(10)

 Les parachutes de ballons-sondes

Retour : 09- Documentation

Voir aussi : Lâcher d'un ballon-sondeLes dérouleurs de ficelle - Les enveloppes de ballons-sondes - Idées pour une exposition : la chute et la résistance de l'air - Présentation de parachutes pour une exposition - Le décodage des radiosondes - Le ballon-parachute -  Le capteur d'ozone ECC pour radiosondage - Les balancements de la nacelle d'un ballon-sonde -
et plus particulièrement : principe de calcul de la trajectoire de chute par itérations - l'ouverture du parachute - calcul de la trajectoire de chute complète d'un ballon -

Après l'éclatement, la chute

Immédiatement après l'éclatement du ballon qui l'emportait, le boîtier de la radiosonde ou du ballon-école entame une chute dont la vitesse se stabilise quelques centaines de mètres plus bas.
Cette vitesse de chute dépend à la fois du poids du boîtier et de la résistance qu'il offre à l'air dans lequel il se déplace. On peut dire que la vitesse est stabilisée lorsque ce poids, produit de la masse du boîtier par l'accélération de la pesanteur, est égal à la force exercée par l'air. Pour abaisser la vitesse de chute à une valeur inférieure à 5m/s (300m/min) les radiosondes sont généralement munies d'un parachute d'autant plus grand que la masse du boîtier est importante. Ce parachute est une simple précaution car, sauf cas exceptionnel, les dégâts causés par une radiosonde sont infiniment moins à craindre que ceux provoqués par une tuile arrachée par le vent.
 
 Radiosonde de Brest du 17/07/2010 photographiée peu avant l'impact par Nicolas F4BJW à Pontchâteau (44). On voit flotter au dessus de la corolle la ficelle du ballon et les restes (très limités) de l'enveloppe. L'objet blanc suspendu en dessous du cercle anti-torche est le dérouleur de ficelle.    Ce parachute parfaitement déployé était intégré dans l'enveloppe dont on voit les importants vestiges. Cette très belle photo de la RS92SGP d'Emden (DL) a été réalisée par Eric (PA)


Origine

Un parachute est un dispositif ajouté à un objet ou à un être vivant pour limiter sa vitesse de chute dans l'air. La nature n'a pas attendu que l'homme l'invente pour équiper les écureuils d'une queue touffue ou les graines de pissenlit d'un petit plumeau. Quoique, dans ce dernier cas, le but est surtout d'aider le vent à entraîner les graines en hauteur pour mieux les emporter germer ailleurs.
Tant que l'homme n'a pas été capable de s'élever très haut au dessus du sol il ne s'est pas vraiment préoccupé de redescendre lentement.


Histoire

Bien qu'il n'ait sans doute pas été le premier à réfléchir à la question, Léonard de VINCI imagina en son temps un parachute de forme pyramidale mais ce n'est que deux siècles plus tard qu'un prototype ayant évité à son concepteur de s'écraser au sol fut construit et expérimenté par Sébastien LENORMAND qui se jeta du haut d'une tour de l'observatoire de Montpellier le 26/12/1783. Quoique réussie, l'expérience ne fut pas renouvelée. C'est à André-Jacques GARNERIN que l'on attribue généralement la paternité du parachute car il ne se contenta pas de déposer un brevet mais testa lui même son invention le 22 octobre 1797 (gravure ci-jointe). Le prototype ne comportait alors pas de cheminée et manquait de stabilité.
Mais, cent ans plus tard, il y avait encore des inventeurs plus ou moins inconscients et incompétents pour se jeter du premier étage de la Tour Eiffel et creuser leur propre trou à ses pieds (20 cm de profondeur pour un tailleur voulant tester son manteau-parachute).
Ce sont les aérostiers qui ont bénéficié en premier de parachutes. Gonflés la plupart du temps à l'hydrogène, les ballons étaient souvent peu fiables et les accidents mortels fréquents. Bien sûr, le parachute n'est pas une assurance-vie car il lui faut quelques dizaines voire quelques centaines de mètres pour s'ouvrir et freiner la chute de celui qui s'y accroche mais les observateurs des ballons captifs d'observation chargés de surveiller les mouvements de troupes ennemies pendant la première guerre mondiale étaient contents de pouvoir quitter leur ballon en perdition lorsqu'il s'était fait descendre par un aéroplane hostile. Ce n'est que vers la fin de la guerre que les aviateurs eux-mêmes purent bénéficier de la sécurité d'un parachute.

Principe général

Si la Terre était privée d'atmosphère, comme la Lune, deux objets lâchés de la même hauteur percuteraient ensemble notre planète, que l'un soit une boule d'un kilogramme de plomb et l'autre un édredon d'un kilogramme de plumes. Par contre, en présence de l'air, la boule de plomb arrivera la première car le kilo de plumes, handicapé par son grand volume, donc la grande surface qu'il présente, subira de la part de la masse d'air traversée une force qui s'opposera à sa chute. Cette force est la résistance de l'air R que l'on peut calculer très facilement quand on connaît à la fois la masse volumique de l'air, la surface de l'objet quand on le regarde dans l'axe de son déplacement, sa vitesse de déplacement par rapport à la masse d'air et, ce qui n'est pas la caractéristique la plus facile à mesurer, son coefficient de pénétration dans l'air (encore appelé coefficient de traînée).
La formule qui permet de calculer cette résistance en newtons est bien plus simple qu'elle n'en a l'air puisqu'elle ne fait appel qu'à la simple multiplication :

R : résistance de l'air en newtons
k : coefficient représentant la masse volumique de l'air et le coefficient de pénétration dans l'air ou coefficient de traînée
S : surface en m²
V : vitesse de déplacement en m/s

Une remarque essentielle : la résistance de l'air est proportionnelle au carré de la vitesse : en multipliant la vitesse par deux, on multiplie la résistance par quatre. Comme la résistance de l'air est opposée au déplacement vertical de l'objet qui tombe, elle vient se déduire du poids P de cet objet. Et comme elle augmente avec la vitesse, il arrive un moment où R et P s'annulent, la vitesse est alors stabilisée.
Le rôle du parachute est de créer cette résistance de l'air. Ses deux caractéristiques principales sont sa surface S et son coefficient de pénétration. Ce dernier dépend de la forme du parachute.
En résumé, on peut dire que la vitesse de chute stabilisée à l'aide d'un parachute de forme donnée dépend à la fois de sa surface et de la masse de l'objet qui lui est accrochée.

Formes

Le parachute le plus connu a une forme circulaire, qualifiée également d'hémisphérique. Il est constitué traditionnellement d'un disque de toile fine (la voile, rep. V) ou d'un film en matière plastique, percé d'un trou en son centre (la cheminée, rep. C). A la périphérie du disque sont fixées des suspentes (rep. S), ficelles ou cordelettes au nombre minimum de quatre pour les petits parachutes et pouvant aller jusqu'à 20 ou 30 pour les plus grands. Les parachutes circulaires permettent d'obtenir des vitesses de chute très faibles. Sur le parachute ci-contre, utilisé sur les radiosondes, un cercle "anti-torche" (rep. A) évite que les suspentes ne se vrillent (voir plus bas). La ficelle supportant le boîtier est relié à un anneau F.
Lorsque l'ouverture du parachute doit se faire à très grande vitesse, pour le freinage d'un avion de chasse ou d'un élément de fusée, un parachute cruciforme (" X "-form " en anglais) est mieux adapté car sa surface se réduit quand la vitesse augmente, les branches de la croix, tirées par la traction sur les suspentes, s'orientent parallèlement à l'axe de déplacement et leur surface réduite a une influence minimum sur le freinage ; lorsque la vitesse diminue la surface augmente jusqu'à stabilisation de la vitesse.
Il existe de nombreuses formes de parachute, comme par exemple le parachute en forme de coussin de la dropsonde, conçu pour, à la fois, résister à un choc très violent à l'ouverture et pour stabiliser très rapidement la vitesse de la sonde.
Dimensionnement d'un parachute circulaire

Le calcul d'un parachute se déroule en deux étapes :
- détermination de la surface S afin d'atteindre une vitesse de chute donnée
- calcul de résistance mécanique de la toile, des suspentes… pour supporter le choc à l'ouverture.
a) Vitesse de chute et surface
Connaissant la vitesse de chute souhaitée on peut déterminer sommairement le diamètre du disque de toile à découper à l'aide de la formule suivante :

La formule réciproque, pour calculer la vitesse limite est la suivante :

Avec, pour les deux formules :
D : diamètre de la voile du parachute en mètres
m : masse totale à freiner en kg
V : vitesse limite en m/s
Le coefficient 3 convient pour un petit parachute de moins d'un mètre parfaitement déployé. Pour tenir compte des risques d'emmêlage des suspentes on peut utiliser un coefficient de 6.
b) résistance mécanique du parachute
Le calcul de dimensionnement de la voile, des suspentes et du système de fixation de la charge est particulièrement complexe. Les efforts appliqués à chacun de ses éléments lorsque la vitesse est stabilisée sont nettement plus faibles qu'au moment de l'ouverture, surtout si la vitesse de chute libre est élevée puisqu'on a vu que la résistance de l'air est multipliée par 4 à chaque fois que la vitesse est doublée. Pour un ballon dont le parachute va commencer à gonfler sa voile dès que la vitesse (nulle à l'éclatement) dépassera quelques mètres par seconde, les efforts sur les éléments constitutifs du parachute sont faibles.
Par exemple, une M2K2 de Trappes retombant lentement sous son parachute bien ouvert après un éclatement à 30963m a vu sa vitesse commencer à se stabiliser à -30,2m/s à 30662m. La résistance de l'air appliquée à son parachute était alors de 6,5 newtons. Elle a décrue jusqu'à 4,9N peu de temps avant l'impact, ce qui était en fait le poids de la M2K2, du parachute et des accessoires. On ne peut pas vraiment parler de choc dans ce cas alors que si l'ouverture du parachute avait été retardée jusqu'à ce que la vitesse atteigne 20m/sec à 3000m, la contrainte sur la ficelle reliant le parachute au boîtier aurait été de 144N, soit 24N sur chacune des six suspentes.

Vitesse de chute

Au moment de l'éclatement, la force ascensionnelle exercée par le ballon sur le boîtier s'annule brutalement, en moins d'une demi-seconde, et ce dernier se retrouve soumis à la seule pesanteur.
La vitesse verticale du boîtier, qui était de 5m/s par exemple, décroît très rapidement, s'annule en moins d'une seconde et commence à augmenter très vite. Dans les premières secondes de chute, la résistance de l'air est faible, d'abord à cause de la vitesse modérée et ensuite parce que la masse volumique est très faible (0,02 kg/m3 à 30000m soit 60 fois moins qu'à 300m d'altitude) mais grâce à l'accélération de la pesanteur, cette vitesse augmente très vite et atteindrait 100m/s en moins d'une douzaine de secondes si la résistance de l'air n'existait pas. Mais elle existe bel et bien et on peut calculer qu'une M2K2 suspendue à un parachute de 1m de diamètre parfaitement déployé et dont le poids total est de l'ordre de 5 newtons (un demi-kilogramme) verra sa vitesse se stabiliser à moins de 30m/s en une douzaine de secondes après l'éclatement.
Remarque : le terme de "vitesse stabilisée" ne signifie pas qu'elle va rester constante jusqu'au sol. Simplement, comme le poids de la chaîne de vol et la résistance de l'air se compensent, la RS et ses accessoires sont soumis à une accélération instantanée que l'on peut considérer comme nulle.
En réalité la vitesse ne fera que décroître au fur et à mesure que la masse volumique de l'air augmentera en abordant les couche plus denses de l'atmosphère. En général la vitesse d'impact d'une radiosonde varie de 120m/min (2m/s) à 720m/min (12m/s en l'absence de parachute et de restes d'enveloppe). Sur une durée relativement longue on peut dire que la chaîne de vol subit une légère accélération négative, donc une décélération .
 
 Alors que la montée est quasi rectiligne, la descente commence par une chute rapide dont la vitesse diminue avec l'altitude. Ici la vitesse de chute à l'impact a été rapide car le parachute ne s'est pas ouvert normalement.    Au sommet de la trajectoire la radiosonde monte encore quelques instants après l'éclatement (t=0) puis la vitesse augmente comme le montre la forme de la courbe.


 
 La vitesse de montée est à peu près stable à 5,7m/s (342m/min). Par contre la vitesse de chute au début de la descente atteint 60m/s pour se stabiliser à 10m/s peu avant l'impact, ce qui signifie un emmêlage de l'enveloppe et du parachute.    Peu après l'éclatement la vitesse de chute augmente rapidement et se stabilise d'abord à 50m/s. Elle augmente de nouveau jusqu'à 60m/s quelques minutes plus tard, sans doute à cause de l'emmêlage du parachute et des restes de l'enveloppe. Cet exemple est un cas parmi d'autres.


Calculs et simulations


Il suffit simplement d'un tableur comme Excel ou OpenOffice pour faire des simulations qui permettront de comprendre l'action combinée de la résistance de l'air et de l'attraction terrestre dans la chute d'un objet pesant mais freiné par un parachute.
La feuille de calcul Parachutes.xls permet ces simulations rapides. On ajoutera le nombre de lignes nécessaires.
Tableau 1 : simulation du début de la chute pour comprendre comment la vitesse se stabilise très vite. Pages : ouverture du parachute et principe de calcul de la trajectoire de chute par itérations

Tableau 2 : simulation de la descente complète, seconde après seconde. Voir page : calcul de la trajectoire de chute d'un ballon

Arabesques

Il arrive de temps en temps que la trajectoire dessinée par SondeMonitor présente de jolies arabesques pendant quelques instants de la phase de descente. Il ne s'agit pas d'un défaut du GPS mais d'un mouvement tournant de la sonde dont le parachute présente une forme propice à un déplacement horizontal qui ne se traduit pas par une ligne droite mais par une forme de ressort hélicoïdal. La dérive due au mouvement de la masse d'air provoque cet étirement en festons.
Lorsque l'amplitude des mouvements est plus faible (5 à 15m) et qu'ils sont plus réguliers il s'agit plus vraisemblablement du balancement de la sonde au bout de sa ficelle, comme le mouvement du balancier d'une horloge comtoise.

Réalisation d'un parachute expérimental


Autrefois les enfants nouaient des ficelles aux quatre coins de leur mouchoir et les reliaient ensemble à un petit morceau de métal, vieil écrou ou rondelle de plomb. Beaucoup de ces parachutes expérimentaux terminaient leur carrière dans les fils électriques ou téléphoniques.
Fabriquer un petit parachute aujourd'hui est encore plus facile grâce à l'abondance de matériaux légers et bon marché comme les sacs poubelle, par exemple. Une méthode convenant à des enfants est décrite sur la page : Présentation de parachutes pour une exposition. Ce peut être une bonne façon d'intéresser des enfants à la technologie aéronautique un dimanche pluvieux...


Les parachutes pour radiosondes

Totex est un des principaux fabricants mondiaux de parachutes pour radiosondes mais un de ses concurrents les plus originaux est le fournisseur du centre de Météo-Suisse à Payerne : une couturière qui réalise de superbes et très efficaces parachutes en toile de coton écru. Les parachutes de fabrication industrielle sont généralement en polyéthylène teinté en rouge.
Au bout des chaînes de vol retrouvées sur le terrain on découvre des parachutes de différentes tailles adaptées à la masse des boîtiers à freiner :
- 100g (DFM-06) : diamètre 55cm (quand elle est équipée d'un parachute...)
- 210 à 270g (M2K2DC ou RS92SGP) : diamètre 80 à 100 cm
- 880g (capteur ozone+RS92SGP à Uccle) : diamètre 175cm en polyéthylène plus épais.
- 1075g (capteur ozone+SRS400-C34 à Payerne) : diamètre 150cm en tissu
Se démarquant des autres parachutes Totex, le parachute intégré dans l'enveloppe du ballon avant le gonflage présente la particularité de ne pas encombrer le technicien radiosondeur au lâcher mais aussi de présenter moins de risques d'emmêlage du parachute et de l'enveloppe puisque celle-ci se trouve sous le parachute. La variabilité de la vitesse de chute est un peu plus réduite.

Voici quelques photos de parachutes utilisés sur les RS

 
 Parachute intégré dans le ballon et utilisé dans le lanceur automatique de Herstmonceux (G) (ph. F4EWZ)    Même modèle de ballon+parachute mais utilisé pour lâcher manuel à Idar-Oberstein (DL). Suspendu sous un arbre.


 
 Comparaison du modèle ordinaire de diamètre 95cm et d'un petit de diamètre 55cm    Parachute grand modèle de 175cm utilisé par Uccle pour les sondages ozone


 
 RS92-SGP de Camborne retrouvée le 21/11/2008 par F5JGW et F6DDV. Le dérouleur est fixé sur l'anneau en forme de rouelle.    Parachute en tissu utilisé par Payerne. Diamètre 150cm, masse 158g.

 
 Une pièce de la collection de Cliff : un parachute en papier fabriqué par des détenus d'une prison fédérale US en 1958.
Le "mètre" est gradué en inches...
   Modèle peu courant utilisé par la DGA en France avec les DFM-06. (ph. F1NVW)


Dysfonctionnement du parachute

Du fait que le pararachute est déployé dès le lâcher, il n'existe pas vraiment de problème d'ouverture. C'est au tout début de la chute que les ennuis commencent avec le mélange des débris d'enveloppes s'emmêlant avec les suspentes du parachute. Si l'éclatement est parfait, le manchon de gonflage seul ne gêne généralement pas le fonctionnement du parachute, la descente est alors très lente.
Il arrive toutefois que la torsion de la ficelle de la sonde se propage sur les suspentes qui se vrillent et réduise la surface de freinage en faisant se refermer la corolle (voir photo ci-dessous). Ce phénomène est généralement évité par la présence de l'anneau anti-torche présent sur la plupart des parachutes en plastique, sauf sur les parachutes en coton de MétéoSuisse et sur les parachutes intégrés.
La photo ci-contre de la sonde de Emden (DL) prise par Eric, chasseur néerlandais, montre l'ensemble enveloppe/parachute intégré complètement emmêlé. La vitesse de chute étant très rapide, les chances de réaliser une telle photo sont minces.
L'anneau anti-torche

Le parachute de la RS92KL de Milano retrouvée par Fer, IW1DTU (photo ci-dessous) comporte un anneau de forme polygonale dont le rôle est de tenir écartées l'une de l'autre les huit suspentes du parachute.
Pendant la montée, le boîtier de la sonde a tendance à tourner sur lui-même mais n'a pas la force de provoquer une torsion importante sur la ficelle. Par contre, lors de la chute, il peut arriver que le faisceau de suspentes se vrille et referme le parachute sur lui-même. L'anneau anti-torche permet d'éviter ce phénomène.
Son deuxième rôle est de maintenir les suspentes écartées au moment de l'éclatement et d'aider l'air à s'engouffrer dans la voile repliée dès que l'éclatement a eu lieu.

 
 Anneau anti-torche de forme polygonale    Les suspentes et la ficelle du ballon ont formé une torsade pendant la descente.


Le parachute et la chasse aux RS

Bien connaître le fonctionnement habituel du parachute de la radiosonde que l'on chasse peut être très utile pour prévoir son point de chute. Selon que le parachute remplit parfaitement son rôle ou non, l'écart de distance parcourue peut représenter plus d'une centaine de kilomètre en cas de vents importants.
Sur le terrain, c'est très souvent le parachute qui est repéré en premier, surtout s'il est rouge et agité par le vent. Il suffit ensuite de suivre la ficelle pour arriver à la radiosonde. Lorsque le parachute est accroché dans un arbre, il n'est pas toujours facile d'apercevoir la ficelle. On se souviendra alors que la radiosonde est la première à toucher le sol et que le parachute poursuit sa course, poussé par le vent. Il suffit ensuite de repérer la direction du vent au sol et de compter de 5 à 40 pas dans la direction d'où vient le vent.
Avant de partir en chasse, on aura intérêt à se renseigner pour connaître la présence ou non d'un parachute, son type (intégré dans l'enveloppe ou non) et sa couleur. Cette information pourra être très utile lors de la phase finale des recherches.

Utilisation de plusieurs parachutes

Pour une station de radiosondage pratiquant régulièrement des lâchers de sondes "normales" pesant 100 ou 200g et des lâchers de "capteurs ozone" (550g en plus de la RS) la gestion de deux stocks de parachutes, l'un de 95cm et l'autre de 175cm, peut sembler contraignante et coûteuse.
La station de De Bilt (Pays-Bas) a résolu le problème en remplaçant le grand parachute par deux petits attachés "en série" sur la chaîne de vol qui se compose de :
- ballon
- 5 m de ficelle
- premier parachute
- 5m de ficelle
- deuxième parachute
- 15m de ficelle
- Radiosonde
La photo ci-contre montre une sonde ozone de De Bilt (photo de Théo, SWL THBR) qui permet de se faire une petite idée de la chaîne de vol bien que le manchon, seul reste de l'enveloppe, ait sa ficelle emmêlée avec celle du premier parachute.




Remerciements

Les exemples de trajectoires utilisées dans les pages relatives aux parachutes de radiosondes ont été décodées et nous ont été transmises par : F1BMN, F1HCV, F1NCP, F4BHY, F4FKB, F4UGF, F6DDV, F6EFI, F6EPE, F6EYG, F6GVH, F6HCC, F8BNN, PE2G et Théo...