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Fonctionnement d'un ballon-sonde des années 1890

Retour : 01- Généralités - Les ballons-Sondes de 1892 à 1900

par Roland, F5ZV

Voir aussi : - Caractéristiques de l'atmosphère - La troposphère - Georges BESANÇON - Gustave HERMITE - Les enveloppes en latex utilisées pour le radiosondage - Le météorographe, enregistreur graphique pour altitudes élevées - Les premiers ballons-sondes, par BESANÇON et HERMITE (1892) - Les "Aérophiles", ballons-sondes des années 1890 - Les ascensions internationales - Les premiers ballons-sondes allemands 1894-1899 -



  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)