Comment fonctionnaient les premiers ballons à air chaud du XVIIIe siècle
Le 21 novembre 1783, pour la première fois dans l'histoire de l'humanité, deux hommes quittent le sol à bord d'un engin plus léger que l'air. Pilâtre de Rozier et le marquis d'Arlandes s'élèvent depuis le château de la Muette, à Paris, à bord d'une montgolfière construite par les frères Montgolfier, et parcourent quelque dix kilomètres en vingt-cinq minutes. Cet exploit spectaculaire est l'aboutissement de mois d'expériences fondées sur un principe physique simple mais puissant : l'air chaud monte. Comprendre comment ces premiers ballons fonctionnaient, c'est plonger dans l'une des plus belles aventures scientifiques du Siècle des Lumières.
Le principe physique à la base de tout
Le fonctionnement d'un ballon à air chaud repose sur un phénomène de physique élémentaire : lorsqu'on chauffe de l'air, ses molécules s'agitent davantage et s'écartent les unes des autres. L'air chaud devient ainsi moins dense que l'air froid environnant. Un volume donné d'air chaud pèse donc moins lourd qu'un volume identique d'air froid. Si cette différence de masse est suffisante pour compenser le poids de l'enveloppe et de la nacelle, l'ensemble s'élève — c'est le principe d'Archimède appliqué aux gaz.
Les frères Montgolfier n'ont pas formalisé ce raisonnement en ces termes. Joseph-Michel, l'aîné, croyait initialement avoir isolé un gaz particulier — qu'il appelait gaz montgolfier — produit par la combustion de matières organiques. Il faudra attendre les travaux d'autres savants pour établir clairement que c'est la chaleur seule, et non la nature des fumées, qui génère la portance. Mais si la théorie était imprécise, le résultat, lui, était indéniable.
La découverte des frères Montgolfier
Joseph-Michel Montgolfier (1740-1810) et Jacques-Étienne (1745-1799) sont fils d'un papetier d'Annonay, en Ardèche. C'est en observant une chemise gonfler au-dessus d'une cheminée que Joseph eut, vers la fin de 1782, l'intuition fondatrice : l'air chaud, emprisonné dans un volume fermé, pousse vers le haut. Il reproduit l'expérience avec un cube de taffetas de soie d'environ un mètre cube, qu'il parvient à faire monter jusqu'au plafond.
Les deux frères multiplient ensuite les essais en plein air, augmentant progressivement les dimensions de leurs enveloppes. Le 4 juin 1783, devant les membres des États du Vivarais réunis à Annonay, ils font s'élever un ballon de 800 mètres cubes à environ 1 000 mètres d'altitude. L'engin parcourt trois kilomètres avant d'atterrir dans une vigne. La nouvelle parvient rapidement à Paris et suscite un enthousiasme immédiat à l'Académie des sciences.
La construction de l'enveloppe
Les premières montgolfières étaient des enveloppes sphériques ou ovoïdes cousues à la main à partir de fuseaux — des bandes de tissu taillées en pointe aux deux extrémités, assemblées côte à côte pour former une surface courbe. Les matériaux employés évoluèrent rapidement :
- Taffetas de soie : léger et relativement imperméable à l'air, il fut utilisé dès les premières expériences intérieures.
- Toile de coton doublée de papier : employée pour le vol de Versailles en septembre 1783, cette combinaison offrait une meilleure résistance à la chaleur et aux fumées.
- Soie enduite de vernis ou d'alun : les frères cherchèrent à imperméabiliser et ignifuger l'enveloppe pour limiter les risques d'incendie et les fuites de chaleur.
Le ballon utilisé pour le premier vol habité, en novembre 1783, mesurait environ 20 mètres de hauteur pour 16 mètres de diamètre, soit un volume de 2 400 mètres cubes. Il pesait plusieurs centaines de kilogrammes et arborait des décors peints aux couleurs royales.
Le système de chauffage et de combustion
Pour gonfler le ballon, on allumait un foyer sous l'ouverture inférieure de l'enveloppe, restée ouverte. L'air chaud produit par la combustion s'engouffrait dans la cavité et remplaçait progressivement l'air froid. Une fois la poussée ascensionnelle suffisante pour soulever l'ensemble, le ballon était libéré.
Le combustible de choix était la paille, parfois mélangée à de la laine mouillée. Les Montgolfier ajoutèrent à leurs foyers des matières plus insolites : fumier de mouton, vieilles chaussures, voire viande pourrie. Ils estimaient — à tort — que la qualité et la densité des fumées produites jouaient un rôle dans la portance. En réalité, seule la température comptait.
Pour le vol de Versailles du 19 septembre 1783, un réchaud en fer à claire-voie d'environ 1,30 mètre de hauteur était placé sous l'ouverture du ballon, entouré d'une toile formant cheminée pour canaliser les vapeurs vers l'intérieur. Des provisions de paille et de laine hachée permettaient d'alimenter la flamme.
Le contrôle en vol : une technique rudimentaire mais efficace
Une fois en l'air, les aéronautes disposaient d'un moyen de contrôle vertical très simple : alimenter ou laisser mourir le feu. En jetant de la paille dans le foyer suspendu sous l'ouverture de l'enveloppe, ils réchauffaient l'air intérieur et gagnaient de l'altitude. En laissant le feu s'éteindre, l'air se refroidissait progressivement, la densité augmentait et le ballon redescendait doucement.
Sur le vol du 21 novembre 1783, Pilâtre de Rozier et le marquis d'Arlandes se partageaient la nacelle divisée en trois compartiments : chacun se tenait dans l'un des paniers latéraux et jetait à tour de rôle de la paille dans le brûleur central. Ce ballet d'alimentation du feu leur permit de maintenir une altitude constante et d'éviter les toits de Paris.
En revanche, la direction horizontale était entièrement soumise aux vents. Les aéronautes du XVIIIe siècle ne pouvaient pas orienter leur trajet ; ils choisissaient simplement le moment du décollage en fonction de la direction du vent souhaitée, et espéraient que les conditions resteraient favorables.
Les grands vols de 1783
L'année 1783 concentre à elle seule plusieurs étapes décisives :
- 4 juin 1783, Annonay : premier vol public, sans passagers. Le ballon atteint 1 000 mètres et parcourt 3 km.
- 19 septembre 1783, Versailles : devant Louis XVI et sa cour, un mouton, un coq et un canard effectuent le premier vol habité de l'histoire, s'élevant à 480 mètres pendant environ huit minutes. Cette expérience visait à tester les effets de l'altitude sur les êtres vivants.
- 21 novembre 1783, Paris : premier vol humain. Pilâtre de Rozier et le marquis d'Arlandes volent pendant vingt-cinq minutes, couvrent environ dix kilomètres et atterrissent à la Butte-aux-Cailles.
Limites et risques de ces premiers engins
La montgolfière du XVIIIe siècle était une machine à la fois ingénieuse et dangereuse. L'enveloppe en tissu, exposée à la chaleur et aux flammes du foyer, risquait constamment de s'embraser. Les aéronautes devaient veiller à ne pas laisser le feu toucher la toile intérieure, tout en maintenant une température suffisante pour rester en l'air. Pilâtre de Rozier lui-même, héros du premier vol habité, mourut en 1785 lors d'une tentative de traversée de la Manche à bord d'un hybride ballon à air chaud et ballon à hydrogène.
La durée de vol était également très limitée : quelques dizaines de minutes tout au plus, le temps que la chaleur se dissipe et que les provisions de combustible s'épuisent. Ces contraintes poussèrent rapidement les inventeurs à chercher des alternatives, notamment le ballon à gaz hydrogène, mis au point par Jacques Charles dès décembre 1783, qui offrait une autonomie bien supérieure.
Questions fréquentes
Pourquoi l'air chaud fait-il monter une montgolfière ?
L'air chaud est moins dense que l'air froid : à même volume, il pèse moins lourd. Lorsque la différence de masse entre l'air chaud emprisonné dans l'enveloppe et l'air froid extérieur est suffisante pour compenser le poids total de l'engin, la poussée d'Archimède provoque l'ascension du ballon.
Quel combustible utilisaient les frères Montgolfier pour chauffer leurs ballons ?
Ils brûlaient principalement de la paille et de la laine mouillée. Ils ajoutaient aussi du fumier de mouton, de vieilles chaussures ou de la viande pourrie, croyant que la qualité des fumées importait. En réalité, seule la chaleur dégagée par la combustion était responsable de la portance.
Comment les aéronautes contrôlaient-ils la hauteur du ballon ?
En alimentant le foyer avec de la paille pour monter, ou en laissant le feu s'éteindre pour descendre. L'air intérieur se réchauffait ou se refroidissait en conséquence, modifiant la densité du gaz et donc la portance. La direction horizontale, elle, dépendait entièrement du vent.
En quoi étaient faites les premières enveloppes de montgolfières ?
Les premiers ballons étaient construits en taffetas de soie, en toile de coton doublée de papier, ou en soie enduite de vernis pour la rendre plus étanche. Les fuseaux de tissu étaient cousus à la main pour former la forme sphérique ou ovoïde de l'enveloppe.
Qui a effectué le premier vol humain en montgolfière ?
Le 21 novembre 1783, Pilâtre de Rozier et le marquis d'Arlandes devinrent les premiers hommes à voler dans une montgolfière, décollant du château de la Muette à Paris et atterrissant à la Butte-aux-Cailles après vingt-cinq minutes de vol et une dizaine de kilomètres parcourus.
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