FR2970940A1 - Dispositif de declenchement de la descente d'un ballon stratospherique et de recuperation de sa charge utile et ballon stratospherique equipe d'un tel dispositif - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne un dispositif (10) de déclenchement de la descente d'un ballon (11) et de récupération de sa charge utile (15) comprenant : - un ballon de haute altitude ayant une base (13) et un sommet (12), ladite base comportant une ouverture de diamètre prédéterminé, - une charge utile, - des moyens (16) pour relier la charge utile à la base du ballon, - des moyens (17) pour relier la charge utile au sommet dudit ballon, - un moyen (18) de séparation de la charge utile de la base du ballon, et - des capteurs aptes à délivrer un signal permettant au moyen de séparation séparer la charge utile de la base du ballon pour provoquer le retournement du ballon et l'échappement du gaz contenu dans ledit ballon pour provoquer la descente dudit ballon.

Description

La présente invention est relative à un dispositif de déclenchement de la descente d'un ballon stratosphérique et de récupération de sa charge utile et un ballon stratosphérique incorporant un tel dispositif. En particulier l'invention concerne le domaine des mesures scientifiques 5 effectuées par les équipements contenus dans une charge élevée en altitude par un ballon. Afin d'obtenir des informations concernant les caractéristiques de l'atmosphère il est commun d'utiliser des ballons pour élever un équipement dans l'atmosphère. 10 Les ballons de type montgolfière permettent d'effectuer des vols habités. Leur sustentation est assurée par de l'air chauffé contenu par une enveloppe. La différence de masse volumique avec l'air environnant, plus froid, crée une poussée assurant la sustentation, nommée poussée d'Archimède. Le maintien en température de l'air de l'enveloppe nécessite d'équiper le ballon d'un carburant et 15 d'un brûleur. Un autre type de ballon est le ballon noir permettant un vol captif, aussi nommé « ballon solaire ». Le ballon noir est semblable à la montgolfière sauf qu'il n'utilise pas de brûleur, ni aucune autre source de chaleur exceptée celle fournie par le soleil. Comme les autres aérostats, le ballon solaire est en sustentation 20 grâce à la poussée d'Archimède. Il y a plusieurs avantages à construire un ballon solaire, notamment le coût car il n'est pas nécessaire d'avoir un brûleur ni d'utiliser du gaz et le poids car l'absence de brûleur permet de d'augmenter la masse de la charge utile. Cependant, l'inconvénient d'un tel dispositif est qu'il nécessite des 25 conditions météorologiques favorables et le vol doit être fait de jour. De ce fait le vol a une durée limitée. Le ballon sonde stratosphérique, est un type de ballon couramment utilisé dans les domaines de la météorologie et de l'astronautique. Il s'agit d'un ballon libre non habité, utilisé pour faire des mesures locales dans l'atmosphère grâce à 30 un certain nombre d'instruments mis à bord.

Le principal avantage des ballons sonde est de pouvoir atteindre des altitudes de 35 000 mètres. Ainsi il permet de capter les données nécessaires plus facilement et à moindre coût par rapport à d'autres moyens conventionnels tels que les avions.

Un ballon-sonde classique est constitué de plusieurs éléments qui, une fois assemblés, forment une chaîne de vol, qui peut atteindre jusqu'à huit mètres de longueur. La chaîne de vol est composée par : - le ballon lui-même, ayant une enveloppe fabriquée avec un matériau très élastique de quelques microns d'épaisseur.et tirant le reste de la chaîne, - un parachute dans la plupart des cas, il s'ouvre pour freiner la descente de la nacelle après l'éclatement du ballon, - un transpondeur ou un réflecteur radar permettant aux contrôleurs aériens de connaître sa position, et - une ou plusieurs nacelles aussi nommées « charges utiles », pouvant se détacher à des phases différentes du vol, si nécessaire chacune avec son parachute et/ou son propre transpondeur. C'est la charge utile qui comprend l'équipement pour effectuer les expériences. L'équipement contenu dans la charge utile comprend par exemple des appareils de mesure et d'enregistrement de la pression, de la température ou de l'humidité, des radiosondes, des bouteilles d'échantillonnage. Cet équipement est coûteux et fragile. De ce fait sa récupération est souhaitée, non seulement pour obtenir toutes les données captées mais également afin de pouvoir réutiliser l'équipement.

Généralement, pour récupérer les données et l'équipement, la charge utile est séparée du ballon, et sa descente est contrôlée par un parachute qui se déclenche suite à l'éclatement du ballon en altitude. Le document US 3,614,031 décrit un dispositif de destruction et de descente d'un tel ballon permettant de récupérer la charge utile et ses équipements grâce à des moyens aptes à détruire une portion du ballon et de l'inverser. Cela permet au gaz du ballon de s'échapper et ainsi de provoquer une descente contrôlée du ballon jusqu'au moment où celui-ci est dégonflé et un parachute prend le relais et fournit le moyen de récupérer la charge utile. En d'autres termes, le ballon est fermé et une ouverture est déclenchée ensuite grâce à une valve commandée par un système électronique. Cette solution présente plusieurs inconvénients. Tout d'abord, le ballon n'est pas réutilisable car il est détruit lors de la descente. Ensuite, ce dispositif nécessite un système électronique pour déclencher l'ouverture de la valve et provoquer l'ouverture d'un parachute, ce qui est complexe mécaniquement et cher. Enfin le ballon doit être équipé d'un parachute ce qui augmente le poids, la complexité et le coût. La présente invention vise à remédier à tout ou partie de ces inconvénients. A cet effet, la présente invention a pour premier objet un dispositif de déclenchement de la descente d'un ballon contenant un gaz et de récupération de sa charge utile comprenant : - un ballon de haute altitude ayant une base et un sommet, ladite base comportant une ouverture de diamètre prédéterminé, - une charge utile, - des moyens pour relier la charge utile à la base du ballon, - des moyens pour relier la charge utile au sommet dudit ballon, - un moyen de séparation de la charge utile de la base du ballon, et - des capteurs aptes à délivrer un signal permettant au moyen de séparation de séparer la charge utile de la base du ballon pour provoquer le retournement du ballon et l'échappement du gaz contenu dans ledit ballon pour provoquer la descente dudit ballon . En d'autres termes le dispositif selon l'invention permet de fournir un système de récupération sûr, à la fois de l'équipement contenu dans la charge utile du ballon et du ballon. En effet, le signal de descente émis par les capteurs enclenche le moyen de séparation de la charge utile de la base du ballon. La charge utile n'est alors plus reliée qu'au sommet du ballon. En conséquence, le poids de la charge provoque le retournement du ballon dont l'ouverture de sa base se retrouve au sommet et laisse s'échapper l'air. Le lent dégonflement du ballon permet la descente contrôlée du ballon et de la charge utile, et leur récupération. L'avantage de l'invention est qu'elle permet à un moindre coût et de manière simplifiée et sûre de récupérer les données captées par le ballon sonde.

De plus, le ballon n'est pas détruit. Il peut être ainsi réutilisé plusieurs fois. Un autre avantage est un gain dans le poids que la charge utile que le ballon peut porter, puisque le dispositif selon l'invention ne nécessite pas de parachute. Selon des caractéristiques particulières, le dispositif objet de l'invention comporte un moyen pour régler la vitesse du ballon. Selon une réalisation du dispositif objet de l'invention, le moyen pour régler la vitesse du ballon est constitué par le choix prédéterminé du diamètre de l'ouverture situé à la base du ballon. Selon des caractéristiques particulières, la vitesse du ballon est réglée entre 4 m/s et 7m/s aux altitudes de l'espace aérien. La vitesse minimale ascensionnelle de 4m/s permet avantageusement de garantir un décollage franc et limite les risques d'accrochages dans des obstacles. De plus, elle rend le ballon moins sensible aux turbulences atmosphériques et elle permet également de limiter le temps de passage du ballon dans les couloirs aériens, notamment entre 3 000 et 15 000 mètres. Selon des caractéristiques particulières, la charge utile contient un ou plusieurs équipements parmi l'ensemble comprenant des instruments de mesure de la pression, de la température, de l'humidité, des radiosondes, des bouteilles d'échantillonnage, des appareils pour photographie.

Selon un mode de réalisation de l'invention, le moyen de séparation de la charge utile est un fil fusible ayant une tension et un ampérage très faibles, typiquement de 12 Volts et 50 mA. Ainsi, le courant qui suite au signal de déclenchement de la descente du ballon passe dans le fil fusible fait fondre celui-ci, ce qui permet de séparer la charge utile du moyen qui la relie à la base du ballon. Le poids de la charge utile, qui n'est alors plus retenue que par les moyens la reliant à la partie supérieure du ballon, entraîne le basculement du ballon et la descente contrôlée de l'ensemble de vol, grâce au dégonflement progressif du ballon par son ouverture. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, le moyen de séparation de la charge utile comprend un électroaimant et un moyen d'inversion de la polarité dudit électroaimant. Afin de produire la descente du ballon, un signal permet d'activer le moyen d'inversion de polarisation de l'électroaimant ce qui permet de séparer la charge utile des moyens la reliant à la partie inférieure du ballon.

Selon des caractéristiques particulières, le dispositif objet de l'invention comporte un GPS. Le GPS permet la localisation à tout moment du ballon et facilite la récupération de l'ensemble.

Selon des caractéristiques particulières, le dispositif objet de l'invention comporte un capteur de déclenchement du moyen de séparation en fonction de la valeur d'une grandeur physique. Le capteur permet de manière avantageuse de déterminer le moment de déclenchement de la descente du ballon. Le capteur peut être choisi selon les paramètres de l'expérience et selon les circonstances et les caractéristiques du vol. Selon des caractéristiques particulières, le capteur de déclenchement est au moins l'un parmi un ensemble comprenant : - des capteurs de température, - des capteurs de pression atmosphérique, - des capteurs de signal du sol, - des capteurs de position, - des capteurs de vitesse, - des capteurs de durée du vol ou - un moyen de détection de la quantité d'informations en mémoire. L'utilisation de plusieurs types de capteurs pour un même vol permet d'assurer une meilleure sécurité du déclenchement de la descente par redondance du signal. Selon un deuxième aspect, la présente invention vise un ballon sonde stratosphérique équipé d'un dispositif de déclenchement de la descente d'un ballon et de récupération de la charge utile du ballon objet de l'invention. Selon un mode de réalisation, le ballon est ouvert et non pressurisé. Selon un mode de réalisation, le ballon est noir. Ainsi, le ballon peut avantageusement profiter de l'énergie solaire pour son fonctionnement. Selon un troisième aspect, la présente invention vise un procédé de déclenchement de la descente d'un ballon contenant du gaz et de récupération de sa charge utile, ledit ballon étant un ballon de haute altitude ayant une base et un sommet, ladite base comportant une ouverture de diamètre prédéterminé, des moyens pour relier la charge utile au sommet dudit ballon, caractérisé en ce qu'il comporte : - une étape de liaison de la charge utile à la base du ballon, - une étape de capture d'une grandeur physique pour délivrer un signal prédéterminé et - une étape de séparation de la charge utile de la base du ballon lorsque ledit signal prédéterminé est délivré, pour provoquer le retournement du ballon et l'échappement du gaz contenu dans ledit ballon pour provoquer la descente dudit ballon.

Les avantages, buts et caractéristiques particulières de ce ballon et de ce procédé étant similaires à ceux du dispositif objet de la présente invention, ils ne sont pas rappelés ici. D'autres avantages, buts et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée à titre d'exemple nullement limitatif, et faite en se référant aux figures dans lesquelles: - la Figure 1 représente un schéma d'un ballon sonde stratosphérique objet de l'invention, équipé d'un dispositif objet de l'invention en vue de face dans sa phase de vol, les Figures 2a à 2d représentent différentes phases du fonctionnement du dispositif objet de l'invention. La Figure 2a représente le ballon en phase de vol soutenant la charge utile ; la Figure 2b représente le ballon lorsque le moyen de séparation activé sépare la charge utile de la base du ballon ; la Figure 2c représente le ballon se retournant, entraîné par le poids de la charge utile ; et la Figure 2d représente le ballon complètement retourné et partiellement désenflé en phase de descente et - la Figure 3 représente sous forme de logigramme des étapes du procédé objet de l'invention pour le fonctionnement du dispositif objet de l'invention.

On note que les figures ne sont pas à l'échelle. La présente invention concerne un dispositif 10 de déclenchement de la descente d'un ballon 11 et de récupération de la charge utile 15 dudit ballon 11.

On se place, dans la suite de la description dans le cas non limitatif d'un ballon 11 sonde stratosphérique de type ballon solaire apte à utiliser le rayonnement thermique du soleil. Dans un mode de réalisation de l'invention, le ballon 11 est en polyéthylène. Ce ballon 11 est gonflé à l'air ambiant sans brûleur. Le ballon 11 de haute altitude a une forme cylindrique avec une base 13 et un sommet 12. La base 13 comporte une ouverture 14. La figure 1 représente un schéma d'un tel ballon 11 en phase de vol. Dans ce mode de réalisation, le ballon 11 est ouvert et non pressurisé.

L'ouverture 14 a un diamètre choisi de manière à permettre une descente contrôlée lorsque le ballon est retourné. De préférence la vitesse de la descente est réglée entre 4 m/s et 7m/s aux altitudes de l'espace aérien grâce au diamètre de l'ouverture 14. En effet la traversée de l'espace aérien par les ballons sonde doit se faire à une vitesse d'au moins 4m/s pour la montée et de 7m/s pour la descente. Dans un mode de réalisation particulier, l'enveloppe du ballon 11 est noire. Cela permet avantageusement au ballon 11 de profiter de l'énergie solaire pour son fonctionnement et sa sustentation lors de la phase de vol. Le ballon 11 élève une charge utile 15 contenant des équipements aptes à faire des expériences ou des relevés scientifiques. Ces équipements peuvent-être des instruments de mesure de la pression, de la température, de l'humidité, des radiosondes, des bouteilles d'échantillonnage, ou encore des appareils pour photographier. Dans cet exemple, la charge utile 15 est reliée à la base 12 du ballon 11 par un moyen qui est un premier câble 16. Un deuxième câble 17 constitue le moyen qui relie la charge utile 15 au sommet 13 du ballon 11. Le câble 16 est également lié à un moyen de séparation 18 permettant la séparation de la charge utile 15 de la base du ballon 11 lorsqu'il est activé, comme le montre la figure 2b.

Dans un mode de réalisation de l'invention, le moyen de séparation 18 est un fil fusible qui fond lorsqu'un courant le traverse. Ceci entraîne une rupture du câble 16 et par conséquent la séparation de la charge 15 de la base 13 du ballon 11.

Dans un autre mode de réalisation de l'invention, le moyen 18 de séparation de la charge utile 15 comprend un électroaimant et un moyen pour inverser la polarité de cet électroaimant. Le ballon 11 est également équipé d'un GPS 19 permettant de faciliter son positionnement durant le vol et la récupération du matériel au sol. Le GPS 19 peut-être par exemple inclus dans la charge utile 15 ou relié à celle-ci. Enfin, le dispositif 10 objet de l'invention comporte également au moins un capteur apte à délivrer un signal permettant de déclencher le moyen de séparation le retournement du ballon 11 au moment choisi pour provoquer la descente. En effet, chaque capteur selon son type, déclenche un signal qui active le moyen 18 de séparation de la charge utile 15 de la base 13 du ballon 11. Ces capteurs peuvent être inclus avec les équipements scientifiques dans la charge utile 15.

Les capteurs sont au moins l'un parmi l'ensemble comprenant : - des capteurs de température qui déclenchent le moyen de séparation 18 lorsque la température atteint une valeur inférieure à un seuil, - des capteurs de soleil, par exemple des cellules photosensibles qui déclenchent le moyen de séparation 18 lorsque le rayonnement capté est supérieur à un niveau prédéterminé, - des capteurs de pression atmosphérique permettant de provoquer la descente du ballon 11 lorsque celui-ci s'est élevé au-delà d'une altitude déterminée, - des capteurs de signal du sol, qui se déclenchent lors de la perte du signal du sol ou lorsque le ballon est au dessus d'une certaine altitude, - des capteurs de position tels que le GPS qui déclenchent le moyen de séparation 18 lorsque le ballon est localisé à une certaine latitude et longitude, - des capteurs de la vitesse du ballon 11 qui déclenchent le moyen de séparation 18 lorsque le ballon se déplace à une vitesse supérieure ou inférieure à une certaine vitesse, - des capteurs de la durée du vol, tel qu'un système de temporisation qui déclenche le moyen de séparation 18 lorsque la durée du vol a atteint un nombre souhaité d'heures, - un moyen de détection de la quantité d'informations en mémoire qui déclenche le moyen de séparation 18 lorsque le taux de remplissage de la mémoire des équipements atteint un certain seuil. Le réglage des différents paramètres de déclenchement de la descente du ballon est déterminé par la nature et les objectifs de l'expérience. Nous allons détailler ici un mode de réalisation de l'invention dans le cas de l'utilisation du dispositif objet de l'invention pour la récupération des données d'un ballon solaire utilisé en tant que sonde météo. Ce type d'expérience demande une ascension rapide du ballon jusqu'aux altitudes de 20 000 mètres afin de recueillir les informations de température de pression et d'hygrométrie nécessaires. Un avantage majeur du dispositif objet de l'invention est qu'il présente un éventail de choix du système et des capteurs de déclenchement de la descente du ballon. De plus, il offre également la possibilité de combiner plusieurs de ces systèmes en fonction de l'expérience effectuée. Ceci rend le dispositif objet de l'invention très fiable et réactif, tout en restant simple dans son fonctionnement et sa composition. Dans cet exemple le moyen 18 de séparation est un fil fusible de quelques mm de diamètre, de tension et d'ampérage faibles.

Plusieurs capteurs de déclenchement de la descente sont utilisés, notamment : - des capteurs de température qui déclenchent le moyen de séparation 18 lorsque la température atteint une valeur inférieure à -56 °C, - des capteurs de pression atmosphérique permettant de provoquer la descente du ballon 11 lorsque la pression externe atteint la valeur de 800 hPa, - des capteurs de signal du sol, qui se comportent comme des altimètres, se déclenchant lorsque le ballon est au dessus de 20 000 mètres, - des capteurs de position tels que le GPS qui déclenchent le moyen de séparation 18 lorsque le ballon est localisé à une certaine latitude et longitude. On note que ce type de capteur permet de voir la vitesse de dérive du ballon et de déclencher le système de descente lorsque la dérive par rapport à la trajectoire initiale calculée est trop importante, - des capteurs de la durée du vol, tel qu'un système de temporisation qui déclenche le moyen de séparation 18 lorsque la durée du vol a atteint un nombre souhaité d'heures, par exemple ici au bout de deux heures environ, ce qui correspond au temps moyen d'ascension du ballon à 20 000 mètres dans certaines conditions météorologiques. La figure 3 représente un logigramme qui illustre les différentes étapes du fonctionnement du dispositif objet de l'invention. Dans une première étape 31, le ou les capteurs, selon leur type, émettent un signal de déclenchement de la descente.

Ce signal active dans une étape 32 le moyen de séparation 18. Lorsqu'il est activé, le moyen de séparation 18 provoque une coupure du câble 16 et permet ainsi la séparation de la charge 15 de la base 13 du ballon 11 comme le montre schématiquement la figure 2b. La charge 15 n'étant plus reliée qu'au sommet 12 du ballon 11 par le câble 17, cela entraîne dans une étape 33 le retournement du ballon. Cette étape est schématisée dans la figure 2c. Plus précisément, c'est simplement le poids de la charge 15 qui permet le retournement du ballon. Dans une étape 34, l'ouverture 14 de la base 13 se retrouve au sommet par le retournement du ballon 11 et laisse s'échapper l'air du ballon 11. Le ballon agit alors comme un parachute. En effet le lent dégonflement du ballon 11 permet la descente contrôlée du ballon et de la charge à une certaine vitesse qui est prédéterminée grâce au choix du diamètre de l'ouverture 14. La figure 2d montre très schématiquement cette phase de descente par dégonflement du ballon 11. Dans une variante préférée, la surface de l'ouverture 14 est choisie de sorte à ce que la durée de la descente soit déterminée et se fasse à une vitesse comprise entre 4 m/s et 7m/s aux altitudes de l'espace aérien. Ainsi, le procédé de déclenchement de la descente d'un ballon contenant du gaz et de récupération de sa charge utile objet de la présente invention comporte : - une étape, préliminaire au vol, de liaison de la charge utile à la base du ballon, - une étape 31 de capture d'une grandeur physique pour délivrer un signal prédéterminé et une étape 32 de séparation de la charge utile de la base du ballon lorsque ledit signal prédéterminé est délivré pour provoquer le retournement du ballon, étape 33, et l'échappement du gaz contenu dans ledit ballon pour provoquer la descente dudit ballon, étape 34.5

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Dispositif (10) de déclenchement de la descente d'un ballon (11) contenant un gaz et de récupération de sa charge utile (15) comprenant : - un ballon (11) de haute altitude ayant une base (13) et un sommet (12), ladite base comportant une ouverture (14) de diamètre prédéterminé, - une charge utile (15), - des moyens (16) pour relier la charge utile à la base du ballon, - des moyens (17) pour relier la charge utile au sommet dudit ballon, - un moyen (18) de séparation de la charge utile de la base du ballon, et - des capteurs aptes à délivrer un signal permettant au moyen de séparation de séparer la charge utile de la base du ballon pour provoquer le retournement du ballon et l'échappement du gaz contenu dans ledit ballon pour provoquer la descente dudit ballon .
2. 2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte un moyen (14) pour régler la vitesse du ballon (11).
3. 3. Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce que le moyen pour régler la vitesse du ballon (11) est constitué par le choix prédéterminé du diamètre de l'ouverture (14).
4. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que la vitesse du ballon (11) est réglée entre 4 m/s et 7m/s aux altitudes de l'espace aérien.
5. 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que le moyen 25 (18) de séparation de la charge utile (15) est un fil fusible.
6. 6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que le moyen (18) de séparation de la charge utile (15) comprend un électroaimant et un moyen d'inversion de la polarité dudit électroaimant. 30
7. 7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6 caractérisé en ce qu'il comporte un GPS (19).
8. 8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7 caractérisé en ce qu'il comporte 5 un capteur de déclenchement du moyen de séparation (18) en fonction de la valeur d'une grandeur physique.
9. 9. Dispositif selon la revendication 8, dans lequel le capteur de déclenchement est au moins l'un parmi un ensemble comprenant :
10. 10 - des capteurs de température, - des capteurs de pression atmosphérique, - des capteurs de signal du sol, - des capteurs de position, - des capteurs de vitesse, 15 - des capteurs de durée du vol, et - un moyen de détection de la quantité d'informations en mémoire. 15. Ballon (11) sonde stratosphérique caractérisé en ce qu'il est équipé d'un dispositif (10) de déclenchement de la descente dudit ballon (11) et de 20 récupération de la charge utile (15) du ballon selon l'une des revendications 1 à 9. 16. Ballon (11) sonde stratosphérique selon la revendication 10 caractérisé en ce que le ballon est ouvert et non pressurisé. 25 12. Ballon (11) sonde stratosphérique selon l'une des revendications 10 à 11 caractérisé en ce que le ballon est noir. 13. Procédé de déclenchement de la descente d'un ballon (11) contenant du gaz et de récupération de sa charge utile (15), ledit ballon étant un ballon (11) de 30 haute altitude ayant une base (13) et un sommet (12), ladite base comportant une ouverture (14) de diamètre prédéterminé, des moyens (17) pour relier la charge utile au sommet dudit ballon, caractérisé en ce qu'il comporte : - une étape de liaison de la charge utile à la base du ballon,- une étape (31) de capture d'une grandeur physique pour délivrer un signal prédéterminé et - une étape (32 à 34) de séparation de la charge utile de la base du ballon lorsque ledit signal prédéterminé est délivré, pour provoquer le retournement du ballon et l'échappement du gaz contenu dans ledit ballon pour provoquer la descente dudit ballon.