Dirigeable et poussée d’Archimède Document d’accompagnement pour des activités pédagogiques








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Dirigeable et poussée d’Archimède

Document d’accompagnement pour des activités pédagogiques 




Chacun, en fonction du niveau et de ses objectifs d’enseignement, pourra sélectionner au sein des informations suivantes ce qui lui semble le plus adapté pour la mise en place d’activités pédagogiques sur le thème de la poussée d’Archimède et du vol d’un dirigeable.


L’exemple choisi ici se rapporte au dirigeable réalisé pour la mission de Jean-Louis Etienne, au-dessus de la banquise arctique en avril 2008. Le dirigeable a été assemblé et gonflé dans un des hangars Boussiron situés sur l’aéroport de Marseille – Marignane. Air liquide a fourni l’hélium nécessaire au gonflage pour essais. Le dirigeable a effectué sa première sortie en vol le 7 novembre 2007 à Marignane, puis il a rejoint l’aéroport de Fayence (dans le Var, entre Grasse et Draguignan) pour l’entraînement et a formation de l’équipage.


1. Propriétés physiques de l’hélium :

Dans les conditions normales de température et de pression, l’hélium est un gaz incolore, inodore, ininflammable et chimiquement inerte.
Sa masse volumique est égale à 0,176 kg.m-3 et sa densité vaut 0,139 (le septième de l’air). C’est un gaz très volatil et les petites dimensions de la molécule d’hélium favorisent son passage au travers des parois.
La vitesse du son dans l’hélium et dans ces conditions physiques est égale à 960 m.s-1 (pratiquement trois fois plus que dans l’air)

Sous une pression de 1013 hPa, la température d’ébullition de l’hélium a pour valeur
-268,9°C. Au dessous de cette température, l’hélium se présente sous forme liquide, avec une densité égale à 0,124.

2. Propriétés chimiques de l’hélium :

L’hélium est un gaz inerte et cela lui confère de l’intérêt pour de nombreuses applications.
Du point de vue de la sécurité, l’évaporation de l’hélium liquide produit un volume de gaz 750 fois plus important qui remplace l’air initialement présent, d’où un risque d’asphyxie par manque d’oxygène. Toute manipulation d’hélium doit donc s’effectuer dans un local très ventilé.


3. Abondance naturelle et extraction de l’hélium:

L’hélium est très abondant dans l’univers (second constituant de l’univers, après l’hydrogène), mais très rare sur Terre, seulement à l’état de traces dans l’atmosphère (moins de 0,0005 %). Heureusement, il peut être assez présent dans les gisements de gaz naturel (jusqu’à 7%) et c’est de là qu’on l’extrait de façon industrielle, par distillation fractionnée. Les sites de production se situent pour l’essentiel en Algérie, au Canada, aux Etats-Unis et en Russie (La Russie pourrait produire 40 % de l’hélium mondial vers 2030)


4. Principaux domaines d’utilisation:

- cryogénie
 : surtout pour la supraconductivité (alimentation des gros électroaimants…)
- lanceurs : la pressurisation des réservoirs de fusées fait appel à l’hélium
- soudage : l’hélium empêche tout phénomène d’oxydation
- contrôle d’atmosphère : grâce à l’inertie chimique de l’hélium
- détection de fuites : l’hélium, de par sa capacité à migrer au travers des parois est un bon indicateur de fuites .
- off-shore : l’heliox (80% d’hélium, 20% de dioxygène) est indispensable pour la plongée profonde
- autres : applications médicales, lasers He-Ne, ballons météo, dirigeables…



5. Gonflage du ballon dirigeable de la mission Total Pole Airship :



Pour cette première phase de la mission, le ballon contient 4700 m3 d’hélium, soit environ 825 kg d’hélium. La masse d’air correspondant à un tel volume vaut environ 6075 kg. L’écart (5250 kg) correspond à la masse qui peut être soulevée par la poussée d’Archimède. Pratiquement, cela représente la masse de l’enveloppe, des moteurs, des gouvernes, de la nacelle et de sa charge utile.
A noter que du fait de l’aptitude de l’hélium à migrer au travers des parois, il faut régulièrement compenser les pertes (estimées à 1 l d’hélium par jour et par m2 de surface d’enveloppe).








L’enveloppe avant gonflage




Ouverture de la vanne d’hélium






En cours de gonflage ;
à gauche, la citerne d’hélium liquide


Le dirigeable gonflé ; remarquer les poids suspendus à l’enveloppe.


Les images ci-dessus sont extraites d’une vidéo réalisée par « Air liquide », partenaire de l’opération. Pour voir cette vidéo sur le gonflage du dirigeable à l’hélium : http://www.airliquide.com/fr/le-groupe/developpement-durable-1/partenaire-de-jean-louis-etienne-1/une-expedition-gonflee-a-l-helium.html


6. Principe du vol du dirigeable :

Une vidéo commentée par Jean Louis Etienne et par Hubert de Chevigny, spécialiste de l’aéronautique, permet de comprendre comment vole un dirigeable, comment on peut agir sur son équilibre par le jeu de ballonnets inclus dans l’enveloppe et qui peuvent être remplis ou vidés d’air. Cette vidéo est téléchargeable sur le site « Planète – énergies », à l’adresse http://www.planete-energies.com/contenu/pole_air_ship.html#








Ci-dessus : vue du dirigeable en coupe partielle

http://www.planete-energies.com/contenu/pole_air_ship.html#


Ci-dessus : gros plan sur les ventilateurs situés à la base de l’enveloppe et destinés au remplissage des ballonnets avec de l’air aspiré à l’extérieur.
Photo : Jean Cassanet – Septième continent.









Ci-dessus : rôle des ballonnets dans l’équilibre du dirigeable.
A gauche : En remplissant d’air le ballonnet avant, l’hélium est chassé vers l’arrière de l’enveloppe et l’appareil s’incline vers l’avant.
A droite : En remplissant d’air le ballonnet arrière, l’hélium est chassé vers l’avant de l’enveloppe et l’appareil s’incline vers l’arrière.
d’après : http://www.planete-energies.com/contenu/pole_air_ship.html#






Ci-dessus : photo de l’intérieur de l’enveloppe du dirigeable. On distingue :
- à gauche, le point d’amarrage d’une suspente
- au centre, le ballonnet arrière, partiellement gonflé
- à droite et au premier plan, le tuyau d’alimentation du ballonnet en air
Photo  : Jean Cassanet – Septième Continent





Ci-dessus : Le dirigeable de l’expédition « Total Pole Airship » :
Au premier plan, la nacelle, les moteurs (orientables) et le train d’atterrissage.
Remarquer les poids accrochés à la nacelle pour compenser la poussée d’Archimède (En l’absence d’équipage et d’instrumentation scientifique dans la nacelle, le dirigeable s’élèverait jusqu’à toucher le plafond du hangar.). Photo : Jean Cassanet – Septième Continent.



Ci-dessus : le dirigeable de l’expédition « Total Pole Airship » en vol dans la région de Fayence (Var), au cours de la période de formation de l’équipage.
Copyright : Stéphane Compoint – Septième Continent.




JC ; novembre 2007

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