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Ballon qui vole, presse au sol

Écrit par E.THIBAULT le . Publié dans Communication

Partenaires et remerciements

Écrit par L'équipe le . Publié dans Communication

 

Un grand MERCI  à Laurent Besset, amateur de ballons solaires chez qui nous nous sommes inspirés de l'idée du retournement du ballon qu'il avait eu sans pouvoir réellement la tester. Voici l'adresse de son site.

Nous tenons à remercier  Axel Talon et Etienne Lalique pour le travail remarquable qu’ils ont mené au Lycée de 2007 à 2009 sur la construction des ballons, le principe de leur vol et leur suivi à  travers le projet Phaéton.  N’oublions pas non plus les élèves de notre classe de seconde puis de première qui nous ont assistés dans la construction des ballons et la logistique des lâchers ainsi que les parents d’élèves.

Nous tenons à remercier également tous les partenaires institutionnels ou associatifs qui nous ont apporté une aide financière, matériel ou technique pour réaliser notre projet :

 

Aide financière dans le cadre du concours C.Génial

 

 

Aide financière dans le cadre du concours C.Génial

 

 

 

Aide financière à travers deux projets lycéens Citoyens (Vauc’en Ciel en 2010-2011 et Soleil sur Vaucanson en 2011-2012

 

 

Aide financière par l’intermédiaire de Frédéric Thomas, conseiller général de notre circonscription

 

 

Aide technique et matérielle pour la poursuite du ballon en utilisant le système GPS/APRS et la réception radio

 

 

 

Aide financière dans le cadre du concours des olympiades

 

 

Aide matériel dans le don du polyéthylène pour construire les ballons

 

 

 

Aide technique pour disposer des prévisions météo locales du jour et les analyser

 

Pour son soutien financier

 

 

 

Pour l’excellente médiatisation de notre projet


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Nous tenons à remercier également, Axel Talon et Etienne Lalique pour le travail remarquable qu’ils ont mené au Lycée de 2007 à 2009 sur la construction des ballons, le principe de leur vol et leur suivi. N’oublions pas non plus les élèves de notre classe de seconde puis première qui nous ont assistés dans la construction des ballons et la logistique des lâchers ainsi que les parents d’élèves….

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).

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.

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.