Ballons et montgolfires solaires historique principes technologie utilisations

Ballons et montgolfières solaires - historique - principes - technologie - utilisations - conclusions 1

Dominic MICHAELIS 1972 -73 Ballon de 22 m de diamètre (plus de 5000 m 3 - 180'000 cubic foot) avec un film polyester transparent de 12 microns (Melinex® - Mylar® de Dupont Polyester Films). L'air intérieur du ballon est chauffé par effet de serre : les corps noirs absorbent le rayonnement solaire qui a traversé la paroi transparente du ballon et, d'autre part, dissipent par convection l'énergie absorbée. 2

3 absorbeurs noirs verticaux placés à 120° les uns des autres 3

Dominic MICHAELIS 1976 -1981 Ballon noir de 3000 m 3 (104'000 cubic foot) en polyester noir (Dacron®) et un ballon de 4000 m 3 (140'000 cubic foot) en Melinex® transparent double couche renforcé par une structure tissée croisée. L'effet de serre se produit à l'intérieur de l'enveloppe transparente extérieure et concentre l'énergie solaire. Le ballon noir absorbe la chaleur et la transfère à l'air contenu à l'intérieur. Les pertes thermiques par convection du ballon noir sont totalement récupérées pour la sustentation du ballon transparent. 4

Jean-Paul DOMEN 1992 – 1996 Bulle d’orage : ballon stratosphérique Le ballon noir n’utilise pas que le rayonnement thermique du soleil. Au décollage, il est remplit de vapeur d’eau. La vapeur d’eau est plus légère que l’air ambiant. De plus, la condensation produit de la chaleur qui facilite l’ascension. 5

Jean-Paul DOMEN 1995 – 1996 Montgolfière solaire de loisir Le ballon noir absorbe la chaleur et la transfère à l'air contenu à l'intérieur par transmission thermique et convection interne. 6

Ballons en polyéthylène noir 2000 Ballon noir en polyéthylène de 15 à 20 microns, assemblé par thermosoudure puis renforcé par des bandes d’adhésif. Le ballon noir absorbe la chaleur et la transfère à l'air contenu à l'intérieur par transmission thermique et convection interne. 7

Exemples : Ballons solaires de 14, 5 m Ballon de 4 m. 8

Pilotage vertical des ballons solaires Pour pouvoir monter ou descendre, il faut augmenter ou diminuer le volume de l'enveloppe : - soupape ou ventaux au sommet de l’enveloppe - ventilateur dans la bouche inférieure du ballon - utilisation de lest largable pour les situations d’urgence 9

Principes : bilan thermique solaire direct émission infrarouge échange convectif chauffage interne par convection paroi / air au sol : DT ~ 20 °C 80 gr/m 3 15 km : DT ~ 60 °C 50 gr/m 3 200 -800 W/m² (basse alt. ) 1400 W/m² (haute altitude) émission infrarouge 100 -400 W/m² solaire réfléchit 100 -400 W/m² 10

Technologies des ballons solaires • Enveloppe en matière plastique • 10 à 20 gr/m² contre 40 -80 gr/m² (toile) • polyéthylène, polypropylène, Mylar, …. • Assemblage par soudure ou collage (ruban adhésif) 11

Vol captif Applications : • photo aérienne • publicité • test matériel Sensibilité à la météo : • au vent : pendant gonflage et vol • couverture nuageuse performances Intérêts : • réutilisable à volonté • sans consommation d’énergie (gaz) • mise en œuvre simple et économique Ballon captif 35 m 3 charge utile 2 kg 12

Vol à basse altitude : 0 -3000 m Essentiellement vol humain • montgolfière solaire pure • solaire assisté un brûleur aide l’atterrissage • montgolfière assistée solaire économie d’énergie ! Solaris - Australie 13

Vol à haute altitude : > 10000 m Différents vols effectués : • essais G. Auvray / J. P. Domen • IEG/INPG - Grenoble • vol de balises radioamateurs ça vole tant qu’il y a du soleil ! • Mise en œuvre simple • Économique • Mais profil de vol peu connu pour altitude > 10 km Ballon solaire IEG / Grenoble Alternative aux ballons hélium ? • pour la montée de petites charges • pour des vols d’une journée 14

Vol à haute altitude : Montée de charges 1. Inconvénient d’une solution tout solaire : détente de l’air au cours de l’ascension 1. refroidissement 2. diminution de la portance Accentuation du phénomène avec l’augmentation du volume 1. Solution élégante de J. P. Domen Bulle d ’orage Gaz : mélange vapeur d’eau / air pour diminuer les effets de détente du gaz Energie solaire : appoint 1. Technique intéressante pour des charges élevées > 10 -100 kg parachute Charge utile Bulle d ’orage 93 - vol CNES 15 2000 m 3 – charge de 42 kg

Vol à haute altitude et de longue durée plusieurs jours 1. Energie solaire « gênante » variation dans le bilan thermique variation d’altitude Compensation par structure réfléchissante Variation du volume de l’enveloppe MIR : Montgolfière Infrarouge (CNES) 1. gaz : hélium puis air/hélium 2. contrôle altitude : structure + valve 3. vols jusqu’à 40 -60 jours 16

Conclusion Intérêts du ballon solaire : • énergie gratuite • économique à la fabrication • mise en œuvre simple Usage de technologies nouvelles : pour un gain de poids • matières plastiques / assemblages Solutions pour des besoins spécifiques • pas aussi universel que les ballons à gaz ou à brûleur • mais nombreuses applications déjà testées 17