Vol du 17 novembre 2007

Nacelle : ERAINA Zéphir

Lâcher du parking du Zéphir (Cayenne, Guyane Française)

Fête de la Science 2007

COMPTE-RENDU DES MESURES EFFECTUEES LORS DU LACHER DE BALLON STRATOSPHERIQUE

NACELLE : ERAINA Zéphir – 17 novembre 2007 Fête de la science 2007

Utilisation de la nacelle NOTE en parallèle

(photos aériennes)

version du 5 janvier 2008, Cayenne

HEYREND Christophe, IANTE SPCFA Guyane

(Interlocuteur Académique pour les Nouvelles Technologies pour l'Enseignement en Sciences Physiques et Chimiques Fondamentales et Appliquées)

e-mail : christophe.heyrend@ac-guyane.fr site SPCFA Guyane : http://www.guyane-education.org/physique

LE LACHER DU BALLON

Le beau temps était au rendez-vous. La station de télémesure était installée sous un chapiteau à l’ombre. Le balisage de l’aire du lâcher du ballon permettait de travailler dans de bonnes conditions, tout en permettant au public présent de voir les opérations. Nous avons fait participer quelques enfants de tout âge au gonflage et lâcher du ballon.

Nous avions dans l’idée d’utiliser la nacelle NOTE équipée d’un appareil photo numérique commandable à distance. (merci à Planète Sciences Midi-Pyrénées, au CNES et à Fred !) pour faire des photos de l’aire de lâcher pendant sa préparation et pendant le gonflage du ballon. Cependant les vents n’ont pas permis d’aller aussi loin dans notre démarche. Nous avons pu prendre quelques photos, et faire un photomontage du Zéphir, lieu du Village des Science.

Voici ce qu’a donné l’assemblage des photos aériennes :

Avec un petit quart d’heure de retard sur l’heure H0 initiale, le ballon et sa chaîne de vol s’envolent dans le ciel guyanais. Crédit photos : 2007 ESA – CNES – ARIANESPACE Activité Optique Vidéo CSG & HEYREND Christophe

LA TELEMESURE, DONNEES ET EXPLOITATIONS

I – PROBLEME RENCONTRE SUR LES MESURES Le capteur de pression utilisé (MPX5100AP) donne une tension comprise entre 0 et 5V, en fonction de la pression atmosphérique. Jusqu’à 14km d’altitude, les mesures sont très bonnes, et permet même une modélisation précise de la pression en fonction de l’altitude. Cependant, pour les faibles pressions rencontrées au-delà de 14km d’altitude, ce capteur n’est plus assez précis, et nous donne une tension de 0V inexploitable :

II – SOLUTION PROPOSEE En modélisant l’altitude de montée en fonction du temps de vol, on obtient une droite affine relativement précise. Nous utiliserons alors ce modèle pour obtenir les valeurs de l’altitude au delà de 14km (là ou le capteur de pression ne donnait rien) : Ainsi, sur chacun des prochains graphes d’exploitation seront dessinés :

- en jaune : les points de mesures avec l’altitude calculée via le capteur de pression (et on observera à chaque fois un tassement des points de mesure au delà des 14 km)

- en orange : les points de mesures avec la bonne altitude (modélisée d’après la montée du ballon).

- en rouge : lorsque c’est possible, une modélisation mathématique sera proposée. Deux types de graphes pour chaque grandeur physique ont été tracés :

- Evolution de la grandeur physique en fonction de l’altitude, qui permet de créer des modèles mathématiques,

- Evolution de la grandeur physique en fonction de l’heure, qui permet de mettre en évidence les passages du ballon à la tropopause (passage de la troposphère à la stratosphère), l’éclatement du ballon, la montée, la descente, la chute de la nacelle...

III – DONNEES PRINCIPALES DU VOL Heure de lâcher : 15 h 14 Eclatement du ballon :

Heure : 17 h 02 après 108 minutes (1h 48) de vol Altitude : 22 632 m d’après altitude modélisée

Chute : Heure : 17 h 49 après 155 minutes (2 h 35) de vol

Altitude : 400 m Juste avant la fin d’émission, la réception était encore très bonne. On peut donc en déduire que la nacelle émettait

encore avant sa chute à 400 m d’altitude. Elle n’est donc pas tombée en mer (contrairement aux prévisions). On peut supposer, aux vues des altitudes en proximité de Cayenne, qu’elle est retombée au sud du point de lâcher (avis aux baroudeurs !!).

?

Temps de montée : 108 minutes (1 h 48) Vitesse ascensionnelle moyenne : 3,5 m/s (12,6 km/h) Temps de descente : 47 minutes Vitesse de chute moyenne sous parachute : 8 m/s (28,8 km/h) Altitude de la tropopause (séparation de la troposphère et de la stratosphère) : 10 km environ Lors de la montée, estimée à 9,6 km ; Lors de la descente, estimée à 10,5 km IV – EVOLUTION DE L’ALTITUDE ET DE LA PRESSION (Capteur MPX5100AP)

Comme indiqué dans la partie I- , ce graphe met en évidence la limitation du capteur de pression au dessus de 14 000 m. En dessous de cette altitude, les mesures permettent une modélisation très précise. A partir de la pression, on peut en déduire l’altitude à partir d’un modèle mathématique. Nous avons repris celui de la troposphère proposé par Planète Sciences, en adaptant la température et la pression au sol.

La pression diminue avec l’altitude.

<- Modélisation lors de la montée du ballon qui permettra de corriger l’altitude au dessus des 14 km. Altitude en fonction de l’heure du vol.

Zone de non fonctionnement du capteur de pression

V – EVOLUTION DE LA TEMPERATURE (Thermistance CTN 22k en pont diviseur de tension)

Troposphère

Stratosphère

Tropopause (séparation de la tropopause et de la stratosphère)

La température diminue avec l’altitude jusqu’à la tropopause située à environ 10 km. Au-delà, la température stagne à -60°C environ puis réaugmente. L’ensemble est conforme à la théorie.

Eclatement du ballon

Descente Montée

On retrouve une évolution similaire dans la première partie qui correspond à la montée du ballon, puis un graphe symétrique un peu plus court, qui correspond à la descente sous parachute (plus rapide). On peut en déduire l’heure d’éclatement du ballon.

VI – EVOLUTION DE L’HUMIDITE RELATIVE (Capteur HONEYWELL HIH4000-001) Beaucoup de points de mesures éparpillés, cela peut être dû à des coups de vent sur le capteur, une trop forte sensibilité de celui-ci ou des parasites. Une courbe de tendance permet tout de même de montrer que l’humidité relative (en pourcentage) diminue avec l’altitude jusqu’à la tropopause, puis réaugmente légèrement dans la stratosphère. Cette réaugmentation sera à vérifier. Le ciel étant dégagé toute la journée, la nacelle n’a visiblement pas rencontré de nuage sur la montée (qui aurait alors fait varier subitement l’humidité), peut-être sur la fin de la descente (montée puis descente subite de l’humidité). On retrouve par symétrie la même évolution pendant la descente de la nacelle, avec une humidité relative beaucoup plus élevée en basse altitude à la descente qu’à la montée (Heure ? Forêt ?).

Eclatement du ballon

Descente Montée

nuage ?

VII – EVOLUTION DE L’ECLAIREMENT (Photorésistance en pont diviseur de tension) Le capteur d’éclairement était positionné au dessus de la nacelle. Peut-être pouvait-il nous donner une indication sur l’éclatement du ballon (heure précise, retournement ou pas de la nacelle…). Les résultats montrent une baisse de la luminosité jusqu’à la tropopause, puis une légère augmentation à stratosphère. Aucune indication sur l’ombre du ballon… Il est à noter que l’échelle verticale des ordonnées pose un problème (il faut la diviser par 100 environ). La méthode de modélisation de ce genre de capteur (photorésistance) est à améliorer ! Aucune information probante concernant l’éclatement du ballon n’a pu être relevée avec ce capteur.

On retrouve sur ce graphe en fonction du temps l’évolution précédente lors de la montée du ballon et son symétrique après l’éclatement du ballon. Mise à part la luminosité générale qui décroit au fur et à mesure que le soleil se couche, rien de précis ne ressort de cette mesure.

VIII – EVOLUTION DU FLUX INFRAROUGE (Quatre photodiode IR) La nacelle était pourvue de quatre capteurs de flux IR (photodiode IR), un sur chaque face verticale. La rotation de la nacelle aurait trop fait varier la mesure s’il n’y avait eu qu’un seul capteur. Une moyenne des mesures des quatre capteurs a donc était faite, puis exploitée. Une courbe de tendance est encore une fois nécessaire pour se rendre que plus on monte en altitude, plus il y a d’infrarouges. Des mesures plus précises seront nécessaires, et pourquoi pas des tests en UV, et en fonction des différentes couleurs de la lumière blanche (avec des filtres). IX – EMETTEUR KIWI – STATION DE TELEMESURE Aucun problème à ce niveau, puisque l’émetteur KIWI à fonctionner correctement pendant tout le vol. Une légère réorientation de l’antenne a été nécessaire lorsque le ballon était à son plus haut niveau. La valise de télémesure associée au logiciel Kicapt a également très bien fonctionné pendant toute la manipulation. A quand une évolution du logiciel Kicapt où on pourrait créer des grandeurs à partir des tensions mesurées, et où les graphes tracés ne seraient plus des tensions mais directement les grandeurs physiques (calculées à partir des données tensions reçues en direct et des modèles préparés) ? ;-) Remerciements à tous ceux qui sont venus assister au vol, qui nous ont aidés le jour J ou qui nous ont interrogés. Merci à tous ceux qui ont participé à la préparation de ce projet (Mathilde S., Jean-Philippe Z., Annie N., Fred B., Anabel U…, Anne S.D., Charly A.C. …) et un merci particulier (préparation, jour J, …) à : Nicole C. & Jean-Noël N.

photos : nacelle NOTE