BALLON STRATOSPHERIQUE 2022 « DER STERN » 

BTS Systèmes Numériques

        Der Stern qui signifie « L’étoile » est le nom choisi cette année (2021-22) par les étudiants du BTS Systèmes Numériques (SN) pour baptiser le projet du Ballon Stratosphérique réalisé en 1ere année du BTS SN. Le lâcher s’est déroulé à La Roquebrussanne le 19 MAI 2022. (Figure 1)

Figure 1 : Vidéo du lâcher utilisant la technique de la bâche

Qu’est-ce que le Projet du Ballon Stratosphérique ?

        Ce projet réalisé en fin de 1ere année de BTS SN a pour objectif de fédérer autour d’un même centre d’intérêt un groupe d’étudiants de façon à mettre en pratique les connaissances et compétences techniques acquises en 1ere année de BTS dans les domaines de l’Electronique et l’Informatique.

        Ce projet à caractère scientifique et technique est organisé chaque année, par l'association Planète Sciences associée au CNES (Centre National d'Etudes Spatiales), sous le nom UBPE (Un Ballon Pour l'Ecole), dans le but de développer le goût pour les sciences et la technologie auprès des jeunes.

Remerciements :

        Nous remercions à cette occasion Mme THOLIMET coordinatrice nationale, pour son encadrement et son soutien sans faille, qui a permis à ce projet d’aboutir et de garantir le lâcher de ballon à la date prévue ainsi que M.MAIGNAN formateur national en autre et pioner sur cet évènement, pour ses conseils riches d’une longue expérience et ses différentes formations.

        Nous remercions M.GROS Maire de La Roquebrussanne et M.VENEL 1^er adjoint, pour avoir mis à notre disposition un terrain municipal ainsi que la salle des fêtes attenante permettant de disposer de toute la logistique nécessaire à ce type d’évènement avec un lieu adapté nous permettant d'espérer que le Ballon ne se perde pas en mer. (pas évident sur TOULON). (Figure 2).

 Figure 2 : Zone de lâcher du Ballon à La Roquebrussanne

Comment se déroule le projet ?

        L’association Planète Sciences défini chaque année un cahier des charges précis qui encadre le type d’expériences scientifiques réalisables dont le but est d’étudier l’atmosphère et les phénomènes météo, et impose également des contraintes liées à la fabrication et au poids de la Nacelle qui transporte toute l’électronique embarquée.

        Les étudiants réalisent la Nacelle et l’électronique embarquée et Planètes Sciences fournit le ballon stratosphérique et la chaine de vol, les bouteilles d’Hélium, la chaine de d’émission/réception pour la télémesure et s’occupe également de gérer toutes les autorisations et l’encadrement pour que le lâcher du Ballon se fasse en toute sécurité en accord avec la réglementation de la circulation aérienne.

Équipe d’étudiants SN1 en charge du projet

        Une équipe de 7 étudiants a géré la totalité du projet, BRAVO !!! pour leur esprit équipe et leur bonne humeur, ce fut un projet très fédérateur. BEAU TRAVAIL à Angel, Ayrton, Damien, Hugo, Jayce, Killian et Théo.(Figure 3)

 Figure 3 : Une partie de l'équipe sur le lieu du lâcher avec la Nacelle et la Station de télémesure

Les activités et les étapes de réalisation du projet

Le projet UBPE « DER STERN » réalisait cette année les mesures et expériences suivantes :

• Température extérieure, intérieure, piles.
• Pression atmosphérique.
• Mesure des UVA
• Effet de l’altitude et donc de l’atmosphère sur la vitesse du SON.
• Suivi de la trajectoire du Vol et mémorisation.

     1. Conception de la structure électronique matérielle (composants) :

        Les étudiants partent pour cela d’un cahier des charges décrivant le besoin et commencent par développer un schéma structurel (Figure 4) sur la base des composants identifiés ou proposés. La plupart des structures sont mixtes (matériel/logiciel) et nécessiteront ensuite une étape du développement informatique. Les étudiants utilisent pour la réalisation du schéma un logiciel de DAO spécialisé ISIS.

Figure 4 : Schéma structurel de la carte BMP280 (Température, Pression et Altitude)

     2. Prototypage :

        Cela permet de câbler rapidement tout ou partie de la structure sur une plaque de prototypage (Figure 5), pour effectuer des essais dans l'objectif de tester, dimensionner les composants et de vérifier si leur comportement répond bien à la fonction du cahier des charges attendue. Pour les structures mixtes (matériel/logiciel) le développement d'un programme en Langage C permettra au microcontrôleur de communiquer avec le capteur et de traiter les informations qu'il lui renvoie.

 Figure 5 : Plaque de prototypage avec un microcontrôleur de la plafetorme Arduino 

     3. Essais et étalonnage : 

        Dans le cas de ce projet il est essentiel de vérifier si les informations obtenues par les différents capteurs sont réalistes, voilà pourquoi les étudiants ont a leur disposition des appareils leur permettant d'effectuer des mises en situations qui se rapprochent du réel. Par exemple pour simuler la montée en altitude et la raréfaction de l'air, ils utilisent pour cela une cloche à vide. (Figure 6)  Ensuite les étudiants effectuent plusieurs mesures pour tracer la courbe d'étallonage permettant d'établir graphiquement la relation entre la tension fournie par le capteur et le paramètre Physique mesuré.

Figure 6 : Pression Atmosphérique avec Cloche à Vide et Pressiomètre. Courbe Etalonnage Capteur MPX5100

     4. Circuit imprimé et Câblage des cartes :

        Une fois le prototypage terminé, les structures et les programmes validés, les étudiants s'atèlent à l'étape leur permettant de réaliser la carte sur laquelle sera soudé les différents composants. Ils vont réaliser à partir d'un logiciel de CAO spécialisé (ARES) le masque qui permettra de graver ensuite le circuit imprimé. Ce masque  permet de définir l'emplacement souhaité des composants et les liaisons entre eux (pistes). Une fois cette étape réalisée une machine à gravure mécanique à partir du fichier du masque va reproduire ce dernier en détourant les pistes et les pastilles sur une plaque de Cuivre.(Figure 7) Il ne reste ensuite qu'à souder les composants sur le ciruit imprimé. (Figure 8). Les cartes sont ensuite testés pour vérifier tous problèmes liés à des court-circuits ou autres.

 Figure 7 : Masque (Routage des composants), Machine à gravue mécanique, Ciruit imprimé gravé

Figure 8 : Circtuit imprimé avec les différents composants soudés

5. Fabrication de la Nacelle et montage des différentes cartes :

        Une fois les différentes cartes terminées et testées individuellement, il faut passer à l'étape de fabrication de la Nacelle. Cette dernière dépend de la masse de l'ensemble de l'électronique embarquée car le cahier des charges de Planète Sciences imposait une masse totale maximale (Nacelle + Electronique) de 1,8Kg.

        La mesure de l'ensemble de l'électronique nous a amené à un total de (Figure 9):

Figure 9 : Masse des différents éléments présents dans la nacelle

        La masse de la nacelle ne devait donc pas dépasser 648g. A été déduit à partir de la masse surfacique (897g/m²) du matériau utilisé (Polystyrène extrudé de 3cm d'épaisseur) la longueur maximale d'un côté sur la base d'un cube et le choix suivant a été retenu tout en prenant une marge. (Figure 10 et 11)

Figure 10 : Plan de la Nacelle

Figure 11 : Dimensions de chaque face et estimation de la masse totale de la nacelle

        Le dernière étape était le montage de la Nacelle et des différentes cartes ainsi que le câblage entre ces dernières (Figure 12), tout cela a demandé du temps, de la patience, de l'organisation et de la réflexion pour le placement de chaque élément.

Figure 12 : La nacelle terminée avec le câblage des différentes cartes.

     6. Le jour J : Le lâcher du Ballon

        Le Jeudi 19 MAI a été fixé la date du lâcher du Ballon à La Roquebrussanne. Les étudiants ont préparé tout le matériel nécessaire à la préparation du lâcher.

• Test de la Nacelle (Tracker GPS, Alimentation, ....) et installation de piles neuves pour permettre une autonomie d'au moins 3H.
• Test de la chaine de télémesure (Emetteur KIWI, Chaine de réception avec l'antenne et le logiciel Kicapt)
• Gonflage à l'Helium du Ballon. (Figure 13)
• Montage de la chaine de Vol (10m). (Parachute, rélecteur radar, Nacelle, Ballon). (Figure 14)
• Lâcher du ballon avec la technique de la bâche à cause d'une petite brise. (Figure 15)

Figure 13 : Gonflage par les étudiants du Ballon stratosphérique avec 5m³ d'Helium

Figure 14 : Montage et vérification de la chaine de vol qui mesure près de 10m. Les enseignants travaillent un peu quand même !

Figure 15 : La technique de la bâche permet de libérer progressivement le ballon en cas de vent.

L'envol du Ballon avec la Nacelle attachée

   7. Les mesures pendant le vol et les conclusions :

        La nacelle transportait un émetteur du nom de KIWI (Figure 16) dont le rôle était de transmettre les signaux issus des différents capteurs qui étaient reliés sur chacune de ses 8 entrées. Ce dernier est capable d'émettre jusqu'à 200 à 300km ce qui est parfaitement compatible avec nos besoins l'altitude à laquelle explosait le ballon se situant aux alentours de 30km et même avec des conditions ventées cela laisse de bonnes chances de pouvoir recevoir le signal.

        Au sol une station de réception permet de recevoir le signal, de le décoder et un logiciel du nom de KIPCAT affiche en temps réel l'évolution des 8 signaux. (Figure 16)

Figure 16 : Emetteur KIWI Millenium / Station de réception (Antenne) / Logiciel KICAPT

        Les mesures effectuées dans la nacelle et transmises par le KIWI nous ont permis d'obtenir les résultats ci-dessous. On observe les mesures (Figure 16) d'un capteur de pression MPX5100AP à partir de laquelle on a pu déduire  approximativement l'altitude ainsi qu'un capteur de température de type CTN.

Figure 16 : Pression atmosphérique, Température extérieure, Altitude

        Le Capteur de Pression MPX5100AP n'est capable que de mesurer des pressions supérieures à 150hPa, on observe bien cette limitation sur le graphique de gauche, nous avions donc mis un 2eme capteur de Pression de technologie différente le BMP280 qui lui était capable de descendre beaucoup plus bas mais malheureusement à la dernière minute lors d'une mise à jour du programme sur le lieu de lâcher, ce dernier n'a pu fonctionner. L'altitude se déduisant de la pression atmosphérique (graphique de droite) on observe la même limitation mais avec les projections à partir du graphique on estime que le ballon a exploser vers 27Km d'altitude. La température extérieure (graphique du milieu) évolue également en fonction de l'altitude et des couches de l'atmosphère. La température au sol était proche de 30°C et atteind un plus bas vers les 10Km d'altitude qui dans notre cas était de - 35°C.