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Circuit définitif

Écrit par Guinard Julian le . Publié dans Le circuit de coupure

Nous avons constaté plusieurs problèmes avec notre circuit :

-          Dans un premier temps, chaque fois que nous alimentons le potentiomètre et le capteur de pression avec la tension de 5V délivrée par l’émetteur radio, le fil se mettait à chauffer sans raison ce qui n’était pas le cas lors de nos essais avec une alimentation normale. Nous n’avons détecté ce disfonctionnement, que lors de notre premier essai concluant. Il nous a valu une redescente plus tôt que prévu du ballon, c’est  à dire à 2000m d’altitude alors que nous avions prévu 3000 m. Est-ce que l’alimentation de l’émetteur subit parfois des coupures ? C’est un problème auquel nous n’avons pas réellement trouvé de réponse, mais pour y palier, nous avons décidé d’utiliser un régulateur à la sortie d’une pile 9V pour créer une alimentation 5 V indépendante ;

-         Obstinés, nous avons voulu tout de même laisser des points de mesure sur le circuit envoyés vers l’émetteur radio pour pouvoir suivre l’évolution des tensions en sortie du potentiomètre et du capteur de pression. Alors que nous nous apprêtions  à faire un second essai, à nouveau le fil a commencé à chauffer sans raison : nous avons donc décidé de couper tout lien avec l’émetteur radio !

Au départ, notre circuit n’était pas conditionné dans une boîte. A plusieurs reprises, nous avons dû ressouder des fils. Nous avons fini par décider de le mettre dans une boite.

Prévision et suivi de la trajectoire du ballon

Écrit par Alix Cayla le . Publié dans Sécurité

 

Il y a un certain nombre de zones d’atterrissage que nous souhaitions éviter lors de nos essais au risque d’occasionner des dommages ou d’avoir des difficultés pour récupérer notre matériel : ville, zones humides, autoroutes, zones militaires, … Ainsi, nous utilisons un logiciel de prévision du point de chute.

a) Suivi à l’aide  du système G.P.S./A.P.R.S.

Le G.P.S. (Global Positionning System) : Pour suivre le trajet de notre ballon, nous avons utilisé une tête GPS fixée à l'intérieur de la naTête GPScelle. Le système GPS fonctionne à l'aide de satellites en orbite autour de la Terre, dont les positions sont connues exactement. Pour déterminer une position sur Terre, le système GPS utilise le principe de la triangulation : la position de l'objet se trouve dans la trajectoire d'au moins 3 satellites, qui décrivent 3 sphères distinctes dans l'espace, autour de l'objet. Avec 4 satellites, on mesure le temps, l'altitude, la latitude/longitude, et la vitesse. Ce sont les 4 données  qui nous ont été transmises suite aux paramétrages par les radioamateurs de Tours de notre système.  Chacun des satellites envoie son numéro d'identification, sa position précise par rapport à la Terre et l'heure exacte d'émission du signal. Grâce à ces renseignements, le récepteur, qui possède une horloge synchronisée avec celle des satellites, calcule le temps de propagation à la vitesse de la lumière et en déduit la distance satellite-objet.

Système A.P.R.S.Fonctionnement de l'APRS (Automatic Position Reporting System) :

Pour pouvoir suivre notre ballon en temps réel, la tête G.P.S. a été reliée à un système A.P.R.S. composé par :

- un modem (tinitrack) qui encode les données provenant de la tête GPS  dans un format (AX25) qui va pouvoir être envoyé sous forme de trames très rapides par paquet ;

- un émetteur radio VHF (Very High Fréquency) qui envoie les données encodées sur la fréquence 144,800 MHz réservée au réseau A.P.R.S.. Ces données sont réceptionnées par des relais radioamateurs et/ou en direct. Les relais radioamateurs les retransmettent par voie radio et Internet (système VPN, Virtual Private Network, réseau privé virtuel) consultable notamment sur le site http://aprs.fi/. L’identifiant de notre système était F6KCI-11, vous pouvez aller consulter nos différents essais sur ce site, les données étant disponibles pendant 6 mois.

L'émission directe ou  par les relais radioamateurs permet un suivi en temps réel grâce à un récepteur combiné  à un ordinateur  portable équipé par  exemple du programme UI-View créé par le radioamateur Roger Barker G4IDE.

b) Prévisions

Le logiciel Balloon Track créé par un autre radioamateur  permet de prévoir le point de chute du ballon, connaissant ses vitesses moyennes d'ascension et de descente, le moment de la redescente ainsi que  les prévisions de la direction, du sens et de la force des vents en altitude donnés par le laboratoire N.O.A.A. (National Oceanic and Atmopheric Administration).


Menu de paramétrage du logiciel Balloon Track



Avec les données d’un lâcher, nous pouvons déduire des informations qui nous permettent :

- D’estimer les vitesses d'ascension et de redescente de notre ballon en fin de journée en quasi absence de nuages, soit 1,2 m.s-1 à l’ascension, et 2,0 m.s-1 à la descente si pas de retournement. Certes, ces valeurs peuvent être amenées à varier légèrement en fonction de l'éclairement donc de la présence de nuages et de la position du Soleil ;

- De constater que la redescente du ballon  coïncide  à peu de chose près avec le coucher du Soleil, ce qui nous permet de prévoir l'altitude maximale atteinte par le ballon s’il n’ y a pas de retournement.. Notons que la chaîne de vol commence à ralentir avant le coucher du Soleil (point vert sur le doc12) car le gradient de température entre  l’intérieur et l’extérieur du ballon devient insuffisant.

Ainsi, nous avons pu comparer la prévision du trajet par le logiciel et le trajet réel sur les documents ci-dessous : l’écart sur le point de chute est de moins de 2 km sur un trajet d’environ 50 km.


 

 

La prévision des vents récupérée sur le site http://ready.arl.n

oaa.gov permet de comparer le trajet réel du ballon (direction et vitesse) avec les vents horizontaux annoncés. Nous pouvons constater  par exemple qu’au bout d’une heure de vol, alors que le ballon se trouve à environ 5300 m d’altitude, il se déplace à environ 13 km.h-1 plein nord d’après le site http://aprs.fi.   Cela concorde parfaitement avec les prévisions sur les vents aussi bien en direction qu’en intensité à 5300m, soit environ 550 hPa (8 nœuds, soit 15 km.h-1).

Système anti-rotatif

Écrit par Alix Cayla le . Publié dans Sécurité

 

 

A la fin de plusieurs lâchers, nous avons remarqué, comme on peut le constater sur les photos, que les suspentes du ballon, du parachute, du réflecteur et de la corde qui relie le haut du ballon à la nacelle s'emmêlaient. Ces emmêlements peuvent  causer plusieurs problèmes :

- le mauvais retournement du ballon ;

- l’obstruction de la bouche qui empêche le ballon de se vider et de redescendre ;

- ou encore la casse de la corde tenant la nacelle au ballon provoquant un retournement prématuré.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Pour éviter ce problème, nous avons décidé de créer un système qui permet d'empêcher la rotation de la nacelle par rapport au ballon et donc tout emmêlement de cordes. Nous l'avons appelé « système anti-rotatif ».

Pour cela nous nous sommes inspirés des  montgolfières sur lesquelles la nacelle est accrochée en 4 points au ballon. Ainsi lorsque l’un tourne, l’autre le suit, ce qui évite l’emmêlement constaté avec un seul point d’attache. Notre dispositif est plus complexe car, à une altitude donnée, la nacelle doit être désolidarisée du ballon et ceci en coupant qu’une ficelle.


Entre la nacelle et le ballon, nous avons ajouté un cadre (doc.ci-dessous) auquel chacun est attaché en 4 points ainsi la rotation d’un des éléments entraîne la rotation de l’ensemble. Ne pouvant couper les 4 cordes simultanément elles sont reliées à la nacelle par une boucle qui est coupée par le fil chauffant. Une fois coupée, elles sont libérées. Pour la fabrication du système nous avons utilisé des tiges de carbone pour faire les 2 barres collées à la nacelle et le cadre reliant les suspentes, nous avons utilisé au total 3 barres de 20g chacune.

 

Le parachute

Écrit par Clément Foullon le . Publié dans Sécurité

Lors d’un des premiers essais concluants, nous avons constaté qu’au cours de sa descente, la chaîne de vol a atteint une pointe de 7 m/s pour toucher le sol environ 4 m/s comme nous pouvons constater sur le graphique ci-contre (Doc.14). Même si ce sont des vitesses typiques atteintes par les ballons météo, nous avons décidé d’équiper la chaîne de vol d’un parachute.

a) Accrochage du parachute

Le parachute est situé entre la nacelle et la bouche du ballon. La partie supérieure est reliée à la nacelle tandis que la partie inférieure (la section du parachute) est elle reliée à la bouche du ballon. Ainsi  à l’ascension, le parachute est  à l’envers. Il se retrouve donc à l’endroit au moment du retournement pour pouvoir être au dessus du ballon et s’ouvrir pour ralentir la descente.

Lors de l’un de nos essais, nous avons pu voir depuis le sol, que les différentes suspentes étaient plus ou moins emmêlées, ce qui limitait l’ouverture du parachute et donc la surface de contact avec l’air, c’est pourquoi, le parachute est désormais posé dans un récipient accroché sur un des côtés de la nacelle, et lorsque la nacelle tombe suite à la coupure de la ficelle, le parachute est libéré et s’ouvre.

Taille du parachute

Pour être efficace, le parachute se doit d’avoir une certaine taille afin de ralentir correctement la redescente du ballon.

Selon la verticale, les forces qui s’appliquent pendant la redescente sont :

-  Poids de l’ensemble : [Ballon + Nacelle + cordes + réflecteur radar + parachute ] de masse m

-  La force de frottement qui s’exerce lorsque le parachute est déployé peut être modélisée par la relation :

Avec    ρ : masse volumique de l’air

S : surface du parachute en m²

Cx : Coefficient aérodynamique

V : Vitesse du parachute

Dans le raisonnement qui suit, on ne tient pas compte de la force de frottement de l’air sur le ballon dégonflé. Elle est loin d’être négligeable compte-tenu de la grande surface du ballon donc la vitesse attendue avec le parachute utilisé sera  maximum.

- On néglige la poussée d’Archimède en raison du faible volume du ballon lorsqu’il est dégonflé.

Lorsque le parachute joue son rôle, la chaîne de vol redescend à vitesse constante selon la verticale, donc d’après le principe d’inertie, les forces verticales se compensent ce qui veut dire que :


On projette selon la verticale :        f – P = 0 donc f=P  soit

D’où la formule pour calculer la surface du parachute pour une vitesse de descente Vd voulue :


Exemple : pour une redescente à V=5,0 m.s-1 au sol, un coefficient C= 1,4 d’après Planète Sciences, une masse volumique de l’air  ρ=1,20kg.m-3 pour une température de 20°C et une pression atmosphérique de 1013 hPa. :

Ce qui correspond  à  un rayon = 0,67 m.

Lors de nos deux derniers essais (Doc15 et 16), on a pu constater que l’ensemble est descendu à une vitesse de 4m/s. En effet, la surface importante du ballon provoque une force de frottement de l’air sur le ballon qui réduit d’autant plus la vitesse de la chaîne de vol comme nous avons pu déjà le préciser.

Le retournement

Écrit par Clément Foullon le . Publié dans Le projet

 

La technique de retournement


Pour provoquer la redescente de la chaîne de vol , nous avons pensé à plusieurs solutions, le seul moyen de la faire redescendre avant la tombée de la nuit étant de dégonfler le ballon.

Nous avons d'abord pensé à provoquer une explosion à l'intérieur du ballon afin de créer un trou dans l'enveloppe. Nous avons rapidement renoncé à cette solution car il aurait fallu reconstruire un ballon après chaque lâcher.

La possibilité d’installer une soupape a également été envisagée, mais mécaniquement cela nous a semblé trop complexe à concevoir et cela aurait certainement alourdi considérablement l’ensemble.

Nous avons donc réfléchi à un autre moyen, et avons retenu la solution du retournement suggérée par Laurent Besset, expert en ballon solaire. Avec cette technique, la nacelle est accrochée au ballon en deux points: le premier relie la bouche du ballon à la nacelle comme d'habitude avec une petite cordelette, cependant, un deuxième point d’accroche part de la nacelle jusqu'à un point d'encrage en haut du ballon (comme sur l'image ci-dessous) à l'aide d'une corde beaucoup plus longue. Afin de faire se retourner le ballon, la cordelette qui relie la nacelle à la bouche est coupée grâce à un système électronique. La coupure de cette corde entraîne alors une chute de la nacelle sous l’effet de son poids. Celle-ci tire sur la corde plus longue accrochée en haut du ballon et provoque le retournement. Une fois le retournement effectué, la bouche se trouve désormais vers le haut et l'air chaud à l'intérieur du ballon, peut s'échapper.