10 Août 2012

Phases de vol d'un BSO

Afin d'assurer la mission de l'instrument, le véhicule BSO passe par différentes phases de vol : le lâcher, l'ascension, le vol plafond à proprement parler, la séparation, la descente et la récupération.

Le lâcher

BSO en fin de phase de gonflage © CNES

Le lâcher est la phase la plus délicate du vol. Pour les ballons les plus volumineux, il faut mettre en position verticale un équipage de près de 300 m de long et de plus de 4 tonnes, en évitant que le ballon ou la nacelle ne subisse la moindre avarie.

Une telle opération est fortement tributaire des conditions météorologiques au sol.

L'ascension

Décollage d'un BSO © CNES

L'ascension est la première partie du vol et la plus critique pour le ballon.

Au cours de son ascension, l'enveloppe rencontre une pression atmosphérique de plus en plus faible : en conséquence, le gaz se dilate progressivement ; c'est en prévision de cette dilatation, inévitable, que l'on utilise des enveloppes de très grandes dimensions, 100 ou 200 fois plus volumineuses que la bulle de gaz initiale.

De plus, le gaz tend à se refroidir suivant une loi adiabatique (sans qu'aucun échange de chaleur n'intervienne entre le système et le milieu extérieur).

L'air environnant se refroidissant lui-même, suivant une loi proche de l'adiabatique jusqu'à une altitude de 11 000 m (la tropopause), le ballon monte alors à vitesse sensiblement constante.

Au-delà, la température atmosphérique se stabilise, dès le passage de la tropopause, puis augmente à partir de 20 km.

Le gaz dans le ballon continuant à se détendre, sa température décroît.

Le rapport des températures air/gaz modifie le rapport des densités.

La force ascensionnelle tend alors à diminuer, le ballon ralentit et peut même dans certains cas extrêmes s'arrêter. Ce ralentissement provoque une diminution du taux de détente, donc du refroidissement, ce qui favorise le réchauffement par l'air environnant. 

Si le ballon a une trop grande vitesse ascensionnelle, dans une atmosphère très froide, la température du gaz peut atteindre les limites thermiques de l'enveloppe (-95°C).

Aussi faut-il choisir une vitesse de montée telle que la température interne n'atteigne pas la température de transition vitreuse qui provoquerait la destruction du ballon.

En pratique, on retient une force ascensionnelle capable de donner une vitesse théorique (équilibre des températures) d'environ 5 mètres par seconde dans la basse atmosphère (troposphère).

La vitesse ascensionnelle est perturbée par les variations de pression et de température rencontrées aux différents niveaux ; ces anomalies sont compensées, si elles ralentissent trop le ballon, par du largage de lest.

Le vol au plafond

S’instaure alors naturellement un équilibre entre la poussée d'Archimède et le poids total de l'aérostat (enveloppe + gaz + charge utile).

Le ballon a atteint son plafond : il ne monte plus mais continue de dériver au gré des vents.

Pendant le vol diurne au plafond, le soleil réchauffe le gaz qui se dilate et s'évacue par les manches.

Cette perte de gaz provoque une légère diminution de la force ascensionnelle, le ballon descend alors vers une zone plus froide et plus dense, provocant la contraction du gaz.

Cette contraction entraîne une élévation de la température du gaz, donc une dilatation et une remontée du ballon.

Ce phénomène produit une oscillation de 0,2 à 0,3 hPa (~ 30 à 50 m) de l'altitude de vol pendant le plafond mais l’altitude du ballon reste sensiblement constante jusqu'au coucher du soleil.

L’altitude du plafond dépend du besoin de l'utilisateur.

Elle est fonction du gaz, du volume du ballon, et du poids de l'ensemble de vol.

Sa durée varie en fonction de la vitesse du vent à cette altitude, des impératifs de sauvegarde (sécurité des populations au sol) et de récupération ainsi que du besoin de l'utilisateur.

Au plafond la nacelle subit, dans les trois axes, des balancements inférieurs au degré, et une rotation de l'ordre de un degré par seconde, due au mouvement propre de l'enveloppe.

Pour les raisons exposées ci-dessus, un BSO ne peut être complètement gonflé qu'à partir du moment où il a atteint son plafond.

Il est alors à plénitude ; l'enveloppe prend la forme dite "naturelle" en forme de goutte d'eau inversée.

Le passage jour/nuit

A cause de la baisse de température qui l'accompagne par défaut de rayonnement solaire, le fragile équilibre se trouve rompu : le gaz se refroidit, son volume diminue ainsi que la poussée d'Archimède qui n'est plus alors suffisante pour maintenir le véhicule.

Le ballon perd de la portance et se met à descendre de manière irréversible s'il n'y a pas d'intervention extérieure.

Le seul moyen pour maintenir à son altitude un ballon ouvert lors du passage du jour à la nuit est de lâcher du lest.

Le pilote effectue alors une série de délestages afin de compenser la perte de force ascensionnelle.

La quantité de lest à larguer pour assurer le passage jour nuit avoisine 6 % de la masse totale du véhicule.

Les limites du procédé sont évidentes : pour un vol de quatre à cinq jours, le lest devrait représenter la moitié de la charge utile.

Quel serait l'intérêt d'un tel véhicule qui, finalement, ne transporterait guère autre chose que lui-même ?

L’excursion d’altitude

A la demande de certains utilisateurs, des sondages verticaux peuvent être effectués.

Pour cela, le pôle "ciel" du ballon est muni d'un clapet que l'on actionne par télécommande.

Son ouverture provoque une perte de la force ascensionnelle et le ballon commence à descendre.

L'ouverture par télécommande de la vanne de délestage provoque une diminution de la charge au crochet stoppant la descente ou provoquant la remontée de l'ensemble.

L'utilisation combinée des systèmes (clapet, vanne de délestage) permet de réguler les vitesses de montée et de descente et de stabiliser le ballon à des paliers d’altitude intermédiaires selon les besoins de l’expérience.

La séparation et la descente

Déclenchée par télécommande ou par minuterie, la séparation provoque la chute de la chaîne de vol et la déchirure du ballon.

La descente de la chaîne de vol s'effectue sous parachute ; l'ouverture de celui-ci provoque une décélération de la nacelle d'environ 2 à 3 g en général, mais qui peut, dans certains cas critiques, atteindre 10 g.

La descente dure environ 45 minutes pour une altitude de séparation d’environ 35 km.

L'enveloppe, quant à elle, redescend en chute libre à une vitesse avoisinnant les 20 m/s. Sa forme peut alors être "en torche" ou "en boule".

La récupération

La localisation des éléments de la chaîne de vol retombés au sol est effectuée par un système de balises et de récepteurs de localisation (Argos, GPS vis Iridium).

La récupération est effectuée soit à l'aide de véhicules terrestres soit à l'aide d'un hélicoptère.

Les éléments sont alors rapportés à la base de lâcher puis seront remis en configuration de vol (parfois pour un vol dans la même campagne).

Quelques vues de BSO sur leur site de lâcher © CNES