Brevet FR3003064A1 — publié le 20140912

PROCEDE PERMETTANT DE DETECTER LA TRAJECTOIRE OPTIMALE D'UN BALLON STRATOSPHERIQUE OUVERT. DOMAINE D'APPLICATION DE L'INVENTION L'invention a trait au domaine des ballons stratosphériques ouverts et concerne plus particulièrement un procédé permettant de déterminer leurs trajectoires. DESCRIPTION DE L'ART ANTÉRIEUR L'atmosphère terrestre est une enveloppe gazeuse qui protège la Terre de l'Espace. Elle est divisée en plusieurs couches de caractéristiques et d'épaisseurs différentes, de bas en haut, à savoir : - la Troposphère - la Stratosphère - la Mésosphère - la Thermosphère - l'Exosphère. La stratosphère est une couche de l'atmosphère située entre 8 et 20 kilomètres d'altitude pour sa limite inférieure dite tropopause et 40 à 60 kilomètres d'altitude pour sa limite supérieure dite stratopause. Les conditions environnementales y sont complètement différentes des autres couches de l'atmosphère. Alors que dans la Troposphère, la température baisse en fonction de l'altitude et atteint des températures négatives d'une soixantaine de degrés Celsius, la température de la Stratosphère augmente en fonction de l'altitude pour avoisiner les 0°C au niveau de la stratopause. La stratosphère est constituée en partie d'ozone (03) représentant l'ozonosphère, plus communément appelée « couche d'ozone ». A haute altitude, la couche d'ozone a pour effet d'absorber la plus grande partie du rayonnement solaire ultraviolet (UV) qui est dangereux pour les organismes vivants, jouant ainsi un rôle protecteur pour les êtres vivants. Néanmoins, l'absorption des UV par la couche d'ozone conditionne la température de la stratosphère. Ainsi, tout changement dans le flux solaire (qui se produit pour la majeure partie dans l'UV) entraîne des changements du gradient de température dans la stratosphère qui peut se transférer aux couches inférieures et entraîner des changements de température au sol. De plus, lors d'éruptions volcaniques violentes, l'injection dans la stratosphère de grandes quantités de dioxyde de souffre converti rapidement en aérosols sulfatés, peut, d'une part contribuer à détruire l'ozone et d'autre part, jouer un rôle d'écran pour le flux solaire et refroidir ainsi la stratosphère. Le processus de lessivage par les pluies n'opérant pas, la durée de vie de ces aérosols dans la stratosphère peut atteindre cinq années. La Stratosphère est donc le lieu de nombreux changements atmosphériques ayant des répercussions directes à la surface de la Terre. La mesure de l'épaisseur de la couche d'ozone ou encore la détermination des paramètres environnementaux tels que les variations de températures sont devenus des enjeux majeurs pour la recherche. Aujourd'hui, le ballon stratosphérique ouvert occupe une place unique parmi les outils de la recherche scientifique. En effet, lui seul peut évoluer durablement dans la couche de la Stratosphère car cette région atmosphérique est inaccessible aux satellites et est traversée trop rapidement par les fusées sondes. Un ballon stratosphérique ouvert est communément composé d'une enveloppe de matière plastique contenant un gaz aérostatique plus léger que l'air qui monte en altitude sous l'effet de la poussée d'Archimède, sans moteur responsable de son vol. Il est équipé d'un parachute, d'un réflecteur radar pour identifier sa position et de matériels scientifiques qui, placés dans la nacelle, sont aptes à réaliser des mesures dans la Stratosphère. A une altitude prédéfinie, le ballon stratosphérique ouvert va se rompre entrainant une chute libre de la nacelle qui, via son parachute, va se poser sur le sol. A la différence des aérostats de type montgolfière, il n'y a 30 personne dans la nacelle d'un ballon stratosphérique ouvert pour diriger le ballon. Il est également lesté pour changements successifs de pression et de température. En l'absence de vent, au moment de l'envol, soumis à deux forces : s'adapter aux le ballon est 35 - Son poids, dirigé vers le sol, incluant : - le poids de l'enveloppe du ballon, - le poids du gaz que contient l'enveloppe, - le poids de la nacelle (avec parachute et appareils de mesures), - la chaîne de vol reliant tous les composants du ballon ensemble, - le lest, - la poussée d'Archimède dirigée vers le ciel. Lorsque la poussée d'Archimède est supérieure à la force exercée par le poids de l'ensemble du ballon, le ballon s'envole car le gaz contenu dans le ballon a une densité inférieure à celle de l'air ce qui permet à la poussée d'Archimède d'élever le ballon en altitude. En effet, pour que le ballon puisse voler, il faut qu'il soit plus léger donc moins dense que l'air ambiant et par conséquent son poids total doit être adapté à la quantité d'air présent. Pour comprendre la trajectoire d'un ballon stratosphérique 15 ouvert, il est nécessaire de prendre en compte les paramètres ci-après rappelés. La densité d'un gaz dépend de la pression et de la température. La Troposphère n'a ni le même gradient de température ni la même pression ni la même contenance en air que celle à la surface de 20 la Terre. En effet, la pression et la température baissent à mesure que le ballon prend de l'altitude. Plus le ballon s'élève, plus les pressions qu'il rencontre sont faibles. Le ballon doit donc constamment s'adapter aux conditions environnantes pour pouvoir continuer son ascension alors que la pression environnante baisse. 25 Enfin, comme la pression baisse, le volume du gaz du ballon augmente. Dans le même temps, le gaz à l'intérieur du ballon se refroidit, premièrement par conduction avec l'air ambiant qui est confronté à des températures de plus en plus basses, mais aussi par 30 dilatation. Ce refroidissement du gaz combiné à sa baisse de pression a pour effet de diminuer sa densité. Ainsi, le poids du ballon diminue et sa vitesse ascensionnelle augmente. A environ 10 kilomètres d'altitude, le ballon entre alors dans la stratosphère, sa zone d'analyse scientifique. 35 Au passage de la tropopause, le gaz à l'intérieur du ballon continue à se refroidir en raison de sa dilatation due à la baisse de pression avec l'altitude, alors que la température extérieure commence à augmenter. De ce fait, la densité du gaz contenu dans le ballon augmente, la poussée d'Archimède devient moins importante de sorte que le ballon perd de sa vitesse ascensionnelle, définissant alors un palier de ralentissement. A cette altitude où il entre dans la Stratosphère, la vitesse ascensionnelle du ballon est moins élevée, l'enveloppe est davantage soumise à la conduction de l'air ambiant et le gaz qu'elle contient se réchauffe du fait des températures moins froides. En conséquence, le ballon retrouve une vitesse constante jusqu'au moment où le volume occupé par le gaz devient si important du fait de la baisse de pression que ce dernier doit s'évacuer pour éviter l'explosion, évacuation qui est prévue par des clapets conçus à cet effet sur le ballon. Dès lors, le ballon continue à monter légèrement avec le gaz s'évacuant progressivement (la pression continuant à descendre avec l'altitude) jusqu'au moment où l'enveloppe ne contient plus qu'une certaine quantité de gaz nécessaire à maintenir le ballon en équilibre. A ce stade, le poids et la poussée d'Archimède se compensent, le ballon ne grimpe plus et reste à une altitude stable et maximale appelée « plafond ». L'altitude de ce plafond est en fait prédéfinie par les scientifiques avant le lancement du ballon car elle est conditionnée par la quantité de gaz introduite au départ, le volume de contenance maximum du ballon et le poids de l'ensemble (ballon, gaz, nacelle). Cependant, l'exploration de l'atmosphère par ballon ne peut aller au delà de la Stratosphère du fait qu'au-dessus d'une 25 cinquantaine de kilomètres d'altitude, la masse volumique de l'air est si faible que la poussée d'Archimède est quasi-inexistante. Néanmoins, une fois que le ballon a atteint sa valeur de plafond, une oscillation entre différents paliers d'altitudes rapprochés se produit. En effet, quand le ballon atteint ce plafond, 30 le rayonnement solaire réchauffe le gaz qui se dilate, provoquant une perte de gaz par les clapets. Cette dilatation entraîne une diminution du volume de gaz dans le ballon et par conséquent une diminution de la poussée d'Archimède, entraînant une légère perte d'altitude du ballon vers une couche plus froide et plus dense en 35 air, augmentant à nouveau la poussée d'Archimède qui engendre alors la remontée du ballon, phénomène qui se produit jusqu'à la tombée de la nuit produisant ainsi une oscillation du ballon liée à une variation de pression entre les différents paliers. A la tombée de la nuit, l'absence de rayonnement solaire entraîne une baisse de la température du gaz à l'intérieur du ballon donc une poussée d'Archimède insuffisante de sorte que le ballon descendrait de manière irréversible s'il n'y a pas de largage de lest par intervention extérieure. C'est pour cette raison que les ballons stratosphériques ouverts sont munis de lests destinés à être libérés selon l'opération dite de « délestage » pour éviter que le ballon ne redescende. Ainsi, selon les conditions de pressions dans lesquelles le ballon stratosphérique ouvert se trouve, un délestage adéquat permet d'augmenter la vitesse ascensionnelle ou de maintenir le ballon à l'altitude souhaitée. Plusieurs phases de délestage peuvent être envisagées mais la stabilisation n'est pas toujours immédiate. Lorsque le volume du gaz est trop important, l'ouverture de clapets du ballon pour assurer l'évacuation de gaz aérostatique permet également de faire descendre le ballon ou de ralentir sa montée. Il s'agit alors d'activer des cycles ouverture/fermeture des clapets qui permettent de contrôler la vitesse d'ascension ainsi que celle de la descente du ballon. Plusieurs commandes d'évacuation de gaz aérostatique et de délestage peuvent être envisagées tant que les limites de volume de gaz permettant de garantir les effets de la poussée d'Archimède, seront respectées. En fonction du phénomène que l'on veut alors étudier, le ballon stratosphérique ouvert ne doit pas dépasser une certaine altitude de plafond ni un temps de vol prédéfini (de quelques heures à quelques jours) afin de pouvoir récupérer in fine, les informations nécessaires à l'étude des phénomènes à observer. En parallèle de ces objectifs dits « de mission » imposés par les équipes de recherche, d'autres objectifs dits « de sauvegarde » concernent quant à eux des ambitions plus matérielles, comme par exemple le contrôle de la descente du ballon ou de la nacelle à des fins de récupération du matériel scientifique en bon état. D'une manière générale, les opérations de commandes d'évacuation de gaz aérostatique et de délestage pour le pilotage du ballon sont réalisées de façon empirique, c'est à dire que les moments où ces fonctions se déclenchent ne sont pas forcément vraiment prévus avant le lancement du ballon. De ces incertitudes naissent alors des problèmes aussi bien au stade du franchissement de certains paliers atmosphériques qu'a celui de la réception au sol de la nacelle. En effet, sans détermination préalable de la zone atmosphérique où le ballon va effectivement se rompre, la nacelle va chuter, retenue par son parachute et atterrir dans un lieu non identifié au départ du lancement du ballon. L'équipe technique ne pourra donc se fier qu'au réflecteur radar pour localiser le lieu de chute de la nacelle alors que si la zone où le ballon se rompt est connue préalablement, son point de chute pourrait être connu bien avant son lancement. Aussi, si plusieurs trajectoires sont possibles en fonction des conditions météorologiques, des commandes d'évacuation de gaz aérostatique et de délestage dudit ballon envoyées par les opérateurs du vol pour le contrôle du ballon, la recherche d'une trajectoire optimisée du vol réalisant à la fois les objectifs de mission et ceux de sauvegarde constitue un but important à atteindre lequel, pour l'instant, s'opère encore de façon plutôt manuelle et empirique et en prenant en compte certaines informations fournies pendant ledit vol, notamment sur la rupture réelle du ballon. DESCRIPTION DE L'INVENTION Partant de cet état de fait, la demanderesse a imaginé un concept original permettant de détecter, avant même le lancement d'un ballon stratosphérique ouvert, sa trajectoire optimale en fonction des objectifs de mission et de sauvegarde préétablis. Ce concept repose notamment sur un procédé mettant en oeuvre un module de modélisation de trajectoires qui a pour objet, en fonction d'un « individu » correspondant à une série de commandes d'évacuation de gaz aérostatique et de délestage d'un ballon ainsi que de données sur les conditions atmosphériques et sur les paramètres physiques du ballon, de fournir en sortie une trajectoire dudit ballon. Le module de modélisation de trajectoires de l'invention intègre de préférence le programme dénommé « BalsimBSO » capable de modéliser une trajectoire d'un ballon en fonction de données d'entrée préenregistrées telles que : - la date de lancement souhaitée et la zone géographique de départ, - les caractéristiques physiques du ballon (masse, volume, poids total), - les ressources en lest et en gaz du ballon, - les caractéristiques physiques de l'atmosphère (température, pression, densité de l'air, flux solaire et infrarouge), - les champs de vents et les données météorologiques, - les commandes d'évacuation de gaz aérostatique et de délestage, - etc.... Selon la caractéristique principale de l'invention, le procédé de détection de la trajectoire optimale consiste à associer : - en entrée dudit module de modélisation de trajectoires, un 10 module de génération d'une population d'individus de commandes d'évacuation de gaz aérostatique et de délestage permettant audit module de modélisation de fournir en sortie une population de trajectoires, - et, en sortie dudit module de modélisation de trajectoire, un 15 module de calcul de coût capable, à partir de données sur différents coûts représentatifs mathématiquement des objectifs de mission et de sauvegarde et de diverses contraintes à respecter, de fournir pour chaque trajectoire de la population déterminée par le susdit module de modélisation, une évaluation des différents coûts à chaque point 20 prédéterminé desdites trajectoires afin de déterminer sur l'ensemble de chaque trajectoire, un score total indicateur du caractère optimal ou non de la trajectoire. Dans le contexte de la présente invention, la fonction « coût » représente le moyen de définir une «bonne trajectoire » en fonction 25 de l'ensemble des objectifs de mission (dits scientifiques) et des objectifs de sauvegarde à atteindre avec d'éventuelles autres contraintes à respecter. Les objectifs de mission et contraintes peuvent notamment être identifiés comme ceux ci-après énumérés à titre non limitatif, à 30 savoir : - les plafonds en altitudes prédéfinis, - les descentes ou les montées lentes à des vitesses données, - la consommation de gaz qui ne doit pas excéder une certaine limite, 35 - la consommation de lest qui ne doit pas excéder une certaine limite, - les coordonnées prédéfinies du ballon en latitude et longitude, - les contraintes de temps (durée de vol), - les contraintes géographiques (zone de survol à éviter), - la vitesse ascensionnelle à ne pas excéder, - etc_ Les objectifs de sauvegarde seront, quant à eux, du type de 5 celui qui consiste à contraindre le ballon à se rendre au-dessus d'une zone cible à des fins de récupération plus aisée de la nacelle à la fin du vol. Ainsi, le procédé de détection mis au point par la demanderesse et tel que proposé ci-dessus permet de proposer à l'opérateur du vol 10 d'un ballon, un choix de trajectoires optimales respectant au mieux les contraintes de vol et de sauvegarde du ballon avec les objectifs scientifiques de mission tout en respectant des critères de rentabilité. De plus, le contrôle de la trajectoire du ballon selon le 15 procédé de l'invention offre la possibilité d'augmenter la probabilité de récupérer en bon état le matériel scientifique avec les données mesurées. En effet, en choisissant au préalable la trajectoire optimale avec les commandes d'évacuation de gaz aérostatique et de délestage associées, l'opérateur a la faculté de 20 permettre au ballon de franchir des paliers atmosphériques difficiles, d'optimiser sa vitesse ascensionnelle ainsi que de choisir la zone (plafond) cible où le ballon se rompra. Le procédé, objet de la présente invention pourrait également mettre en évidence l'impossibilité de réaliser un vol répondant aux 25 objectifs pour des caractéristiques données du ballon et de l'atmosphère au moment du lâcher. Selon une caractéristique particulièrement avantageuse de l'invention, le susdit module de génération d'une population d'individus de commandes permettant audit module de modélisation de 30 fournir en sortie une population de trajectoires sera mis en oeuvre par un algorithme, de préférence génétique, de manière à alimenter les fichiers d'entrée du programme « BalsimBSO » dudit module de modélisation. Ces fichiers pourront se présenter sous la forme d'un ensemble de codes traduisant mathématiquement des séries de 35 commandes d'évacuation de gaz aérostatique et de délestage que le programme « BalSimBSO » modélisera, en fonction de données d'entrée préenregistrées, en des trajectoires correspondantes à chaque série de commandes. Avantageusement, le couplage du susdit module de calcul de coûts déterminant les scores des trajectoires avec l'algorithme génétique du module de génération sera de préférence du type récursif afin de pouvoir améliorer progressivement l'exploration de 5 l'espace de solutions. Ainsi, les individus (séries de commandes d'évacuation de gaz aérostatique et de délestage) sélectionnés au sein d'une population à partir de leur score, seront réutilisés par l'algorithme génétique du module de génération pour engendrer des nouvelles séries de commandes représentant une nouvelle génération. 10 Cette nouvelle génération sera à nouveau modélisée par le programme « BalSimBSO » en trajectoires qui seront évaluées en scores par le module de calcul de coût. L'algorithme génétique, couplé de manière récursive, avec le module de calcul de coût en association avec le programme 15 « BalSimBSO » du module de modélisation, permet donc de générer des combinaisons de commandes correspondant à différentes quantités de gaz ou de lest dégagées et qui sont toutes implantées dans le programme « BalSimBSO » qui va les modéliser en des trajectoires correspondantes en y associant un score. 20 Ainsi, l'algorithme génétique fait évoluer une population dans le but d'en améliorer les individus. A chaque génération, un ensemble d'individus de commandes est mis en avant (et non un individu particulier) qui sont modélisés en trajectoires différentes qui seront gradées en fonction du score obtenu. Les individus 25 sélectionnés au sein de la population à partir de leur score sont réutilisés pas l'algorithme génétique pour engendrer des nouvelles séries de commandes représentant une nouvelle génération. Cette nouvelle génération est à nouveau évaluée par le couple d'opération : programme « BalSimBSO » du module de modélisation et 30 celui du module de calcul de coût pour déterminer un score pour chaque trajectoire. Ce score sera en fait déterminé par l'intégrale de la fonction de calcul de coûts sur l'ensemble de la trajectoire, étant entendu qu'un bon score a un coût faible. De plus, en utilisant un couplage du module de calcul avec le 35 module de génération de type récursif, les populations de trajectoires, et plus précisément les séries de commandes correspondantes, répondant tant aux objectifs de mission que de sauvegarde, sont réintégrées dans l'algorithme génétique qui va donc - 10 - générer des populations de trajectoires de plus en plus optimales. Cette phase de reproduction afin d'engendrer une nouvelle population d'individus est paramétrable par l'opérateur par exemple en réalisant 60% de croisement, 10% de mutations et en gardant 30% des individus obtenus lors de la génération précédente. Le présent procédé est remarquable aussi en ce qu'il est capable de trouver une solution en n'ayant pourtant aucune connaissance a priori, de sorte que la première population d'individus puisse être générée aléatoirement. Le couplage récursif de l'algorithme génétique du module de génération avec le programme « BalSimBSO » du module de modélisation et la fonction de coût du module de calcul mènera à des trajectoires optimales en ne paramétrant que la fonction de coût avec les objectifs de mission et de sauvegarde. Les commandes d'évacuation de gaz aérostatique et de délestage du ballon définissant un individu de commandes sont séparés par un pas de temps paramétrable par l'opérateur et qui dépend des caractéristiques physiques connues de la Troposphère et de la Stratosphère afin que les commandes se déclenchent aux moments où l'utilisateur a besoin de contrôler le vol du ballon (vitesse ascensionnelle réduite/rapide, pression trop faible par rapport à la dilatation du gaz dans 1 'enveloppe, etc...). Ce pas de temps, constant et de l'ordre de 600 secondes, est volontairement choisi supérieur à la durée maximale des susdites commandes d'évacuation de gaz aérostatique et de délestage, pour éviter un chevauchement entre deux commandes n'imposant ainsi aucune contrainte pour filtrer les individus générés. Le pas de temps du module de modélisation, de l'ordre de 100 secondes, sera choisi également plus faible que celui des commandes et durées d'évacuation de gaz aérostatique et de délestage afin que chaque commande puisse être interprétée dans le programme dudit module de modélisation. Selon un choix préférentiel de l'invention, l'individu correspondant à une série de commandes d'évacuation de gaz aérostatique et de délestage dudit ballon est choisi comme correspondant seulement à la trajectoire d'un ballon de la fin de sa phase ascensionnelle au jusqu'au début de sa phase de descente. En effet, les deux phases ascensionnelles et de descente du ballon ne sont souvent pas associées à des objectifs de mission, pris au sens scientifique du terme. Il va de soi que pendant le vol, les commandes d'évacuation de gaz aérostatique et de délestage dudit ballon pourront être adaptées 5 à distance par l'utilisateur. On comprend que le procédé de détection d'une trajectoire optimale d'un vol de ballon stratosphérique qui vient d'être ci-dessus décrite, l'a été en vue d'une divulgation plutôt que d'une limitation. Bien entendu, divers aménagements, modifications et 10 améliorations pourront être apportés à l'exemple ci-dessus, sans pour autant sortir du cadre de l'invention. 15 20 25 30 35 REVENDICATIONS1. Procédé permettant de détecter, avant son lancement, la trajectoire optimale d'un ballon stratosphérique ouvert, du type de celui utilisant un module de modélisation de trajectoires qui, en 5 fonction d'un individu correspondant à une série de commandes d'évacuation de gaz aérostatique et de délestage dudit ballon ainsi que de données d'entrée préenregistrées sur les conditions atmosphériques et sur les paramètres physiques du ballon, fournit en sortie une trajectoire dudit ballon, CARACTERISE EN CE Qu'il 10 consiste à associer : - en entrée dudit module de modélisation de trajectoires, un module de génération d'une population d'individus de commandes d'évacuation de gaz aérostatique et de délestage permettant audit module de modélisation de fournir en sortie une population de 15 trajectoires, - et, en sortie dudit module de modélisation de trajectoire, un module de calcul de coûts représentatifs mathématiquement des objectifs de mission et de sauvegarde et de diverses contraintes à respecter (la fonction « coût » représentant le moyen de définir une 20 «bonne trajectoire » en fonction de l'ensemble des objectifs de mission et des objectifs de sauvegarde à atteindre avec d'éventuelles autres contraintes à respecter)et qui soit capable, à partir de données sur différents coûts, de fournir pour chaque trajectoire de la population déterminée par le susdit module de 25 modélisation, une évaluation des différents coûts à chaque point prédéterminé desdites trajectoires afin de déterminer sur l'ensemble de chaque trajectoire, un score total qui, déterminé par l'intégrale de la fonction de calcul de coûts sur l'ensemble de la trajectoire, avec un bon score ayant un coût faible, est indicateur 30 du caractère optimal ou non de la trajectoire. 2. Procédé selon la revendication 1, CARACTERISE EN CE QUE le susdit module de génération d'une population d'individus utilise un algorithme génétique. 3. Procédé selon la revendication 1, CARACTERISE EN CE QUE les 35 commandes d'évacuation de gaz aérostatique et de délestage dudit ballon définissant un individu sont séparées par un pas de temps paramétrable.- 13 - 4. Procédé selon la revendication 1, CARACTERISE EN CE QUE les commandes d'évacuation de gaz aérostatique et de délestage dudit ballon définissant un individu sont séparées par un pas de temps supérieur à la durée maximale des susdites commandes. 5. Procédé selon la revendication 1, CARACTERISE EN CE QUE les commandes d'évacuation de gaz aérostatique et de délestage dudit ballon définissant un individu sont séparées par un pas de temps constant. 6. Procédé selon la revendication 1, CARACTERISE EN CE QUE les 10 commandes d'évacuation de gaz aérostatique et de délestage dudit ballon définissant un individu sont séparées par un pas de temps égal ou supérieur à 600 secondes. 7. Procédé selon la revendication 1, CARACTERISE EN CE QUE le pas de temps du susdit module de modélisation sera plus faible que 15 celui des commandes et des durées d'évacuation de gaz aérostatique et de délestage. 8. Procédé selon la revendication 1, CARACTERISE EN CE QUE la première population d'individus est générée aléatoirement. 9. Procédé selon la revendication 1, CARACTERISE EN CE QUE 20 chaque individu correspondant à une série de commandes d'évacuation de gaz aérostatique et de délestage dudit ballon correspond à la trajectoire d'un ballon de la fin de sa phase ascensionnelle jusqu'au début de sa phase de descente. 10. Procédé selon les revendications 1 et 2, CARACTERISE EN 25 CE QUE le couplage du susdit module de calcul déterminant les scores des trajectoires en association avec le module de modélisation et de l'algorithme génétique du module de génération est du type récursif. 30 35