Ballon à air chaud (montgolfière)
Les ballons à air chaud sont des aéronefs permettant de s’élever et de se déplacer dans les airs. On appelle aussi cela une montgolfière en l'honneur des frères Montgolfières, inventeurs du principe.
Le fonctionnement d’une montgolfière
Les montgolfières fonctionnent, d’une part, suivant le principe d’Archimède et, d’autre part, selon les caractéristiques du gaz utilisé, dont le produit de la pression par le volume est proportionnel à la température.
La poussée d’Archimède est la force que subit un corps plongé dans un fluide et soumis à un champ de gravité. Elle est égale au poids du volume de fluide déplacé.
Sous l’action de la chaleur, l’air se dilate, sa masse volumique diminue. Donc, à pression constante, l’air chaud prend plus de place que l’air froid pour le même poids, ou pèse moins lourd pour le même volume. Pour résumer, l’air chaud est donc plus léger que l’air froid. La température à l’intérieur du ballon est régulée principalement grâce au brûleur, et la soupape permet d’ajuster l’altitude en libérant de l’air chaud.
L’aérostat est remarquablement simple dans sa conception et son emploi. Il se compose de trois parties principales : une enveloppe, un système de carburant (comprenant un brûleur avec un cadre de charge et des réservoirs de carburant), et une nacelle.
Composants d'un ballon à air chaud
Enveloppe
L’enveloppe est constituée d’un certain nombre de fuseaux. Elle est confectionnée en polyamide résistant, renforcé par des bandes en polyester. Ces sangles supportent les forces dues à la charge et les transmettent au cadre de charge via des câbles en acier inoxydable. La partie inférieure de l’enveloppe est faite en Nomex, un tissu résistant à la chaleur.
Au sommet de l’enveloppe se trouve une large ouverture, dépourvue de tissu, où le réseau de sangles se poursuit. Cette ouverture est obturée, depuis l’intérieur du ballon, par un panneau mobile en tissu, centré par un système de suspentes, le faisant ressembler à un parachute. Il est maintenu fermé par la pression interne du ballon, de manière à être étroitement en contact avec l’ouverture et le réseau de sangles. L’ouverture est commandée depuis la nacelle, en tirant sur une corde ; ce processus est réversible, car quand on relâche la corde, le parachute obture à nouveau l’ouverture.
La taille de l’enveloppe varie suivant la charge qu’elle devra supporter.
Brûleur
Le brûleur est un dispositif permettant de convertir en chaleur l’énergie du carburant (propane liquide) stocké dans les réservoirs. Cette énergie est utilisée pour chauffer l’air à l’intérieur de l’enveloppe, fournissant ainsi un moyen de gonflement et de contrôle de l’altitude pendant le vol.
Le carburant est fourni au brûleur au moyen de tuyauteries flexibles. Il pénètre dans un corps usiné de vannes ; il est ensuite réparti entre les différentes vannes et manomètres en vue de son utilisation. Le débit de carburant est commandé par une vanne « tout ou rien », appelée vanne principale.
L’aérostat est toujours équipé d’au moins deux vannes principales et de deux alimentations en carburant. Avec un brûleur double, triple ou quadruple, chaque brûleur dispose de sa propre vanne principale et de sa propre alimentation, alors qu’avec un brûleur unique, les deux arrivées de carburant sont reliées au même serpentin de brûleur, mais en passant par des vannes principales distinctes.
Les vannes principales permettent au carburant de passer au travers du serpentin pour être réchauffé, puis brûlé à la sortie des diffuseurs. Cette partie du brûleur fournit la puissance maximale.
Le brûleur est la partie d’une montgolfière qui a connu la plus grande évolution technologique, dans un souci d’efficacité énergétique et de respect de l’environnement.
Cadre de charge
Le cadre de charge, en acier inoxydable, établit la liaison entre l’enveloppe, le brûleur et la nacelle. Le brûleur est monté au centre du cadre grâce à des cardans. Le cadre est supporté par des cannes en nylon, insérées dans des logements, qui sont soudés aux quatre coins du cadre. La nacelle et l’enveloppe sont reliées par des câbles aux coins du cadre, grâce à des mousquetons fixés aux au cadre de charge.
Nacelle
La nacelle est construite en osier et en rotin tressés. D’autres matériaux ont été utilisés, mais on est toujours revenu à ces matériaux naturels, qui offrent une grande souplesse un charme intemporel.
La nacelle est reliée au cadre de charge par au moins quatre câbles en acier inoxydable, d’un seul tenant, qui descendent à travers les parois, puis dans et sous la base. Des renforts et des emplacements tubulaires sont tressés en plusieurs endroits, suivant la taille et le type de nacelle. Ces emplacements reçoivent des cannes en nylon, qui supportent le cadre de charge. Les tiges de support, câbles et tuyauteries sont protégés à l’intérieur de fourreaux capitonnés maintenus par des fermetures éclair.
Le bord supérieur de la nacelle est garni de mousse, puis recouvert de cuir, à la fois pour en améliorer l’aspect et aussi pour protéger les passagers. La nacelle, comme l’enveloppe, sont fonction du nombre de passagers. Lorsque celui-ci est supérieur à cinq personnes, les nacelles sont compartimentées.
Toujours dans l’optique de la montgolfière pour tous, une nacelle est équipée d’une porte et d’un siège permettant l’accès aux personnes à mobilité réduite.
Voler en montgolfière
Bien que cela paraisse assez simple, piloter une montgolfière[2] demande des connaissances et des compétences spécifiques en aérostation.
Bien qu’elle n’ait ni moteur ni ailes, la montgolfière est contrôlée par deux éléments principaux : des brûleurs et une soupape. Quand on réchauffe l’air, le ballon monte; lorsqu’on ouvre la soupape, il commence à redescendre. On contrôle ainsi l’altitude du ballon en régulant la température dans l’enveloppe.
Souvent, la même question revient : si le pilote ne peut contrôler que l’altitude du vol, comment le ballon peut-il atteindre l’endroit prévu ? Voici la réponse : la montgolfière utilise les conditions atmosphériques pour le vol. La force et la direction du vent varient selon l’altitude. Les pilotes peuvent donc changer le cap du ballon en modifiant sa position verticale. La vitesse du vent étant souvent plus importante dans les couches supérieures de l’atmosphère, les pilotes peuvent aussi contrôler partiellement la vitesse de vol.
D’autre part, même des pilotes très expérimentés ne peuvent pas complètement contrôler la direction du vol. En fonction des conditions de vent, le pilote a généralement un peu de latitude, mais il est très rare que le ballon revienne au point de décollage. Un vol en montgolfière est donc unique, le trajet effectué dépendant des conditions météorologiques du moment.
Le ballon est toujours suivi par l’équipe au sol, qui vient le rejoindre à l’atterrissage pour récupérer les passagers et le matériel.
Préparation du vol
Le vol de la montgolfière nécessite une préparation minutieuse. Tout d’abord, le pilote consulte les informations météorologiques. Les trois paramètres météo les plus importants pour le vol sont les suivants:
• la nébulosité: absence d’orages ou de cumulus prévus
• la visibilité: au minimum 1,5 km
• la vitesse du vent au sol: au maximum 7 kt (nœud).
Une fois l’objectif du vol défini, connaissant la force et la direction du vent, le pilote peut planifier la trajectoire du vol. La situation météorologique changeant constamment, il est impossible d’établir d’avance le plan de vol ou l’endroit d’atterrissage exact. Ainsi, en choisissant le site d’envol, le pilote évalue systématiquement dans quelle zone il sera amené à devoir se poser dans la direction du vol. Il peut ainsi évaluer si cette zone permet un atterrissage en toute sécurité.
Les vols au-dessus des villes sont particuliers, car les services de contrôle de la circulation aérienne fournissent les informations de trafic pendant le vol. C’est pourquoi le pilote doit préparer ses cartes minutieusement et vérifier tous les éléments avec l’Office fédéral de l’aviation civile (OFAC).
Décollage
Le vol en montgolfière commence avec la préparation du ballon par le pilote et son équipe professionnelle. Bien sûr, les passagers peuvent participer à cette préparation, ce qui constitue toujours une expérience unique.
Tout d’abord, il faut choisir un endroit approprié pour décoller. Il est préférable que le terrain soit enherbé, qu’il mesure au moins 50 x 50 mètres et soit dépourvu d’obstacles (arbres, poteaux, lignes électriques). Quand le vent est plus fort, l’équipe privilégiera un endroit abrité.
Une fois l’emplacement choisi, tout le matériel est déposé au sol. On fixe les brûleurs sur la nacelle et on les relie aux cylindres de gaz par des connexions spéciales. Le pilote effectue un essai de brûleurs pour s’assurer de l’étanchéité du circuit de gaz.
On étale ensuite l’enveloppe à même le sol, toujours dans le sens du vent. On la fixe à la nacelle et aux brûleurs grâce à des mousquetons spéciaux.
À l’aide de ventilateurs appropriés, on insuffle de l’air froid dans l’enveloppe de la montgolfière. Un ventilateur puissant remplit l’enveloppe d’air en 5 minutes.
Lorsque l’enveloppe est suffisamment ventilée, le pilote allume les brûleurs et, à l’aide des flammes, il commence à réchauffer l’air dans l’enveloppe. L’air chauffe, se dilate et devient plus léger. C’est ainsi que l’enveloppe quitte peu à peu le sol.
Avant le gonflage, le ballon est amarré au véhicule de suivi pour éviter que le vent emporte précipitamment l’enveloppe. Après avoir vérifié que les passagers et le ballon sont prêts pour le vol, une fois l’air de l’enveloppe réchauffé à la bonne température, la montgolfière commence à s’élever. Au total, il faut compter environ 10 à 15 minutes pour la préparation de la montgolfière.
Atterrissage
Avant le vol, le pilote anticipe les terrains d’atterrissage possibles. Cette information est ensuite communiquée aux équipiers au sol durant le vol, par téléphone ou par radio.
Il n’y a pas de conditions particulières dans le choix d’un terrain d’atterrissage, mise à part qu’il ne doit pas être cultivé et exempt de bétail. Il est primordial qu’il soit suffisamment grand pour poser le ballon en toute sécurité et que l’enveloppe en se dégonflant ne fasse aucun dégât sur le terrain. Si le vent est faible, le ballon peut même se poser sur un simple stade. En cas de vent soutenu, le pilote cherchera un endroit plus grand pour atterrir.
Les pilotes expérimentés peuvent se poser de telle sorte que l’on sente à peine le contact avec le sol. Les équipiers aident également lors de l’atterrissage de la montgolfière. Cependant, lorsque le vent est fort, l’atterrissage peut être plus sportif. Peu avant le vol, le pilote informe les passagers de la conduite à tenir pendant l’atterrissage. C’est souvent la partie du vol que de nombreux passagers trouvent la plus impressionnante.
Les pilotes essayent généralement d’atterrir sur un chemin, afin que que le véhicule de suivi puisse accéder facilement au ballon. Parfois, il faut se poser au milieu d’un terrain, auquel cas l’équipe au sol guide manuellement le ballon vers le meilleur endroit.
Quand le pilote ouvre la soupape de l’enveloppe, l’air s’en échappe et le ballon se couche progressivement sur le côté. L’équipe au sol aide l’enveloppe à se dégonfler et remballe le ballon. Le processus de récupération de la montgolfière dure près de 30 minutes.
Pilotage d'une montgolfière
Certains diront que c’est impossible et qu’une montgolfière ne se dirige pas! Mais alors pourquoi a-t-on besoin d’un pilote?
Hauteur de vol
En réalité une montgolfière manœuvre très facilement sur le plan vertical. Le pilote maîtrise et choisit la hauteur du vol à convenance. Pour voler en palier, il doit maintenir un équilibre entre la température extérieure et celle de l’air chaud contenu dans la montgolfière. Il procède donc à l’aide du brûleur, par des coups de chauffe intermittents et proportionnés.
Pour changer d’altitude il suffira de rompre cet équilibre en chauffant d’avantage pour monter et en laissant refroidir naturellement le ballon pour descendre. La subtilité du contrôle vient de l’inertie importante entre des coups de chauffe et la réponse de l’aérostat.
Direction de vol
Le contrôle sur le plan horizontal est bien plus aléatoire. La montgolfière étant toujours poussée par le vent, sa direction est donc celle des vents dominants.
Or, il faut savoir que l’atmosphère est un mille-feuilles, à chaque altitude et à chaque moment de la journée on trouve une direction et une intensité du vent différente. Parfois assez comparable, parfois radicalement opposés, la diversité des vents rencontrés vont définir la marge de manœuvre à disposition du pilote pour effectuer son vol.
Des vents forts emmènent loin, des vents changeants de direction pourraient permettre de rejoindre plus facilement un point d’intérêt. Si exceptionnellement il peut arriver, avec les bons vents et un travail assidu de pilotage, de faire une boucle pour revenir vers le point de départ. En général le point d’atterrissage est distant de plusieurs kilomètres du lieu de décollage. L’indispensable équipier au sol suit donc l’aérostat durant le vol avec le véhicule de récupération pour assurer le retour.
Ainsi, le pilote de montgolfière peut influer sur la direction du ballon en choisissant en altitude le vent le plus favorable par rapport à son projet de vol.
Le pilotage du ballon est un art qui demande une bonne préparation, une grande anticipation, beaucoup d’observation, une grande attention et parfois une part d’aléa pour atteindre l’objectif souhaité.