EP1185890A1

EP1185890A1 - Dispositif utilisant une asperite locale pour reduire l'amplitude des mouvements parasites des ballons de sondage meteorologiques

Info

Publication number: EP1185890A1
Application number: EP00929629A
Authority: EP
Inventors: Jean Barat
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-05-18
Filing date: 2000-05-18
Publication date: 2002-03-13
Also published as: US6655206B1; JP2002544064A; WO2000070369A1; AU4764700A; FR2793887A1; FR2793887B1

Abstract

Dispositif destiné à améliorer la qualité de mesure du vent des ballons météorologiques présentant une enveloppe gonflable et munis d'une sonde du type GPS, durant leur phase ascensionnelle, caractérisé en ce qu'il comprend une aspérité (As) solidaire d'une portion de la paroi dudit ballon (4) située dans l'hémisphère supérieur dudit ballon (4) en cours d'ascension, de façon que ladite aspérité (As) transmette audit ballon (4) toute force d'origine aérodynamique agissant sur elle et que ladite aspérité (As) modifie les filets d'air (FAs) épousant la surface externe dudit ballon pour empêcher lesdits filets d'air (FAs) de coller à la surface de l'hémisphère inférieur dudit ballon (4) en cours d'ascension.

Description

Dispositif utilisant une aspérité locale pour réduire l'amplitude des mouvements parasites des ballons de sondage météorologiques.

La présente invention concerne un dispositif qui a pour but d'atténuer, voire de supprimer, les mouvements parasites auxquels les ballons météorologiques sont soumis au cours de la phase de montée. Le dispositif est plus spécialement destiné aux ballons de type fermé dont l'enveloppe est faite dans un matériau élastique et qui servent à mesurer le vent dans l'atmosphère, c'est-à-dire à mesurer la vitesse et la direction du vent. Pour effectuer cette mesure, ces ballons sont suivis soit par un positionneur GPS intégré dans une radiosonde accrochée en dessous du ballon, soit par un radar de poursuite. Pour que la vitesse du vent soit mesurée dans de bonnes conditions, il faut que le ballon suive aussi parfaitement que possible les mouvements de l'atmosphère, ce qui n'est pas le cas des ballons classiques. En effet, lorsqu'une sonde est accrochée en dessous d'un ballon météorologique normal de forme sensiblement sphérique, elle est soumise pendant la phase de montée à des oscillations très importantes. Ces oscillations sont créées par les mouvements parasites du ballon lui-même et, si l'on veut que les mesures de la vitesse du vent soient précises, il faut impérativement réduire au maximum l'amplitude des mouvements parasites du ballon pendant toute la phase de montée.

Un objet de la présente invention est d'améliorer la qualité de mesure du vent des ballons météorologiques présentant une enveloppe gonflable et munis d'une sonde du type GPS, durant leur phase ascensionnelle. Pour atteindre ce but, selon l'invention, le ballon est muni d'un dispositif comprenant une aspérité solidaire d'une portion de la paroi dudit ballon située dans l'hémisphère supérieur dudit ballon en cours d'ascension, de façon que ladite aspérité transmette audit ballon toute force d'origine aérodynamique agissant sur elle et que ladite aspérité modifie les filets d'air épousant la surface externe dudit ballon pour empêcher lesdits filets d'air de coller à la surface de l'hémisphère inférieur dudit baJIon en cours d'ascension.

Le dispositif selon l'invention permet d'augmenter de façon importante la stabilité d'un ballon pendant son ascension, ce dispositif étant plus spécifiquement adapté aux ballons météorologiques de type fermé qui ont une enveloppe élastique II est bien connu que, pour ces ballons et pendant la montée, le régime d'écoulement de l'air peut être supercritique, ce qui veut dire que les filets d'air collent de façon laminaire à la paroi sur une fraction importante de l'hémisphère inférieur du ballon Ce régime entraîne des instabilités dans le mouvement et, par voie de conséquence, un mauvais SUIVI du vent par le ballon II faut donc impérativement que le régime ne soit plus supercritique et donc que les filets d'air se décrochent de la paroi du ballon avant d'arriver sur l'hémisphère inférieur L'objet de la présente invention est d'assurer ce décollement dans le but d'obtenir de bonnes mesures de la vitesse du vent

Ainsi, suivant une première caractéristique de l'invention, le décrochement des filets d'air de l'hémisphère supérieur du ballon pendant la phase de montée est provoqué au moyen d'une aspérité unique fixée de façon rigide sur la paroi de cet hémisphère amont (supérieur) du ballon, la dimension de l'aspérité de décollement étant choisie suffisamment grande pour que le sillage turbulent qui se forme derrière elle puisse agir de proche en proche sur les filets adjacents et perturber l'écoulement sur de très larges portions du ballon Selon un mode préféré de mise en œuvre, ladite aspérité est constituée d'un élément formant plaque à arrêtes vives dont le plan moyen coupe la surface définie par ledit ballon. Afin de fixer ladite aspérité ou ledit élément, de façon avantageuse, ledit dispositif comprend en outre un système comportant un mât, apte à relier ladite aspérité à ladite portion de paroi dudit ballon, ledit mât étant solidaire de ladite enveloppe dudit ballon. Ainsi, le mât est apte à être fixe sur le ballon et ladite aspéπté est fixable sur le mât. Afin de fixer le mât sur le ballon, préférentiellement, ledit mât présente un epaulement interne forme par une bride externe et ledit système- comprend une pièce élastiquement déformable, interne audit ballon, apte à être encastrée dans ledit mât de façon à prendre appui sur ledit épaulement interne pour coincer ladite enveloppe entre ladite pièce et ledit mât, par quoi ledit mât est fixé sur ladite portion de paroi dudit ballon. On comprend que le mât doit être déformable pour que la bride enserre ledit mat et forme i'épaulement interne.

De manière pratique, la pièce élastiquement déformable est insérée avec la portion de ballon, non gonflé, correspondant à la portion de paroi située dans l'hémisphère supérieur, dans le mât de forme tubulaire à l'origine. Ensuite on enserre la partie inférieure du mât avec la bride de manière à former un épaulement interne sur lequel est apte à s'appuyer la pièce élastiquement déformable pour coincer ladite portion de ballon contre I'épaulement. Ainsi, après gonflage du ballon, le mât est solidaire de la portion du ballon. De manière avantageuse, ledit élément formant plaque est apte à être fixé de manière réglable sur ledit mât, de manière à lui donner une position par rapport au ballon provoquant le minimum de perturbation.

Selon un mode préféré de mise en .uvre de l'invention, ledit élément formant plaque présente une courbure de type cylindrique dont la concavité est dirigée vers l'amont desdits filets d'air. Ainsi le côté concave de l'élément formant plaque fait obstacle à l'air lorsque le ballon est en phase ascensionnelle.

Selon encore un mode préféré de mise en .uvre de l'invention, l'élément formant plaque est percé d'orifices de manière à créer une turbulence de grille apte à empêcher lesdits filets d'air de coller à la surface de l'hémisphère inférieur dudit ballon en cours d'ascension.

Selon un autre mode préféré de mise en .uvre de l'invention, ledit élément formant plaque présente deux parties dont les plans moyens forment un angle inférieur à 180°. Suivant ce mode de réalisation, l'aspérité se compose de deux surfaces planes faisant entre elles un angle qui peut être choisi à une valeur quelconque, lesdites surfaces pouvant être de dimensions différentes de manière à créer, sous l'effet des forces dues à la vitesse de montée, un couple tendant à faire tourner le ballon et ce, pour mieux faire se propager latéralement la perturbation turbulente du sillage. Dans le but de parvenir au même résultat, avantageusement, ledit élément formant plaque est fixé dans ladite portion de la paroi dudit ballon de façon que le plan moyen dudit élément soit incliné par rapport à l'horizontale pour provoquer la rotation dudit ballon autour de son axe vertical durant la phase d'ascension. De façon préférentielle, l'élément formant plaque présente une fente longitudinale.

Ainsi, suivant ces caractéristiques de l'invention, ladite aspérité est faite de une ou plusieurs surfaces planes ou concaves qui sont utilisées pour perturber l'écoulement dans la partie supérieure du ballon pendant la montée, lesdites surfaces étant maintenues rigidement solidaires de la paroi du ballon. Ainsi, les forces d'origine aérodynamique subies par ladite aspérité sont-elles transmises au ballon et en modifient révolution.

Afin que ladite aspérité transmette les forces qu'elle subit, elle est rigide, relativement aux contraintes aérodynamiques. Cependant, de façon avantageuse, ladite aspérité est élastiquement déformable, et est constituée d'un matériau souple pour pouvoir se déformer et ne pas endommager l'enveloppe du ballon en cas de contact au moment du lancement. D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description faite ci-après, à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels :

- la Figure 1 représente, dans le cas général, le dispositif objet de l'invention, monté sur un ballon météorologique et le fonctionnement, pendant la phase de montée, de l'aspérité fixée sur l'hémisphère supérieur du ballon, - la Figure 2 représente un mode de réalisation dans lequel l'aspérité est constituée d'une plaque à arêtes vives percée d'orifices, solidaire de l'enveloppe du ballon et placée de telle sorte que l'angle qu'elle fait avec l'enveloppe lui permette de faire obstacle à l'écoulement de l'air autour du ballon, la plaque étant elle-même fixée sur une pièce solidaire de l'enveloppe du ballon de telle sorte que toute force d'origine aérodynamique sur la plaque se répercute directement sur le mouvement du ballon,

- la Figure 3 représente la fixation sur l'enveloppe du ballon de la plaque servant à créer un sillage turbulent en aval pour décoller les filets d'air,

- la Figure 4 représente un mode préféré de réalisation suivant l'invention dans lequel l'aspérité est cette fois constituée de deux plaques planes qui sont rendues solidaires de l'enveloppe au moyen d'une pièce du type de celle représentée en Figure 3, ces deux plaques faisant entre elles un angle non nul, ayant des arêtes vives et faisant obstacle à l'écoulement de l'air autour du ballon, et

- la Figure 5 représente un autre mode préféré de réalisation suivant l'invention.

Sur la Figure 1 , on a représenté pour la phase de montée la configuration du dispositif selon l'invention et son fonctionnement. La sonde 1 de mesure de la vitesse du vent est accrochée sous le ballon 4, au moyen d'un fil 2, au manchon 3 servant à remplir de gaz le ballon de centre O et d'enveloppe élastique 5. Sur cette enveloppe 5 et sur l'hémisphère supérieur du ballon pendant la phase de montée, est fixée rigidement une aspérité As indéformable sous l'action des forces d'origine aérodynamiques qu'elle subit.

Pendant la montée, les filets d'air Fs qui rencontrent le pôle supérieur Ps du ballon sont ensuite déviés pour contourner celui-ci.

Comme il a été dit auparavant, les filets FNas qui ne rencontrent pas l'aspérité As sur leur chemin collent fidèlement aux parois du ballon en régime supercritique jusque sur sa surface inférieure. En revanche, tous les filets d'air FAs qui vont rencontrer l'aspérité As vont être déviés et donner naissance, en aval de As, à des filets turbulents Ft qui constituent le sillage. Ces filets qui partent derrière l'obstacle dans des directions multiples vont, en raison de leur nature turbulente, contribuer à empêcher l'écoulement de l'air de coller parfaitement à la paroi du ballon dans une large portion de son hémisphère inférieur ce qui a pour effet, comme il a été dit auparavant, de réduire les mouvements parasites du ballon et donc de permettre les bonnes mesures de la vitesse du vent. Pour que l'aspérité As soit efficace, il est donc nécessaire que les filets d'air FAs rencontrent les parois de l'aspérité As sous un angle important, ce qui implique que l'aspérité ne soit pas trop proche du pôle supérieur Ps du ballon. De même, pour que le sillage turbulent puisse agir avec efficacité en aval de l'aspérité As, il est également nécessaire que cette aspérité ne soit pas située au voisinage de l'équateur E du ballon. Dans ces conditions, l'angle α que fait 0,As avec l'axe vertical zz' du ballon sera avantageusement limité à des valeurs qui ne soient pas proches de 0° ou de 90°. Comme on l'a vu avec la description précédente, l'effet de stabilisation est d'autant plus efficace que le sillage est plus important. Sur la Figure 2 est représenté un mode de réalisation selon l'invention dans lequel l'aspérité As est constituée d'une plaque P dont l'épaisseur est faible par rapport à ses autres dimensions et qui constitue donc un obstacle à arêtes vives. Cette plaque est fixée sur un mât M solidaire de l'enveloppe du ballon. Selon ce mode de réalisation nullement limitatif, la plaque P, qui a une forme généralement rectangulaire, déborde du mât M et est orientée face à l'écoulement des filets d'air. Dans ces conditions, le sillage en arrière de la plaque présente, par rapport à celui du mât M seul, des dimensions qui sont beaucoup plus importantes et une densité qui est très supérieure en raison des arêtes vives de la plaque P. Il en résulte que l'effet de stabilisation sur le ballon est plus important puisque les filets turbulents Ft se dispersent plus vite sur les côtés de la plaque P que s'il y avait seulement le mât M pour faire obstacle. Afin que le système soit efficace, il faut que la plaque P soit réalisée dans un matériau suffisamment rigide pour que les forces de pression aérodynamiques qu'elle subit, et qui sont liées à la vitesse de montée du ballon, se répercutent intégralement sur le ballon lui-même. De plus, il est nécessaire, comme cela a déjà été expliqué auparavant, que la position angulaire de la plaque P et du mât M, caractérisé par l'angle α, ait une valeur telle que les filets FAs y arrivant soient ensuite bien décollés de l'enveloppe du ballon. Pour améliorer encore l'efficacité de la plaque P, une série d'orifices ω sont percés dans celle-ci afin que les filets d'air incidents FAs donnent, en aval, une turbulence de grille qui permet de mieux décoller les filets d'air et d'augmenter encore la stabilité.

Sur la Figure 3, a représenté, selon l'invention et à titre d'exemple, un mode de réalisation du système plaque-mât servant à décoller les filets d'air. Le mât M représenté en Figure 2 est en fait composé d'un ensemble de quatre pièces. La première est un manchon cylindrique qui sera avantageusement fait dans un matériau à la fois rigide et déformable de type mousse de polyuréthane, ce manchon étant rendu solidaire de l'enveloppe 5 par un système que l'on détaillera par la suite.

Dans le cylindre intérieur du manchon 8 se trouve une pièce élastiquement déformable 7, cylindrique, qui a été introduite préalablement à l'intérieur du ballon 4 par le manchon 3 de remplissage. La pièce 7 est elle aussi constituée d'un matériau rigide mais déformable dont le diamètre est pris légèrement inférieur à celui du diamètre intérieur du manchon 8 de sorte qu'avec l'épaisseur de l'enveloppe 5 entre la pièce 7 et le manchon 8 il n'y ait pas de jeu entre les deux pièces.

La pièce 7 a été introduite dans le manchon 8 en passant également à travers un orifice circulaire 11 situé sur une pièce plane 6 qui se trouve donc intercalée entre l'enveloppe 5 du ballon et le soubassement 14 du manchon 8. Le diamètre de l'orifice circulaire 11 doit être inférieur au diamètre extérieur du manchon 8 pour les raisons qui apparaîtront par la suite. Dans la partie basse de la surface extérieure du manchon 8 est creusée une gorge 9 dans laquelle est placé un collier ou une bride rétractable 10 . Une fois serré, le collier 10, compte tenu de l'élasticité du matériau constituant le manchon 8, limite le diamètre intérieur dudit manchon 8 à une valeur inférieure à celle de la pièce 7 qui ne peut alors plus s'échapper vers le bas de son logement. Ces pièces étant montées lorsque le ballon est vide de gaz, l'enveloppe 5 n'est soumise à aucune tension.

Dès que, au cours du gonflement, le ballon 4 prend une forme sphérique, il se développe dans l'enveloppe 5 une tension qui tend à plaquer la pièce 7 sur la partie 13 du manchon 8 qui est rétrécie par le collier 10. Cette force de tension plaque également le soubassement 14 du manchon 8 sur la pièce plane 6. Sur la paroi extérieure 15 du manchon 8 on peut utiliser un méplat sur lequel est collée la plaque P de la Figure 2 qui sert d'obstacle aérodynamique mais cette fixation peut se faire par tout moyen permettant de solidariser la plaque P au manchon 8 avant ie lâcher. Quand le ballon 4 est gonflé avant son lancement pour le sondage, l'enveloppe 5 assure donc, de par ses forces de tension élastique, la soiidarisation du mât M et de la plaque P sur elle-même, étant entendu que la pièce 7 ne peut s'échapper à travers l'orifice 11 , ce qui maintient la pièce plane 6 intercalée entre le manchon 8 et le ballon, la pièce plane 6 servant de support sur le ballon à l'aspérité As servant d'obstacle aérodynamique.

Un second mode de réalisation suivant l'invention consiste à remplacer le collier 10 par un bracelet élastique en extension faisant un ou plusieurs tours dans la gorge 9 et qui, de par les forces élastiques qu'il exerce, empêche la pièce 7 de quitter le manchon 8. Sur la Figure 4, on a représenté, toujours à titre nullement limitatif, un deuxième exemple de réalisation de l'aspérité formant obstacle As. Dans ce cas, on utilise pour l'aspérité As deux plaques fines P1 et P2 qui sont rendues solidaires d'un mât M2 fixé sur l'enveloppe 5. Les plaques P1 et P2 sont orientées par rapport à la surface du ballon de façon à faire obstacle aux filets d'air FAs qui arrivent dessus et elles forment entre elles un angle β qui peut avoir une valeur arbitraire mais plus avantageusement inférieure à 180°. Ces plaques P1 et P2 sont solidaires d'une pièce mât M2 du type de celle représentée en Figure 3 sauf que, dans cette réalisation, deux méplats faisant entre eux l'angle β ont été faits sur le manchon 8 afin de pouvoir y solidariser les plaques P1 et P2. Quand les filets d'air FAs autour du ballon arrivent sur l'aspérité As, ils sont déviés par les plaques P1 et P2 suivant des filets Ft qui divergent suivant l'angle β entre les deux plaques de sorte que leur effet sur le décollement en aval est encore augmenté par rapport à celui d'une plaque plane unique. Outre l'amélioration d'efficacité qu'elle procure pour stabiliser le ballon, cette configuration offre deux autres avantages. D'une part, elle impose une symétrie du sillage en aval et, par voie de conséquence, une amélioration du coefficient de traînée aérodynamique du ballon. D'autre part, en prenant des surfaces des plaques P1 et P2 différentes, la force résultante d'origine aérodynamique qu'exerce sur elles la vitesse de montée crée un couple qui tend à faire tourner ie ballon autour de son axe vertical zz' et dans un sens et une vitesse qui dépendent uniquement de l'importance relative des surfaces des plaques P1 et P2. Cette rotation permet donc d'améliorer l'effet de décollement des filets Ft. Dans l'exemple à une seule plaque représenté en Figure 2, il est également possible de créer la rotation du ballon autour de l'axe vertical zz' en orientant la surface plane P solidaire du mât M sur le ballon de telle sorte que les filets FAs qui, avant de se heurter à l'obstacle, suivent des trajectoires parallèles aux génératrices Q du ballon, tombent sur la plaque P avec une incidence oblique qui se traduit par un couple faisant tourner le ballon. Sur la Figure 5 enfin, on a représenté, toujours suivant l'invention, un autre mode de réalisation de l'obstacle servant à décoller les filets d'air de la surface du ballon et donc à assurer la parfaite stabilisation de celui- ci pendant la montée. Selon ce mode de réalisation, l'obstacle se compose de deux plaques Pa et Pb parallèles laissant entre elles une fente rectangulaire fr. Les filets d'air incidents passent en partie à travers la fente fr et donnent naissance, en aval, aux filets turbulents Ft qui décollent de la paroi du ballon.

Claims

REVENDICATIONS

1. Dispositif destiné à améliorer la qualité de mesure du vent des ballons météorologiques présentant une enveloppe gonflable et munis d'une sonde du type GPS, durant leur phase ascensionnelle, caractérisé en ce qu'il comprend une aspérité (As) solidaire d'une portion de la paroi dudit ballon (4) située dans l'hémisphère supérieur dudit ballon (4) en cours d'ascension, de façon que ladite aspérité (As) transmette audit ballon (4) toute force d'origine aérodynamique agissant sur elle et que ladite aspérité (As) modifie les filets d'air (FAs) épousant la surface externe dudit ballon pour empêcher lesdits filets d'air (FAs) de coller à la surface de l'hémisphère inférieur dudit ballon (4) en cours d'ascension.

2. Dispositif destiné à améliorer la qualité de mesure du vent des ballons météorologiques selon la revendication 1 , caractérisé en ce que ladite aspérité (As) est constitué d'un élément formant plaque (P) à arêtes vives dont le plan moyen coupe la surface définie par ledit ballon (4).

3. Dispositif destiné à améliorer la qualité de mesure du vent des ballons météorologiques selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un système comportant un mât (M), apte à relier ladite aspérité avec ladite portion de paroi dudit ballon, ledit mât (M) étant solidaire de ladite enveloppe (5) dudit ballon (4).

4. Dispositif destiné à améliorer la qualité de mesure du vent des ballons météorologiques selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit mât (M) présente un épaulement interne (13) formé par une bride externe (10) et en ce que le système comprend une pièce élastiquement déformable (7), interne audit ballon (4) apte à être encastrée dans ledit mât (M) de façon à prendre appui sur ledit épaulement interne (13) pour coincer ladite enveloppe (5) entre ladite pièce (7) et ledit mât (M), par quoi ledit mât (M) est fixé sur ladite portion de paroi dudit ballon (4).

5. Dispositif destiné à améliorer la qualité de mesure du vent des ballons météorologiques selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que ledit élément formant plaque (P) est apte à être fixé de manière réglable sur ledit mât (M).

6. Dispositif destiné à améliorer la qualité de mesure du vent des ballons météorologiques selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que ledit élément formant plaque (P) présente une courbure de type cylindrique dont la concavité est dirigée vers l'amont desdits filets d'air (FAs)

7. Dispositif destiné à améliorer la qualité de mesure du vent des ballons météorologiques selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que ledit élément formant plaque (P) est percé d'orifices (ω) de manière à créer une turbulence de grille apte à empêcher lesdits filets d'air (FAs) de coller à la surface de l'hémisphère inférieur dudit ballon (4) en cours d'ascension.

8. Dispositif destiné à améliorer la qualité de mesure du vent des ballons météorologiques selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, caractérisé en ce que ledit élément formant plaque (P) présente deux parties (P1 , P2) dont les plans moyens forment un angle inférieur à 180°.

9. Dispositif destiné à améliorer la qualité de mesure du vent des ballons météorologiques selon l'une quelconque des revendications 2 à 8, caractérisé en ce que ledit élément formant plaque (P) est fixé dans iadite portion de la paroi dudit ballon de façon que le plan moyen dudit élément soit incliné par rapport à l'horizontale pour provoquer la rotation dudit ballon (4) autour de son axe vertical durant la phase d'ascension.

10. Dispositif destiné à améliorer la qualité de mesure du vent des ballons météorologiques selon l'une quelconque des revendications 2 à 9, caractérisé en ce que ledit élément formant plaque (P) présente une fente longitudinale (fr).

11. Dispositif destiné à améliorer la qualité de mesure du vent des ballons météorologiques selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que ladite aspérité est élastiquement déformable.