Montgolfière

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Contexte

Une montgolfière est une enveloppe non poreuse de matériau mince remplie d'un gaz de levage capable de soulever une charge utile suspendue dans l'atmosphère. Les ballons montent en raison du déplacement de l'air, en appliquant le principe selon lequel la force de flottabilité totale vers le haut est égale au poids de l'air déplacé.

Au cours de l'histoire, les enveloppes de ballons ont été faites de papier, de caoutchouc, de tissu et de divers plastiques. Les formes des ballons ont également varié au fil du temps, mais aujourd'hui, les plus courantes sont les sphères, les sphéroïdes aplatis et les configurations aérodynamiques. Les gaz de levage ont également varié. Aujourd'hui, les gaz les plus couramment utilisés sont l'hélium, l'hydrogène et l'air chauffé.

Historique

À la fin du XVIIIe siècle, Joseph et Jacques Montgolfier sont les pionniers de la montgolfière en France. En 1782, ils ont découvert que l'air chauffé dans un sac léger le faisait monter. En 1783, ils ont démontré publiquement leur découverte à Annonay, en France. Quelques mois plus tard, ils ont répété l'expérience à Versailles, envoyant cette fois un mouton, un coq et un canard comme passagers.

Le premier vol en ballon habité a eu lieu à Paris, en France, le 21 novembre 1783. Coordonné par les frères Mongolfier, Pilatre de Rozier et le marquis François Laurent d'Arlandes ont été lancés dans les airs dans un ballon en papier et en lin. De la fumée et de l'air chauffé ont été utilisés pour le gaz de levage.

Les premiers ballons ont été utilisés dans la guerre et le sport. Au XIXe siècle, le ballon a été perfectionné pour être utilisé à la guerre pour espionner derrière les lignes ennemies. Les utilisations en temps de paix comprenaient la prise des premières photographies aériennes. Ces ballons étaient utiles mais ils n'étaient pas orientables. De sérieuses expériences scientifiques avec des ballons n'ont commencé qu'à la fin du vingtième siècle.

Entre 1934 et 1961, des vols en ballon avec équipage ont mené des recherches dans la stratosphère [l'atmosphère à 6-15 mi (9,7-24,14 km) au-dessus de la surface de la Terre]. Des capsules pressurisées ont permis aux équipages d'aller jusqu'à 100 000 pieds (30 km). En 1961, l'avènement des vols spatiaux a rendu plusieurs de ces expériences obsolètes.

Depuis le début des années 1960, la montgolfière est utilisée comme ballon libre (c'est-à-dire lâché dans l'atmosphère) pour transporter des personnes en l'air en tant que sport. Dans les années 1970, les ventes de montgolfières grand public ont grimpé en flèche et en 1973, les premiers championnats du monde ont eu lieu aux États-Unis. Aujourd'hui, il existe divers événements de montgolfière dans le monde, mais l'objectif principal des aérostiers les plus sérieux est de battre des records.

D'autres types de ballons actuellement utilisés comprennent le ballon météorologique, le ballon à pression nulle, le ballon à surpression (un ballon à niveau constant), le ballon captif militaire et le ballon propulsé.

Montgolfière moderne

Les montgolfières d'aujourd'hui comportent deux parties principales, l'enveloppe (ou sac à gaz) et la nacelle. Le coussin à gaz est généralement sphérique et constitué d'un matériau non extensible. L'air chauffé qui soulève le ballon provient d'un brûleur à gaz d'hydrocarbure fixé au-dessus de la nacelle.

La nacelle (appelée aussi gondole) transporte les passagers. L'ascenseur est commandé en ajustant le taux de combustion du gaz. Une valve au sommet du ballon a une corde attachée afin que les passagers puissent contrôler la descente. Un cordon de déchirure et un panneau de déchirure permettent la libération rapide du gaz à l'atterrissage pour empêcher la traînée de la charge lors de l'impact.

Les ballons ne peuvent aller que si loin dans l'atmosphère. La limite actuelle pour la montgolfière pratique est de 34 miles (55 km).

L'un des aspects les plus intéressants de la montgolfière est le gonflage de la montgolfière. Dans des conditions normales, un ballon pour quatre hommes peut être gonflé et lancé avec un équipage de quatre à cinq personnes. Pour gonfler un objet aussi gros, il faut un grand espace. Le panier est disposé sur le côté. L'enveloppe est reliée au panier et étalée sur le sol. Quelques membres d'équipage tiennent ouvert la bouche du ballon et tandis qu'un ventilateur gonfle partiellement un ballon avec de l'air froid.

Le pilote du ballon pénètre dans l'enveloppe à ce stade pour effectuer des vérifications préalables au vol sur les lignes opérationnelles, le gréement, les poulies, la languette Velcro™, les câbles volants, le parachute et le tissu de l'enveloppe.

Un réservoir de carburant est utilisé lorsque le brûleur est allumé. Une bouffée d'air emprisonné déferle dans l'enveloppe. La bouche a tendance à se fermer derrière elle à cause de la précipitation. Il faut environ 60 secondes pour remplir un ballon de 20 000 pi3 (6 096 m3). Au fur et à mesure que l'enveloppe se remplit, elle s'élève au-dessus du panier.

L'équipage qui s'occupe de la couronne du ballon le maintient stable sous le vent et l'empêche de rouler d'un côté à l'autre. Au fur et à mesure que la portance augmente, l'équipage parcourt la ligne de couronne jusqu'à la nacelle.

Une fois le gonflage terminé, le pilote et les passagers montent à bord pour effectuer les dernières vérifications. Le ballon continue de chauffer jusqu'à ce qu'il devienne « léger » (prêt à décoller).

Matières premières

Enveloppe

Les enveloppes équilibrent leur charge avec des bandes ou des cordons de charge. Les Américains préfèrent un tissu lourd pour partager la charge. Leurs homologues européens préfèrent un tissu plus léger et l'équilibrent avec plus de structures de ruban de charge.

Le tissu est tissé à partir de deux types de fils, le nylon et le Dacron (polyester). Il y a des avantages et des inconvénients aux deux. Le nylon est plus léger et plus résistant, mais le Dacron peut résister à des températures plus élevées. Le tissu tissé est en fait une structure en maille qui permet à l'air de le traverser. La plupart des tissus ont une résistance à la traction de 40 à 100 lb (18,16 à 45,4 kg) par bande de pouce de large.

Pour contenir l'air, le tissu est enduit d'un mastic. Le plus courant est le polyuréthane, plus des additifs comme le néoprène (caoutchouc synthétique) ou le silicone, et un inhibiteur d'ultraviolets pour protéger le revêtement de la dégradation due au soleil. Le nombre de couches est déterminé par l'étanchéité à l'air équilibrée avec la fragilité du matériau.

Deux autres parties importantes de l'enveloppe sont le parachute et le panneau anti-déchirure, qui aident tous deux à contrôler le ballon, en particulier lors de la descente. Le parachute est à sécurité intégrée, il est donc devenu le contrôle dominant. Il est fait de tissu semblable à l'enveloppe. Le panneau de déchirure est scellé par du Velcro™ et possède une ouverture secondaire appelée évent qui est également faite d'un tissu similaire à l'enveloppe.

Un filet soutient la nacelle et répartit le poids de la nacelle uniformément sur le ballon.

Panier

Le corps du panier est généralement fait de rotin et de saule tissés ensemble. Le sol peut être en contreplaqué. Les bords du panier sont généralement liés en cuir, en daim ou en cuir brut. Des fils d'acier inoxydable et/ou des supports rigides verticaux fixent le panier au cadre du brûleur. Certains fabricants suspendent le panier à un anneau de charge lui-même suspendu à l'enveloppe. Cet anneau de charge peut également servir de cadre pour le brûleur.

Brûleur

Le brûleur est un brûleur au propane à une seule unité alimenté par deux réservoirs de carburant ou plus. Les réservoirs de carburant sont reliés au brûleur par un raccord de tuyau permanent. Tous les brûleurs sont des veilleuses à combustion constante.

Il y a quelques composants pour le brûleur. La vanne liquide régule le quantité de combustible utilisée par le brûleur. Le manomètre indique la quantité de pression de gaz lorsqu'il pénètre dans le serpentin du brûleur, indiquant la quantité d'énergie disponible. La veilleuse brûle la vapeur du haut du réservoir. Le propane vaporisé sort par des jets qui produisent une flamme à base grasse et à longue pointe. Le serpentin de vaporisation en acier inoxydable laisse passer le propane pour produire de la chaleur.

Conception

Enveloppe

Les enveloppes sont conçues pour réduire la tension du tissu en produisant un fuseau légèrement incurvé (les panneaux sectionnels qui sont cousus ensemble pour former l'enveloppe). Les fuseaux incurvés sont plus longs au centre qu'ils ne le sont à leurs extrémités. Il existe trois principaux types de fuseaux :verticaux, horizontaux et diagonaux. Les panneaux diagonaux sont les plus économiques car ils gaspillent le moins de tissu. De nombreux gores sont conçus par ordinateur.

Il existe deux formes de ballons courantes :en forme de larme et ronde. La larme peut grimper plus vite en utilisant moins d'énergie, mais le ballon rond utilise moins de tissu, ayant ainsi moins de surface à chauffer. Une enveloppe peut espérer durer 400 heures de vol.

Panier

Les paniers sont restés essentiellement les mêmes depuis les années 1700. Ils sont en osier et sont carrés. Ils fléchissent à l'impact. Au début des années 1970, une entreprise fabriquait une nacelle en aluminium et en fibre de verre, mais elle avait tendance à se briser lors d'atterrissages durs. L'autre grand changement est un panier en forme de triangle qui a permis quelques innovations avec le placement du tableau de bord. Les nacelles durent environ 800 heures de vol.

Le processus de fabrication

Enveloppe

• 1 La construction de l'enveloppe implique essentiellement la couture des fuseaux ensemble. Que ce soit à la main ou à la machine à coudre industrielle, il y a trois points. La couture double rabat comporte deux rangées de coutures parallèles le long de la couture repliée du tissu. Préférée par les fabricants pour sa résistance et sa légèreté, la couture comporte environ huit points par pouce (3 par cm). Quelques fabricants utilisent une couture plate (une couture parallèle droite maintient deux morceaux de tissu ensemble) et le zigzag (une couture parallèle en zigzag avec un double recouvrement de tissu). Les bandes de charge et les cordons sont également cousus.
• 2 Une fois l'enveloppe cousue, elle est couchée. Le revêtement est appliqué mécaniquement et sous pression.
• 3 Enfin, si l'enveloppe doit être utilisée à des fins publicitaires, une applique est attachée avec un slogan ou un nom. Il peut être appliqué avec de la peinture acrylique en aérosol, ou des lettres ou des bannières adhésives prêtes à l'emploi peuvent être attachées. Si l'œuvre d'art est grande, elle peut être cousue dans l'enveloppe proprement dite en étant coupée directement dans les fuseaux. Cela peut être un processus complexe et exigeant.

Panier

• 4 paniers sont fabriqués en premier. Au-dessus de la base en contreplaqué avec des glissières, un cadre de canne est construit jusqu'à 1 po (2,5 cm) de diamètre. Au coin, le cadre entoure les fils en acier inoxydable et les cadres de charge. Autour du cadre, le rotin ou le saule est tissé. Des trous sont laissés dans le corps du panier pour les sangles des cylindres. Le panier fini est recouvert de vernis pour aider à maintenir sa forme et à assembler la canne. Enfin, les bords sont protégés par des coutures en cuir brut, en cuir ou en daim. L'instrument/tableau de bord est intégré de même que les réservoirs de propane pour l'unité de brûleur.

Brûleur

• 5 De nombreux fabricants de ballons sous-traitent ces composants et les assemblent entre le panier et l'enveloppe après l'assemblage des autres pièces.

Le futur

Les innovations qui permettront aux montgolfières d'aller plus haut, plus longtemps et avec plus de contrôle continueront de se produire. De nombreuses innovations se concentrent sur l'amélioration du brûleur et du système de dégonflage.