Objectifs scientifiques
Le projet Stratéole 2 vise à réaliser des campagnes d’observations de la haute troposphère/basse stratosphère équatoriale à l’aide de ballons pressurisés capables d’effectuer des vols de plusieurs mois dans l’atmosphère. Les objectifs scientifiques du projet sont :
- l’étude des mécanismes de couplage entre la troposphère et la stratosphère aux basses latitudes (transport, assèchement des masses d’air, génération d’ondes par la convection profonde et forçage de l’oscillation quasi-biennale),
- la calibration et validation de satellites (par ex., ADM/Aeolus et Earth-Care),
- l’étude du caractère réaliste des analyses météorologiques aux basses latitudes, l’identification des processus météorologiques mal représentés dans les modèles de prévision du temps, et l’étude de l’impact de nouvelles observations sur la qualité des analyses.
Ce projet, engagé par la France, est l’objet d’une forte collaboration internationale, en particulier avec les Etats-Unis. Il comprend trois campagnes de mesure permettant de recueillir des observations in situ, mais également à distance des ballons. Les instruments sont développés dans des laboratoires du CNRS partenaires du projet (LMD, LPC2E, GSMA / DT-INSU, LATMOS).
Description technique
La Nacelle Charge Utile (NCU) appelée Zéphyr embarquent les différents instruments scientifiques. Ses principales fonctions consistent à :
- fournir une protection mécanique et thermique aux différents instruments ainsi que le lien mécanique au restant de la chaîne de vol,
- fournir l’énergie aux instruments,
- garantir un contrôle thermique permettant le fonctionnement des instruments,
- dialoguer avec les instruments, dater les données, et fournir un espace de stockage temporaire pour les observations,
- assurer la transmission des données instrumentales vers la ou les stations sol de réception, recevoir les télécommandes envoyées depuis le sol et les distribuer aux instruments.
La réalisation de stations sol, du logiciel associé pour dialoguer avec le système embarqué sous les ballons, et la pérennisation des données brutes au sol est également intégrée dans le projet Zéphyr. Cette nacelle doit se conformer aux contraintes associées aux vols stratosphériques de longue durée : masse limitée au minimum (objectif 13 kg hors instrument), faible consommation (typiquement 15-20 W moyen pour l’ensemble des fonctions, mesures scientifiques comprises), et température interne pouvant atteindre -40°C. Elle doit également répondre aux exigences de sauvegarde associées à ce type de vol : tenue mécanique à l’ouverture du parachute de fin de vol et non-propagation de panne vers le reste de la chaîne de vol.
Réalisations de la DT
Dès 2015, le LMD à Palaiseau a demandé à la DT-INSU un support en terme de design mécanique et de calculs thermiques de la NCU Zéphyr.
Mécanique : design, atelier, calculs, réalisation, intégration
Cette tâche consiste en la conception et la réalisation des coques externes des nacelles Zéphyr, pour toutes configurations, ainsi que la structure interne permettant l’intégration des instruments et des différents sous-systèmes.
Analyses thermiques
Les simulations thermiques transitoires doivent tenir compte de l’environnement externe complet (température et pression de l’air, flux émis par le Soleil et la Terre) ainsi que des propriétés propres à la nacelle Zéphyr (émissivité des surfaces, couplages conductifs, charges variables selon les instruments, etc).
Campagnes
Une campagne technologique destinée à qualifier en vol le comportement des charges utiles, ainsi que les nacelles développées pour le projet, a été réalisée en octobre-novembre 2019 avec le lâcher de 8 ballons. L’expertise ballons est fournie par le CNES qui met en œuvre ses ballons pressurisés stratosphériques de 11 et 13 m de diamètre remplis d’hélium, capables de voler durant au moins 3 mois entre 18 et 20 km d’altitude, et de faire entre 2 et 3 fois le tour de la Terre à proximité de l’équateur. Les Seychelles, et plus particulièrement l’île principale de Mahé, sont choisis comme zone de lâcher des ballons.
Stratéole 2 est articulé autour de deux campagnes scientifiques :
- Première campagne scientifique de 20 à 25 vols : les lâchers ont eu lieu de mi-octobre à mi-décembre 2021, avec des vols jusqu’en février 2022.
- Seconde campagne scientifique de 20 à 25 vols. Cette campagne, initialement prévue en octobre-novembre 2024, a été repoussée d’une année afin de résoudre des problèmes apparus sur les ballons en 2021, elle se déroulera donc en 2025.
Le premier ballon de la campagne scientifique 2021 a été lancé le 19 octobre 2021 et 17 lâchers ont été réalisés, mais 12 ballons ont été rejetés (risque d’éclatement), ne permettant pas de lâcher les trois dernières nacelles contenant les nouveaux instruments de la campagne. Le cumul est toutefois de plus de 400 jours de vol. Le système Zéphyr a parfaitement fonctionné pendant cette campagne.
La nouvelle organisation de l’AIT a facilité cette campagne : les intégrations se font dans chacun des labos d’Ile-de-France (LMD, DT-INSU et LATMOS), chacun des labo intègre son instrument et maîtrise son intégration.
Du point de vue des activités menées à la DT en 2024, il s’agira notamment :
- De finaliser et implémenter le retour d’expérience post-campagne pour le système mécanique de la nacelle Zéphyr, en lien avec l’ensemble de l’équipe Zéphyr.
- De concevoir les évolutions mécaniques de la nacelle Zéphyr, notamment celles associées aux configurations embarquant de nouveaux instruments ; cette tâche est relativement conséquente car il y aura 10 configurations de nacelles différentes (au lieu de 6 lors des précédentes campagnes).
- De finaliser l’approvisionnement des systèmes mécaniques pour la campagne de 2025.
Pour d’autres infos sur Stratéole 2, voir le site à accès publique du CNES.
Contacts DT :
Joseph Spatazza (mécanique, intégration)
Christophe Berthod (calculs thermiques)
Contact LMD : Albert Hertzog