Montgolfières : des frères Montgolfier au vol moderne

Contexte

Une montgolfière se compose d'une enveloppe non poreuse en tissu fin et haute résistance, remplie d'un gaz porteur. L'enveloppe s'élève car l'air chauffé à l'intérieur déplace l'air environnant plus frais, créant une force de poussée ascendante égale au poids de l'air déplacé.

Historiquement, les enveloppes étaient fabriquées en papier, caoutchouc et divers tissus. Aujourd'hui, les formes les plus courantes sont les sphères, les sphéroïdes oblates et les formes aérodynamiques profilées. Les gaz porteurs principaux sont l'hélium, l'hydrogène et l'air chauffé.

Histoire

À la fin du XVIIIe siècle, les frères Montgolfier ont été les pionniers de la montgolfière en France. Après avoir découvert que l'air chauffé dans un sac léger pouvait le soulever, ils ont démontré leur invention en 1783, d'abord à Annonay puis à Versailles avec un mouton, un coq et un canard comme passagers.

Le premier vol habité a eu lieu le 21 novembre 1783 à Paris. Pilâtre de Rozier et le marquis François Laurent d'Arlandes ont monté à bord d'un ballon en papier et lin propulsé par de la fumée et de l'air chauffé.

Tout au long du XIXe siècle, les ballons ont été employés en guerre pour la reconnaissance et en temps de paix pour la photographie aérienne. Bien qu'ils offrent des plateformes d'observation précieuses, les premiers ballons n'étaient pas dirigeables. Les expériences scientifiques sérieuses n'ont pris de l'ampleur qu'à la fin du XXe siècle.

Entre 1934 et 1961, des vols habités ont exploré la stratosphère (9,7–24,14 km). Des capsules pressurisées ont permis aux équipages d'atteindre des altitudes jusqu'à 30 000 m. L'avènement du vol spatial en 1961 a rendu bon nombre de ces missions obsolètes.

Depuis les années 1960, les montgolfières ont évolué en sport de loisir. Les ventes aux particuliers ont connu un essor dans les années 1970, et les premiers championnats du monde se sont tenus aux États-Unis en 1973. Aujourd'hui, les aérostiers du monde entier poursuivent des vols records et participent à diverses compétitions.

D'autres types de ballons utilisés aujourd'hui incluent les ballons météorologiques, à pression nulle, superpression, militaires captifs et motorisés.

La montgolfière moderne

Les ballons contemporains comprennent une enveloppe et une nacelle. L'enveloppe est généralement sphérique et en matériau non extensible. L'air chauffé est fourni par un brûleur à hydrocarbure monté au-dessus de la nacelle.

La nacelle, ou gondole, transporte les passagers. La portance est gérée en ajustant l'intensité de la flamme du brûleur. Une valve au sommet du ballon, équipée d'une corde, permet aux passagers de contrôler la descente. Un cordon de déchirure et un panneau de déchirure permettent une évacuation rapide du gaz à l'atterrissage pour réduire la traînée d'impact.

Les limites d'altitude pratiques pour les ballons de loisir sont d'environ 55 km.

Le gonflage d'un ballon pour quatre personnes implique généralement un équipage de quatre à cinq personnes. La nacelle est couchée sur le côté, l'enveloppe étalée au sol, et un ventilateur pré-gonfle le ballon à l'air froid. Le pilote entre alors dans l'enveloppe pour effectuer les vérifications pré-vol sur le gréage, les poulies, les languettes Velcro, les câbles de vol, le parachute et le tissu de l'enveloppe.

Une fois le brûleur allumé, une bouffée d'air remplit l'enveloppe en environ 60 secondes, gonflant un ballon de 6 096 m³. L'enveloppe se redresse, et l'équipage stabilise le sommet contre le vent. Après le gonflage, le pilote et les passagers effectuent les vérifications finales avant que le ballon ne devienne « léger » et prêt au décollage.

Matériaux premiers

Enveloppe

Les enveloppes équilibrent leur charge grâce à des bandes ou cordons de charge. Les fabricants américains privilégient des tissus plus lourds avec bandes de charge, tandis que les constructeurs européens optent pour des tissus plus légers et davantage de structures à bandes.

Le tissu est tissé en nylon ou Dacron (polyester). Le nylon est plus léger et plus résistant ; le Dacron tolère des températures plus élevées. La maille permet la circulation de l'air. La résistance à la traction typique varie de 18,2 à 45,4 kg par bande de 2,5 cm de large.

Pour rendre l'enveloppe étanche, le tissu est enduit de polyuréthane, souvent amélioré avec du néoprène, du silicone et un inhibiteur UV. Le nombre de couches équilibre étanchéité à l'air et fragilité du matériau.

Les composants clés de l'enveloppe incluent un parachute et un panneau de déchirure, tous deux critiques pour une descente contrôlée. Le parachute est un dispositif de sécurité en tissu de qualité enveloppe. Le panneau de déchirure, scellé par Velcro, comporte une ventilation secondaire pour une sécurité accrue.

Un filet soutient la nacelle, répartissant son poids uniformément sur le ballon.

Nacelle

Le corps de la nacelle est généralement tressé en rotin et saule, avec un plancher en contreplaqué. Les bords sont gainés de cuir, daim ou peau brute. Des câbles en acier inoxydable et des supports rigides relient la nacelle au cadre du brûleur. Certains designs suspendent la nacelle à un anneau de charge fixé à l'enveloppe, qui sert aussi de point de montage du brûleur.

Brûleur

Le brûleur est un système unique au propane alimenté par deux réservoirs ou plus. Un raccord de tuyau permanent relie les réservoirs au brûleur. Ses composants incluent une vanne liquide régulant le débit de carburant, une jauge de pression indiquant la puissance disponible, et une veilleuse qui vaporise le propane. Des serpentins de vaporisation en acier inoxydable transforment la vapeur en flamme à base large et pointe allongée.

Conception

Enveloppe

La conception de l'enveloppe vise à réduire la contrainte sur le tissu en utilisant des fuseaux légèrement courbés — les panneaux sectionnels cousus ensemble. Les fuseaux courbés sont plus longs au centre qu'aux extrémités. Trois orientations principales existent : verticale, horizontale et diagonale. Les fuseaux diagonaux sont les plus économiques, minimisant le gaspillage de tissu. De nombreux fuseaux sont conçus par ordinateur.

Deux formes dominantes sont l'enveloppe en goutte d'eau et l'enveloppe ronde. Les enveloppes en goutte d'eau montent plus vite et consomment moins d'énergie, tandis que les enveloppes rondes utilisent moins de tissu, réduisant la surface et la demande de chauffage. Une enveloppe typique dure environ 400 heures de vol.

Nacelle

Les nacelles sont restées largement inchangées depuis le XVIIIe siècle, restant des constructions carrées en osier qui fléchissent à l'impact. Dans les années 1970, certains fabricants ont expérimenté des gondoles en aluminium et fibre de verre, mais elles étaient sujettes à l'éclatement lors d'atterrissages durs. Une innovation ultérieure a introduit une nacelle triangulaire, permettant de nouveaux agencements de panneaux d'instruments. Les nacelles durent généralement environ 800 heures de vol.

Le processus de fabrication

Enveloppe

• La construction de l'enveloppe commence par la couture des fuseaux. Qu'elle soit manuelle ou à la machine industrielle, les fabricants emploient une couture à double recouvrement d'environ huit points par pouce (3 par cm). Certains utilisent une couture plate ou zigzag, mais le double recouvrement offre une résistance et une légèreté supérieures. Les bandes et cordons de charge sont également cousus à cette étape.
• Après la couture, l'enveloppe est enduite. Les enduits sont appliqués mécaniquement sous pression.
• À des fins publicitaires, une applique — slogan ou logo — est fixée. Cela peut se faire par peinture acrylique en spray, lettres adhésives, ou cousue directement dans les fuseaux pour les grands motifs.

Nacelle

• Les nacelles sont construites de la base vers le haut. Une base en contreplaqué avec patins supporte un cadre en canne jusqu'à 2,5 cm d'épaisseur. Des câbles en acier inoxydable et des cadres de charge entourent le cadre. Le rotin ou le saule est tressé autour du cadre, laissant des trous pour les sangles de bouteilles. La nacelle finie est vernie pour préserver sa forme, et du cuir, daim ou peau brute protège les bords. Les panneaux d'instruments et les bouteilles de propane sont intégrés pendant la construction.

Brûleur

• Les fabricants sous-traitent souvent les composants du brûleur, les assemblant entre la nacelle et l'enveloppe après l'achèvement des autres pièces.

L'avenir

Les innovations en cours visent à permettre aux ballons de monter plus haut, opérer plus longtemps et offrir un meilleur contrôle. La plupart des avancées se concentrent sur l'amélioration de l'efficacité du brûleur et le perfectionnement des systèmes de dégonflage, promettant une nouvelle ère de vols en ballon à haute altitude et longue durée.