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...
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.
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.
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.
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. 
Utilisation de plusieurs parachutes