Un pallone utilizzato per trasportare una navicella è un
involucro leggero, a tenuta di gas, soffice e che può essere
elastico o meno. Lo si riempie con un gas più leggero dell'aria
(idrogeno, elio…). Il suo volume e la densità del
gas che esso contiene determinano la forza verticale esercitata,
grazie al principio della spinta di Archimede.
I palloni che servono per le misure meteorologiche sono di due
tipi:
- palloni-pilota di piccolo diametro (massa dell'involucro generalmente
di 10 o 30g e fino a 200g) per la misura del massimale (plafond)
(quota alla base delle nuvole) e dei venti a bassa quota con l'aiuto
di un teodolite (i palloni sono colorati e portano una lampada
nelle misure notturne) o di un radar (un riflettore radar è
agganciato al pallone).
- palloni utilizzati nel quadro del radiosondaggio, delle esperienze
scolastiche (palloni-scuola) o palloni radioamatoriali. Sono generalmente
in latex e contengono da qualche centinaio di litri a qualche
metro cubo di elio (o idrogeno) in modo da portate un carico utile
non superiore a 3kg. La maggior parte delle volte sono gonfiati
in modo da scoppiare ad altitudini comprese tra dieci e quaranta
chilometri e per salire ad una velocità dell'ordine di
300m/min (5m/s).
Storia
Il primo pallone ad aria calda dei fratelli Mongolfier era in
carta ricoperta da tela di cotone. La carta assicurava la tenuta
che la tela di cotone, più resistente, non poteva avere.
Nel 1783, nel corso del primo volo di un pallone ad idrogeno,
il fisico Jacques CHARLES utilizza un involucro costituito da
un tessuto di seta impermeabilizzato da una vernice a base di
caucciù.
Nel 1824 il fisico inglese Michael FARADAY realizza il primo pallone
in latex.
Dopo qualche prova con involucri in carta oleata, Gustave HERMITE
e Georges BESANÇON utilizzeranno un pallone per la fabbricazione
del loro primo pallone-sonda nel 1892.
Con lo sviluppo del radiosondaggio, a partire dal 1930, gli involucri
in latex saranno prodotti industrialmente.
Fabbricazione degli involucri
Attualmente, si trovano correntemente
involucri in mylar metallizzato, non estensibili che possono prendere
forme diverse ed essere stampati (piccoli palloni per bambini,
per esempio). Il polietilene nero è usato in pellicole
di spessore 15 o 20 micron per realizzare "palloni solari".
Si possono trovare palloni in vinile (PVC) o in cloroprene (prodotto
che serve a fabbricare il Neoprene) ma gli involucri utilizzati
per il radiosondaggio sono generalmente in latex di colore crema
tendente al bianco in funzione dello stiramento dell'involucro.
Il latex è un caucciù naturale ricavato dall'albero
della gomma (evea). Gli involucri fabbricati in latex sono biodegradabili
e perdono molto rapidamente le loro caratteristiche meccaniche
sotto l'effetto del calore o della luce solare; la loro durata
di vita è più breve di quella in cloroprene ma le
loro prestazioni sono più adatte al radiosondaggio ad alta
quota. L'ozono e le radiazioni UV ad alta quota accorciano fortemente
la durata di vita di un pallone in latex.
Gi involucri sono fabbricati per stampaggio, sia immergendo una
forma piena in una emulsione di latex, sia per pressofusione,
iniettando il latex in uno stampo cavo. Questo secondo metodo
fornisce involucri con spessore più regolare.
La cannula di gonfiaggio è più spessa poiché
deve resistere alla trazione della cordicella. Il suo diametro
va da 1 a 5cm per una lunghezza da 10 a 20cm. Il diametro del
tubo è di 3 cm tra 200 e 2000gr, poi passa a 5cm. (foto
a lato).
Gli involucri in latex sono identificati dalla loro massa che
va da 10 a 3000 grammi; i tipi abituali per il radiosondaggio
vanno da 500 a 1200 g.
Fabbricanti più conosciuti:
- Totex (Giappone), il principale fabbricante mondiale di palloni
meteo;
- KKS Cosmoprene - The Weather Balloon Mfg (Giappone) (v. doc sotto);
- Pawan Rubber Products (India);
- Kaymont ex-Kaysam (USA) ha cessato la sua produzione ed ora
distribuisce Totex;
- Ningbo Yunhuan Electronics Group (Cina);
- Jiangsu Hongda Latex Products (Cina);
Caratteristiche generali dei palloni in latex
La tabella, qui sotto, raggruppa le caratteristiche seguenti:
- tipo di pallone = peso dell'involucro in grammi;
- D sgonfio = diametro approssimativo dell'involucro sgonfio (in
metri);
- D gonfio = diametro medio del pallone gonfiato pronto per essere
rilasciato (in metri);
- V gonfio = volume della sfera corrispondente al diametro "D
gonfio" (in metri-cubi);
- D scoppio = diametro del pallone allo scoppio (in metri);
- Prezzo indicativo in €: prezzo rilevato in luglio 2008
preso un fornitore USA e convertito in euro.
Nota: questi valori sono approssimativi e dipendono dal fabbricante.
tipo di pallone
Diametro sgonfio
Diametro gonfio
Volume gonfio
Diametro di scoppio
Prezzo in € (indicativo)
30 g
0.18
0.64
0.137
1.1
7
100 g
0.35
0.74
0.212
1.5
9
200 g
0.48
1.18
0.860
3
13
300 g
0.60
1.50
1.767
4.1
20
350 g
0.70
1.56
1.988
4.5
27
500 g
0.84
1.75
2.806
5.6
30
600 g
0.93
1.77
2.903
6.3
33
700 g
1.02
1.82
3.157
6.7
800 g
1.08
1.85
3.315
7.0
50
1000 g
1.15
1.88
3.479
8.0
59
1200 g
1.27
1.91
3.648
8.9
73
1500 g
1.40
1.96
3.942
10.0
2000 g
1.60
2.02
4.316
11.2
166
3000 g
1.90
2.17
5.350
13.5
283
Si vede che un'involucro da 800g, gonfiato normalmente, vede il
suo diametro moltiplicato per un fattore 3,8 tra il decollo (1,85m)
e lo scoppio (7m). Questo fattore è tanto più grande
quanto più è grande la massa dell'involucro vuoto
(tipo di pallone).
Vedere qui sotto il documento KKS-Cosmoprene.
Scelta dell'involucro e gonfiaggio
Lo scopo del radiosondaggio è
di effettuare una serie di misure tra il suolo e una quota desiderata.
La velocità di salita è scelta nell'intorno di 300m/min
(5m/s) perché l'aria circoli correttamente intorno ai sensori
e la durata del volo non sia né troppo lenta (in modo che
la radiosonda non derivi troppo lontano a causa del vento), né
troppo rapida (in modo che la differenza di quota tra due misure
non sia troppo grande).
In caso di vento forte o di pioggia, il pallone deve essere gonfiato
in modo da aumentare il suo volume dal 10 al 20% per ottenere
una velocità di salita più rapida (caso di un vento
forte) o per compensare l'appesantimento dell'involucro bagnato.
Per ottenere una quota di scoppio più elevata, si può
scegliere un involucro più grande e sotto-gonfiarlo leggermente,
basandosi sulla velocità di salita richiesta.
Esempio 1:
Per le misure di ozono, Payerne (Svizzera) associa un sensore
speciale a una SRS-PTU.
Il pallone è un Totex 2000Gr gonfiato a 3,7m3 (dunque sotto-gonfiato
se si consideta che il volume standard è 4,3m3). Con il
suo carico di 3,3 kg scoppia in media a 34 km di quota. Esempio 2:
Per le misure di vento alle 06Z e 18Z, Payerne utilizza una Windsonde e un involucro da 800Gr gonfiato
a 1,8m3 (per un volume standard di 3,31m3).
Il carico trasportato è di 1,16 kg comprendente:
· involucro: 800g
· cordicella 120g
· SRS400W: 240g.
La forza ascensionale totale calcolata è di 1,9 Kg (18,7
N) cosa che provoca una velocità di salita calcolata di
330m/min, abbastanza prossima alla realtà.
Esempio 3:
Ecco, estratti dalla documentazione Vaisala, quattro modi di sollevare
una RS92KL (carico utile 250g).
Tipo di pallone
TA 100
TA 200
CR 350
CR 500
Massa dell'involucro (g)
100
200
350
500
Volume al rilascio (m3)
0,34
0,83
1,35
1,57
Velocità di salita
(m/mn)
250
320
320
320
Quota di scoppio (m)
9200
21200
25700
28400
Sulla foto a lato si può
vedere il gonfiaggio di un pallone TA 600 a Ganovce, in Repubblica
Slovacca per il rilascio di una RS92KL (Foto di Tibor).
Queste radiosonde raggiungono in media una quota di 34km, cosa
che può essere ottenuta con un involucro da 600g sotto-gonfiato.
Il costo di un radiosondaggio può essere sensibilmente
ridotto utilizzando un pallone più piccolo; il prezzo dell'involucro
ma soprattutto quello dell'elio utilizzato è nettamente
più basso:
- uso di radiosonde più leggere (es: DFM-06, peso 90 g);
- scelta di una quota di scoppio minima (es: Lyon, 15000m in media).
L'uso dell'idrogeno, venduto a buon mercato, permette di diminuire
fortemente i costi legati al gonfiaggio in un rapporto di 15.
Questo gas, usato secondo regole rigorose, non è più
pericoloso del gas di città o del gas in bombole. Dal momento
che la sua densità è molto inferiore a quella dell'elio,
la forza ascensionale più grande permette l'uttilizzo di
involucri di più piccolo diametro. La stazione di radiosondaggio
dell'IRM a Uccle (Belgio) usa l'idrogeno per sollevare il rilevatore
di ozono e la sua RS92-SGP fino a più di 30000m con un
pallone Totex 155gr.
Salita
La forza esercitata sul pallone
è dovuta alla spinta di Archimede. Se il pallone ha una
massa totale (massa dell'involucro + massa del gas contenuto)
superiore alla massa d'aria corrispondente al volume del pallone,
subirà una spinta verso l'alto. Questa forza è proporzionale
al volume dell'involucro, dunque al cubo del diametro. Aumentare
il diametro del 10% equivale ad aumentare la forza ascensionale
del 33%.
Sulla curva qui a lato, si vede che un aumento del diametro di
0,1 m non ha la stessa influenza, sui vari diametri iniziali.
Per il diametro di 1,7m (standard, nel presente caso) una incertezza
del 5% produce una variazione del 10% nella velocità di
salita.
I fattori che possono influire leggermente sulla velocità
di salita sono la quota del sito di rilascio, la temperatura dell'aria
e la pressione atmosferica al suolo.
Un'altra causa importante di variazione della velocità
di salita è la forma dell'involucro che determina la resistenza
dell'aria attraverso il coefficiente di trascinamento del pallone
e attraverso la superficie del suo profilo visto da sopra. Questi
due fattori possono variare nettamente da una marca all'altra
ma anche da un esemplare all'altro.
Salendo, il pallone è sottoposto a una pressione atmosferica
decrescente, mentre l'aria, ugualmente, diventa più rarefatta.
La forza ascensionale ed anche la velocità di salita diminuirebbero
se il pallone non fosse elastico. Dilatandosi, il suo volume aumenta
e la forza ascensionale è costante, ragione per cui la
velocità di salita è press'a poco costante.
Scoppio
A forza di dilatarsi il pallone raggiunge il diametro di scoppio
indicato nelle specifiche. Per un involucro da 800Gr, il diametro
di scoppio è circa 7m, per un diametro di gonfiaggio nominale
di 1,85m alla partenza.
Le foto qui sotto sono state prese nel corso del volo del pallone
costruito e rilasciato dai radioamatori di Franche-Comté,
nel 2002. Una telecamera ha ripreso il pallone. Alla partenza
il pallone da 7,5 metri-cubi misura 3,1m di diametro. Allo scoppio
misura più di 11m, il suo volume si è moltiplicato
per 13.
Questa
foto e la seguente sono nella stessa scala, nello stesso posto.
Il punto luminoso in basso a destra è dovuto al sole.
Il pallone è a quota molto bassa
Qualche istante prima
dello scoppio a 34400m di quota. Il diametro del pallone e la
sua trasparenza sono aumentati fortemente. Si vede il paracadute
e i tre tiranti del carico.
Una smagliatura si produce
verso l'alto del pallone. Si vede l'ombra di una parte dell'involucro
sulla superficie interna del pallone.
L'involucro si svuota
del suo gas in una frazione di secondo. I tiranti ed il paracadute
non si sono ancora resi conto che il pallone è scoppiato.
Il pallone si disgrega
ma una parte non trascurabile dell'involucro resterà agganciato
al paracadute e ne provocherà la messa in torsione
La densità molto
bassa dell'aria a questa quota di più di 30000m è
insufficiente a gonfiare il paracadute che impiegherà
svariati minuti prima di frenare un po' il carico.
La quota alla quale si produce lo scoppio dipende da fattori multipli,
oltre al gonfiaggio:
- fabbricazione dell'involucro (variabilità del suo spessore...),
- durata dell'immagazzinamento dell'involucro,
- condizioni di immagazzinamento (temperatura, umidità...),
- precauzioni di manipolazione,
- condizioni atmosferiche al momento del rilascio (temperatura,
umidità...). Esempio: dispersione delle
quote di scoppio sulle RS di Stuttgart-Schnarrenberg.
Il gonfiaggio dei palloni-sonda a Stuttgart viene effettuato con
un lanciatore automatico Vaisala, cosa che non provoca grande
dispersione delle quote di scoppio, come illustrato nel diagramma
a lato.
Dai 58 valori si può calcolare una quota media di scoppio
di 28 km e uno scarto tipico di 5km (se si considera che siamo
in presenza di una distribuzione "normale", cosa che
non è proprio esatta).
Caduta
Nello scoppio, una parte dell'involucro si stacca dalla bocchetta
di gonfiaggio. Il resto gioca un ruolo essenziale nella caduta;
una parte se ne staccherà ancora in seguito se essa è
rapida (assenza di paracadute o paracadute impigliato nelle cordicelle)
ma può succedere che una parte consistente dell'involucro
vi resti aggrappata fino al suolo; secondo il caso, frenerà
la discesa se la resistenza che offre all'aria è preponderante
rispetto alla sua massa. Nel caso contrario essa perturberà
il funzionamento del paracadute e, abbastanza spesso, si ritroverà
al suolo completamente arrotolato nella cordicella con il paracadute.
Il comportamento dell'involucro è totalmente imprevedibile
e questo spiega in parte le grandi differenze di velocità
di caduta constatate, da un volo di pallone-sonda ad un altro.
L'involucro di questa
M2K2 si è lacerato in strisce. (photo F6EUZ)
Un pallone da 2000gr di
cui restano 600g circa.
Di questo pallone, munito
di una valvola per il gonfiaggio automatico, non resta niente
dell'involucro.
Documento:
caratteristiche dei palloni KKS-Cosmoprene
Questi palloni, di produzione giapponese, sono generalmente in
latex. Documentazione ricavata dal loro sito (v. pagina dei collegamenti (F)).
Attualmente, si trovano correntemente
involucri in mylar metallizzato, non estensibili che possono prendere
forme diverse ed essere stampati (piccoli palloni per bambini,
per esempio). Il polietilene nero è usato in pellicole
di spessore 15 o 20 micron per realizzare "palloni solari".
Si possono trovare palloni in vinile (PVC) o in cloroprene (prodotto
che serve a fabbricare il Neoprene) ma gli involucri utilizzati
per il radiosondaggio sono generalmente in latex di colore crema
tendente al bianco in funzione dello stiramento dell'involucro.
Lo scopo del radiosondaggio è
di effettuare una serie di misure tra il suolo e una quota desiderata.
La forza esercitata sul pallone
è dovuta alla spinta di Archimede. Se il pallone ha una
massa totale (massa dell'involucro + massa del gas contenuto)
superiore alla massa d'aria corrispondente al volume del pallone,
subirà una spinta verso l'alto. Questa forza è proporzionale
al volume dell'involucro, dunque al cubo del diametro. Aumentare
il diametro del 10% equivale ad aumentare la forza ascensionale
del 33%.
Esempio: dispersione delle
quote di scoppio sulle RS di Stuttgart-Schnarrenberg.
