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Alicat sur le terrain : Les débitmètres massiques pour les ballons à haute altitude, partie 1

Il y a juste un an, nous avons fait don d’un débitmètre massique portatif avec un totalisateur à un projet de ballon stratosphérique centré sur le programme STEM (sciences, technologie, ingénierie et mathématiques) appelé FAST : Flying Apple Space Technologies. Dans ce premier blog de notre série “Alicat sur le terrain”, nous suivons l’équipe FAST alors qu’ils s’efforcent de faire traverser l’Atlantique à un ballon.
 

Il y a deux ans, une jeune femme a vu sur You Tube une vidéo d’un père et de son fils en train de lancer un ballon à haute altitude (HAB) dans l’espace et fut changée à jamais. Avec un tout nouveau doctorat d’astrophysique en poche de l’ Université du Nevada, Las Vegas, le Dr. Amanda Maxham a rapidement créé Flying Apple Space Technologies (FAST), un programme qui utilise les ballons à haute altitude pour inspirer les étudiants et les profanes à s’impliquer dans la science, l’ingénierie, la technologie et les mathématiques (STEM). FAST utilise des ballons météo en latex équipés de charges utiles scientifiques pour faire des repérages, prendre des photos et faire des expériences à leurs altitudes cibles. Et pour “flying apple” (pomme volante) ils l’expliquent simplement : “La pomme de Newton est tombée. Nos pommes volent. » Sympa !

Nevada from 100,000 feet

Le Nevada du Sud depuis environ 30 500 mètres pendant le vol FAST-4

Récipiendaire de la bourse de l’espace de NASA Nevada, FAST a effectué 17 lancements au cours des deux dernières années. Leur premier, le 24 septembre 2011, fut un échec retentissant lorsque la charge utile scientifique est allée s’écraser sur le flanc d’une montagne. Il a fallu deux jours à l’équipe pour localiser et récupérer la charge. Pendant un autre lancement, le ballon s’est élevé avec une balise de repérage qui ne fonctionnait pas. Pourtant le Dr. Maxham voit les échecs comme des opportunités pour ses étudiants d’identifier les obstacles scientifiques et de faire preuve de créativité pour les surmonter. C’est l’un de ces obstacles qui a attiré notre attention sur l’équipe FAST.

Des débitmètres massiques dans un vol de ballon à haute altitude

Un obstacle fréquent pour les HAB est la détermination de la bonne quantité de gaz plus léger que l’air à ajouter au ballon. La quantité de gaz est essentielle pour générer une élévation suffisante pour atteindre l’altitude cible avant que le ballon n’éclate. Puisque les gaz sont compressibles, le volume est fonction de la pression atmosphérique (et donc de l’altitude) et de la température. Les volumes du ballon doublent en général tous les 4 500 mètres d’altitude, donc le volume d’un ballon à 30 500 mètres est environ 128 fois ce qu’était son volume lorsqu’on l’a rempli au sol. Remplir le ballon avec trop peu de gaz ne permet pas de le faire décoller, et trop de gaz peut causer l’éclatement du ballon avant qu’il ait atteint son altitude cible, ou l’empêcher de réussir à atteindre une flottabilité nulle avant d’éclater.

Mass flow meter for high-altitude ballooning

Débitmètre massique totalisant le débit de gaz dans le ballon haute altitude avant le lancement

The FAST team fills a balloon prior to launch.

L’équipe FAST remplit le ballon avant le lancement de Fast-6

Les équipes HAB utilisent couramment des poids au sol pour mesurer la force d’élévation du gaz dans le ballon, mais cette méthode n’est ni pratique ni précise. Le remplissage du ballon doit cesser pendant qu’on prend les mesures de poids, et cela doit être fait à l’intérieur pour éviter les forces constamment changeantes des vents instables sur le site de lancement.  Empiler des poids de 1 kg et 0,5 kg sur une pile de poids tout en guettant les signes d’élévation permettait à l’équipe FAST d’atteindre une précision de 0,5 kg au mieux. L’équipe du Dr. Maxham avait besoin d’une méthode plus précise pour vérifier que la bonne quantité d’élévation était atteinte au lancement.  En sachant que calculer la quantité d’élévation est facile si la quantité de gaz ajoutée au ballon est mesurable, l’équipe a commencé à chercher une solution. Lorsque Edward Giandomenico, de FAST, a contacté Alicat au mois d’août dernier, nous avons été passionnés par la possibilité de leur fournir la solution : Nous avons fait don à l’équipe d’un débitmètre massique portatif avec un totalisateur.

En appuyant simplement sur un bouton, l’équipe FAST est capable d’alterner entre l’hélium ou l’hydrogène, tout en maintenant la précision de la mesure, en s’appuyant sur une alimentation par piles sur le terrain.

 

Mass flow meter for high-altitude ballooning

Débitmètre massique portatif Alicat avec totaliseur pour les ballons à haute altitude

Pour le Dr. Maxham, FAST est le seul groupe HAB qui utilise un débitmètre pour contrôler la quantité totale de gaz qui entre dans le ballon. La mesure et la totalisation du débit massique permet à l’équipe FAST de remplir leurs ballons avec un nombre précis de molécules de gaz au sol afin que l’élévation et le volume du gaz en altitude soient parfaitement exacts. En fait, la précision de l’équipe en termes de mesure d’élévation est passée de 500 grammes à quelques dixièmes de grammes ! Puisque le débit massique gazeux est normalisé pour un TPN particulier, ce type de mesure est complètement indépendant des conditions météorologiques locales de surface, y compris le vent, la température et la pression barométrique. De cette façon, l’équipe FAST peut être sûre que les 7 mètres cubes standard d’hélium au sol seront toujours 7 mètres cubes standard d’hélium à 36 000 mètres, en supposant que le ballon n’ait pas de fuites.

Un autre défi est que FAST remplit ses ballons parfois avec de l’hélium, et parfois avec de l’hydrogène. L’hélium est plus sûr (“Souvenez-vous du Hindenburg !”) mais bien plus cher en ce moment. L’hydrogène est un gaz peu cher et qui produit une élévation supérieure pour un volume donné. Chaque gaz a des propriétés différentes qui affectent son expansion volumétrique à mesure que le ballon gagne de l’altitude, ainsi que sa réaction aux changements de conditions sur le site de lancement. C’est une bonne chose que les débitmètres massiques Alicat soient livrés préchargés avec des courbes d’étalonnage pour 30 gaz et mélanges de gaz. En appuyant sur un simple bouton, l’équipe FAST peut alterner entre les données de propriétés des gaz d’hélium et d’hydrogène tout en maintenant la précision de la mesure, en s’appuyant sur une alimentation à piles sur le terrain.  La totalisation de débit massique en direct permet à un membre de l’équipe de vérifier que la masse cible à l’intérieur du ballon est atteinte sans dépassement.

Restez à l’écoute ! Nous continuons demain par un examen de la quête ambitieuse de FAST de traverser l’Atlantique.

Le prochain lancement de FAST aura lieu le 5 octobre 2013, si le temps le permet. Vous pouvez suivre son vol le jour du lancement, ne manquez donc pas de vous inscrire sur le blog de FAST pour les mises à jour et le calendrier de lancement.

 

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