8 Septembre 2021

[CNESMAG] Tour d'horizon des ballons

Connaissez-vous l'histoire des ballons ? Entre les frères Montgolfier, les différents types de ballons ou encore la poussée d'Archimède, (re)découvrez l'activité "Ballons", dont le CNES est un expert international.
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Le CNES, responsable international de l’activité « ballons »

Créée sous l'impulsion de la communauté scientifique au début des années 1960 - avant même la création du CNES - reprise et développée par le CNES, l'activité Ballons consiste à concevoir puis opérer des véhicules aérostatiques permettant d'emporter des instruments scientifiques. Depuis 1964, le CNES a fait de la France un des rares pays à maîtriser l'ensemble des techniques nécessaires aux vols ballons à finalité aussi bien scientifique que technologique.

Bicentenaire (depuis la découverte des Frères Montgolfier), seul le ballon peut évoluer durablement dans les différentes couches de l'atmosphère, certaines trop hautes pour les avions, par nature inaccessibles aux satellites, et traversées trop rapidement par les fusées sondes.

Le bilan de l'activité Ballons est éloquent : en  60 ans, plus de 4 000 véhicules ont été lâchés depuis une trentaine de sites de par le monde !

Les différents types de ballons

Les ballons sont envoyés dans le ciel pour répondre aux souhaits, variés, des chercheurs : du poids de la charge utile à sa longueur, en passant par la durée du vol ; les besoins exprimés par les laboratoires ne peuvent pas être satisfaits par le même véhicule. Différents modèles de ballons ont été conçus (voir les différents modèles), pour fonctionner dans des conditions particulières, tout en conservant une physique identique : dans tous les cas, on est en présence d'une bulle de gaz livrée à elle-même dans une couche d'atmosphère.

Mais le ballon n'est pas tout :

Un aérostat doit être suivi par des équipes au sol pour assurer :

  • Son pilotage, dans le cas des familles pour lesquelles des organes de pilotage existent à bord (lest, clapet de vidange)
  • La connaissance de sa position pour, en particulier, la transmettre aux autorités aériennes
  • Un lien entre le bord et le sol pour échanger des informations (commandes et contrôle), par exemple pour enclencher la fin du vol, depuis le sol.

La réussite d'un vol ou de la mise en place d'un système comprenant un ou plusieurs aérostats, requiert, après une analyse fouillée de la mission, le choix du système adapté et la mise en œuvre coordonnée de l'ensemble bord-sol

C'est à cette fin que le CNES a mis en place, dès les années 1960, l'ensemble des moyens et des compétences nécessaires pour répondre à la demande de la communauté scientifique.

Les ballons, complémentaires aux satellites et lanceurs

L'image que nous avons du spatial est, soit le satellite sophistiqué qui gravite sur son orbite, soit le lanceur d'une fantastique puissance qui l'extrait de l'atmosphère pour le mener au plus près de sa destination finale. Ecologique et unique, le ballon, quant à lui, accède au lieu final de sa mission sans moteur ni combustible.

Ils ont joué et jouent toujours aujourd'hui un rôle déterminant dans la compréhension des mécanismes qui régissent l'équilibre de la couche d'ozone et son évolution sous l'influence des activités humaines.

Leur accès direct à des régions critiques de l'environnement terrestre, comme la troposphère et surtout la stratosphère, dont la partie supérieure reste inaccessible aux avions, facilite l'emport d'instruments sensibles et innovants.

Egalement, pour l'observation de la surface terrestre et des phénomènes de la Terre interne, ils offrent des possibilités de mesures de longue durée avec une sensibilité accrue par rapport aux instruments embarqués sur avion ou sur satellite.

Enfin, le faible coût et la simplicité de mise en œuvre des ballons, qui se traduit notamment par des délais plus courts de réalisation des expériences, permettent de tester aussi bien les méthodologies de mesure que les futurs instruments satellitaires.

Plébiscités, les ballons sont utilisés dans plusieurs domaines : ils permettent aux chercheurs de placer leurs expériences au cœur du milieu étudié, de prélever des échantillons d'air ou de mesurer la constitution de la stratosphère. Par ailleurs excellents traceurs, ils intéressent également les météorologistes et dynamiciens. Les astronomes, quant à eux, s'en servent pour placer leurs instruments de détection au-dessus des couches denses de l'atmosphère et ainsi étudier les rayonnements. Enfin, les géophysiciens peuvent, grâce aux ballons, prendre la distance nécessaire pour étudier le sous-sol terrestre.

Néanmoins, tous les vols ne sont pas scientifiques. Certains ont une finalité technologique (exposition de cellules solaires, matériels destinés à des satellites, etc.).

Puissante grue aérostatique à altitude élevée (plusieurs dizaines de kilomètres), les ballons sont aussi utilisés pour simuler des rentrées atmosphérique ou planétaire de véhicules spatiaux.

Concrètement, comment fonctionne l'envol d'un ballon ?

La poussée d'Archimède, cela vous dit quelque chose ? La poussée d'Archimède se manifeste spontanément sur tous les objets plongés dans un fluide (liquide ou gaz). Elle exerce une force égale au poids du même volume que celui de l'objet s'il était rempli du fluide environnant et est dirigée vers le haut. Elle s'oppose à une autre force, contraire, toute aussi naturelle : la pesanteur.

La poussée d'Archimède permet aux ballons de s'envoler : la plateforme est accrochée à une grosse « bulle » remplie d'une substance moins dense que l'air atmosphérique. 

Pour mener à bien un projet ballon, la sous-direction Ballons du CNES effectue avant toute chose une analyse de la mission à partir des données fournies par l'expérimentateur. Cette première étape consiste à évaluer les divers besoins : nacelle, ballon, site et période de lâcher, nombre de vols pour couvrir la mission, méthode de lancement, matériel et infrastructure sol. A partir de ces données et des résultats de l'analyse de mission, le choix d'un système adapté et la mise en œuvre coordonnée bord/sol s'effectuent.

>> Retrouvez plus de détails sur le fonctionnement des ballons dans ce poster explicatif.


A lire, CnesMag n° 89

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