Cette année, le village des sciences du 37 s'est intallé à l'INRA de Nouzilly à l'occasion des 50 ans du centre les samedi 15 et dimanche 16 ocotobre. 

Plus de 5000 personnes ont fait le déplacement sur le week-end. Les élèves de l'atelier scientifique y ont lâché un ballon sonde en partenariat avec l'IUT GE2II et les radioamateurs du REF37. La sonde est montée à plus de 25 km d'altitude et s'est posée près de Coulommiers après 4 heures de vol...

Plus de résultats sur les mesures prises durant le vol grâce aux capteurs embarqués prochainement...

Pour suivre le ballon en cours de vol, nous avons décidé d’utiliser un système GPS/APRS, à savoir une tête GPS reliée à un émetteur qui envoie au sol la position du ballon en direct au moyen d’une onde radio de fréquence 144,8MHz. Ces ondes radio, utilisées uniquement par les radioamateurs, d’où notre collaboration avec le REF37, peuvent être reçues en direct avec un récepteur HF connecté à un ordinateur possédant un logiciel approprié (IU-View.32 nous concernant). Dans tous les cas, ces infos sont aussi collectées par toutes les stations de radioamateurs qui publient en temps quasi réel sur le site http://aprs.fi. Il suffit d’avoir l’identifiant de la balise que les radioamateurs du REF 37 nous ont attribués GPS, F6KCI-11.

L’émetteur radio (APRS) a été mis au point par les étudiants de l’IUT GE2I de Tours. 

Ce dispositif sera sensé nous fournir pendant le vol, toutes les 50 s (choix de l’IUT), l’altitude, la longitude et la latitude de la chaîne de vol. Certes nous n’avons besoin que de l’altitude, mais pour la suivre et augmenter nos chances de la retrouver, connaître la latitude et la longitude nous serons aussi très utiles.

La tête de GPS peut être repérée grâce au système de triangulation. Ce système consiste à repérer la position de la tête de GPS avec l’aide d’au moins 3 satellites pour obtenir les 3 coordonnées GPS comme l’indique le schéma ci-contre.

Nous avons établi une procédure de réglages pour le jour J qui n’a pas de raison de figurer dans ce document, mais en annexe.

Voici ce qu’ont donné les premiers tests réalisés à l’IUT pendant les vacances d’été :

A : altitude / Text : température extérieure / Pres : pression en kPa…

Les autres données de la carte d’acquisition ne nous seront pas utiles (températures et humidité), elles avaient été ajoutées pour un autre projet.

Capture d’écran du site aprs.fi traquant notre balise F6KCI-11

Les autres données de la carte d’acquisition ne nous serons pas utiles (températures et humidité), elles avaient été ajoutées pour un autre projet.

Par précaution, nous avons demandé à l’IUT d’ajouter une carte mémoire au cas où la transmission radio ne fonctionnerait pas durant le vol.

Remarquons, que la pression pourrait nous servir, mais si nous n’avons pas l’altitude déterminée par triangulation à cause d’une mauvaise liaison radio, il n’y a pas de raison que nous aillons la pression…Nous avons donc décidé d’utiliser la pression pour en déduire l’altitude mais ce au moyen d’autres capteurs non reliés au système GPS/APRS. 

Trouver un lien entre pression et altitude a été assez facile pour des altitudes comprises entre 0 et 11 km, soit dans la troposphère. Cependant, cela a été plus difficile au-delà de 11 km,

En effet, entre 0 et 11 km, il semble qu’un modèle appelé formule du nivellement barométrique permet de relier assez précisément altitude et pression. Ce modèle repose sur l’hypothèse que la température décroît linéairement avec l’altitude, et qu’en effet, tout les 100m, on perd 0.65 K, donc 6,5 K sur 1 km : T = T₀ – 6,5 z.

Nous avons donc ajouté un capteur de température extérieur, mise au point et étalonné par d’autres élèves de l’atelier scientifique, dans le but de vérifier cette hypothèse le jour de notre lâcher. Il est évident que cette décroissance est une moyenne et en effet nous avons pu lire qu’elle peut aller de 0.30 K pour des masses d’air froid  à 0,80 k pour des masses d’air chaud. Cette hypothèse sera d’autant meilleure que le ciel sera dégagé le jour du lâcher et pas encombré de masse nuageuse.

La pression est alors donnée par la relation suivante :

-  p(z) la pression à l’altitude z et p₀ la pression au niveau de la mer dans la même unité, en hPa par exemple,

-  z en km ;

- T₀ en K, température au niveau de la mer.

T₀ = 288  K = 15°C, température moyenne au niveau de la mer et p₀ = 1013.25 hPa, la pression au niveau de la mer, appelées valeurs normalisées.

En travaillant cette formule, il nous a été  possible d’extraire l’altitude en fonction de la pression mesurée, relation dont nous aurons besoin :

Au-delà, dans la stratosphère, nous avons récupéré des données expérimentales afin de construire notre propre modèle.

Ainsi au-delà de 11km :

z(p) = -6,611 ln(p) + 46,64 

avec z en km et p en hPa.

L’écart-type par rapport au modèle étant de 0,8 km ce que font apparaitre les barres d’erreur sur ce graphique. 

-         

Un capteur pression sera utilisé, relié à l’émetteur radio du CNES, émetteur kiwi. L’émetteur kiwi fourni par le CNES joue à la fois le rôle de générateur pour les capteurs embarqués, de voltmètre pour mesurer des tensions aux bornes des capteurs embarqués comprises entre 0 et 5V, mais aussi d’émetteur radio qui envoie les données mesurées au sol toutes les 2 secondes au moyen d’une onde de fréquence 137,050 MHz en ce qui nous concerne. Cet émetteur doit être alimenté au moyen par une tension comprise entre 8 et 11V et il devra tenir au moins 24h si la nacelle n’est pas retrouvée dans l’immédiat pour permettre des recherches prolongées, critère auquel satisfont deux piles de 4,5 V en série d’après nos mesures de consommation (300 mA).  

Emetteur radio Kiwi fourni par le CNES

D’autre part, cet émetteur envoie un signal caractéristique qui peut être détecté au moyen d’antennes et permettre une triangulation en dernier recours si nous n’avions pas de couverture réseau ou une absence de trame GPS/APRS depuis l’endroit où est retombée la nacelle le jour du lâcher.

Ainsi, ce dispositif ne peut transmettre que des données sous forme de tension. Nous avons donc dû relier pression et tension aux bornes du capteur mis à notre disposition, autrement-dit étalonner le capteur.  Le capteur couramment utilisé est le MPX5100AP car il nécessite une alimentation de 5V qui peut être délivrée par l’émetteur KIWI du CNES, et en sortie il fournit une tension comprise entre 0 et 4,7 V qui correspond également à la plage mesurable par l’émetteur, et surtout peut résister à de faibles températures (-50 °C) qui seront rencontrées au niveau de la tropopause, soit entre 11 et 13 km.

Capteur de pression MPX5100 A                             Etalonnage du capteur de pression

Pour l’étalonner, le lycée dispose d’une cloche à vide qui a été modifiée sous laquelle il est possible d’alimenter et réaliser des mesures électriques.

A l’aide de la pompe à vide, nous avons simulé la baisse de la pression qu’il y aura le jour du lâcher lors de l’ascension du ballon.

A l’intérieur de la cloche, nous avions une alimentation délivrant une tension de 5 V comme celle que délivrera l’émetteur radio et un voltmètre en mode continu de précision 0,5% ± 1digit et un pressiomètre de précision 2%±4 hPa. Les barres d’erreur sur le graphique ci-dessous ne seront pas affichées sur la tension mesurée car insignifiantes.

 Tension mesurée aux bornes du capteur en fonction de la pression mesurée par le pressiomètre

Comme nous pouvons le constater sur le graphique ci-dessus, ce capteur de pression ne descend pas en dessous de 150 hPa. Il ne nous permettra donc pas d’accéder à des altitudes au-delà de 12-13 km. Il nous permettra ce pendant de vérifier ou non une certaine cohérence entre l’altitude fournie par le système GPS/APRS et le modèle de nivellement barométrique.

Néanmoins, nous avons cherché un nouveau capteur de pression : nous avons retenu le modèle MPL3115A2 qui a une précision de 0,25 % et fourni directement des pressions comprises entre 150kPa, ce qui est bien trop et 10 hPa correspondant à une altitude de 30km. Ce dernier sera relié  à la carte arduino qui traitera les données du compteur Geiger.