11 Septembre 2015

Un Aéroclipper pour l'étude des cyclones

Véhicule dédié à différentes thématiques de recherche sur les océans, l'Aéroclipper est un ballon équipé d'un câble prolongé par un guiderope en contact avec la surface de l'océan, le tout dans un équilibre Archimédien, qui peut couvrir des milliers de kilomètres sans intervention humaine pour un coût relativement modeste. Une campagne de qualification de son utilisation pour l'étude des cyclones est prévue à l'automne 2016 en Micronésie.

Dans le cadre de la surveillance des océans, en ce début du 21e siècle, plusieurs programmes de recherche et d'observation travaillent sur des systèmes opérationnels basés sur des missions satellites, des mesures in situ et des modèles numériques.

Une approche intégrée englobant l’observation, les mesures et la modélisation conduit à des systèmes opérationnels particulièrement utiles dans les domaines de l’océan et de l’environnement climatique.

Afin d'alléger, dans une certaine mesure, les problèmes provoqués par des mesures in situ, le CNES a proposé un système autonome, l’Aéroclipper, qui fournit la possibilité d’effectuer simultanément des mesures de la surface de l'océan et des mesures de l'air sur de grandes distances, notamment dans les zones où les observations classiques sont moins concentrées comme dans le Pacifique, les mers du Sud, l’Atlantique Sud et l’Océan Indien.



Aéroclipper ancienne génération. Crédits : CNES.

Les premiers travaux formalisés sur l’Aéroclipper remontent à 1998, poursuivis par la démonstration de la faisabilité du concept sur la base d'une enveloppe tétraédrique. Les campagnes de vol probatoires ont permis de constater que ce type d'enveloppe n’était pas dimensionné pour résister au vent relatif engendré par la traînée du guiderope. Les équipes de recherche et de développement (CNES et Laboratoire de Météorologie Dynamique (LMD) ont alors proposé d’utiliser des ballons profilés pour améliorer le comportement et la résistance de l’Aéroclipper aux vents forts et aux rafales.

Le concept

  •  Une nacelle océanique (1), optionnelle, permettant d’effectuer des mesures à la surface de l’océan. Elle est localisée plusieurs mètres sous le ballon et doit être légère et robuste.
  • Une nacelle atmosphérique (2) permettant d’effectuer des mesures scientifiques dans la couche de surface atmosphérique, d’effectuer des prétraitements, de dialoguer avec la nacelle océanique et de transférer ces informations vers un utilisateur distant.
  • Une enveloppe profilée sustentatrice (3) permettant de maintenir la nacelle atmosphérique à l’altitude souhaitée en assurant la portance statique (au sens de la poussée d’Archimède) et dynamique du système. L'enveloppe peut être positionnée à environ 50 mètres au-dessus de la surface ou beaucoup plus haut selon des contraintes expérimentales ; elle ne doit diffuser le gaz porteur (ici, l'hélium) que très faiblement, permettant ainsi des missions d’une durée d'environ un mois environ.    
  • Un guiderope (4), tube flexible et robuste, flottant à la surface de la mer, supportant la nacelle océanique (qui effectuera la partie maritime des mesures), évitant l’envol du système et modulant les variations d’altitude dues au changement de portance (fuites, condensation, pluies). Le guiderope a une densité légèrement inférieure à celle de l'eau.

Schéma de fonctionnement d'un Aéroclipper. Crédits : CNES.

 Un Aéroclipper de nouvelle génération

Les éléments de validation de ce nouveau système reposent sur :

  •   la mesure de l’étanchéité du ballon à l'hélium (imperméabilité du film). La valeur de diffusion est seulement de quelques centièmes de gramme d’He/m²/24 heures à la pression atmosphérique. Il est donc possible de considérer des durées de mission de l'ordre du mois.
  •   l’amplitude thermique du ballon pendant le cycle jour-nuit pour évaluer des variations de longueur du guiderope en contact avec l'océan (prise en compte des différents flux en présence (solaire direct, infrarouges montants et descendants, etc.)). Il a été démontré que les effets thermiques sur le ballon lié aux alternances de jour-nuit exerceront un effet minimum sur le comportement de l'Aéroclipper.
  •   le comportement dynamique de l'Aéroclipper au travers :
    * de l’évaluation de la drague hydrodynamique du guiderope dont l'impact est majeur sur le calcul des dimensions du ballon ;
    * du coefficient de traînée des flotteurs (de faible diamètre et longs), établi par essais ;
    * l’évaluation de la traînée aérodynamique du ballon qui a confirmé le choix d'une forme profilée.

Parmi les mesures de l'air qui peuvent être considérées, on peut souligner la pression atmosphérique, l'humidité, la température, l'illumination, probablement les aérosols et ceci à de divers niveaux.

L'Aéroclipper a pu également fournir une aide efficace à la modélisation des échanges océan-atmosphère et également offrir des occasions d'intercorrélation entre des mesures in situ et des mesures satellites.

Enfin, citons une mission spectaculaire dont l'Aéroclipper a déjà été au coeur : la capture par un cyclone !

2013-2016

Bien qu'ayant déjà volé à plusieurs reprises dans des formes antérieures, il a été nécessaire pour diverses raisons, de lancer le développement d'un Aéroclipper de nouvelle génération.



L'Aéroclipper nouvelle génération. Crédits : CNES.

Les missions envisagées

Lors de la campagne VASCO deux Aéroclippers ont pu résister mécaniquement au passage sous le mur de l’œil du cyclone DORA (vent > 40 m/s) puis rester dans l’œil du cyclone jusqu’à la fin programmée des vols.

Même si les objectifs scientifiques de VASCO n’ont pas été atteints en raison notamment de problèmes logiciels et/ou mécaniques sur les nacelles instrumentales (nacelle atmosphérique et océanique), cette expérience a été très riche en enseignements et a permis d’améliorer de manière itérative cet objet complexe et prometteur.

Elle a notamment fait naître un nouvel intérêt scientifique pour une application spécifiquement dédiée à l'étude des cyclones, sur la base d'Aéroclippers simples et robustes.

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Crédits : CNES.

Automne 2016 : Campagne en Micronésie

  • A l'automne 2016, une équipe opérationnelle sera déployée dans les îles Palaos (cf. carte ci-contre), afin de tenter d'injecter des Aéroclippers sur le chemin des cyclones du Sud-est asiatique (région à haute densité de ce type de phénomènes (cf. carte ci-dessous).
  • Sur la base de prévisions météorologiques dédiées, les Aéroclippers seront lâchés en mer dans la direction des trajectoires dominantes des cyclones remontant le long de la Papouasie Nouvelle-Guinée puis des Philippines.

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Crédits : Wikipedia.

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