13 Août 2012

MIR : Principes du véhicule

Montgolfière Infra Rouge : originalité du concept
Différentes vues d'une MIR © CNES

En 1977, les chercheurs français du Service d'Aéronomie du CNRS ont eu l'idée d'utiliser le concept de montgolfière pour effectuer des vols en ballon de longue durée dans la stratosphère.

Ce concept repose sur deux idées :

  • La première concerne la limitation de la durée des vols de ballons liée à la variation de leur température entre le jour et la nuit (nécessitant le largage de lest pour les ballons ouverts pour compenser les pertes en hélium aux passages jour / nuit).
  • La deuxième porte sur la perte irréversible de gaz lors d'un vol.

La démarche est donc simple : Au lieu de s'opposer aux changements de température, on va chercher à en tirer bénéfice. Au lieu d'employer de l'hélium ou de l'hydrogène, on utilisera de l'air que l'on pourra remplacer à volonté.

Les différentes phases d’un vol

  • Les procédures de lâcher

La poussée d’Archimède résultant du ballon empli d’air chaud ne suffit pas à lui assurer la portance suffisante pour le mener jusqu’au plafond de vol.

La MIR est alors gonflée à l’Hélium, ce qui lui permet de décoller puis de lui assurer une portance même dans des conditions de bas flux infrarouge durant les premières nuits (3 en moyenne).

  • La phase de vol au plafond

Dans sa version actuelle de 45 000 m3 de volume et utilisant un matériau Mylar de 16 g/m2, l'altitude d'équilibre de la MIR variera de 18 à 22 km de nuit à 26 à 27 km de jour suivant la quantité de flux infrarouges s'élevant de la zone survolée (environ 250 W/m² sont disponibles au niveau de vol) et le profil de la température de l'air au niveau de vol, ceci pour une charge utile totale de 60 kg environ.

Son diamètre au plafond est de 40 m environ.

  • Récupération de la charge utile

Lors des premiers vols, les nacelles n'étaient pas récupérées.

Les scientifiques obtenaient leurs informations par télémesure puis perdaient leurs équipements.

Pour la première fois en 1997, à l'occasion de la mission arctique ILAS au cours de laquelle deux vols SAOZ (Service d'Aéronomie du CNES) ont eu lieu avec la MIR, le CNES a élaboré une commande de fin de vol préprogrammée, permettant une séparation au-dessus d'une zone déterminée, en vue d'une récupération possible de la charge utile.

L'automate embarqué, connaissant la position du ballon grâce à un récepteur GPS, était programmé pour arrêter le vol au-dessus d'une zone connue, après une certaine date.

Le système a parfaitement fonctionné au cours du deuxième vol, et la nacelle scientifique a pu ainsi être récupérée en bon état dans une zone géographique accessible, après 22 jours de vol.

Avantages et limitations

Préparation d'une MIR pour un vol de nuit © CNES

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La MIR est donc un ballon à air chaud de forme naturelle (ou "en goutte d'eau", comme le BSO) dont le chauffage sera emprunté au rayonnement infrarouge tellurique naturel(1) et à celui du soleil.

Une fois atteinte son altitude de croisière, sa trajectoire suit la circulation des vents. Deux fois par jour, les instruments de la nacelle sont donc en mesure de sonder une « tranche » de la stratosphère.

Alors, où est la limite ?

Elle réside dans le survol, la nuit, de nuages élevés et denses, donc froids, comme les enclumes des cumulo-nimbus associés aux fronts froids ou à la zone de convergence intertropicale.

Dans ces conditions, la différence de température entre l'extérieur et l’intérieur de la MIR tend vers zéro.

Le ballon descend lentement jusqu’à éventuellement atteindre un niveau critique, 16 km environ(2) , à partir duquel il devient impossible de trouver une altitude de vol stable à moins que le soleil, en se levant, ne vienne réchauffer la MIR.

Les contraintes des vols MIR (et, plus généralement des vols de longue durée)

 Les équipements de la charge utile embarqués sur les ballons MIR à longue durée de vie sont confrontés aux problèmes suivants :
    • Systèmes à faible poids : la chaîne de vol normale comprenant la charge utile scientifique, les batteries, les servitudes, la télémesure et les dispositifs de sécurité est limitée à 60 kg.

      Par conséquent, la nacelle scientifique comportant la télémesure et les batteries peut atteindre 45 kg, pour un vol dans des conditions radiatives moyennes.

      Cela signifie que la consommation d'énergie doit être surveillée

      • Température extérieure très basse : dans la stratosphère moyenne et basse, des températures de -70°C sont courantes et les équipements embarqués devront fonctionner à -40°C environ pendant la nuit au bout de quelques jours de vol.

        La solution commune adoptée à la fois par les scientifiques et le CNES pour le revêtement destiné à l'isolation thermique de la charge utile est l'utilisation d'une caisse en polystyrène et d’éventuelles couches de matériau d'isolation.

        La nacelle de servitude opérationnelle est équipée d’un contrôle thermique actif et, si nécessaire, des composants peuvent être chauffés seuls, la plupart des composants choisis étant qualifiés, dans la mesure du possible, pour -55°C.


      (1) La température moyenne de la Terre est de 15°C. Comme tout corps « chaud », notre planète émet sans cesse un flux infrarouge. Bien que modeste (environ 300 W/m2 contre 1400 W/m2 pour le flux solaire), celui-ci parvient malgré tout à élever, la nuit, la température interne de l'enveloppe d'une quinzaine de degrés par rapport à l'air extérieur.


      (2) La limite de vol 16 km est également imposée pour des raisons de sécurité aérienne (limite haute de circulation des avions).