Atelier scientifique - « Ballon stratosphérique » - Bientôt l'envol !

Après la phase de réflexion, celle des calculs et celle de la construction, voici le moment où un premier essai de lancement de la nacelle stratosphérique va avoir lieu : le moment tant attendu par les élèves est prévu pour le samedi 15 février 2014 !

Description des capteurs

• La nacelle stratosphérique est une boîte en carton-plume extrêmement légère. Elle est ajourée pour laisse entrer la lumière solaire qui la réchauffe. Les ouvertures comportent un double vitrage permettant de retenir la chaleur. Elle a pour principale mission de mesurer les rayonnements infrarouges échangés entre la Terre, l'espace et les différentes couches de l'atmosphère.

• Le capteur principal est un thermomètre infrarouge sans contact dont le faisceau de sensibilité est un cône de 10° d'ouverture. Il détecte le rayonnement infrarouge thermique entre 5 et 15 µm de longueur d'onde. Ce rayonnement invisible est la forme d'incandescence des objets à température ordinaire. Une couche d'air émet plus ou moins de ce rayonnement selon sa température et son taux d'humidité. Elle est également plus ou moins opaque au rayonnement qui la traverse. En plus de mesurer la température du rayonnement ce capteur mesure sa propre température. Cela nous renseignera sur les conditions régnant dans la nacelle. Ce capteur est monté sur un servomoteur (voir photo). Il sera ainsi braqué successivement dans plusieurs directions : du nadir à 50 degrés au-dessus de l'horizon.

• Le second capteur est un capteur de champ magnétique. C'est une sorte de boussole électronique qui mesure les trois composantes vectorielles du champ magnétique. Collé sur le plancher de la nacelle il nous renseigne sur l'orientation de celle-ci. Est-elle bien horizontale, ce qui rend fiables les mesures du premier capteur le capteur infrarouge, ou est-elle chahutée par des turbulences ? Le capteur infrarouge est-il pointé vers le ciel ou vers soleil ?

• Le troisième capteur mesure à la fois la température de l'air environnant et sa pression. Il sera placéà l'extérieur, sous la nacelle, à l'ombre.

1 : thermomètre infrarouge ; 2 : servomoteur ; 3 : Capteur de champ magnétique ; 4 : capteur de température et de pression ;5 : microcontrôleur enregistreur ; 6 : GPS enregistreur ; 7 : traceur GPS ; 8 : batterie pour les capteurs et le microcontrôleur ; 9 : batterie du GPS enregistreur ; 10 : platine d'interconnexions ; 11 : objet restant au sol, donnant l'échelle de la photo.

L'enregistrement et la transmission des données...

Tous ces capteurs malgré leur petite taille sont sophistiqués. Ils interprètent les grandeurs qu'ils mesurent et les traduisent dans le langage numérique. Ils sont interrogés à tour de rôle par un microcontrôleur (un tout petit ordinateur) qui stocke les données sur une carte mémoire.

Un cycle de mesure dure 4 secondes. Pendant ces 4 secondes, pas moins de 27 données sont enregistrées. Un chronométrage précis de ces mesures est fait.

Ces données, récoltées pendant tout le vol de la nacelle seront analysées par les élèves durant le 3ème trimestre.

Pour bien analyser ces données il est indispensable de connaître la position du ballon à chaque instant. La nacelle est donc équipée d'une puce GPS qui enregistre sa position toutes les 15 secondes.

Enfin, pour que tout ce travail ne soit pas vain, la nacelle est équipée d'un traceur GPS qui enverra un SMS contenant ses coordonnées géographiques. Cela nous permettra, espérons-le, de retrouver la nacelle après son vol.

Un départ imminent...

Ballon d'helium

Cette nacelle est en cours d'assemblage.

Sa masse totale sera inférieure à 200 g. Elle pourra donc être enlevée par un ballon d'hélium de dimensions modestes : 1m de diamètre.

Si les conditions météorologiques et la DSAC (Direction de la Sécurité et de l'Aviation Civile) le veulent bien, nous l'accrocherons sous son ballon pour un petit vol à quelques milliers de mètres au-dessus de la Beauce.

Le vol est prévu le 15 février prochain. L'envol aura lieu à Auneau, village proche de Chartres, aux alentours de 10h.

Un apport de connaissances et de compétences évident pour les élèves...

Le travail fait par les élèves de « l'atelier scientifique » est à la fois scientifique, technique et manuel. Le câblage a demandé beaucoup de délicatesse et d'attention, de même que la construction du boîtier en carton. La programmation du microcontrôleur a été faite par les élèves. Ils ont à cette occasion découvert un langage de programmation. Ils ont procédé en s'inspirant d'exemples de programmes, comprenant progressivement leur signification.

Des intermèdes purement physiques ont permis aux élèves de calculer des modèles d'atmosphère. Quelques manipulations d'hydrostatique ont rendu palpables les concepts introduits. L'apport en termes de connaissances scientifiques est donc réel...