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

3ème siècle avant Jesus-Christ

Archimède et son théorème fondamental de la statique des fluides. Son théorème est tellement simple de formulation qu'il est inclus dans le premier cours de Physique, enseigné en classe de seconde, avec les unités de mesures.

Le théorème (Un théorème est une proposition qui peut être mathématiquement démontrée, c'est-à-dire une assertion qui peut être établie comme vraie au travers d'un raisonnement logique construit à partir d'axiomes. Un théorème est à distinguer d'une...) s'intitule ainsi: "Tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) corps immergé dans un fluide (Un fluide est un milieu matériel parfaitement déformable. On regroupe sous cette appellation les gaz qui sont l'exemple des fluides compressibles, et les liquides, qui sont des fluides peu...) subit une force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale » équivalent au courage (cf. les...) verticale (La verticale est une droite parallèle à la direction de la pesanteur, donnée notamment par le fil à plomb.) ascendante et de norme (Une norme, du latin norma (« équerre, règle ») désigne un état habituellement répandu ou moyen considéré le plus souvent comme une...) égale au poids (Le poids est la force de pesanteur, d'origine gravitationnelle et inertielle, exercée par la Terre sur un corps massique en raison uniquement du voisinage de...) du volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.) de fluide déplacé". On nomme cette force "portance hydro ou aérostatique".

La formule s'écrit: F = ρ.g.V avec:
F: valeur de la portance (dirigée vers le haut) [N].
Point d'application: centre de gravité (Le centre de gravité est le point d'application de la résultante des forces de gravité ou de pesanteur. Il est également le point d'intersection de tous les plans qui...) G de 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...) déplacé
ρ: masse volumique (Pour toute substance homogène, le rapport de la masse m correspondant à un volume V de cette substance est indépendante de la quantité choisie : c'est une caractéristique du matériau appelée masse volumique: ) de l'air déplacé par le ballon [kg/m3]
V: volume d'air déplacé par le ballon (en vert) [m3]
g: accélération (L'accélération désigne couramment une augmentation de la vitesse ; en physique, plus précisément en cinématique, l'accélération...) due à la gravité (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.) (dirigée vers le bas) [m/s2]

17ème siècle

Pascal

Première réflexion correcte sur la pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.), unité de mesure (En physique et en métrologie, les unités sont des étalons pour la mesure de grandeurs physiques qui ont besoin de définitions précises pour être utiles. Les systèmes...) de celle-ci.

Barométrie (Florin Périer)

Même remarque générale que ci-dessus.

1673

C. Huygens propose un moteur (Un moteur est un dispositif transformant une énergie non-mécanique (éolienne, chimique, électrique, thermique par exemple) en une énergie mécanique ou travail.[réf. nécessaire]) à poudre (La poudre est un état fractionné de la matière. Il s'agit d'un solide présent sous forme de petits morceaux, en général de taille inférieure au dixième de millimètre (100 µm).). On commence à avoir l'intuition que les moteurs "à feu (Le feu est la production d'une flamme par une réaction chimique exothermique d'oxydation appelée combustion.)" permettent d'embarquer une source 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.) remarquable par sa densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de...) (J/kg), paramètre (Un paramètre est au sens large un élément d'information à prendre en compte pour prendre une décision ou pour effectuer un...) essentiel pour des véhicules autonomes.

1783-1785

Années charnières pour le vol humain. Presque simultanément, les deux techniques principales (air chaud et gaz) sont expérimentées, ainsi que l'essentiel des points de détail.

Montgolfier

Premier ballon à air chaud.

Charles

Premier ballon à gaz (Le ballon à gaz (ou aussi charlière) est un moyen de transport aérien, un aéronef plus "léger que l'air" aussi appelé aérostat. Contrairement à la montgolfière, dont l'enveloppe est gonflée d'air...) (hydrogène). Invention des éléments suivants: soupape (Une soupape est un organe mécanique servant à fermer et ouvrir une chambre ou un conduit à la demande .), nacelle, lest, enduit d'imperméabilisation, usage (L’usage est l'action de se servir de quelque chose.) du baromètre (Le baromètre est un instrument de mesure, utilisé en physique et en météorologie, qui sert à mesurer la pression atmosphérique. Il peut, de façon secondaire, servir...) pour la mesure de l'altitude (L'altitude est l'élévation verticale d'un lieu ou d'un objet par rapport à un niveau de base. C'est une des composantes géographique et biogéographique qui explique la...).
Note: l'usage mixte du 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 de forme propre ni de volume...) hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) (!) et de l'air chaud a sans doute été la cause du premier accident d'aéronef (Un aéronef est un moyen de transport capable d'évoluer au sein de l'atmosphère terrestre. On distingue deux catégories d'aéronefs : l'aérostat et l'aérodyne. L'utilisation de...).

Meusnier

Il pose deux problèmes fondamentaux des ballons:

19ème siècle

À partir des bases posées précédemment, il y a foisonnement des idées concernant les structures, les motorisations, dans le domaine théorique comme dans le domaine pratique. Les premières et les records s'accumulent.

1824, Carnot

"Réflexions sur la puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) motrice du feu et sur les machines propres à la développer". Base théorique incontournable des moteurs thermiques.

1852, Giffard

Premier vol (Le premier vol ou vol inaugural d'un avion est la première occasion pour celui-ci de prendre les airs par ses propres moyens. C'est l'équivalent en aéronautique du voyage inaugural pour un bateau.) propulsé (27 km), dirigeable à hydrogène de 2500 m3, moteur (Un moteur (du latin mōtor : « celui qui remue ») est un dispositif qui déplace de la matière en apportant de la puissance. Il effectue ce travail à partir d'une énergie (éolienne, chimique,...) à vapeur () de 3 CV, vitesse de croisière (La vitesse de croisière d'un aéronef est la vitesse correspondant au régime des moteurs prévu pour la partie courante d'un vol, c'est-à-dire...) 9 km/h.

1860, Lenoir

En 1860 apparaît le moteur Lenoir, moteur à combustion (La combustion est une réaction chimique exothermique d'oxydoréduction. Lorsque la combustion est vive, elle se traduit par une flamme voire une explosion.) interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la fois en activité et en formation à l'hôpital ou en cabinet pendant une durée variable selon le "Diplôme...) (hélas sans compression préalable, qui aurait permis un meilleur rendement).

1863, Jules Verne

En 1863 paraît "5 semaines en ballon" et plus tard, "Robur le conquérant" de Jules Verne. Cet auteur a parfaitement compris l'intérêt dominant des ballons (pour ne pas dire l'unique intérêt), i.e. son aspect fantasmatique. Jules Verne fait partie intégrante de l'histoire moderne des sciences et des techniques, ballons inclus.

1870, Gambetta

En 1870, l'épisode des Prussiens à Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région d’Île-de-France. Cette ville est construite sur une boucle de la Seine, au centre du bassin...) et la fuite de Gambetta en ballon ont rajouté une couche d'exploit lié aux ballons.

1883, Tissandier

En 1883, Tissandier fait voler un dirigeable à moteur électrique.

1884, Renard & Krebs

En 1884, Renard & Krebs réalisent le premier vol en circuit fermé avec le dirigeable "la France" à moteur électrique. Il a fallu un siècle pour pouvoir remonter le vent (Le vent est le mouvement d’une atmosphère, masse de gaz située à la surface d'une planète. Les vents les plus violents connus ont lieu sur Neptune et sur Saturne. Il est essentiel à tous...). On devine que l'énormité de la traînée (En mécanique des fluides, la traînée est la force qui s'oppose au mouvement d'un corps dans un liquide ou un gaz. Mathématiquement c'est la composante des efforts exercés sur le corps, dans la direction...) des ballons doit y être pour quelque chose !

Théorie sur les moteurs

En 1860 et 1880, Beau de Rochas (F) et Otto (T) établissent les bonnes bases des moteurs à combustion interne avec compression préalable. Ci-dessous, copie du mémoire (D'une manière générale, la mémoire est le stockage de l'information. C'est aussi le souvenir d'une information.) de Beau de Rochas.



En 1897, Rudolf Diesel (Rudolf Christian Karl Diesel est un ingénieur allemand né le 18 mars 1858 à Paris et disparu dans la nuit du 29 septembre au 30 septembre 1913 lors d'une traversée de la Manche.) (F/T) rédige son ouvrage: "Théorie et projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et l’intégration...) d'un moteur 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...) rationnel". Ce titre est révélateur d'une méthode de travail (La première conception d'une méthode de travail est celle d'une marche à suivre pour réussir, évoquant une recette de cuisine, une solution miracle....) rare (même de nos jours), l'étude d'un objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être désigné par une étiquette...) avant sa réalisation.

1900: premier vol du premier Zeppelin

Premier vol d'un dirigeable rigide: Zeppelin LZ1. Avec l'apparition des dirigeables rigides zeppelins, plusieurs problèmes sont correctement posés puis résolus:
- la tenue 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 un...) de l'enveloppe, dissociée de la tenue du gaz (voir plus haut);
- l'adaptation d'une propulsion (La propulsion est le principe qui permet à un corps de se mouvoir dans son espace environnant. Elle fait appel à un propulseur qui transforme...) convenable pour des engins aériens: on ne bricole plus avec ce qu'on a sur l'étagère, mais on conçoit des propulseurs pour la mission.

On rappelle que Zeppelin avait pour prénom Ferdinand et non Led, de même que le prénom d'Einstein était Albert et non Frank.



Ludwig Dürr: l'ingénieur - Karl Maybach (Constructeur automobile, fondé par Wilhelm Maybach, spécialisé dans les voitures de luxe, telles que les Maybach-Zeppelin DS7 et DS8 produites entre 1928 et 1934.): le motoriste

1900-1914: Bouillonnement des idées

De nombreux expérimentateurs cassent du bois... Heureusement, la photographie existait aussi !


Le "Santos Dumont n°2" et le "Roma"


Le LZ5 contre un pommier, en 1909

Note: le pommier en question est le plus rentable de l'Histoire, il a donné lieu à la fabrication de souvenirs 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...) dépassant largement le volume de bois initial. Un vrai miracle. De plus, l'aéronef a décollé après une réparation en apparence sommaire.

1901 Santos Dumont

Le 19 octobre 1901, un léger vent d'ouest (L’ouest est un point cardinal, opposé à l'est. C'est la direction vers laquelle se couche le Soleil à l'équinoxe, le couchant (ou ponant).) (10 noeuds) souffle sur Paris. A 14h30, Alberto Santos-Dumont à bord de son dirigeable N°6 ordonne le "Lâchez tout ". Le dirigeable s'élève en direction de la Tour Eiffel (La tour Eiffel, initialement nommée tour de 300 mètres, est une tour de fer puddlé construite par Gustave Eiffel et ses collaborateurs pour l'Exposition...), neuf minutes après son départ il passe et contourne la Tour, mais le moteur a des ratés et ralentit, Alberto sans harnais de sécurité quitte sa nacelle, progresse sur la quille et atteint le moteur. Le moteur redémarre, plus une minute ( Forme première d'un document : Droit : une minute est l'original d'un acte. Cartographie géologique ; la minute de terrain est la carte...) à perdre, cap sur Saint-Cloud, 29 minutes et 30 secondes plus tard il passe la ligne d'arrivée, 1 minute ( Forme première d'un document : Droit : une minute est l'original d'un acte. Cartographie géologique ; la minute de terrain est la carte originale, au...) plus tard il se pose et remporte la coupe Deutsch de la Meurthe.

Santos Dumont fut prolifique et ne se laissa pas décourager par ses échecs.

1914-1918: évolution darwinienne des zeppelins


Evolution des zeppelins au cours de la première guerre mondiale

Pendant la première guerre mondiale, l'amélioration des zeppelins porte simultanément sur la motorisation, l'aérodynamique (L'aérodynamique est une branche de la dynamique des fluides qui porte sur la compréhension et l'analyse des écoulements d'air, ainsi qu'éventuellement sur leurs effets sur des...) et 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 du corps à la force de gravitation (la masse grave)....). Le meilleur dirigeable ayant existé, en terme d'opérabilité, est le LZ114 (rebaptisé "Dixmude"), dont on remarque l'exceptionnelle capacité d'emport, de plafond (Par extension, un plafond représente le maximum de quelque chose :), de vitesse (On distingue :).



Le poste d'observateur en nacelle était très apprécié des équipages
car c'était le seul enfroit où l'on pouvait fumer (Fumer est une pratique consistant à brûler une substance pour en inhaler la fumée par la bouche ou le nez.) une cigarette

L.-72 ; LZ114 "DIXMUDE"

- Dimensions (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son épaisseur,...): longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa...), 226,50 m ; largeur (La largeur d’un objet représente sa dimension perpendiculaire à sa longueur, soit la mesure la plus étroite de sa face. En...), 24 m ; hauteur (La hauteur a plusieurs significations suivant le domaine abordé.), 28 m.
- Propulsion: 6 moteurs Maybach de 260 ch chacun.
- Ballonnets: 16, formant (Dans l'intonation, les changements de fréquence fondamentale sont perçus comme des variations de hauteur : plus la fréquence est élevée, plus la hauteur perçue est haute et...) un volume total ( Total est la qualité de ce qui est complet, sans exception. D'un point de vue comptable, un total est le résultat d'une addition, c'est-à-dire une somme. Exemple : "Le total...) de 68 500 m3 d'hydrogène.

- Enveloppe: en toile de coton vernie, tendue sur une carcasse en poutrelles de duralumin.
- Nacelles: a l'avant, nacelle de pilotage avec un moteur accouplé à une hélice (Hélice est issu d'un mot grec helix signifiant « spirale ». Un objet en forme d'hélice est dit hélicoïdal.) à sa partie arrière. Le long de la carène sont disposés dans des nacelles latérales deux moteurs à bâbord et deux à tribord. A l'arrière et dans l'axe, une nacelle portant le sixième moteur.
- Communications: radiotélégraphie de portée de 500 milles.
- Navigation (La navigation est la science et l'ensemble des techniques qui permettent de :): sextant (Un sextant est un instrument de navigation permettant de relever la hauteur angulaire d’un astre au-dessus de l’horizon. Il est utilisé pour faire le point hors de vue de terre...) gyroscopique Fleuriais ; navigraphe Le Prieur ; compas liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.).
- Equipage: état-major, 5 ; arrimeurs, 10 ; mécaniciens et radios (A supprimer), 24 ; soit 39 au total.
- Passagers: 6 places disponibles.
- Performances: masse à vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.) de 30 t ; masse maximale de 80 t ; masse normale de 56 t permettant d'emporter 10 t d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) et 16 t d'essence ; rayon d'action avec 24 t d'essence et les 6 moteurs à 1 000 tr/min de 10 000 km à 77 km/h ; autonomie de 144 h à vitesse de croisière sur 4 moteurs et 36 t d'essence ; altitude maximale de 6 000 m ; taux de montée moyen de 7 m/s.
- Mise en oeuvre au sol: 250 hommes (moins dans des circonstances météo favorables).
- Ravitaillement: en 48 h au hangar (Un hangar est un bâtiment souvent réduit à une couverture et servant à abriter des véhicules, des aéronefs, à stocker des récoltes, des...).

En vol, les occupants se trouvent dans les nacelles ou dans les postes de repos aménagés à l'intérieur du ballon de part et d'autre de la coursive centrale, elle-même reposant sur la quille axiale qui court de l'avant à l'arrière. L'accès aux nacelles se fait par une échelle, en plein air, ce qui n'est pas sans danger.

Importance de la motorisation (parenthèse)

Bien qu'un ballon n'ait pas besoin (Les besoins se situent au niveau de l'interaction entre l'individu et l'environnement. Il est souvent fait un classement des besoins humains en trois grandes catégories : les...) d'une puissance minimale pour le vol (elle est nulle), plusieurs éléments militent pour l'amélioration des moteurs:
- un moteur léger et consommant peu, c'est autant de charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui...) marchande en plus ;
- un dirigeable à but fixé doit pouvoir remonter le vent. Il faut donc diminuer les traînées pour une puissance donnée (Dans les technologies de l'information, une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction, d'un...), donc limiter la masse du groupe motopropulseur et de son carburant (Un carburant est un combustible qui alimente un moteur thermique. Celui-ci transforme l'énergie chimique du carburant en énergie mécanique.) ; ou inversement, il faut pouvoir augmenter la puissance pour augmenter la vitesse, sans augmenter la masse qui se retrouverait hélas immédiatement en volume de ballon, donc en surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent...) mouillée, donc en traînée ;


Une particularité des ballons est la faible vitesse de croisière obtenue, au regard de la puissance installée (toujours liée à l'énormité des surfaces mouillées). L'obtention d'un rendement de propulsion acceptable est donc difficile à obtenir:



ηp: rendement maximum théorique de propulsion
Ve: vitesse d'éjection des gaz derrière l'hélice [m/s]
V: vitesse du véhicule (Un véhicule est un engin mobile, qui permet de déplacer des personnes ou des charges d'un point à un autre.) [m/s]


Noter l'exceptionnel diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre et limité par les points du cercle ou de la sphère. Le diamètre...) de l'hélice (de l'ordre de 6 m), par comparaison avec la taille du personnage qui est certainement debout de part et d'autre de l'arbre (Un arbre est une plante terrestre capable de se développer par elle-même en hauteur, en général au delà de sept mètres. Les arbres acquièrent une structure rigide composée...) moteur (LZ 6).

Exercice: Evaluer le régime de rotation de cette hélice en supputant la vitesse d'obturation que l'on suppose être de l'ordre du trentième de 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...) (1/30eme)...


Le LZ 127 "Graf": même remarque que précédemment sur le diamètre de l'hélice. Noter également l'écope d'admission d'air du moteur sur la partie supérieure de la nacelle bien dégagée de la 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,...) de cette nacelle et qui profite de la pression dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :).

Noter à quel point les nacelles motrices sont éloignées du ballon afin de ne pas travailler dans l'épaisse couche limite de celui-ci et donc de profiter de la plus grande pression dynamique possible. Cet éloignement permet aussi de bien séparer une source de feu de la paroi du ballon et de l'hydrogène.

On aperçoit aussi un mécano sur l'échelle permettant d'accéder en vol à la nacelle motrice. Pas de rambardes = sélection naturelle des bons mécanos acrobates !

Age d'or (1918-1940) et période moderne

Comparaison de quelques véhicules pour un trajet donné (l'Atlantique nord (Le nord est un point cardinal, opposé au sud.), par exemple):
- Un Boeing 747 (Le Boeing 747 est un avion de ligne construit par l'avionneur américain Boeing depuis 1968. Doté de quatre turboréacteurs, il offre une capacité maximale d’environ 550 passagers, grâce à une configuration à double pont...) est capable de transporter 600 passagers bien tassés à 1000 km/h en dépensant 90 t de pétrole (Le pétrole est une roche liquide carbonée, ou huile minérale. L'exploitation de cette énergie fossile est l’un des piliers de l’économie industrielle...).
- Le LZ 129 était capable de transporter une cinquantaine de passagers dans le luxe (et 70 hommes d'équipage dans un luxe moindre) à une vitesse pouvant atteindre 100 km/h en dépensant 70 t de pétrole. Sa productivité spécifique n'était donc que d'un pour cent de celle du Boeing (Boeing (nom officiel en anglais The Boeing Company) est l'un des plus grands constructeurs aéronautiques et aérospatiaux au monde. Son siège social est situé à Chicago, dans l'Illinois. Ses deux plus...) 747.

On comprend pourquoi ces ballons ont disparu et que les oiseaux sont tous de type "aérodyne (Un aérodyne, dans le domaine de l'aéronautique, est un terme générique désignant tout aéronef volant principalement grâce a des forces aérodynamiques. Les aérodynes regroupent tous les appareils "plus lourds que...)" !
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