18 Avril 2018

Ballons

Structure des ballons STRATEOLE-2

Chaque ballon de la campagne comprend :

  • Le ballon pressurisé stratosphérique
  • « L’Ensemble Suspendu » composé :
    • d’une nacelle de servitude EUROS et de divers systèmes (parachute, séparateur, vanne de dégazage, bac à lest…) développés et opérés par le CNES depuis un « Centre de Contrôle de Vol » également développé par le CNES;
    • d’une nacelle charge utile Zéphyr qui assure les fonctions de plateforme pour l’instrumentation scientifique développé et opéré par les équipes scientifiques, depuis un « Centre de Contrôle Mission » également développé par ces équipes.

Chaque campagne de STRATEOLE-2 se compose de deux séries de ballons à des altitudes différentes, une autour de 20 000 mètres d’altitude, au-dessus de la tropopause (la frontière entre la troposphère et la stratosphère), l’autre moitié dans la zone des 18 000 mètres d’altitude, au sommet de la tropopause. 
La première série est principalement dédiée à des mesures à distance, et la seconde à des mesures in situ.

Les avancées technologiques de plusieurs constituants (modems, répondeurs radars, panneaux solaires, etc.) et les innovations de conceptions du système (gestion dynamique de la quantité de gaz, bacs à lest ultra légers et tolérants à la panne, etc.) ont permis d’allonger la durée des vols tout en offrant plus de capacité d’emport d’instruments scientifiques. 
Les ballons pressurisés du projet STRATEOLE-2, très stables de jour comme de nuit, ont une durée de vie d’environ 3 mois.


Les ballons de STRATEOLE-2 mesurent 11 ou 13 mètres de diamètre et peuvent emporter des nacelles charge utile de 22 kilogrammes. Leur enveloppe fermée est remplie d’hélium. La bulle de gaz initialement injectée dans le ballon se dilate au fur et à mesure de son ascension jusqu’à atteindre sa forme sphérique à l’altitude « plafond » (18 000 ou 20 000 mètres).

LA NACELLE DE SERVITUDE EUROS ET SON CENTRE DE CONTRÔLE

La nacelle NSO-Euros permet de mener le vol en toute sécurité pour l’aviation et les populations survolées. Elle permet, associée au Centre de Contrôle des vols de vérifier le bon fonctionnement des systèmes bord et du ballon. 
La nacelle est ainsi dotée de systèmes d’énergie autonome (solaire), de liens de communication à couverture mondiale (Iridium et Inmarsat), de récepteurs GPS, de calculateurs, et d’une série de capteurs et de systèmes actifs de contrôle. Grâce à diverses télécommandes émises depuis le Centre de Contrôle, la situation du véhicule est gérée au mieux pour le déroulement de la mission et le respect des règles de sécurité.
 En plus d’un GPS, la nacelle Euros est équipée du système de pression et température de l'air de haute précision (TSEN), développé par le LMD du CNRS.

Ces équipements ont une double vocation, opérationnelle et scientifique. Les mesures GPS au niveau de vol du ballon permettent de déduire le vent, et associées aux mesures de pression et de la température de l’air, ces données caractérisent les ondes de l’atmosphère similaires à la houle ou au mouvement des marées en mer, voire aux vagues déferlantes dans les situations de tempête.

Depuis le Centre de Contrôle « CASIMIR » au Centre Spatial de Toulouse, depuis ses composantes locales à Aire-sur-l’Adour et sur le site de lâcher, les équipes du CNES assurent le déroulement des opérations d’exploitation et de surveillance de la flottille de ballons durant les 6 mois que peut durer une campagne de vols.

LA NACELLE CHARGE UTILE (NCU) ET SON CENTRE DE CONTRÔLE

L’ensemble des instruments ne peut pas être utilisé sur tous les vols à cause des contraintes de masse embarquée. Quatre combinaisons d’instruments ont été composées pour répondre aux différents objectifs scientifiques du projet.

Ces 4 combinaisons conduiront à autant de configurations de Nacelles Charge Utile (NCU). 
La NCU-Zéphyr, développée par le LMD, le LATMOS et la DT-INSU (Division Technique INSU), embarque ces combinaisons d’instruments. Elle est reliée à son Centre de Contrôle Mission Zephyr dédié (CCMz).  La conduite des opérations de mise en œuvre et de surveillance des instruments scientifiques est assurée par les équipes scientifiques, dans leurs laboratoires, au travers du CCMz.

Ce CCMz permet :

  • La gestion du lien bord/sol pour toutes les nacelles Zephyr embarquées par les aérostats, les services de communication et de mise à disposition/réception des télécommandes/données nécessaires à la mission,
  • La gestion des servitudes de la nacelle Zephyr (traitement des alarmes de la télémesure de surveillance),
  • La gestion des interfaces, rapatriement des données et transmissions des télécommandes des instruments scientifiques vers les différentes équipes scientifiques.

Les combinaisons d’instruments scientifiques embarquées dans les nacelles Zéphyr sont les suivantes :

À 20 000 mètres d’altitude

STRAT1
BeCOOL (LATMOS, France/Italie) pour détecter la présence et altitude des nuages jusqu’à 5 000 mètres sous le ballon,
ROC (SCRIPPS Institute of Oceanography, USA) doté d’un sondeur de l’atmosphère par radio-occultation GPS pour la mesure des profils de température sous le ballon,
BOL-DAIR (CNRS-LATMOS) mesure les flux infrarouge et solaire montants.

STRAT2
Pour mémoire, ces vols sont uniquement dédiés à la dynamique de l’atmosphère (TSEN et GPS, nacelle EUROS) et ne comprennent pas de nacelle Zéphyr)

À 18 000 mètres d’altitude

TTL1 (Tropical Tropopause Layer (TTL) in atmosphere)

  • SAWfPHY (CNRS-LMD) mesure la vapeur d’eau, par la technique du point de givre,
  • B-Bop (CNRS-LMD) mesure, par atténuation d’un signal lumineux ultraviolet, l’ozone, un traceur de “l’âge” de la masse d’air,
  • LOAC (CNRS-LPC2E) est un compteur d’aérosols, qui mesure différentes particules présentes à l’altitude de vol du ballon.

TTL2

  • Pico-SDLA (CNRS-GSMA et DT-INSU) mesure la vapeur d’eau et le dioxyde de carbone, un traceur de “l’âge” de la masse d’air, ce par mesure de l’atténuation d’un signal laser sur de courtes distances,
  • FLOATS (LASP, USA) effectue des profils de la température de l’air sur une profondeur de 2 km, par mesure (lidar) de la température d’une fibre optique déployée sous la nacelle,

TTL3

  • LOPC (LASP, USA) est un compteur optique similaire à l’instrument LOAC,
  • RACHuTS (LASP, NOAA, USA) est une petite nacelle treuillée sous la NCU (allers-retours jusqu’à 2 000 mètres sous la nacelle) qui établit des profils de vapeur d’eau, température et pression de l’air, et qui détecte la présence de particules.
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