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Voir aussi : Lâcher
d'un ballon-sonde - Les
enveloppes de ballons-sondes - l'ouverture
du parachute - Les parachutes
de ballons-sondes -
Et plus particulièrement : principe
de calcul de la trajectoire de chute par itérations
- calcul de la trajectoire complète
de chute d'un ballon - Variations
de la vitesse de montée d'un ballon-sonde - Variation du volume d'un ballon en fonction
de l'altitude - Le ballon qui n'éclate
pas du tout -
Ce titre de "ballon-parachute" peut surprendre, Comment
un ballon peut-il emporter une nacelle en montant et freiner la
chute après l'éclatement ?
Problème
Il arrive que les scientifiques étudiant l'atmosphère
aient besoin de faire des mesures à la montée et
à la descente. Ce peut être pour étudier le
comportement des capteurs de radiosondes, par exemple pour un
capteur d'humidité on voudra vérifier l'inertie
de l'élément sensible après la traversée
d'un nuage. On sait qu'avec un parachute classique la vitesse
de chute est très élevée au début
de la chute, à haute altitude là où l'air
est peu dense, et que cette vitesse diminue progressivement en
approchant du sol (que le parachute fonctionne normalement ou
non) ; voir : calcul de la trajectoire
complète de chute d'un ballon.
Pour réguler la vitesse de chute, un parachute classique
ne convenant pas, il a fallu imaginer une autre solution : utiliser
deux ballons dont un est largué à une certaine altitude
et l'autre agira comme un parachute.
Principe
Dans un radiosondage ordinaire, la force ascensionnelle du ballon
est supérieure à la masse de toute la chaîne
de vol : enveloppe, ficelle, dérouleur, parachute, radiosonde
(ou nacelle d'un ballon-sonde école) et des autres accessoires
éventuels comme le réflecteur radar. On sait aussi
que la vitesse de montée se stabilise quelques secondes
après le lâcher car la résistance de l'air
s'exerçant sur l'enveloppe, proportionnelle au carré
de la vitesse de montée, s'oppose au déplacement
du ballon et compense la force ascensionnelle. On peut dire que
le ballon est ainsi à la fois un moteur, grâce à
la poussée d'Archimède, et un frein à cause
de sa surface et de la résistance de l'air. Ce phénomène
est expliqué simplement dans le paragraphe "Stabilisation
de la vitesse" de la page : variations
de la vitesse de montée d'un ballon-sonde.
En supposant qu'un ballon trop petit pour soulever toute la chaîne
de vol soit largué à haute altitude, l'ensemble
va descendre, entraînée par une force verticale orientée
vers le bas qui est son propre poids et freinée dans sa
chute par le ballon par deux forces dirigées vers le haut
: la poussée d'Archimède s'exerçant sur le
ballon plus léger que l'air et la résistance de
l'air provoquée par la vitesse de chute et proportionnelle
à la surface (maître couple) du ballon.
Un attelage utilisant un ballon-parachute sera donc composé
de :
- la charge utile : nacelle...
- le ballon "moteur" qui sera largué à
l'altitude voulue
- le ballon "parachute" qui freinera la descente après
avoir participé à l'ascension
Le ballon agit comme un parachute classique à cette différence
près :
- à haute altitude la masse volumique de l'air est faible
donc la résistance de l'air sera amoindrie mais comme le
ballon est fortement dilaté, la surface qu'il oppose à
son déplacement vers le bas, est maximum. Un parachute
ordinaire correctement déployé jouera son rôle
de frein également mais il sera bien moins efficace que
le ballon-parachute car sa surface sera relativement bien plus
réduite.
- au fur et à mesure qu'il descend le ballon diminue de
diamètre car il est comprimé par la pression atmosphérique
qui augmente ; sa surface diminue mais comme la masse volumique
de l'air augmente, sa force de freinage reste la même, la
vitesse de chute reste stable. La surface du parachute classique
reste la même mais comme la masse volumique de l'air augmente,
sa force de freinage augmente également ; la vitesse de
chute diminue.
Remarque : on serait tenté de penser que le comportement
du ballon utilisé comme parachute est le même pendant
la montée et pendant la chute. Ce serait le cas s'il n'y
avait pas de fuite de gaz et si l'enveloppe en latex ne voyait
pas ses caractéristiques modifiées après
un séjour en altitude. En arrivant au sol, l'enveloppe
distendue a la forme d'une poire à l'envers, son coefficient
aérodynamique Cx n'est plus celui d'une quasi-sphère
et la surface de son profil (vu de dessous) est, de ce fait, plus
petite.
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| Décollage. noter la taille des ballons. La boîte noire est le système de largage. | Largage du ballon principal. Le parachute rouge donne l'échelle pour estimer la dilatation du ballon-parachute. | Atterrissage. Remarquer la taille du ballon-parachute et son retard par rapport au parachute classique. |
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La photo de gauche (merci
à Météo-Suisse) montre le lâcher d'un
attelage de quatre radiosondes (SRS-C34 et RS92SGP) destinées
à la comparaison de plusieurs capteurs d'humidité. Il est entraîné vers le ciel par deux ballons : - un ballon principal de 3000g gonflé à l'hydrogène. Il sera largué à l'altitude choisie, ici 25000m. L'hydrogène est utilisé pour des raisons d'économie. Comme il est destiné à éclater après son largage, il n'y a pas de risque de nuisance due à l'inflammabilité de l'hydrogène. - un ballon parachute de 2000g gonflé à l'hélium. Il est gonflé pour éclater largement plus haut que 25000m mais n'a pas la force de soulever l'attelage. Ce dernier va donc l'entraîner vers le bas dès l'éclatement du ballon porteur. Pendant la phase de montée, il aide bien son collègue de 3000g. Il est gonflé à l'hélium car, par nature, il contiendra encore du gaz après être arrivé au sol, bien qu'ayant perdu une partie de son gaz. Les risques liés à l'inflammabilité du gaz sont nuls. Un parachute classique est accroché sous le ballon-parachute au cas où celui-ci éclaterait par erreur pendant le vol. Ici le système de largage est basé sur la fusion de la ficelle en matière plastique à l'aide d'une résistance. Le dispositif, très léger et fiable, est commandé par un circuit associé à un récepteur GPS. L'altitude de largage est contrôlée avec précision. Auparavant on utilisait un système barométrique (bien moins précis à haute altitude) ou encore une minuterie dont le réglage était fait en tenant compte de la vitesse de montée ; précision très moyenne également. A droite : le ballon parachute après l'atterrissage dans les arbres. Après l'atterrissage, son rôle n'est pas terminé car il va servir de balise visuelle à ceux qui le recherchent et jouer ainsi le rôle d'un amer. |
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| Photo Météo-Suisse | Photo F5ZV. Noter la forme de poire du ballon-parachute |