(26)

 Les enveloppes de ballon pour le radiosondage

Retour : 09- Documentation

Voir aussi : Lâcher d'un ballon-sondeLes dérouleurs de ficelle - Le parachute -  Variations de la vitesse de montée d'un ballon-sonde - Variation du volume d'un ballon en fonction de l'altitude - Le ballon qui n'éclate pas - Le ballon-pilote -   

Définition

  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", sortes de montgolfières . 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-dessous). 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, tournant dans tous les sens et réchauffé à 100°C. Après démoulage rapide, l'ébauche d'enveloppe ainsi obtenue a un diamètre nettement plus faible que son diamètre définitif qui sera obtenu ensuite par gonflage. Une fois la polymérisation du latex effectué, l'enveloppe est talquée, dégonflée puis pliée avant emballage.
  Cette deuxième méthode donne des enveloppes plus régulières en épaisseur, à conditions de gonflage identiques elles permettent d'obtenir de plus hautes altitudes d'éclatement et une plus faible dispersion de celles-ci. Ce ne sont pas les moins chères à l'achat mais peuvent s'avérer plus rentables car, en choisissant le modèle le plus léger permettant d'obtenir l'altitude souhaitée (16km, par exemple), le poucentage d'éclatements à trop basse altitude sera beaucoup plus faible et le coût supplémentaire des relâchers en sera réduit d'autant.
  La manche de gonflage est plus épaisse car elle 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 de ce 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 200 à 1200 g.

 
 Avant le radiosondage, les enveloppes peuvent être déballées et stockées dans cette enceinte dans laquelle l'hygrométrie et la température sont maîtrisées.    Celui qui achèterait ces ballons âgés de 18 ans serait certainement très déçu par leur comportement au moment du gonflage. (ph. prise en 2014 à Friedrischafen, lors du salon radioamateur )


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)

Photo ci-contre : deux ballons KKS-Cosmoprene. Le plus petit est un ballon-pilote de 30g tandis que le plus gros est un 600g contenant un parachute intégré.


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 ; et que la qualité de l'enveloppe est élevée.
  Voir ci-dessous le document KKS-Cosmoprene

Choix de l'enveloppe et gonflage

  Le but du radiosondage est d'effectuer une série de mesures entre le sol et une altitude souhaitée, généralement 16000m (niveau 100hPa)
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 2000g 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 utilisait 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)

Le gaz de gonflage

  L'utilisation de l'hydrogène, très bon marché, permet de diminuer fortement les frais liés au gonflage dans un rapport de l'ordre de 15. Ce gaz, utilisé selon des règles strictes, n'est guère plus dangereux que le gaz de ville ou le gaz en bouteilles. Sa masse volumique (0,0852kg/m3) est deux fois plus faible que celle de l'hélium (0,1692kg/m3), la force ascensionnelle est par conséquent un peu plus grande (de l'ordre de 8%). 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 1500g. En 2015 les stations françaises de Trappes et Ajaccio sont passées de l'hélium à l'hydrogène.
  Le 7/6/2010 Jacques F5APQ a récupéré une RS92-SGP de Herstmonceux (G) dont le ballon, gonflé à l'hydrogène portait la mention "highly inflammable", ce qui se traduit évidemment par "hautement inflammable". Cette précaution, qui ne coûte rien, est censée dissuader un promeneur curieux qui approcherait une flamme du ballon non éclaté qu'il aurait découvert au hasard de sa randonnée...



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.
  Pour les ballons les plus gros (>1000g), la vitesse de montée varie souvent brutalement au niveau de la tropopause, altitude à laquelle la température de l'air cesse de diminuer et commence même à remonter un peu. Ce phénomène est dû au fait que 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, la température du gaz rattrapant celle de l'air extérieur. Pour les ballons plus petit, le phénomène est moins marqué car l'inertie thermique est plus faible ; le rapport entre volume et surface d'échange étant proportionnel au diamètre du ballon, l'échange thermique se fait plus lentement sur les ballons plus gros.


Dilatation de l'enveloppe

  Comme le nombre de molécules de gaz est constant dans l'enveloppe (on négligera les pertes, généralement faibles), le volume du ballon va augmenter au fur et à mesure que la pression extérieure au ballon va diminuer. Cette dilatation dépend à la fois de la différence de pression entre l'intérieur et l'extérieur de l'enveloppe mais aussi de la résistance élastique du ballon. Une enveloppe peu élastique se dilatera moins, voire pas du tout.
  L'épaisseur de l'enveloppe diminue fortement. A titre d'exemple, prenons le cas du ballon de 2002 en photo ci-dessous dans le paragraphe "Eclatement". Son diamètre passe de 3,1 à 11m entre le moment du lâcher et celui qui précède l'éclatement. La surface de l'enveloppe, c'est à dire l'aire de la sphère qu'elle constitue se calcule facilement, par exemple, au lâcher, avec un diamètre de 3,1m la surface de latex est égale à :

  De même, on peut calculer que, peu avant l'éclatement, cette aire est de 380m² ! Le rapport entre ces deux valeurs est de 12,6 ce qui signifie que l'épaisseur de latex au départ a été divisée par le même nombre. La pellicule de latex qui est pratiquement opaque au départ devient presque transparente au moment de l'éclatement comme on peut le voir sur les photos ci-dessous.
Voir : Variation du volume d'un ballon en fonction de l'altitude


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 tant que la vitesse de chute ne sera pas suffisante

  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.). Le léger halo blanchâtre que l'on aperçoit autour et en particulier au-dessus de l'enveloppe qui se déchire en lanières est formé par la poudre de talc ajouté dans l'enveloppe au cours de sa fabrication pour éviter que les parois en latex ne se collent entre elles.
  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.


  La série de photo ci-dessous est extraite d'une vidéo intitulée HELLO KITTY IN SPACE
L'éclatement a eu lieu à 28537m.
       
 t = 2'15" - la petite tache colorée est le parachute, bien tendu    t = 2'15" - les déchirures se font sans que la forme globale soit modifiée    t = 2'16" - la partie intacte de l'enveloppe se frippe en se contractant.    t = 2'16" - les ficelles commencent à se détendre. Le débris étoilé est complètement détaché de la chaîne de vol.    t = 2'16" - Le morceau d'enveloppe sur la gauche est celui qui reste accroché au parachute.


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. Des précautions (très courte ou grande longueur de ficelle entre le ballon et le parachute) peuvent réduire les risques d'emmêlement et des solutions techniques (parachute intégré dans l'enveloppe) en supprime presque totalement les risques.
     
 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    Un ballon de 300g de Nîmes simplement déchiré mais entier (F4GRT par F6EUZ)


Document : caractéristiques des ballons KKS-Cosmoprene

  Ces ballons de fabrication japonaise sont généralement en latex. Documentation extraite de leur site (voir page lien)

Référence Type Poids (g) Lg manchon (cm) Diam. manchon (mm) Diam. gonflé (m) Diam. à l'éclatement (m)
3000 KS 3000 ±110 18 ±2 50 ±4 9.0 13.5
2000 KS 2000 ±80 18 ±2 50 ±4 7.3 11.3
1500 KS 1500 ±50 14 ±2 32 ±4 6.3 10.0
1200 KS 1200 ±45 14 ±2 32 ±4 5.8 8.9
1000 KS 1000 ±35 12 ±2 32 ±4 5.3 8.2
800 KS 800 ±30 12 ±2 32 ±4 4.9 7.3
700 KS, KL 700 ±28 12 ±2 32 ±4 4.4 6.8
600 KS, KL 600 ±27 12 ±2 32 ±4 4.2 6.5
500 KS, KL 500 ±25 12 ±2 32 ±4 3.8 5.7
350 KS, KL 350 ±20 12 ±2 32 ±4 3.2 4.8
300 KL 300 ±15 12 ±2 32 ±4 2.9 4.3
200 KL 200 ±12 12 ±2 32 ±4 2.1 3.5
100 KL 100 ±10 9 ±1 14 ±3 2.0 2.4