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\CDRsetmeta{articletype}{history-of-sciences}

\title{La machine à vapeur dans l'aérostation au
XIX\textsuperscript{e} siècle}

\alttitle{The steam engine in aerostation in the 19\textsuperscript{th} century}

\author{\firstname{Jean} \lastname{Molveau}}
\address{ACEBD (Association pour un Centre Européen des Ballons et
Dirigeables), France}
\email{j.molveau@yahoo.fr}

\begin{abstract}
L'emploi de la machine à vapeur se généralise dans tous les
secteurs au XIX$^{\rm e}$ siècle. Mais pour ce qui est de
l'aérostation, elle est l'apanage d'un seul et unique personnage,
Henri Giffard. Depuis l'avènement des ballons en 1783,
d'innombrables chercheurs songent, sans succès, à rendre les
aérostats dirigeables. La première tentative crédible, en
1852, est due à Henri Giffard qui utilisa une machine à vapeur
sous l'enveloppe de son ballon allongé gonflé à
l'hydrogène. C'est le premier aéronef motorisé de l'histoire
de l'humanité !

Quelques années plus tard, il développera tout un système de
ballon captif, également mû par la machine à vapeur, un bijou
de technologie qui constitua l'une des principales attractions de
l'Exposition universelle de Paris en 1878, le \og Grand ballon captif de
la cour des Tuileries\fg. Les principes mécaniques de ce ballon
à gaz sont encore utilisés aujourd'hui.
\end{abstract}

\begin{altabstract}
The steam engine became widely used in all sectors in the $19^{\rm th}$ century.
But as far as aerostation was concerned, it was the prerogative of one
and only one person, Henri Giffard. Since the advent of balloons in
1783, countless researchers had been thinking, without success, of
making airships dirigible. The first credible attempt, in 1852, was
made by Henri Giffard, who used a steam engine under the envelope of
his elongated balloon inflated with hydrogen{\ldots}  It was the first
motorised aircraft in the history of mankind!

A few years later, he developed a whole captive balloon system, also
powered by a steam engine, a jewel of technology that was one of the
main attractions at the Paris International Exhibition in 1878, the
Grand ballon captif de la cour des Tuileries. The mechanical principles
of this gas-powered balloon are still in use today.
\end{altabstract}


\keywords{\kwd{Machine à vapeur}
\kwd{Aérostation}
\kwd{Ballon dirigeable}
\kwd{Ballon captif}}

\altkeywords{\kwd{Steam engine}
\kwd{Aerostation}
\kwd{Dirigible balloon}
\kwd{Captive balloon}}


\begin{document}
\maketitle

%\end{noXML}

%\vspace*{-.5pc}

%\begin{quote}
Si l'emploi de la machine à vapeur s'est généralisé
dans l'industrie durant cette période, son utilisation pour la
conquête de l'air reste l'apanage d'Henri Giffard.
%\end{quote}

%\vspace*{1pc}

\begin{quotation}
{\small
Hier, vendredi 24 septembre [1852], un homme
est parti, imperturbablement assis sur le tender d'une machine à
vapeur, élevée par un ballon ayant la forme d'une immense
baleine [\ldots]. Ce Fulton de la navigation
aérienne se nomme Henri Giffard. C'est un jeune ingénieur
qu'aucun sacrifice, aucun mécompte, aucun péril n'ont pu
décourager ni détourner de cette entreprise audacieuse~\cite{1}.}
\end{quotation}

Cette~ascension, débutée à
l'Hippodrome de Paris\footnote{Plus qu'un champ de courses équestres comme aujourd'hui, l'Hippodrome de Paris est un lieu où se donnent des spectacles en extérieur. Créé par Victor Franconi, il est inauguré le 4 juillet 1845. Il sera supprimé dix ans plus tard en raison de l'aménagement de la Place de l'étoile. Mais d'autres viendront par la suite, à la Porte Dauphine, à l'Alma et au Champ-de-Mars\ensuremath{\dots} Le dernier, Place Clichy, ferme en 1907. L'on y pratique souvent des ascensions en ballons, grande attraction du XIX$^{{\rm e}}$ siècle.} prend fin à élancourt,
Seine-et-Oise (Yvelines, Trappes aujourd'hui), au terme d'un parcours
de 28~km à la moyenne de 6~km/h.

Exploit planétaire, c'est le premier vol réussi d'un
aéronef motorisé de l'histoire de l'humanité.

\vspace*{1pc}

\section{Le dirigeable de Monsieur Giffard}

Depuis la naissance de l'aérostation en 1783, la montgolfière
--- le ballon à air chaud ---, par les frères Joseph
(1740--1810) et \'Etienne (1745--1799) Montgolfier et la
charlière --- le ballon à gaz ---, par le professeur Jacques
Charles (1746--1823), pléthore de chercheurs ont rêvé de
rendre le ballon dirigeable. Mais ils ont dû se résoudre à
admettre qu'il n'est qu'une bulle en suspension dans l'atmosphère.
La dirigeabilité ne sera véritablement obtenue qu'un siècle
plus tard, le 9 août 1884 --- mais ceci est une autre histoire~!

%{\vspace*{12pt}}
\begin{figure}
\centering
\includegraphics{fx01}
\caption{
Le premier aéronef motorisé et piloté de
l'histoire de l'humanité~: le ballon dirigeable de 1852 d'Henri
Giffard. Coll. de l'auteur}
\label{fig1}
\end{figure}
%{\vspace*{12pt}}

L'homme de 1852 n'est pas un utopiste. Il pratique l'aérostation
depuis ses 18 ans, sous la férule de l'un des \og~grands~\fg{} de
l'époque, Eugène Godard. \`A l'orée des années 1850,
le docteur Leberdier demande à Giffard de concevoir un ballon
modèle réduit capable d'évoluer dans son jardin des
Champs-\'Elysées. Cela amène le concepteur à déposer
un brevet sur l'application de la vapeur à la navigation
aérienne le 20 août 1851.

Aidé par trois élèves de Centrale, Cohen, David et Sciama,
il élabore un ballon dirigeable (fig.~\ref{fig1}) dont la fabrication est
sous-traitée à E. Godard. Giffard est confiant~: il a signé
un contrat avec le directeur de l'hippodrome pour dix ascensions de son
aérostat~!

Celui-ci cube 2~500~m\tsup{3}. Il mesure 44~m de long et 12
m de diamètre. Le gouvernail est une voile triangulaire, à la
poupe. Le filet qui enserre l'enveloppe remplie de gaz d'éclairage
est réuni par une ralingue horizontale de 20~m, à laquelle est
suspendue, 6~m plus bas, la nacelle. Laquelle est un brancard en bois
sur lequel est fixée la chaudière à foyer renversé
alimentée au coke. La machine à vapeur est un monocylindre
développant 3 ch, entra\^{i}nant une hélice tripale propulsive
de 3,40~m de diamètre à 110 tours/minute. Le groupe
motopropulseur pèse 150~kg. La force ascensionnelle est mesurée
à 1~800~kg.

Giffard décrit ainsi son aventure~:

\begin{quotation}
{\small
Je suis parti seul
de l'Hippodrome le 24, à 5 heures et quart. Le vent soufflait avec
une assez grande violence. Je n'ai pas songé un seul instant à
lutter directement contre le vent ; la force de la machine ne me
l'eût pas permis [\ldots] mais j'ai opéré
avec le plus grand succès diverses man\oe{}uvres de mouvement
circulaire et de déviation latérale. L'action du gouvernail se
faisait parfaitement sentir, et à peine avais-je tiré
légèrement une de ses deux cordes de man\oe{}uvre, que je
voyais immédiatement l'horizon tournoyer autour de moi. Je suis
monté à une hauteur de 1 500 mètres, et j'ai pu m'y
maintenir horizontalement à l'aide d'un nouvel appareil que j'avais
imaginé et qui indique immédiatement le moindre mouvement
vertical de l'aérostat. [\ldots] Cependant la nuit
approchait, je ne pouvais rester plus longtemps dans l'atmosphère
[\ldots], j'étais en ce moment à la plus grande
élévation que j'aie atteinte ; le baromètre marquait 1~800
m ; je m'occupais immédiatement de regagner la terre~\cite{1}.}
\end{quotation}

Ce vol restera unique, la compagnie du gaz de Passy rechignant à
fournir l'approvisionnement pour d'ultérieurs gonflements\,{\ldots}

\noindent La conclusion est tirée par Gaston Tissandier~:
\begin{quotation}
{\small \`A dater de ce jour, le principe de la navigation aérienne est
définitivement créé. M. Giffard, avec une puissance de
conception que l'on trouve seulement chez le véritable novateur,
avait résolu toutes les difficultés théoriques. Il venait
de prouver que l'emploi d'un aérostat très allongé, dont on
peut seul espérer la direction, était aussi avantageux que
possible par sa marche dans l'air et par les facilités de son
atterrissage~; il avait trouvé avec hardiesse les conditions de
stabilité dans l'atmosphère d'un aérostat
allongé~\cite{3}.}
\end{quotation}
Et d'ajouter~:
\begin{quotation}
{\small Enfin,
résultat vraiment frappant, M. Giffard, pour la première fois,
avait associé ces deux forces~: la machine à vapeur et
l'aérostat~; grâce aux dispositions nouvelles d'un foyer à
flamme renversée, le danger de cette union terrible du feu et du
gaz combustible venait d'être rendu complètement illusoire.}
\end{quotation}


\section{Une seconde tentative}

L'expérience s'étant déroulée avec un vent assez fort,
Giffard songe à la réitérer dans des conditions plus
favorables. Il s'adresse alors à Gabriel Yon, autre aéronaute
et fabricant de matériel aérostatique, pour construire un
nouveau ballon (fig.~\ref{fig2}) de plus gros volume (3~200~m\tsup{3}), plus fuselé
encore~; la suspension de la nacelle est repensée, la ralingue qui
rassemble le filet se situe au pôle supérieur de l'enveloppe,
épousant sa forme. La puissance motrice est portée à 5~ch.
La longueur est de 70~mètres pour un diamètre de 10~m.

%{\vspace*{12pt}}
\begin{figure}
\centering
\includegraphics{fx02}
\caption{L'essai de 1852 ne fut malencontreusement pas
transformé en 1855, l'enveloppe s'échappant du filet,
heureusement sans dommage pour l'équipage. Coll. de l'auteur}
\label{fig2}
\end{figure}
%{\vspace*{8pt}}

En 1855 (date exacte inconnue, et cet essai n'est pratiquement pas
documenté), en présence de G. Yon, le remplissage, toujours au
gaz d'éclairage, a lieu à l'usine de Courcelles à Paris,
par un vent de 4~m/s.

Catastrophe~! Par manque de stabilité dû à l'allongement
conséquent de la carène, à quelques mètres du sol des
oscillations en tangage se produisent et s'intensifient~; bientôt
l'avant se dresse, tandis que le filet censé retenir l'enveloppe
prisonnière, glisse vers l'arrière\,{\ldots} Les aéronautes
n'ont que le temps de tirer la corde de soupape (afin de vidanger le
gaz et dégonfler) pour regagner la terre ferme. Mais une fois
l'équipage débarqué, le ballon allégé se cabre et
s'échappe du filet, atterrissant à 500 mètres~!

\break
Giffard, qui mûrissait un projet grandiose de ballon dirigeable de
50~000~m\tsup{3} avec deux chaudières, une à vapeur,
l'autre à pétrole, jette l'éponge:
\begin{quote}
{\small
Sans
renoncer à la navigation aérienne, qu'il ne perdit jamais
complètement de vue, il dirigea momentanément son esprit vers
d'autres travaux et inventa \og~l'injecteur Giffard~\fg{},
considéré aujourd'hui à juste titre par tous les hommes
compétents comme un organe essentiel de la machine à
vapeur~\cite{3}.}
\end{quote}


\section{Un ingénieur prolifique}

Henri Giffard (8 janvier 1825--15 avril 1882) étudie au
Collège royal Bourbon (lycée Condorcet), et dès son plus
jeune âge, il est habité par le génie de la mécanique
et la passion de l'invention. Vers 1840, il fait l'école
buissonnière pour voir passer les trains de la ligne de Paris à
Saint-Germain-en-Laye. En 1844, au moment d'intégrer l'\'Ecole
centrale, sa carrière est compromise par un revers de fortune
familial, qui entra\^{i}ne la saisie des biens des Giffard{\ldots} Il
entre alors comme dessinateur à la compagnie des chemins de fer
déjà citée, et il parvient effectivement à conduire des
locomotives~! Il suit toutefois les cours de Centrale en candidat
libre. Il produit ses premiers moteurs à vapeur à haut
rendement en 1849.

\begin{figure}
\centering
\includegraphics{fx04}
\caption{Diapositive présentant les principaux brevets et les recherches menées par
Henri Giffard. Coll. de l'auteur.}
\label{fig4}
\end{figure}

%{\vspace*{8pt}}
\begin{figure}
\centering
\includegraphics{fx03}
\caption{L'injecteur Giffard, en se généralisant, a fait la fortune de l'ingénieur. Coll. de l'auteur.}
\label{fig3}
\end{figure}
%{\vspace*{8pt}}


%{\vspace*{8pt}}

Giffard enchaîne les innovations concernant la machine à
vapeur, débutant en 1857 par un brevet de valve de régulateur (fig.~\ref{fig4}).


\`A cette époque, pour introduire de l'eau dans la chaudière
des locomotives, on recourt à une pompe. Le $1^{\mathrm{er}}$
février 1858, il enregistre un nouveau brevet d'un système
d'injecteur fonctionnant à la force centrifuge, mais est menacé
de procès pour plagiat. Il réplique alors, dès le 8 mai
suivant, par le brevet de ce qui sera identifié sous l'appellation
d'\og~injecteur Giffard~\fg{} (fig~\ref{fig3}). Lequel est composé de deux
cônes séparés par un intervalle libre. La vapeur qui sert
à actionner le dispositif se condense en abandonnant sa vitesse et
en la transformant en pression, qu'elle transmet à l'eau qui
alimente alors la chaudière. La pression communiquée à
l'eau est ainsi supérieure à la pression initiale de la vapeur.
La première locomotive équipée du dispositif est testée
l'année suivante. L'injecteur Giffard bientôt universellement
employé, lui assure de confortables revenus.

Il renoue avec l'aérostation à la fin de la décennie 1860,
ce qui le conduit à travailler sur un procédé testant la
résistance et l'imperméabilité des étoffes
aérostatiques, et à améliorer les processus de production
d'hydrogène.

Atteint de cécité précoce, Henri Giffard se suicide en
respirant du chloroforme. Il lègue sa fortune à la nation pour
des \oe{}uvres humanitaires.

En 1859, l'Institut de France lui a décerné le Grand prix de
mécanique. Et en 1876, la Société d'encouragement pour
l'industrie nationale lui attribua la grande médaille Prony.
Giffard figure parmi les 72 savants inscrits sur la tour Eiffel.

\section{Les ballons captifs Giffard}

Pour l'Exposition universelle de Paris de 1867, Henri Giffard
conçoit un système de ballon captif (fig.~\ref{fig3}), installé à Paris
au 42 avenue de Suffren. Gonflé avec 5~000~m\tsup{3}
d'hydrogène, il embarque douze voyageurs à une hauteur de 250
mètres. Il est repositionné l'année suivante, exploité
par Eugène Godard place Victor-Hugo, mais est détruit par
accident.

En 1869, un autre est installé à Londres utilisant les
mêmes ingrédients. Avec ses 12~000~m\tsup{3}, il peut emmener
30 passagers à 500 mètres. Giffard ayant pris tous les
coûts à sa charge (une enceinte en bois a spécialement
été édifiée), cet épisode lui fait perdre la
bagatelle de 700~000 francs/or --- mais l'engouement populaire est
considérable~!



\section{Le \og~\textit{Grand ballon captif de la cour des Tuileries}~\fg{}}



Selon des principes identiques, est installé devant l'arc de
triomphe du Carrousel un gigantesque \og~sphérique~\fg{} captif (fig.~\ref{fig5}),
qui constitue l'une des principales attractions de l'Exposition
universelle de 1878. On a dit qu'en deux mois ce monumental bijou de
technologie a élevé autant de gens que toute l'aérostation
mondiale depuis son avènement\,{\ldots} La totalité de ses
composants est l'\oe{}uvre d'Henri Giffard.

%{\vspace*{8pt}}
\begin{figure}[!htbp]
\centering
\includegraphics{fx05}
\vspace*{-5pt}
\caption{Vue générale descriptive du site du Grand ballon captif de la cour des Tuileries de 1878. Coll. de l'auteur.}
\label{fig5}
\vspace*{-5pt}
\end{figure}

%\vspace*{8pt}
\begin{figure}[!htbp]
\centering
\includegraphics[scale=0.85]{fx06}
\caption{L'une des attractions les plus prisées de
l'Exposition universelle de Paris de 1878 débute une ascension. Coll. de l'auteur.}
\label{fig6}
%\vspace*{-10pt}
\end{figure}
%{\vspace*{8pt}}


\break
Pour un prix de 10~F, et à raison d'une dizaine d'ascensions par
jour (selon la météo), 40 à 50 personnes survolent Paris
à 500 m, sous la houlette de deux aéronautes professionnels (fig.~\ref{fig6}).
Quelques 35~000 individus en ont profité, du 28 juillet au 4
novembre 1878 (72 jours opérationnels).

Ses dimensions sont colossales~: 25~000~m\tsup{3} d'hydrogène,
diamètre~: 36~m, hauteur totale~: 55~m (soit 10 de plus que l'Arc
de triomphe de l'étoile~!), poids~: 14 tonnes.

Sa nacelle en bois est une galerie circulaire de 18 m de
circonférence, l'espace central qui laisse passer le câble de
8,5 cm de diamètre et 660 m de longueur fait 4 m de diamètre.
Elle a un double fond, avec des sacs de lest, permettant de piloter le
ballon devenu libre en cas de rupture du câble.

L'enveloppe de couleur jaune est constituée de quatre couches de
toile.

Le câble est fixé au cercle de charge métallique
réunissant le filet enfermant l'enveloppe et auquel est suspendue
la nacelle par l'intermédiaire de pesons indiquant constamment la
force ascensionnelle de l'aérostat.

Au sol, la nacelle reste suspendue au-dessus d'une vaste cuvette
conique. On y accède par une passerelle amovible. Le câble
descend au fond de la fosse, tourne autour d'une poulie métallique
montée sur une suspension à la cardan. Puis il circule dans un
tunnel long de 60 m avant de s'enrouler sur le tambour du treuil.

Lequel est en fonte, de 1,70~m de diamètre et 11 m de longueur. Il
est entraîné par deux roues d'engrenages de 3,50~m de
diamètre, actionnées chacune par une machine à vapeur à
4 cylindres de 300 chevaux, par l'intermédiaire de pignons de
petits diamètres.

Le pouvoir sustentateur de l'hydrogène étant supérieur
à celui du gaz de ville, un générateur Giffard est
présent sur le site. 25 ballons libres ont profité de cette
installation.

Trois \og~capitaines de bord~\fg{} ont officié, choisis
par l'inventeur~: les frères Eugène (fils) et Jules Godard,
ainsi que Camille Dartois.

\begin{figure}[!h]
\centering
\includegraphics[scale=0.95]{fx07}
\vspace*{-10pt}
\caption{Portrait colorisé d'Henri Giffard d'après une
photo de 1863. Coll. de l'auteur.}
\label{fig7}
\vspace*{-5pt}
\end{figure}




%{\vspace*{-2pt}}

\section{\'Epilogue}

%{\vspace*{-2pt}}


Désormais géré par les Godard, le ballon des Tuileries
reprend du service l'année suivante, mais il est malheureusement
ruiné par un orage.

L'architecture du \og~système Giffard~\fg{} va se
généraliser, reprise par tous les constructeurs~:\unskip\break Godard,
Lachambre, Mallet, Surcouf et Yon. Elle perdure aujourd'hui, après
un lifting technologique (un treuil électrique actionnant une
centrale hydraulique a naturellement remplacé la machine à
vapeur) par Aérophile, société qui exploite et exporte des
ballons captifs dans le monde entier. Se perpétue ainsi l'une des
plus belles réussites d'Henri Giffard (fig.~\ref{fig7}).

%{\vspace*{8pt}}



\section*{Déclaration d'intérêts}

Les auteurs ne travaillent pas, ne conseillent pas, ne possèdent pas
de parts, ne reçoivent pas de fonds d'une organisation qui pourrait
tirer profit de cet article, et n'ont déclaré aucune autre
affiliation que leurs organismes de recherche.


\back{}

%\def\refname{Jean Molveau, illustrations collection de l'auteur}

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\refinput{crmeca20240021-reference.tex}

\end{document}
