jeudi 6 juillet 2017

DECOLLAGE D'UN BALLON

Voici un ballon amateur "Boufigo" sur le point d'être lâché après un gonflage sous hangar. Equipe ADREF13. On peut remarquer la forme proche de la sphère pour cette enveloppe Latex. La technique de décollage est apparemment celle de l'anneau puisque nous voyons la ficelle rejoindre le manchon et d'un autre côté, il y a le parachute (blanc-rouge), le réflecteur radar passif et la nacelle tenue par une main à la convergence des ficelles entourant cette boite revêtue d'une couverture mylar.

Le décollage est une opération délicate par rapport à la météo, et à la trajectoire de départ qui doit être déterminée avec précision par le lanceur. La position du point de lâcher, qu'il va choisir est fonction des obstacles environnant et de la direction du vent pour une hauteur au moins égale à celle des éléments du paysage qui sont susceptibles de poser un problème de choc ou d'éclatement.
L'éclatement est toujours une perte onéreuse par suite du coût de l'enveloppe cumulée avec le coût de l'hélium injecté dedans. (~350 à 500 euros quand même !).
Il faut noter que ce cas est rarissime à partir du fait que des précautions sont prises justement pour éviter ce désagrément:  usage des gants de cuisine, pas d'objets pointus comme les montres, les boucles de ceinture,les clous, les bagues, les lunettes... Utilisation des bâches au sol, parfaitement propres.
Le principal travail du lanceur est de repérer la direction du vent au sol et sa force.
Au besoin, il peut pour plus de certitude, lâcher un "ballon d'essai" constitué par une baudruche de 30 cm gonflée à l'hélium. Prévoir un embout spécial baudruche.
Le vent est si on peut dire "invisible" directement, on le sent ou on apprécie les mouvements des arbres ou des manches à air... Une baudruche attachée par une ficelle longue, peut fournir une bonne indication? Attention aux vents "rabattants" qui montent et qui chutent ensuite. Il faut savoir que les tourbillons même par vent moyen, sont causés par la présence d'obstacles proches ( bâtiment, arbres...) ou plus lointains comme des collines. On parlera alors de turbulences.

Le paramètre le plus important est la vitesse de décollage, car au plus elle est élevée, au plus la trajectoire de départ sera verticale, d'où moins de crainte pour les rencontres avec le décor !
Une enveloppe "sous gonflée" partira sous un angle rasant assez critique suivant les rafales ou les vents rabattants. Il faudra prévoir une longue distance (genre piste aviation !) pour réussir le décollage sans problème de mur, clôtures, poteaux, lignes THT ou autres.

Cette vitesse souvent choisie autour de 5 m/s, va dépendre du volume d'hélium injecté, du type d'enveloppe ( petite ou grande), de la masse totale ( < 4 kg par la législation ).
Il ne faut pas non plus, gonfler systématiquement à un volume de 5,21 m^3 parce que c'est l'exemple dans la notice "le jour du lâcher".
L'hélium coûte cher, car relativement rare donc cher... (provient obligatoirement du sous sol terrestre).
Il est souvent possible d'économiser quelques volumes pour les utiliser avec des tests ou des ballons plus petits (pico-ballons par exemple).
Une bonne solution est de choisir les bouteilles de 4 m^3 qui sont transportables par une seule personne, ce qui n'est pas le cas avec les bouteilles de 7,5 m^3 ou 10 m^3 dont le poids et l'encombrement nécessitent plus de logistique. Je parle du volume d'hélium externe après détente à la pression atmosphérique.  Appliquez  P . v  =  p . V     sachant la valeur de P (interne) de 180 à 200 bars.

Il est préférable de faire un petit calcul simple quelques jours avant de lâcher le ballon, pour plus d'efficacité et pour être tranquille et surtout pour comparer la théorie et la pratique, dans une démarche "expérimentale". En effet, le but du jeu n'est pas de voir partir un ballon mais de savoir comment et pourquoi il va partir et où il va aller...

Voici une exemple de calcul pour vérifier le décollage :    on peut le prendre à l'envers...!

Volume d'hélium :   5 m^3   

masse volumique de l'hélium le jour du lâcher :    rhoHe =  p * 100 /  2063 * T       p hPa  T kelvin
1000 * 100 / 2063 * ( 273,15 + 13,5)  =  0,170  kg/m^3

masse de l'hélium  :     rhoair .   V   =   0,170  .  5   =  0,845  kg 
poids de  ''  ''  ''        PHe  =  0,845 .  9,81  =  8,29  N        (newton)

masse volumique de l'air ambiant autour du ballon  :     rhoair =  p * 100 /  287,5 *  T  =  1,21 kg/m^3

poids de l'air ambiant ou poussée d'Archimède  :  Pa =   rhoair .  V  .  g  =  1,21  .  5  .  9,81  =
59,35  N
 
poids de la charge (sauf He)  :    3,4 kg .  9,81  =  33,35  N

Force ascensionnelle libre  Fal =  Pa  -  PHe  -  Pch  =  59,35 -  8,29  -  33,35  =  17,71  N

vitesse de décollage  :    v   en m/s        à  partir de  1/2. Cx . rhoair .  S  .  v^2  =  Fal   en N

avec  S  section de l'enveloppe  en  m^2       V =  4,1887 .  r^3    d'où  r  =  1,06 m    S = 3,53 m^2

v^2  =  2 * 17,71 /  0,5515 * 1,21 * 3,53  =   15,036      v  =  3,87  m/s

Cx  sphère :   0,5515    par expérience...

Conclusion :  vous pouvez chercher le volume pour obtenir les 5 m/s mais MAIS ?

Votre volume d'hélium va dépasser les 5 m^3 !   Si vous ne changez pas d'idée, une seconde bouteille sera utilisée et vous multiplierez le coût par un facteur de 2 !   (  440 euros ).

Dans mon exemple :  la vitesse effective sera de l'ordre de 4 m/s et comme elle augmente avec l'altitude elle atteindra les 5 m/s souhaités !

Vous avez toujours intérêt à alléger le plus possible la charge utile, la tendance est à la miniaturisation des systèmes !!!  Les piles au lithium coûtent un peu plus mais elles sont plus légères et de grande capacité d'énergie alors ne plus choisir les piles lourdes à faible énergie !!!

Voici les graphes d'un décollage relevés à partir d'une M10 dans la chaine de vol  :

Altitude en fonction du temps. Légères fluctuations.

La pression atmosphérique en fonction du temps.

Le graphe de l'altitude en fonction de la pression :   on dira altitude issue de la pression !
L'équation au dessus est celle d'une droite (non vérifiée) mais pour tout le vol, vous pouvez
appliquer   p  =  p0 .  EXP ( - Z / k  ) 
k est une constante mais en fait c'est    R .  T  /  g     or    ces trois paramètres sont variables.
Au décollage, on a k =  8,4   avec  Z  en  km

La température de l'air ambiant, ne varie pas beaucoup pour une si petite variation de l'altitude !
Il y a une évolution linéaire jusque la tropopause ( 11 km en atmosphère standard ) suivant :
T Z  =  T0  -  K .Z       pour T0  =  288,15 K  à  15°C    et  K  =  0,0065

La vitesse de montée en m/s fluctue mais ces valeurs sont issues directement des données M10.
Pour ce décollage, les valeurs sont en diminution, mais jusqu'à l'éclatement, elles augmentent sensiblement !  Voir les autres articles.
On peut également sortir le paramètre vitesse à partir de l'altitude-pression et appliquer  dz = v . dt
dt étant de 1 seconde.  Ne pas oublier que le vent influe beaucoup sur le décollage par suite des tourbillons et que l'enveloppe va finir par ignorer le vent quand elle volera à la même vitesse !

Le graphe de l'altitude en fonction de la vitesse de montée.

Toujours les valeurs données par la M10, au décollage, ici on voit bien l'influence du vent, qui n'a rien de stable !

Pour terminer cette petite présentation du décollage d'un ballon, il est possible de voir la trajectoire en 2D à partir toujours des données de la M10 :   LAT latitude  D,d  et  LON longitude  D, d
Les amateurs de 3 D pourront sortir les courbes 3D en ajoutant l'altitude  ALT.

J'espère avoir contribué à voir un peu comment on doit préparer un décollage, et l'analyser après coup avec cette excellent outil fournit par la M10 modifiée et EXCEL.

NOTA :  j'en profite pour faire appel à vous, pour m'en adresser quelques unes, à mes frais, car par ici, nous n'en avons que très très très rarement !!!  C'est le Noooord !

Bons vols aux "boufigo" et à tous les amateurs de "ballons haute altitude" !  Les BHA ( ou HAB) !

Source :  BHAF  juillet 2017
73 Alain F6AGV  contact :  meteophysique(AT)free.fr