9 Août 2012

Ballonnier, un métier à part

En France, le Centre National d'Etudes Spatiales (C.N.E.S.) est responsable du développement et de la mise en œuvre des ballons au profit des communautés scientifiques française et internationale.

Au CNES, une structure dédiée aux Ballons

Chaque année, de nombreux vols sont effectués soit en France (actuellement de moins en moins), soit dans d'autres pays en fonction des objectifs scientifiques et des contraintes de sauvegarde.

Avec près de 60 personnes travaillant à l'année sur la conception, la production et le lancement de ballons dédiés à la recherche scientifique, la sous-direction Ballons du CNES est unique.

Les équipes opérationnelles sont basées à Aire-sur-l'Adour (Landes) ; c’est là qu’elles mettent au point la stratégie de lancement des aérostats.

Rattachés historiquement à la division Aéronomie du CNRS qui lance ses premiers ballons en France en 1961, puis depuis les îles Kerguelen en 1962, les ballonniers français s'installent à Aire sur l'Adour en 1963, une base géographiquement idéale (à l’époque) pour effectuer des lancements de ballons stratosphériques.

L’activité opérationnelle de ce centre, dont la vocation est d'assurer un soutien à la recherche scientifique, sera rattachée au CNES dès 1964.

Quant à la conception, à la recherche et au développement ainsi qu'au suivi de fabrication des ballons, ces activités sont localisées à Toulouse.

Des lancements délicats …

Particulièrement, le lancement des gros ballons stratosphériques ouverts (BSO) n'est pas une opération simple, compte tenu des dimensions des ballons, des forces mises en jeu, de la fragilité des nacelles et des vents au sol.

Les problèmes sont essentiellement la mesure précise de la quantité de gaz que l'on doit introduire dans l'enveloppe et la prise en compte par le ballon de la nacelle scientifique sans lui faire subir le moindre dommage, toutes ces opérations devant être effectuées en présence d'un vent au sol non nul.

La mesure de la quantité de gaz (hélium) à introduire dans le ballon peut être faite de différentes manières.

La méthode la plus utilisée en France consiste à mesurer la poussée d'Archimède créée par le gaz au moyen de pesons ou de bascules.

Pour cela, on bloque le ballon dans un largueur qui le divise ainsi en deux parties : l'une est la bulle, où le gaz est introduit, l'autre la traîne, sans gaz et reposant au sol.

La mesure de la poussée d'Archimède est effectuée au niveau du largueur. Lorsque la quantité suffisante de gaz a été introduite dans le ballon, les manches de gonflage sont fermées, le ballon est libéré du largueur et va prendre en compte la nacelle.

Deux méthodes peuvent être employées pour cette dernière opération :

  • la première consiste à utiliser des ballons auxiliaires qui arrachent du sol les équipements fragiles, dont la prise en compte par le ballon principal se fait alors en l'air, sans à-coups ; le ballon auxiliaire est ensuite largué.
  • La deuxième méthode utilise une grue qui porte sous sa flèche la nacelle ; une fois le ballon largué, la grue se déplace de manière à amener la nacelle à la verticale du ballon ; elle est alors désolidarisée de la grue et l'ensemble s'élève.

La spécificité française

A l'échelle du monde, deux nations ont soutenu massivement un programme national scientifique de ballons : les Etats-Unis et la France. Leur savoir faire est adapté à des conditions différentes.

Les ballonniers américains, bénéficiant de très larges espaces, ont plus de facilité à trouver des zones de récupération sécurisées (dans le désert du Nouveau Mexique par exemple).

Ils ont préféré condenser en peu de vols plusieurs expériences scientifiques sur de très gros ballons (dont la charge scientifique, souvent pour la recherche astronomique, est en moyenne de 2 tonnes).

Les Français, eux, ont souvent à faire à des charges scientifiques plus modestes (l'aéronomie, très présente dans leur programmation, ne nécessite pas de très gros équipements) ; ils travaillent avec des ballons plus petits (dont la charge peut aller jusqu’à 500 kg). En multipliant les vols, ils ont acquis une grande maîtrise qui leur permet de lancer jusqu'à plus de 25 ballons durant une même campagne ! (En général, les Américains en effectuent 4 par campagne).

Adaptée à ces différences de stratégies, la méthode de lâcher varie donc suivant les deux équipes : les Américains privilégient le lancement à la grue et les Français travaillent sur la base de ballons auxiliaires (les seuls à travailler ainsi).

A noter que ces derniers ont longtemps utilisé également les lancements à la grue, lorsque de plus lourdes charges (d’astronomie principalement) étaient demandées à être lancées par la communauté afférente.

Une expérience reconnue

Forts de plusieurs décennies d'expérience, les Français ont capitalisé un vrai savoir-faire qui, après avoir séduit et convaincu la communauté scientifique française, s'impose à l'étranger. Pour les utilisateurs, c'est non seulement l'assurance de bénéficier d'une compétence mais aussi celle de pouvoir exporter leurs expériences en dehors du territoire français en bénéficiant de tout l'appui logistique des équipes du CNES, rodées aux déplacements.

D'ailleurs, c'est durant les grandes campagnes arctiques ou antarctiques que les équipes opérationnelles du CNES font des prouesses …Dans ces conditions extrêmes, le personnel souffre comme le matériel !

Et le lâcher d'un ballon stratosphérique est une opération délicate. Il faut placer en position verticale, sans heurts, un ensemble pouvant mesurer 300 m de hauteur et peser des centaines de kilos, savoir l'accompagner au décollage afin d'éviter la rupture de la chaîne de vol.

Une fois en l'air, le ballon doit être surveillé et amené à son plafond, grâce à un pilotage à distance.

Ensuite, il faut pouvoir déclencher sa descente selon le profil prévu et assurer la récupération de la nacelle, ainsi que les instruments en bon état de marche.

Une compétence qui s'acquiert au fil des ans, car il n'existe pas d'école pour apprendre à mener à bien ces opérations.

Des matériaux poussés à l'extrême

Pour assurer cette importante activité de terrain, toute une équipe travaille, en amont, à l'étude, à la conception et à la fabrication de ballons.

C'est à Toulouse où se trouve le service Véhicules Porteurs que sont conçus techniquement les différents types de ballons. Et, pour pouvoir réaliser des missions dans la stratosphère, sont utilisées des technologies toujours à la limite de leurs possibilités.

Toute la difficulté est là !

En effet, pour voler longtemps à très haute altitude, il faut travailler avec des marges très faibles, ce qui n'est pas habituel dans le spatial.

Par exemple, sont utilisés de manière opérationnelle des matériaux jusqu'à -90°C alors qu'ils se fragilisent à -95°C ….

Dans ce domaine, les matériaux doivent donc répondre à une gamme d'exigences contradictoires (légers mais robustes, en particulier …), aux ingénieurs de trouver les bons compromis en jouant sur leurs limites pour assurer le bon déroulement de la mission !

Les matériaux sont essentiels.

Le CNES utilise uniquement, pour fabriquer ses ballons, des films polymères et mène des études en amont en relation avec l'Université Paul Sabatier de Toulouse.

Ces films, très fins, ont des propriétés thermo-optiques et des propriétés mécaniques précises.

Achetés en milieu industriel, ils doivent être adaptés à la spécificité de cette fabrication, réalisée par la société Zodiac International.

Des spécialistes du domaine thermique

La connaissance de l'environnement thermique et des réactions du ballon est la base du métier.

Le vol est, en effet, entièrement conditionné par le comportement thermique de l'enveloppe du ballon et du gaz qu'il contient, comportement qui permet de définir les niveaux de surpression d'un ballon pressurisé, la portance d'une montgolfière infrarouge ou la durée de mission d'un ballon stratosphérique ouvert.

Il faut donc jouer sur les caractéristiques du matériau pour obtenir des conditions favorables d'échanges radiatifs entre le ballon et son milieu car les échanges thermiques se font essentiellement par rayonnement et convection interne au ballon.

Pour arriver à de meilleurs résultats tout en diminuant les marges de risque, il faut bien maîtriser la compréhension du produit, en particulier le comportement mécanique de l'enveloppe et la thermique du véhicule.

Optimiser toute la chaîne de vol

Sous le ballon, la chaîne de vol comprend le système de récupération, la nacelle de servitude opérationnelle (NSO) pour contrôler le vol du ballon et la nacelle scientifique qui porte les instruments.

Un service spécifique (Nacelles Ballons) travaille constamment à l'évolution de ces éléments et au développement de nouveaux systèmes. L’informatique vient alors s'ajouter aux compétences électroniques, mécaniques, et techniques d'asservissement des ballonniers du CNES.

Quant à la nacelle scientifique, les supports aux scientifiques sont très variés et peuvent aller jusqu'au service de mise en oeuvre de nacelle pointée.

Tous participent à cette chaîne de compétences

Rechercher toujours à allier la qualité et la performance maximum tout en jouant sur les matériaux est un défi quotidien.

Tous les agents de la sous-direction Ballons du CNES participent à cette chaîne de compétences et tous s'accordent à trouver ce métier unique.

Nulle part ailleurs dans le domaine spatial on ne peut participer à toutes les étapes depuis les études jusqu'à la mise en œuvre d'un système.

Or, la durée de développement d'un ballon (quelques mois à quelques années tout au plus) est sans commune mesure avec les dix ans nécessaires pour concevoir un système satellitaire.

Ceci permet à un même agent de suivre et de participer de bout en bout à un développement et de tirer les leçons du retour d'expérience.