Les ballons stratosphériques sont des véhicules plutôt simples, en théorie. Ils contribuent pourtant à faire avancer la science et la technique, que ce soit pour sonder l’atmosphère ou regarder l’Univers par-delà les nuages.
Au cœur de l’atmosphère
Un ballon stratosphérique est un véhicule sans moteur, qui s’élève jusque dans la stratosphère, entre 20 et 40 km d’altitude. Plus haut que ne peut aller un drone ou un avion, et bien plus bas qu’un satellite. Il dérive au cœur du milieu, qu’il étudie à l’aide des instruments embarqués dans sa nacelle. La nacelle est attachée sous le ballon, constitué d’une enveloppe remplie d’un gaz plus léger que l’air, de l’hélium ou parfois de l’hydrogène, ce qui lui permet de s’élever. Nous mettons en oeuvre 3 types de ballons stratosphériques au CNES :
- Le ballon stratosphérique ouvert : BSO
L’enveloppe du BSO n’est pas fermée. L’hélium s’en échappe petit à petit, ce qui fait que sa durée de vie se limite à quelques jours. Mais son enveloppe peut faire la taille d’un immeuble de 30 étages. Il peut soulever plusieurs tonnes, jusqu’à 40 km d’altitude.
- Le ballon pressurisé stratosphérique : BPS
Il est plus petit que le BSO, mais son enveloppe fermée, étanche, lui permet rester à une même altitude (autour de 20 km) pendant des semaines, voire des mois.
- Le ballon léger dilatable : BLD (ou ballon-sonde)
Plus petit encore, il ne peut emporter que des instruments de moins de 3 kg, comme un baromètre. Mais il engrange des mesures pendant les 2 à 3 heures de son ascension. Puis l’enveloppe finit par éclater à environ 30 km d’altitude.
Des ballons dans la stratosphère… pour quoi faire ?
Les ballons sont des outils précieux pour les scientifiques et pour les ingénieurs. La preuve par l’exemple.
- Pour étudier la Terre ou scruter l’Univers
Les ballons stratosphériques sont capables de se maintenir entre 20 et 40 km d’altitude. Ils y collectent des données in-situ, parfois sur le long terme. Ils sont complémentaires des satellites qui survolent l’atmosphère par intermittence depuis l’orbite. Les météorologues utilisent les ballons-sondes pour connaître l’état de l’atmosphère (humidité, pression…) et les vents, du sol jusqu’à la stratosphère.
Les astronomes, eux, utilisent des BSO pour placer leurs instruments d’étude de l’Univers, au dessus des nuages, de la pollution et des turbulences.
- Pour tester les technologies spatiales
Les ballons sont aussi utilisés pour tester des technologies ou des équipements (caméras, télescopes, parachutes…). Des tests grandeur nature avant l’envoi définitif de ces éléments dans l’espace.
- Le télescope spatial Planck. Ou plutôt, sa réplique Archéops (2000). Son test sous ballon a permis aux ingénieurs de découvrir un léger défaut
- La sonde européenne Huygens. Son entrée en 2005 dans l’atmosphère de Titan, une lune de Saturne, avait été validée via un largage depuis un ballon
- Les parachutes qui devront poser le rover européen Rosalind Franklin sur Mars ont été testés grâce à un ballon géant
Un engin simple, une mise en œuvre élaborée
Les missions sous ballons sont moins coûteuses et plus rapides à développer que les missions satellitaires. Reste que les campagnes de lâchers sont des opérations complexes qui s’étalent parfois sur plusieurs semaines.
- Le lâcher
Les lâchers se font depuis des bases dédiées. En France, la base d’Aire-sur-l’Adour (Landes) accueille notre activité ballon depuis plus de 60 ans. 30 à 40 ballons légers y sont lâchés chaque année. Et pour les ballons lourds, le CNES utilise principalement des bases à Kiruna (Suède) et Timmins (Canada). Et bientôt à Palmas de Tocantins au Brésil. Ces 3 bases, qui se situent dans des zones peu habitées, permettent de répondre à des objectifs scientifiques différents.
- Le pilotage et le suivi
Les ballons sont télécommandés depuis le sol. Il s’agit d’un pilotage a minima, effectué par des opérateurs qui le font monter ou descendre, pour le placer dans les courants d’air qui les intéressent. Pour le faire monter, ils l’allègent en lâchant du lest, de minuscules billes en acier. Pour le faire descendre, ils libèrent de l’hélium par une petite ouverture au sommet de l’enveloppe.
- La récupération
Une fois les mesures scientifiques effectuées, les ballonniers (conducteurs de ballons) commandent le décrochage de la nacelle. Elle redescend sur terre sous parachutes, et atterrit à la vitesse de 5 m/s, à l’endroit voulu. Une zone isolée, et si possible, facile d’accès pour pouvoir récupérer la nacelle et ses instruments. Celle-ci est ensuite réutilisée pour d’autres vols.
Les ballons de demain
Les technologies liées au ballon progressent : il sera bientôt possible de les diriger ou de les rendre encore moins impactant pour l’environnement.
- Un ballon manœuvrant
Pour « diriger » ces engins sans moteur, il faut jouer avec les petits courants d’air de la stratosphère. L’enjeu est donc de pouvoir changer d’altitude à volonté, pour insérer le ballon dans le courant d’air voulu !
Avec la société Hemeria, nous développons ainsi le BalMan (pour « ballon manoeuvrant »), un ballon capable d’utiliser les variations des vents entre 16 et 22 km d’altitude, pour se diriger. Il est constitué de 2 enveloppes : la première est remplie d’hélium. Elle est elle-même enfermée dans une seconde enveloppe remplie d’air, que l’on peut expulser ou faire rentrer à volonté. Cela fait varier la masse de l’ensemble, et donc l’altitude du ballon. Objectifs : rester dans une zone d’intérêt militaire ou scientifique. Ou encore contourner des pays qui auraient interdit leur survol.
- Un ballon plus propre
Le ballon recyclable n’existe pas encore… Mais de nombreux composants sont aujourd’hui réparés et réutilisés comme par exemple les nacelles, clapets, sangles, parachutes, etc. Au CNES, nous nous attachons aussi à récupérer un maximum d’enveloppes. Elles sont ensuite traitées dans des déchetteries agréées. On comprend donc là encore l’intérêt du ballon manœuvrant : on peut ainsi plus facilement déterminer un lieu de chute accessible.
Continuez votre exploration
Diaporama du lâcher de l’énorme télescope PILOT en 2020
[Vidéo] Série « Terre en vue(s) | #8 – Quand les vents soufflent »
Quizz
Dans la chaine de vol d’un ballon stratosphérique se trouve une seconde nacelle, différente de celle qui contient les instruments. Elle renferme les équipements qui permettent de dialoguer avec le ballon, et de lui envoyer des commandes. Comment s’appelle-t-elle ?
A - Nacelle de commande
B - Nacelle d’opération
C - Nacelle de navigation
D - Nacelle de servitude
D : Les opérateurs au sol communiquent avec le ballon, par liaisons radio ou via des satellites. Ils savent à tout moment où il se trouve et dans quel état, et peuvent lui envoyer des commandes, comme le faire monter ou descendre.
