9 Août 2012

De la conception à la mise en oeuvre d'un vol ballon

Depuis 1964, le CNES a fait de la France un des rares pays à maîtriser l'ensemble des techniques nécessaires aux vols ballons à finalité aussi bien scientifique que technologique.
Le succès de ces vols dépend de l'adéquation de l'ensemble du système à la mission et de la fiabilité de chacun des ensembles et équipements mis en œuvre. Des compétences internes en informatique, mécanique, thermique, aérodynamique, un centre de lancements, un industriel associé (Zodiac International) en sont les fondements.


Pour mener à bien un projet ballon, la sous-direction Ballons du CNES effectue avant toute chose une analyse de la mission à partir des données fournies par l'expérimentateur. Cette première étape consiste à évaluer les divers besoins : nacelle, ballon, site et période de lâcher, nombre de vols pour couvrir la mission, méthode de lancement, matériel et infrastructure sol. A partir de ces données et des résultats de l'analyse de mission, le choix d'un système adapté et la mise en œuvre coordonnée bord/sol s'effectuent.

Point de départ : la nacelle embarquant l'instrument

Selon les besoins de la mission, différents types de nacelle (Nacelle Charge-Utile - NCU) sont proposés : nacelle pointée, nacelle permettant des vols de longue ou de courte durée, etc..

La nacelle peut exister ou pas, répondre parfaitement au besoin ou nécessitant d'être améliorée ou aménagée en partie, réalisée complètement ou partiellement par le CNES... Dans ces deux cas, la sous-direction Ballons couvre les phases de conception, de développement, réalise le support aux systèmes d'instrumentation, assure l'intégration, la mise en œuvre sur site, les opérations en vol et la récupération des données pour mise à disposition de l'utilisateur.


Au fil des années, des améliorations, notamment au niveau des nacelles pointées ont vu le jour, notamment les capacités de  pointage primaire et secondaire.
Les performances de stabilité de pointage sont  ici de l'ordre de quelques minutes  d'arc en pointage primaire et de quelques secondes d'arc en pointage secondaire.
Par ailleurs, les évolutions et développements portent sur des modules de commande numérique (micro-ordinateurs embarqués) et sur  une nouvelle génération de capteurs (dont un senseur d'étoiles permettant des acquisitions diurnes), etc.

Dans le cadre des autres nacelles (non pointées), de nombreuses évolutions sont également en cours et une réflexion est menée sur la mise à disposition, à terme, d'une nacelle d'emport "générique", pouvant embarquer tout ou une grande partie des instruments, sans nécessité d'aménagement spécifique.

Toutes ces évolutions se répercutent, entre autres, sur l'interface avec la charge utile scientifique, l'optimisation en masse, le système d'alimentation à bord (batteries rechargeables, énergie solaire).

La chaîne de vol

Les éléments de la chaîne de vol doivent être ensuite définis : la plupart sont obligatoires pour satisfaire aux règles de Sauvegarde (et/ou de sécurité aérienne par exemple); les autres éléments sont adaptés (nature et taille des éléments d'accastillage, par exemple) pour satisfaire aux exigences mécanique (tenue de la masse à soulever), aux exigences de communication, de localisation, etc.

Un des éléments "phare" de la chaîne de vol est la nacelle de servitude opérationnelle (NSO).

Cet élément contient l'électronique qui permet d'échanger des télémesures et des télécommandes entre l'aérostat et le sol au cours de son vol. Il contient également les unités qui fourniront l'énergie de fonctionnement de cette électronique ; cette énergie est évidemment à adapter en fonction de la durée de la mission et des conditions d'éclairement pendant celle-ci.

Enfin, dans le cas des aérostats qui peuvent être "pilotés" (dans l'axe vertical uniquement), la NSO contient un bac à lest contenant des billes d'acier qui seront vidangées lorsqu'il sera nécessaire de redonner à l'aérostat un peu d'altitude.

Une fois la nacelle charge-utile et la chaîne de vol définies, la masse embarquée est connue. L'analyse de mission se poursuit pour effectuer le choix du ballon (de l'enveloppe) le plus adapté.

Des enveloppes en pleine évolution

Le choix et le dimensionnement de l'enveloppe sont validés par une simulation du vol prenant en compte les caractéristiques de l'aérostat et l'environnement naturel dans lequel il doit évoluer.

Dans le cas où l'enveloppe choisie ne serait pas dans le catalogue standard (ballon ouvert avec ou sans clapet, montgolfière infrarouge, pressurisé, traceur), l'étude d'un nouveau ballon est envisagée.

Une fabrication sous contrôle qualité

Les enveloppes sont fabriquées, depuis quasiment leur origine, par la société Zodiac International. La qualité des enveloppes étant capitale, le CNES veille à l'application stricte d'un système qualité mis en place chez l'industriel. Les matériaux sont fournis principalement par les sociétés spécifiques pour le polyéthylène linéaire et pour le polyester.

Le CNES assure en parallèle l'évolution des matériaux, des méthodes et des moyens de fabrication des ballons.

Pour cela, il entretient, entre autres, un réseau de compétences pour mener à bien les études fondamentales, notamment avec le Laboratoire de Physique des Polymères (LPP) de l'Université Paul Sabatier (UPS) à Toulouse, l'Institut des Arts et Métiers (ICAM) de Toulouse ... et bénéficie du soutien du laboratoire d'étude et de caractérisation ballons à l'ONERA-DESP.

Des lancements toutes conditions

Plusieurs méthodes de lancement sont actuellement utilisées, suivant le type (et surtout la taille) des ballons. Gonglage sur une table de gonflage pour les ballons pressurisés, ou encore en traîne lovée ou traîne tendue en plein air pour les ballons ouverts avec (selon les charges embarquées) avec un ou plusieurs ballons auxiliaires.

Toutes ces méthodes permettent d'effectuer des lancements, avec une très grande souplesse d'adaptation, depuis des sites dépourvus d'infrastructures lourdes sans aucun aménagement spécial, équipés d'aires de lancements réduites et avec peu de visibilité (de nuit ou par brouillard).

L’utilisation de ballons auxiliaires, méthode originale mise au point par le CNES, réduit les contraintes sur les nacelles qui ne subissent aucun choc au décollage car exemptées de traînage au sol. Cette méthode réduit également les contraintes météorologiques au lancement (vent).

Tout le matériel nécessaire au lancement ainsi que les moyens de suivi et d'acquisition de données ont été optimisés et sont facilement transportables. Les stations de télémesure/télécommande, ainsi que les moyens opérationnels de contrôle ont été regroupés dans des ensembles mobiles, pour faciliter le transport et la mise en œuvre tout en assurant une autonomie sur le plan des infrastructures.

Les équipes de lancement, fortes d'une expérience de trente-cinq ans, ont acquis un savoir-faire qui a permis, compte tenu des méthodes de lancement et de la mobilité du matériel au sol, de lancer des ballons allant de quelques mètres cubes à 1 200 000 m3avec des nacelles de quelques centaines de grammes à plus d'une tonne, depuis de nombreux sites à travers le monde, de Ushuaia (Argentine) à Kiruna (Suède) en passant par les tropiques et l'équateur, de jour comme de nuit, avec des températures au sol pouvant être supérieures à + 40° et inférieures à - 50°C.

Les équipes du CNES suivent le vol du ballon et, selon le type, effectuent le contrôle du profil du vol, l'excursion d'altitude, la descente lente (ouvertures et fermetures du clapet, délestages) et la séparation finale.

Fin de vol et récupération

Une fois la mission scientifique accomplie, une commande provenant du sol impose la séparation de l'aérostat, à la base de l'enveloppe.

La chaîne de vol et la nacelle descendent sous parachute et l'enveloppe en chute libre, pour être récupérées au sol par une équipe disposant de véhicules tout terrain et d'hélicoptère.

Cette récupération s'effectue parfois en coopération ou entièrement par des services étrangers selon le pays où atterrissent les éléments.

Pour certaines nacelles et dans certaines configurations, la récupération demande une grande rapidité d'intervention, compte tenu des contraintes scientifiques (maintien au froid d'équipements avec de l'azote liquide, etc.) ou des contraintes de sauvegarde (mise en sécurité du site dans le cas de l'atterrissage d'un des éléments sur une voie de circulation, par exemple).

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