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 Gli involucri dei palloni-sonda

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(traduzione di Aki IZ0MVN)

Vedere anche: Lancio d'una radiosonda - Gli svolgitori di cordicella - I paracadute dei palloni-sonda

Definizione

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)).
Riferimento Tipo Peso (g) Lunghezza manichetta Lm (cm) Diametro manichetta d (mm) Diametro gonfiato D1 (m) Diametro allo scoppio D2 (m)
3000 KS 3000 ±110 18 ±2 50 ±4 9.0 13.5
2000 KS 2000 ±80 18 ±2 50 ±4 7.3 11.3
1500 KS 1500 ±50 14 ±2 32 ±4 6.3 10.0
1200 KS 1200 ±45 14 ±2 32 ±4 5.8 8.9
1000 KS 1000 ±35 12 ±2 32 ±4 5.3 8.2
800 KS 800 ±30 12 ±2 32 ±4 4.9 7.3
700 KS, KL 700 ±28 12 ±2 32 ±4 4.4 6.8
600 KS, KL 600 ±27 12 ±2 32 ±4 4.2 6.5
500 KS, KL 500 ±25 12 ±2 32 ±4 3.8 5.7
350 KS, KL 350 ±20 12 ±2 32 ±4 3.2 4.8
300 KL 300 ±15 12 ±2 32 ±4 2.9 4.3
200 KL 200 ±12 12 ±2 32 ±4 2.1 3.5
100 KL 100 ±10 9 ±1 14 ±3 2.0 2.4



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