Brevet FR2759787A1 — publié le 19980821

DESCRIPTION La présente invention concerne un aérostat pour l'étude des composantes horizontales du vent ainsi que des diverses mesures effectuées sur l'atmosphère au travers de capteurs. Traditionnellement, les ballons sondes sont: - soit des enveloppes déformables à forme naturelle (latex ou autre) - soit des enveloppes a forme constante gonflées a l'aide d'un gaz plus léger que l'air (hélium, hydrogène,..) sous laquelle on accroche un système de mesures; généralement assez loin sous le ballon afin d'éviter les perturbations dues à la traînée. Les moyens de trajectographie et mesure du vent sont: - soit des moyens radar (mesure radio théodolite) - soit des radio-navigateurs 2 dimensions embarqués type Loran, Oméga, GPS, etc.. Soit plus récemment les ballons sont équipés de radio-navigateurs 3 dimensions type GPS ( notoirement par nos soins). Cette nouvelle technique de mesure à fait apparaître un certain nombre de déficiences dues soit au ballon, soit au système de mesure: Pour des échelles plus grandes que 100m, la méthode de mesure des composantes horizontales du vent atmosphérique aujourd'hui la plus utilisée est de suivre des ballons ascendants. Cependant l'expérience prouve qu'un ballon quelconque n'est pas un traceur de qualité, car il génère des mouvements parasites qui se traduisent par un vent apparent ( bruit ) qui n'a rien a voir avec l'atmosphère. D'une manière générale les ballons traceurs du vent sont de deux types: - les ballons à forme constante, nous verrons que si leur maître couple est constant, des phénomènes essentiellement liés à leur rugosité induisent des mouvements parasites qui altèrent la qualité de suivi du vent. - les ballons déformables, leur volume et leur forme change avec l'altitude. Outre les mouvements parasites déjà évoqués plus haut, leur maître couple est variable et ils ne réagissent donc pas toujours de la même façon aux sollicitations du vent horizontal. Nous allons maintenant analyser de manière plus fine les causes des mouvements auto-induits des ballons traceur de vent. La théorie n'est pas très explicite, c'est surtout l'expérience qui permet de cerner les phénomènes. Dans un premier temps, on assimilera les ballons à des sphères de diamètre constant. L'écoulement d'un fluide autour d'une sphère pour des nombres de Reynolds élevés ( supérieur à 10 5 ) a été abondamment étudié sur le plan expérimental. Les résultats essentiels sont décrits dans la littérature sur la mécanique des fluides. L'on peut les résumer ainsi: Si l'on considère une sphère s'élevant dans l'atmosphère avec un vent horizontal, les forces ( grandeurs vectorielles ) qui s'exercent sur elle sont: la poussée d'archiméde, le poids, la trainée et la portance. La poussée d'archimède et le poids sont bien évalués et il n'est pas nécessaire de rentrer dans le détail pour calculer ces forces avec précision. Il faut rappeler quand même que l'inertie de la sphère entraînera toujours un retard aux sollicitations du vent horizontal. La traînée et la portance sont dépendantes en direction du vecteur vitesse mais peuvent avoir une amplitude très aléatoire, elles doivent être discutées et évaluées en termes de leur influence sur les mouvements du ballon. On se placera maintenant dans l'hypothèse ou les vents verticaux sont négligeable, I'on ne prend en compte que le vent horizontal. D'après les différentes observations effectuées avec des moyens variés ( radars. avions, nacelles anémométriques ) cette hypothèse est tout a fait ralsonnable surtout pour des échelles supérieures à 100 m. La poussée d'archimède est dirigée vers le haut, et produit la vitesse ascensionnelle. Une composante de la force de traînée liée à la vitesse ascensionnelle lui est directement opposée. Les autres composantes de la force de traînée, sont elles liées à l'écoulement de l'air autour du ballon suivant l'horizontale. Les composantes de la force de traînée sont proportionnelles à la densité de l'air, au carré de la vitesse relative ballon-air, à un coefficient de traînée et au maître couple du ballon. On écrit: 1 F = 2# V CA V V ou P est la densité de l'air, la vitesse relative du ballon, C le coefficient de traînée et A le maitre-couple. La force de portance agit elle aussi suivant les trois directions; suivant l'horizontale, elle agit perpendiculairement à la traînée. Elle est très difficilement évaluable, car elle dépend de la nature de l'écoulement autour du ballon, dans certaines circonstances, elle peut avoir une importance significative. Les irrégularités de la surface du ballon peuvent être suffisamment importantes pour générer des points de décollement du fluide sur la surface du ballon. Ces point de décollements pouvant se déplacer vers le haut ou vers le bas de la surface du ballon. Ce phénomène entraîne un changement du coefficient de traînée et donc de la valeur des forces de traînée et de portance et en conséquence génère des accélérations aléatoires au ballon. Ces accélérations engendrent des vents apparents auto-induits par le ballon lui-même. De plus, il existe en aval du ballon un système de deux tourbillons qui se détachent alternativement dans le sillage, la fréquence de détachement de ces tourbillons peut être très proche d'une constante ( dans certaines conditions, elle permet de mesurer la vitesse d'un écoulement ) ce phénomène induit dans certains cas un mouvement quasi-hélicoidal au ballon. D'une manière plus formelle, le coefficient de traînée est une fonction du nombre de Reynolds Re = # V DI où est la viscosité cinématique de l'air et D le diamètre du ballon. Pour une sphère, et pour des valeurs du nombre de Reynolds comprises entre 105 et 106 ( Reynolds critique ) le coefficient de traînée subit des variations très rapides. L'on sait que les variations de ce coefficient sont liés à la nature des processus de séparation du fluide et de la surface de la sphère. Pour des nombres de Reynolds supercritique, le décollement du sillage s'est déplacé en aval de l'écoulement alors qu'il avait lieu plus en amont pour les nombres Reynolds subcritiques. Pour rendre les ballons plus "stables", une solution consiste à augmenter la rugosité de la surface du ballon. On augmente ainsi la taille du sillage, ce qui a pour effet d'accroître la traînée, de rendre et de diminuer les forces de portance. En ce qui concerne les ballons déformables, un bruit supplémentaire viendra s'ajouter, il sera lié à la variation des dimensions et à la déformation du ballon avec l'altitude. Le dispositif selon l'invention permet de remédier aux problèmes que nous venons d'exposer. Le dispositif selon l'invention se décompose en trois parties et s'applique sur un ballon ayant une enveloppe déformable en forme naturelle (type latex ou autre) ; a savoir: le système de mesure du vent, le système de stabilisation, et le système de mesure des paramètres de l'atmosphère. 1/ Le système de mesure de la trajectographie et de vitesse est intimement lié au ballon. Il est situé dans la manche de gonflage du ballon. Cette caractéristique est destiné à réduire au maximum les conséquences de l'effet pendulaire, ce qui améliore la précision des mesures. Selon des modes particuliers de fabrication, il peut même être situé à l'intérieur du ballon, c'est à dire le plus proche possible de son centre de poussée donc encore moins sensible aux effets pendulaires.. 2/ Le système destiné a augmenter la rugosité du ballon est un ensemble de laies qui sont accrochées a proximité du diamètre équatorial du ballon. A titre d'exemple non limitatif, ces laies peuvent être du nombre de huit, mesurer 60 cm de largeur et 5 mètres de longueur; ceci pour un ballon de mille grammes. Des raidisseurs peuvent être prévus pour éviter que ces laies se mettent en torche. 3/ le système de mesures des divers paramètres (température, humidité ou autres capteurs) est effectué sur le pole nord du ballon; endroit qui n'est pas pertubé par le sillage. Ces divers capteurs ont leurs connexions qui passent à l'intérieur du ballon. A ce point et à l'intérieur du ballon est également accroché un parachute destiné a freiner la descente après l'éclatement du ballon. Les dessins annexés illustrent l'invention: la figure 1 représente en coupe le ballon et son appareillage. la figure 2 représente le mode de fixation du système de trajectographie. la figure 3 représente le mode de fixation des laies. la figure 4 représente le mode de fixation des capteurs atmosphériques. la figure 5 représente une variante ou le système de mesure de trajectographie est plus proche du centre de poussée En référence à la figure 1/5, le dispositif comporte une enveloppe déformable ( latex ou autre) L sur laquelle est fixé, un ensemble de capteurs atmosphériques 2, un ensemble de laies 3 fixées chacune en deux points 4 et équipée de plusieurs raidisseurs 7, un système de trajectographie 5 dit balise et effectuant la liaison radio. A ce système balise est raccordé un câble 6 assurant la liaison avec les capteurs atmosphériques 2. Un parachute 8 situé a l'intérieur du ballon est accroché sous les capteurs atmosphériques 2 pour limiter la vitesse de descente après éclatement. En référence à la figure 2/5 représentant le détail de fixation de la balise, le dispositif comporte l'enveloppe déformable L dans laquelle est insérée la balise i et un tube de gonflage du ballon 8. La balise 5 comprend notamment un capteur GPS 9 qui doit être dirigé vers le haut et une antenne radio Lo qui doit être dirigée vers le bas. L'enveloppe L est rendue hermétique par serrage au moyen d'un lien il adhésif ou non. En référence à la figure 3/5 représentant le détail de fixation des laies, le dispositif comporte l'enveloppe déformable L sur laquelle on vient par pincement fixer un bout de mousse 12 a l'aide d'une ficelle 13, ceci sans abîmer l'enveloppe L Une fois cette accroche faite on vient nouer a l'aide de la ficelle 13, un coté de la laie 14. En référence à la figure 4/5 représentant le détail de fixation des capteurs atmosphériques, le dispositif comporte l'enveloppe déformable L sur laquelle on vient fixer par pincement un chapeau en mousse 15 a l'aide d'une ficelle L Au travers de ce chapeau 15 passe un dispositif 2 permettant de supporter les capteurs atmosphériques 17 relié à la balise par les connexions 6. Sous ce chapeau est fixé un parachute 8. L'enveloppe 1 percée en 18 reste néanmoins hermétique grâce à ce dispositif. En référence à la figure 5/5 représentant une variante de la fixation du système de trajectographie, le dispositif comporte sur la balise 5 un mat télescopique 20 sur lequel est fixé le système de trajectographie 9 et un tirant 19. Lors de l'extension de l'enveloppe L le tirant 19 se tend et utilise les propriété télescopique du mat 20. Le tirant 19 et le mat 20 sont calculés de façon que le système de trajectographie 9 reste au plus près du centre de l'enveloppe I Le dispositif selon l'invention est particulièrement destiné à la mesure du vent dans différentes altitudes. REVENDICATIONS li Dispositif pour mesurer les composantes honzontales du vent et diverses mesures de l'air et caractérisé en ce qu'il comporte une enveloppe déformable 1 munie de plusieurs laies 3 fixée sur le pourtour, de capteurs atmosphériques 2 fixée sur le pole nord, et d'un système de trajectographie et transmission radio 5 fixé sur le pole sud. 2/ Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par un type de fixation des laies 3 utilisant une matière non contondante (mousse par exemple) 12 ligaturée selon L3 avec l'enveloppe et permettant une accroche des laies 3 3/ Dispositif selon la revendication 1 où la revendication 2 caractérisé par le fait d'accrocher au pole nord un dispositif de capteurs atmosphériques 2 selon un mode de fixation utilisant une matière non contondante (mousse par exemple) 15 ligaturé selon L6 avec l'enveloppe et permettant de trouer cette enveloppe sans conséquence pour la tenue de celleci au gonflage. 4/ Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé par le fait de situer le système de trajectographie 9 et la balise 5 dans la manche de gonflage du ballon. 5/ Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé par le fait de situer le système de trajectographie 9 à l'intérieur du ballon et la balise 5 dans la manche de gonflage du ballon.