Ballons et Dirigeables
Publié par Publication le 06/02/2005 à 21:37

Gaz de remplissage

Vide

- En principe le plus léger des "corps" (0 kg/m3) ;
- Masse prohibitive de l'enveloppe capable de le contenir (tenue de la pression atmosphérique extérieure). Une difficulté supplémentaire est le sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine....) de l'application de cette pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) (de l'extérieur vers l'intérieur), qui rend délicate la tenue au flambage (Le flambage est la tendance qu'a un matériau soumis à une force de compression longitudinale à fléchir, et donc à se déformer dans une direction perpendiculaire à...) de la paroi ; cette solution techniquement irréaliste a été envisagée par les anciens de la Renaissance (exercice: par qui ?).

Hélium

- Gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas...) rare (He) en quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur...) très faible sur Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus grande et la plus massive des quatre...) ;
- Donc très cher ;
- Léger (0,18 kg/m3 en conditions normales) ;
- Ininflammable, neutre à tous points de vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) ;
- C'est le gaz actuellement le plus employé pour les ballons dirigeables ;
- Comme la molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui peut exister à l'état libre, et qui...) d'hélium est monoatomique et de très petite taille, le gaz se diffuse facilement à travers les parois (à l'échelle moléculaire, une paroi, c'est un grillage), ce qui est fort dispendieux ; les personnes qui envisagent de boucher le grillage avec un enduit spécial révolutionnaire peuvent "monter" un dossier de subvention (Une subvention est une aide financière, c’est-à-dire une somme d’argent, qui est allouée par une institution publique ou privée à une personne ou une organisation privée ou publique dans le cadre d'un...) publique: ils ont toutes leurs chances.


Hydrogène

- Elément très répandu sur Terre (2 millions de fois plus fréquent que l'hélium) ;
- Bon marché ;
- Molécule (H2) la plus légère (0,09 kg/m3) ;
- Le mélange (Un mélange est une association de deux ou plusieurs substances solides, liquides ou gazeuses qui n'interagissent pas chimiquement. Le résultat de l'opération est une préparation aussi appelée mélange. Les...) avec l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec l'altitude, il est nécessaire de pressuriser les cabines des avions et autres...) est inflammable dans de fortes proportions (la déflagration (Une déflagration est l'ensemble des phénomènes consécutifs au passage rapide d'un front de réaction, le plus souvent d'un front de flamme (combustion d'un gaz ou d'une vapeur), au...) se propage à 10 m/s) engendrant un éparpillement par petits bouts, façon Puzzle. C'était le gaz classique de remplissage des ballons dirigeables de l'âge d'or.


L'hydrogène mélangé à l'air est fortement inflammable...


Le point faible de l'hydrogène lors de la seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une unité de mesure du temps. La seconde d'arc est une mesure d'angle...) guerre mondiale


Gaz de ville

- Mélange essentiellement de méthane (Le méthane est un hydrocarbure de formule brute CH4. C'est le plus simple composé de la famille des alcanes. C'est un gaz que l'on trouve à l'état...) (CH4) et d'hydrogène ;
- Bon marché ;
- Assez lourd (environ 0,5 kg/m3) ;
- Inflammable dans l'air ;
- Gaz utilisé par les aéronautes du début, en raison de sa facilité d'approvisionnement ("gaz à tous les étages") .


Vapeur d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.)

- Molécule (H2O) très répandue sur Terre ;
- Bon marché ;
- Assez lourde (environ 0,56 kg/m3 à 100 °C et pression normale) ;
- Nécessite une dépense élevée d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) (énorme chaleur latente (L'enthalpie de changement d'état, molaire ou massique, correspond à la quantité de chaleur nécessaire à l'unité de quantité de matière (mole) ou de masse (kg) d'un corps pour qu'il change d'état; cette...) de vaporisation: plus de 2 MJ/kg) ;
- Nécessite une réserve de bord (masse élevée) ;
- Contraintes structurale et de sécurité importantes: la paroi du ballon est à 100 °C.


Air chaud

- Mélange d'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.) (02, 20%) et d'azote (L'azote est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole N et de numéro atomique 7. Dans le langage courant, l'azote désigne le gaz diatomique diazote N2, constituant majoritaire de l'atmosphère...) (N2, 80%) et de quelques autres gaz rares en quantité négligeable ;
- Très bon marché ;
- Lourd (aux températures utilisées, environ 0,9 kg/m3) ;
- Nécessite une dépense d'énergie pour l'entretien de la température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de chaud, provenant du transfert de...) ;
- Ne nécessite pas de réserve, disponibilité (La disponibilité d'un équipement ou d'un système est une mesure de performance qu'on obtient en divisant la durée durant laquelle ledit...) permanente ;
- La paroi subit moins de contraintes que pour la vapeur d'eau: il y a une couche limite (La couche limite est une zone d'interface entre un corps et le fluide environnant lors d'un mouvement relatif entre les deux. On y observe les effets de la viscosité. Elle est un élément important en mécanique des fluides, (aérodynamique,...) thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de l'énergie pour la production de chaleur ou de froid, et des transferts de chaleur suivant différents phénomènes physiques, en...) ;


Ammoniac

- Molécule (NH3) répandue, assez lourde (environ 0,7 kg/m3), d'odeur désagréable, bon marché, mais dont la toxicité (La toxicité (du grec τοξικότητα toxikótêta) est la mesure de la capacité d’une substance à provoquer des effets néfastes...) en a fait abandonner l'usage (L’usage est l'action de se servir de quelque chose.).

Parois et structures

Suivant la rigidité du ballon, la paroi contenant le gaz aura ou non le rôle de transmission mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de transmission, pistons, ...), bref, de tout ce qui produit ou transmet...) des efforts pour soulever la charge utile (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un bénéfice non pécuniaire pour être transporté.), les moteurs (Un moteur est un dispositif transformant une énergie non-mécanique (éolienne, chimique, électrique, thermique par exemple) en une énergie mécanique ou...), le carburant (Un carburant est un combustible qui alimente un moteur thermique. Celui-ci transforme l'énergie chimique du carburant en énergie mécanique.), etc.

Pour les ballons souples et semi-rigides (qu'on devrait en fait appeler semisouples), la paroi fait l'étanchéité (L'étanchéité est le résultat de l'interdiction d'un passage. Ce terme général peut être compris dans de nombreux domaines.) et transmet les efforts. Elle sert de structure. La forme du ballon est déterminée par la pression qui règne à l'intérieur. Plus le ballon est gros, plus il faut élever la pression pour tenir la forme, et comme le dimensionnement d'une paroi gonflée est directement fonction du rayon de courbure (Intuitivement, courbe s'oppose à droit : la courbure d'un objet géométrique est une mesure quantitative du caractère « plus ou moins courbé » de cet objet. Par exemple :), un gros ballon souple devient rapidement trop lourd. C'est ce qui a justifié la création des ballons rigides, à partir d'une certaine taille.


Dans le type "ballon rigide", on dissocie en effet la fonction mécanique de la fonction "étanchéité au gaz". Cela permet de réaliser une structure mécanique avec les matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) adaptés les plus légers (aluminium pour les Zeppelins, bois) avec une épaisseur convenable (moment d'inertie (L'inertie d'un corps découle de la nécessité d'exercer une force sur celui-ci pour modifier sa vitesse (vectorielle). Ainsi, un corps immobile ou en mouvement rectiligne uniforme (se déplaçant sur une droite à vitesse constante) n'est...) élevé pour obtenir la légèreté).

La fonction "paroi d'étanchéité au gaz" ne servant plus à "tenir" le ballon, elle peut se réaliser avec un matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base sélectionnée en raison de propriétés particulières et mise en...) très léger qui se contente de transmettre l'effort statique (Le mot statique peut désigner ou qualifier ce qui est relatif à l'absence de mouvement. Il peut être employé comme :) du gaz de remplissage, localement, à la paroi rigide.

On a utilisé pour cela dans les zeppelins du coton couché de baudruche (La baudruche est une pellicule extraite des l'intestin de divers animaux, et, par analogie, une fine pellicule de caoutchouc. Elle est utilisée pour la fabrication de ballons.). La baudruche est la paroi de l'intestin (L'intestin est la partie du système digestif qui s'étend de la sortie de l'estomac à l'anus. Chez les humains et la plupart des mammifères, il est divisé en deux...) de vache (La vache est la femelle d'un mammifère domestique ruminant, généralement porteur de cornes sur le front, appartenant à l'espèce Bos taurus de la famille des bovidés....), dont la structure lipidique la rend assez étanche aux gaz de petite taille moléculaire. Des masses de paroi de 90 g/m2 ont ainsi été atteintes.



Remarque

Un LZ129 utilisait 16 ballonnets de 50 000 baudruches chacun, cela fait dans les 800 000 vaches à trouver, par appareil, et à renouveler tous les 18 mois (Le mois (Du lat. mensis «mois», et anciennement au plur. «menstrues») est une période de temps arbitraire.), en moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de quantités : elle exprime la grandeur qu'auraient chacun des membres de...) ! Il a existé aussi des ballons à paroi d'aluminium (L'aluminium est un élément chimique, de symbole Al et de numéro atomique 13. C’est un élément important sur la Terre avec 1,5 % de la masse...) (masse d'une tôle d'1 mm d'épaisseur: 2,7 kg/m2 !).

Les ballons, objets aériens pour lesquels la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution...) est un critère majeur, ont utilisé tous les matériaux classiques de la construction aéronautique (La construction aéronautique regroupe les métiers de la conception, de la fabrication et de la commercialisation des aéronefs, tels les avions....): bois, bambou (Les bambous sont des plantes monocotylédones appartenant à la famille des Poaceae. Ils constituent la sous-famille des Bambusoideae qui compte...), osier, duralumin, etc.
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