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Les différents types de ballons

Un système dédié pour chaque mission

La gamme des ballons du CNES © CNES

Qu’advient-il d'un ballon qui s’envole ? A quelle altitude s'élève t-il ? Combien de temps reste-t-il en l’air ?

Les réponses seraient simples s'il y avait un ballon unique capable de satisfaire tous les utilisateurs.

Ce ballon universel, à la fois léger et résistant, au comportement idéal aussi bien près du sol qu'en altitude, capable d’emporter des charges utiles de masses très variables, de voler des durées différentes, de transmettre des volumes de données également très variables ou de disposer d’une capacité de pointage de très grossière à très fine, n'existe pas.

En effet, les besoins exprimés par les laboratoires de recherche sont variés : de quelques centaines de grammes à une ou deux tonnes pour la charge utile, de quelques centaines de mètres à une quarantaine de kilomètres pour le plafond, de quelques heures à plusieurs mois pour la durée de vol, etc.

Or, on ne peut pas les satisfaire toutes avec le même véhicule.

Par conséquent, ont dû être imaginés différents modèles de ballons, chacun étant conçu pour fonctionner dans des conditions bien particulières.

Toutefois, il importe de savoir que, derrière la diversité de véhicules et des performances, une seule et même physique est à l'œuvre. Dans tous les cas, on est en présence d'une bulle de gaz livrée à elle-même dans une atmosphère.

Mais le ballon n’est pas tout ….

Un aérostat doit être suivi par des équipes au sol pour assurer son pilotage (dans le cas des familles pour lesquelles des organes de pilotage existe à bord : lest, clapet de vidange), la connaissance de sa position pour, en particulier, la transmettre aux autorités aériennes, assurer un lien entre le bord et le sol pour échanger des informations (commandes et contrôle), par exemple pour commander, du sol, le fin du vol.

La réussite d'un vol ou de la mise en place d'un système comprenant un ou plusieurs aérostats, requiert, après une analyse fouillée de la mission, le choix du système adapté et la mise en œuvre coordonnée de l'ensemble bord-sol.

C'est à cette fin que le CNES a mis en place, dès les années 1960, l'ensemble des moyens et des compétences nécessaires pour répondre à la demande de la communauté scientifique…



La gamme des ballons du CNES

Il existe actuellement quatre catégories principales d’aérostats suivant le domaine de vol

  • ballons traceurs troposphériques (BPCL)


Des développements sont en cours pour étendre encore le domaine d'utilisation.

Pour répondre à une variété de besoins en matière d'altitude, de masse de charge utile, de durée de vol, de flot de données expérimentales, de stabilisation des instruments... le CNES exploite (ou étudie) plusieurs types de ballons adaptés aux exigences des diverses missions.

Dans tous les cas, une bulle de gaz (hélium, hydrogène (*) ou air chaud), enfermée dans une enveloppe souple assure l'envol de l'ensemble de l'aérostat dans l'atmosphère.

La variabilité des exigences scientifiques requiert une variété de véhicules dont la classification peut être établie selon que l'enveloppe est ouverte ou fermée ou selon l’altitude de vol (zone stratosphérique ou troposphérique).

(*) L'hydrogène n'est pas utilisé actuellement pour des raisons de sauvegarde mais son utilisation n'est pas définitivement écartée.

Les grandes familles de ballons

Plutôt que de catégoriser les aérostats suivant leur domaine de vol comme ci-dessus, intéressons-nous à leur physique de vol, qui nous donne quatre types principaux de ballons :

  • les ballons ouverts (type BSO ou MIR),
  • les ballons fermés pressurisés (BPS, BPCL),
  • les ballons fermés dilatables
  • les ballons captifs (Captifs terrestres, Aéroclipper).

Les ballons ouverts

BSO en préparation de lâcher à Kiruna © CNES

Les ballons ouverts sont caractérisés par une ou plusieurs ouvertures situées à la partie inférieure de l'enveloppe pour communiquer avec l'extérieur.

Celle-ci peut être remplie d'air chaud (montgolfière de loisir) ou d'un gaz plus léger que l'air (actuellement de l'hélium).

A usage scientifique et technologique, ceux-ci évoluent dans la stratosphère.



Les ballons pressurisés

BPS en préparation de lâcher sur sa table à Mac Murdo © CNES

Les ballons pressurisés sont fermés et sont tous des ballons à gaz.

Ils se répartissent en deux catégories : les ballons dilatables et les ballons pressurisés dont le volume à plénitude est constant.

Leur domaine de vol varie de la troposphère à la basse stratosphère.



Les ballons dilatables

Ascension d'un ballon dilatable © CNES

Les ballons dilatables sont essentiellement utilisés par les offices de météorologie (Météo France) pour des sondages verticaux (mesures du vent, de la pression, etc.).

Ils sont également utilisés par les équipes opérationnelles Ballons pour connaître le profil de l'atmosphère au plus près du moment de lâcher. Les scientifiques les apprécient aussi pour restituer la répartition des pressions, températures, vents et composition de l'atmosphère en fonction de l'altitude.

A peine gonflés au départ, ces ballons, remplis d'hydrogène ou d'hélium, emportent les instruments de mesure de quelques centaines de grammes dans une ascension rapide et continue.

Très extensible, leur enveloppe de latex ne cesse de se dilater, puis explose vers 20 ou 30 km d'altitude, leur diamètre mesurant alors une quinzaine de mètres.



Les ballons captifs

Schéma de principe de l'Aéroclipper © CNES

Un ballon captif , comme son nom l'indique, n'est pas destiné à un envol "libre".

L'enveloppe reste maintenue au sol par un lien permanent.

Deux familles de ballons captifs sont actuellement à l'étude ou en cours d'exploitation au  CNES :

  • les ballons captifs terrestres qui restent amarrés à un point fixe au sol ;
  • l'Aéroclipper qui est un ballon traînant une bouée à la surface de la mer et qui se déplace au gré des vents .


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