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EVOLUTION DU CONCEPT(3) |
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Du BALLON-SONDE météo au BALLON-SONDE lâché par des RADIO AMATEURS
4--- Critiques sur le premier concept de base : " le voltmètre dans l'espace".
41. Du côté des prévisions de trajectoire :
La connaissance précise des vents ne suffit pas. Il y aura une erreur sur l'établissement de la trajectoire théorique et en conséquence une erreur sur la précision du point de chute.
On peut estimer approximativement où seront faites les mesures des capteurs au moyen de la prévision de trajectoire théorique basée sur la connaissance des vents. Mais la zone de chute ne sera pas vraiment connue, il peut y avoir une différence énorme ( d ) entre le point de chute probable et le point de chute réel.
Voir schéma ci-dessous.
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L'éclatement libre de l'enveloppe en latex :
qui dépend du gonflage initial, se produit à une altitude aléatoire, entre 25 000 et 35 000 mètres, parfois moins, parfois un peu plus; elle n'est pas calculée précisément par manque d'informations et n'est pas communiquée au sol en temps réel et de façon précise. Tout dépend des points faibles sur l'enveloppe Latex.
Alors, donner les coordonnées exactes du point de chute dans de telles conditions, tient du hasard ou de la chance. On pourrait en faire un jeu et récompenser le "prévisionniste" le plus proche de la vérité ! Si on utilise les toutes dernières données météo et le même logiciel de calcul, tout le monde devrait trouver les mêmes valeurs théoriques. Mais il n'en est rien.
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42. Du côté des opérations de gonflage et de lâcher du ballon :
Les mesures des pressions avec les bouteilles d'hélium sont peu précises; le seul instrument disponible est le manomètre placé sur le détendeur. A gauche sur la photo.
photo : Alain F6AGV
Seul le cadran de gauche est utilisé. Les graduations sont faites tous les 10 bars, précision de plus ou moins 5 bars, dans le meilleur des cas.
Les paramètres du gonflage ( volume de l'enveloppe et masse d'hélium injectée ) ne sont pas calculés précisément, ils sont choisis non judicieusement et la vitesse de montée n'atteint pas les 5 m/s recommandés. Elle est souvent en réalité de l'ordre de 3 à 4 m/s selon les cas car l'enveloppe à l'air d'être suffisamment gonflée et il y a toujours la crainte d'assister à un éclatement prématuré ! Souvent le lanceur se contente de vider une ou deux bouteilles d'hélium et il ne se pose pas de questions sur le volume de gonflage exact ! Même, il va prendre le nombre indiqué dans l'exemple du manuel ! Peu importe mais la connaissance du volume est une chose importante dans un projet du point de vue aérostation.
La masse totale de la chaîne de vol n'est pas connue avec précision ou elle est erronée. Il faut peser réellement chaque élément de la chaîne de vol. Elle ne doit pas dépasser 4 kg au maximum ( la chaîne de vol en totalité, pas seulement la nacelle ! ). Faire un bilan des masses avant chaque départ afin d'adapter les paramètres de gonflage.
L'horaire de lâcher n'est pas respecté, et le décalage entre la météo et les prévisions est trop important. Faute de temps, on ne refait pas les prévisions et les calculs ! Ou bien, les informations des sites internet ne sont pas accessibles...
Les conditions météo locales au moment du lâcher ne sont pas connues, les relevés des températures ambiantes, pression atmosphérique et humidité ne sont pas faits. Aucun instrument n'est prévu pour effectuer des mesures météo au sol. Ces données interviennent pourtant dans les calculs de vol et dans les calculs de gonflage, d'une façon non négligeable. Un gonflage à 10°C, ce n'est pas la même chose qu'un gonflage à 30°C !
Alors comment gonfler le ballon et avec quelle quantité d'hélium ? Du pifomètre ?
photo : F6AGV
Que devient la vitesse de montée si la pression ou la température change ?
Qui se pose les bonnes questions ?
Le principal n'est-il pas de lâcher un ballon le jour J ?
Mais lâcher un ballon à tout prix dans n'importe quelles conditions n'est pas le but. Les récupérateurs de ballons ne sont pas informés sur les paramètres de gonflages et sur les valeurs réelles des masses. Les prévisions de trajectoire ne sont pas précises !
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L'enveloppe en latex du ballon "éclate" ( eh, oui, il ne faut jamais parler d'explosion ! ) à environ 360 mètres cubes suivant le type .
Nous utilisons des enveloppes de 1200 grammes depuis le début, mais il existe toute une gamme d'enveloppe jusqu'à 2000 grammes.
L'éclatement est donc un phénomène aléatoire non maîtrisé. Si la résistance de l'enveloppe est connue, car fournie par le constructeur, les conditions atmosphériques en altitude peuvent varier localement et la conséquence sur le point d'éclatement dans l'espace n'est pas connu avec précision : la trajectoire réelle sera donc éloignée de la trajectoire théorique pour cette raison majeure. Voir figure en haut de la page.
Les logiciels de calculs actuels sont programmés avec une altitude d'éclatement "imposée" par eux, de 25 000 mètres par exemple, ou alors il faut l'indiquer dans la configuration (setup) !
La précision pourrait être bien meilleure, si on pouvait connaître l'altitude d'éclatement au mètre près ! ( burst ).
Mais la réalité est bien différente. Qui peut la connaître avec certitude ?
L'idéal serait de provoquer l'éclatement à une altitude précise car on s'écarterait du concept du ballon-sonde météo un peu plus. Ou une autre solution, libérer le ballon en coupant le fil !
photo : F6AGV
Observez, sur cette photo la ficelle torsadée au maximum possible, l'enveloppe Latex restante prise dans les ficelles du parachute et le parachute quasiment fermé, il ne peut pas du tout se déployer normalement.
La chute fût rude et brutale, dans un champ à proximité d'une habitation en pleine campagne. Mais peu de dégât sur la nacelle.
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Le parachute n'est pas dimensionné suivant la masse réelle du ballon, puisque la masse totale qui redescend n'est pas connue.
De plus, le latex de l'enveloppe reste accroché après l'éclatement à la chaîne de vol (voir la photo ci-dessus) et la masse restante est inconnue, donc les paramètres de descente ne peuvent pas être connus avec précision. On peut estimer grossièrement à 50 % la masse de latex récupérée en moyenne, parfois rien et parfois presque tout. Pour une enveloppe de 1200 grammes, il va rester environ 600 grammes de latex, souvent enroulés autour du parachute ! L'effet de freinage de celui ci est alors "neutralisé". Voir la photo ci-dessus. Le restant de l'enveloppe de latex empêche l'ouverture totale du parachute, les suspentes sont tortillées et le réflecteur radar se retrouve au niveau du cercle anti vrille du parachute. Une amélioration s'impose avec d'autres solutions !
photo : confection du parachute sur mesure.
Les conséquences sur la descente sont :
--- rapide avec un parachute en torche mélangé avec la ficelle et le latex ! Environ 50 à 60 km/h soit 17 m/s.
--- lente et plus lointaine, avec un parachute trop grand. ( Cas plus rare avec le parachute standard ).
Il apparaît comme une nécessité d'adapter les dimensions du parachute à la charge et suivant la trajectoire de descente souhaitée.
La montée d'un ballon est modélisée par une équation différentielle. La descente avec un parachute ouvert normalement est aussi une équation différentielle. J'écris bien "un parachute ouvert normalement". La solution idéale pour éviter les perturbations avec la masse de latex restante est de larguer l'enveloppe pour déclencher la descente. Le logiciel de calculs de trajectoire peut travailler dans les meilleures conditions de précision possible.
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43. Du côté des logiciels de calculs de trajectoire :
La connaissance des vents dans la zone de chute est nécessaire surtout si elle est éloignée de la zone de départ de plusieurs centaines de kilomètres et avec un horaire supérieur à 3 heures. Par exemple : 300, 400, 500 ou 600 km et même plus ! Voir le cas du ballon de Toufflers.
Enfin le logiciel de calcul de trajectoire peut introduire des erreurs, de par sa conception par le choix des formules de physique judicieuses ou non, simplifiée ou non, par la conversion des systèmes d'unités : américaines, anglaises ou françaises et par le nombre de chiffres utilisés effectivement après la virgule. Un calcul avec 3 chiffres après la virgule, ne donne pas la même précision qu'un calcul avec 6 chiffres... sur le terrain, ça peut se traduire par des kilomètres ! De toute façon, cela ne coûte rien d'améliorer les paramètres sur lesquels on peut agir ! Les ordinateurs travaillent très bien avec des chiffres après la virgule.
Voir logiciels de calcul.
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44. Du côté de l'équipement radio embarqué :
il faudrait établir le "bilan de liaison radio" entre les éléments suivants :
1--- l'antenne de réception au sol et le lieu de réception. Quelle antenne utiliser ?
2--- l'antenne d'émission sur la nacelle. Quelle antenne et quelle polarisation ?
* Attention : à proscrire absolument les antennes de type "ruban métallique"
trop dangereuses et non isolée électriquement. Ne pas utiliser sur les nacelles de nos ballons. Autrement voilà ce qui va vous arriver !
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Une antenne "ruban" après usage :
les composants de la nacelle sont grillés !
La ligne électrique aérienne est endommagée, le réseau est disjoncté : faut payer les dégâts et le déplacement ! Et cela peut aller jusqu'à payer les arrêts de production dans les usines ou les retards des transports !
ne pas oublier que le dipôle 144 MHz fait environ 1 mètre de long, cela fait une envergure en vol de 1 mètre, les lignes électriques aériennes sont des conducteurs parallèles métalliques, elles aussi de faible écartement et non isolées !
Les antennes à ruban métallique sont souvent réalisées pour les chasses au renard ou aux radiosondes, mais de grâce pas pour les ballons. Si vous ne tenez pas compte de ça, alors prévoyez une bonne assurance spéciale en prévention de votre risque inutile.
Conseil utile : fabriquer une antenne dipôle avec un bout de circuit imprimé époxy, un coaxial KX4 de 2 x 50 cm et débarrassé de sa gaine noire et de la tresse de blindage. L'âme cuivre en fils multiples torsadés. Isoler chaque extrémité par des bouchons plastiques rouges ou autocollant type électricien.
--- la distance entre les antennes de réception et d'émission, s'il y a lieu, doit être grande ou montage en colinéaire. Il faut éviter les harmoniques et l'affaiblissement du signal en réception sur la nacelle.
3--- l'émetteur doit être mis au point spécialement. Absence d' émissions parasites et d'harmoniques élevées. Stabilité et puissance de 10 à 500 milliwatts au maximum (inutile de pousser plus). Antenne dipôle ou quart d'onde avec plan de masse sur la nacelle dans ce cas. La fréquence en usage des ballons-sondes avec les radio amateurs en France est 144,650 MHz ( suivant recommandation ou convention IARU ).
Le 144,800 MHz n'est pas une fréquence ballon mais la fréquence d'entrée du réseau APRS mondial.
L'utilisation d'un émetteur doit être déclaré en même temps que le vol du ballon, au moins deux mois à l'avance. A voir les conditions locales avec l'aviation civile.
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--- la PAR à l'émission : Puissance Apparente Rayonnée par l'antenne à l'émission.
Qui le contrôle réellement juste avant le vol ?
Les vérifications de la PAR au moment du lâcher ne sont faites que rarement, autant dire jamais. Il faudrait un champ-mètre gradué et posé à une certaine distance. La puissance de 500 mW donne d'excellents résultats dans un dipôle.
Une PAR faible ne donnera pas une bonne qualité de réception, peu de trames exploitables, même si on augmente le gain à la réception avec un préamplificateur : on amplifie aussi le bruit ! Il vaut mieux une bonne PAR et une bonne antenne RX, qu'un bon amplificateur !
Les résultats sont très différents suivant le choix de l'émission :
--- FM avec tonalité 1200/2200 Hz ou USB avec shift (décalage entre les tonalités)
--- le mode de transmission : RTTY, ou modes numériques comme le DominoEX16 ou le Contestia8/1000 qui donnent de très bons résultats.
--- la vitesse de transmission : 50, 100, 300, 600 ou 1200 bauds
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Que faut-il faire au point de vue radio :
--- faire un bilan radioélectrique du système antennes nacelle/sol avec un logiciel dédié comme Radio Mobile ( au moins une fois ).
--- utiliser une puissance d'émission PAR suffisante : émetteur et son antenne contrôlés avec un wattmètre et un champ mètre. ( pour chaque vol ). L'émetteur 144,650 MHz doit être parfaitement au point et conforme au cahier des charges radioamateur.
Attention aux réglages sur harmoniques, il faut faire les réglages d'un émetteur avec un analyseur de spectre ! La puissance est de 100 mW qui est un minimum, mais 300 à 500 mW c'est une puissance correcte par expérience ! Si vous voulez 100 mW à tout prix, alors installez une antenne directive avec beaucoup de gain, par exemple une 9 éléments. On peut descendre à 10 mW, mais la réception devient difficile et demande une antenne à gain donc directive haut placée.
--- une antenne de réception très bien dégagée sur un mat de plusieurs mètres, avec du gain, genre 5 éléments YAGI par exemple. Proscrire la 3 éléments sur un manche à balai orientée vers un bâtiment ! Il faut dépasser les obstacles immédiats : le dégagement fait beaucoup et éloignement de toutes masses métalliques. Le haut du mat doit être isolant car l'antenne est montée en polarisation verticale, le mat métallique peut dégrader le gain et la directivité de l'antenne. Voir ci dessous.
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Montage d' une 9 éléments 144 MHz sur mat métallique par F5OZG : photo F6AGV
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En guise de conclusion provisoire : il faudrait éliminer toutes les causes d'erreur, et c'est cela qui fait un bon projet. Les erreurs de transmission des données sont les plus importantes à traiter et l'usage de modes numériques et des traitements des signaux sont spectaculaires et constitue un banc d'essais fabuleux. Les causes d'erreurs :
il y en a sûrement d'autres, dont les erreurs humaines et celles de la loi de Murphy ! Vous connaissez !
Finalement en ayant quelques échecs, l'intérêt des projets est de chercher à les éliminer.
C'est ça la démarche d'un projet "scientifique". On pourrait parler de "qualité" d'un projet, selon le soin et la rigueur apportés, suivant le caractère : "ludique", "pédagogique", ou "scientifique".
L'idéal serait de réaliser un projet qui mélangerait judicieusement ces trois critères ! On peut se faire plaisir mais il faut apprendre et respecter les autres ce qu'on fait et ce qu'on a dans les mains. Evitons aussi de bricoler, ou bidouiller, c'est toujours dommage de rater une expérience par des négligences supplémentaires, il y a déjà des causes de pannes inhérentes aux conditions du vol dans un milieu hostile pour les composants. (pression basse, température extrême de -70°C, humidité à 100% dans les nuages).
La page suivante : comment remédier à ces critiques et évolution vers de nouveaux concepts.
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