Brevet FR2775352A1 — publié le 19990827

Dispositif de stabilisation des ballons de sondage vent GPS La présente invention concerne un dispositif dont le premier objet est d'atténuer voire même de supprimer les mouvements erratiques des ballons météorologiques pendant la phase de montée. Cette invention est tout spécialement destinée aux ballons météorologiques de type fermé qui ont une enveloppe en matériau élastique et qui servent à mesurer le vent dans l'atmosphère terrestre au moyen d'un positionneur dit GPS intégré dans une sonde météorologique dite sonde GPS accrochée en dessous dudit ballon. Ce type de positionneur utilise une constellation de satellites spécialement lancés à cet effet pour calculer suivant un procédé bien connu sa position et sa vitesse. I1 est donc nécessaire que pour pouvoir effectuer ce calcul l'antenne de réception des signaux satellites de la sonde GPS fonctionne dans de bonnes conditions et qu'en particulier elle ne soit pas soumise à des variations importantes de son orientation ce qui se traduirait par une perte des signaux reçus des satellite.Il est maintenant bien connu que quand une sonde est accrochée sous un ballon classique qui a une forme sensiblement sphérique elle est agitée pendant la phase de montée par des mouvements à caractère aléatoire qui peuvent entraîner d'importantes oscillations de la sonde. Ces mouvements parasites sont crées par le ballon lui même et se répercutent sur ceux de la sonde par les déplacements de son point d'accrochage sous le ballon. Pour une sonde GPS ces mouvements parasites entraînent deux types d'inconvénients . Le premier est que, les mouvements de la sonde n'étant plus représentatifs de celui du ballon, la mesure du vent peut se trouver dans certains cas faussée de façon significative . Le second inconvénient est que ces oscillations peuvent entraîner un fonctionnement défectueux du système de réception des signaux satellites pouvant même aller dans certains cas jusqu'à une disparition complète des mesures . Si on veut que le mouvement de la sonde reste le plus proche possible de celui du ballon porteur il faudra donc diminuer au maximum l'amplitude des mouvements du point d'ancrage sous le ballon. Le dispositif faisant l'objet de l'invention vise spécifiquement à stabiliser pendant la phase de montée la position de ce point dans le cas de ballons météorologiques fermés en matériau élastique. Un second objet de l'invention qui découle directement du premier est de rendre les mouvements du ballon aussi voisins que possible de ceux de l'air environnant de manière à obtenir des mesures du vent atmosphérique très proches de la réalité. Les mesures de vent obtenues par les sondes GPS sont extrêmement précises et on conçoit donc facilement que pour en tirer le meilleur parti il faille diminuer l'amplitude des mouvements erratiques du ballon, mouvement qui sont par principe générateurs d'erreurs. En atténuant le coté erratique des mouvements du ballon en cours de montée le dispositif suivant l'invention permet donc d'obtenir des mesures de vent bien meilleures que celles faites avec des sondes GPS accrochées sous les ballons météorologiques classiques. Le dispositif suivant l'invention est tout d'abord caractérisé par le fait que la stabilité dynamique en cours de montée d'un véhicule de type ballon fermé et élastique est obtenue en utilisant un profil de type dissymétrique caractérisé par une forme sphérique sur laquelle on superpose une excroissance latérale dont le volume augmente en raison inverse de la densité de l'air comme pour les ballons météorologiques classiques,ladite excroissance étant maintenue en position latérale durant la phase de montée par le poids de la sonde GPS fixée en dessous. Une seconde caractéristique de l'invention est que pour pour obtenir un profil dissymétrique on rend solidaire de l'enveloppe d'un ballon météorologique de forme sphérique qui assure la montée de la sonde GPS et qui est appelé ballon principal un second ballon de plus petite dimension dit ballon secondaire, lui aussi fermé et en matériau élastique, et ce au moyen d'un système de liaison ancré simultanément sur les parois des ballons principal et secondaire. Une troisième caractéristique du dispositif suivant l'invention est que le ballon secondaire est maintenu appuyé sur la paroi latérale du ballon principal par les forces de pression liées à la vitesse de montée de l'ensemble des deux ballons ce qui fait inter-réagir le sillage turbulent à l'arrière du ballon secondaire et la couche limite autour du ballon principal avec comme conséquence importante de diminuer l'amplitude des mouvements erratiques dudit ballon principal. Suivant enfin une quatrième et importante caractéristique de l'invention on utilise pour assurer la géométrie de la position relative des deux ballons un ensemble de deux pièces en contact dont la première est fixée à la paroi du ballon principal et la seconde sur celle du ballon secondaire, ces deux pièces étant articulées entre elles au moyen d' une pièce de liaison qui permet, de par sa déformation élastique, au ballon secondaire de rester positionné de façon optimum sur la paroi latérale du ballon principal et ce au fur et à mesure que les volumes des ballons augmentent pendant la phase de montée. Les dessins annexés illustrent l'invention: La figure 1 représente en coupe un dispositif suivant l'invention qui se compose de 3 parties: - un ballon principal sphérique, fermé et en matériau élastique. Ce ballon assure à lui seul la montée de la sonde GPS. - un ballon secondaire, lui aussi sphérique, fermé et en matériau élastique, qui vient appuyer sur la paroi latérale du ballon secondaire et lui donne un profil dissymétrique assurant la stabilité en cours de montée. - un système de fixation semi-rigide entre les deux ballons qui assure la géométrie dissymétrique et qui est constitué de quatre pièces: la première est fixée sur la paroi du ballon principal, la seconde sur celle du ballon secondaire, la troisième assure la liaison entre les deux premières de manière à maintenir homothétique la géométrie du profil dissymétrique du système et la dernière, facultative, fixée entre la première et la paroi du ballon principal et qui sert de support rigide aux deux premières. La figure 2 représente plus particulièrement une coupe du système de fixation entre les ballons principal et secondaire, système qui permet d'assurer la géométrie dissymétrique du profil. La figure 3 représente en coupe le système d'ancrage du ballon secondaire sur la seconde pièce du système de fixation semi-rigide. La figure 4 enfin représente une coupe de la première pièce du système de fixation semi-rigide d'ancrage et plus particulièrement de sa fixation sur la paroi du ballon principal. Sur la figure 1 est représentée à titre d'exemple non limitatif une coupe du système suivant l'invention et ce pendant la phase de montée, période où il est très important de limiter au maximum les mouvements parasites de la sonde GPS (1) par rapport au ballon principal (4) qui est sphérique et fermé . La sonde (1) de mesure du vent est accrochée sous le ballon (4) au moyen d'un fil inextensible (2) au manchon (3) de remplissage en gaz du ballon principal dont l'enveloppe élastique est (5). Le point (13) symétrique de (3) par rapport au centre O du ballon (4) est le pôle géométrique supérieur du ballon. En l'absence de tout dispositif suivant l'invention le ballon météorologique (4) monterait de telle sorte que sous l'effet du poids de la sonde (1) le pole (13) et le manchon (3) soient alignés sur la verticale HH' passant par O. Suivant l'invention un ballon secondaire (10) sphérique fermé et d'enveloppe élastique (11) est maintenu plaqué sur la paroi de (4) en un point (14). (12) est le manchon de remplissage en gaz de (10). Le système de fixation semi-rigide entre le ballon principal (4) et le ballon secondaire (10) est composé d'un ensemble de quatre pièces (6), (7), (8) et (9). La première est un cylindre (6) qui sera constitué avantageusement d'un matériau rigide et déformable de type mousse de poliurethane et qui est fixé sur (5) par un système qui sera détaillé ultérieurement. La seconde est un autre cylindre (7) d'axe perpendiculaire à (6) et sur lequel est fixée l'enveloppe (11) du ballon secondaire au moyen d'un système détaillé lui aussi par la suite. Suivant un type de réalisation non limitatif (7) sera réalisé dans le même matériau que (6). (6) et (7) sont maintenues en contact par un collier (8) qui est réalisé à titre d'exemple non limitatif en matériau élastique. En jouant sur les déformations que peuvent prendre les pièces (6), (7) et (8) le cylindre (7) peut effectuer de légers mouvements de rotation en restant appuyé sur la paroi extérieure de (6). La dernière pièce (9) est une pièce plane intercalée entre (6) et ( 5) et sur laquelle (7) peut venir s'appuyer. Le fonctionnement du système suivant l'invention est alors le suivant: Avant le lancement de la sonde (1) le ballon (10) est d'abord gonflé jusqu'à un volume prédéterminé qui sera toujours très inférieur (facteur 10 au moins) à celui du ballon principal (4) au moment du lâché. Le ballon (4) est ensuite gonflé jusqu'à la valeur correspondant à la force ascensionnelle choisie. Dans la configuration de départ de la sonde le ballon (10) vient appuyer sur la paroi du ballon (4) en un point (14) qui est défini angulairement par la valeur de l'angle (6) entre les les demi-droites 0,(14) et 0,(13).Cet angle (6) sur la figure 1 est la somme de deux angles (y) et (ss) (ss) est l'angle que fait l'axe OX de (6) qui passe par O avec la demi-droite 0,(13). Pour des raisons qui apparaîtrons par la suite l'angle (ss) n'est pas en général nul ce qui veut dire que le cylindre (6) n'est pas fixé dans la plupart des cas au pole géométrique supérieur de (4). L'angle (y) est l'angle entre les demi-droites O,X et 0,(14). Une fois que la ballon est lâché avec la sonde (1) accrochée sous lui les forces de pression d'origine aérodynamique dues à la vitesse de montée agissant sur la surface de (10) ainsi que les poids du ballon (10) et des pièces (6), (7), (8) et (9) exercent un couple de rotation tendant à faire tourner (4) autour de son centre O. Sous l'effet de ce couple l'angle entre la verticale HH' et la demi-droite 0,(13) augmente mais au fur et à mesure de cette augmentation le poids de la sonde (1) accrochée en (3) exerce un couple antagoniste de rappel de plus en plus grand. Il en résulte qu'on arrive à une position d'équilibre caractérisée par une valeur (a) entre HH' et 0,(13). Pour pouvoir jouer au mieux sur les différents paramètres conduisant à l'état d'équilibre il est utile de pouvoir faire varier à la fois les angles (ss) et (y), ce qui explique pourquoi la valeur de (ss) n'est pas choisie nulle à priori.Comme les forces aérodynamiques sur le ballon (10)varient peu avec l'altitude il en résulte que le couple de décentrement varie lui aussi très peu de telle sorte que pour garder au système les mêmes caractéristiques durant tout le vol il suffit que les angles () et (Y) restent eux aussi constants ce qui est assuré par le système suivant l'invention. On remarquera d'une part que au fur et à mesure que le ballon sphérique principal s'expend la position angulaire de (6) et donc la valeur de () est constante. A condition de choisir les diamètres de (6) et de (7) petits par rapport au diamètre initial de (10) et en positionnant le centre dudit ballon au moyen du collier (8) à égales distances de (6) et de (14) alors, puisque (10) et (4) ont des diamètres qui restent dans un rapport constant, la valeur de (y) reste elle aussi constante. La géométrie du système permet donc de garder pendant tout le vol et suivant une caractéristique de l'invention la même position relative des ballons. La figure 2 détaille le système d'assemblage des pièces 6), (7) (8) et (9). Comme expliqué auparavant (6) est un manchon cylindrique en matériau de type mousse à la fois rigide et déformable avec un diamètre intérieur d6 et un diamètre extérieur D6. Il est plaquée par sa base inférieure (29) sur la pièce plane (9) par la tension de l'enveloppe (5) suivant un dispositif détaillé sur la figure 4. La pièce (7) est aussi un manchon cylindrique qui peut être réalisé dans le même matériau que (6). Son axe A7 est perpendiculaire à celui de (6) et il est maintenu plaqué sur (6) au moyen d'un collier élastique (16) qui peut avantageusement mais non obligatoirement être constitué comme indiqué sur la figure d'un fil élastique (16) de section (17) enroulé plusieurs fois autour de (6). Suivant la réalisation qui est présentée ce collier à spires multiples est maintenu fixé sur la paroi latérale de (6) en passant dans une gorge (18) creusée dans la paroi de (6) à l'intérieur du cylindre. Il est maintenu solidaire de (7) en passant à travers le cylindre intérieur: sous l'effet de la tension de fils élastiques (16) (7) est plaqué sur (6), la position de la gorge (18) pouvant être choisie de manière à ce que (7) puisse venir appuyer sur la pièce plane (9). Comme cela apparaît très clairement l'utilisation d'une telle liaison par collier élastique permet à la pièce (7) un léger mouvement suivant les directions indiquées par les flèches (20) et (21) et donc aux pièces (5), (6) et (7) de se mettre en place les unes par rapport aux autres sans nécessiter des tolérances d'usinage importantes. Sur la paroi du manchon (7) est percé au milieu d'une génératrice un orifice cylindrique (19) de diamètre d7 dans lequel passe l'enveloppe (11) du ballon secondaire (10) suivant un montage détaillé sur la figure 3 et qui permet de plaquer le ballon (10) sur la pièce (7) comme indiqué sur la figure 1. La position angulaire de (19) est définie par l'angle (E) que fait avec la direction de (8) la demi-droite joignant la trace A7 de l'axe de (7) avec le centre du diamètre de l'orifice (19). Pour garder une même position relative des deux ballons au cours du vol et comme il a été précisé auparavant la valeur de (E) peut être réglée à sa valeur optimum en jouant sur la rotation de (7) autour de A7 grace à l'élasticité de (8). La figure 3 représente une coupe du système de fixation permettant au ballon (10) d'être plaqué sur la paroi du manchon (7).Une pièce (25) qui est ici sphérique mais qui peut également être cylindrique et qui a été préalablement introduite à l'intérieur de (10) par son manchon de remplissage (12) est ensuite passée à travers (19) puis dans le cylindre intérieur (D22) d'un manchon cylindrique (22) en matériau rigide mais déformable de type mousse de polyurethane et ce en restant entourée par l'enveloppe (11). On remarquera qu'en jouant sur la déformation du matériau de (7) le diamètre de (25) peut être supérieur à d7. Dans (22) est creusée la gorge (23) dans lequel passe un collier rétractable (24) qui réduit la valeur du diamètre intérieur de (22) à son niveau à une valeur inférieure à celle du diamètre de (25). Comme le diamètre (D22) est dans les régions où il n'est pas réduit par (24) supérieur à celui, d7, de (19) la pièce (22) ne peut s'échapper vers l'extérieur de (7). Au fur et à mesure que le ballon (10) se gonfle au cours du sondage il s'exerce par l'enveloppe (11) une tension qui a pour premier effet de plaquer la pièce(22) par sa base inférieure (26) sur la paroi intérieure de (7) et comme second effet de plaquer l'enveloppe (11) sur la paroi extérieure de la même pièce (7). Ce système permet donc suivant une des caractéristiques de l'invention de relier de facon semi-rigide le ballon (10) à la pièce (7). On remarquera que le montage des différentes pièces se fait quand le ballon (10) est vide de telle sorte qu'aucune tension ne s'exerce sur l'enveloppe (11). La figure 4 représente en coupe le détail du système de fixation du manchon cylindrique (6) sur l'enveloppe (5). Dans le cylindre intérieur d6 de (6) on a introduit une pièce cylindrique (26) qui a été préalablement placée à l'intérieur du ballon (4) par le manchon de remplissage (3). (26) est en matériau rigide mais déformable et son diamètre est voisin de d6 de sorte que, avec l'épaisseur de l'enveloppe (5) en plus, il n'y ait pas de jeu entre les deux pièces. (26) a été introduit dans d6 en passant à travers un orifice circulaire (31) percé dans la pièce plane (9). Dans la partie basse de (6) et sur sa partie extérieure est creusée une gorge (27) dans laquelle est placé un collier rétractable (28). Une fois serré,(28) limite le diamètre intérieur de (6) à une valeur dd6 nettement inférieure à d6 ou au diamètre de (26). Dans la partie supérieure de (6) on retrouve la gorge (18) dans laquelle se trouve le collier élastique (8). Ces pièces ayant été montées quand le ballon (4) est vide il n'y a aucune tension de l'enveloppe (5). Dès que au au cours du gonflement de (4) celui ci prend une forme sphérique il se crée dans (5) une tension qui tend à plaquer la pièce (26) sur la partie retrécie (30) de l'intérieur de (6) et également le bas du manchon (29) sur la pièce plane (9) La figure 5 décrit un mode particulier de réalisation suivant l'invention dans lequel le ballon secondaire (10) est maintenu plaqué en (14) sur l'enveloppe (5) du ballon principal en utilisant le poids de la nacelle de mesure (1). A cet effet un cylindre plein (52) est introduit dans la manche de remplissage (3) de (4) et il est fixée à celle ci au moyen d'un fil ligaturé autour suivant une méthode bien connue: dans ces conditions le gaz léger qui est contenu dans le ballon (4) ne peut s'échapper vers l'extèrieur,la pièce (52) faisant office de bouchon. Dans le cylindre (52) et à son extrémité inférieure est fixé un anneau (51) de préférence rigide. Le fil (2) qui sert à accrocher la nacelle de mesure (1) coulisse sans frottement important à travers l'anneau (51) et vient ensuite s'accrocher sur le manchon (12) de remplissage du ballon secondaire (10). Pendant la phase de montée la tension du fil (2) crée par le poids de la nacelle (1) se conserve sur toute sa longueur et en particulier après passage dans l'anneau rigide. Il en résulte que suivant la géométrie représentée sur la figure 5 cette tension tend à appliquer les deux ballons entre eux et assure ainsi une plus grande stabilité de la géométrie du système. Bien entendu la longueur du fil (2) sera choisie suffisamment grande pour que, sous l'effet de la dilatation du ballon (4), la nacelle (1) ne vienne en butée sur l'anneau (51) pendant la montée. Un autre avantage de cette réalisation est que, si on choisit le gonflement initial du ballon (10) de telle sorte que ce soit toujours le ballon (4) qui éclate le premier, alors le ballon secondaire (10) reste gonflé pendant la phase de redescente de (1) et assure le rôle de parachute ralentisseur du système. REVENDICATI IONS 1-) Dispositif destiné à améliorer la qualité de mesure du vent des ballons météorologiques sphériques utilisant les sondes de type GPS et caractérisé par le fait qu'un second ballon météorologique sphérique et de plus petite dimension est maintenu en appui permanent pendant toute la phase de montée sur la paroi du ballon principal, le poids de la sonde de mesure GPS qui est accrochée sous le ballon principal servant à maintenir le ballon secondaire en position latérale ce qui a pour effet de donner à l'ensemble des deux ballons en vol un profil aérodynamique qui à cause de sa dissymétrie donne une grande stabilité au mouvement du ballon principal et lui permet de suivre au mieux les mouvements de l'air. 2-) Dispositif destiné à stabiliser le comportement en phase de montée des ballons météorologiques sphériques à enveloppe élastique qui emportent une sonde GPS pour la mesure du vent caractérisé par le fait qu'un second ballon du même type mais de plus petite dimension est maintenu en appui permanent pendant la durée des mesures sur la paroi latérale du ballon principal au moyen d'un ensemble de trois pièces,la première ancrée sur la paroi du ballon principal, la seconde ancrée sur la paroi du ballon secondaire, ces deux pièces étant reliées entre elles par une troisième qui est un collier élastique les maintenant plaquées entre elles tout en leur permettant de petits mouvements angulaires relatifs,ces deux pièces pouvant être transportées séparément et solidarisées en jouant sur l'élasticité du collier de liaison lors de la préparation du système des deux ballons avant le le sondage. 3-) Dispositif suivant la revendication 2 dans lequel le fil de suspension de la nacelle de mesure coulisse dans un anneau solidaire du manchon de remplissage du ballon principal et est ensuite accroché à son autre extrémité sur l'orifice de remplissage du ballon secondaire ce qui à pour effet de plaquer les deux ballons entre eux sous l'effet de la tension du fil de suspension et d'assurer ainsi une très grande stabilité de la géométrie relative des deux ballons pendant la montée. 2 4-) Dispositif suivant les revendications 2 ou 3 qui se caractérise par le fait que les deux pièces ancrées sur les parois des ballons principal et secondaire sont des manchons cylindriques réalisés dans un matériau rigide et déformable de type mousse de poliuréthane dont les axes sont perpendiculaires entre eux quand ils sont en en position de vol. 5-) Dispositif suivant les revendications 2 ou 3 qui se caractérise par le fait que la pièce qui est ancrée sur le ballons secondaire peut se déplacer très légèrement suivant la paroi de la première tout en tournant autour de son axe et ce grace à l'élasticité du collier de liaison ce qui permet de limiter la pression du ballon secondaire sur le ballon principal au fur et à mesure que son volume augmente pendant la montée 6-) Dispositif suivant les revendications 2 ou 3 qui se caractérise par le fait que la dimension de chacunes des deux pièces ancrées sur les parois des deux ballons est prise nettement plus faible que les diamètres des deux ballons et ce de manière à ce que la position angulaire du point où les deux ballons sont en contact permanent reste constante même si les volumes de chaque ballon augmentent au cours de la montée. 7-) Dispositif suivant les revendication 2 ou 3 qui se caractérise par le fait que le sytème d'ancrage sur les parois des ballons des pièces servant à appuyer lesdits ballons entre eux utilise la tension élastique de ces parois pour plaquer ces pièces sur les enveloppes en sorte que l'ancrage des deux pièces se fait de façon de plus en plus rigide au fur et à mesure que le diamètre de chaque ballon augmente. 8-) Dispositif caractérisé par le fait que le système d'ancrage des deux pièces sur les ballons suivant les revendications 2 et 3 se caractérise par le fait qu'il est lui même constitué de deux pièces coulissant l'une dans l'autre et séparées par l'enveloppe des ballons, ladite enveloppe amenant de par sa tension élastique d'une part la première de ces pièces en butée sur un resserrement du diamètre intérieur de la seconde crée par un collier rétractable et d'autre part la seconde en appui sur l'enveloppe du ballon.