Le projet ballon stratosphérique "un ballon pour l'école" est parainé par le CNES ( centre national d'études spatiales ) et réalisé par des élèves de seconde de l'option MPI ( Mesures Physiques et Informatique ) du lycée Beaussier de La Seyne sur Mer. Le but du projet consiste à construire une nacelle - accrochée à un ballon rempli d'hélium - afin d'y placer des capteurs qui permettront de mesurer différentes grandeurs physiques lors de l'ascension du ballon jusqu'aux hautes couches stratosphériques. Les expériences principales placées dans la nacelle sont les suivantes :

  • Mesure de température
  • Mesure de pression
  • Mesure de la rotation de la nacelle
  • Mesure de l'humidité
  • Mesure de la vitesse

Pendant la phase d'ascension de la nacelle, les résultats des mesures seront communiqués au sol grâce à un émetteur VHF embarqué ( fourni par le CNES ) qui répond au nom de KIWI . L'ensemble de la chaîne de vol ( ballon, hélium, déflecteur radar, parachute, émetteur ), hormis la nacelle, est fourni par le CNES .

Nous allons, au lycée Beaussier , concevoir la nacelle et l'ensemble des expériences qui sont embarqués dans les hautes couches stratosphériques.

 

La chaîne de vol

Un ballon expérimental est constitué de plusieurs éléments qui forment la chaîne de vol ; une fois assemblée, elle peut atteindre jusqu'à 8 mètres de longueur. On trouve le ballon ( l'enveloppe ), le parachute, le réflecteur-radar et la nacelle.

Le ballon utilisé est un modèle 1000 ou 1200. Cette valeur indique simplement la masse de l'enveloppe vide en grammes. Ces ballons sont fabriqués pour les besoins de la veille météorologique. Des dizaines de ballons de ce genre, équipés d'une sonde, sont lâchés chaque jour dans le monde, transmettant au sol les paramètres de température, pression et humidité. Ce type de ballon a été choisi pour sa simplicité de mise en œuvre. L'altitude moyenne avant éclatement est de 25 km pour une charge utile de 2,5 kg maximum et une durée de vol de l'ordre de 2 à 3 heures.

Les performances du ballon

La courbe de vol d'un ballon expérimental ( altitude en fonction du temps ) a une forme caractéristique : les ballons effectuent des vols en cloche. Au décollage, une fois les secousses du lâcher amorties, la nacelle se balance comme un pendule sous le ballon avec une amplitude faible et tourne sur elle-même ( quelques tours par minute ). La vitesse ascensionnelle est d'environ 5 m/s. 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. La nacelle redescend alors sous son parachute. Dès que la chute est amorcée, l'air en faible quantité s'engouffre à l'intérieur du parachute et le gonfle progressivement. Vers 20 km d'altitude, la vitesse de chute est d'environ 80 m/s puis, au fur et à mesure que l'altitude décroît, la densité de l'air augmente et le freinage du parachute est plus efficace. La vitesse de la nacelle à l'atterrissage est de 5 m/s

Intérêt pédagogique du projet

Ce projet, encadré par l'enseignante mais fruit du travail des élèves, permet de développer l'esprit d'initiative , l'élaboration d'hypothèses et la démarche scientifique des élèves. Ses aspects méthodologiques sont importants : apprentissage d'un travail collectif de recherche ( projet d'équipe ) et initiation à la gestion de projet ( partage des tâches , respect d'un planning , concrétisation d'idées...).

C'est également une source essentielle d'apports scientifiques et techniques. Ce projet a permis aux élèves :

  • d'aborder des domaines scientifiques particuliers ( connaissance de l'atmosphère, construction de nacelle , technologie et principe physique des ballons sondes … )
  • d'étudier les paramètres mesurables lors de l'ascension du ballon ( 30 km d'altitude ) puis choisir les capteurs capables de réaliser ces mesures ( étude de faisabilité, fiabilité, étalonnage .. )
  • de construire la nacelle et les systèmes électroniques de mesure
  • de participer au lancer du ballon et exploiter en temps réel les mesures renvoyées par la nacelle (télémesure );
  • d'analyser et exploiter ces résultats puis présenter ce projet sur différents supports ( site Web , vidéo … ).