Un panorama d’images prises par le ballon stratosphérique FAST-7 dans l’espace extra-atmosphérique proche de la terre

Mesure de débit massique dans la recherche de flottabilité nulle

L’équipe FAST, dirigée par le Dr. Amanda Maxham de l’ Université du Nevada, Las Vegas, a un objectif ambitieux : envoyer un ballon météo de l’autre côté de l’océan Atlantique. Pour réussir cet exploit, le ballon doit atteindre et maintenir une altitude précise suffisamment longtemps pour surfer sur les vents stratosphériques depuis le Nevada du Sud jusqu’à l’Afrique ou l’Europe, qui représente une distance d’environ 9 700 km. Un défi de taille est que les ballons en latex finissent par éclater à cause de la dégradation du matériel causé par la radiation ultra-violette, un effet qui s’intensifie à haute altitude où l’air est plus rare.  Pour minimiser l’exposition quotidienne du ballon aux rayons UV, l’équipe vise une traversée hivernale, peut-être avec un lancement au solstice d’hiver. FAST doit aussi cibler avec précision une altitude à laquelle les vents vont transporter rapidement le ballon à travers l’Atlantique avant qu’il n’éclate. Cela requiert une connaissance précise du la quantité de gaz contenu dans le ballon.

Ballon stratosphérique pendant l’éclatement, vu par une caméra située en-dessous

Le lancement et le vol de FAST-12 le 4 août 2013 fut un jalon pour l’équipe FAST. Ce vol a atteint une altitude maximale de près de 20 000 km, portant l’équipe en tête de classement sur le tableau d’altitude de la  radio amateur sur les ballons stratosphériques pour la première fois. Plus important, le ballon a atteint la flottabilité nulle et a maintenu une altitude régulière pendant près de 90 minutes avant d’éclater. La flottabilité nulle est essentielle pour les aspirations de l’équipe, qui est de traverser l’Atlantique, parce que le ballon doit flotter autour d’une altitude précise afin de surfer sur les vents rapides qui soufflent à cette altitude. Sur une plus grande échelle, ce but est aussi une exigence du Google, qui est conçu pour maintenir une distribution équilibrée du ballon en demandant aux ballons de surfer sur différents vents directionnels à des altitudes précises.

Filling the FAST-8 high-altitude balloon using the mass flow meter

La clé pour atteindre la flottabilité nulle à une altitude spécifique est de charger juste assez de gaz pour fournir l’ascension requise pour s’élever de l’altitude de lancement, mais pas trop afin que le ballon ne dépasse pas son altitude cible. Le ballon s’arrête de monter et atteint une flottabilité nulle (si tout est fait correctement) lorsque la masse de l’atmosphère déplacée par le ballon et la charge utile est égale à la masse du gaz à l’intérieur du ballon plus la masse du ballon et de la charge utile. La variable primaire qui rend possible la flottabilité nulle est l’élasticité du ballon et l’augmentation de la pression qui en résulte à l’intérieur du ballon comparée à la pression atmosphérique. Cette augmentation de la pression est plus significative à haute altitude ce qui permet au ballon d’atteindre la flottabilité nulle. Le truc est de donner au ballon la quantité de gaz “Boucle d’Or”, comme l’appelle le Dr. Maxham : juste assez pour l’amener à l’altitude souhaitée, mais pas trop afin que le ballon ne puisse plus le contenir quand il arrive à cette altitude.

En totalisant la masse de gaz dans chaque ballon grâce à l’utilisation du débitmètre massique, l’équipe est capable de générer des données reproductibles pendant leurs vols d’essais.

Eric Lujan, 15 ans, membre de l’équipe FAST, utilise son application Android pour calculer la masse et l’élévation sur le terrain.

Les étudiants du Dr. Maxham utilisent une formule complexe pour calculer la masse de gaz requise pour chaque vol. La formule inclut des calculs qui utilisent la loi des gaz parfaits, la loi de Hooks, le modèle atmosphérique standard de 1976, le module d’élasticité du ballon et beaucoup d’autres facteurs pour déterminer juste la bonne quantité de gaz à utiliser. Comme si ce calcul n’était pas assez difficile, la pression du gaz contre le ballon change avec la pression et la température, comme le fait le module d’élasticité du latex. De plus, la température ambiante en-dehors du ballon change bizarrement à mesure que le ballon s’élève dans l’atmosphère : Au sein de la troposphère, la température diminue à mesure que l’altitude augmente, mais une fois que le ballon traverse la stratosphère, la température augmente avec l’altitude. Un étudiant FAST âgé de 15 ans, Eric Lujan, a même conçu une application Android pour faire les calculs de masse nécessaires une fois sur le site de lancement.

En totalisant la masse de gaz dans chaque ballon grâce à l’utilisation du débitmètre massique, l’équipe est capable de générer des données reproductibles pendant leurs vols d’essais. Cela élargit la portée éducative du programme, puisque non seulement les étudiants utilisent le ballon pour mener des expériences scientifiques, mais ils peuvent aussi faire des recherches sur le ballon lui-même. Et le but est aussi de promouvoir la science auprès des gens.

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