Vie LycéenneChallenges ScientifiquesBallons stratosphèriquesBallon statosphérique 2011

Ballon statosphérique 2011

Gestion de l'appareil photo

ballon_strato_2011_declancheurLes contraintes :

Nous devons réalisé une carte électronique afin de commander la temporisation du déclenchement de l'appareil photo. Pour cela, l'appareil photo devra être choisi minutieusement. Les appareils récents utilisent des systèmes de pré-déclenchement rendant plus complexe la réalisation de la carte électronique.

Objectifs visés :
Désir de prendre quelques clichés au décollage et permettre le suivi du vol.

Les contraintes :
Nous devons réalisé une carte électronique afin de commander la temporisation du déclenchement de l'appareil photo. Pour cela, l'appareil photo devra être choisi minutieusement. Les appareils récents utilisent des systèmes de pré-déclenchement rendant plus complexe la réalisation de la carte électronique. La gestion des batteries sans négliger la gestion du poids devra être prise en compte.

ballon-strato-2011-appareil-photoLes solutions retenues :
Appareil photo à focale fixe
résolution de 5Mpixels
capacité de 4Go assurée par une SD carte
Alimentation sous 3 volts
boitier étanche
coût : 39€

Nous avons retiré le capuchon du bouton du déclenchement des prises de vue, puis soudé des fils qui permettent lorsqu'ils sont reliés entre eux le déclenchement des photos.
Un relais commandé assurera cette fonction.
Par sécurité, nous avons dupliqué les fils de commande.
carte_apnLa carte de commande électronique permet de déclencher avec une temporisation fixée à 15 secondes.
Nous pourrons ainsi obtenir quelques photos lors du décollage et suivre l'évolution de notre ballon sonde.

Quelques inquiétudes :
Que se passera-t-il si de la condensation vient à apparaitre ?
Notre boitier résistera-t-il à la variation de pression ?
L'autonomie de 3 heures pourra-t-elle être maintenue avec une prise de photos toutes les 15 secondes ?
Sans cesse, de nouvelles interrogations sont venues alimenter notre réflexion et contribuées à la recherche de solutions...

Capteur de pression

couches_atmospheriquesMesure de la pression et gestion de l’altitude de la nacelle.

Dans un cas général, la pression est la manifestation d’une force sur une surface avec laquelle elle est en contact. La pression atmosphérique, elle, correspond au poids exercé par une colonne d'air sur une surface donnée. Elle se mesure en hectopascal (hPa) sachant que 1hPa = 100Pa (100 Pascal).

La troposphère, comprise entre 0km et 15 km (environ) d’altitude.C’est la couche où se produisent les phénomènes météorologiques (nuages, pluies, etc). La limite entre la troposphère et la stratosphère s’appelle la tropopause.

La stratosphère, comprise entre 17 et 50 km d’altitude. La fameuse couche d’Ozone se trouve en grande partie dans cette couche de l’atmosphère.
La mésosphère, entre 50km et 85 km de la terre.

La thermosphère a une altitude de 85km et plus.
Au delà de 100km, on considère que l’on est sorti de l’atmosphère terrestre (début de l’espace).
Les deux dernière couches seront inaccessible pour le ballon sonde.


Objectifs visés :

Déterminer l’altitude de la nacelle,
On sait que la pression atmosphérique diminue lorsque l’altitude augmente, donc en embarquant un capteur de pression dans la nacelle de notre ballon sonde il nous sera possible de déterminer à quelle altitude se situe notre ballon.


Les contraintes :capteur_pression_MPX5100A_branchements

La température influe sur la mesure de pression relevée par le capteur MPX5100A.
Le capteur de pression MPX5100A utilise l’effet piézorésistif (c’est à dire le changement de résistance électrique d'un métal dû à une contrainte mécanique).
Il possède une plage de mesure de 0 à 100kPa pour un signal de sortie compris entre 0,2 à 4,7V.
La plage de température de fonctionnement s’étend de-40 à +125°C.
Le temps de réponse du capteur est de 1 ms

 

 

etalonnage_capteur_pressionDispositif expérimental utilisé pour l'étalonnage du capteur de pression MPX5100A.

  • Un voltmètre
  • Un pressiomètre
  • Une cloche à vide
  • Un capteur MPX5100A alimenté correctement.

 

Capteurs de température

Mesure des températures.

Les contraintes :

Le ballon sonde va à une altitude d'environ 40 Km ce qui correspond à la stratosphère. La température minimale est d'environ -60°C. Pour cela il faut des capteurs adaptés.
La courbe d'étalonnage consiste à chacune des mesures de température obtenue de faire correspondre une tension comprise entre 0 et 5V, nécessaire pour transmettre l'information par l'émetteur Kiwi.

Les solutions retenues :

thermistanceLa thermistance CTN branchée en pont diviseur de tension répond à ses critères. On pourra regretter l'absence d'une caractéristique linéaire.

Les dimensions sont en millimètre.
Le poids environ 0,4 gramme.
Plage de température de – 55°C à 125°C

 

 

Appareil photo embarqué

lacher_ballon_apn_03VLes conditions atmosphériques et de luminosité sont excellentes, le 26 mai 2011, à Hyères. Lors de la phase de vol, l'appareil photo n'a connu aucun problème.

Photo prise à 15H45 aux alentours de 32 km d'altitude

 

Lire la suite

Exploitation des mesures de température

Dans la nacelle, nous avons placé trois capteurs de température. Il s'agit de thermistances CTN :

la première est placée au milieu des piles (t°piles),
la seconde sur la paroi externe (t°paroi)
la dernière protégée par un cache (t°ext).

lacher_ballon_em_01lacher_ballon_em_02

Le capteur externe est protégé du vent et de la luminosité, contrairement au capteur de la paroi, à l'air libre. Nous souhaitions, ainsi, étudier l'influence du soleil et du vent sur la température extérieure. Nous avons pu constater le chevauchement, tour à tour, de ces deux courbes de températures.

En effet le capteur de la paroi a été alternativement exposé puis protégé du rayonnement direct du soleil.
L'effet est immédiat : en présence des rayonnements lumineux, la température t°paroi augmente et passe au-dessus de la t°ext.
Inversement, à l'abri des rayonnements lumineux, la t°paroi passe en dessous de la t°ext.

Cette explication est corroborée par l'analyse des photos prises par l'appareil embarqué : Elles montrent en effet un mouvement quasi permanent de rotation de notre nacelle sur elle-même.

Mais alors, pourquoi les températures observées t°ext et t°paroi sont-elles différentes à l'abri du rayonnement solaire ?
Deux hypothèses sont envisagées. L'effet du vent et les domaines d'incertitude de nos capteurs.
Dans les prochains cours, nous réfléchirons et apporterons les réponses scientifiques pour valider ou non nos hypothèses.
Nous devrons également étudier et expliquer l'évolution de la caractéristique de la température t°piles. L 'aventure n'est pas terminée !

Plus d'articles...