vignette|Ballon au dihydrogène de Jacques Charles et des frères Robert en 1783. Un ballon à gaz est un ballon non motorisé gonflé d'un gaz plus léger que l'air, en général de l'hydrogène (), du gaz d'éclairage ou de l'hélium, contrairement à la montgolfière, dont l'enveloppe est gonflée d'air chaud. Il s'agit d'un aérostat, c'est-à-dire un aéronef se sustentant grâce à la poussée d'Archimède.
Ce peut être :
un ballon libre, qui dérive en subissant la vitesse et la direction du vent, mais peut se diriger en faisant varier son altitude. un ballon captif, maintenu par câble. un ballon captif mobile terrestre (type ballon d'observation). un ballon captif mobile maritime, le ballon est maintenu par un câble à une structure flottante lui permettant de se déplacer sur la mer avec le vent comme énergie propulsive. un ballon en grappe. un ballon Meusnier, ballon conçu avec des ballonnets d'air, qui servira plus tard au pilotage du gaz des ballons dirigeables.
Histoire
vignette|droite|Représentation de l'aéronef imaginé par Lana. En 1670 Francesco Lana de Terzi, jésuite de Brescia, confiant dans la poussée d'Archimède appliquée à l'air, émit le projet de construction d'un navire à voiles et à rames qui devait voyager dans l'air. Ce navire aérien se composait de quatre sphères creuses de de diamètre et qui devaient être complètement vides d'air. Mais la manière d'y produire le vide était défectueuse et l'exécution à peu près impossible, ils devaient être en cuivre et n'avoir environ qu'un dixième de millimètre d'épaisseurJean-Chrétien-Ferdinand Hœfer. Histoire de la physique et de la chimie depuis les temps les plus reculés jusqu'à nos jours. Hachette, 1872. Hachette, 1872. Lire en ligne. Dans une situation théoriquement parfaite avec des sphères sans poids, un « ballon à vide » serait 7 % plus léger qu'un ballon rempli d'hydrogène et 16 % plus léger qu'un rempli d'hélium. Toutefois, étant donné que les parois du ballon doivent pouvoir rester rigides sans implosion, le ballon ne peut être construit avec aucun matériau connu. Cela n'était pas passé inaperçu à Leibniz, Hooke et Borelli, en plus de l'impossibilité d'y faire le vide par le procédé indiqué par Lana. Malgré cela, il y a de nos jours encore matière à discussions sur le sujetSean A. Barton. Department of Physics, Florida State University. Oct 2009. Stability Analysis of an Inflatable Vacuum Chamber sur arxiv.org.
Les idées de ce genre commençaient à se faire jour dès le milieu du . On en veut pour preuve un passage du De motu animalium (1680) par Giovanni Alfonso Borelli, médecin et physicien de Naples, qui renseigne que diverses personnes se sont récemment imaginé qu'en imitant la manière dont les poissons se sustentent dans l'eau (selon la poussée d'Archimède avec leur vessie natatoire), on pourrait mettre le corps humain en équilibre avec l'air en employant une grande vessie vide ou remplie d'un air très rare et en la faisant d'une telle ampleur qu'elle pourrait maintenir un homme suspendu dans le fluide aérien. Mais Borelli loin d'adopter ces idées qui assimilaient l'air à l'eau, s'attachait au contraire à les réfuterJean Chrétien Ferdinand Hoefer. Histoire de la physique et de la chimie depuis les temps les plus reculés jusqu'à nos jours. Hachette, 1872. Hachette, 1872. Lire en ligne.
Le , un brevet pour une « machine volante » est déposé par Bartolomeu Lourenço de Gusmão et expérimenté à la même époque.
vignette|Les utopies de la navigation aérienne au siècle dernier. Vers 1890. Le , le physicien Jacques Charles et les frères Robert font voler un ballon sans passager, gonflé à l'hydrogène, sur le Champ de Mars à Paris, la « charlière ». Toutefois le premier vol humain aura lieu à bord du ballon à air chaud des frères Montgolfier le .
Le , Jacques Charles vola au-dessus des jardins des Tuileries à Paris avec l'un des deux frères Robert qui l'avaient aidé à fabriquer le ballonS'agit-il de Louis Nicolas Robert ou d'un autre ?. Ils atterrirent à Nesles-la-Vallée. vignette|redresse|gauche|Architecture classique d'un ballon à gaz :A Orifice et mécanisme de remplissage, B Évent, C Commande d'éventage, D Suspentes nacelle, E Anneau de panier, F Commande du mécanisme de remplissage, G Panneau de déchirure, H Commande de déchirure, K Ligne de traîne (guiderope). Contrairement à l'invention des frères Montgolfier, très empirique, le ballon à gaz de Charles était fermé et constituait un outil scientifique qui ne devait rien au hasard. Dès le premier vol, le ballon de Charles dispose de tous les instruments utilisés jusqu'à nos jours sur ce type de machine (enveloppe vernie, filet, panier en osier, soupape, lest et ancre). Les améliorations qui lui seront apportées par la suite augmenteront la sécurité, notamment à l'atterrissage : « guiderope » (inventé par l'anglais Green), panneau de déchirure. Il emmenait également différents instruments scientifiques.
Le , Jean-Pierre Blanchard et son ami et mécène américain John Jeffries traversent la Manche de Douvres à Guînes en 2 heures 25 minutes, à bord d’un ballon gonflé à l'hydrogène. Cet exploit eut un retentissement dans toute l’Europe et Blanchard se rendit dans de nombreux pays, jusqu'aux États-Unis, pour effectuer des démonstrations de vol en ballon.
Le , la première observation militaire aérienne est effectuée depuis le ballon à hydrogène L'Entreprenant, lors de la bataille de Fleurus.
En 1804, Louis Joseph Gay-Lussac atteint .
En 1867, Henri Giffard fait décoller un ballon captif de dans le cadre de l'exposition universelle, ballon qui terminera tristement sa carrière dans les lignes prussiennes en 1870. Il récidivera en 1878 avec un géant de .
Pendant le siège de Paris par l'armée prussienne en 1870/71, des ballons à gaz, appelés à l'époque ballon monté car emportant des passagers, ont assuré les communications dans le sens de Paris vers la province avec parfois quelques passagers souhaitant fuir Paris (un de ces passagers fut Léon Gambetta). Dans le sens province vers Paris, il était impossible de faire le trajet en ballon (trop d'incertitude à cause de la non dirigeabilité des ballons), malgré les tentatives des frères Albert Tissandier (1839-1906) et Gaston Tissandier (1843-1899).
En 1875, le Zénith volera 22 heures 40, avant de tuer lors d'un deuxième vol à deux de ses pilotes Théodore Sivel et Joseph Croce-Spinelli..
En 1897, l'expédition polaire de S. A. Andrée tente de survoler le Pôle Nord et se termine en fiasco.
En 1900, des épreuves d'aérostation sont organisées à Paris : les courses de ballons deviennent le sport à la mode et constituent même l' « Événement » des Jeux olympiques d'été de 1900 et plus particulièrement des sports de l'Exposition Universelle de 1900 elle-même. Le comité d'organisation souhaite donner une grande importance à ces épreuves, en souvenir du rôle joué par les ballons lors du siège de Paris en 1871, et construit un immense hangar métallique. Une foule nombreuse se presse à Vincennes à proximité du nouveau vélodrome, le long de l'avenue de Charenton, pour assister aux 15 épreuves organisées du au , auxquelles participent 46 ballons pour 156 vols au total. Parmi les faits marquants durant les épreuves, une tempête le au soir faillit coûter la vie à plusieurs aéronautes. Le , dans le concours d'altitude sans handicap, Jacques Balsan réussit l'exploit d'atteindre d'altitude. Parti le dans la course de distance sans handicap, porté par les vents d'ouest, Henry de La Vaulx se pose en Pologne près de Varsovie. Mais, au terme d'une troisième course de distance, Henry de La Vaulx parvient même à poser son ballon le près de Kiev : il a parcouru en deux jours en ballon.
Marie Marvingt devient la première femme à traverser la Manche le 26 oct 1909 à bord de l'Étoile filante.
Audouin Dollfus réalisera le un vol piloté dans une capsule pressurisée, pour l'étude de la vapeur d'eau de la Lune avec un ballon en grappe. Il atteint l'altitude de .
Technique de construction En aérostation, le principe de construction est de faire le plus léger possible afin d'offrir le maximum de charge offerte. La charge offerte correspond à la portance du gaz moins la masse à vide de construction.
Régulièrement, les équipes modernisent leur ballon en faisant appel à des matériaux de plus en plus légers tout en conservant les caractéristiques mécaniques pour assurer la sécurité du vol.
Cela a permis aux pilotes de passer de 22 heures de vol en 1906 à plus de 92 heures de vol en 1995 pour un ballon à volume égal () dont on peut admirer les performances lors de la célèbre et prestigieuse coupe aéronautique Gordon Bennett.
Construction Il existe plusieurs types de construction. Le ballon est constitué d'une bulle de tissus étanche, emprisonnée dans un filet, auquel est suspendue une nacelle. Il est possible de réaliser des ballons sans filet, la conception du tissu choisi permettant de repartir les forces nécessaires à la charge du ballon. Les ballons à ralingues (cordages cousus sur l'enveloppe) sont apparus dans les années 1990.
L'assemblage L'assemblage des laizes (bandes de tissu découpées) se fait soit par couture, soit par collage ou thermocollage selon le choix technique du tissu.
Fabrication des aérostats militaires au château de Meudon en 1794.
La nacelle Historiquement construite en osier, ce matériau naturel est progressivement remplacé par des matériaux composites. Les fibres de carbone pour les parties structurelles comme le cercle de charge, l'aramide pour son aspect non déchirable de plus en plus utilisés pour remplacer les ralingues en acier, les aluminiums. On trouve différents types de tissu qui sont employés pour envelopper la nacelle comme le cordura pour sa résistance à la déchirure.
Pilotage L'apprentissage Il existe seulement deux instructeurs en France en 2019 pour les ballons à gaz. Le pilote obtiendra une licence de ballon libre BL. Il existe peu de manuels sur la formation du pilote. En France Sébastien Seguineau a rédigé un manuel sur la Théorie pour le ballon à gaz en 2005.
Principe de vol et de gestion du gaz L'appendice du ballon est toujours ouvert afin de conserver un volume constant et une pression constante, ainsi il ne peut y avoir de surpression du gaz autre que la surpression du gaz en lui-même dans son contenant (enveloppe).
Ascension Pour monter, il faut lâcher du lest, en général du sable, qui est emporté dans ou autour de la nacelle avant le décollage. Néanmoins, les pilotes emportent toujours de l'eau en lest pour assurer un délestage au-dessus des aéroports ou des sites sensibles.
Navigation
Durant la navigation, le pilote va gérer la météorologie en anticipant sur les ascendances qu'il va pouvoir rencontrer, et les différents paramètres qui vont influer sur son équilibre de vol, comme l'humidité de l'air, la pluie, la température, variation de pression atmosphérique et radiations.
Atterrissage Le grappin abandonné, les aéronautes ont cependant conservé la corde en l'allongeant et en l'alourdissant, l'effet obtenu était de créer un maximum de friction du cordage sur le sol : le « guiderope » était né..
Gaz employés Les gaz porteurs () employés seront l'hydrogène, le gaz de houille (mélange d'hydrogène, de méthane, et d'oxyde de carbone) et l'hélium. Le gaz le plus efficace est l'hydrogène, facile à produire, mais terriblement combustible. Le gaz de houille, moins onéreux, est produit en masse dans des usines à gaz, mais lui aussi est fortement combustible.
À l'époque moderne, on sait produire assez facilement de l'hélium, absolument incombustible, mais un peu moins porteur que l'hydrogène et nettement plus cher.
La masse volumique de l'air est au niveau du sol (L'air est composé d'environ 1/5 d'oxygène (masse molaire 32) et de 4/5 d'azote (masse molaire 28), soit une moyenne d'environ 29.) La masse volumique du dihydrogène au niveau du sol (masse molaire de 2) est de , ce qui est 14 fois moins que la masse volumique de l'air.