LACHER DE BALLON

La découverte est un plaisir aussi subtil et intéressant que la connaissance. Eurydice

Un groupe d’élèves de 4ème avait choisi de participer à l’option sciences l’année dernière. Le projet qui lui avait été proposé consistait en l’étude et réalisation d’un ballon stratosphérique.

Descriptif de ce projet

Il s'agit de concevoir et réaliser une nacelle comportant des expériences scientifiques sur l'atmosphère. Cette nacelle s'élèvera dans la troposphère puis dans la stratosphère pour enfin redescendre sous parachute.

Comme vous pouvez vous en rendre compte sur l'illustration ci-dessus l'ensemble atteindra une altitude comprise entre 20.000 m et 35.000 m. A ces altitudes, on distingue déjà des variations conséquentes de la température ( jusqu'à - 50°C) et une pression atmosphérique décroissante puisque celle-ci avoisine les 10 mb (10 hPa). Pour les néophytes, la pression atmosphérique qui s'exerce sur nos corps au niveau de la terre varie entre 900 hPa et 1025 hPa. C'est déjà l'occasion d'évoquer les notions météorologiques dépressionnaires et anticycloniques pour nos jeunes chercheurs.

In facto, trois mesures peuvent s'envisager :

- la pression atmosphérique

- l'altitude

- la température externe

A partir de notre sol, nous exprimons une certaine difficulté d’appréciation de l’altitude d’apogée de notre nacelle. Pour mieux l’appréhender, il nous suffit de visualiser certaines vidéos. Sur la vidéo ci-après, nous pouvons observer que les premiers essais d’un homme sautant de la stratosphère relèvent de 1960 par Joe HITTINGER. 52 ans plus tard, le défi est repris par Félix BAUMGARTNER en 2012. Félix BAUMGARTNER a sauté aux alentours de 38.000 m d’altitude, ce qui correspond à 10 km de plus que le point d’apogée de notre ballon. Pour une perception plus proche de notre réalité, nous disposons d’une mesure altimétrique en bas à gauche de l’écran. Il vous suffira d’observer l’altitude de 95150 ft pour vous rendre compte de la position de notre nacelle avant éclatement du ballon.

Trajectoire de notre ensemble ballon/nacelle.

Voici une schématisation de la cinématique du vol ballon/nacelle.

Première étape pour le groupe :

Qu'allons -nous mesurer?

* la température interne et externe

* la pression atmosphérique

* la luminosité (orientation de la nacelle par rapport au soleil)

* la position géographique de la nacelle (G.P.S.)

* les accélérations de notre ensemble (accélérations latérales Ox et Oy ainsi que l’accélération verticale sur Oz)

* la rotondité de la terre (visualisation)

Seconde étape :

Comment mesurer ces grandeurs physiques?

Quelques pistes. Les protagonistes de cette aventure ont été confrontés à la recherche et l'analyse de documents techniques y compris en langue anglaise (de nombreux documents techniques n’existent que dans cette langue). Ce fut le cas pour le capteur de pression le NPX 4115 ainsi que pour les capteurs de température (les LM 335).

L’idée qui fut développée également, reposait sur une tendance qui nous semblait des plus fantaisistes et relayée par certains personnages sur les réseaux sociaux : « la terre n’est pas ronde !». Nous avons donc choisi d’embarquer un système d’enregistrement vidéo afin de contrarier cette version.

Pour réaliser l’enregistrement, nous avons relié une caméra à un système micro programmé de type picaxe 28x1. La carte de ce micro-contrôleur fut reliée à un servo moteur et ce dernier se devait d’effectuer la rotation d’un arbre à cames avec deux sens de rotation différents. L’une des cames ayant pour action d’activer la mise sous tension de la caméra, l’autre d’enclencher la prise d’enregistrement. La programmation s’est effectuée sous un algorithme graphique (flowchart).

L’ensemble des composants prend place dans une nacelle élaborée en polystyrène extrudé afin d’isoler au mieux de la température extérieure. Comme vous avez pu le remarquer sur l’illustration des diverses strates de l’atmosphère, la température avoisine les -50°C d’où ce choix de matériau.

Petit inventaire de notre ‘panier’ :

Le plus complexe dans ce travail reste l’étalonnage des divers capteurs afin de définir des corrélations entre les mesures analogiques et les grandeurs physiques que l’on souhaite évaluer. Chaque capteur transmet un signal électrique récupéré sous la forme d’une tension, puis cette tension est associée à une valeur dans l’unité de mesure correspondante. Par exemple, une tension de 2,98V sera mesurée pour une température de 25°C. Il a donc fallu établir un tableau des correspondances et admettre une linéarité des courbes pour les capteurs et l’interprétation de ceux-ci.

La nacelle achevée, nous avons préparé le lâcher de celle-ci. Chacun aura vite compris qu’une telle opération ne peut s’effectuer sans un minimum de précautions et d’autorisations. Il nous a donc fallu les accords du maire de Caen, pour la mise à disposition du terrain et également celui de l’aviation civile puisque notre ballon allait traverser les couloirs aériens. On a pour obligation de déclarer notre lâcher 10 minutes avant celui-ci et il est possible d’avoir une demande de report voire d’annulation si certaines conditions l’imposent.

Notre lâcher prit donc effet le vendredi 14 septembre.

Après avoir assemblé la nacelle à un réflecteur radar puis à un parachute, nous avons procédé au gonflage de l’enveloppe en latex. Il nous a fallu pas moins de 4,6m3 d’hélium afin de répondre à la portance souhaitée pour l’élévation à la vitesse ascensionnelle de 4,5m/s. Le ballon forme alors une sphère de 2m de diamètre. Puis nous procédons à l’arrimage de notre chaîne de vol et entamons le décompte 10,9,8,7…..0 ! Et c’est parti, le ballon monte tranquillement et passe au dessus des habitations et arbres bordant le terrain. On l’aperçoit très longuement dans le ciel dégagé.

Au cours de cette ascension, l’enveloppe va se dilater par différence de pressions entre la pression interne de l’enveloppe et celle de l’air environnant. La pression interne va devenir prédominante et provoquer une dilatation de cette enveloppe jusqu’à éclater vers 29000 m d’altitude. Avant cela, la taille du ballon aura été multipliée par 7, ce qui nous fait un diamètre de 14m !

La nacelle et le reste de la chaîne de vol retombe en chute libre car l’air n’offre pas suffisamment de portance à cette altitude. Fort heureusement, dès que la portance de l’air redevient suffisante, le parachute s’ouvre et freine la nacelle. La vitesse de descente de notre nacelle avoisine les 5 à 6 m/s.

Notre nacelle a décollé de Caen avenue Sainte Thérèse et a parcouru 185 km pour se poser dans un champ entre Beauvais et Ponchon dans l’Oise.

Nous remercions tous les participants à ce projet élèves du groupe sciences, Monsieur AGASSE Directeur du collège, les professeurs ainsi que les élèves qui nous ont accompagnés lors de cette manifestation. Un remerciement particulier à Planète-sciences Normandie et par la même à planète-sciences National représentant le C.N.E.S. pour nous avoir épaulé et fourni les éléments et la logistique indispensables à un projet d’une telle intensité. Souhaitons que ces projets scientifiques génèrent de futures vocations parmi nos élèves.