LES DIRIGEABLES



- Formaule Archimède

- Les dirigeables souples

- Les dirigeables rigides

- Les dirigeables semi-rigides

- Les dirigeables du futur

Notions de bases

La principale caractéristique des ballons dirigeables est que leur sustentation est principalement dûe à la poussée d’Archimède (voir ci-dessous) cela a directement une conséquence bénéfique sur leurs besoins énergétiques, qui sont essentiellement requis pour leur déplacements et non pour leur maintien en vol. De nos jours plus aucun ballon dirigeable n’est gonflé à l’hydrogène pour des raisons évidentes de sécurité, et la grande majorité utilise de l’hélium. Notons cependant que l’expression “plus léger que l’air” est impropre : la densité de tout ballon dirigeable doit toujours être légèrement supérieure à celle de l’atmosphère où il évolue, sans quoi il devient quasiment incontrôlable. Le supplément de portance nécessaire à leur maintien en vol est obtenu soit grâce à des effets aérodynamiques provoqués par une vitesse de déplacement et une inclinaison de l’enveloppe ou de surfaces de contrôle, soit grâce à des actionneurs qui propulsent de l’air vers le bas. La maintien d’une densité constante par rapport à l’atmosphère où le ballon évolue doit lui aussi être contrôlé, pour pallier les variations de température et de pression de l’atmosphère, mais aussi la variation de masse du ballon dûe à la consommation de carburant: cela est le plus souvent réalisé grâce à des “ballonnets", petites enveloppes localisées à l’intérieur de l’enveloppe principale, remplies d’air et dont la pression est contrôlée. Le contrôle de la pression des ballonnets modifie aussi leur volume, assurant ainsi indirectement un contrôle de la pression de gaz porteur, ce qui permet de maintenir la forme des enveloppes souples. Pour les ballons les plus sophistiqués, les ballonnets sont aussi utilisés pour contrôler l’équilibrage.
Extrait de Ballons dirigeables autonomes de Simon Lacroix LAAS/CNRS

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Principe d'Archimède

Tout corps immergé dans un fluide subit une force opposée au poids du fluide déplacé."
On nomme cette force "portance aérostatique" :
FormuleArchimede
avec:
- F : valeur de la portance dirigée vers le haut
- ρ : masse volumique de l'air déplacé par le ballon
- V : volume d'air déplacé par le ballon
- g : accélération due à la gravité (dirigée vers le bas)

Schema Archimede

Pour réaliser l'ÉQUILIBRE du ballon, il faut que son poids égalise la portance d'Archimède.

Note :
- la portance croît comme le volume.
- la portance diminue comme la masse volumique ρ ( donc diminue avec l'altitude).
- la portance ne peut se piloter directement, ni en direction, ni en sens, ni en intensité.
La portance d'un dirigeable a une valeur numérique très faible, car avant de soulever la moindre charge marchande, il faut d'abord soulever le ballon lui-même, ses équipements, la motorisation, le carburant, le lest (etc.). Cela se traduit par des énormes dimensions et volumes.

Les différents types de dirigeables

Il existe trois types de dirigeables, avec des formes, des structures et une histoire différente.
- Dirigeables souples
- Dirigeables rigides
- Dirigeables semi-rigides

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Dirigeables souples

Les dirigeables souples appelés familièrement « blimps » aux États-Unis, sont seulement constitués de toile recouverte de plastique ou de caoutchouc. Leur forme aérodynamique est assurée et maintenue uniquement par légère surpression du gaz porteur. Les seules parties rigides de ces dirigeables sont la nacelle et l'empennage. Ces dirigeables n'ont pas de structure interne.
Ci-dessous le ballon souple de GOODYEAR

Dirigeable Goodyear

Un dirigeable souple est composé de plusieurs éléments:
- une enveloppe souple contenant un gaz porteur (généralement de l'hélium)
- un cône de nez sur lequel les câbles d'amarrage sont fixés.
- une valve pour le remplissage d'hélium
- des ballonnets internes plus ou moins gonflés d’air, situés à l'avant et à l'arrière, assurent le maintien de la surpression interne lors des variations d'altitude et l'équilibrage longitudinal du dirigeable. Dans ce but, ils sont soit gonflés par de l'air prélevé sur le souffle des hélices, soit dégonflés par une valve commandée par le pilote ou un clapet automatique en cas de surpression afin d'éviter toutes détériorations de l'enveloppe.
- un empennage vertical et horizontal avec leur gouverne
- un ensemble nacelle-moteur accroché en différents points à une ligne caténaire, oblige en l'absence d'élément rigide d'avoir recours à un système complexe de suspentes qui le relient à la partie supérieure de la carène, où s'applique la pression aérostatique.

 Dessin Dirigeable Goodyear


Ci-dessous poste de pilotage d'un dirigeable "blimp"

 Dessin Dirigeable Goodyear


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Dirigeables rigides

C'était la référence des dirigeables au début du XXème siècle. Ils étaient composés d'une structure de poutres métalliques (généralement de l'aluminium ou duralumin) dont les maîtres couples sont réunis par des longerons et des croisillons, sur lesquels une enveloppe constituée d’une toile de coton enduite d’une peinture à l’aluminium pour augmenter l’albédo du ballon recouvrait l'ensemble. Les nacelles, les empennages, les gouvernes sont liés rigidement à cette armature qui contient les ballonnets gonflés du gaz porteur (hydrogène ou hélium).
Le Zeppelin LZ -127 "Graf Zeppelin" ayant transporté des passagers de 1928 à 1937 servira de support pour cet article.

Zeppelin graf en vol

Le Zeppelin LZ -127 "Graf Zeppelin"

Le "navire" avait une longueur de 236m (776ft) et une diamètre de 30,50m (100ft). Sa cabine était située vers l'avant et suspendue sous la structure. Sa forme structurale (coque mince) était vulnérable à des contraintes de flexion et n'était pas la plus efficace aérodynamiquement. Economiquement sa charge utile était limitée sur les vols longs, mais il était le meilleur compromis qui pouvait être réalisé dans les limites du hangar à Friedrichshafen.

Zeppelin Graf coupe

La description ci-dessous est basée sur l'article de Alfred Gaillard paru dans la Revue Icare N° 135
L'ossature est constituée par des pannes longitudinales continues, reliées entre elles par des anneaux polygonaux transversaux. Tous les éléments sont en alliage léger assemblés par rivetage. La photographie ci-dessous montre que les pannes et les côtés des anneaux sont des poutres à sections triangulaires.

Zeppelin Graf structure

Sur la photographie ci-dessous le montage de la charpente est presque terminé. L'entoilage extérieur est en cours de laçage. A la partie inférieure, la poutre de quille court sur toute la longueur de la carène. Au premier plan en bas à gauche, on voit nettement la poutre à sections triangulaires composée de 3 longerons réunis entre eux par des croisillons obliques en alliage léger emboutis, rivés sur les longerons et réunis entre eux à leur point de croisement. Tous ces éléments sont constitués par des profils ouverts, en tôle pliée, qui sont assemblés par rivetage sans raccord. Ce type de construction se retrouve sur tous les éléments de la charpente ( longerons, anneaux, poutre axiale, poutre de quille etc...)

Zeppelin Graf interieur fuselage

Gros plan sur l'une des poutrelles triangulaire du "Graf Zeppelin"

Zeppelin Graf poutre

Placement des différents éléments

Zeppelin Graf profil

- AC = couloir axial principal
- LC = couloir inférieur
- WC = toilettes de WC de l'équipage
- CQ = les quartiers de l'équipage avec tables, chaises et couchettes
- B = couchettes ou espace de chargement
- A = gaines de ventilation
- CS = échelle entre les deux couloirs et au-dessus du ballon
- GE = gaines d'échappement des gaz
- O = réservoirs d'huile
- P = réservoirs de carburant
- W = réservoirs d'eau
- OP = poste d'observation sur le dessus de la coque
- H2 = ballonnets d'hydrogène
- BG = Blau gaz (sorte de propane pour les moteurs)

Le "Graf Zeppelin" emportait 8000kg d'eau comme ballast pour maintenir l'équilibre, qu'il pouvait larguer ainsi que les 2400kg d'eau de ballast de secours. Il embarquait également 1600kg d'eau pour boire, pour la nourriture et laver la vaisselle et la toilette des personnes à bord. Cette eau était gardée à bord après utilisation et pouvait également servir de ballast.
Ci-dessous LZ-127 "Graf Zeppelin" larguant son ballast d'eau durant l'atterrissage.

Zeppelin delestage

Système de propulsion

Sur la photographie ci-dessous représentant l'un des moteurs du Zeppelin "Hindenburg"on voit la passerelle entre la coque du Zeppelin et la gondole-moteur

Zeppelin Carene Moteur

Une solution astucieuse fut mise au oeuvre en 1927 sur le "Graf Zeppelin" . Elle consistait à utiliser l'essence pour le démarrage et les évolutions près du sol et le "blau gaz" pour les régimes de croisière. La consommation d'un gaz dont la densité était voisine de celle de l'air, n'entrainait pratiquement pas de déséquilibre pendant le vol.
Note: composition du "Blau gass ou gaz bleu": environ 50 % d'oléfines (alcènes), 37 % de méthane et d'autres alcanes, 6 % d'hydrogène et le reste d'air et sa densité était de 1,09.
Ci-dessous une des 5 gondoles du "Graf Zeppelin".

Zeppelin gondole Moteur

L'un des 5 moteurs Maybach Zeppelin de 530cv en cours de montage dans son carénage. A noter que le Zeppelin "LZ Hindenburg" était équipé de 4 moteurs Daimler de 1200cv chacun et d'hélice quadripale.
La traversée de l'Atlantique par le "Graf Zeppelin" nécessitait environ 60 heures à une vitesse moyenne de 100km/h. La consommation totale de "Blau gass" pour les 2250cv du dirigeable en régime de croisière était de l'ordre de 28 tonnes.

Zeppelin  Moteur

Nacelle

Chaque décollage ou atterrissage du "Graf Zeppelin" demandait beaucoup de servant au sol.

Zeppelin Graf cabine

Plan de la Nacelle

Zeppelin Graf Plan

Poste de pilotage

Le poste de pilotage du Graf Zeppelin
- à gauche: le pilote de profondeur
- au centre: le pilote de direction
- à droite en haut ; les manettes de commande des moteurs.

Zeppelin Graf poste de pilotage

Salle des postes de radio

Zeppelin  salle radio

Cabine passagers

Cette espace servait de salle à manger et de salon

Zeppelin Graf salon

Ci-dessous à gauche la cuisine, les repas étaient conçus à bord par un chef cuisinier.
A droite les coursives qui desservaient les chambres.

Zeppelin Graf cuisine

Ci-dessous une chambre double en disposition de nuit. Le jour la banquette supérieure se relevait.

Zeppelin Graf chambre


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Dirigeables semi-rigides

Contrairement aux dirigeables souples, les dirigeables semi-rigides possèdent une structure interne partielle, qui soutient la quille (partie inférieure du ballon). Mais la partie haute du dirigeable est simplement faite de toile recouverte de plastique ou de caoutchouc maintenue uniquement par la pression du gaz porteur généralement de l'hélium.
Le Zeppelin NT construit par la compagnie allemande ZLT Zeppelin Luftschifftechnik GmbH, à Friedrichshafen servira de support pour cet article.

Le Zeppelin NT

En 1993, la Fondation Zeppelin en Allemagne a lancé le renouveau des dirigeables en concevant un appareil. Le premier vol commercial a eu lieu en 2001. Quatre hélices orientables permettent au Zeppelin NT (ci-dessous) de se poser sans couper les moteurs, d’embarquer des passagers et de redécoller sans aide au sol. Toutefois le Zeppelin NT a toujours besoin d’une équipe au sol de trois personnes s’il veut s’arrêter complètement. N'étant pas « autonome » dans ses manoeuvres comme l’est l’hélicoptère, il ne peut donc pas aller se poser en un lieu non prévu à l’avance et non préparé pour son atterrissage. Le Zeppelin NT mesure 75m de long, 19,5 de large, 17,4 de hauteur et sa masse au décollage est de 8040kg pour une charge utile de 2350kg.

Zeppelin en vol

Structure

La structure se compose de 12 segments triangulaires en fibre de carbone, reliés à 3 longerons fabriqués en aluminium soudé. Des cordes d'aramide (appelé aussi corde en kevlar) sont également utilisées pour caler l'ensemble de la structure et lui donner une rigidité supplémentaire. La structure relie les principaux composants de l’appareil: le cône d’amarrage, l’empennage, la cabine, les trains d’atterrissage et les moteurs.

Zep NTOssature

Ci-dessous montage de la structure.

Zep NT structure

L'avant de la structure avec avec sa pièce maitresse pour l'amarrage au mât.

Zep NT AvantMat.png

L'enveloppe

L’enveloppe du dirigeable est composée de multicouches stratifiées :Tevlar, polyester et polyuréthane. Elle renferme 8400 m3 d’Hélium et quelques dizaines de mètres cube d’air dans deux ballonnets. L'un des ballonnets est à l'avant et l'autre à l'arrière.
Ci-dessous l'enveloppe en cours de montage

Zep NT enveloppe

Principe de fonctionnement

Au sol, il règne dans l'enveloppe une légère surpression environ 5 mbars par rapport à la pression atmosphérique. Au fur et à mesure que le dirigeable prend de l'altitude, la pression atmosphérique diminue, ce qui provoque une augmentation du volume d'hélium. Mais comme le volume de l'enveloppe est constant, la pression de l'hélium sur les parois augmente. Sous l'effet de cette pression différentielle, des soupapes de surpression s'ouvrent automatiquement lorsque la pression dans les ballonnets dépasse une limite fixée. L'air des ballonnets est chassé à l'extérieur. A noter que le pilote contrôle la pression et ouvre généralement les valves manuellement. En descente le volume d'hélium diminuant sera compensé par une augmentation du volume d'air des ballonnets prélevé à l’extérieur. Le contrôle longitudinal du dirigeable se fera par la différence de volume donc de poids entre les deux ballonnets. Par exemple en descente le ballonnet avant aura un volume d'air supérieur au ballonnet arrière.

Système de propulsion

Le Zeppelin NT est entraîné par trois moteurs à pistons Textron-Lycoming IO-360-C1G6 essence. de 197 ch chacun.
Un moteur de chaque côté du Zeppelin entraine une hélice tripale de 2,70m. Ces deux hélices latérales fournissent généralement une traction vers l'avant, mais elle peuvent pivoter à 120 degrés. En pivotant vers le haut, elles permettent un décollage vertical.
Ci-dessous les moteurs latéraux

Zep Moteur Avant

Le troisième moteur situé à l'arrière entraîne une hélice tripale de 2,70m pour la traction vers l'avant, ainsi qu'une autre hélice tripale de 2,2m latérale pour la direction. En faisant varier son pas, cette hélice fonctionne comme le propulseur d'étrave d'un navire.
Ci-dessous l'ensemble de propulsion arrière.

Zep Moteur Arriere

L'hélice arrière peut pivoter de 90° vers le bas.
L'ensemble de ces hélices orientables permet au Zeppelin des décollages ou atterrissages verticaux, de pivoter horizontalement sur son axe et de reculer.
La vitesse maximale est d'environ 125 km/h.

Zep Moteur Bas

Poste de pilotage

Il comporte deux sièges, l'un naturellement pour le pilote et l'autre pour le steward ou hôtesse de l'air.

Zep cockpit

A la pointe de la technologie, le poste de pilotage du Zeppelin NT bénéficie des équipements les plus récents. Ses commandes de vol électriques avec side-stick (mini manche latéral) permettent des manoeuvres précises et sont d’une aide précieuse pour les pilotes.

Zep tableau poste

Cabine

Selon la configuration, le Zeppelin NT peut transportait 12 ou 14 passagers dans sa cabine. De larges hublots permettent aux passagers d'admirer le paysage. Il y a également une toilette à bord.

Zep Cabine

Sous la plancher de la cabine un réservoir d'eau sert de ballast (lest) pour compenser le poids de la charge transportée. Sur la photo ci-dessous le Zeppelin NT se délestant de son eau.

Zep ballast eau


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Les dirigeables du futur

Les créneaux susceptibles d'être comblés par les dirigeables

- Le transport de charges lourdes et de dimensions exceptionnelles dont les dimensions excèdent les gabarits des routes et voies de chemin de fer
- Le transport vers des sites éloignés et difficilement accessibles
- Les secours d’urgence et les aides alimentaires dans des zones sinistrées inaccessibles
- Le débardage du bois en zone forestière d’accès difficile
- Le transport des marchandises à grande distances et sans rupture de charge
- La surveillance du trafic maritime, du trafic routier, des forêts en période de sécheresse etc...
- Les relais hertziens dans la stratosphère pour la téléphonie et la télévision
- Des circuits touristiques et croisières
On s'aperçoit rapidement que les créneaux énumérés ci-dessus sont très différents et qu'il faudra d'abord définir les missions avant d'effectuer l'étude d'un dirigeable, car la conception qu'un dirigeable à usage universel n’a pas de sens !

Les innovations essentielles dans les projets actuels de dirigeables se concentrent dans quatre directions distinctes :
Vectorisation
Des moteurs plus puissants et orientables, avec si besoin un pilote automatique, sont censés contrer et dominer les effets imprévisibles des sautes de vent près du sol. Le Zeppelin NT est ainsi la première réalisation aboutie et mise en service opérationnel de la vectorisation améliorée. Cette voie semble cependant avoir trouvé sa limite, car les moteurs nécessaires pour être plus fort et avoir une effet plus rapide que le vent près du sol seraient beaucoup trop lourds et incompatibles avec le devis de poids du dirigeable.
Variation de portance
En vol, la portance du dirigeable est égale ou très proche de son poids. C’est pour cette raison que l’appareil est malmené près du sol dans le vent : le vent le soulève trop facilement et l’empêche d’atterrir. Une partie de l’hélium porteur contenu dans l’enveloppe, à pression atmosphérique, est comprimé dans des réservoirs sous plus forte pression. La portance diminue, l’appareil devient plus lourd et son atterrissage est facilité. Cette voie est très prometteuse.
Hybridation
Le parti est pris d’être toujours « plus lourd que l’air », au décollage comme en vol. La portance statique du dirigeable est donc choisie délibérément inférieure à son poids, et il faut lui donner une vitesse et une assiette pour qu’il tienne en l’air, comme un avion. Quand il a une vitesse par rapport à l’air, le dirigeable est cabré de façon à créer une portance « dynamique » complémentaire à la portance « statique » de l’hélium. Leur inconvénient est qu’ils ont besoin d’une piste pour atterrir quand il y a peu ou pas de vent. L’avantage de l’atterrissage et du décollage vertical du dirigeable disparaît..
Fond plat à coque rigide
La forme de l’enveloppe est dissymétrique entre le haut et le bas. Le haut est bien galbé tandis que le bas l’est moins et proche d’une surface plane. Cet effet venturi qui naît entre le sol et le fond plat attire le dirigeable vers le sol à l’atterrissage. Le pilote peut poser et arrimer son appareil sans aide humaine au sol, même par vent important et irrégulier.

Un autre enjeu est de maîtriser la perte d’hélium. La molécule d’hélium traverse n’importe quelle barrière d’étanchéité, même l’acier. Et ceci d’autant plus qu’il existe une différence de pression entre les deux cotés. C’est ici que la technique du dirigeable rigide, abandonnée en 1937 après l’accident du Hindenburg, revient en force. Car à l’inverse des dirigeables souples ou « semi rigides », les rigides fonctionnent sans avoir besoin d’une surpression de l’hélium dans l’enveloppe. La fuite d’hélium est minimisée et l’autonomie sans recharge d’hélium se mesure non plus en jours, mais en semaines, voire en mois.
Extrait Le renouveau des dirigeables par Philippe Tixier, président de l’ACUD

Il reste cependant des défis inaccessibles aux aérostats. En raison de sa portance relativement faible, il faut approximativement 1 m3 d’hélium pour soulever 1 Kg au niveau de la mer. Ce volume doit augmenter au fur et mesure que le dirigeable prend de l’altitude (car la masse volumique diminue avec l'altitude et la température). Le plafond envisagé pour la circulation des dirigeables étant entre 2000 et 2500m, le volume du gaz porteur devra être augmenté de 25 % (l'augmentation de ce volume étant pratiquement linéaire). A cette altitude le dirigeable volera lors des perturbations au milieu des turbulences, pluie, grêle etc... et son taux d'ascension ne dépasse pas les 600m par minute.
Enfin, il faut tenir compte de la masse de l’enveloppe, des enceintes, des ballonnets, des ballasts, de l’ossature, des suspentes ou des filets, des moteurs, des générateurs électriques, éventuellement des compresseurs, du carburant, de l’avionique, de la nacelle ou de la soute, du poste d’équipage - et de son aménagement dans le cas de parcours longs - et enfin de l’équipage lui- même, ce qui réduit d’autant la charge utile. ! En première approximation on peut dire qu’un m3 d’hélium d’un dirigeable soulève 500 grammes de charge utile ! ( +/-10% suivant les types et les missions). De ce fait, le ballon, quelque soit sa forme, prend des dimensions énormes ce qui fait des dirigeable des engins très encombrants.
Source: Réflexions sur les possibles développements de nouveaux dirigeables par R. Giraudon .

Lockhee Martin

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