28 juin 2009

La nacelle : construction, isolation


Après quelque temps passés à regarder des pages de balloonists accomplis, il semble que le meilleur matériau constituant la nacelle, permettant de protéger et d'isoler l'avionique, soit une simple boîte de Styrofoam, utilisée pour garder des objets au frais, les produits alimentaires en particulier. Cette protection est réciproque, on l'utilisera pour protéger l'électronique du froid ambiant.

Ces boites peuvent s'acheter pour environ 5$ sur Internet, depuis les Etats-Unis. Il faut prévoir donc environ 30$ de frais de port (!). La solution, en France, est de se fabriquer soi-même sa boite en Styrofoam. Styrofoam est une marqué déposée pour un matériau connu de tous, le polystyrène extrudé.

Attention, rien à voir avec le polystyrène expansé, qu'on trouve dans les cartons d'emballage. Le polystyrène extrudé est disponible sous forme de plaques de 1m de long sur 60cm de large environ, pour 20 à 40mm d'épaisseur, et est utilisé pour isoler les cloisons murales de la température extérieure. On peut en trouver pour environ 3€ la plaque dans des magasins de bricolage comme Castorama ou Leroy-Merlin.

Il faut rajouter à ceci 4€ environ pour de la colle polystyrène pour pistolet, et 4€ encore pour un pistolet mécanique. La construction de la boite est simple, on peut lui donner la forme que l'on veut.



Une fois la boîte assemblée et la colle sèche, on peut commencer à l'isoler un peu plus. Certains utilisent des couvertures de survie, ou encore couvertures chauffantes en mylar pour envelopper la nacelle. J'ai choisi d'utiliser un sac de congélation trouvé à Carrefour pour 10€, à fermeture éclair. Il est composé d'un tissu doublé d'une mousse isolante en polyéthylène, ainsi que d'une couche interne de métal, que j'ai enlevée car elle empêchait totalement la réception du GPS.


Il faut faire attention aux couvertures en mylar également, elles sont conçues pour empêcher le passage des radiations, comme les infrarouges, la lumière visible, les ultraviolets et les ondes radio, ce qui pose un sérieux problème, à moins de disposer d'antennes externes.

Le ballon idéal

Le ballon idéal est un ballon capable de :
  • soulever une charge de 1 à 3kg, jusqu'à une altitude de 75 000 pieds et plus
  • ramener cette charge au sol sans l'endommager, à proximité du site de lancement
  • transmettre et enregistrer sa position en permanence
  • enregistrer des images en vol
Les principaux obstacles à ces objectifs sont dûs à l'hostilité de l'atmosphère à ces altitudes élevées. La pression y est très faible; on considère que tous les 50 000 pieds on perd 90% de pression. A 100 000 pieds, altitude symbolique correspondant à environ 30km, la pression atmosphérique est donc de 1% celle mesurée au sol, soit environ 1000Pa. Cela interdit l'emport d'objets étanches contenant de l'air.

Le second problème est la température. Elle décroit rapidement dans la troposphère pour atteindre -56,5°C en moyenne à la tropopause, à l'altitude de 17km environ, pour recroître dans la stratosphère et atteindre -3°C à la stratopause (55km). Ces températures sont trop faibles pour faire fonctionner des appareils électroniques, qui doivent donc être protégés par une enveloppe isolante, mais non étanche, pour éviter les contraintes de pression.

Malgré ces protections, on ne peut pas éviter une température intérieure inférieure à 0°C, les appareils constituant ce que l'on appelle l'avionique doivent être alimentés par des piles puissantes et capables de résister à ces températures.

La baisse de pression est responsable également de la descente du matériel; elle entraîne l'explosion de l'enveloppe du ballon, dont le volume est 100 fois supérieur à ce qu'il était au sol. On peut imaginer cependant le ballon s'arrêter de monter et flotter pendant des heures, voire des jours à cette altitude. Il faut donc prévoir un système de largage de la nacelle au bout d'un certain temps, car les batteries ne sont pas conçues pour fonctionner si longtemps.

Les batteries alimentent la caméra, le système de largage et le système de positionnement. Ce dernier récupère sa position via le GPS, l'enregistre et la transmet au sol pour permettre sa récupération lors de l'atterrissage de la nacelle.

Cet atterrissage devra se faire à une vitesse réduite, à l'aide d'un parachute, mais assez rapide pour ne pas emporter la nacelle trop loin, s'il y a du vent. Une vitesse de 30 km/h semble raisonnable, c'est à dire une heure pour redescendre de l'altitude de 100 000 pieds.

Enfin, pour atterrir le ballon devra s'être élevé grâce à un gaz plus léger que l'air, typiquement de l'hélium, bien que le dihydrogène puisse être utilisé, car moins cher et deux fois plus léger, mais hautement inflammable et dangereux.

Ce ne sont que de grandes idées lancées pour donner un cadre à la conception, ces différents points seront vus plus en profondeur par la suite.

Présentation

Les objets volants sont fascinants. Avions de papier, de tourisme, modèles réduits, fusées, hélicoptères, cerf-volants... J'ai toujours été passionné par la manière dont ils évoluent dans l'air, comment ils ont été conçus, comment on est capable de les contrôler.
J'ai touché un peu à toute ces choses, et l'idée d'envoyer quelque chose dans l'espace, voir un horizon courbe et un ciel noir, se fait de plus en plus forte. Lancer un ballon-sonde dans ce que les anglophones appellent near space me semble le moyen le plus abordable, le moins coûteux et le moins compliqué d'y arriver.

Cette couche de l'atmosphère, débute à 75 000 pieds au dessus du niveau de la mer (~23 kilomètres), altitude estimée à laquelle le ciel devient noir, se termine à l'altitude de 100 kilomètres - là où commence l'espace -, et possède plus de points communs avec celui-ci qu'avec le monde dans lequel nous vivons. Par exemple, un homme sans combinaison mourrait, car dans ces conditions de pression le sang bout, littéralement.

En France, des écoles envoient des ballons grâce à l'association Planète Sciences qui fournit du matériel - ballon et sonde - appartenant au Centre National d'Etudes Spatiales. La partie la plus intéressante, la conception, est donc déjà accomplie, de plus je ne suis pas instituteur, juste un étudiant en vacances.

Aux Etats-Unis, la situation est différente, il y a un grand nombre d'associations dites de high altitude ballooning, regroupant des balloonists passionnés. Il existe donc une mine d'informations sur Internet, il faut seulement savoir les trouver. La plupart de ces infos sont en anglais, et la quantité d'abréviations rend tout cela vite indigeste, mais c'est le prix à payer pour faire le moins d'erreurs possible.

Voici quelques liens, récits de lancers réussis :
http://moo.pl/~tygrys/balloon/
http://www.parallax.com/tabid/569/Default.aspx
http://www.parallax.com/tabid/567/Default.aspx
http://www.thefintels.com/aer/hab.htm
http://www.thefintels.com/aer/hab1.htm
http://www.thefintels.com/aer/hab2.htm
http://www.thefintels.com/aer/hab3.htm
http://vpizza.org/~jmeehan/balloon/
http://www.kd0bml.com/balloon/index.php