Objectif Tourne-Sol

Un ballon solaire est un ballon constitué d’une enveloppe en matière plastique noire (polyéthylène dans notre cas) qui  absorbe la quasi-totalité des rayons du soleil et  permet donc  le réchauffement de l’air intérieur et l’élévation naturelle du ballon. Ce qui veut dire qu’il ne faut aucun nuage et des vents au sol dont la vitesse est inférieure à 10km/h pour avoir des conditions de vol idéales.

 

 

Cependant il ne redescend qu’au coucher du soleil. Par conséquent, il entraine des recherches hors du temps scolaire et de nuit, ce qui limite fortement son utilisation en Lycée et encore plus en Collège. D’autre part, il peut partir à plusieurs dizaines de kilomètres et nous ne pouvons pas nous permettre de l’abandonner en raison de tous les composants qui peuvent être embarqués à l’intérieur de la nacelle pour étudier l’atmosphère ou le sol.

C’est pourquoi, nous avons cherché un moyen de le faire redescendre de jour à une altitude  que l’on détermine à l’avance. Cependant, ceci n’est pas sans poser quelques problèmes de sécurité, sur lesquels nous nous sommes également penchés.

 

Problématique : Comment écourter le vol d’un ballon solaire en toute sécurité ?

Live from Texas

Écrit par Dream team le . Publié dans Communication

Un compte-rendu au jour le jour du voyage au Texas pour le concours I-SWEEP

Vidéo du projet "Objectif Tourne-Sol" pour le concours C.Génial

Écrit par E.THIBAULT le . Publié dans Le projet

Voici la vidéo de présentation du projet "Objectif Tourne-Sol" pour la participation au concours C.Génial 2012.

 

Les sélections auront lieu le 30 mars. Elles permettront de retenir 10 projets en lycée sur 60 inscrits, uniquement sur dossier (cette vidéo + production dans "documents"  ) pour la finale qui aura lieu le 12 mai au Palais de la découverte !

 

 

 

Deux récompenses aux olympiades de Physique

Écrit par M. THIBAULT le . Publié dans Le projet

Deux récompenses pour les élèves du projet "Objectif Tourne-Sol" aux olympiades nationales de Physique qui se sont déroulées au Palais de la Découverte  à Paris les 27 et 28 janvier 2012 :

- Prix spécial de l'inventivité ou Prix Philippe Lancel ;

- Second prix accompagné de la visite du Laboratoire National de Champs Magnétique Intense (LNCMI) de Toulouse.

Le reportage de Daniel Fiévet lors du Concours National, diffusé dans l'émission "Ouvert la nuit" sur France Inter le 1 février 2012 : 3min32s à 5min56s.

Article dans le supplément scientifique du monde du 03/02/2012 dans la rubrique Documents en haut de cette page.

Nouvel objectif : Participation aux sélections sur dossier du concours C.Génial le 30 mars 2012  pour assister à la finale le 12 mai 2012  sélectionnant des projets pour les concours internationaux, dont EUCYS.

"Les lycéens au sommet avec le ballon solaire"

Écrit par E.THIBAULT le . Publié dans Le projet

Participation au concours national des olympiades de Physique

les 27 et 28 janvier au Palais de la Découverte  à  Paris

Article NR du 16/12/2011

Le capteur de pression ou comment choisir l’altitude à laquelle le retournement va avoir lieu ?

Écrit par Guinard Julian le . Publié dans Le circuit de coupure

Nous avons donc commencé par étudier le fonctionnement d’un capteur de pression dont la tension délivrée diminue avec la pression qui décroît, donc avec l’altitude. Nous avons opté pour le capteur Motorola MPX500a  qui semble être le plus conseillé dans ce genre d’expérience car il est fiable, précis et cela même à basse température. D’autre part, il nécessitait une tension d’alimentation de 5V or l’émetteur radio (KIWI) embarqué et prêté par le CNES, délivre cette tension. En sortie, il fournit une tension comprise entre 0 et 5 V.

Nous avons donc procédé à un étalonnage de ce capteur, c’est à dire que nous avons fait correspondre la tension qu’il délivre à la pression extérieure. Nous avons pour cela utilisé une cloche à vide permettant de simuler la baisse de pression liée à la prise d’altitude. Nous avons obtenu la courbe ci-dessous.


 

Ensuite, avec des modèles d’évolution de la pression en fonction de l’altitude, récupérés sur le site de Planète Sciences, nous avons fait correspondre pression et altitude, puis tension délivrée et altitude, pour pouvoir choisir l’altitude à laquelle nous ferions redescendre le ballon.



Exemple de lecture : pour provoquer le retournement à 2000m d’altitude, il faut repérer le passage de la tension délivrée par le capteur en dessous de 2,8V.

 

Mais comment faire ?

Comment le ballon vole-t-il tout en étant en accord avec la législation ?

Écrit par Cayla Alix le . Publié dans Le vol du ballon

 


Pour pouvoir construire un ballon, nous nous sommes intéressés de prêt  à son fonctionnement, mais également à la législation pour ne pas construire n’importe quelle taille de ballon et de nacelle.

1)    Législation relative aux objets volants légers

a)    Critères d’appartenance  à la catégorie « légers »

La Convention relative à l'aviation civile internationale définit :

- dans son Annexe 2 - Règles de l'air - Chapitre 3 - 3.1.8 - Ballons libres non habités :
"Un ballon libre non habité sera exploité de manière qu'il présente le moins de danger possible pour les personnes, les biens ou d'autres aéronefs, et conformément aux conditions spécifiées dans l'Appendice 4."

- dans l'Appendice 4 : Ballons libres non habités, les règles qui s'appliquent aux ballons non habités.
L'Appendice 4 est disponible sur simple demande auprès de l'OACI, 3 bis Villa Emile Bergerat - 92522 Neuilly-sur-Seine Cedex - tel : 01.46.41.85.85).

Résumé de l'Appendice 4 : Les ballons libres non habités sont classés en 3 catégories : léger, moyen, lourd…La structure d'un ballon libre non habité "léger" ne devrait pas occasionner de dommages à un autre aéronef....

Pour qu'un ballon libre non habité soit considéré de la classe "léger", il doit remplir toutes les conditions suivantes :

•    le ballon libre non habité "léger" transporte une charge utile comportant un ou plusieurs lots dont la masse combinée est inférieure à 4 kg.

•    la charge utile ne doit pas comporter de lot dont la masse atteint 3 kg.

•    si un lot a une masse surfacique de plus de 13 g/cm2, sa masse ne doit pas atteindre 2 kg. La masse surfacique, c'est la masse du lot, exprimée en grammes, divisée par la superficie, exprimée en cm2, de la plus petite surface du lot.

•    le ballon libre non habité "léger" utilise pour assurer la suspension de la charge utile un câble ou un autre dispositif qui exige une force à l'impact de moins de 230 N pour séparer la charge suspendue du ballon. (autrement dit : la ficelle supportant la charge utile doit casser au-dessous de 23 kg).
Pas de notification de vol exigée pour les ballons libres non habités de catégorie "léger".

b)    Procédure de demande d'autorisation
Une demande d'autorisation devra être adressée à la Direction de l'Aviation Civile de la Région concernée.
Il sera précisé :

•    la date, l'heure et le lieu de lancement,
•    le poids (enveloppe + charge utile),
•    les dimensions,
•    l'épaisseur et la nature de l'enveloppe,
•    le gaz utilisé : l'air,
•    le type de balise radiofréquence, puissance et type de modulation,
•    le but de l'expérimentation, le cadre de la manifestation.

c)    Responsabilités

•    L'utilisateur est seul responsable des dégâts que pourraient occasionner le ballon aussi bien en vol (collision potentielle avec un avion...) que lorsque le ballon redescendra au sol (dommages aux personnes et aux biens).

•    L'utilisateur est seul responsable de la décision de souscrire une assurance éventuelle couvrant les dommages que pourraient créer un vol de ballon solaire.

•    L'utilisateur est seul juge de la nécessité de faire les démarches officielles nécessaires.
Il existe sur Internet un document signé conjointement par L'Education Nationale et par la DGAC :
"Réglementation des pratiques aéronautiques scientifiques, technologiques et sportives".

Comment utiliser l’évolution de la tension délivrée par le capteur de pression ?

Écrit par Guinard Julian le . Publié dans Le circuit de coupure

 

A l'aide d'un composant appelé « amplificateur opérationnel » (A.O.JR37AD), utilisé comme comparateur, il est possible de comparer la tension délivrée par le capteur de pression  à celle aux bornes d'un potentiomètre (résistance variable).

ampliop

 

Sur le schéma ci-dessus, si la tension d’entrée V+ est supérieure  à la tension d’entrée V-, la tension de sortie Vs vaut + Vsat, soit 9V  qui est la tension d’alimentation de l’A.O.. Dans le cas contraire, elle vaut 0V. L’amplificateur est alors utilisé en mode dit « saturé ».

Ainsi en envoyant la tension délivrée par le capteur de pression sur l’entrée inverseuse (-) et la tension délivrée par un potentiomètre sur l’entrée non inverseuse (+), au moment où la tension délivrée par le capteur de pression passe en dessous de celle délivrée par le potentiomètre, le « comparateur » délivre une tension qui passe de 0V à +9V.

 

Le potentiomètre doit être alimenté comme le capteur de pression, c’est  à dire avec une tension de 5V. Ainsi entre ses bornes B et C, nous pouvons régler la tension de « basculement », donc l’altitude à laquelle il va se produire. Nous avons choisi un potentiomètre de 10 kW pour limiter sa consommation car en effet, d’après la loi d’ohm, I=U/R = 5,0/ 10.103 = 5,0.10-4 A.

Mais comment utiliser ce changement d’état de l’amplificateur opérationnel utilisé en comparateur ?

Etude mécanique du vol

Écrit par Clément Foullon le . Publié dans Le vol du ballon

Etude mécanique du ballon ou comment vole un ballon ?

Nous avons donc dû construire un ballon qui respecte toutes ces contraintes. Nous avons vu aussi que le ballon ne devait pas faire plus de 60 m3 sur le site de Laurent Besset, amateur de ballon solaire.

a) Caractéristiques des composants de la chaîne de vol

 

Le ballon : Pour des raisons pratiques et pour un gain de temps, nous avons opté pour un tétraèdre qui ne nécessite qu’une seule découpe.

Si nous notons, a, l’arête du tétraèdre régulier, son volume est donné par la relation suivante :  .

Dans notre cas, compte tenu du film plastique à notre disposition, nous avons accolé deux bandes et demi de polyéthylène de largeur 2.5 m chacune, soit une largeur totale de 6.25 m correspondant  à une arête de 7.22m, soit un volume d’environ V = 44 m3. Ce volume permet de respecter la législation concernant les objets volants légers, le ballon ayant un volume inférieur à 60 m3 et sa masse n’excédant pas 2 kg puisqu’il pèse seulement 1,2 kg, ruban adhésif et cordage compris.

La nacelle est un cube de 20 cm d’arête et est fabriquée avec du polystyrène extrudé d’une épaisseur de 2 cm. Nous avons opté pour ce matériau pour sa faible densité, son caractère isolant et sa bonne résistance mécanique.

Matériel compris (caméra, émetteur radio, système GPS/APRS, dispositif de retournement et batteries), elle a une masse de 1,5 kg maximum. Ainsi la masse surfacique vaut m/S = m/a² = 1500/400 = 3.75 g.cm-² ce qui est nettement en dessous de la législation dont la limite est de13 g.cm-2.

S’ajoute à la chaîne de vol un parachute de 50 g,  un réflecteur radar de masse 150 g.

Notre système d’étude  sera  l’ensemble constitué par la chaîne de vol ayant une masse totale de 2,9 kg nettement inférieure à 4,0 kg comme l’exige la loi, sans oublier l’air intérieur.

Nous étudierons le mouvement de l'ensemble dans le référentiel terrestre.

 

b) Bilan des forces

Dans cette expérience, nous étudions la chaîne de vol constituée du ballon, des cordages et de la nacelle dans le référentiel terrestre. L’ensemble est soumis aux forces extérieures suivantes  :

- Le poids :

le poids de l’ensemble peut se diviser en trois : poids de l’enveloppe (ficelle, ruban adhésif et cordage), poids de l’air intérieur et poids de la charge accrochée. On peut donc écrire :        P = Pcharge + Pair int + Pballon = (m charge + m air int + m ballon) x g.

- : Poids en Newton (N).

- m charge : masse de la charge en kg ;  m air int : masse de l’air intérieur en kg ; m ballon : masse du ballon en kg.

- g : intensité de la pesanteur en N.kg-1. (g est environ égal à 9.81 N.kg-1 au sol  à Tours).

Pour le calcul du poids de l’air intérieur, nous aurons besoin de la masse volumique r de l’air intérieur et du volume V du ballon. En effet, ρ = m/V donc m = rV.

- La poussée d’Archimède  :

D’après le principe d’Archimède, tout corps plongé dans un fluide (gaz ou liquide) subit une force de la part de ce dernier, verticale vers le haut et qui est égale au poids du volume de fluide déplacé. Le fluide  en question est l’air extérieur.  Ainsi la norme est  Pa = mair ext g = rair ext V  g.     avec  Pa : poussée d’Archimède en Newton (N) ; g : intensité de la pesanteur en N.kg-1 ; V : volume du ballon en m3.

Ainsi pour évaluer ces deux forces, nous avons besoin d’exprimer le volume du ballon, la masse volumique de l’air intérieur et celle de l’air extérieur.

- La traînée ou force de frottement  qui est colinéaire au mouvement donc qui peut être décomposée en une composante verticale  et une horizontale.

La force due au vent que l'on suppose selon l'horizontale  uniquement au-delà de 3000m d’après nos discussions avec les techniciens de Météo France Tours.

- Ascension de la chaîne de vol : Une fois que la chaîne de vol s'élève, elle subit également une force de frottement de la forme f = kv², autrement dit proportionnelle au carré de la vitesse et dépendant de la forme du ballon et de la masse volumique de l'air extérieur à travers la constante k.  Nous n'avons pas poussé cette étude plus loin par manque de connaissance sur cette force de frottement.

- Pour le mouvement horizontal : la chaîne de vol est entraînée  à la même vitesse que la masse d’air dans laquelle elle se trouve comme nous avons pu le constater précédemment.

c)  Masse volumique de l'air

On suppose que l’air est un gaz parfait, ce qui signifie que l’on néglige les interactions entre les molécules, parce qu’elles sont suffisamment éloignées les  unes des autres.

D'après la loi des gaz parfaits : pV = nRT.   Sachant que :   et  alors,

Ainsi nous  obtenons : 

p : la pression atmosphérique en Pascal (Pa) ; M : la masse molaire de l'air extérieur en kg.mol-1.

R : la constante des gaz parfaits en Pa.m3.mol-1.K-1 (R= 8.314 USI). ; T : la température de l'air en Kelvin (K).

ρ : la masse volumique de l'air en kg.m-3.

A partir de cette formule, nous pouvons obtenir la masse volumique de l’air connaissant sa température, sa pression et sa masse molaire.

Exemple :  p = 1,013.105 Pa ;  R = 8,314 Pa.m3.mol-1.K-1 ; T (en K) = θ (en°C) + 273,15 ;

Mair = (80/100) x MN2 + (20/100) x MO2 (on suppose que l’air est simplement composé de 80% de diazote N2 et 20% de diioxygène O2) :   Mair = 0,80 x 28,8 + 0,20 x 32 = 28,8 g.mol-1 = 28,8.10-3 kg.mol-1.

A une température de 30°C : ρ = 1,013.105 x 28,8.10-3 /(8,314 x 303) = 1,16kg.m-3 ;   à  0°C : ρ = 1,29kg.m-3.

Les différents lâchers

Écrit par Cayla Alix le . Publié dans Le projet

Conclusions et perspectives

A l’heure actuelle, nous avons effectué 8 tentatives de lâchers. A chaque lâcher, nous avons rencontré différents problèmes et, à chaque nouveau problème, nous avons trouvé une solution qui a permis à notre projet de s’améliorer pour arriver à notre dernier lâcher qui est le lâcher le plus abouti ! Cependant, il est toujours possible d’apporter des améliorations c’est pourquoi nous travaillons encore sur de nouveaux projets. Le ballon solaire peut donc être maintenant utilisé pour des études de l’atmosphère ou du sol en Collège et en Lycée en journée !

Projets pour l’avenir :
Afin d’améliorer la fiabilité de notre système, nous avons pensé à ajouter un temporisateur à notre circuit qui permettrait à un autre circuit de couper la corde au bout d’un certain temps si notre circuit principal rencontre un problème et ne fonctionne pas.
Nous avons aussi pensé à ajouter un micro-contrôleur qui nous permettrait de régler l’altitude de déclenchement du circuit et le temps de vol à partir d’un ordinateur.
Des élèves de classes préparatoires de notre lycée souhaitent utiliser notre ballon pour mesurer température et humidité en matinée jusqu’à une altitude de 6000m. Notre dispositif sera donc indispensable pour provoquer la redescente du ballon et éviter d’aller le récupérer à l’étranger au mieux, ou de le perdre dans la mer après plus de 12 heures de vol !



Doc. 20 : Récapitulatif des différents lâcher retraçant les problèmes rencontrés et les évolutions du dispositif

Comment utiliser le basculement du comparateur ?

Écrit par Guinard Julian le . Publié dans Le circuit de coupure

Dans un premier temps, nous avons pensé mettre un électroaimant (relais) à la sortie du comparateur avec une diode. Ainsi nous pensions que lorsque la tension passe à 9 V, l’intensité laissée passée par la diode serait suffisante pour faire fonctionner le relais. Cependant, nous avons constaté que cela ne fonctionnait pas. En effet le courant délivré par l’A.O. utilisé était trop faible (seulement quelques dizaines de mA). Donc sur les conseils d’un professeur d’électronique du lycée, nous avons utilisé un transistor  à effet de champ type N : utilisé en commutation, il fonctionne comme une résistance variable. Il s’agit grossièrement, d’un interrupteur commandé par une tension alors qu’un transistor habituel ou un relais peuvent être assimilés à des interrupteurs commandés par un courant.

Lorsque la tension entre la grille G et la source S, UGS, est nulle, la résistance entre le drain D et la source S RDS est très grande et le courant ne peut circuler dans le circuit de la pile.

En revanche lorsque UGS = 9V, La résistance RDS est très faible (< 0,4 W) et UDS = 0 V ou presque et le courant IDS dépend de l’alimentation, c’est  à dire de la pile de 4,5 v et de la résistance du fil résistif.

Comment couper la ficelle ?

Écrit par Guinard Julian le . Publié dans Le circuit de coupure

Ce composant va donc laisser passer le courant dans un circuit  alimenté par  une pile de 4,5V  en série (Doc.9) avec un fil résistif de résistivité r = 60 W.m-1. En supposant que ce composant a une tension quasi-nulle entre le drain et la source, ce que nous avons pu vérifier expérimentalement, la tension délivrée par la pile se retrouve aux bornes du fil résistif.

Un fil de 3 cm de long a donc une résistance de 60 x0,03 = 1.8 W soit environ 2W.

Pour solidifier le fil après plusieurs ruptures, nous avons dû torsader plusieurs brins. Avec 5 brins la résistance est divisée par 5, soit 0.,4W.

Le courant qui circule est donc de  I = U/R = 4,5 / 0.,4= 11 A d’après la loi d’Ohm

Suite à un problème dans la coupure de la ficelle lors d’un lâcher, nous avons décidé de changer la façon dont nous positionnons la corde par rapport au domino. En effet, avant la cordelette était simplement posée sur le domino, elle risquait donc soit de casser le fil car les forces ne s’appliquaient qu’en un seul point, soit de sortir du domino. Désormais, nous enroulons la ficelle autour du fil chauffant, ce qui permet d’équilibrer les forces qui s’appliquent en plusieurs points et la corde n’a plus aucun risque de sortir du domino étant donné qu’elle est enroulée autour du fil chauffant.