Le ballon à air chaud

 

L’aérostation est l'étude des aérostats. Les aérostats comprennent les ballons à air chaud, les ballons à gaz ainsi que les dirigeables.  De nos jours, le ballon à air chaud ( montgolfière) est de loin celui dont la pratique est la plus répandue. C’est pour cela que nous nous contenterons d’étudier la montgolfière.

 

Structure

Une montgolfière est composée de trois éléments principaux : l'enveloppe, brûleur et la nacelle.

 

-L'enveloppe

Elle a pour rôle d'emprisonner l'air chauffé par le brûleur. Sa structure est constituée de sangles horizontales et verticales formant une sphère, sur laquelle sont cousus des panneaux de nylon traité.

Les sangles verticales sont rassemblées au sommet sur un anneau de "couronne", et à la base par des câbles d'acier qui viennent se fixer sur le "cadre de charge". Le sommet de l'enveloppe, qui est ouvert. Ce sommet est obturé de l'intérieur par un panneau circulaire amovible, appelé "parachute", sous la poussée de l'air chaud, il se plaque sur la bordure du sommet de l'enveloppe, assurant l’étanchéité. Il peut aussi faire office de soupape.

Le volume des montgolfières actuelles varie entre 600 et 10 000 mètres cubes, Ce volume permet d'emporter une charge totale de l'ordre 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.

-Le brûleur

Il délivre une flamme dirigée au centre de l’enveloppe de 3 à 6 mètres de haut rentrant à l'intérieur de l'enveloppe par la partie inférieure ouverte ("bouche"). Placé sur le cadre de charge, le brûleur est orientable. Une canalisation le relie à des réservoirs cylindriques en aluminium ou en acier, qui contiennent le propane liquide. L'ouverture des vannes libère le propane, le distribue aux gicleurs, d'où il se diffuse pour se mélanger à l'air ambiant et s'enflammer au contact d'une flamme de veilleuse.

 

 

 

 

 

 

-La nacelle

Généralement en osier et en rotin tressés ce qui lui confère robustesse et souplesse, elle est quelquefois en aluminium, elle protège l'équipage des chocs à l'atterrissage. C’est la nacelle qui contient les réservoirs de propane et les côtés les instruments de bord. Des cannes semi rigides supportent le cadre de charge, fixé à des câbles d'acier qui assurent la suspension de la nacelle.

-Le cadre de charge

Cadre métallique supportant le bruleur et assurant la liaison entre la nacelle et l’enveloppe. C’est ce cadre qui supporte les efforts d’écartement produit par les câbles.

 

Mécanique de vol

Si les aérodynes se sustentent grâce à la loi de Venturi, le aérostats utilisent le principe d'Archimède.

Tout corps immergé dans un fluide subit une force opposée au poids du fluide déplacé.

On nomme cette force "portance aérostatique" :

Portance F= ρ . V .g

avec:

- F portance dirigée vers le haut

- ρ masse volumique de l'air déplacé par le ballon

- V volume d'air déplacé par le ballon

- g accélération due à la gravité (dirigée vers le bas)

Cette portance doit équilibrer le poids total du ballon ( poids de l’air intérieur+ poids à vide+poids de la charge)

Pour que l’aérostat se maintienne en l’air, il faut que son poids égalise la portance d'Archimède.

- la portance croît comme le volume.

- la portance diminue comme la masse volumique ρ (donc diminue avec l'altitude).

Pour maîtriser la portance, il faut faire diminuer ρ la masse volumique de l'air contenue par le ballon.

Dans les conditions standard de température et de pression,

La masse d’un m³ d'air ambiant à 15°C est de 1,225 kg

La masse d'un m³ d'air à 35°C est de 1,145 kg

Pour une différence de températures de 20°C entre l'air chauffé (à l'intérieur de l'enveloppe) et l'air ambiant (à l'extérieur), la différence des masses volumiques est donc de 80 gr par m³ produisant la force aérostatique

Pilotage du ballon à air chaud

Le seul axe maîtrisable est l’axe z. Le pilote ne peut que monter ou descendre. En chauffant l’enveloppe, le ballon va monter, en se refroidissant, il va descendre. Le pilote devra tenir compte de l’inertie thermique donc d’un temps de réponse qui n’est pas instantané.

Pour avoir une légère maîtrise des axes x et y, le seul moyen est de placer le ballon à une altitude ou le vent l’emmènera plus ou moins vers la direction choisie.

En ce qui concerne le ballon à gaz, le pilote dispose de lest, qu’il peut larguer. Le poids diminuant, le ballon va monter. Pour descendre, il doit libérer un peu de gaz ce qui va diminuer la portance.