B A L L O N S    S O L A I R E S  AÉRIENS

 
 
 La sortie d'un rêve
 
Bien longtemps les ballons aériens m'ont attiré. Le manque de temps m'a tenu éloigné de toute activité dans ce domaine. Pouvoir faire monter un aéronef par des forces purement naturelles est une passion comparable à celle du cerf-volant.
 Dans cette gamme, le ballon solaire est un aérostat, montgolfière chauffée par le soleil., qui répond aux mêmes envies.
 
En 2013 le début de mes années-retraite m'a fait d'autant plus considérer cette activité que fin novembre la journée complémentaire du colloque d'aérophotographie cerf-volant, KAPiFrance125, avait comme thème le ballon solaire.
Cependant, avant de me lancer, j'ai ressorti des notes sur la théorie du ballon solaire que j'avais déjà examinée il y a une dizaine d'années auparavant, et des projets que j'avais imaginés. Il y avait dans ces notes une forme hexaèdrique inédite extrêmement intéressante à tous points de vue.
L'aboutissement en est le ballon hexaèdre Becotis.

Les ballons sphériques se construisent par fuseaux. Pour des raisons de contraintes mécaniques, les sphères sont allongées vers le bas: ce sont des ballons pseudo-sphériques. D'autres formes sont à facettes, tous les assemblages étant rectilignes.

 

Comprendre le fonctionnement

Évidemment nous savons tous que ce qui compte avant tout est le rapport surface/volume. A volume égal une grande surface rend le ballon plus lourd, et en contre-partie elle facilite à la fois le chauffage de l'air et aussi son refroidissement. Ce sont donc deux tendances contraires.

Pour la sphère, quelle que soit l'orientation du soleil, la surface ensoleillée est identique et le rapport volume/surface est maximal.

Avec des surfaces planes la surface qui reçoit l'ensoleillement varie en orientations. Le rendement est donc variable et en moyenne inférieur à la sphère.

 Avec les mouvements de convection interne  de l'air, la masse d'air le plus chaud se rassemble en partie supérieure et la masse la plus froide en partie inférieure. De plus, chacune de ces masses d'air se placera de manière privilégiée dans une pointe ou dans une forme arrondie, favorisant ou pas la stabilité du ballon en fonction de sa forme.
 
Il existe d'excellents livres et des sites sur la théorie avec toutes les formules nécessaires.
 

Un brin de théorie

Compacité

La compacité est le rapport volume / surface C = V / S.

Efficacité
Les compacités de volumes de formes différentes pourront être comparées en prenant une sphère de volume égal comme référence. E = C / Cs
La sphère a la meilleure efficacité,       E = 1.
 
Poussée
La poussée est la force verticale provenant de la différence de densité de l'air interne et externe au ballon.
 
Poussée d'envol relative
Elle est la limite nécessaire au décollage du ballon par m3. Cela permet de comparer des ballons de forme et de volume différents.
 
 Déformation des surfaces planes
Sous l'effet de la variation de pression interne/externe les surfaces planes se déforment très vite et deviennent bombées sous la pression interne d'air chaud ou creuses sous la poussée du vent, ce qui est soit favorable, soit défavorable en terme de volume interne et donc de poussée aérostatique.

 

Critères de comparaisons entre formes de ballons.  

Réaction au vent
. Une forme cigare et allongée se comportera mieux qu'une forme sphérique ou cubique.
 
Répartition de la masse d'air chaud
Avec une forme au sommet arrondie ou pointue au centre, l'air le plus chaud s'y accumule et rend stable le ballon.
Avec une forme au sommet plate ou avec des parties les plus hautes placées en périphérie, l'air chaud qui s'y accumule à un moment donné ira ensuite dans une autre poche selon les oscillations du ballon et nuira à sa stabilité.
Compacité et poussée
Les compacités, les poussées d'envol relatives sont des données chiffrées qui permettent des comparaisons objectives entre des ballons de types et de formes différentes.
Une comparaison a été établie sur un volume de ~35 m3 :         Voir le tableau comparatif en pdf.
Un ballon pseudo-sphérique a 67% de l'efficacité théorique d'une sphère. L'hexaèdre a 75% et le tétraèdre 64% de l'efficacité du ballon pseudo-sphérique.
 
Bilan
Le choix du ballon solaire se fera en raison du meilleur compromis entre les paramètres ci-dessus et la facilité de réalisation.