Comme certains ballons utilisés actuellement
par le CNES, les ballons-sondes des années 1890 étaient
des BSO, autrement dit des ballons stratosphériques
ouverts. On ne les appellaient pas encore ainsi car Léon
TEISSERENC de BORT n'avait pas encore "inventé"
la stratosphère, cette couche de l'atmosphère où
la température de l'air augmente après avoir fortement
baissé.
Principes
Le ballon ouvert se distingue du ballon
dilatable en latex utilisé pour le radiosondage par
plusieurs caractérisques :
- son volume est limité à celui de l'enveloppe (non
élastique) gonflée.
- si le gaz qu'il contient se dilate, le surplus s'échappe
par la manche de gonflage ou par une soupape limitant la pression
pour éviter l'éclatement et s'il se contracte (parce
que la pression interne diminue par rapport à la pression
atmosphérique), de l'air extérieur remplace le gaz
qui s'était échappé.
- l'enveloppe est maintenue en forme plus ou moins sphérique
par la masse de gaz plus légère que l'air ambiant
que l'on peut comparer à une bulle d'air montant au sein
d'un liquide
L'enveloppe
Au début des
années 1890, les enveloppes de ballons, petits ou grands,
sont réalisées avec des matériaux non extensibles,
le caoutchouc (le latex ou la baudruche actuelle) ne feront leur
apparition en Allemagne qu'à la fin de la décennie.
Les enveloppes sont en papier très léger (20g/m²),en
soie ou en baudruche animale produite à partir d'une des
poches du tube digestif des ruminants, en particulier des bovins.
Les deux premiers matériaux sont rendus imperméables
à l'aide de pétrole ou mieux, par une ou plusieurs
couches de vernis. L'enveloppe est contenue dans un filet auquel
est attachée la nacelle à l'aide de cordes. Elle
a la forme d'une poire bien ronde dont la queue, orientée
vers le bas, est formée par la manche permettant l'introduction
du gaz au moment du gonflage. Pour un ballon de 6m de diamètre,
la manche a une longueur de 90cm et un diamètre de 30cm.
Comme l'enveloppe n'est pas élastique et que,
pendant l'ascension, la différence de pression entre l'air
extérieur et le gaz qu'elle contient va augmenter, il est
nécessaire que la manche reste ouverte pour permettre l'évacuation
du trop-plein sinon le ballon a de fortes chances d'éclater.
Quel que soit le matériau employé, l'enveloppe
est fragile. Les accidents de gonflage sont fréquents mais
si la déchirure n'est pas trop importante on la répare
immédiatement. Le papier est très sensible à
la pluie malgré le vernis et on lui préfèrerait
la soie si celle-ci n'était pas si chère.
Lorsque les conditions météorologiques sont
mauvaises (vent et pluie, par exemple), il arrive que le lâcher
soit très mouvementé et qu'il échoue. Sur
la figure ci-contre est représenté en deux images
le départ de l'Aérophile du 27 septembre 1893 [01].
On voit que l'enveloppe, dont la forme est liée à
la force ascensionnelle du gaz qui provoque une certaine pression
sur la partie supérieure du ballon, s'aplatit et se creuse
(rep. C) sous l'action de la résistance
de l'air à la montée ; une perte de gaz se produit
alors. Quelques instants plus tard, bousculée par le vent,
elle oscille en balançant la nacelle en tous sens avant
de se stabiliser.
Le gaz
Deux gaz ont été employés : l'hydrogène
et le gaz d'éclairage. L'hélium n'ayant été
isolé qu'en 1895 par le chimiste écossais William
RAMSAY, il n'a de toute façon été utilisé
que bien plus tard pour gonfler des ballons.
Bien sûr, l'hydrogène serait préférable
à cause de son pouvoir ascensionnel plus élevé
mais il était alors plus difficile à se procurer
en grande quantité car il fallait le produire à
la demande à l'aide de procédés chimiques,
du moins au début de la décennie 1890 ; le stockage
en tubes (bouteilles) ne s'est développé que plus
tard, particulièrement en Allemagne. L'hydrogène
avait (et a toujours) deux inconvénients :
- il est plus inflammable que le gaz d'éclairage
; le développement des dirigeables à partir des
années 1900 s'est accompagné de nombreux accidents
dont la fameuse catastrophe du "zeppelin" LZ 129, le
dirigeable Hindenburg, a constitué le point final.
- il diffuse plus facilement au travers des enveloppes
malgré les couches imperméabilisantes et s'échappe
de l'enveloppe.
Le gaz d'éclairage, appelé ainsi parce
que sa principale utilisation est l'alimentation des réverbères,
contient en fait 60% d'hydrogène et 24% de méthane
(d'où l'appellation d'hydrogène carboné utilisé
parfois pour le désigner) ; il est produit dans des usines
à gaz établies dans les quartiers industriels
des villes. On le stocke dans des gazomètres, immenses
réservoirs cylindriques qui régulent production
et distribution. Bien que présent à peu près
partout dans les grandes villes, il n'est disponible en quantité
et avec un débit suffisant pour gonfler un ballon de plusieurs
dizaines voire centaines de mètres-cubes qu'à proximité
immédiate des usines à gaz : La Villette, Vaugirard,
Noisy-le-Sec... ce qui explique que beaucoup de décollages
d'aérostats s'effectuent de ces localités.
Les photos ci-dessous montrent le gonflement, l'appareillage
(la mise en place des appareils de mesure) et le lâcher
du ballon l'Aérophile de 180m3 à l'usine
de La Villette, le 20/10/1895 [07].
Gonflement. Juste à côté
du ballon et à l'arrière-plan on distingue les
gazomètres (rep. G). Le
filet imprime sa texture dans la baudruche.
Malgré la qualité
médiocre de la photo on distingue le bâtiment (rep.
C) dans laquelle se trouve la chambre
des compteurs. A gauche deux charrettes attelées stationnent
après que le matériel ait été déchargé.
Le groupe de spectateurs, dont un enfant, observent Gustave HERMITE
et ses aides en train de préparer les appareils de mesure
et la charge utile ; le ballon est déjà en l'air,
retenu par un filin, il a reçu 169m3 de gaz d'éclairage.
Au moment du "Lâchez-tout" l'ombre
du ballon se projette sur la façade du bâtiment.
La tache rectangulaire très claire au sol est probablement
la nacelle pare-soleil recouverte de papier argenté.
Les mécanismes du vol d'un
ballon ouvert
Un ballon de volume
constant gonflé avec un gaz plus léger que l'air
est soumis à deux forces : la poussée d'Archimède
et son propre poids. La somme algébrique des deux forces
est la force ascensionnelle. En prenant de l'altitude, plusieurs
phénomènes se produisent :
- la masse de gaz diminue ; puisque la pression diminue et que
le volume reste constant, une partie du gaz s'échappe par
la manche
- malgré la diminution de la pression, le gaz se refroidit
moins vite que l'air extérieur
- à vitesse constante, la résistance de l'air diminue
car la masse volumique de l'air diminue avec l'altitude
Le ballon monte avec une vitesse qui décroît très
lentement en même temps que la force ascensionnelle et que
la résistance de l'air. Dès que sa masse totale
(enveloppe+filet+nacelle+gaz qu'il contient) est égale
à la masse de l'air ambiant qu'il déplace par son
volume (essentiellement celui de l'enveloppe), la force ascensionnelle
s'annule et le ballon plafonne. Mais cette phase de plafonnement
ne dure pas car la température du gaz diminue jusqu'à
atteindre celle de l'air extérieur et la force ascensionnelle
devient négative. Dans le même temps, le gaz s'échappe
à travers l'enveloppe qui n'est pas parfaitement étanche
et le ballon redescend de plus en plus vite.
La figure ci-contre montre la valeur de l'altitude
(en mètres) en fonction du temps de l'aérophile
lancé de Paris le 14/11/1896 à l'occasion de la
première expérience internationale
[02]. Le vol s'est effectué de nuit, la vitesse de montée
était de l'ordre de 7m/s et celle d'impact (ou plutôt
d'atterrissage) était de 2,5m/s. La descente très
lente dans les couches 8000-12000m explique que parfois un ballon
puisse être entraîné très loin de son
point de lâcher quand il est pris dans un courant-jet.
Un autre phénomène
à prendre en compte est le rayonnement solaire qui va réchauffer
le gaz dans l'enveloppe et le rendre moins dense. En se dilatant
le gaz va chasser une partie de l'air (ou de gaz) contenu en partie
basse de l'enveloppe, ou bien, si cette dernière n'était
pas entièrement gonflée, elle augmentera de volume.
Dans tous les cas la force ascensionnelle augmentera, le ballon
montera plus haut avant de plafonner mais la vitesse de descente
augmentera rapidement dès que le soleil va décliner.
Pour favoriser le phénomène, l'enveloppe était
parfois teintée de couleur sombre.
La figure ci-contre montre en magenta la température
mesurée à l'intérieur de l'enveloppe et la
courbe en bleu celle de l'air extérieur lors du vol de
l'Aérophile n°3 de 460m3 effectué le
18 février 1897 à l'occasion de la 2ème expérience internationale [08].
Le ballon a décollé à 10h12,
a commencé à plafonner à 10h55 et a amorcé
sa descente à 11h47. Il était au sol à 12h35.
Les courbes ne représentent ici qu'une portion de la trajectoire,
entre 10h15 et 10h55.
Le barographe interne à l'enveloppe était
suspendu à 2,5m de la soupape fixée au sommet, c'est
à dire à peu près aux 3/4 des 9,5m de diamètre
de la sphère (si tant est que la forme stabilisée
du ballon soit sphérique...). La précision des mesures
de température extérieure est sans doute limitée
car, pendant la montée, à une vitesse comprise entre
300 et 420m/min, la ventilation du thermomètre est sans
doute correcte mais son inertie fausse les mesures. De même,
lorsque le ballon plafonne, l'inertie ne joue plue mais la ventilation
est très faible et le rayonnement solaire peut perturber
la mesure si l'air dans lequel baigne le thermomètre est
réchauffé par le ballon, la nacelle ou les objets
avoisinants.
Quoi qu'il en soit, la différence de température
entre le gaz et l'air extérieur est très nette.
En montant, la pression baisse et le gaz à l'intérieur
de l'enveloppe se refroidit mais avec un certain retard. A haute
altitude, le rayonnement est plus intense, l'enveloppe se réchauffe
et réchauffe le gaz, ce qui explique que, jusqu'à
la tropopause (10000 ou 11000m dans notre cas, l'inertie des thermomètres
est difficile à évaluer), la pente de la courbe
magenta est plus faible que celle de la courbe bleue. A la tropopause
la température de l'air extérieur ne diminue plus
et la courbe bleue montre un palier à -65°C et le ballon
évoluant dans un milieu à température stable,
les déperditions thermiques se stabilisent tandis que le
soleil réchauffe encore plus le ballon et que la température
du gaz remonte jusqu'à devenir positive.
A titre de curiosité, la courbe des températures
relevées le 15/02/2016 (jour de rédaction de ce
paragraphe) par la radiosonde de Trappes a été tracée
également sur la figure (sous la forme d'un trait fin noir).
Elle montre une grande similitude avec la courbe relevée
119 ans plus tôt ; c'est un hasard, bien sûr, car
la dispersion des valeurs mesurées mi-février en
altitude est aussi grande que celle des températures relevées
au niveau du sol...
Masses du ballon-sonde et de ses composants
Les ballons-sondes
envoyés par Georges BESANÇON et Gustave HERMITE
sont de conceptions très variées, leur volume allant
de 1 à 400m3, et la liste des appareils ou dispositifs
emportés est longue. Cela ne nous empêche pas d'examiner
la nomenclature des éléments constituant le quatrième
vol de l'Aérophile, un ballon de 180m3, le 22 mars 1896.
Pour mesurer l'évolution de la température
du gaz en fonction de l'altitude et de l'ensoleillement, HERMITE
avait placé un barothermographe en laiton au centre de
la sphère. Le barothermographe mesurant l'air extérieur
était enfermé dans sa nacelle en osier parachoc,
abrité par son parasoleil et suspendu en dessous du ballon.
Un deuxième panier en osier protégeait l'appareil
de prélèvement d'air prévu pour opérer
vers 12000m.
Le ballon de 180m3 a un diamètre de 7m, la
surface de l'enveloppe est de 154m² et pèse 20kg,
ce qui sous-entend une masse de près de 200g/m².
Le filet couvre la partie supérieure de l'enveloppe,
il est constitué de ficelle fine de chanvre et les cordes
de suspension de la nacelle lui sont rattachées. Ces dernières
se regroupent en un point où est noué le câble,
une corde légère à laquelle est suspendue
la charge utile ; en ce même point est fixée une
cosse, un anneau en bois dans laquelle passe une corde qui retiendra
le ballon pendant tous les préparatifs. Voir paragraphe
"lancement".
On notera qu'il n'y a pas de parachute. En effet,
comme le ballon n'éclate pas, il resdescend très
lentement et touche le sol à 2 ou 3m/s. C'est un avantage
qui peut se transformer en grave inconvénient quand un
vent fort au sol pousse le ballon qui traîne sa nacelle
sur des kilomètres et le drosse vers un rideau d'arbres,
une ligne télégraphique ou un clocher.
Les deux trapèzes cités sont en fait
des triangles qui permettent de séparer en deux le câble
pour éviter à la nacelle d'avoir à transmettre
la force de traction du ballon retenu au sol par ce câble
quelques minutes avant le lâcher. Le panier cylindrique
contenant les appareils est accroché entre ces deux triangles.
Dans la liste, figure un objet insolite nommé
le pavillon, terme utilisé pour désigner
le drapeau tricolore accroché au milieu du câble
(ou à une des suspentes) et qui ne flotte au vent qu'avant
le lâcher puisque la vitesse relative du ballon libéré
par rapport à la masse d'air est pratiquement nulle pendant
tout le vol. Comme on s'en doute, la lettre d'instructions explique
au découvreur du ballon échoué comment mettre
en sécurité les appareils avant de prévenir
par télégramme le directeur de la revue l'Aérophile
que son bébé a été retrouvé.
Les cadenas ferment les paniers d'osier et les boîtiers
des barothermographes pour éviter les attouchements
indésirables sur les appareils ; un paysan soigneux n'avait-il
pas un jour méticuleusement astiqué le cylindre
en cuivre brillant pour enlevé cette sale couche de noir
de fumée qu'il avait attribuée à un début
d'incendie ?
Le lancement
Le lâcher d'un
ballon est toujours une opération délicate, même
de nos jours. L'enveloppe est un organe très fragile et
le moindre coup de vent peut provoquer un incident majeur et coûteux.
Dans les années 1890 les enveloppes en papier sont moins
chères que celles en soie mais peuvent se déchirer
sans prévenir, libérant le gaz qu'elles contiennent
et anéantissant le long travail de préparation.
Après toute une liste de faux départs, HERMITE et
BESANÇON ont mis au point une procédure convenable
qui permet, du moins pour les ballons-sondes d''une centaine de
mètres-cubes, de réduire les risques de déchirure
de l'enveloppe. C'est cette procédure que décrit
Gustave HERMITE dans le récit qu'il fait, dans la revue
l'Aérophile, de la quatrième expérience du
ballon-sonde l'aérophile.
D'abord ils sont convaincus qu'il faut éviter
les ballons-flasques, autrement dit non remplis entièrement
de gaz. La vitesse de montée sera un peu rapide au départ
(plus de 8m/s) mais les appareils n'en seront que mieux ventilés
et, en cas de vent, le ballon se dégagera plus rapidement
des toits et des cheminées de l'usine à gaz tous
proches. Le gaz est insufflé dans l'enveloppe à
l'aide d'un tuyau en toile imperméabilisée par un
vernis qui n'est pas sans rappeler ceux utilisés par les
pompiers.
Pendant le gonflage, une équipe soutient précautionneusement
l'enveloppe en utilisant son filet puis la retient au sol à
l'aide d'une ou plusieurs cordes (repère F sur la figure ci-contre) passant librement dans
une cosse en bois (rep. C, voir
paragraphe "Masse du ballon-sonde..." un peu
plus haut). Les deux extrémités de chaque corde
sont attachées à des sacs de sable (rep. S) posés au sol pendant les derniers préparatifs.
La corde principale sur laquelle sont accrochés le pavillon
(rep. P) et la nacelle (rep. N) est elle-même lestée à son
extrémité par le sac rep. M.
Juste avant le "lâchez-tout",
les cordes rep. F sont enlevées et la chaîne
de vol est retenue pas une équipe aggripée à
la corde qui soutient le sac rep. M ;
le ballon se trouve à une trentaine de mètres de
hauteur au moment du lâcher.
Le dispositif de délestage
En temps normal, la vitesse de montée d'un
ballon ouvert "plein" est très rapide au départ
(8 à 10m/s) puis diminue progressivement jusqu'à
s'annuler pour les raisons évoquées plus haut dans
la section "mécanismes du vol...". En
chargeant plus le ballon, la vitesse de montée diminue
au départ en permettant aux capteurs d'effectuer des mesures
avec une meilleure résolution dans les couches basses.
Mais dans ce cas l'altitude ateinte est moins élevée
et, dans les couches hautes, le vent relatif diminue d'intensité
; la ventilation des capteurs d'humidité et de température
n'est dès lors plus satisfaisante.
La solution est théoriquement simple : il suffit
de charger plus le ballon en lest au départ puis de lâcher
ce lest progressivement. En pratique c'est moins évident.
Un dispositif qui laisse s'écouler du sable comme un simple
sablier avec une bonne fiabilité n'est pas facile à
mettre au point : il suffit que le sable soit légèrement
humide pour qu'il s'agglomère dès que la température
devient négative. On peut aussi utiliser un liquide : de
l'eau mélangée à de l'alcool pour abaisser
son point de congélation, c'est la méthode préconisée
par le commandant RENARD en 1893 [03]. Quelques années
plus tard, Aleksandr Matveevich KOVANKO, météorologiste
de l'observatoire de Saint-Petersbourg, a mis au point un système
qui larguait automatiquement le délesteur lui-même
en fin de délestage [02].
Le délestage est une technique qui n'est pas
complètement abandonnée au 21e siècle et
il arrive encore parfois de retrouver une radiosonde emportant
une expérience particulière munie d'un étrange
petit ballon en latex gonflé d'air, fermé et contenant
un peu de sable...
Bibliographie, sources et notes
01 : L'exploration de la Haute Atmosphère par Gustave
HERMITE - L'Aérophile n°1-2-3 de 1893 - (Gallica-BnF)
02 : Les ballons-sondes de MM. HERMITE et BESANÇON et les
ascensions internationales - Wilfrid de FONVIELLE - Gauthiers
Villard - 1898
03 : Compte-rendu de la séance du 6 avril 1893 de la Société
Française de Navigation Aérienne publiée
dans l'Aéronaute 1893-06 - (Gallica-BnF)
04 : Leçons sur la navigation aérienne - Lucien
MARCHIS - Université de Bordeaux 1903-1904 - (Gallica/BM
de Bordeaux)
05 : Traité d'aérostation théorique et pratique
- Henry de Graffigny - La Librairie polytechnique 1891 - (Gallica-BnF)
06 : L'exploration de la Haute Atmosphère, 3ème
ascension du ballon l'Aérophile par Gustave HERMITE - L'Aérophile
n° de jan-fév 1896 - (Gallica-BnF)
07 : L'exploration de la Haute Atmosphère, troisième
ascension de l'Aérophile par Gustave HERMITE - L'Aérophile
n° de jan-fév 1896 - (Gallica-BnF)
08 : Die vertikalbewegungen eines Freiballons von Hugo HERGESELL
- Illustrirte Aëronautische Mittheilungen Heft 4 -
1899 (Digitale Luftfahrt Bibliothek)
Au début des
années 1890, les enveloppes de ballons, petits ou grands,
sont réalisées avec des matériaux non extensibles,
le caoutchouc (le latex ou la baudruche actuelle) ne feront leur
apparition en Allemagne qu'à la fin de la décennie.
Les enveloppes sont en papier très léger (20g/m²),en
soie ou en baudruche animale produite à partir d'une des
poches du tube digestif des ruminants, en particulier des bovins.
Les deux premiers matériaux sont rendus imperméables
à l'aide de pétrole ou mieux, par une ou plusieurs
couches de vernis. L'enveloppe est contenue dans un filet auquel
est attachée la nacelle à l'aide de cordes. Elle
a la forme d'une poire bien ronde dont la queue, orientée
vers le bas, est formée par la manche permettant l'introduction
du gaz au moment du gonflage. Pour un ballon de 6m de diamètre,
la manche a une longueur de 90cm et un diamètre de 30cm.
Un ballon de volume
constant gonflé avec un gaz plus léger que l'air
est soumis à deux forces : la poussée d'Archimède
et son propre poids. La somme algébrique des deux forces
est la force ascensionnelle. En prenant de l'altitude, plusieurs
phénomènes se produisent :
Un autre phénomène
à prendre en compte est le rayonnement solaire qui va réchauffer
le gaz dans l'enveloppe et le rendre moins dense. En se dilatant
le gaz va chasser une partie de l'air (ou de gaz) contenu en partie
basse de l'enveloppe, ou bien, si cette dernière n'était
pas entièrement gonflée, elle augmentera de volume.
Dans tous les cas la force ascensionnelle augmentera, le ballon
montera plus haut avant de plafonner mais la vitesse de descente
augmentera rapidement dès que le soleil va décliner.
Pour favoriser le phénomène, l'enveloppe était
parfois teintée de couleur sombre.
Les ballons-sondes
envoyés par Georges BESANÇON et Gustave HERMITE
sont de conceptions très variées, leur volume allant
de 1 à 400m3, et la liste des appareils ou dispositifs
emportés est longue. Cela ne nous empêche pas d'examiner
la nomenclature des éléments constituant le quatrième
vol de l'Aérophile, un ballon de 180m3, le 22 mars 1896.
Le lâcher d'un
ballon est toujours une opération délicate, même
de nos jours. L'enveloppe est un organe très fragile et
le moindre coup de vent peut provoquer un incident majeur et coûteux.
Dans les années 1890 les enveloppes en papier sont moins
chères que celles en soie mais peuvent se déchirer
sans prévenir, libérant le gaz qu'elles contiennent
et anéantissant le long travail de préparation.
Après toute une liste de faux départs, HERMITE et
BESANÇON ont mis au point une procédure convenable
qui permet, du moins pour les ballons-sondes d''une centaine de
mètres-cubes, de réduire les risques de déchirure
de l'enveloppe. C'est cette procédure que décrit
Gustave HERMITE dans le récit qu'il fait, dans la revue
l'Aérophile, de la quatrième expérience du
ballon-sonde l'aérophile.