Brevet FR2783932A1 — publié le 20000331

Dispositif à aspérité locale pour réduire 1' amplitude des mouvements parasites des ballons de sondage de type méteorologique. La présente invention concerne un dispositif qui a pour but d' atténuer voire même de supprimer les mouvements parasites auxquels les ballons météorologiques sont soumis au cours de la phase de montée. Cette invention est plus spécialement destinée aux ballons de type fermé dont l'enveloppe est faite dans un matériau élastique et qui servent à mesurer le vent dans l'atmosphère. Pour mesurer le vent ces ballons sont suivis soit par un positioneur GPS intégré dans une radiosonde accrochée en dessous soit par un radar de poursuite. Pour que le vent soit mesuré dans de bonnes conditions il faut que le ballon suive de facon aussi parfaite que possible les mouvements de 1' atmosphère ce qui n'est pas le cas avec les ballons classiques. En effet quand une sonde est accrochée en dessous d' un ballon météorologique normal de forme sensiblement sphérique elle est soumise pendant la phase de montée à des oscillations très importantes. Ces oscillations sont crées par les mouvements parasites du ballon lui même et si on veut donc que les mesures de vent soient précises il faudra impérativement réduire au maximum l'amplitude des mouvements parasites du ballon pendant'toute la phase de montée. Le dispositif qui fait l'objet de l'invention permet d' augmenter de façon importante la stabilité d' un ballon pendant son ascension,ce dispositif étant plus spécifiquement adapté aux ballons météorologiques de type fermés qui ont une enveloppe élastique.I1 est bien connu que pour ces ballons et pendant la montée le régime d'écoulement de l'air peut être supercritique,ce qui veut dire que les filets d' air collent de façon laminaire à la paroi sur une fraction importante de 1' hémisphère inférieur du ballon. Ce régime entraîne des instabilités dans le mouvement et par voie de conséquence un mauvais suivi du vent par le ballon. Il faut donc impérativement que le régime ne soit plus supercritique et donc que les filets d'air se décrochent de la paroi du ballon avant d' arriver sur 1' hémisphère inférieur. L' objet de la présente invention est d'assurer ce décollement dans le but d' obtenir de bonnes mesures de vent. Suivant une première caractéristique de 1' invention le décrochement des filets d'air de l'hémisphère supérieur du ballon pendant la phase de montée est provoqué au moyen d'une aspérité unique fixée de façon rigide sur la paroi de cet hémisphère amont(supérieur) du ballon,la dimension de 1' aspérité de décollement étant choisie suffisamment grande pour que le sillage turbulent qui se forme derrière elle puisse agir de proche en proche sur les filets adjacents et perturber 1 'écoulement sur de très larges portions du ballon. Suivant une seconde caractéristique de l'invention une aspérité constituée de une ou plusieurs surfaces planes à arètes vives est utilisée pour perturber l'écoulement dans la partie supérieure du ballon pendant la montée, lesdites surfaces étant maintenues rigidement solidaires de la paroi du ballon. Suivant une troisième caractéristique de cette invention 1' aspérité se compose de deux surfaces planes faisant entre elles un angle qui peut être choisi à une valeur quelconque, lesdites surfaces pouvant être de dimensions différentes de manière à créer sous l'effet des forces dues à la vitesse de montée un couple tendant à faire tourner le ballon et ce pour mieux faire se propager latéralement la perturbation turbulente du sillage. Enfin suivant une quatrième caractéristique de 1' invention les surfaces constituant 1' aspérité sont faites dans un matériau assez souple pour pouvoir être pliées et tenir un minimum de place quand le le ballon est dans 1' emballage servant au transport sur le lieu de lancement. Les dessins annexés illustrent l'invention: La figure 1 représente dans le cas général le dispositif qui fait 1 'objet de l'invention monté sur un ballon météorologique et le fonctionnement pendant la phase de montée de 1' aspérité fixée sur 1' hémisphère supérieur du ballon. La figure 2 représente suivant 1' invention un exemple non limitatif de réalisation dans laquelle 1' aspérité est constituée d' une plaque à arètes vives solidaire de 1 'enveloppe du ballon et placée de telle sorte que l'angle qu' elle fait avec cette envellope lui permette de faire obstacle à 1' écoulement de 1' air autour du ballon, cette plaque étant elle même fixée sur une pièce solidaire de 1' enveloppe du ballon de telle sorte que tout effort d 'origine aérodynamique sur la plaque se répercute directement sur le mouvement du ballon. La figure 3 représente à titre d'exemple de réalisation non limitatif la fixation sur 1' enveloppe du ballon de la plaque servant à créer un sillage turbulent en aval pour décoller les filets d' air. La figure 4 représente un second exemple de réalisation suivant 1' invention dans lequel l'aspérité est cette fois constituée de deux plaques planes qui sont rendues solidaire de 1' enveloppe (5) au moyen d' une pièce du type de celle décrite dans la figure 3, ces deux plaques faisant entre elles un angle non nul, ayant des arètes vives et faisant obstacle à l'écoulement de l'air autour du ballon Sur la figure 1 on a représenté pour la phase de montée la configuration du dispositif suivant 1 'invention et son fonctionnement. La sonde de mesure du vent (1) est accrochée sous le ballon (4) au moyen d 'un fil (2) au manchon (3) servant à remplir de gaz le ballon de centre O et d' enveloppe élastique (5). Sur cette enveloppe (5) et sur l'hémisphère supérieur du ballon pendant la phase de montée est fixée rigidement une aspérité indéformable As.Pendant la montée les filets d'air Fs qui rencontrent le pole supérieur Ps du ballon sont ensuite déviés pour contourner celui-ci. Comme il a été dit auparavant les filets FNAs qui ne rencontrent pas 1' aspérité As sur leur chemin collent fidèlement aux parois du ballon en régime supercritique jusque sur sa surface inférieure. Par contre tous les filets d'air FAs qui vont rencontrer 1' aspérité As vont être déviés et donnent naissance en aval de As à des filets turbulents Ft qui constituent le sillage.Ces filets qui partent derrière 1 'obstacle dans des directions multiples vont, en raison de leur nature turbulente,contribuer à empêcher 1' écoulement de 1' air de coller parfaitement à la paroi du ballon dans une large portion de son hémishère inférieur ce qui a pour effet comme il a été dit auparavant de réduire les mouvements parasites du ballon et donc de permettre de bonnes mesures du vent. Pour que 1' aspérité As soit efficace il est donc nécessaire que les filets d'air FAs rencontrent les parois de As sous un angle important ce qui implique que 1' aspérité ne soit pas trop proche du pole supérieur Ps du ballon. De même, pour que le sillage turbulent puisse agir avec efficacité en aval de As il est également nécessaire que cette aspérité ne soit pas située au voisinage de l'équateur E du ballon. Dans ces conditions 1' angle a que fait O,As avec 1' axe vertical zz' du ballon sera avantageusement limité à des valeurs qui ne soient pas proches de 0 ou de 90 .Comme on 1' a vu avec la description précédente 1' effet de stabilisation sera d'autant plus efficace que le sillage est plus important. Sur la figure 2 on donne un exemple de réalisation suivant l'invention dans lequel As est constituée d' une plaque P dont l' épaisseur est faible par rapport à ses autres dimensions et qui constitue donc un obstacle à arètes vives. Cette plaque est fixée sur un mat M solidaire de l'enveloppe du ballon. Dans cette réalisation nullement limitative la plaque P qui a une forme généralement rectangulaire déborde du mat M et est orientée face à l'écoulement des filets d' air. Dans ces conditions le sillage en arrière de la plaque a, par rapport à celui du mat M seul, des dimensions qui sont beaucoup plus importantes et une intensité qui est très supérieure en raison des arètes vives de la plaque P. Il en résulte que l'effet de stabilisation sur le ballon est plus important puisque les filets turbulents Ft se dispersent plus vite sur les cotés de P que s' il y avait seulement le mat M pour faire obstacle. De manière à ce que le système soit efficace il faut que la plaque P soit réalisée dans un matériau suffisamment rigide pour que les forces de pression aérodynamiques qu' elle subit et qui sont liées à la vitesse de montée du ballon se répercutent intégralement sur le ballon lui même. De plus il est nécessaire comme cela a déja été expliqué auparavant que la position angulaire de la plaque P et du mat M caractérisée par 1 'angle a ait une valeur telle que les filets FAs y arrivant soient ensuite bien décollés de 1 'enveloppe du ballon. Sur la figure 3 on donne suivant 1' invention et à titre d' exemple un mode de réalisation du système plaquemat servant à décoller les filets d' air. Le mat M de la figure 2 est en fait composé d'un ensemble de quatre pièces. La première est un manchon cylindrique (8) qui sera avantageusement fait dans un matériau à la fois rigide et déformable de type mousse-poliurethane,ce manchon étant rendu solidaire de (5) par un système que 1' on détaillera par la suite. Dans le cylindre intérieur du manchon (8) se trouve une pièce cylindrique (7) qui a été introduite préalablement à l'intérieur du ballon (4) par le manchon (3) de remplissage. La pièce (7) est elle aussi constituée d'un matériau rigide mais déformable dont le diamètre est pris légèrement inférieur à celui du diamètre intérieur de (8) de sorte que avec l'épaisseur de 1' enveloppe (5) entre (7) et (8) il n' y ait pas de jeu entre les deux pièces.La pièce (7) a été introduite dans (8) en passant également à travers un orifice circulaire (11) situé sur une pièce plane (6) qui se trouve donc intercalée entre 1' enveloppe (5) du ballon et le soubassement (14) du manchon (8). Le diamètre (11) doit être inférieur au diamètre extérieur du manchon (8) pour des raisons qui apparaitront par la suite. Dans la partie basse de la surface extérieure de (8) est creusée une gorge (9) dans laquelle est placé un collier rétractable (10). Une fois serré, le collier (10), compte tenu de 1 'élasticité du matériau constituant (8), limite le diamètre intérieur dudit manchon (8) à une valeur inférieure à celle de la pièce (7) qui ne peut alors plus s' échapper vers le bas de son logement. Ces pièces ayant été montées quand le ballon est vide de gaz l'enveloppe (5) n'est soumise à aucune tension. Dès que au cours du gonflement le ballon (4) prend une forme sphérique il se developpe dans (5) une tension qui tends à plaquer le cylindre (7) sur la partie (13) de (8) qui est retrécie par le collier (10). Cette force de tension plaque également le soubassement (14) du tube (8) sur la pièce plane (6). Sur la paroi exterieure du manchon (8) on a usiné une surface plane (15) sur lequel est fixée la plaque P de la figure 2 qui sert d' obstacle aérodynamique. Cette fixation peut se faire par exemple au moyen d'un collage mais aussi par tout autre moyen permettant de solidariser P de (8). Quand le ballon (4) est gonflé avant son lancement pour le sondage l'enveloppe (5) assure donc de par ses forces de tension élastique la solidarisation du mat M et de la plaque P sur elle même, étant entendu que la pièce (8) ne peut s' échapper à travers l'orifice (11) ce qui maintient (6) intercalée entre (8) et le ballon, la plaque (6) servant de support sur le ballon à l'aspérité As servant d' obstacle aérodynamique As. Sur la figure 4 on a représenté, toujours à titre non limitatif, un second exemple de réalisation de l'obstacle As. Dans ce cas on utilise deux plaques fines Pl et P2 qui sont solidaires d' un mat M2 fixé sur 1' enveloppe (5). Les plaques Pi et P2 sont orientées par rapport à la surface du ballon de manière à faire obstacle aux filets d' air FAs qui arrivent dessus et elles forment entre elles un angle fqui peut pris à une valeur arbitraire mais plus avantageusement inférieure à 180 . Ces plaques P1 et P2 sont solidaires d' une pièce mat M2 du type de celle décrite sur la figure 3 sauf que dans cette réalisation deux méplats faisant entre eux 1' angle P ont été faits sur le manchon (8) de manière à pouvoir y solidariser P1 et P2. Quand les filets d' air FAs autour du ballon arrivent sur 1' obstacle As ils sont déviés par Pl et P2 suivant des filets Ft qui divergent suivant 1 'angle P entre les deux plaques de sorte que leur effet sur le décollement en aval est encore augmenté par rapport à celui d' une plaque plane unique. Outre l'amélioration d' efficacité qu' elle procure pour stabiliser le ballon cette configuration permet deux autres avantages. D 'une part elle impose une symétrie du sillage en aval et par voie de conséquence une amélioration du coeficient de traînée aérodynamique du ballon.D' autre part en prenant des surfaces de P1 et P2 différentes la force résultante d' origine aérodynamique qu' exerce sur elles la vitesse de montée crée un couple qui tend à faire tourner le ballon autour de son axe vertical zz' et dans un sens et une vitesse qui dépendent uniquement de l'importance relative des surfaces de Pi et P2. Cette rotation permet donc d' améliorer l'effet de décollement des filets Ft. Dans 1' exemple à une seule plaque de la figure 2 il est également possible de créer la rotation du ballon autour de 1' axe verticale zz' en orientant la surface plane P solidaire du mat M sur le ballon de telle sorte que les filets FAs qui suivent avant l'obstacle des trajectoires parrallèles aux génératices g du ballon tombent sur la plaque P avec une incidence oblique qui se traduit par un couple faisant tourner le ballon. Sur la figure 5 on a enfin représenté un mode de fixation de la nacelle (1) à l'obstacle As de façon générale et en particulier dans le cas des réalisations des figure 2 et 4 au mat ou aux plaques qui en sont solidaires. Le manchon de remplissage (3) du ballon (4) est dans ce cas obturé par un bouchon (17) qui est ligaturé sur le manchon suivant un procédé classique et qui porte en sa partie inférieure un anneau (16). Le fil (2) qui est accroché à la nacelle (1) coulisse dans (16) et est ensuite fixé sur AS.de sorte que le poids de (1) agisse en permanence sur tension du fil Cette configuration permet de mieux rendre solidaire l'obstacle As du ballon (4) pour lui permettre de mieux jouer son rôle de stabilisation en utilisant la tension de (2) du au poids de (1) tout le long des génératrices g du ballon. Il est à noter que la dimension de As n' est pas un paramètre critique pour le bon fonctionnement du système. REVENDICATIONS 1-) Dispositif destiné à améliorer la qualité de mesure du vent des ballons météorologiques utilisant les sondes de type GPS et caractérisé par le fait que pour augmenter la stabilité de ces ballons pendant leur ascension on utilise une aspérité unique jouant le rôle d'obstacle aérodynamique,cette aspérité étant d'une part rendue solidaire mécaniquement de l'enveloppe du ballon de sorte que toute force d'origine aérodynamique agissant sur elle se transmette au ballon et étant d' autre part placée sur 1' hémisphère supérieur du ballon en phase de montée de manière à ce que son sillage turbulent aval puisse empêcher les filets d' air de coller à la surface du ballon sur son hémisphère inférieur. 2-)Dispositif destiné à améliorer la qualité de mesure du vent d'un ballon météorologique sphérique de type fermé et dont 1' enveloppe est en matériau élastique qui se caractérise par le fait que pour augmenter sa stabilité pendant la montée on décolle les filets d' air à la surface de son hémisphère supérieur par un système se composant d'un mat qui est rendu solidaire rigidement de 1' enveloppe du ballon en jouant sur la tension élastique de celle ci et par une surface à arète vives plane fixée sur le mat et orientée en sorte que le sillage qu' elle crée en aval empêche les filets d' air de rester collés sur 1' hémisphère inférieur du ballon. 3-)Dispositif destiné à améliorer la qualité de mesure du vent d'un ballon météorologique sphérique de type fermé et dont 1' enveloppe est en matériau élastique qui se caractérise par le fait que pour augmenter sa stabilité pendant la montée on décolle les filets d' air à la surface de son hémisphère supérieur par un système se composant d'un mat qui est rendu solidaire rigidement de 1' enveloppe du ballon en jouant sur la tension élastique de celle ci et par deux surfaces planes fixées sur le mat, ces plaques faisant entre elles un certain angle et orientées en sorte que le sillage qu' elles créent en aval empêche les filets d' air de rester collés sur 1' hémisphère inférieur du ballon. 4-)Dispositif suivant les revendications 2 ou 3 dans lequel le système d 'ancrage du mat portant la ou les surfaces planes servant d'obstacle aérodynamique aux filets d' air se caractérise par le fait qu 'il utilise la tension élastique de 1' enveloppe du ballon au moyen de deux pièces coulissant 1' une dans 1' autre et séparées par l' enveloppe du ballon, ladite enveloppe amenant de par sa tension élastique d' une part la première de ces pièces en butée sur un resserrement dans le diamètre intérieur de la seconde crée par un collier rétractable et d' autre part la seconde en appui sur 1' enveloppe du ballon. -)Dispositif suivant les revendications 2 ou 3 dans lequel la ou les surfaces planes servant d' obstacle aux filets d' air peuvent être utilisées pour entraîner la rotation du ballon autour de son axe vertical pendant la montée soit en jouant sur leur surface relative soit sur leur orientation par rapport à 1' écoulement des filets d' air en aval,cette incidence étant choisie dans ce cas oblique. 6-)Dispositif suivant les revendications 2 ou 3 et 4 dans lequel les surfaces planes servant d'obstacle aux filets d' air sont faites dans un matériau déformable et en même temps élastique de telle sorte qu' on puisse les maintenir pliées dans leur emballage et qu' elles se remettent ensuite dans la position d' obstacle aérodynamique avant le lancement du ballon. 7-)Dispositif suivant les revendications 1, 2 ou 3 dans lequel un obstacle aérodynamique dont la dimension est quelconque et qui est fixé sur le demi-hémisphère supérieur du ballon constitue le point d' ancrage de la radiosonde de mesure du vent au moyen d'un fil qui est accroché à ses deux extrémités sur la radiosonde et sur 1' obstacle, ledit fil coulissant librement entre les deux dans une pièce solidaire du manchon de remplissage du ballon.