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BALLONS

Les ballons ont vu le jour en 1783. Cette année-là, Joseph et Étienne Montgolfier, Jean-François Pilâtre de Rozier, Jacques Charles, Nicolas Louis et Anne Jean Robert firent voler les premiers aérostats à air chaud et à gaz. Ces expérimentateurs étaient des physiciens qui effectuèrent dès les premiers vols des mesures physiques de certains paramètres atmosphériques. Néanmoins, les difficultés techniques rencontrées dans la réalisation des aérostats et l’absence de moyens radioélectriques retardèrent jusqu’à la Première Guerre mondiale l’utilisation régulière des ballons pour effectuer des mesures de vent et des paramètres principaux de l’atmosphère. Il ne s’agissait alors que de ballons dilatables de petite dimension, qui montaient et augmentaient de volume jusqu’à l’éclatement. Des ballons capables de se maintenir à une altitude constante pendant plusieurs heures ne seront mis au point que vers 1947. Ces ballons sont dits ouverts, car ils peuvent évacuer l’excédent de gaz, évitant ainsi toute surpression dans l’enveloppe. Il a fallu attendre 1970 pour voir naître des ballons pressurisés susceptibles de se maintenir à une altitude constante pendant plusieurs semaines.

Cette évolution technologique, en particulier pendant les vingt dernières années, est due au fait que le ballon est un véhicule possédant des propriétés tout à fait intéressantes que ni les fusées ni les véhicules orbitaux ne détiennent. Ces caractéristiques spécifiques sont essentiellement: la faculté de circuler pendant de nombreuses heures dans l’atmosphère terrestre entre quelques mètres et quelque 40 kilomètres d’altitude, et la possibilité d’utiliser les ballons comme traceurs, car leur déplacement est déterminé par les vents. Enfin, les ballons sont souvent utilisés simplement comme porteurs en raison de leur faible coût comparé à celui des autres véhicules spatiaux. Par ailleurs, les contraintes d’environnement étant très réduites, les délais de réalisation des expériences embarquées sont relativement faibles.

Compte tenu de ces propriétés tout à fait originales, le ballon apparaît complémentaire des satellites ou laboratoires spatiaux qui sont malgré tout rares et de toute façon plus coûteux. Il apparaît à l’heure actuelle qu’une recherche spatiale dynamique ne peut être conçue sans utiliser des ballons, dont les performances doivent être adaptées aux besoins de la communauté scientifique qui rassemble, en particulier, des météorologistes, des aéronomes, des biologistes, des astronomes. Ces besoins, qui se traduisent en général en termes d’altitude de fonctionnement, de durée de vol et de poids de l’expérience embarquée, ne peuvent évidemment être tous couverts par un seul type de ballon. C’est ainsi qu’il existe actuellement trois catégories principales: les ballons dilatables, les ballons ouverts et les ballons pressurisés. Des développements sont en cours en France et aux États-Unis pour étendre encore leur domaine d’utilisation.

Les ballons dilatables

L’emploi des ballons dilatables pour étudier les vents dans les différentes couches de l’atmosphère n’est devenu courant que lors de la Première Guerre mondiale. Il faut attendre 1930 pour que l’évolution de la technologie permette d’utiliser l’autre propriété fondamentale des ballons: la possibilité de réaliser des mesures concernant le milieu dans lequel ils volent. Depuis, des milliers de sondes embarquées sous des ballons dilatables ont été lancées à partir des différentes stations météorologiques réparties sur tout le globe, afin de faire des radiosondages avec mesures de pression, de température, d’humidité, de vitesse et de direction des vents en fonction de l’altitude. Il s’agit là de la principale utilisation de ces ballons. Le développement des petites fusées météorologiques a permis de faire des mesures à des altitudes allant jusqu’à 80 kilomètres, mais ces engins, de coût évidemment plus important et de mise en œuvre relativement complexe, n’ont pas remplacé le ballon dilatable, qui continue à être le véhicule le mieux adapté pour les sondages jusqu’à 25 kilomètres d’altitude.

Un ballon dilatable est un ballon fermé réalisé avec un matériau dilatable (latex ou néoprène), qui permet au gaz contenu dans l’enveloppe de se dilater librement. Son volume augmente régulièrement au cours de l’ascension jusqu’à ce que le matériau ne puisse plus se dilater. Une surpression importante se crée alors à l’intérieur du ballon et celui-ci éclate. Par conséquent, les ballons dilatables ne peuvent pas voler à altitude constante. Ils ne sont utilisés que pendant la montée, contrairement aux autres types de ballons.

Il existe toute une gamme de ballons dilatables adaptés aux différents besoins, en fonction du poids de la charge utile et de l’altitude à atteindre. Le bas de gamme est constitué par des ballons en latex utilisables jusqu’à 30 kilomètres avec des charges utiles d’une centaine de grammes. Pour atteindre des altitudes supérieures, on utilise des ballons en néoprène permettant d’emporter quelques kilogrammes à 30 kilomètres et pouvant aussi atteindre 40 kilomètres avec de faibles charges.

Les ballons stratosphériques ouverts

C’est en 1947 aux États-Unis que les ballons stratosphériques ouverts ont commencé à être utilisés systématiquement. Quelques dizaines de ballons étaient lancés chaque année. En France, un programme de ballons stratosphériques ouverts a été décidé dès 1962. Depuis, aussi bien aux États-Unis qu’en France, de nombreux développements ont eu lieu dans le but d’augmenter la charge transportable, l’altitude atteinte et la durée de vol.

Un ballon stratosphérique ouvert est une enveloppe remplie d’un gaz plus léger que l’air (hélium ou hydrogène). Le ballon est dit ouvert car l’enveloppe communique avec l’extérieur par sa partie inférieure afin d’évacuer le gaz en excédent; ainsi, le gaz aérostatique n’est-il jamais sous pression. On peut donc fabriquer l’enveloppe avec des matériaux peu résistants et très légers. Il est ainsi possible de réaliser des ballons de très grand volume pouvant atteindre des altitudes élevées. Des charges très lourdes peuvent également être emportées si un réseau de rubans est appliqué sur l’enveloppe pour prendre en compte la charge utile.

La quantité de gaz insufflée au départ dans le ballon doit être telle que la poussée d’Archimède créée soit supérieure au poids total du véhicule; l’ensemble s’élève alors régulièrement. Au début, l’enveloppe est peu remplie puisque l’atmosphère est très dense; puis, au cours de l’ascension, le volume augmente régulièrement. La vitesse ascensionnelle est sensiblement constante. La régularité de la montée est cependant perturbée, d’une part, par la variation de température extérieure, d’autre part, par le refroidissement dû à la dilatation du gaz aérostatique au cours de cette montée; ces irrégularités peuvent être compensées en lâchant du lest. Lorsque le gaz remplit tout le ballon, la poussée d’Archimède n’augmente plus, l’excédent de gaz s’échappe par les manches d’évacuation et le ballon plafonne.

De jour, le rayonnement du soleil chauffe le gaz, qui se dilate, le volume du ballon étant constant; il y a évacuation par les manches. À la fin de la journée, le gaz se refroidit, son volume décroît, le ballon devient flasque. La poussée d’Archimède diminue et n’est plus suffisante pour maintenir le véhicule au plafond. Le ballon se met donc à descendre de manière irréversible s’il n’y a pas d’intervention extérieure.

Les ballons stratosphériques ouverts sont donc des véhicules à courte durée de vie. Le seul moyen de maintenir à altitude constante un ballon ouvert lors du passage du jour à la nuit est de lâcher du lest. Cela peut être fait pendant quelques jours; au-delà, le poids de lest à embarquer devient prohibitif et l’opération n’est plus réalisable.

N’ayant pas à supporter de surpression, le matériau qui constitue l’enveloppe du ballon peut être peu résistant et donc très léger. Il est ainsi possible de réaliser des ballons de très grand volume, jusqu’à 1,5 million de mètres cubes. Néanmoins, les plus utilisés sont ceux dont le volume est de l’ordre de 350 000 mètres cubes, ce qui correspond à un ballon d’environ 90 mètres de diamètre et représente 2 hectares et demi de polyéthylène. Avec de tels ballons, il est possible d’emporter à 40 kilomètres d’altitude des nacelles pesant plusieurs centaines de kilogrammes.

Les vols sont la plupart du temps réalisés à altitude constante. Néanmoins, pour certaines expériences, il est demandé de réaliser des descentes lentes, soit régulières, soit par palier. Ce type de profil de vol est obtenu en disposant au pôle supérieur du ballon un clapet dont l’ouverture, déclenchée par télécommande, permet d’évacuer du gaz, donc de faire descendre le ballon. La descente est contrôlée en agissant sur le temps d’ouverture du clapet et éventuellement en délestant.

Les ballons stratosphériques ouverts peuvent avoir différentes formes. Toutefois, les plus répandus ont une forme qui se rapproche d’une sphère et que l’on appelle forme naturelle. Ils sont réalisés à partir de fuseaux assemblés entre eux par l’intermédiaire de rubans plus résistants, qui forment un filet permettant de supporter la charge utile. Fuseaux et rubans se rejoignent au pôle supérieur et au pôle inférieur où est accrochée la charge utile.

Des manches de gonflage dans la partie haute du ballon servent à introduire le gaz à l’intérieur. Des manches d’évacuation situées dans la partie basse permettent d’évacuer le trop-plein de gaz à l’arrivée au plafond.

Les matériaux utilisés pour réaliser l’enveloppe doivent être aussi légers que possible. On utilise du polyéthylène de 10 à 25 micromètres d’épaisseur. Ce matériau, très utilisé pour les emballages, doit être fabriqué avec des résines sélectionnées de manière qu’il garde ses propriétés plastiques aux très basses températures (face=F0019 漣 75 ⁰C) rencontrées pendant les vols.

Le lancement de ces gros ballons stratosphériques n’est pas une opération très simple, compte tenu des dimensions des ballons, des forces mises en jeu, de la fragilité des nacelles et des vents au sol. Les problèmes sont essentiellement la mesure précise de la quantité de gaz que l’on doit introduire dans l’enveloppe et la prise en compte par le ballon de la nacelle scientifique sans lui faire subir le moindre dommage, toutes ces opérations devant être effectuées en présence d’un vent au sol non nul. La mesure de la quantité de gaz (hélium ou hydrogène) à introduire dans le ballon peut être faite de différentes manières. La méthode la plus utilisée en France consiste à mesurer la poussée d’Archimède créée par le gaz au moyen de pesons ou de bascules. Pour cela, on bloque le ballon dans un largueur qui le divise ainsi en deux parties: l’une est la bulle, où le gaz est introduit, l’autre la traîne, sans gaz et reposant au sol. La mesure de la poussée d’Archimède est effectuée au niveau du largueur. Lorsque la quantité suffisante de gaz a été introduite dans le ballon, les manches de gonflage sont fermées, le ballon est libéré du largueur et va prendre en compte la nacelle. Deux méthodes peuvent être employées pour cette dernière opération: la première consiste à utiliser des ballons auxiliaires qui arrachent du sol les équipements fragiles, dont la prise en compte par le ballon principal se fait alors en l’air, sans à-coups; le ballon auxiliaire est ensuite largué; la deuxième méthode utilise une grue qui porte sous sa flèche la nacelle; une fois le ballon largué, la grue se déplace de manière à amener la nacelle à la verticale du ballon; elle est alors désolidarisée de la grue et l’ensemble s’élève.

Comme les charges utiles transportées par les ballons stratosphériques ouverts sont en général lourdes donc complexes et que les temps de vol sont relativement courts, on cherche, dans la plupart des cas, à récupérer la nacelle lorsque l’expérimentation scientifique est terminée. Dans ces conditions la nacelle est alors séparée du ballon, descendue sous parachute, et on la récupère au sol. Elle est habituellement en bon état, et peut ainsi être réutilisée pour d’autres vols.

En France, le Centre national d’études spatiales (C.N.E.S.) est responsable du développement et de la mise en œuvre des ballons stratosphériques ouverts au profit des communautés scientifiques française et internationale. Chaque année, plus de cinquante vols sont effectués soit en France, soit dans d’autres pays en fonction des objectifs scientifiques.

Les ballons pressurisés

Le besoin scientifique de ballons de longue durée n’est satisfait ni par les ballons dilatables, qui ne volent que quelques heures, ni par les ballons stratosphériques ouverts, qui ne peuvent être maintenus au plafond que pendant quelques dizaines d’heures. Ce n’est que vers 1970 que les progrès des matériaux d’enveloppes ont permis de réaliser des ballons pressurisés ayant une durée de vie de quelques mois. Le projet français Éole a été la première utilisation intensive de ce type de ballons. Lancés pendant une période de quatre mois et localisés par un satellite, ils ont permis l’étude des vents à 12 kilomètres d’altitude. Leur durée de vie moyenne a été de trois mois. Malheureusement, ces ballons, de petite dimension (diamètre de 3,70 m) ne peuvent emporter que des charges très faibles (5 kg) à des altitudes relativement basses (12 km). Pour satisfaire les besoins de la communauté scientifique, des développements sont en cours tant aux États-Unis qu’en France afin d’augmenter le poids de la charge utile et l’altitude de vol.

On sait que le refroidissement de nuit entraîne la chute des ballons ouverts. Pour que des vols de longue durée soient possibles, il faut que le volume du ballon demeure constant, de jour comme de nuit. Cela n’est possible que s’il s’agit d’un ballon fermé contenant suffisamment de gaz pour être plein dans les conditions les plus froides, la nuit en général, et suffisamment solide pour résister aux surpressions créées, en particulier le jour, par le chauffage dû au rayonnement solaire. Le ballon doit être également étanche de manière à conserver assez de gaz pour que son volume reste constant pendant la durée de vie souhaitée.

Compte tenu du principe des ballons pressurisés, leur enveloppe doit donc être suffisamment résistante et étanche. Elle doit être la plus légère possible et doit dans la plupart des cas supporter les basses températures (face=F0019 漣 75 ⁰C) de la stratosphère. Les matériaux utilisés sont tous à base de polyester sous différentes présentations en fonction des besoins. Le polyester apporte la résistance à l’enveloppe. Les ballons sont réalisés à partir de fuseaux assemblés entre eux, soit par rubans collés, soit par rubans et assemblage par élévation de température. La forme des fuseaux conditionne la forme du ballon. Jusqu’à présent, les ballons pressurisés étaient parfaitement sphériques; c’était le cas des ballons du projet Éole, réalisés avec du polyester à deux couches (deux fois 25 micromètres). Une nouvelle forme de ballons pressurisés est apparue en 1978. Il s’agit d’un ballon lobé réalisé en matériau plastique léger. Un réseau de sangles entre les deux pôles du ballon fait que sous l’effet de la surpression le matériau plastique forme des lobes entre les sangles. Pour un même matériau d’enveloppe, la surpression tolérable à l’intérieur du ballon lobé est beaucoup plus grande que pour un ballon sphérique, et la durée de vie beaucoup plus longue.

Les performances des ballons pressurisés ont été jusqu’à présent limitées car il n’était pas possible d’utiliser des ballons de grand volume pour les raisons suivantes:

– l’enveloppe du ballon doit pouvoir résister à la surpression interne; elle est donc lourde et limite le volume des ballons réalisables;

– pendant l’ascension du ballon, l’enveloppe risque d’être d’autant plus fragilisée que le ballon est flasque; cela est particulièrement le cas pour les ballons de grand volume;

– compte tenu de leurs dimensions, les grands ballons doivent être gonflés en plein air et, dans ces conditions, la mesure précise de la quantité de gaz introduite dans le ballon est difficile à effectuer avec précision.

Pour toutes ces raisons, les ballons pressurisés n’ont été utilisés jusqu’à présent que pour transporter des charges utiles de quelques kilogrammes dans la basse atmosphère. Au-delà, l’utilisation des ballons sphériques de même technologie, bien qu’elle soit possible dans certains cas, devient harsardeuse; c’est pourquoi le développement des ballons lobés a été entrepris afin de s’affranchir des nombreux problèmes posés par les ballons sphériques. L’objectif visé par ces ballons est d’emporter une charge de 30 kilogrammes pendant trois mois.

Le lancement des ballons pressurisés n’est pas une opération très simple, car l’étanchéité de l’enveloppe doit être préservée et la quantité de gaz aérostatique connue avec précision, car elle détermine la surpression du ballon au plafond. Une quantité de gaz trop importante peut le faire éclater, une quantité trop faible risque de raccourcir considérablement sa durée de vie.

La force ascensionnelle créée par le gaz détermine aussi la vitesse avec laquelle le ballon atteint son altitude de vol. Une trop grande vitesse risque de l’endommager, une vitesse trop faible peut ne pas lui permettre d’atteindre l’altitude de vol prévue. La quantité de gaz introduite dans le ballon est celle qui est nécessaire pour assurer sa durée de vie; la vitesse ascensionnelle est ajustée en emportant du lest qui est lâché progressivement après l’arrivée au plafond.

Les ballons pressurisés n’ont pas été utilisés jusqu’à présent de manière aussi intensive que les autres types de ballons. Cela est dû tout d’abord aux difficultés technologiques rencontrées lors de leur réalisation, mais aussi à un certain nombre de difficultés inhérentes au fait que ces ballons volent longtemps et qu’ils se déplacent autour de la Terre, posant ainsi des problèmes de suivi (télécommunications, localisation), de survol de territoire et de sécurité vis-à-vis de la navigation aérienne.

Jusqu’en 1971, les seuls moyens de télécommunications étaient des moyens H.F. à faibles cadences de transmission et nécessitant de nombreuses stations de réception réparties autour du monde. La première utilisation réellement opérationnelle a été le projet français Éole, dans lequel un satellite surveillait une flottille de cinq cents ballons. La localisation et la collecte de données par satellite est une pratique courante qui permet de résoudre le problème d’utilisation des ballons pressurisés, dans la mesure où les informations à transmettre ne sont pas trop complexes. Des systèmes H.F. plus performants ou des satellites géostationnaires complètent la panoplie des moyens de télécommunication existants.

Le problème de survol du territoire de certains pays demeure et tous les vols sont effectués à partir de l’hémisphère sud. Les ballons sont détruits s’ils dépassent une certaine latitude nord ou dès qu’ils peuvent devenir dangereux pour la circulation aérienne.

Signalons que certains petits ballons pressurisés sphériques peuvent être utilisés comme traceurs à basse altitude. L’étude de la couche limite tropicale a pu être effectuée à l’aide de ballons de 2 mètres de diamètre plafonnant à 1 000 mètres d’altitude pendant une quinzaine de jours.

Enfin, en 1985, deux ballons Vega ont évolué avec succès dans l’atmosphère de Vénus.

Autres types de ballons

Les trois types de ballons précédemment décrits sont ceux qui sont le plus souvent utilisés. Certains autres types de ballons ont été étudiés; il s’agit des ballons captifs stratosphériques et de la montgolfière à infrarouge.

Des essais réalisés en 1973 ont montré qu’il était possible de mettre en place un ballon captif stratosphérique à 17 kilomètres d’altitude. Mais il est apparu que ce type de ballon était d’un coût trop élevé pour la recherche scientifique et n’était pas assez opérationnel pour les applications.

L’idée d’utiliser une montgolfière à infra-rouge pour des vols de longue durée est apparue en 1977 au Service d’aéronomie du Centre national de la recherche scientifique (C.N.R.S.). Dans ce véhicule, le chauffage de l’air à l’intérieur du ballon est réalisé de nuit en utilisant le rayonnement infrarouge de la Terre. L’énergie disponible étant très faible, le matériau constituant l’enveloppe de la montgolfière doit être spécialement choisi pour recueillir le maximum d’énergie. De jour, l’énergie reçue du Soleil est telle qu’il est possible de réaliser des excursions en altitude en évacuant de l’air chaud. Ce nouveau type de véhicule a permis des études tout à fait originales de la stratosphère.