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Les véhicules plus légers que l’air

Vol de montgolfières à l’aube

Vol de montgolfières à l’aube (Timur Kozmenko, Pixabay)

Vol de montgolfières à l’aube

Vol de montgolfières à l’aube (Timur Kozmenko, Pixabay)

Lisibilité
8,8

Quels sont les liens avec mon programme d'études?

Découvre l’histoire et le fonctionnement des véhicules plus légers que l’air.

Les premiers véhicules construits pour voler dans le ciel étaient plus légers que l’air comme les ballons à air chaud, les dirigeables à enveloppe souple et les zeppelins.

Quand tu penses à ces premiers vols, te demandes-tu pourquoi les hommes croyaient qu’il était possible de s’élever dans les airs dans un ballon? L’inspiration est peut-être venue des lanternes célestes chinoises. Utilisées en Chine depuis plus de deux mille ans, ces lanternes faites de papier abritent à l’intérieur une petite chandelle allumée. Selon la légende, Zhuge Liang (un stratège militaire chinois également connu sous le nom de Kongming, qui a vécu de 220 à 280 avant l’ère commune) se serait servi d’une lanterne lorsqu’il était encerclé par l’ennemi. C’est pourquoi ces lanternes sont aussi appelées lanternes de Kongming.

Beautiful Lantern Festival - Yi Peng (2018) par Eden's Family (2 min 22 s).

Les lanternes célestes sont encore utilisées aujourd’hui dans les festivals qui se déroulent partout dans le monde.

Le savais-tu?

L’armée mongole s’est servie de lanternes Kongming lorsqu’elle a envahi la Pologne en 1241.

Ballons à air chaud

Les ballons à air chaud ont été les premiers véhicules plus légers que l’air à être inventés. Ces formes simples de la technologie du vol plus léger que l’air sont constituées de deux parties principales :

  • L’enveloppe : Un grand sac en forme de ballon fabriqué en tissu léger. L’enveloppe est constituée de panneaux de tissu cousus ensemble pour former des godets;
  • La nacelle : Un panier suspendu au ballon où prennent place les passagers et une source de chaleur. La source de chaleur est généralement un brûleur à gaz propane.
Montage d’images montrant les parties d’une montgolfière
Montage d’images montrant les parties d’une montgolfière (Parlons sciences utilise des images de Pixabay, de Pixabay et de Brett Sayles via Pexels).
Image - Version texte

Sur le côté droit se trouve une image d’une montgolfière de couleur arc-en-ciel. Plusieurs parties sont identifiées par des étiquettes. La couronne, comme on peut s’y attendre, se trouve tout en haut du ballon. Un gros plan de cette vue est montré en haut à gauche. Au centre de la couronne se trouve un petit trou, appelé valve, qui peut être ouverte et fermée pour évacuer l’air de la montgolfière afin de la faire descendre. La grande partie en forme de goutte d’eau de la montgolfière s’appelle l’enveloppe, ou ballon. Elle ressemble à l’enveloppe en papier d’une lanterne chinoise. Les panneaux rectangulaires de cette montgolfière sont de couleurs différentes, ce qui les rend très faciles à reconnaître. Les panneaux sont reliés de haut en bas pour former des bandes appelées godets. Sous l’enveloppe, il y a un groupe de cordes qui relient le ballon à la nacelle, là où se trouvent les gens. La nacelle ressemble à une boîte ouverte tissée, juste assez grande pour que quelques personnes puissent s’y tenir debout. À côté de l’image de la montgolfière se trouve un gros plan des brûleurs qui projettent des flammes vers le haut. On peut également les voir sur l’image du ballon à travers les cordes de la jupe.

C’est la température de l’air qui permet aux montgolfières de s’élever dans le ciel. Quand les brûleurs sont allumés, ils chauffent l’air contenu dans l’enveloppe de la montgolfière. Les particules en suspension dans l’air réchauffé prennent de l’expansion et deviennent plus espacées les unes des autres que celles qui se trouvent à l’extérieur de l’enveloppe. L’air contenu à l’intérieur du ballon devient donc moins dense que l’air environnant. Cette différence de densité provoque une force appelée flottabilité. La flottabilité est une force ascendante, donc dirigée vers le haut, exercée par un liquide, un gaz ou un autre corps fluide sur le poids d’un objet. C’est cette même force qui permet à certains objets, tels que le bois, de flotter sur l’eau.

Lorsque la force ascendante de la flottabilité devient plus grande que le poids combiné de la nacelle, des passagers et des réservoirs de carburant, le ballon s’élève dans les airs. Tu comprends sûrement que le volume d’air chaud doit être relativement grand pour que le ballon puisse s’envoler. C’est pour cette raison que les enveloppes des montgolfières sont très volumineuses.

Tu te demandes peut-être aussi comment les montgolfières font pour redescendre. Pour atterrir, le pilote réduit la chaleur des brûleurs ou les éteint tout simplement. En refroidissant, l’air contenu dans l’enveloppe se refroidit et devient plus dense. Le poids de la montgolfière peut alors vaincre la poussée ascendante de l’air et redescendre vers la surface de la Terre.

Le pilote peut aussi laisser échapper de l’air chaud par la valve du parachute située au centre de la couronne. Le pilote se sert alors de cordes reliées au tissu de la valve pour ouvrir la valve et laisser échapper de l’air chaud, ce qui réduit la température de l’air à l’intérieur du ballon et, par conséquent, sa densité. Le pilote ouvre ou ferme la valve pour accélérer la descente ou contrôler la vitesse de la montée.

Hot air balloon valves filmed from inside video (2020) par Baptiste LABAT (38s)

Le savais-tu?

Les premiers ballons à air chaud n’étaient pas équipés de valve de parachute, ce qui rendait les atterrissages très difficiles! Heureusement, l’ajout de la valve s’est avéré une solution simple à réaliser. Les montgolfières modernes sont maintenant toutes équipées d’une valve de parachute.

Premiers hommes dans le ciel

Le premier vol habité réalisé dans un ballon à air chaud a eu lieu en 1783 au château de Versailles, près de Paris. Le ballon, alors appelé un globe aérostatique, a été créé par les frères Joseph et Jacques Montgolfier. C’est pourquoi les ballons à air chaud sont aussi connus sous le nom de « montgolfières ». Les frères Montgolfier ont plus ou moins créé une lanterne chinoise dans laquelle les gens pouvaient prendre place. Le globe aérostatique avait même une galerie circulaire d’une largeur d’un mètre sur laquelle les passagers pouvaient se dégourdir les jambes et admirer le paysage!

Tu trouveras ci-dessous l’illustration officielle de cet exploit historique. Sur ce dépliant, tu peux lire des informations sur ses décorations et ses dimensions. Le ballon à air chaud pesait plus de 750 kg. En comparaison, une montgolfière moderne pèse environ 160 kg.

Illustration of the Aerostatic Globe by the Mongolfier brothers
Illustration du globe aérostatique construit par les frères Montgolfier (Source : Image du domaine public via Wikimedia Commons).
Image - Version texte

Cette photo est une illustration historique du Globe aérostatique. En plus d'une peinture du ballon, on trouve un texte en français. Ce qui suit est la traduction du texte sur l'image.

Figure et proportions exactes du "Globe aérostatique", qui le premier a enlever des hommes dans les airs.

Hauteur du globe : 70 pieds du roi = 22,7 mètres = environ 75 pieds
Poids du globe : 1600 Livres = 780 kg = 1700 lb
Diamètre : 46 pieds du roi = 14,9 m = 49 ft
Capacité de levage : 1600-1700 livres = environ 780-830 kg = environ 1700-1800 lb.
Volume : 60000 pieds cubes = ~2000 mètres cubes ou 2,000,000 Litres = 73000 pieds cubes.
Galerie : 3 pieds du roi = 1 mètre = 3 pieds.

La partie supérieure était entourée de fleurs de lys, avec les douze signes du zodiaque en dessous. Dans la partie centrale se trouvaient des images du visage du roi, chacune entourée d'un soleil. La partie inférieure était remplie de mascarons et de guirlandes ; plusieurs ailes d'aigle semblent soutenir cette puissante machine dans les airs.

Toute cette ornementation était d'or sur un beau fond bleu, de sorte que ce superbe globe paraissait d'or et d'azur. La galerie circulaire, dans laquelle nous voyons le marquis d'Arlandes et M. Pilatre de Rozier, était couverte de draperies cramoisies à franges d'or.

En 1999, le Breitling Orbiter 3 a été le premier ballon à air chaud à faire le tour du monde sans escale. Il lui a fallu 19 jours pour couvrir une distance de 40 814 kilomètres. Cet exploit a été considéré comme le dernier défi aéronautique du XXe siècle, car les nombreuses équipes qui avaient essayé auparavant avaient échoué. Si tu penses que c’était facile à faire, tu as tort! Même si la nacelle était chauffée, l’eau potable a gelé quelques fois. Les pilotes devaient travailler pour se réchauffer et ils ont été obligés de manger des aliments déshydratés pendant la majeure partie du voyage.

Le Breitling Orbiter 3 n’était pas une montgolfière ordinaire. La nacelle et l’enveloppe étaient fabriquées à l’aide de technologies avancées pour augmenter les chances de réussir cet exploit. Par exemple, la nacelle devait être légère, mais suffisamment résistante pour porter le poids du carburant, de la nourriture et de l’oxygène pour le voyage de trois semaines. Contrairement à la plupart des montgolfières récréatives, le Breitling Orbiter 3 était une Rozière, c’est-à-dire une montgolfière qui utilise à la fois de l’air chauffé et de l’hélium non chauffé. Tu en apprendras un peu plus sur cet exploit en regardant cette galerie d'images.

Le savais-tu?

Le pilote suisse du Breitling Orbiter 3, Jacques Piccard, a réalisé une autre mission d’aviation record lorsqu’il a fait le tour de la Terre sans consommer une seule goutte de carburant! Son avion, le Solar Impulse, volait uniquement à l’énergie solaire.

Dirigeables 

Les dirigeables sont l’autre grand type de véhicules plus légers que l’air. Contrairement aux montgolfières, ils sont dotés d’un moteur et peuvent être dirigés; c’est d’ailleurs pour cette raison qu’on les appelle « dirigeables ». Comme les ballons à air chaud, les dirigeables sont formés d’une grande enveloppe remplie d’un gaz moins dense que l’air environnant. Cependant, contrairement aux montgolfières, ce gaz n’est généralement pas chauffé. L’hydrogène a été le premier gaz utilisé dans les dirigeables. L’hydrogène est l’élément le plus léger sur Terre, mais c’est aussi un gaz extrêmement inflammable. Notre soleil est constitué principalement d’hydrogène.

Le 6 mai 1937, l’utilisation de l’hydrogène comme gaz de sustentation a eu des conséquences désastreuses pour le dirigeable Hindenburg. Les autres vols du Hindenburg s’étaient pourtant déroulés sans problème; cependant, le dirigeable a pris feu ce jour-là et s’est écrasé. Plusieurs théories ont tenté d’expliquer la cause de l’incendie, mais aucune n’est reconnue comme certaine et ce, encore aujourd’hui.

The Hindenburg moments after catching fire
Le Hindenburg, quelques moments après le début de l’incendie qui l’a détruit. (Source : Marine des États-Unis [domaine public] via Wikimedia Commons).
Image - Version texte

Photographie en noir et blanc du Hindenburg quelques instants après avoir pris feu. On peut voir une énorme explosion fulgurante à l’extrémité arrière du dirigeable, près du sommet de la tour d’amarrage.

Depuis la catastrophe du Hindenburg, les dirigeables utilisent désormais de l’hélium au lieu de l’hydrogène parce que l’hélium est un gaz ininflammable. L’hélium est le gaz utilisé pour remplir les ballons flottants que tu vois parfois dans les fêtes.

Types de dirigeables

Les dirigeables sont classés en fonction de la rigidité de leur enveloppe. Les dirigeables à enveloppe souple ne sont pas rigides. Ils conservent leur forme grâce à la pression qui se trouve à l’intérieur de l’enveloppe. Les dirigeables rigides, aussi appelés zeppelins, sont constitués d’une charpente rigide. Il y a aussi des dirigeables semi-rigides, qui sont dotés d’une quille qui court sur toute la longueur de l’appareil, à la base de l’enveloppe.

Dirigeables non rigides

C’est la Marine britannique qui a inventé les dirigeables à enveloppe souple au cours de la Première Guerre mondiale, dans le but de repérer les sous-marins ennemis. Le nom anglais de ce dirigeable, blimp, proviendrait de Class B airship (dirigeable de classe B) et du mot limp, qui veut dire « mou ».

Aujourd’hui, les dirigeables à enveloppe souple sont surtout utilisés comme panneaux publicitaires et pour filmer des événements sportifs du haut des airs. Ceux de Goodyear sont probablement les plus connus. Ils volent dans le ciel depuis 1919 pour faire de la publicité à cette compagnie. Mais les dirigeables modernes de Goodyear ne sont plus des dirigeables à enveloppe souple, car on les a dotés d’une structure rigide en 2014. Tu en apprendras davantage sur le pilotage d’un dirigeable en regardant les vidéos suggérées ci-dessous.

Picture of the last truly Goodyear Blimp, Spirit of Innovation retired in 2014
Photo du dernier vrai « blimp » Goodyear, Spirit of Innovation, qui a pris sa retraite en 2014. (Source :  Hughs [CC BY-SA 3.0] via Wikimedia Commons.)
Image - Version texte

Un « blimp » Goodyear bleu foncé et blanc contre un ciel bleu. Le logo Goodyear de couleur or est clairement visible sur le côté de l’énorme « blimp ».

Dirigeables rigides 

Les dirigeables rigides sont aussi appelés zeppelins, d’après le comte Ferdinand von Zeppelin, qui a été l’un des premiers à construire des dirigeables rigides. Étant donné la popularité des dirigeables conçus par le comte, le terme « zeppelin » a fini par désigner les dirigeables en général.

Les dirigeables rigides sont munis d’une charpente qui renforce l’enveloppe. Même si elle ajoute du poids à l’aéronef, la charpente lui permet de résister aux intempéries. Ces dirigeables étaient donc mieux équipés pour les vols de longue durée, comme la traversée entre l’Europe et l’Amérique du Nord.

Le savais-tu?

Au début du XXe siècle, un zeppelin traversait l’Atlantique en deux jours et demi. À cette époque, le paquebot le plus rapide mettait au moins cinq jours pour faire ce voyage!

Mesurant 245 mètres de longueur, le Hindenburg détient toujours le record du plus grand zeppelin jamais construit. En comparaison, un grand avion de passagers comme le Boeing 747 ne mesure qu’environ 76 mètres de long. Tu peux voir clairement la structure rigide du Hindenburg sur la photo où on le voit en train de brûler. L’inventeur du zeppelin voulait faire de son véhicule un symbole de paix, mais le zeppelin a quand même été utilisé comme arme durant des guerres.

Les zeppelins ont pratiquement disparu du ciel depuis les années 1960, mais on constate un intérêt renouvelé à l’égard de cette technologie. C’est le cas, par exemple, de la compagnie française Flying Whales. Le gouvernement du Québec investira 30 millions de dollars dans ce projet. Clique sur le lien suivant pour regarder une vidéo promotionnelle qui donne une idée de ce que la compagnie Flying Whales a l’intention de faire avec ses dirigeables géants.

La mobilité par FLYING WHALES (2021) par France Dubai (1 min 24s)

Te demandes-tu pourquoi on s’intéresse de nouveau aux dirigeables? La principale raison de ce nouvel intérêt est que les véhicules plus légers que l’air ont des avantages par rapport aux avions.

  • Les dirigeables peuvent rester à la même altitude et faire du surplace sans consommer une seule goutte de carburant.
  • Ils sont plus faciles à manœuvrer que les avions : ils peuvent voler à reculons et faire des demi-tours très serrés (en formant un petit cercle).
  • Comme les dirigeables décollent et atterrissent verticalement; ils n’ont pas besoin d’une piste d’atterrissage comme la plupart des avions. Cette caractéristique les rend très pratiques pour les situations d'urgence ou pour les lieux difficiles d’accès, là où les avions ne peuvent pas atterrir.
  • Contrairement aux avions, qui ne transportent des marchandises qu’à l’intérieur, un dirigeable pourrait ramasser et transporter des marchandises à l’extérieur de son enveloppe.
  • Les dirigeables ont besoin de moins de carburant que les avions et fonctionnent à l’essence, laquelle est moins chère que le carburant utilisé par les avions à réaction.
  • Alors que les avions à réaction vibrent beaucoup, les dirigeables sont très stables; les scientifiques pourraient donc s’en servir pour prendre des photos aériennes très précises pour leurs recherches.
  • Les nacelles des dirigeables pourraient avoir beaucoup de fenêtres et permettre de contempler le paysage du haut des airs.

Le fabricant britannique Hybrid Air Vehicles a conçu une version hybride-électrique du Airlander 10, un dirigeable qui pourrait fournir une alternative moins gourmande en carbone pour les vols à courte distance.

Airlander Airship Goes Electric (2021) par WaterWorld (1 min 31s).

Le savais-tu?

La plupart des dirigeables à enveloppe souple de Goodyear atterrissent sur une petite roue, tout simplement!

Dirigeables hybrides

De nombreuses compagnies ont créé et mis à l’essai des prototypes de dirigeables hybrides, conçus en croisant la technologie du dirigeable et la technologie des avions. Cependant, aucun de ces prototypes n’a été assez performant pour aller en production JUSQU’À PRÉSENT. Regarde la vidéo suivante ( en anglais) pour en savoir plus sur un prototype qui pourrait bien voir le jour d’ici quelques années. La technologie utilisée pour trouver des trous dans l’enveloppe des dirigeables est particulièrement fascinante!

Lockheed Martin: Hybrid Airship (2021) video par mzo (2:49 min.)

En savoir plus

Le premier vol en montgolfière
Page sur le premier vol en montgolfière du site web du Château de Versailles.

Les Frères Montgolfier et l'envol de l'Homme !
Cette vidéo Youtube (11 min 32 s) du Journal de l’histoire explore la vie des frères Mongolfier et leur invention de la montgolfière.

La loi de Charles et La loi de Gay-Lussac
Article de Parlons sciences expliquant la loi de Charles et la loi de Gay-Lussac et leur application aux mongolfiers.

C'est pas sorcier -DIRIGEABLES, NAVIRES DU CIEL
Cette vidéo youtube (27 min 01 s) de C'est pas sorcière explique la science derrière les dirigeables et comment ils sont construits.

Zeppelin : définition et explications
Page sur l'histoire des zeppelins et leur construction de Techno - Science.

Références

Airships.net (n.d.) Airships, Dirigibles, Zeppelins and Blimps: What’s the Difference?. Retrieved from https://www.airships.net/dirigible/

Britannica (n.d.). Balloon Flight: Historical Development. Retrieved from https://www.britannica.com/technology/balloon-flight/Historical-development

Château de Versailles (n.d.). The First Hot Air Balloon 19 September 1783. Retrieved from https://en.chateauversailles.fr/discover/history/key-dates/first-hot-air-balloon-flight

Harris, T. (2021). How Hot Air Balloons Work. How Stuff Works. Retrieved from https://science.howstuffworks.com/transport/flight/modern/hot-air-balloon.htm

Piesing, M. (8 November 2019). How airships could return to our crowded skies. BBC Future, retrieved from https://www.bbc.com/future/article/20191107-how-airships-could-return-to-our-crowded-skies

Prentice, B. E. and R. Knotts (2016). Sustainable Transportation: Airships vs. Jet Airplanes. Canadian Transportation Research Forum. Proceedings: 51st, Annual Meeting. Retrieved from https://isopolar.com/sustainable-transportation-airships-versus-jet-airplanes/

Smithsonian National Air and Space Museum (10 October 2020). The History of Ballooning [Youtube]. https://www.youtube.com/watch?v=Amp0zwrHqOw

Woodford, C. (2021). Hot Air Balloons. Explain That Stuff!. Retrieved from https://www.explainthatstuff.com/how-hot-air-balloons-work.html