Un ballon utilisé pour emporter
une nacelle est une enveloppe légère, étanche
au gaz, souple et qui peut être élastique ou non.
On la remplit avec un gaz plus léger que l'air (hydrogène,
hélium…). Son volume et la densité du gaz qu'il
contient déterminent la force verticale qui s'exercera
sur lui, grâce au principe de la poussée d'Archimède.
Les ballons qui servent pour les mesures météorologiques
sont de deux types :
- ballon-pilote de petit diamètre (masse de l'enveloppe
généralement de 10 ou 30g -jusqu'à 200g)
pour la mesure du plafond (altitude à la base des nuages)
et des vents à basse altitude à l'aide d'un théodolite
(les ballons sont colorés et ils emportent une lampe lors
des mesures nocturnes) ou d'un radar (un réflecteur radar
est accroché au ballon).
- ballons utilisés dans le cadre du radiosondage, des expériences
scolaires (ballons-école) ou ballons radioamateurs. Ils
sont généralement en latex et contiennent quelques
centaines de litres à quelques mètres-cube d'hélium
(ou d'hydrogène) de façon à emporter une
charge utile ne dépassant pas 3kg. La plupart du temps,
ils sont gonflés de façon à éclater
à des altitudes comprises entre dix et quarante kilomètres
et pour monter à une vitesse de l'ordre de 300m/mn (5m/s).
Histoire
Le premier ballon à air chaud des frères Mongolfier
était en papier doublé d'une toile de coton. Le
papier assurant l'étanchéité que la toile
de coton, plus résistante, ne pouvait avoir. En 1783, lors
du premier vol d'un ballon à hydrogène, le physicien
Jacques CHARLES utilise une enveloppe constituée d'un tissu
de soie imperméabilisé par un vernis à base
de caoutchouc.
En 1824 le physicien anglais Michael FARADAY fabrique le premier
ballon de baudruche en latex.
En 1892, après quelques essais avec des enveloppes en papier
pétrolé, Gustave HERMITE et Georges BESANÇON
utiliseront un ballon de baudruche pour la fabrication de leur
premier ballon-sonde en 1892. A cette époque le latex utilisé
était sensible à l'ozone atmosphérique, les
altitudes les plus élevées (>25000m) étaient
difficiles à atteindre.
C'est avec le développement du radiosondage, à partir
de 1930, que les enveloppes en latex seront produites industriellement.
Fabrication des enveloppes
Actuellement on trouve couramment
des enveloppes en mylar métallisé, non extensibles,
elles peuvent prendre des formes diverses et être imprimées
(petits ballons d'enfants par exemple). Le polyéthylène
noir est utilisé en film d'épaisseur 15 ou 20 microns
pour réaliser des "ballons solaires". On peut
trouver des ballons en vinyl (PVC) ou en chloroprène (produit
qui sert à fabriquer le Néoprène) mais les
enveloppes utilisées pour le radiosondage sont généralement
en latex de couleur beige tirant sur le blanc en fonction de l'étirement
de l'enveloppe.
Le latex est un caoutchouc naturel issu de l'hévéa.
Les enveloppes fabriquées en latex sont biodégradables
et perdent très rapidement leur caractéristiques
mécaniques sous l'effet de la chaleur ou de la lumière
solaire ; leur durée de vie est plus courte que celles
en chloroprène mais leurs performances sont mieux adaptées
au radiosondage à haute altitude. L'ozone et le rayonnement
UV à haute altitude raccourcissent fortement la durée
de vie d'un ballon en latex. Le stockage prolongé des enveloppes
doit se faire dans un endroit à l'abri de la lumière,
à température modérée et avec une
hygromètrie stable, comme par exemple dans une armoire
du genre de celle utilisée par le centre de Payerne (photo
ci-contre). L'enveloppe déballée doit être
utilisée le plus tôt possible.
Les enveloppes sont fabriquées par moulage, soit en plongeant
une forme pleine dans une émulsion de latex, soit en injectant
le latex dans un moule creux. Cette deuxième méthode
donne des enveloppes plus régulières en épaisseur.
Le tuyau de gonflage est plus épais car il doit résister
à la traction de la ficelle. Son diamètre va de
1 à 5cm pour une longueur de 10 à 20cm. Entre 200
et 2000gr le diamètre du tube est de 3 cm puis il
passe à 5cm à partir de 2000gr (photo ci-dessus)
Les enveloppes en latex sont référencées
par leur masse qui va de 10 à 3000 grammes, les références
habituelles pour le radiosondage vont de 500 à 1200 g.
Fabricants les plus connus :
- Totex (Japon), le principal fabricant mondial de ballons météo
- KKS Cosmoprene - The Weather Balloon Mfg (Japon) (voir doc
ci-dessous)
- Pawan Rubber Products (Inde)
- Kaymont ex-Kaysam (US) a cessé sa production et distribue
Totex
- Ningbo Yunhuan Electronics Group (Chine)
- Jiangsu Hongda Latex Products (Chine)
Caractéristiques générales des ballons
en latex
Le tableau ci-dessous regroupe les caractérisques suivantes
:
- type de ballon = poids de l'enveloppe en grammes
- D dégonflé = diamètre approximatif de l'enveloppe
dégonflée (en mètre)
- D gonflé = diamètre moyen du ballon gonflé
prêt à être lâché (en mètre)
- V gonflé = volume de la sphère correspondant au
diamètre "D gonflé" (en mètre-cube)
- D éclatement = diamètre du ballon juste avant
qu'il n'éclate (en mètre)
- Prix indicatif en € : prix relevé en juillet 2008
chez un fournisseur US et converti en euros.
Remarque : ces valeurs sont approximatives et dépendent
du fabricant.
type ballon
D dégonflé
D gonflé
V gonflé
D éclatement
Prix indic. en €
30 g
0.18
0.64
0.137
1.1
7
100 g
0.35
0.74
0.212
1.5
9
200 g
0.48
1.18
0.860
3
13
300 g
0.60
1.50
1.767
4.1
20
350 g
0.70
1.56
1.988
4.5
27
500 g
0.84
1.75
2.806
5.6
30
600 g
0.93
1.77
2.903
6.3
33
700 g
1.02
1.82
3.157
6.7
800 g
1.08
1.85
3.315
7.0
50
1000 g
1.15
1.88
3.479
8.0
59
1200 g
1.27
1.91
3.648
8.9
73
1500 g
1.40
1.96
3.942
10.0
2000 g
1.60
2.02
4.316
11.2
166
3000 g
1.90
2.17
5.350
13.5
283
On voit qu'une enveloppe de 800g
gonflée normalement voit son diamètre multiplié
par un facteur de 3,8 entre le décollage (1,85m) et l'éclatement
(7m). Ce facteur est d'autant plus grand que la masse de l'enveloppe
vide (type de ballon) est grande.
Voir ci-dessous le document KKS-Cosmoprene
Choix de l'enveloppe et gonflage
Le but du radiosondage est d'effectuer
une série de mesure entre le sol et une altitude souhaitée.
La vitesse de montée est choisie aux alentours de 300m/mn
(5m/s) pour que l'air circule correctement autour des capteurs
mais que la durée du vol ne soit ni trop lente (pour que
la radiosonde ne dérive pas trop loin à cause du
vent), ni trop rapide pour que la différence d'altitude
entre deux mesures ne soit pas trop grande.
En cas de vent fort ou de pluie, le ballon doit être gonflé
de façon à augmenter son volume de 10 à 20%
pour obtenir une vitesse de montée plus rapide (cas d'un
vent fort) ou pour compenser l'alourdissement de l'enveloppe mouillée.
Pour obtenir une altitude d'éclatement plus élevée,
on peut choisir une enveloppe plus grande et la sous-gonfler légérement
en se basant sur la vitesse de montée requise.
Exemple 1 :
Pour les mesures d'ozone, Payerne (Suisse) associe un capteur
spécial à une SRS-PTU.
Le ballon est un Totex 2000Gr gonflé à 3,7m3 d'hydrogène
(donc sous-gonflé si l'on considère que le volume
standard est 4,3m3). Avec sa charge de 3,3 kg il éclate
en moyenne à 34 km d'altitude. Exemple 2 :
Pour les mesures de vent à 06Z et 18Z, Payerne utilise
une Windsonde et une enveloppe
de 800Gr gonflée à 1,8m3 d'hydrogène (pour
un volume standard de 3,31m3)
La charge emportée est de 1,16 kg comprenant :
- enveloppe : 800g
- ficelle : 120g
- SRS400W : 240g
La force ascensionnelle totale calculée est de 1,9kg (18,7 N)
ce qui provoque une vitesse de montée calculée de
330m/mn, assez proche de la réalité.
Exemple 3 :
Voici, tiré de la documentation Vaisala, quatre façons
d'emporter une RS92KL (charge utile 250g)
Type de ballon
TA 100
TA 200
CR 350
CR 500
Masse de l'enveloppe (g)
100
200
350
500
Volume au lâcher (m3)
0,34
0,83
1,35
1,57
Vitesse de montée (m/mn)
250
320
320
320
Altitude d'éclatement
(m)
9200
21200
25700
28400
Sur la photo ci-contre on peut voir
le gonflage d'un ballon TA 600 à Ganovce, en République
Slovaque pour le lâcher d'une RS92KL. (Photo de Tibor).
Ces radiosondes atteignent en moyenne une altitude de 34km, ce
qui peut être obtenu avec une enveloppe de 600g sous-gonflée.
Le coût d'un radiosondage peut être sensiblement réduit
en utilisant un ballon plus petit, le prix de l'enveloppe mais
surtout celui de l'hélium utilisé est nettement
plus faible :
- utilisation de radiosondes plus légères (ex :
DFM-06 pesant 90 g)
- choix d'une altitude d'éclatement minimum (ex : Lyon,
15000m en moyenne)
L'utilisation de l'hydrogène, très bon marché,
permet de diminuer fortement les frais liés au gonflage
dans un rapport de 15. Ce gaz, utilisé selon des règles
strictes, n'est pas plus dangereux que le gaz de ville ou le gaz
en bouteilles. Comme sa densité est très inférieure
à celle de l'hélium, la force ascencionnelle plus
grande permet l'utilisation d'enveloppes de plus petit diamètre.
La station de radiosondage de l'IRM à Uccle (Belgique)
utilise l'hydrogène pour emporter le capteur d'ozone et
sa RS92-SGP jusqu'à plus de 30000m avec un ballon Totex
155 gr.
Enveloppe et parachute intégré
Pour faciliter les opérations manuelles et améliorer
l'efficacité du parachute, ce dernier est parfois intégré
dans l'enveloppe avec une petite longueur de ficelle. Au moment
de l'éclatement le parachute se déploie et, comme
il se situe au-dessus des restes de l'enveloppe, les lambeaux
de latex risquent moins de s'enrouler autour des supentes et de
provoquer la mise en torche du parachute. Le taux de dysfonctionnement
est beaucoup plus faible que dans la procédure habituelle.
Le parachute est fabriqué dans un matériau très
souple, sans aspérité risquant de blesser la fragile
pellicule de latex.
Sur la photo ci-jointe prise par Eric à Emden (DL) on aperçoit
l'ombre du parachute intégré dans l'enveloppe. Le
point carré un peu à droite du ballon est une RS92-SGP.
Montée
La force qui s'exerce sur le ballon
est due à la poussée d'Archimède. Si le ballon
a une masse totale (masse de l'enveloppe + masse du gaz qu'il
contient) inférieure à la masse de l'air correspond
au volume du ballon, le ballon subira une poussée vers
le haut. Cette force est proportionnelle au volume de l'enveloppe,
donc au cube du diamètre. Augmenter le diamètre
de 10% équivaut à multiplier la force ascensionnelle
de 33%.
Sur la courbe ci-contre, on voit qu'une augmentation du diamètre
de 0,1 m n'a pas la même influence selon le diamètre
initial. Pour le diamètre de 1,7m (standard dans le cas
présent) une incertitude de 5% produit une variation de
10% de la vitesse de montée.
Les facteurs qui peuvent influer légérement sur
la vitesse de montée sont l'altitude du lieu d'envol, la
température de l'air et la pression atmosphérique
au sol.
Une autre cause importante de variation de la vitesse de montée
est la forme de l'enveloppe qui détermine la résistance
de l'air par le coefficient de trainée du ballon et par
la surface de son profil vu de dessus. Ces deux facteurs peuvent
varier nettement d'une marque à l'autre mais aussi d'un
exemplaire à un autre.
En montant, le ballon est soumis à une pression atmosphérique
qui diminue, la masse volumique de l'air diminue également.
La force ascensionnelle et la vitesse de montée diminuerait
aussi si le ballon n'était pas élastique. En se
dilatant son volume augmente et la force ascensionnelle est stabilisée,
c'est la raison pour laquelle la vitesse de montée est
à peu près constante. La résistance de l'air,
directement proportionnelle à la masse volumique de l'air,
diminue également pour cette raison lorsque l'altitude
augmente.
La vitesse de montée varie
parfois brutalement au niveau de la tropopause, altitude à
laquelle la température de l'air cesse de diminuer et commence
même à remonter un peu. Deux raisons pourraient l'expliquer
:
- la température du gaz à l'intérieur de
l'enveloppe est supérieure à celle de l'air ambiant
tant que celle-ci diminue avec l'altitude, cette différence
de température induisant une diminution relative de la
masse volumique du gaz. A la tropopause cette différence
disparaît lorsque la température de l'air cesse de
diminuer.
- Une autre hypothèse à examiner serait une variation
brutale des caractéristiques mécaniques du latex.
Eclatement
A force de se dilater le ballon atteint le diamètre d'éclatement
indiqué dans les spécifications. Pour une enveloppe
de type 800gr, le diamètre d'éclatement est d'environ
7m pour un diamètre de gonflage nominal de 1,85m au départ.
Les photos ci-dessous ont été prises lors du vol
du ballon construit et lâché par les radioamateurs
de Franche-Comté, en 2002. Une caméra de télévision
filmait le ballon. Au départ le ballon de 7,5 mètre-cube
mesure 3,1m de diamètre. A l'éclatement il mesure
plus de 11m, son volume a été multiplié par
13.
Cette photo et la suivante sont prises
à la même échelle, du même endroit.
La tache lumineuse en bas et à droite est due au soleil.
Le ballon se trouve à très basse altitude.
Quelques instants avant l'éclatement à
34400m d'altitude. Le diamètre du ballon et sa transparence
ont fortement augmenté. On voit le parachute et les trois
suspentes de la nacelle.
Une déchirure se produit vers le haut
du ballon. On voit l'ombre d'une partie de l'enveloppe sur la
surface interne du ballon.
L'enveloppe se vide de son gaz en une fraction
de seconde. Les suspentes et le parachute ne se sont pas encore
rendu compte que le ballon avait éclaté.
Le ballon se désagrége mais une
partie non négligeable de l'enveloppe restera accrochée
au parachute et provoquera la mise en torche de ce dernier.
La densité très faible de l'air
à cette altitude de plus de 30000m est insuffisante pour
donner du gonflant au parachute qui mettra plusieurs minutes
avant de retenir un peu la nacelle.
L'altitude
à laquelle se produit l'éclatement dépend
de multiples facteurs autres que le gonflage :
- fabrication de l'enveloppe (variabilité de son épaisseur...)
- durée de stockage de l'enveloppe
- conditions de stockage (température, hygrométrie...)
- précautions de manipulation
- conditions atmosphériques au moment du lâcher (température,
humidité...) Exemple : dispersion des altitudes d'éclatement
sur les RS de Stuttgart-Schnarrenberg
Le gonflage des ballons-sondes à Stuttgart est effectué
par un lanceur automatique Vaisala, ce qui n'empêche pas
une dispersion assez grande des altitudes d'éclatement
comme le montre le tracé ci-contre.
Des 58 valeurs on peut calculer une altitude moyenne d'éclatement
de 28 km et un écart-type de 5km (si l'on considère
que l'on est en présence d'une distribution "normale",
ce qui n'est pas exactement le cas).
Dislocation des restes de l'enveloppe
Les photos instantanées
et les vidéos prises de ballons éclatant à
haute altitude montrent des comportements très différents
semblant se situer entre ces deux extrêmes :
- déchirement et libération du gaz par une large
ouverture (cas du ballon de 2002, voir photos ci-dessus)
- émiettement instantané de l'enveloppe (la photo
ci-contre est extraite d'une superbe video HD réalisée
par un professeur d'un lycée de Vesoul (70). Voir son site
: http://ballon2011.ballonsonde.com/Videos/video.)
L'objet au premier plan est le réflecteur-radar.)
Dans les deux cas, des restes plus ou moins importants de l'enveloppe
peuvent rester accrochés au tuyau de gonflage. Une partie
s'en détachera encore par la suite si celle-ci est rapide
(absence de parachute ou parachute emmêlé dans les
ficelles) mais il arrive qu'une surface importante de l'enveloppe
subsiste jusqu'au sol.
Les lambeaux de latex qui se détachent encore pendant la
chute peuvent rester accrochés dans la ficelle ou le parachute,
perturbant souvent le fonctionnement de celui-ci.
Les conditions d'éclatement du ballon dépendent
de nombreux paramètres dont :
- régularité de l'épaisseur et des caractéristiques
de l'enveloppe
- défauts éventuels dus au vieillissement, à
l'abrasion
- altitude d'éclatement : le temps passé au froid,
à l'humidité, au rayonnement solaire... provoque
une modification des propriétés mécaniques
de l'enveloppe. Le surgonflage éventuel induit un stress
dès le départ. On constate qu'en général
l'enveloppe d'un petit ballon surgonflé au départ
non seulement éclatera à plus basse altitude mais
se disloquera plus complètement.
Chute
Les restes d'enveloppe jouent un rôle important dans la
chute. Selon le cas, ils freineront la descente si la résistance
qu'ils offrent à l'air est plus importante que leur masse.
Dans le cas contraire ils retomberont plus vite que le reste de
la chaîne de vol et rattraperont le parachute et, assez
souvent, se retrouveront au sol complètement enroulés
avec la ficelle ou bien avec le parachute perturbant son déploiement.
Le comportement de l'enveloppe est totalement imprévisible
et cela explique en partie les grandes différences de vitesse
de chute constatées d'un vol de ballon-sonde à l'autre.
L'enveloppe de cette M2K2 s'est déchirée
en lanières. (photo F6EUZ)
Un ballon de 2000gr dont il reste 600g
environ
De ce ballon, muni d'un clapet pour le
gonflage automatique, il ne reste rien de l'enveloppe
Document
: caractéristiques des ballons KKS-Cosmoprene
Ces ballons de fabrication japonaise sont généralement
en latex. Documentation extraite de leur site (voir page lien)
Un ballon utilisé pour emporter
une nacelle est une enveloppe légère, étanche
au gaz, souple et qui peut être élastique ou non.
On la remplit avec un gaz plus léger que l'air (hydrogène,
hélium…). Son volume et la densité du gaz qu'il
contient déterminent la force verticale qui s'exercera
sur lui, grâce au principe de la poussée d'Archimède.
Actuellement on trouve couramment
des enveloppes en mylar métallisé, non extensibles,
elles peuvent prendre des formes diverses et être imprimées
(petits ballons d'enfants par exemple). Le polyéthylène
noir est utilisé en film d'épaisseur 15 ou 20 microns
pour réaliser des "ballons solaires". On peut
trouver des ballons en vinyl (PVC) ou en chloroprène (produit
qui sert à fabriquer le Néoprène) mais les
enveloppes utilisées pour le radiosondage sont généralement
en latex de couleur beige tirant sur le blanc en fonction de l'étirement
de l'enveloppe. 
Le but du radiosondage est d'effectuer
une série de mesure entre le sol et une altitude souhaitée.
Enveloppe et parachute intégré
La force qui s'exerce sur le ballon
est due à la poussée d'Archimède. Si le ballon
a une masse totale (masse de l'enveloppe + masse du gaz qu'il
contient) inférieure à la masse de l'air correspond
au volume du ballon, le ballon subira une poussée vers
le haut. Cette force est proportionnelle au volume de l'enveloppe,
donc au cube du diamètre. Augmenter le diamètre
de 10% équivaut à multiplier la force ascensionnelle
de 33%.
L'altitude
à laquelle se produit l'éclatement dépend
de multiples facteurs autres que le gonflage : 
Les photos instantanées
et les vidéos prises de ballons éclatant à
haute altitude montrent des comportements très différents
semblant se situer entre ces deux extrêmes : 
