Quelques premiers essais de lâcher de ballon en classe avec Philippe et Mickaël

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2 Courant décembre, Philippe et Mickaël de Planètes Sciences et nos trois professeurs de technologie nous ont présenté le projet. Nous avons pu découvrir ce qu est un ballon sonde, quels sont les éléments qui constituent la chaîne de vol, laquelle chaîne de vol peut atteindre 10 mètres de longueur. Au bout du ballon sera accrochée la nacelle contenant les expériences et un système de télémesure (KIWI) qui transmet au sol les résultats des expériences en temps réel. Nous décidons avec eux des systèmes que nous allons embarquer dans la nacelle : il y aura un capteur de lumière, un capteur de pression atmosphérique, un capteur de température et un appareil photographique. Donc beaucoup de travail nous attend pour réaliser ces montages (circuits imprimés, soudage des composants, réalisation de la nacelle ). Nous ferons le lâcher de notre ballon le 20 mai, à Toulouse, lors de la fête de l Espace. Le ballon pourra monter jusqu à 30 km d altitude ; trop gros, il va éclater ; le parachute va s ouvrir pour freiner la descente de la nacelle, laquelle nous espérons retrouver car, celle-ci peut aller jusqu à 200 ou 300 km suivant le vent. Sur la nacelle, nous aurons pris le soin de mettre une étiquette avec les coordonnées du collège ; si quelqu un la retrouve, nous aimerions bien qu elle nous soit restituée. Quelques premiers essais de lâcher de ballon en classe avec Philippe et Mickaël

3 La chaîne de vol pouvant atteindre 8 à 10 mètres de long comprend : L enveloppe faite de latex (matériau très élastique de microns d épaisseur), pesant environ 1200 grammes ; gonflé à l hélium : gaz moins dense que l air, inodore, ininflammable et sans danger. Deux bouteilles d hélium (5 m 3 ) seront nécessaires, et il faudra environ 20 minutes pour le gonfler. Il peut atteindre une altitude de 25 à 30 km. Il peut voler 2 à 3 heures avant d éclater. Le parachute s ouvre pour freiner la descente de la nacelle après l éclatement du ballon. Le réflecteur radar permet aux avions et aux aiguilleurs du ciel civils et militaires d identifier et de connaître la position du ballon sonde. La nacelle n excédant pas 2,5 kg, contient les expériences scientifiques et un système de télémesure (KIWI) qui retransmet au sol les résultats des mesures effectuées en temps réel. Lorsque le ballon éclate, le parachute ramène la nacelle au sol, à 10, 100 jusqu à 300 km plus loin selon le vent.

4 Quelles différences entre 0 et 30 km d altitude? - Est-ce que à 30 km d altitude, il fait plus froid? il fait plus chaud? - Est-ce que la vitesse de montée est plus rapide que la vitesse de descente? - Est-ce que les maisons sont visibles à 30 km de hauteur? - Y-a-t-il de l air à 30 km d altitude? - Est-ce que la pression est la même à 30 km d altitude? Après discussion, nous décidons de mettre dans la nacelle : - un capteur de température, - un capteur de pression, - un capteur de lumière, - un appareil photo.

5 Le ballon effectue un vol en cloche. Au décollage, la nacelle se balance comme un pendule sous le ballon et tourne sur elle-même (quelques tours par minute). La vitesse de montée est d environ 5 mètres/seconde. L enveloppe du ballon contenant l hélium est fermée, le gaz y reste donc emprisonné durant l ascension. La pression extérieure diminuant avec l altitude, l enveloppe se dilate, atteint un diamètre d une dizaine de mètres puis éclate. Le parachute s ouvre. La nacelle redescend sous le parachute. Dès que la chute est amorcée, l air en faible quantité s engouffre à l intérieur du parachute et le gonfle. Vers 20 km d altitude, la vitesse de chute est d environ 80m/s puis au fur et à mesure que l altitude diminue, la densité de l air augmente et le freinage du parachute est plus efficace. La vitesse de la nacelle à l atterrissage est de 5m/s environ. La descente dure une vingtaine de minutes environ.

6 Deuxième réunion avec Mickaël : - Nous recherchons un nom pour notre ballon sonde, ce sera GLOBE. - Nous répartissons les tâches ou fonction de chacun. Responsable de la nacelle Planning Laura MIRAILLE Presse Jessica CARMANTRAND Émilie NAGEL Sécurité Nicolas SANTA MARIA Yohan MARTINEZ Kamel MOUMOU Messagerie Jessica BARTHELEMY Gwendoline DUTHILLEUL Chef de vol Patricia LIMBERGER

7 Réflexion sur les premiers tracés Sommes-nous d accord sur les tracés? La fabrication de la nacelle a été l occasion de s initier - à prévoir ses dimensions en fonction des expériences qu elle va contenir, - à réfléchir à un plan de découpe, - à mesurer, - à découper, - à assembler, - à coller. Nous avons réalisé par groupe 3 nacelles pour nous exercer en polystyrène ordinaire, matériau qui se révèle assez délicat à travailler! La nacelle définitive a été réalisée en polystyrène extrudé, matériau plus solide et plus compact en 20 mm d épaisseur, découpé au cutter et assemblé à la colle blanche à bois. Le travail de découpe et d assemblage doit être soigné afin d éviter les courants d air. La nacelle sera emballée dans une couverture de survie dorée. Contrôle des mesures Découpe des différentes parties Réalisation de la nacelle définitive en polystyrène extrudé Assemblage des pièces

8 Révélation des circuits imprimés Pour chacune des expériences, nous avons dû réaliser des circuits imprimés, à savoir 3 circuits imprimés : 1 pour le déclencheur de l appareil photographique, 1 pour la platine alimentation 1 pour la platine des 3 capteurs : température, lumière et pression. A partir du typon, nous avons révélé, graver les plaques. Nous sommes passés ensuite au perçage, puis nous avons soudé les composants. Révélation et gravure des circuits imprimés CI de la platine pour le déclencheur de l appareil photo Perçage des circuits imprimés CI de la platine pour les 3 capteurs Soudage des composants CI de la platine pour l alimentation

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10 Un appareil photographique argentique, type Canon Prima BF- 10, ayant une alimentation propre de 1,5V permettra de faire les relevés. Les critères de choix ont été les suivants : armement automatique à chaque prise de vue, bouton de déclenchement très sensible, masse faible, encombrement minimum, prix abordable (32 ). La pellicule est de 36 poses. Une photo sera prise toutes les 1 minute 30 secondes pour les 20 premières photos et toutes les 2 minutes 30 secondes pour les 16 dernières photos. L appareil photo sera placé sur la partie inférieure de la nacelle, une ouverture est donc réalisé sur cette partie pour positionner l objectif. Circuit imprimé du déclencheur de photos Réalisation d un support pour loger l appareil photo Fixation du support dans la nacelle sur sa partie inférieure et réalisation d un perçage pour positionner l objectif de l appareil photo Vérification du fonctionnement du déclencheur de l appareil photo Mise en place de l appareil photo

11 Numéro de la photo Photo prise à... Hauteur du sol Une photo sera prise toutes les 1 minute 30 secondes pour les 20 premières photos et toutes les 2 minutes 30 secondes pour les 16 dernières photos. Petits calculs!!! A quelle hauteur sera prise la 1ère photo, sachant que le ballon sonde monte à une vitesse moyenne de 5m/s? 1 minute 30 secondes = 90 secondes La 1ère photo sera prise donc à 90*5 soit à 450 mètres du sol 1 1 minute 30 secondes 450 mètres 2 3 minutes 900 mètres 3 4 minutes 30 secondes 1,350 km 4 6 minutes 1,7 km 5 7 minutes 30 secondes 2,250 km 6 9 minutes 2,7 km 7 10 minutes 30 secondes 3,150 km 8 12 minutes 3,6 km 9 13 minutes 30 secondes 4,050 km minutes 4,5 km minutes 30 secondes 4,950 km minutes 5,4 km minutes 30 secondes 5,850 km minutes 6,3 km minutes 30 secondes 6,750 km minutes 7,2 km minutes 30 secondes 7,650 km minutes 8,1 km minutes 30 secondes 8,550 km minutes 9 km minutes 20 secondes 9,450 km minutes 40 secondes 9,9 km minutes 10,350 km minutes 20 secondes 10,8 km minutes 40 secondes 11,250 km minutes 11,7 km minutes 20 secondes 12,150 km minutes 40 secondes 12,6 km 29 1 heure 13,050 km 30 1 heure 3 minutes 20 secondes 13,5 km 31 1 heure 6 minutes 40 secondes 13,950 km 32 1 heure 10 minutes 14,4 km 33 1 heure 13 minutes 20 secondes 14,850 km 34 1 heure 13 minutes 40 secondes 15,3 km Le déclencheur de photos 35 1 heure 20 minutes 15,750 km 36 1 heure 23 minutes 20 secondes 16,2 km

12 Le capteur de pression utilisé est un MPX 2200 AP de chez Motorola, compensé en température. Il est alimenté par le KIWI. La mesure de la température est faite par une simple CTN, qui peut aller de 60 C à + 20 C, avec une résistance interne de 10 kω, alimentée par le KIWI. Le capteur est placé dans un stylo bille plastique, positionné à l extérieur de la nacelle.. Nous aurons donc la température de l extérieur. Le capteur de lumière est réalisé à l aide d une cellule photo-sensible avec une résistance interne de 100 kω, alimentée par le KIWI. Le capteur est placé dans un stylo bille plastique. Il sera positionné à l extérieur de la nacelle, pour un relevé de luminosité extérieure. Capteur de pression Capteur de température Capteur de lumière

13 Nous avons branché le capteur de lumière au voltmètre qui va nous permettre de faire le relevé des tensions en volts. Premier relevés, éclairage naturel Nous avons travaillé avec plusieurs sources de lumière, depuis l obscurité presque totale à l éclairage d une lampe que nous avons fait varier à l aide d un gradateur, puis nous avons utilisé l éclairage puissant du rétroprojecteur. Pour mesurer la lumière, nous avons utilisé un luxmètre, l unité utilisée étant le lux. Conditions de lumière Tension relevée au voltmètre Luminosité Obscur 0,02 Volt 0,02 Lux Très faible 0,30 Volt 2,5 Lux A l aide d une lampe en très faible éclairage Faible 0,44 Volt 30 Lux Moyen 0,75 Volt 104,02 Lux Moyen Plus 0,92 Volt 180 Lux Forte 1,63 Volt 909 Lux Très forte 1,66 Volt 400*100 Lux Très très forte 1,76 Volt 500*500 Lux A l aide de la même lampe, éclairage plus fort A l aide de la lampe du rétroprojecteur A l aide de la lampe de la tablette du rétroprojecteur

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15 L émetteur KIWI et l antenne L émetteur KIWI, est constitué d un circuit imprimé sur lequel sont implantés des composants, le tout protégé par un capot. Il peut recevoir jusqu à 8 capteurs. Les connexions du circuit imprimé sont visibles, c est sur ces connexions que nous allons branché nos 3 capteurs et l appareil photo. Pour chacun d eux, nous avons 3 fils de câblage : un fil rouge pour l alimentation au +, un fil noir pour la masse et le fil de couleur (vert, jaune ou bleu) pour le relevé de mesures, (voir tableau). Le KIWI est équipé d une antenne d environ 50 cm, laquelle sera positionnée à l extérieur de la nacelle. Au sol, un récepteur relié à un ordinateur nous donnera en temps réel les mesures transmises par KI- WI ; l utilisation du système KIWI est à comparer avec celle d un voltmètre dont les pointes de touche seraient dans la nacelle et le cadran au sol. Il mesure des tensions et transmet les valeurs au sol. Schéma de base Capteur pression Capteur lumière Capteur température Entrée 1 Fil vert Entrée 2 Fil jaune Entrée 3 Fil bleu Réalisation des connexions capteur KIWI Fixation du KIWI dans la nacelle

16 Mise en place des systèmes dans la nacelle Fixation du cordage pour accrocher la nacelle La nacelle est enveloppée dans une couverture de survie dorée, ce qui permet de la repérer et d assurer une isolation thermique La nacelle sera vérifiée avant le lâcher par un aérotechnicien qui vérifiera si elle est conforme au cahier des charges qui nous avait été indiqué lors de la mise en œuvre du projet : Respect de la masse totale (ne doit pas excéder 2,5 kg) Respecter de la répartition de la masse Respect de la sécurité Respect de la déontologie La récupération de la nacelle n est pas systématique car elle ne possède pas de système de localisation. L identification de la nacelle est simplement faite par 2 étiquettes. Une 1ère étiquette officielle est fournie par l aérotecchnicien le jour du lâcher. Un numéro de téléphone gratuit permet aux personnes qui retrouvent la nacelle de laisser un message sur un répondeur consulté par Planète Sciences. La 2ème étiquette réalisée en 2 exemplaires plastifiés, par la classe, sur laquelle sont mentionnés le nom du projet, le nom et les coordonnées du collège (un exemplaire à l extérieur et un à l intérieur.

17 Gustave Hermite invente le ballon sonde Difficile de savoir qui a été la première personne à avoir inventé le ballon sonde mais les historiens et les physiciens ont attribué l'invention du ballon sonde à Gustave Hermite. Gustave Hermite avait la volonté de pouvoir relever la pression atmosphérique et la température dans la haute atmosphère : il commençait ses travaux en Juillet 1892 pour construire un matériel pouvant défier les lois de la pesanteur, c'est à dire un matériel pouvant s'élever dans l'atmosphère malgré les contraintes relatives à la pression et à la température. Avec la complicité de Georges Besançon, il décidait de créer des ballons sondes : après quelques essais infructueux, Gustave Hermite et Georges Besançon réussissaient à lancer un ballon à plus de 1000 mètres d'altitude et ce le 11 Octobre C'est ainsi que le 14 Novembre 1892 à l'académie des Sciences de Paris, Gustave Hermite faisait un exposé de ces travaux : certains ballons sondes étaient retrouvés à près de 80 km de Paris! Les ballons sondes étaient composés d'un baromètre enregisteur situé dans une capsule de Vidie : il y avait donc un doute dans la fiabilité des mesures mais ce n'était pas le but principal de Gustave Hermite. Aujourd'hui, les ballons sondes sont gonflés à l'hélium puis envoyés par des techniciens : les sondes sont des composants électroniques relevant principalement la température du point d'état ( celle que vous voyez à la télévision, écoutez la radio ou lisez dans les journaux ) et la température du point de rosée ; avec ces paramètres, il est possible de déterminer la composition de la masse d'air en altitude.

18 La conquête du ciel ne s'est pas faite sans heurt. A la recherche d'un moyen de quitter le sol pour de bon, les hommes ont essayé différentes méthodes, des plus raisonnables aux plus farfelues. Ce fut finalement grâce à un ballon que fut remportée la victoire du premier vol humain. De nos jours encore, à l heure où des avions supersoniques nous transportent de l autre côté de la planète en quelques heures, où des fusées traversent l espace vers de lointaines destinations telles que Mars, les ballons ont conservé tout leur charme et leur utilité. L histoire de la conquête du ciel prend sa source dans le désir immémorial des hommes de s élever dans les airs; la légende d Icare en témoigne. Certains commencent par se jeter dans le vide avec pour seuls alliés de fragiles semblants d'ailes. Plus tard, Léonard de Vinci ( ) se lance dans ce qui constitue sans doute la première étude scientifique du problème du vol avec notamment son fameux prototype d'hélicoptère. Le XVIe siècle préfère célébrer un autre type d'engin : le cerf-volant. Il faut attendre la fin du XVIIIe siècle et la mise au point de l'aérostat par les frères Montgolfier pour entrevoir de réelles possibilités de vol. Joseph Montgolfier, né en 1740, avait une véritable passion pour les nouvelles machines très à la mode à l'époque. Avec son frère cadet, Etienne, ils avaient souvent rêvé au vol humain. Ils avaient même déjà imaginé de capturer les nuages dans une espèce d'enveloppe et d'y suspendre un panier. Cependant ils ne savaient pas comment réaliser cette idée.

19 Ainsi, quand Joseph parvint à gonfler sa chemise en la tenant par le col au dessus du feu dans sa cheminée, il se dit immédiatement qu'il venait d'avoir une idée de génie. Il fit part de sa découverte à Etienne et tous deux commencèrent à imaginer la forme qu'ils pouvaient utiliser pour construire un ballon pour leurs premières expériences. Pour commencer, après quelques essais "en chambre", ils fabriquèrent un globe d'un mètre cube, en soie. Ils le chauffèrent au-dessus d'un feu, et ce globe décolla d'une trentaine de mètres. Ces évènements eurent lieu en novembre On peut les considérer comme la naissance de l'aérostation. Le 14 décembre 1782, un globe de 3 m 3 chauffé à la paille mouillée mélangée à de la laine et du papier s'élève au-dessus de l'usine de Vidalon à Annonay. Le 25 avril, un globe de 800 m3 s'élève à 400 m d'altitude. Jusque là, ils avaient travaillé secrètement dans leur jardin, mais à mesure que l'altitude des vols augmentait, ils avaient peur que leurs voisins ne découvrent leurs expériences et qu'ils leurs... "volent" l'idée: ils décidèrent donc d'organiser un envol public de leur ballon sur la place principale d'annonay, devant des gens dignes de confiance qui pourraient leur servir de témoins pour certifier que les Montgolfier étaient bien à l'origine de l'idée. Les deux frères présentent en public leur machine aérostatique le mercredi 4 juin 1783 devant les états particuliers du Vivarais réunis en assemblée à Annonay. Ils construisirent un ballon de 900 m3 La machine installée place des Cordeliers est constituée de toile de coton cousue sur des feuilles de papier, découpée en fuseaux assemblés par des boutonnières. Elle est maintenue verticale par des mâts. Ils y suspendirent une nacelle remplie de paille et de laine. Quand une chaleur suffisante fut générée pour soulever le ballon, ils coupèrent les cordes et le ballon s'envola, montant jusqu'à 1000m. environ lors d'une ascension de 10 mn. Un procès verbal fut dressé et les frères Montgolfier purent écrire à l'académie des Sciences à Paris pour être officiellement déclarés comme étant les premiers à avoir construit un objet "volant": l'aérostation était née. L'Académie des Sciences les invita alors à Paris pour qu'ils fassent une démonstration. Etienne se rendit donc, en août 1783, à Paris. Il y rencontra quelques physiciens intéressés par son invention, et en particulier Pilâtre de Rozier, qui allait devenir le premier homme volant en ce qui ne s'appelait pas encore une "montgolfière".

20 Pilâtre de Rozier se proposa pour être le passager, mais c'était considéré comme trop dangereux, car les effets de telles variations d'altitude sur un organisme vivant n'étaient pas alors connus. Par conséquent, ils choisirent de prendre un canard, un coq et un mouton pour ce premier vol habité. Cela eut lieu le 19 septembre 1783 à Versailles. Le Roi de France - Louis XVI - assista au vol. On mit les trois animaux dans un panier su pendu à l'enveloppe. Les animaux furent récupérés sains et saufs à Vaucresson (3 km) après un vol de 3 à 8 mn; le mouton étaient même en train de paître tranquillement. Quant au coq, s'il revint avec une aile écorchée, il le dut, dit-on, à une brusquerie du mouton... La preuve était donc faite que des êtres vivants -outre les oiseaux bien sûr- étaient capables de voler sans danger. Le 21 novembre 1783, une date qui entre dans l'histoire. Ainsi Pilâtre de Rozier et le marquis d'arlandes, à bord d'un aérostat de 2200 m3 conçu par Etienne Montgolfier, s'élevèrent du château de la Muette à Paris et atterrirent à la Butte aux Cailles (10 km) après un vol de 25 mn, atteignant 1000 m d'altitude, en alimentant le fourneau de l'aérostat - un brasero retenu par des chaînes à l'enveloppe en papier - à l'aide de paille humide, de vieux chiffons et de viande en décomposition. Les frères Montgolfier avaient donc remporté la victoire du premier vol humain. Le 1er décembre 1783, de leur côté, le professeur Charles et Robert s'envolent à leur tour des Tuileries à Paris devant personnes avec un aérostat de leur fabrication: leur ballon "à hydrogène".

21 En 1784 une femme vola pour la première fois. ce fut Mme Tible. En 1784 toujours les ascensions se succèdent à Lyon, Dijon, Marseille, Strasbourg et à travers l'europe. À Lyon, Joseph Montgolfier effectue le premier vol "commercial", embarquant avec lui 7 personnes. De nombreux essais et expériences scientifiques sont effectuées dans les années qui suivent pour améliorer les performances de la montgolfière car les pilotes d'aérostats se mirent alors en tête de réaliser un nouveau rêve : traverser la Manche. Le XIXe siècle voit le développement des ascensions scientifiques. Le but est alors de monter le plus haut possible afin d'effectuer des prélèvements d'air en vue de les analyser. En juin 1802, une ascension est effectuée par Humboldt et Bompland; ils firent de nombreuses observations sur la température et la pression barométrique. Les ballons ont aussi rapidement été utilisés dans le cadre de fêtes. Un ballon est lancé par exemple le jour du sacre de Napoléon 1er avant de s'abattre le lendemain à proximité de Rome. En 1836, l'aéronaute anglais Green réalise la première traversée de grande longueur (800 km entre l'angleterre et le duché de Nassau. En 1858, Nadar, journaliste, caricaturiste, photographe, peintre, prend la première photographie aérienne depuis un ballon captif. Au cours du siège de Paris, en 1870, Nadar propose ses services et son matériel pour observer les mouvements de l'ennemi. Il organise le premier départ en ballon. À ce moment là les ballons libres sont le seul moyen de maintenir les communications avec la province. Nadar, après avoir utilisé les ballons en captif pour observer les mouvements ennemis, organise le premier départ, place Saint-Pierre à Montmartre. Du 23 septembre 1870 au 28 janvier 1871, 66 ballons quittent Paris. Ils transportent 168 personnes, 400 pigeons et 11 tonnes de courrier ( lettres). Le plus illustre passager des ballons est le Ministre de l'intérieur Léon Gambetta qui part à bord de l'armand Barbès" le 7 octobre 1870.

22 La fin du XIXe siècle est marquée par l'envoi de ballons-sondes à des altitudes très élevées toujours dans le but de prélever des échantillons d'air. Cette idée datait de la fin du XVIIIe siècle mais ne fut réalisée qu'à partir de Les ballons au service de la science L exploration de l atmosphère libre débuta au XIXe siècle lors d ascensions effectuées en ballon. Pourvu d une nacelle étanche, le ballon stratosphérique ou stratostat permit au début du XXe siècle d effectuer des mesures jusqu à 23 km. Entre-temps, dès la fin du XIXe siècle, des appareils enregistreurs de pression et de température furent confiés à des ballons-sondes. Le premier ballon-sonde fut lancé par deux français: Hermitte et Besançon. Ce procédé d investigation, perfectionné par le météorologiste Teisserenc de Bort à l observatoire de Trappes, près de Paris, permit la découverte de la stratosphère en Les progrès de la radioélectricité et de la télémesure conduisirent à l invention des radiosondes, mises au point par Bureau et Idrac à partir de Une nacelle, habituellement munie de capteurs de pression, de température, d humidité et d un poste émetteur, est tractée par un ballon gonflé à l hydrogène. Les signaux, continuellement émis, sont captés et exploités au sol au fur et à mesure de leur arrivée. Ainsi, le problème de la récupération du matériel devient tout à fait secondaire. Il existait dans le monde, au début des années quatre-vingt-dix, près de stations de radiosondage où sont effectués des lancers réguliers, au moins deux fois par jour à 00 et 12 heures T.U. Les données ainsi recueillies sont utilisées par tous les services météorologiques et fournissent une bonne connaissance de l atmosphère jusque vers km et quelquefois jusque vers 40 km. Source :

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