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Ballon dirigeable

aéronef léger avec un système de propulsion
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Unballon dirigeableest unaéronefutilisant un gaz porteur destiné à assurer l'essentiel de sasustentation,et des systèmes de propulsion lui conférant une certaine manœuvrabilité tridimensionnelle. Ce type d'aérostatpeut être un peu plus plus lourd ou un peu plus léger que l'air selon sa configuration de vol. Les dirigeables se distinguent des autres types deballons(montgolfièresetballons à gazlibres) par leur dispositifs de manœuvrabilité et systèmes propulsifs pour évoluer sur le plan horizontal et vertical.

Ballon dirigeable
Présentation
Type
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Pour se déplacer, les dirigeables utilisent la propulsion parhélices.Elles peuvent être orientables et mues par différents systèmes, comme lesmoteurs à combustion,lesmoteurs électriques,les systèmes hybrides, ou un pédalier[1].

Les sources d'énergies nécessaires au système propulsif peuvent provenir decombustibles fossiles,dans le cas des moteurs thermiques ou, debatteries,decapteurs photovoltaïques,depiles à combustible,pour les motorisations électriques. Il est aussi possible d'utiliser lapropulsion humaineou la propulsion vélique produite par l'effort du vent sur une voile.

La taille des ballons dirigeables peut varier considérablement. Lesappareils à propulsion humainecomme leLiftium 2deDidier Costes,ont une vingtaine de mètres de longueur et une masse en vol d'environ 180kgtandis que les dirigeables transatlantiques desannées 1930,comme leLZ 129Hindenburg,peuvent atteindre 247mètresde longueur avec une masse en charge de 248tonnes.

Histoire

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Les pionniers

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Projet d’aérostat conçu par Meusnier de La Place en 1784.

Bartolomeu Lourenço de Gusmão(1685-1724) est considéré comme un précurseur de la navigation aérienne ayant imaginé des aérostats[2].En1783,dès les premiersballons à gazl'idée de dirigeable émerge car le défaut majeur de ces ballons est leur incapacité à se diriger. Sous l'égide desfrères Robert,la forme du ballon s'allonge. Dès 1783, le savant généralJean-Baptiste Marie Meusnier de La Placeimagine les organes de direction et expose dans ses travaux, qui sont à la base de l'aérostation actuelle, les conditions d'équilibre d'un aérostat dirigeable de formeellipsoïdale,muni d'un gouvernail. Le projet ne vit cependant jamais le jour du fait de la mort prématurée de son inventeur et de l'absence de moteur à cette époque. Il propose une gestion du gaz avec l'installation de ballonnet d'air dans l'enveloppe, pour passer du pilotage de vol à volume constant, vers un pilotage à masse de gaz constante[3].

XIXesiècle

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Après avoir clairement exposé le principe de l'aéroplane dès le début duXIXesiècle, l'inventeur anglais SirGeorge Cayleyenvisage en 1816 l'emploi du dirigeable pour la grande navigation et prévoit la réalisation des dirigeables rigides mus par un propulseur fonctionnant à la vapeur[4].

En 1825, le physicien françaisEdmond-Charles Genêtpropose un projet d'aérostat comportant une partie supérieure en forme de coupole allongée et plate en dessous. L'appareil propulseur constitué d'immenses roues à aubes est actionné par deux chevaux.

La première tentative de motoriser un aérostat est à mettre au compte de deux Français. Le premier, Pierre Jullien, horloger de son état, parvient à faire voler deux modèles réduits actionnés par mouvement d'horlogerie sur la piste de l'hippodrome de Paris. En 1852, il construisit un ballonpisciforme(ressemblant à un poisson) baptisé « Précurseur » qui ne vola jamais mais qui présentait la configuration requise pour soutenir un vol. Il était en effet équipé de gouvernails de direction et de profondeur à la poupe[4].

Animation du vol du dirigeable à vapeur de Giffard.

Le second,Henri Giffard,passe à la postérité en 1852 pour avoir imaginé et construit le premieraérostat Giffardqui, mû par une machine à vapeur placée dans la nacelle, put opérer « avec le plus grand succès diverses manœuvres de mouvement circulaire et de déviation latérale. » (par rapport au vent)[a 1].

Le vol historique a lieu leentre l'hippodrome de Paris etÉlancourt,soit environ 27km,grâce à un dirigeable de 44mde long en forme de cigare. Il est équipé d'unmoteur à vapeurdéveloppant3ch(2,21kW) et actionnant une hélice placée sous le ventre de l'engin[5],[4].

L'aérostat atteignait la vitesse de10km/h(2,78m/s) mais pouvait difficilement remonter un vent soutenu malgré ses capacités incontestables de « dirigeabilité ». Henri Giffard pouvait ainsi énoncer: « l'action du gouvernail se faisait parfaitement sentir et à peine avais-je tiré légèrement une des deux cordes de manœuvre que je voyais immédiatement l'horizon tournoyer autour de moi ».

Henri Giffard peut être considéré comme l'égal des plus grands précurseurs que furent lesfrères Montgolfieret lesfrères Wright.Il fut incontestablement en avance sur son époque, puisqu'il faut attendre près de vingt ans pour assister à une nouvelle tentative de motorisation d'un aérostat.

Aérostat dirigeable Dupuy de Lômeà propulsion humaine (1872).

En 1870-1872, l'ingénieur de la marine françaiseHenri Dupuy de Lômeréalise un aérostat allongé, mû à bras d'homme et destiné originellement à briser lesiège de Paris:l'aérostat dirigeable Dupuy de Lôme.Huit « marins » actionnent l'hélice pour le propulser[6].

Sa longueur est de 89m,sa largeur de 13,22met son volume de 9 000m3.Il effectue son vol d'essai le.L'appareil est détruit dans la nuit du 23 au 24 août 1914, victime d'un «tir ami».

De la construction au vol d'essai, Henri Dupuy de Lôme extrait les données scientifiques dans uneNote à l'Académie des Sciences.

La nacelle du dirigeable est exposée dans la grande galerie dumusée de l'Air et de l'Espace,lors de sa réouverture, le[6].

En 1873 est déposé le brevet d'un aérostat à coque rigide, une année avantFerdinand von Zeppelin.L'appareil, conçu parJoseph Spiess,est construit en 1913. Il fut le seul et unique dirigeable à structure rigide français duXIXesiècle. Son armature est composée de longerons en bois creux renforcés avec du fil. Il porte le nom de son concepteur: le «Spiess». Utilisé quelque temps pour le réglage de l'artillerie, sans que cela soit concluant, il est finalement détruit en 1915.

Deux cartes postales de 1913 illustrant leSpiess:

  • La première sortie du.
  • LeSpiessà faible altitude.
Ballon dirigeable électrique des frèresGastonetAlbert Tissandier(1883).

En 1883 et 1884, les frères aéronautesGastonetAlbert Tissandier,construisent un ballon dirigeable qu'ils munissent d'une hélice entraînée par un moteur électrique alimenté par des piles et avec lequel ils réussissent à remonter un courant aérien.

Pour cause de manque de financement, il n'y eut que deux vols, qui eurent lieu par temps venté, minimisant l'effet du moteur[7],[8].

Ce dirigeable électrique est alimenté par des piles « Tissandier ». La masse par unité de puissance, l'inverse de lapuissance massique,de ces piles est de 170kg ch−1[9].

La puissance motrice par unité de section transversale du ballon (comparable à ladensité surfacique de puissance) est de 2ch dam−2[9].

La France,ballon dirigeable électrique deCharles RenardetArthur Constantin Krebs(1884).

Le premier dirigeable vraiment manœuvrable voit le jour à la même époque. Il est conçu par les capitainesCharles Renard,officier dugénie,etArthur Krebsà l'établissement aérostatique deChalais Meudon,dont Charles Renard était le directeur.La Franceest également un dirigeable électrique, mais propulsée par une puissance motrice relativement grande par rapport à la section transversale du ballon[9].En effet il y a 16ch dam−2de section transversale. Le moteur de 110kgdéveloppe9ch(6,62kW). Sa masse par unité de puissance est de 12kg ch−1.C'est surtout l'utilisation de piles légères qui lui permet de gagner du poids, par rapport à l'appareil des frères Tissandier. Ces piles chlorochromiques pos sắc dent unepuissance massiquesupérieure et fournissent9ch(6,62kW) pour environ 400 kg, avec 44kg ch−1[9].Le,l'aérostat réalise le premier parcours en circuit fermé, d'environ 7km.L'expérience est renouvelée trois fois au cours de l'année 1884. Ce dirigeable est également le premier à comporter unempennageà l'arrière afin de maintenir la stabilité en lacet et tangage de l'appareil, dispositif conceptualisé parHenri Dupuy de LômeetGustave Zédé[b 1],[b 2].

Une campagne definancement participatifest lancée le,par l'association des amis du Musée de l'air (AAMA), pour restaurer les éléments restants du dirigeable. La souscription, clôturée le,a permis de récolter 10 375 euros. La gouverne, l'hélice, la nacelle, les piles, ainsi que le moteur électrique, sont exposés dans la Grande Galerie dumusée de l'Air et de l'Espacedu Bourget, depuis le[10],[11],[6].

Les restes de l'appareil avait déjà été présentés au public, lors d'une exposition auGrand Palais,en 1983[11].

En 1888,Gottlieb Daimler,inventeur du moteur à essence à explosion,motorise avec succès son premierballon dirigeableDaimleràStuttgart.L'aérostat de 26m,est propulsé par le tout premiermoteur à gaz Daimler mono-cylindre.C'est la première fois qu'un dirigeable utilise un moteur thermique à combustion interne. Cemoteur à quatre tempsdéveloppe2ch(1,47kW) à720tr/min[12].

Ballon dirigeableDaimler,à premier moteur à combustion interne, à gaz, deGottlieb Daimler(1888).

Ces moteurs ont déjà été utilisés avec succès sur une moto en 1885, laDaimler Reitwagenet sur une voiture en 1886, avec laBenz Patent Motorwagen.En 1887, sur un bateau prénommé:Marieet sur un tramway quatre places, letramway Daimler à essence(de)[12].

Ce dirigeable souple pos sắc de deuxhélices,une de propulsion et une inférieure pour la montée et la descente, en toile tendue. L'hélice horizontale, est inspirée de lavis aérienneduXVesiècle deLéonard de Vinci.

Il réalise leun premier aller-retour de 10kmentre Stuttgart et la ville voisine deRemseck am Neckarà la vitesse de20km/h[12].

Après cette première expérience avec un moteur à combustion interne,Daimler-Motoren-Gesellschaftva motoriser la plupart desZeppelinsdu début duXXesiècle.

Le,David Schwarzfait s'élever le premier dirigeable entièrement en métal (en utilisant de l'aluminium), àBerlin. Le vol se terminera malheureusement par un écrasement au sol.

  • Le dirigeable en aluminium de Schwarz.
  • Après le crash.

XXesiècle

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Le premier vol d'unZeppelinLZ 1,247 mètres, en 1900.
DirigeableClément-Bayardno1en 1908.
USSAkron(ZRS-4)en construction (novembre 1930).
L'USSAkron(ZRS-4)en approche sur sonmât d'amarrage.
L'USSLos Angeles(ZR-3)apponté sur le mât d'ancrage de la marine de guerre.

Le,c'est aussi enAllemagne,sur lelac de Constance,qu'a lieu le vol inaugural du premier dirigeable rigideZeppelin,leLZ-1,deFerdinand von Zeppelin,propulsé par 2 moteurs 4 cylindres Daimler NL-1 de14ch(10,3kW), deDaimler Phoenix.

Les progrès des moteurs à explosion qui présentent la particularité de peser peu au cheval développé, impriment un progrès définitif à la locomotion aérienne. Dès 1898, le brésilien d'origine françaiseAlberto Santos-Dumontexpérimente de petits dirigeables souples de sa conception équipés de moteurs à essence et qui lui valent une immense popularité avant même qu'il expérimente le plus lourd que l'air quelques années plus tard. Le,il remporte le prix de 100 000francs-or[13],[c 1]offert par le mécène de l'aviationHenry Deutsch de la Meurthe,pour avoir relié le parc d'aérostation deSaint-Cloudà latour Eiffel,avec retour au point de départ, en une demi-heure à bord de son modèle: leSantos-Dumont numéro 6(en)[14].Pour la petite histoire,Alberto Santos-Dumontdistribua son pactole à ses ouvriers et aux pauvres de Paris. Il avait failli se tuer lors d'une tentative précédente[4].

En 1902,Leornardo Torres Quevedoprésente à l'Académie des sciences de Paris,un nouveau type de dirigeable avec une conception nouvelle, pour le maintien et le renfort de la voilure par un système auto-rigide au moyen de câbles flexibles. À partir de 1911, il collabore avec l'ingénieur en aéronautiqueÉdouard Surcouf,au sein de la société aéronautique Astra, pour la réalisation d'un nouveau modèle de dirigeable dans les ateliers d'Issy-les-Moulineaux.Ce nouveau dirigeable, l'Astra-Torresno1 est beaucoup plus rapide et performant. Il y aura ensuite d'autres « Astra-Torres », dont lePilâtre de Rozier(Astra-Torres N° XV), en l'honneur de l'aérostierJean-François Pilâtre de Rozier,qui atteindra 23 000m3,les dimensions du Zeppelin.

Le,le premier dirigeable semi-rigide desfrères Lebaudy,conçu par l'ingénieurHenri Julliot,fait le trajetParis-Moisson,soit 62kmen 1 h 40.

Le,c'est la première traversée des Alpes en ballon, signée par les ItaliensUsuellietCrespi,à bord duMilano,en un peu plus de quatre heures, entre Milan et Aix-en-Savoie (aujourd'hui Aix-les-Bains)[15].

Le,le dirigeable français soupleClément-Bayard-II(78,50mde long), construit dans l’Oise parAdolphe Clément-Bayard,est le premier à traverser la Manche en parcourant en 6 heures, le trajet deBreuil(Oise) àLondres[16](390km), à la vitesse moyenne de65km/het avec 7 personnes à son bord.

Première Guerre mondiale

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Les firmesZeppelin,Lind Er SchtrümpfetSchütte-Lanz(de)vont marquer l'essor du dirigeable rigide, construisant respectivement 96 et 22aérostats.Zeppelinprivilégie l'utilisation de l'aluminium pour la construction de la structure tandis que la seconde se fait la spécialiste des ossatures en bois[17].Durant les quatre années de laPremière Guerre mondiale,les dirigeables construits enAllemagnedeviennent de plus en plus gros, allant jusqu'à dépasser les 200 mètres de longueur. Ils effectuent 1 189 missions de reconnaissance et 231 attaques à la bombe, visant tout particulièrement la ville deLondres.

Percer les secrets de fabrication de ces dirigeables rigides fut donc une des missions prioritaires des services de renseignement britanniques[17].L'Amirautécommanda donc à la firmeVickers:leType 9,un dirigeable rigide inspiré des réalisationsZeppelin,dont sera dérivé une série de quatreVickers Type 23.Devant le peu de succès de ces appareils, l'Amirauté prit ensuite directement en charge, la conception des dirigeablesType 23Xà structure métallique etType 31largement copiés sur lesSchütte-Lanz.Sur 14 dirigeables rigides, mis en chantier enGrande-Bretagnedurant laPremière Guerre mondiale,neuf seulement furent achevés avant l'Armisticeet un seul participa effectivement à des opérations militaires[17].

EnAllemagnecomme enGrande-Bretagne,on tenta d'assurer la protection de ces géants des airs, contre les attaques des chasseurs en réalisant les premières expériences dechasseur parasite:Un ou deux monoplaces étaient accrochés sous le dirigeable.

Article détaillé:Dirigeable militaire.

Entre-deux-guerres

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Le dirigeable porte-avionsUSSAkron(ZRS-4)récupérant un chasseur N2Y-1 en 1932.

Dans lesannées 1920et1930,Allemands, Américains, Français, Italiens et Anglais se lancent dans la construction d'engins de taille spectaculaire qui servent le prestige national. Ils ont surtout une vocation de transport de passagers au long cours, mais les Américains testent desdirigeable porte-avionspour des usages militaires, poursuivant en particulier la technique deschasseurs parasites.La presse enthousiaste les surnomme« paquebot volant »,« vaisseau du ciel »,relatant les croisières souvent effectuées par des personnalités, qui ont le moyen de s'offrir ce type de transport coûteux.

LeLZ 127Graf Zeppelinest le plus grand dirigeable jamais construit avec plus de 236 mètres de longueur lors de sa mise en service en 1928. Sous le commandement d'Hugo Eckener,il va établir plusieurs records. Il réalisera le premier tour du monde en août 1929, incluant la première traversée du Pacifique (Tokyo-San Francisco) sans escale. Il parcourut plus d'un million et demi de kilomètres au cours de 590 vols, durant son exploitation jusqu'en 1937, dont 143 traversées de l'Atlantique et transporta entre 1928 et 1937 13 110 passagers.

Mais plusieurs catastrophes vont alors marquer l'histoire des dirigeables. Ces catastrophes sont essentiellement dues au fait que le dirigeable est trop sensible aux mauvaises conditions climatiques (vent, pluie, neige, givre et foudre) et que le gaz utilisé, ledihydrogène(appelé communément hydrogène[d 1]), est hautementinflammable[d 2].

En1928,le dirigeableItalia,second engin d'Umberto Nobiles'abîme sur la route duPôle Nord,probablement à cause de la glace accumulée sur le ballon et de la surcharge qu'elle a créée. Les opérations de sauvetage des aérostiers italiens seront tragiques;AmundsenetGuilbaudy laisseront la vie[e 1].

Construit à la fin des années 1920 par le gouvernement britannique, leR100devait assurer des liaisons entre Londres et l'Empire britanniqueen concurrence avec lesZeppelinallemands. Il fit un aller-retour triomphal entre Londres etMontréal(Canada) du 28 juillet au 16 août 1930. Le,son jumeau leR101,parti deLondres,s'écrase pendant son voyage inaugural versBombay,sur les collines dePicardie,à proximité deBeauvais.La catastrophe a lieu de nuit et par mauvais temps, mais la cause de l'accident reste inconnue. 48 personnes trouvent la mort et le Royaume-Uni interdira l'usage de l'hydrogène[d 1]pour les ballons et vendra le R100 à la casse.

En1925,le dirigeable américainUSSUSS Shenandoah(ZR-1)brûle en plein ciel et se brise en 3 morceaux, faisant 15 morts. Deux des trois dirigeables porte-avions de l'US Navys'écra sắc rent en mer. LeUSSAkron(ZRS-4),le,tua 73 membres d'équipage et passagers et leUSSMacon(ZRS-5),le,entraîna le décès (évitable) de deux marins.

L'Allemagne reste le seul pays avec des dirigeables à usage commercial. Ils sont principalement utilisés pour des traversées de l'Atlantique, mais ces dernières ne se font que d'avril à octobre, pour éviter le mauvais temps hivernal et les tempêtes de l'Atlantique nord. Le,leHindenburg,gonflé audihydrogène(200 000m3de gazinflammable[d 2]), prend feu lors de son atterrissage à l'aéroport deLakehurst,non loin deNew York.Cet accident fait 35 victimes (parmi 97 personnes à bord) et met fin aux vols de dirigeables commerciaux.

Seconde Guerre mondiale et « Trente Glorieuses »

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Devenus inutiles pendant laSeconde Guerre mondiale,ils vont être détrônés à la fin de celle-ci, par les progrès techniques décisifs de l'aviation. Durant lesannées 1950,les premiers vols transatlantiques commerciaux sont réalisés, grâce à des appareils comme lesDC3,DC4etLockheed Constellation[18].Ces progrès se poursuivront par l'apparition et la généralisation des avions de ligne à réaction, sur de grandes distances durant lesTrente Glorieuses.

Cependant, lamarine américainedans les années 1950, à côté de modèles utilisés comme engins d'observation et de sauvetage, mets en œuvre comme stationsradarvolantes, de gros dirigeables. C'est le cas du ZPG-3W, dérivé dudirigeable de type N(en)mis au point en 1953. Cet appareil, conçu pour la veille éloignée de la défense aérienne du territoire est le plus gros dirigeable souple jamais construit. Il pos sắc de une longueur de 123 mètres, un volume de 42 450m3,2 moteurs de 600kW(800ch) et une vitesse de128km/h[19].

Les ballons dirigeables modernes

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Le dirigeableMZ-3de l’US Navy en service depuis 2006.
Zeppelin NTD-LZZRdurant un vol à basse altitude en 2003.
Projet NATAC de Voliris.
Dirigeable au-dessus deFrancfort.

Lescrises pétrolièresde1973,1979et2008relancent les projets denouvelles technologies,parmi lesquelles des dirigeables commerciaux comme ceux de laZeppelin Luftschifftechnikde 1993 qui exploite troisZeppelin NT,principalement pour lapublicité aérienneet la surveillance[20]mais ils ne sont utilisables que par beau temps: un quatrième appareil fut détruit lors d'une tempête auBotswanale,alors qu'il était attaché à son mât d'amarrage[21].

Lesforces armées des États-Unisdéveloppent depuis le début duXXIesiècle, plusieurs projets de dirigeables, comme le MZ-3 de l'US Navy, pour des missions de renseignement, de surveillance et de reconnaissance mais il s'agit encore de démonstrateurs et de prototypes[22].

Unappel à projetsdu gouvernement français est lancé en 2014, dans le cadre de la «Nouvelle France industrielle», demandant entre autres des dirigeables porteurs de charges lourdes et multimissions. Onze dossiers sont déposés, aucun n'est retenu[23],[24],[25]car l'un des principaux obstacles rencontré est lié au ballastage: l'appareil ne doit pas décoller brutalement lorsqu'on le décharge[23],[26].Des concepts de dirigeable hybride pour le transport de containers (40 pieds, 30 tonnes) émergent[27].À l'aide de nombreux prototypes, des enveloppes en forme d'aile volante favorisant la portance aérodynamique sont imaginées, fabriquées et testées sur l'aérodrome de Moulins - Montbeugny,parvenant à atteindre une sustentation à 60% grâce à la portance aérodynamique. À la suite des validations en vol des spécifications pour le transport de charges, le projet NATAC (Navette Aérienne de Transport Automatique de Containers)[28]est lancé.

Pour promouvoir les dirigeables, l'Unescoet laWorld Air League,uneONGaméricaine militant pour le développement du transport aérien plus léger que l'air, s'associent en 2010. Leur campagne «World Sky Race»[9],[29]comprend une course de dirigeables autour du monde à organiser à partir de 2024[30].Le parcours d'environ 48 000km,est jalonné d'étapes sur des sites naturels et culturels majeurs, comme lespyramides de Gizeh,leTaj Mahalou lemont Fuji[9],[31].Ses organisateurs espèrent convaincre le public et l'industrie aéronautique du potentiel des dirigeables.

Ballons dirigeables à air chaud

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Dirigeable à air chaud au-dessus deCologne.

Endécolle leDirigeable Cameron D-96(en)qui fonctionne à air chaud[32].Muni d'unMoteur Volkswagen à refroidissement à air(en)de type 126A et d'unehéliceHoffmann HO14-183100LD[33],ce type de dirigeable est moins coûteux à construire et à utiliser que les dirigeables à hélium et ne nécessite nihangar,nimât d'amarrage.Il est facilement transportable: on le dégonfle comme unemontgolfièreaprès le vol[34].

De 1985 à 2004, un dirigeable à air chaud dénomméAS 300est utilisé comme plateforme d'observation de lacanopée,lors de l'opération d'inventaire de labiodiversitédénommée «radeau des cimes». L'appareil permet l'envol d'un radeau pneumatique du sol vers la canopée. Il a été notamment utilisé enGuyane,auGabonet auCameroun[35],[36].

Gonflage d'un dirigeable à air chaud - Gefa-Flug AS 105.

Ces appareils se gonflent de la même manière qu'unemontgolfière.On utilise d'abord un souffleur afin de faire entrer de l'air dans l'enveloppe. Une fois suffisamment gonflée, les brûleurs vont dilater l'air interne et donner sa forme finale au ballon.

LeGefa Flug(de)AS 105 utilise deux brûleurs positionnés l'un contre l'autre en forme de « V » et dirigés vers l'avant et vers l'arrière. Cela permet une meilleure répartition de l'air chaud. L'intérieur de l'enveloppe est divisé en plusieurs cloisons. Le système est comparable au réglage des ballasts dans les dirigeables à gaz, lorsque l'on veut modifier l'assiettedu ballon[37],[38].

Projets de ballons stratosphériques

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Des projets militaires sont également à l'étude, comme leStratobusde 100mde long et d'un volume de 50 000m3,pilotable à distance et capable d'embarquer 200kgde charge utile. Conçu pour rester fixe à 20kmd'altitude, au-dessus de l'espace réservé aux avions de ligne, il peut surveiller une zone de 100km2[39].

  • LeStratobus(vue d'artiste).
  • Projet de l’US Air ForceIntegrated Sensor is Structure:dirigeable de surveillance de 140mde long.

Projets de dirigeable transporteur de charges lourdes

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Le dirigeable gros porteur « CL 160 », prévu pour porter jusqu'à 160 tonnes, avec 242 mètres de longueur et 550 000m3[40],n’a pas été construit car le financement de 204,517 millions d'euros s'est avéré insuffisant, d'autant que les fonds disponibles étaient aussi utilisés pour développer d’autres engins[40],[41],[42].En 2004, le hangar géant de ce dirigeable, en acier auto-portant, de 360 mètres de long et 107 mètres de haut, est reconverti en parc aquatique[43].

AuRoyaume-Uni,depuis 2010, un prototype dedirigeable hybride[44]émerge pour le compte de l'US Armyet aboutit au développement du LEMV (Long Endurance Multi-Intelligence Vehicle) pour un montant de 517 millions de dollars US[45].À peine a-t-il décollé leque l'armée américaine se retire du projet[46].Un autre dirigeable nomméAirlander 10est relancé par une opération américaine[47]decrowdfunding[48],et effectue deux vols en août 2016, mais écrase son cockpit lors de son deuxième atterrissage[49].

En 2014, une flotte de dirigeables de grandes capacités de transport ditsAeroscraft[50],avec trois modèles, le « ML 866 » (rigid variable buoyancy air vehicle), le « ML 868 » (avec une capacité de 60 tonnes) et le « ML 86X » (avec une capacité de 500 tonnes) sont proposés aux investisseurs et clients potentiels[51]pour, par exemple, apporter et installer deséoliennesdans des lieux isolés sans routes ou voies ferrées. Mais les technologies classiques ont la vie dure et aucune commande n'est passée.

Aux États-Unis, laDARPAlance en 2005 unappel à projetsbaptiséWalrus(«morse»). Lecahier des chargesexige que les appareils doivent pouvoir transporter 500 tonnes sur 20 000 kilomètres en moins de sept jours. La DARPA ne communique pas sur le projet, se contentant d'indiquer que le programme Walrus « est clos ». En fait lePentagonetravaille sur un dirigeable capable de voler à plus de 20 kilomètres d'altitude: leP-791(en)dont le premier vol de test a lieu le[52],[53],[54].

ÀMountain View,le Pathfinder 1, d'une longueur de 120m,est en construction depuis 2022 dans leHangar à dirigeables de l'aérodrome Moffett(en):c'est un dirigeable rigide constitué de tubes enpolymère,renforcés defibres de carboneet de joints entitane.Ces appareils sont destinés au transport de charges lourdes et pour les opérations humanitaires[55],[56].

Des projets similaires existent en France[57],enGironde[58],[59]et àChâteaudun(Eure-et-Loir)[60].En 2023 ce dernier reçoit le labelNext40décerné aux entreprises que le gouvernement français considère prometteuses et susceptibles de devenir des leaders technologiques.

Projets sur les systèmes propulsifs à faible puissance

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Plusieurs programmes universitaires travaillent sur l'utilisation des faibles puissances associées au ballon dirigeable. Le but recherché n'est pas lié à une exploitation commerciale du ballon, mais un support de travail pour la recherche sur les systèmes propulsifs.

Lors de l'édition 2011 dusalon du Bourget,est présenté le « MC-500 », dirigeable de 500m3alimenté par unepile à combustible à hydrogène[61],[62],[63],[18].

Le,Stéphane Roussontente la traversée de laMancheen dirigeable à pédales mais n'y parvient pas[64],[65].

En même temps, son équipe d'étudiants[66],[67]travaille sur un dirigeable fonctionnant à l'énergie solaire[68]:leNéphélios.Celui-ci décolle en,et un second vol d'une durée de2h30mina lieu avec succès le[69].

Une équipe de chefs d'entreprise, d'ingénieurs, de designers et de professionnels de la communication rassemblée en 2008[70]réussit leune traversée de la Manche duCap Gris-NezàDymchurchà bord de l'Iris Challenger 2,dirigeable électrique de 560m3qui parcourt 46kmen2h23min.C'est un record du monde de distance et de temps pour un dirigeable declasse 5.De formelenticulaire,il se propulse grâce à deux hélices en bois de 1,30mde diamètre, actionnées par deux moteurs de 7kW,alimentés par un système de batteries[71],[72].

Programme de ballons captifs

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Les ballons captifs modernes utilisent une technologie similaire à celle des ballons dirigeables pour la construction souple et une technique de pilotage du gaz.

EnProvence,le projetHorusmis en place en 2010 comporte une plateforme aérostatique multi-mission et un ballon dirigeable captif pour la surveillance civile et militaire[73],[74],[75],[76],[77],[78].

En France toujours,l'escadron Syderecutilise un ballon captif pour effectuer des transmissions de secours et émettre des ordres essentiels aux sous-marins lorsque tous les autres moyens ont été détruits[79].En 2013 dans le cadre de la modernisation des forces armées, le projet « Syderec Ng » est lancé et mis en œuvre[80],[81].

Autres projets

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« A-N 400 » d'évitement de la base d'aéronautique navale de Hyères.

La sociétéA-NSEa testé un démonstrateur de dirigeable conçu pour les missions de surveillance maritime. Long de 25 mètres pour une largeur de 5 mètres et une hauteur de 7 mètres, l'A-N 400, qui présente un volume de 400m3,a été déployé fin septembre 2011 sur la base d'aéronautique navale de Hyères, à l'occasion d'une présentation au profit de la Direction générale de l'armement et de la Marine nationale[82].

LaSuisse,depuis le début des années 2000, utilise des dirigeables radio-commandés de 3 à 22 mètres de long, utilisés à des fins de recherche scientifique, de supports publicitaires et de plates-formes de prises de vues aériennes vidéo et photo. Leur propulsion est soit électrique soit thermique ou même hybride[83].

Technique

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L'ingénieur suisseAuguste Piccardqui a travaillé sur les deux types d'appareils, expliquait que les principes de fonctionnement du dirigeable dans l'air et dubathyscaphedans l'eau (ici leFNRS-3) sont analogues: pour la sustentation des réservoirs emplis d'un fluide plus léger (hydrogène ou hélium dans le cas du dirigeable, essence dans le cas du bathyscaphe); pour les mouvements verticaux des vessies de compensation ou du lest; pour la propulsion des moteurs à hélice (électriques pour le bathyscaphe); pour l'équipage et l'appareillage, des cabines suspendues en-dessous[84],[85],[86].

Vol

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Pour se sustenter, le dirigeable utilise majoritairement la portance aérostatique directement créée par lapoussée d'Archimèdeexistant sur son enveloppe; il utilise aussi laportance aérodynamique(naissant de la vitesse et de la mise en incidence de l'enveloppe) ainsi que la composante verticale de la poussée vectorielle des moteurs. Il est constitué d'une enveloppe souple ou rigide remplie d'un gaz plus léger que l'air dont la somme des poids (enveloppe + gaz + charge) est proche du poids du volume d'air déplacé par l'enveloppe. La propulsion horizontale de l'appareil en vol dans l'air environnant[87]est réalisée, en général, par la composante horizontale de la poussée des hélices, mais des dispositifs éoliens peuvent être utilisés (voir l'articleVoilier des airs).

Le vol est un vol lourd ou léger selon les décisions du pilote. Un vol lourd a pour objectif d'être plus lourd que le poids du volume d'air déplacé, dans ce cas le ballon va s'élever par l'action de la poussée vectorielle du système propulsif ou de la portance aérodynamique. Pour les vols longues distances, un pilotage léger est apprécié car moins consommateur de poussée (absence de composante verticale de la poussée): le ballon cherche tout seul à rejoindre son altitude de plénitude établie par les paramètres de départ.

Le pilotage du gaz est un vol à masse de gaz constante.

Spécificité du pilotage d'un ballon à masse de gaz constante avec une enveloppe souple ou semi-rigide.

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L'enveloppe, qu'elle soit souple ou semi-rigide, est considérée comme ayant un volume constant (on ne tient pas compte des faibles variations d'élongation du tissu de l'enveloppe dans le pilotage, même si celles-ci ont une influence sur le volume général, pour la simple raison que l'on se donne une surpression maximum à ne pas dépasser dans l'enveloppe).

Ballon dirigeable: composants de sustentation, de compensation, de propulsion, de direction.

La surpression du gaz dans l'enveloppe est nécessaire pour le maintien de la forme aérodynamique de l'enveloppe; cette surpression est importante pour deux raisons essentielles: d'une part, c'est une limite structurelle (trop de surpression peut causer la rupture du tissu) et d'autre part, la surpression implique une masse de gaz supplémentaire défavorable au vol):

  • La limite structurelle de l'enveloppe est définie par les caractéristiques de résistance du tissu utilisé. Le concepteur donne une valeur de surpression au pilote pour le vol en condition normal et une limite à ne pas dépasser (au-delà de cette limite l'enveloppe peut se déchirer par « déchirure explosive » et c'est la destruction totale du ballon). Cette surpression est définie en hectopascal et peut être très facilement visualisée sur un tube coudé rempli d'eau. Une partie du tube étant mis à l'air libre et l'autre à la pression interne du ballon la différence se mesure en centimètre: 1cmd'écart équivaut à 1 hectopascal. La limite structurelle et cette valeur de surpression vont définir la pression dynamique admissible sur l'enveloppe: en effet, si la vitesse du ballon est trop forte, lapression dynamiqueaupoint d'arrêt(c.-à-d. à l’extrême avant du ballon) fera que le nez du ballon va s'écraser et s'éloigner de sa forme aérodynamique.
  • Pour obtenir cette surpression, il y a plusieurs solutions pour le pilote selon le type de construction, soit par ajout de masse de gaz supplémentaire, soit par gonflage des ballonnets d'airs. Dans les deux cas, ces actions ont une influence sur lapoussée d'Archimèdequi porte le ballon.

Construction

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Les ballons dirigeables peuvent être construit selon trois méthodes différentes selon l'application du ballon et les contraintes mécaniques imposées. On parle de construction souple (oublimp) semi-rigide (type Zeppelin NT) ou rigide (TypeLZ 129 Hindenburg).

Dans le cas desdirigeables souples,la forme de la carène est maintenue par la pression intérieure du gaz. Pour remédier aux différences des volumes occupés par le gaz lors des variations de pressions, qui modifieraient la forme du ballon et risqueraient de la rendre flasque, la pression est classiquement maintenue par un ou plusieurs ballonnets gonflés au moyen d'un ventilateur. Par ailleurs, des soupapes automatiques ou commandées limitent la pression. La nacelle est jointe à la carène par des câbles de suspension fixés à une ralingue de l'enveloppe. Cette nacelle est une poutre armée en bois ou en métal sur laquelle sont groupés le personnel et les appareils de pilotage (commandes de moteurs, de gouvernail de profondeur et de direction). La propulsion est assurée soit par une hélice dans l'axe de la nacelle, soit par deux hélices latérales.

Enfin, dans le cas du dirigeable semi-rigide, l'enveloppe est souple, mais comporte à sa base une quille rigide.

Pour les dirigeables rigides, dont le prototype fut leZeppelin,la carène rigide est en alliage léger, formée de larges anneaux reliés entre eux par des poutres longitudinales. Chaque extrémité est terminée par un cône, et celui de l'arrière, le plus effilé, porte les empennages et les gouvernails de profondeur et de direction. Cette charpente est recouverte de toile étanche et vernissée pour diminuer la résistance à l'avancement. L'intérieur est divisé en tranches dans chacune desquelles se trouve unballonnetrempli d'hydrogène[d 1].Ce type est évidemment plus lourd qu'un aérostat souple de même cubage, en raison du poids de la structure, mais il peut atteindre des vitesses plus élevées, grâce à la solidité de sa carène, et transporter un tonnage plus fort, grâce à la possibilité de construire des enveloppes de grande capacité (10 000m3en 1900, 70 000m3en 1924 et 200 000m3en 1938).

Enveloppe

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L'enveloppe assure différentes fonctions selon le type de construction. Elle est étanche et assure la rétention du gaz aérostatique, dans le cas des dirigeables souples et semi-rigide.

Son rôle est aussi de donner au ballon, soit une forme demoindre traînée aérodynamiqueà volume donné, soit une forme de moindre traînée àportance aérodynamiquedonnée (formeslenticulaires) si lecahier des chargesle demande.

Certain tissus permettent une fonction auto-rebouchante selon la dimension et type de fissure en fonction de la pression interne du ballon.

Enveloppe des dirigeables souples et semi-rigide
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Dans les dirigeables contemporains, les enveloppes doivent remplir différentes fonctions. Ainsi qu'une résistance à l'abrasion, au déchirement, auxultraviolets,mais aussi une résistance au vieillissement et aux champignons. Elles doivent aussi supporter la surpression interne. Pour réunir ces différentes qualités, l'enveloppe est constituée de plusieurs couches (au moins deux ou trois) defilmsplastiques assurant chacun un rôle spécifique. Ces films sont ensuite collés ensemble par unélastomèrelors d'unlaminageà chaud, lorsque la soudure directe est impossible (certains films plastiques ne sont pas soudables). Puis ces films laminés sontdécoupés au laser,ou avec une autremachine à commande numérique,suivant un profil défini par la forme finale que l'on veut obtenir. Enfin, les différents patrons et leurs joints de renforcement peuvent être assemblés, en utilisant lesoudage haute fréquence,lesoudage par ultra sonou le collage[88].

Parmi les films plastiques les plus utilisés comme composant de base, on peut trouver lepolyuréthane(thermoplastique) qui est très polyvalent, lepolyesterutilisé pour ses propriétés mécaniques, l'éthylène alcool vinylique. La couche externe peut-être en nylon, ou enpolyfluorure de vinyle[88].Sur certains dirigeables, on peut trouver un film aluminisé argenté, qui réfléchit une grande partie des rayons du soleil et évite l'échauffement par lesrayons infrarougesau travers de l'enveloppe et sa dilatation.

Gaz aérostatiques

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Les dirigeables peuvent employer comme gaz aérostatique, ceux plus légers que l'air.Deux gaz sont principalement employés: le dihydrogène, le plus utilisé avant la Seconde Guerre mondiale et l'hélium, qui lui a succédé.

Le dihydrogène

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Ledihydrogène,deformule chimique[d 1],est le plus léger de tous les gaz. Sadensitéest de 0,0695 et samasse volumiquede0,089 9kg m−3à 20 °C[89].C'est le gaz le plus porteur et bon marché, mais sujet auxfuites(moins que l'hélium cependant), hautementinflammableetexplosif,suivant les conditionsstœchiométriques.La plage d'inflammabilité dudans l'air est très large et comprise entre 4 % et 75 % en volume de.La plage dedétonabilitédans l'air est comprise entre 13 % et 65 % en volume de.D'autre part l'énergie minimale d’inflammation dans l’air, l'énergie d'activationnécessaire pour déclencher la réaction est également très faible avec 0,02mJ[90].Ce fut la cause d'accidents spectaculaires (désormais interdit pour une utilisation commerciale ou de loisir); gaz « historique », il a pratiquement été abandonné, excepté pour certains ballons stratosphériques[91]et parfois pour certains ballons libres (qui ne sont pas des dirigeables)[92],[93],[94].Pour les ballons (dirigeables ou non) évoluant dans la haute atmosphère, l'utilisation duest moins problématique. Pour Patrick Hendrick, professeur en aéro-thermo-mécanique à l’Université Libre de Bruxelles,le dihydrogène ne pose pas de problème, lorsqu'il est utilisé correctement (notamment pour les drones à hautes altitudes). Il ajoute: « l’hélium est un gaz trop cher et qui pourrait se raréfier à l’avenir. On ne le trouve que dans des poches de gaz naturel en profondeur. L’hydrogène[d 1],lui, peut être produit (N.D.L.R,parélectrolyse), avec desénergies renouvelables,telles que lesolaireou l’éolien[95].»

L'hélium

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Ballon à l'hélium pour prises de vue aériennes, commandé du sol.

L'héliumdeformule chimique,est le plus léger des gaz après leavec une masse volumique de0,178kg m−3à 20 °C[96].Plus coûteux mais sûr en raison de sonininflammabilité,c'est le plus couramment employé de nos jours; c'est aussi une ressource naturelle qui coute cher à extraire. D'autre part lamoléculed'hélium estmonoatomiqueet pos sắc de unrayon atomiquede 0,118nm[96];tandis que la molécule de dihydrogène estdiatomique,les deux atomes d'hydrogène pos sắc de unrayon atomiquede 0,12nmet sont séparés de 74,14pm.Lediamètre cinétique(en)des deux molécules, donne une indication de leurs tailles et de la manière dont elles inter-réagissent. C'est la taille de la « sphère d'influence » des molécules qui peut conduire à un évènement deperméation.Ce diamètre cinétique est de 260pmpour l'hélium[97]et de 289pmpour le dihydrogène[98].La molécule d'hélium, (bien que presque deux fois plus lourde) est aussi plus petite que celle du dihydrogène. Cette dernière est 11 % ((289-260) / 260= 0,11) plus volumineuse que celle de l'hélium[99].L'hélium va donc diffuser plus rapidement à travers une enveloppe. Par exemple, à travers un film depolytéréphtalate d'éthylène,enduit d'alcool polyvinyliqueet denanoparticulesdesilicate,laperméationde l'hélium est de 0,8cm3μm m−2jour−1atm−1.Tandis que celle du dihydrogène est plus faible avec 0,6cm3μm m−2jour−1atm−1[100].L'hélium diffuse 33 % ((0,8-06) / 0,6= 0,33) plus vite que le dihydrogène à travers une telle enveloppe. À travers lepolyfluorure de vinyle(PVF), l'hélium diffuse à 59,1cm3mm m−2jour−1atm−1,tandis que le dihydrogène diffuse à 22,9cm3mm m−2jour−1atm−1[101],[102].L'hélium diffuse 158 % ((59,1-22,9) / 22,9= 1,58) plus rapidement que le dihydrogène à travers ce type d'enveloppe.

L'air chaud

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Un dirigeable à air chaud utilisé comme support publicitaire au-dessus deHambourg.

L'airchaud est un mélange gazeux, constitué d'environ 78 % dediazote(), de 21 % dedioxygène() et de moins de 1 % degaz nobles.Il y a aussi les émissions dedioxyde de carbone() et devapeur d'eau() émises par les brûleurs aupropane.L'airchaud est proportionnellement très peu porteur par rapport à l'hélium, sa masse volumique est de0,946kg m−3,lorsqu'il est chauffé à100°C[103],[d 3].

La force de portance aérostatique de 1m3d'air chauffé à100°C,dans un air environnant à15°Cest équivalente à0,279kgf[103],soit 2,74N[d 4].

Ce gaz permet la réalisation de variantes propulsées de la montgolfière, auxquelles on donne une forme aérodynamique.

Les autres gaz aérostatiques

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  • Le «gaz de ville» est un mélange deméthane() et de,inflammable et moins porteur que leseul, sa masse volumique est de0,5kg m−3à 20 °C. Il a également été abandonné[104].
  • Lavapeur d'eau() bien que plus légère que l'air nécessite une dépense élevée d'énergie. Elle est peu porteuse avec une masse volumique de0,56kg m−3à 100 °C et pression normale[104].
  • L'ammoniac() est un peu plus léger que l'air, mais peu porteur avec une masse volumique de0,7kg m−3,ettoxique[104].

Propulsion

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La propulsion motorisée

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Beaucoup de types demoteurscouplés à unehéliceont déjà été essayés sur les dirigeables.
Généralement, on installe un nombre pair de moteurs afin de ne pas subir leCouple de renversementdes hélices et des moteurs. LeZepplin NTutilise trois moteurs dont un orientable en lacet pour offrir plus de manœuvrabilité.

De nos jours, la propulsion avecmoteurs électriquesest à l'étude.

La propulsion humaine

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Lapropulsion humainefut utilisée à plusieurs reprises à bord de ballon dirigeable de petite taille.

Article connexe:Zeppy.

En 1986, Luc Geiser et son père construisent leZeppy,il s'agit d'un dirigeable àpropulsion humaine.

En 2018,Stephane Belgrand Roussonréalise un vol libre de 20 minutes à Villefranche sur mer avec un Zeppy[105],[106].

La propulsion vélique

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Article connexe:voilier des airs.
L'Aerosail,dirigeable à pédales et foil antidérive.

Les dirigeablesZeppy 2 et 3,Lithium-1000et l’Aérosailrentrent dans la catégorie desvoiliers des airsen utilisant la technologie du « chien de mer » deDidier Costes.Ils utilisent la force du vent comme moyen de propulsion, le « chien de mer » permettant d'orienter cette propulsion à un cap très différent du lit du vent[107].

Sources d'énergies

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La grande surface des ballons permet de positionner des panneaux solaires sur l'enveloppe pour alimenter diverses servitudes.

Avantages et défauts

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Avantages

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  • Mode de transport consommant moins d'énergie selon un rapport « masse transportée / consommation d'énergie[108]».
  • Nécessité d’infrastructures bien moins importantes que d’autres moyens de transport aériens: pas d’aéro- ou héliports nécessaires, ce qui se révèle utile soit en cas d’absence de telles infrastructures, soit en cas de saturation de celles-ci[108].

Défauts

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  • Sensible aux variations météorologiques[108].
  • Beaucoup moins rapide (100-200 km/h maximum) que d’autres moyens de transport aériens[108].

Dirigeables dans l'art et la culture

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Article détaillé:Zeppelin et dirigeables dans les œuvres artistiques et culturelles.

Notes et références

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Notes

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À propos de l'Aérostat Giffard:

  1. ↑Le jour du vol, le vent « soufflait avec une assez grande violence » et la machine à vapeur de3ch(2,21kW) ne pouvait donner au ballon qu'une vitesse de2à3m·s-1.(Les ballons dirigeables, Expériences de M. Henri Giffard en 1852 et en 1855 et de M. Dupuy de Lôme en 1872, par Gaston Tissandier, 1872.Voir la source sur gallica.bnf.fr.)

Concernant l'Aérostat dirigeable Dupuy de Lôme:

  1. ↑Dupuy de Lôme et Zédé sont arrivés à la conclusion que le problème de la conservation du cap et de l'incidence (soit la stabilité en lacet et en tangage), peut être résolu par l'installation d'un empennage. Cf.: L'encyclopédie des sous marins français, Éditions SPE Barthélémy,p.49.
  2. ↑Voir à ce sujet l'article Stabilité aéronautique et sa sectionDirigeable.

SurAlberto Santos-Dumont:

  1. ↑150 000francs-orsont même mentionnés par Gérard Hartmann, dansLes machines volantes de Santos-Dumont.Lefranc-orest en cours entre 1803 et 1928 et 100 000 francs-or valent400 000à500 000eurosenviron en 2021,d'après cette source.

Sur les gaz aérostatiques:

  1. ↑abcdete« Hydrogène » s'utilise souvent en substitution dedihydrogène(synecdoque), dans les ouvrages de vulgarisation, dans les expressions courantes, mais seul ce dernier existe en tant quemolécule(à l'état libre).
  2. ↑aetbLa plage d'inflammabilité du dihydrogène () dans l'air est très large et comprise entre 4 % et 75 % en volume de.La plage dedétonabilitédans l'air est comprise entre 13 % et 65 % en volume de.D'autre part l'énergie minimale d’inflammation dans l’air, l'énergie d'activationnécessaire pour déclencher la réaction est également très faible avec 0,02mJ.Voir la source sur aria.developpement-durable.gouv.fr.
  3. ↑Pour porter 1kg,il faut approximativement 1m3d'hélium ou environ le triple d'air chaud.Source sur Fédération Française d’Aérostation.
  4. ↑Une force s'exprime enNewton.LeKilogramme-forcen'est pas une unité duSI.On utilise pour la conversion, la relation,oùest l'accélération de la pesanteur avec g = 9,81N kg−1.Le calcul donne 0,279kgX 9,81N kg−1= 2,74N.

Pour le dirigeableItalia:

  1. ↑Voir articles dans l'Illustrationno4450 et 4451 de juin 1928 avec des photos de l'hydravionLathamet de l'embarquement d'Amundsen et deLeif Dietrichson.

À propos duvoilier des airs:

Références

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Annexes

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Bibliographie

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Articles connexes

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