Le principe de vol reprend simplement un principe énoncé par Archimède il y a plusieurs siècles.

Tout corps plongé dans un fluide reçoit une force opposée à son poids et de valeur égale au volume de fluide déplacé.  

Nous pouvons considérer que le ballon n’est autre qu’une bulle d’air chaud plongée dans de l’air plus froid.

Voici quelques exemples de portance d’un mètre cube d’air à différentes températures.

Plus l’air est chauffé, plus il porte. Plus l’air ambiant est froid, plus le ballon volera facilement, plus l’air ambiant est chaud, moins la masse que pourra porter le ballon sera importante. En prenant l’exemple d’un ballon de 2200 m3 chauffé à 100° C dans de l’air ambiant à 15° C, la masse qu’il pourra porter sera de 613,8 kg (2200 X 0,279 kg).

La différence entre la force archimédienne et le poids de l’air chaud s’appelle la force aérostatique. Cette force est d’autant plus grande que le volume de l’enveloppe est important et que la température à l’intérieur de l’enveloppe est élevée par rapport à l’extérieur.

Force aérostatique = poids de l’enveloppe + poids de la nacelle + poids de l’équipage + poids des équipements.

Pour que le ballon reste en équilibre dans l’atmosphère, la température de l’air à l’intérieur doit être telle que la force aérostatique équilibre le poids du ballon, de l’équipement et des passagers. (On dit qu’un objet est en équilibre lorsque la somme des forces qui s’exerce sur lui est nulle. Dans le contraire il est en déséquilibre). L’enveloppe ne conserve pas parfaitement la chaleur, il faut donc que le pilote effectue des chauffes à une cadence régulière pour maintenir l’équilibre.

Comme nous venons de le démontrer, la masse que peut emporter une montgolfière dépend de la différence entre la température intérieure de l’enveloppe et la température de l’air ambiant dans lequel il évolue.

Avant chaque vol, le pilote calcule la charge utile de sa montgolfière pour le vol qu’il a programmé, il doit tenir compte des éléments suivants :

• l’altitude du point d’envol et sa température,
• l’altitude à atteindre,
• le volume exact du ballon,
• la masse à vide du ballon (éléments contenus dans la fiche de pesée),
• la charge maximum à ne jamais dépasser,
• le nombre et le poids des personnes à bord (pilote compris),
• le nombre de cylindres à bord selon la durée du vol.

Conséquences d’une mauvaise charge :

• surchauffe du ballon donc détérioration de l’enveloppe,
• surconsommation de gaz,
• pilotage inconfortable,
• risques d’accident

Descriptif d’une courbe de charge :

Chaque constructeur indique dans la section 5 du manuel de vol du ballon comment calculer la masse maximale autorisée au décollage en fonction de l'altitude de décollage, de la température au moment du décollage et de l'altitude à atteindre. Chaque constructeur peut établir une courbe de chargement pour le ballon d'un volume considéré ou de manière plus universelle, pour l'ensemble des ballons de sa gamme.

A titre d'exemple, ci-dessous la courbe de charge des ballons Cameron avec son mode d'emploi.

Exemple 1 - Le ballon doit voler à une altitude maximum de 3000 ft et la température ambiante à cette altitude est de 11°C. Noter la température ambiante sur l'axe des abscisses et remonter verticalement jusqu'à l'intersection avec la courbe des 3000 ft. Noter la force ascentionnelle sur l'axe des ordonnées (16,7 lbs par 1000 ft³). Reporter cette valeur en l'extrapolant dans le tableau “Poids Total admissible” soit pour un 2200 m³ : 586,5 kg.

Exemple 2 - La température ambiante n'est pas connue à l'altitude maximale de vol. Lire la température ambiante du décollage sur l'axe des abscisses et remonter verticalement jusqu'à l'intersection avec la courbe des 3000 ft. Suivre parallélement la courbe ISA jusqu'à l'intersection avec la courbe des 10000 ft. Sur l'axe des ordonnées, noter la force ascentionnelle (16,3) et la reporter dans le tableau “Poids Total admissible” en extrapolant la valeur soit pour un 3000 m³ : 776 kg.

ATTENTION, en cas d'inversion de température, il y a risque de surchauffe lors de l'ascension initiale. Utiliser plutôt les températures attendues à la mi-journée ou prendre une bonne marge.

Extrait du tableau - Poids total admissible (kg)

A partir de l’état d’équilibre le ballon peut monter ou descendre. Pour cela il faut créer momentanément un déséquilibre de force vers le haut (en augmentant la température à l’intérieur de l’enveloppe) ou vers le bas (en diminuant la température à l’intérieur de l’enveloppe).

Entre le moment où le pilote déclenche le brûleur et l’instant où le ballon réagit, il existe un certain délai (retard de réaction). Ce délai est fonction de la taille du ballon et de la puissance du brûleur.

• Inertie en montée : (sommet de la trajectoire) un pilote qui provoque une montée du ballon à 1m/s puis qui attend que le ballon se freine de lui-même avant de redescendre constatera un certain retard entre le début de chauffe et le sommet de la trajectoire.
• Inertie en descente (amorce d’une descente) : un pilote en palier devra attendre un certain temps avant que le ballon ne commence à descendre et que la vitesse verticale s’accroisse peu à peu.
• Autre inertie (cuvette de la trajectoire) : un pilote désirant freiner ou stopper une descente devra anticiper les réactions du ballon en chauffant bien avant l’altitude d’arrêt souhaitée. Il y a trois réactions possibles en fonction de la chauffe :
  • Le ballon remonte (chauffe trop importante),
  • le ballon est stoppé dans sa descente (vol en palier)
  • et enfin le ballon est freiné mais continue de descendre (chauffe trop courte pour une mise en palier mais correcte pour préparer l’atterrissage).

Ces différents phénomènes sont liés aux effets d’inertie que subit le ballon.