3 Juin 2015

Un peu de vulgarisation : le ballon stratosphérique

Présentation détaillée du fonctionnement du ballon stratosphérique

Comment ça marche... un ballon stratosphérique ?

Inventée au 18ème siècle par les frères Montgolfier, la montgolfière est l'ancêtre de l'aérostat actuel, à la différence près que ce dernier n'a personne à bord pour le diriger et stabiliser son altitude.


Aujourd'hui, le ballon occupe une place unique parmi les outils de la recherche scientifique.
Lui seul peut évoluer durablement dans la stratosphère, région inaccessible aux satellites et traversée trop rapidement par les fusées-sondes.

Mais pourquoi et comment les ballons volent-ils ? Quels types de ballons sont utilisés sur le plan scientifique ? Savez-vous que pour élever à 40 km d’altitude plus de 2 t de matériel, certains ballons sont plus grands qu’un terrain de football ?

Petit tour dans le monde du plus léger que l’air

Conception : Jean-Pierre Penot et Bernard Nicolas
Conception : Jean-Pierre Penot et Bernard Nicolas

Des technologies adaptées à la durée de vol

Les ballons stratosphériques sont dans la plupart des cas utilisés par la communauté scientifique pour étudier l’atmosphère, sa chimie et sa dynamique. Ils peuvent aussi avoir un intérêt en astronomie, en biologie ou encore avoir une finalité technologique.

Pour mener des expérimentations scientifiques à bord d’un ballon, les besoins exprimés par les laboratoires de recherche sont variés. Le matériel scientifique à embarquer peut peser de quelques centaines de grammes à plusieurs tonnes. L’altitude nécessaire à l’expérience peut se limiter à quelques centaines de m ou au contraire avoisiner les 40 km.

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Graphique illustrant les différentes couches de l’atmosphère, en fonction de l’altitude et de la pression. Conception : Jean-Pierre Penot (CNES), illustration : Bernard Nicolas


Ballon stratosphérique ouvert. Conception : Jean-Pierre Penot (CNES), illustration : Bernard Nicolas

Autre critère essentiel : la durée de vol. Quelques heures peuvent parfois suffire, mais les vols de plusieurs mois sont également nécessaires à la communauté scientifique. Pour répondre à cette diversité de besoins, le CNES a conçu plusieurs types de ballons.

Les ballons stratosphériques ouverts (BSO) possèdent une ou plusieurs ouvertures sur la partie inférieure de l’enveloppe, leur permettant ainsi de communiquer avec l’extérieur. Leur durée de vol n’excède pas quelques jours.

Les montgolfières infrarouges sont dérivées des ballons stratosphériques ouverts. Leur portance est assurée par de l’air chauffé par le rayonnement solaire et infrarouge de la Terre, elles permettent des vols de longue durée.


Ballon fermé pressurisé. Conception : Jean-Pierre Penot (CNES), illustration : Bernard Nicolas

Les ballons fermés pressurisés ne communiquent pas avec l’extérieur ; la stabilité de l’enveloppe autorise des vols de longue durée.

Tous ces ballons obéissent cependant à la même loi physique : une bulle de gaz livrée à elle-même dans l’atmosphère.

Les vols de courte durée


CNES/P.LE DOARÉ,2001

Le ballon le mieux adapté au vol de courte durée - quelques heures à quelques jours, est le plus ancien modèle conçu, le ballon stratosphérique ouvert.

Il vole en équilibre de pression, c à d que les pressions interne et externe du ballon sont toujours égales.

Gonflé à l'hélium il peut monter très haut et embarquer des charges très lourdes. Capable d'atteindre la stratosphère, le ballon stratosphérique ouvert est doté de manches pour l'évacuation du gaz excédentaire.

En effet, au cours de son ascension pouvant aller jusqu'à 40 km d'altitude, le ballon rencontre une pression de plus en plus faible. En conséquence, le gaz se dilate progressivement. La montée se poursuit jusqu'à ce que l'enveloppe soit pleine. Après quoi, toute dilatation supplémentaire provoque le rejet de l'excédent de gaz porteur.

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Principaux éléments d'un ballon stratosphérique ouvert. Conception : Jean-Pierre Penot (CNES), illustration : Bernard Nicolas

Pour compenser la dilatation du gaz, l’enveloppe doit être de très grande dimension. Son diamètre peut dépasser la taille d’un terrain de football.

Le durée de vol d’un tel ballon est cependant très courte : en raison de la baisse de température nocturne, le gaz se contracte. Le volume de l’enveloppe diminue et le ballon redescend irrémédiablement dès la 1ère nuit en vol.

Dans la pratique, les ballons ouverts ne servent que pour des vols inférieurs à 24 h. Dans les zones polaires, en période de jour ou de nuit permanente, il est cependant possible de réaliser des vols plus longs.

Les ballons stratosphériques ouverts en quelques chiffres

Volume de l’enveloppe

Gaz porteur

Altitude du plafond

Durée du plafond 3 000 à 1 200 000 m3

Sites de lâcher

Hélium

17 à 40 km

Jusqu’à 24 h

Jusqu'à 3 t

Anciennement en France : Aire-sur-l’Adour (Landes) et Gap Tallard (Hautes-Alpes)
En Europe : Kiruna, Trapani
Dans le monde : Brésil, Afrique

Les vols de moyenne et longue durée


Lâcher d'un ballon dit ballon pressurisé couche limite (BPCL). Crédits : CNES

4 types de ballons sont utilisés pour effectuer des vols de moyenne durée, allant jusqu'à quelques semaines.

Le ballon dit "pressurisé couche lente", ou BPCL, vole 3 à 4 semaines Le volume de l'enveloppe, inextensible et étanche, reste stable quelque soit les variations de température et de pression. Cependant, son faible diamètre (environ 2,5 m), réduit à quelques centaines de g la charge utile embarquée. Ces ballons intéressent particulièrement les chercheurs qui étudient l'atmosphère à basse altitude.


Montgolfière infrarouge. Crédits : CNES

La montgolfière infrarouge, utilisant le principe bicentenaire de la montgolfière que nous connaissons tous, est soutenue par l'air chaud.

Son enveloppe est chauffée le jour par le Soleil, lui permettant de monter jusqu'à 30 km d'altitude, et la nuit le rayonnement infrarouge de la Terre lui prermet de se stabiliser à environ 20 km.

Pouvant emporter jusqu'à 50 kg de charge utile, cet aérostat présente l'originalité d'osciller en permanence entre 2 altitudes pendant 2 à 3 semaines. Il est particulièrement intéressant pour étudier la composition chimique de la stratosphère.

Les MIR en quelques chiffres

Volume de l’enveloppe 

Gaz porteur 

Altitude du plafond  

Durée du vol 

Masse emportée 

Sites de lâcher 

45 000 m3

Air chaud (hélium au décollage)

30 km le jour, 20 km la nuit 

Plusieurs semaines

50 kg

Amérique du Sud, Equateur


Aéroclipper. Crédits : CNES

Initialement imaginé pour l'étude de Mars, l'aéroclipper est capable de réaliser simultanément des mesures dans l'air, via la nacelle, et dans l'eau, via une sonde reliée au ballon.
L'aéroclipper est maintenu plusieurs semaines à 50 m au-dessus de l'eau et est particulièrement utile pour l'étude des interactions océan – atmosphère.


Le ballon pressurisé stratosphérique. Crédits : CNES.

Au-delà de quelques semaines, seul le ballon pressurisé stratosphérique permet de concilier durée de vol (plusieurs mois), grande capacité d'emport (jusqu'à 30 kg), et altitude suffisante (jusqu'à 20 km). Le choix d'un matériau plus résistant pour l'enveloppe a permis de pressuriser des ballons au diamètre plus important (jusqu'à 12 m), et ainsi de répondre à l'évolution souhaitée. Ce type de ballons est notamment utilisé pour mesurer le trou d'ozone au pôle sud.

Les ballons stratosphériques ouverts en quelques chiffres

Volume de l’enveloppe

Gaz porteur

Altitude du plafond

Durée du plafond3 000 à 1 200 000 m3

Sites de lâcher

Hélium

17 à 40 km

Jusqu’à 24 h

Jusqu'à 3 t

Anciennement en France : Aire-sur-l’Adour (Landes) et Gap Tallard (Hautes-Alpes)
En Europe : Kiruna, Trapani
Dans le monde : Brésil, Afrique

Les coulisses du lâcher d’un ballon stratosphérique ouvert


Dépliage d'un ballon stratosphérique. Crédits : CNES/C.BARDOU,1998

Aire-sur-L’Adour est l’une des 2 bases de lancement gérées par le CNES sur le sol français. Quelques jours avant le jour J, les expérimentateurs prennent position sur le site du lancement pour préparer la nacelle contenant tous les instruments scientifiques.

Le jour J commence par un briefing météo. Si les conditions sont favorables au lâcher, les « lanceurs » du CNES déploient sur le sol ce qu’on appelle la chaîne de vol.

Celle-ci est en général constituée de la nacelle et des instruments scientifiques, mais également d’un réflecteur radar, de parachutes, pour l’atterrissage du ballon au retour, et d’un petit ballon auxiliaire pour soulever la nacelle dans l’attente de son envol.


Envol de la nacelle Casolba et de son ballon auxiliaire. Crédits : CNES/B.BOULLET,1998

Une heure après, le ballon porteur, environ 50 fois plus volumineux que le ballon auxiliaire, est déplié et le gonflage commence. Moins de 2 h après que le lâché du ballon, il peut déjà se trouver à 30 km d'altitude.

Programmé pour une expérimentation scientifique de quelques heures seulement, la descente du ballon est ensuite télécommandée depuis le sol.


Vue aérienne de l'aire de lancement d'Aire-sur-l'Adour. Crédits : CNES/AL.HUET,1997

Il reste à faire atterrir la nacelle sous parachutes dans une région propice à un atterrissage à la fois sans danger et sans casse, afin de récupérer le coûteux matériel scientifique.

Des règles de sécurité et de sauvegarde draconiennes


Crédits : CNES/C.BARDOU,1998

Pendant tout le cycle de vie d'un ballon, tout risque de dommage corporel, aussi bien dans l'air qu'au sol, doit être évité.

Dès qu'une trajectoire de lancement est définie, la probabilité de faire des victimes est calculée avec la plus grande rigueur. Son niveau doit être très faible. La trajectoire du ballon est choisie pour survoler des zones de faible densité démographique.


Vue aérienne de l'aire de lancement d'Aire-sur-l'Adour. Crédits : CNES/AL.HUET,1997

Quand le ballon est lancé, il est susceptible de traverser des couloirs aériens lors de son ascension et de sa descente. Une autorisation des autorités de navigation aérienne est donc nécessaire, avec communication préalable du plan de vol.

A l'image des avions de ligne, les ballons sont équipés de transpondeurs qui permettent aux radars des tours de contrôle de les localiser à tout moment.


Récupération de la nacelle Pronaos. Crédits : CNES/E.MARTIN,1999

Lorsque le ballon arrive en fin de vie, avant d’en perdre le contrôle, le centre de contrôle au sol télécommande la fin du vol.

L'enveloppe se déchire et se vide et l'ouverture de parachutes est activée pour ralentir la vitesse d'atterrissage ou d'amerrissage de la nacelle. Cela permet à la fois d'éviter tout dommage corporel et de préserver les équipements embarqués dans la nacelle.

Comment un ballon s’envole-t-il ?


Conception : Jean-Pierre Penot (CNES), illustration : Bernard Nicolas

Pour comprendre ce qui permet à un ballon de s’envoler, il suffit de se livrer à une expérience toute simple.

Dans un aquarium rempli d’eau, plongez une balle de ping-pong. Dès que vous la libérez, elle remonte rapidement à la surface. En effet, dans l’aquarium, la balle prend la place d’un volume d’eau d’environ 20 cm3. Elle subit, sur toute sa surface, la pression de l’eau environnante.

  • Volume de la balle : 20 cm3
  • Poids de la balle : 2 g
  • Poids de la balle remplie d’eau : 20 g (1 cm3 d’eau pèse 1 g)
  • Poids de la balle remplie d’air : 0,03 g

Un calcul simple montre qu’il en résulte une force dirigée vers le haut, appelée poussée d’Archimède, et équivalente au poids d’une balle qui serait remplie d’eau, soit 20 g. D’un côté, le poids de la balle, 2 g, la dirige vers le bas, et de l’autre, la poussée d’Archimède exerce une force contraire 10 fois plus forte !

Pourquoi, une fois remontée à la surface de l’eau, la balle ne continue-t-elle pas son ascension dans l’air ? Tout simplement parce que dans l’air, le volume d’air déplacé par la balle ne pèse que 0,03 g. La force ascendante correspondante ne fait donc plus le poids face à la force descendante, 70 fois plus forte, due au poids de la balle. Tout est donc affaire de densité.

Le saviez-vous ?

La poussée d'Archimède
« Tout corps plongé dans un fluide subit une poussée verticale, dirigée de bas en haut, égale au poids du fluide déplacé ».
Cette loi a été énoncée par le savant grec Archimède (287 – 212 av. J.C.) La légende dit qu’il en prit brutalement conscience dans son bain, s’élançant alors dans la rue en criant « Eurêka ! Eurêka ! »
Savant complet, il est à l’origine de nombreuses théories… et a également inventé le boulon, formé d’une vis et d’un écrou !

Prolongez à présent le raisonnement.


Conception : Jean-Pierre Penot (CNES), illustration : Bernard Nicolas

Pour soulever de Terre une personne à bord d’une nacelle, il suffit de d’arrimer celle-ci à une bulle de gaz moins dense que l’air atmosphérique : l’hélium par exemple, qui est 7 fois moins dense que l’air. Chaque m3 de ce gaz ne pèse que 180 g et peut soulever une masse d’environ 1 kg ! Ainsi, un ballon dont l’enveloppe contient environ 100 m3 d’hélium peut s’élever avec un adulte à bord.

En revanche, la poussée d’Archimède n’existe pas dans le vide. On ne verra donc jamais un ballon survoler le sol lunaire…


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