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 Le Radiosondage : vol d'une radiosonde

Retour : 05- Le calcul de trajectoire

Voir aussi : Lâcher d'une radiosonde - Le radiosondage - Calcul des prévisions - Enveloppe -  Les parachutes et le calcul de la trajectoire en descente -

Le chasseur de radiosonde doit connaître parfaitement le déroulement du vol d'une radiosonde. Il peut ainsi vérifier que ce dernier suit les prévisions et corriger celles-ci si le besoin s'en fait sentir.
Un vol standard se compose de deux phases principales : la montée (en jaune sur la figure ci-contre) et la descente (en rouge). Il est généralement précédé par une séance d'étalonnage qui dure quelques dizaines de minutes (voir : lâcher d'une radiosonde)
Si un décodeur ou un programme de décodage est utilisé, le suivi du vol est bien sûr énormément facilité.

Phase de montée

Sa durée est déterminée par deux facteurs : la vitesse de montée et l'altitude d'éclatement du ballon. Voir page sur les enveloppes de ballon.

Vitesse de montée
La force ascensionnelle qui tire le ballon vers le haut découle du principe d'Archimède : la masse d'air correspondant au volume du ballon est plus élevée que la masse d'hélium (ou d'un autre gaz comme l'hydrogène) que celui-ci renferme. Comme la masse volumique de l'air et celle de l'hélium sont connues, il est facile de calculer cette force.
La masse que le ballon doit soulever est la somme des masses de :
- l'enveloppe
- le parachute (et le réflecteur radar s'il y a lieu)
- le boîtier de la radiosonde et sa pile
- la ficelle
Le total peut atteindre 2 kg pour une radiosonde Meteolabor SRS-PTU dont le boîtier pèse 500g à lui-seul.
L'accélération résultant de l'application de la force ascensionnelle à la masse à soulever donne à cette dernière une vitesse qui irait croissant si la résistance de l'air ne s'y opposait. Un équilibre entre les deux forces, la poussée d'Archimède et la résistance de l'air, est obtenu très rapidement et la vitesse s'établit à quelques mètres par seconde. Le gonflage du ballon est taré de façon à obtenir une vitesse de montée d'environ 5 m/s (on parle plutôt de 300m/minute). Cette vitesse est presque constante pendant toute la montée car si la pression et la densité de l'air diminuent avec l'altitude, le volume du ballon, dont l'enveloppe est élastique, augmente ; ainsi la force ascensionnelle et la résistance de l'air continuent à se compenser. On constate toutefois (surtout pour les ballons de types >800g) un changement de vitesse de montée plus ou moins net au niveau de la tropopause, là où la température extérieure cesse de baisser.

Altitude d'éclatement
Pour un ballon fermé, dont l'hélium ne peut s'échapper, le diamètre de l'enveloppe augmente jusqu'à un point où la résistance maximum de la peau de latex est dépassée. Celle-ci se déchire et le ballon éclate. Une série de photos extraites du film réalisé sur le ballon de Franche-Comté de 2002 montre le déchirement de l'enveloppe et son émiettement en lambeaux.
L'altitude d'éclatement dépend de la résistance de l'enveloppe et de la façon dont le ballon est gonflé au départ. Trop gonflé, ce dernier risque d'éclater prématurément ; trop peu gonflé, il risque de ne pas monter suffisamment et de plafonner en se laissant dériver jusqu'à ce que les fuites d'hélium le fassent redescendre tout doucement vers le sol. Voir : Le ballon qui n'éclate pas
Dans le cas des radiosondes, le but est d'atteindre l'altitude souhaitée sans que le ballon dérive trop pour retomber dès que possible. Pour les ballons "écoles", l'objectif est de récupérer la nacelle au plus près du lieu de lancement.
L'altitude d'éclatement est comprise entre 10 et 35 km d'altitude, elle dépend de la station de radiosondage. Pour être sûr que la RS dépasse la tropopause, une marge de sécurité est prise. Théoriquement, les mesures utiles sont celles qui sont effectuées jusqu'à 16000m (100hPa)
L'altitude d'éclatement est une donnée essentielle pour établir une prévision.

Eclatement

Quand les vents à très haute altitude (au-dessus de 100 hPa - 16000 m) sont relativement faibles, la dérive du ballon se stabilise et il peut rester stationnaire pendant plus d'un quart d'heure au même endroit, tout en continuant à monter. Ce point est important car il peut aider à vérifier la conformité du vol à la prévision établie.
L'instant de l'éclatement n'est pas toujours facile à reconnaître en écoutant le signal. L'amplitude et la modulation du signal qui étaient relativement stables peuvent changer :
- parfois petite variation de fréquence brusque
- polarisation de l'onde reçue qui devient quelconque, la sonde étant ballotée sous son parachute, si elle en a un.
- variations profondes et très rapides de l'amplitude du signal
Si le signal est vraiment très puissant, il est difficile de distinguer ses variations d'amplitude. On aura intérêt à atténuer son niveau en orientant l'antenne vers le sol ou en se décalant en fréquence, par exemple.
Pour le chasseur de radiosonde il est temps de se préparer à la poursuite.

Phase de descente

La durée de la descente dépend de l'altitude d'éclatement et de la vitesse de chute.
Pour un centre particulier, l'altitude d'éclatement est relativement constante (à + ou - 10%) mais elle peut être accidentellement beaucoup plus faible que la moyenne habituelle si l'enveloppe présente un défaut, par exemple.
La vitesse verticale de la RS (Uw en m/s sur la figure ci-jointe) ne peut être prévue avec une grande fiabilité car elle dépend essentiellement du comportement du parachute. Peu après l'éclatement, la vitesse est très élevée à cause de la faible densité de l'air à haute altitude. Sur la figure ci-contre, elle se stabilise ensuite au bout de 15mn aux alentours de 5m/s.
L'instant de l'atterrissage n'est pas toujours repéré avec certitude. On peut le présumer si :
- le signal disparaît complètement et qu'on le retrouve très stable après s'être déplacé de plusieurs kilomètres
- le signal change brutalement de fréquence (pour les RS à oscillateur libre : Sippican, RS92KL, SRS) et que le report devient très stable
- il s'est écoulé plus de 3 heures et que le signal est très constant
Les principes qui régissent la phase de descente sont détaillés dans les pages :  Les parachutes et le calcul de la trajectoire en descente 

Vol standard

Il n'y a pas de vol standard mais on peut, à titre d'exemple, donner un vol moyen basé sur un calcul. En gras : altitude d'éclatement.
On voit que la durée de la chute est à peu près la moitié de celle de la montée : c'est un ordre de grandeur, pas une règle absolue puisque la vitesse de chute dépend beaucoup de la présence d'un parachute, de son fonctionnement et surtout des restes d'enveloppe non dispersés.

Phase de montée

Phase de descente
Heure H (m) Heure H (m)
0:00 0 1:50 23978
0:10 2712 1:52 20664
0:20 5319 1:56 16200
0:29 7904 2:03 11637
0:49 13547 2:10 7904
1:05 17980 2:15 6103
1:24 23978 2:20 4597
1:47 30692 2:28 2159
    2:31 1138
    2:35 0

Représentation en 3D

Avec SondeMonitor il est possible de produire un fichier .kml contenant la trajectoire d'une RS92-SGP ou d'une M2K2DC. La figure ci-contre représente en 3D le vol d'une RS92-SGP lâchée à Toulouse le 18 août 2011 et décodée à Perpignan par Guy F6EYG. L'éclatement a eu lieu vers 30000m. La vue est orientée vers l'ouest, on aperçoit au loin l'Océan Atlantique.
Le lâcher a eu lieu de Toulouse. Noter que SondeMonitor a complété le morceau manquant du début de la trajectoire, la sonde étant inaudible depuis Perpignan à basse altitude. Pour la même raison, la fin de la trajectoire est manquante (à droite), le dernier point décodé indique que la RS92-SGP se trouvait à 5312m d'altitude, la distance étant de 192km.