveloppe sur le sol, puis on attache celle-ci à la nacelle que l'on a déposée sur le côté. Un petit ventilateur à essence permet de souffler de l'air dans le ballon. On allume ensuite le brûleur pour chauffer l'air qui se trouve dans le ballon. L'air chaud s'élève et amène ainsi le ballon à la verticale.
Ses capacités :

La montgolfière peut atteindre la même vitesse que le vent, aussi rapide ou aussi lente. Comme la montgolfière n'est pas munie d'un dispositif de propulsion avant, sa vitesse est entièrement déterminée par celle du vent. La plupart des vols en montgolfière se font à une altitude qui va entre 1000 et 1500 pieds. Cependant, elles peuvent aussi ne survoler que la cime des arbres, ou encore aller beaucoup plus haut. Une montgolfière transporte habituellement assez de carburant pour deux heures mais les facteurs comme la température de l'air ambiant, le poids qui se trouve à l'intérieur de la nacelle et le temps détermineront la durée du vol. Le carburant qui est utilisé pour la montgolfière est le propane, que l'on garde dans des réservoirs sous pression déposés au fond de la nacelle. La montgolfière transporte environ 30 ou 40 gallons de propane liquide. La flamme peut atteindre jusqu'à 10 ou 20 pieds de hauteur et produit un bruit très fort à l'allumage.

À l'aide d'une équipe de poursuite qui se déplace en camionnette ou en fourgonnette,on suit la montgolfière pendant son vol
(dans la mesure où les routes le permettent) et doit être sur place pour récupérer la montgolfière au moment de l'atterrissage. Pour chaque montgolfière qui évolue dans le ciel, il faut une équipe au sol de trois ou quatre personnes reliée par radio pour assurer la réussite du vol.

 

Autres type de "montgolfière" : les Aérobot

Ballon ascensionnel à gaz:

Un ballon à gaz est composée de deux grandes parties :

L'enveloppe, mesure jusque environ 20 mètres de diamètre. Le filet retient l'enveloppe. Un ballonnet rempli d'air, situé dans la partie basse et alimenté par un ventilateur, permet au ballon de garder une parfaite sphéricité pour contrer l'effet du vent malgré les dilatations et les contractions de l'hélium.

Méthodes de Gonflement de l'Enveloppe

Les moyens de gonfler une enveloppe de ballon diffèrent si la planète est de type terrestre (i.e., Mars, Terre, Venus et Titan) :

ou de type gazeuse (i.e., Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune) : rempli de gaz ambiant.
 


Applications du Contrôle d'Altitude d'un Ballon lors d'une Exploration Planétaire.

Il y a plusieurs objectifs scientifiques pour les Aerobots.

Exemple de Mission d'un Aerobot sur une Planète Gazeuse :