mis à jour le 07.10.2005

Pourquoi un simulateur ? :

L'étude des Effets en présence dans le ballon solaire ainsi que de la Variation des paramètres de vol montre la complexité des phénomènes en présence lors d'un vol de ballon solaire.
Cependant il faut bien pouvoir répondre aux questions :
- quelle charge peut lever un ballon de tel diamètre à telle altitude ?,
- quelle sera l'altitude maximale que pourra atteindre un ballon solaire de tel diamètre avec une charge de tel poids ?.
- quelle sera la vitesse verticale de montée ?
- quelle est l'incidence du diamètre de la bouche inférieure sur la vitesse verticale de montée ?
- etc.

Le simulateur :

Il s'agit d'une feuille de calculs de type Excel 2000 qui intègre :

sur la feuille "Calculs1" :

- toutes les caractéristiques du ballon solaire :

• caractéristiques modifiables du ballon solaire :
  Les cellules entourées en gras sont des paramètres modifiables :
        - diamètre D,
        - angle des sangles avec la verticale à la bouche au bas du ballon,
        - épaisseur du polyéthylène utilisé,
        - nombre de fuseaux,
        - largeur maximum d'un fuseau (en fonction de la largeur de la gaine de polyéthylène),
        - largeur minimum d'un fuseau (en fonction de la résistance à la traction du polyéthylène utilisé),
        - diamètre du cercle de charge,
        - écart de masses volumiques ou force aérostatique par m³,
  
• caractéristiques générales du ballon : volume, poussée, masse du ballon à vide, charge utile max., etc.
  
• gabarit pour la découpe des fuseaux (traçage de 25 cm en 25 cm)
  Le gabarit "25 cm" donne la largeur du fuseau de 25 cm en 25 cm. Il fournit un tracé assez précis qui peut cependant être affiné avec le gabarit "12,5 cm".
  
• gabarit pour la découpe des fuseaux (traçage de 12,5 cm en 12,5 cm)
  
• gabarit pour la découpe des fuseaux (traçage de 6,25 cm en 6,25 cm)

sur la feuille "Calculs2" :

Il faut d'abord préciser les paramètres modifiables (cellules entourées en gras) :

• la masse de la charge (en kg),
  Attention ! la masse de la charge doit être inférieure à la "Masse de la charge utile maximale" indiquée à la case J11 de la feuille "Calculs1" !
• l'altitude du lieu de décollage (en m),
• le volume du ballon au décollage (en m³),
  Attention ! le volume au décollage indiqué ici doit au moins permettre de lever la charge !
• la température extérieure (en °C).

Lors de l'ascension simulée, cette feuille précise tous les 8 m :

- toutes les caractéristiques de l'atmosphère jusqu'à 20000 m d'altitude :

(selon les valeurs de l'International Standard Atmosphere - ISA)

• pression atmosphérique (en hPa),
• température extérieure (en °C),
• masse volumique de l'air extérieur (en kg/m³),

- toutes les caractéristiques concernant le ballon :

• température intérieure (en °C),
  

  Ce simulateur est basé sur une estimation de la température intérieure aux différentes altitudes. Nous avons utilisé les mesures effectuées lors de vols précédents, mais cette estimation mérite d'être affinée par de nouvelles mesures.

• différentiel de température avec l'extérieur (en °C),
• masse volumique de l'air intérieur (en kg/m³),
• l'écart de masses volumiques (en gr/m³),
• volume du ballon (en m³),
• charge utile maximum (en kg),
• vitesse verticale (en m/s) et durée de montée (en mn),
• etc.

sur les feuilles suivantes :

9 différents graphiques intéressants à visualiser :

Remarques :

- Le choix d'un petit diamètre de la bouche inférieure associé à un volume au décollage égal à la moitié du volume complet permet d'obtenir des vitesses de montées assez lentes.
Il faut cependant dans ce cas vérifier que la surpression liée à la détente de l'air en montant ne fasse pas éclater le ballon ! (voir le graphique "Surpression").
Un gonflage complet du ballon au sol et/ou un surdimensionnement du ballon permettent d'obtenir des vitesses verticales plus importantes.
- La technique de descente consiste à commander la rotation du ballon en transférant le poids de la charge au sommet du ballon. Principe : la charge est reliée par une cordelette de 3 mm au sommet du ballon et par une cordelette plus fine à la bouche inférieure. Au moment prévu, une résistance chauffante provoque la fusion de la cordelette reliant la charge à la bouche et le ballon se retourne. L'air chaud intérieur s'évacue par la bouche, le ballon se dégonfle et commence sa descente. Dans la première partie de la descente le ballon se vide, puis il descend en torche (diamètre 1m) et ralentit quand l'atmosphère devient plus dense.

Ce simulateur est basé sur une estimation de la température à l'intérieur du ballon aux différentes altitudes. Nous avons utilisé les mesures effectuées lors de vols précédents, mais cette estimation mérite d'être affinée par de nouvelles mesures.
De nombreux facteurs ont été négligés dans ce simulateur :
- le taux d'humidité de l'air (l'humidité disparaît dans la stratosphère),
- la variation de la gravité avec l'altitude (diminution de 0,6% en 20000m),
- la différence entre les valeurs de l'atmosphère standard et les valeurs réelles rencontrées lors d'un vol (hautes pressions, inversion dans les basses couches, etc.),
- l'effet de l'accélération (la variation de la vitesse au cours du temps a été négligée ; le ballon est ici considéré comme étant en équilibre à chaque instant),
- la déformation du sommet du ballon lors de l'ascension qui modifie son Cx, sa pression interne et son volume.

 

Téléchargement de la feuille de calculs

Vous devez "Enregistrer ce fichier sur le disque" et l'ouvrir (fichiers type Excel 2000).
- Simulateur du vol stratosphérique d'un ballon solaire : "strato-2005.zip"   taille : 4 Mo - version du 07/10/2005