Pourquoi les ballons peuvent voler plus haut, plus loin et plus longtemps que les avions

En mai 2002, un ballon lancé depuis le Sanriku Balloon Center (SBC) dans le nord du Japon, a tranquillement battu tous les records de hauteur absolue que l'humanité ait jamais établis.

Il a rapidement dépassé la hauteur atteinte par la première ascension réussie en ballon en 1783 - Il a dépassé le vol en ballon de 1901 qui a atteint 10,8 km (35 433 pieds) et a conduit à la découverte de la stratosphère. Il a dépassé tous les records de hauteur jamais établis par n'importe quel type d'avion, qu'il s'agisse d'un hélicoptère, d'un avion à hélice ou d'un avion à réaction.

Le ballon est même allé plus haut que la hauteur record atteinte par l'ancien cadre de Google Alan Eustace en 2014 lorsqu'il est monté en ballon à 135 899 pieds (41,4 km) avant de sortir de la capsule et de sauter en parachute vers la Terre.

Il a continué à monter, à travers les parties supérieures de la stratosphère dans la mésosphère, qui comprend la partie la plus froide de l'atmosphère. Ici, les températures peuvent chuter à environ -143 ° C (-225 ° F) - plus froides que n'importe quelle température jamais enregistrée à la surface de la Terre.

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Le ballon a finalement atteint une hauteur de 53 km (173 900 pieds) au-dessus de la surface. Seuls les objets lancés par fusée ou tirés par des canons ont grimpé plus haut. Ce sont les ballons, plutôt que les avions, qui ont amené les humains et leurs instruments scientifiques au plus près des confins de l'espace.

Ces dispositifs aéronautiques apparemment simplistes peuvent transporter des instruments et des équipements là où aucun autre avion ne peut le faire, et y rester plus longtemps.

Dans les jours qui ont suivi l'abattage d'un ballon de surveillance chinois présumé alors qu'il dérivait à près de 18 km (60 000 pieds) au-dessus des États-Unis, BBC Future examine pourquoi les ballons sont souvent le choix de prédilection des scientifiques, des sociétés Internet, des météorologues et potentiellement des agences d'espionnage gouvernementales.

Jusqu'où peuvent aller les ballons ?

Ces ballons atteignant des altitudes élevées - comme le ballon record de 2002, ou celui chinois qui a causé l'incident diplomatique avec les États-Unis ce mois-ci - sont évidemment une race différente des ballons à air chaud utilisés pour les balades. Que faut-il pour qu'un engin soit capable de monter si haut – et de rester debout une fois qu'il y est ?

Un ballon chinois qui a flotté au-dessus des États-Unis ce mois-ci a provoqué un incident diplomatique, bien que la Chine ait nié qu'il espionnait (Crédit : Reuters)

Russ Van Der Werff des fabricants américains de ballons à haute altitude Aerostar a une meilleure idée que la plupart. Van Der Werff, vice-président des solutions stratosphériques de la société, est un ingénieur à la tête de l'équipe de conception de ballons à utiliser à des kilomètres au-dessus du royaume des avions de ligne. Raven Aerostar a travaillé dans les secteurs de la défense et du commerce et a conçu les ballons pour le projet Internet d'urgence de Google, Loon. (En savoir plus sur la façon dont les ballons de Google ont surpris leurs créateurs.)

Au cours des 10 dernières années, l'Aerostar a lancé plus de 3 000 ballons et a affiné sa façon de les construire en cours de route. "Nous avons fait différentes formulations de plastiques. Et nous avons quelques choses exclusives que nous utilisons maintenant qui sont nettement meilleures que ce que nous utilisions il y a 10 ans. L'autre chose est la façon dont ce plastique est cousu ou soudé ensemble est un processus spécial dans lequel nous avons mis beaucoup d'itérations. "

Ces améliorations aident non seulement les ballons à voler plus haut, mais les aident également à rester en l'air plus longtemps. "Juste pour vous donner une idée, Thunderhead, qui est notre offre commerciale actuelle, nous avons effectué des vols au cours des 150 derniers jours avec un seul ballon maintenant. Et avec Loon, notre record à la fin était de 320 jours. Ce sont donc des chiffres que nous n'avions certainement pas il y a 30 ans, et les matériaux et les techniques de fabrication ont fait une grande différence dans cette durée de vie." Le projet Loon a été annulé en 2021, mais Van Der Werff dit qu'il s'attend à ce que son entreprise soit bientôt en mesure de lancer un ballon qui restera en l'air pendant une année civile complète.

Le ballon chinois abattu cette semaine après avoir parcouru des milliers de kilomètres du Pacifique et des États-Unis continentaux montre les énormes distances que ces ballons sont capables de parcourir. La hauteur à laquelle ils peuvent voyager dépend également de la qualité de fabrication du ballon transportant la charge utile.

Regardez la vidéo ci-dessus pour savoir pourquoi les ballons espions sont toujours utiles à l'ère des drones et des satellites

La flotte de ballons de Loon, transportant une technologie de communication qui permettrait une couverture mobile dans les zones éloignées ou sinistrées, a été conçue pour fonctionner à une hauteur de 19 à 25 km (62 700 à 82 500 pieds). C'est deux fois plus que la plupart des avions de ligne, et sensiblement plus que presque tous les avions militaires, sauf les plus spécialisés.

Que transportent les ballons à haute altitude ?

Selon leur mission, ces ballons emportent tout, du matériel de mesure scientifique au matériel de communication ou – si l'espionnage est leur jeu – des capteurs ou des caméras pour observer le sol en dessous d'eux. C'est un environnement difficile pour lequel concevoir des équipements, dit Van Der Werff. "Concevoir de l'électronique pour un ballon, c'est un peu comme concevoir de l'électronique pour un vaisseau spatial. L'atmosphère à seulement 90 000 pieds (27,2 km) a une densité d'environ 1% ici.

"Il fait très froid là-haut, nous descendrons à moins -80C (-112F)", dit-il. "Mais ce qui est amusant et intéressant, c'est que, généralement parlant, lorsque les gens conçoivent de l'électronique pour la stratosphère, ils ont en fait plus de mal à la garder au frais qu'à la garder au chaud, car il n'y a [next to] pas d'air là-haut. Donc, vous ne pouvez pas souffler un ventilateur sur le dissipateur thermique pour évacuer les thermiques. Le revers de la médaille de ce défi est que tout démarre et fonctionne au sol. qui est un défi."

Aerostar a lancé plus de 3 000 ballons à haute altitude ces dernières années (Crédit : Aerostar)

Faire fonctionner ces instruments électriques à plus de 20 km au-dessus de la surface de la Terre n'est pas facile non plus. "La plupart des avions d'aujourd'hui fonctionnent toujours avec des combustibles fossiles", déclare Van Der Werff. "Lorsque vous brûlez du carburéacteur, vous disposez de beaucoup d'énergie. La plupart des capteurs électroniques, les équipements de communication conçus pour les avions consomment beaucoup d'énergie, car la puissance n'est tout simplement pas une grande contrainte sur la plupart des avions."

Les instruments portés par ballon nécessitent une solution différente.

"Nous absorbons toute notre énergie solaire pendant la journée, chargeons les batteries, puis dérivons la nuit et les batteries", explique Van Der Werff. "Et puis, lorsque nous manœuvrons le ballon de haut en bas, nous utilisons un compresseur électrique qui peut tirer jusqu'à 800 W. Il existe une véritable contrainte de conception concernant la consommation d'énergie des capteurs du kit, du kit de communication."

Comment contrôler un ballon comme celui-ci ?

Changer la trajectoire d'un ballon à de telles hauteurs est également difficile. Van Der Werff dit que la meilleure façon est de déplacer le ballon de haut en bas, où il peut profiter des propriétés uniques de la stratosphère. "C'est ce qu'on appelle la stratosphère parce qu'il y a différentes couches de propriétés atmosphériques différentes. Ce que nous avons découvert en pilotant tous ces ballons, c'est qu'à ces différentes altitudes, il y a en fait une assez grande diversité dans la vitesse et la direction du vent. Vous avez ces différentes couches où le vent souffle dans des directions différentes."

Une grande partie de cela était inconnue jusqu'à il y a quelques décennies, et les scientifiques et les ingénieurs utilisent des algorithmes pour tenter de prédire la configuration des vents stratosphériques.

Cela signifie que même si un ballon ne peut pas "flâner" comme un avion peut le faire en volant sur un circuit autour d'un point fixe, il peut tirer parti des différents modèles de vents entre ces couches.

Certains des ballons de Steve Randall ont parcouru jusqu'à 800 km (500 miles) (Crédit : Steve Randall)

"Si je peux modéliser et prédire avec précision la diversité des vents dans ces différentes couches de la stratosphère, alors je peux changer d'altitude et en quelque sorte persister sur une zone", explique Van Der Werff. "Et tant que je suis suffisamment proche de la chose que j'essaie de mesurer, d'observer, de communiquer - même si j'erre en quelque sorte sans but autour de ce point cible - je fournis un effet utile."

Le coût

Les ballons sont beaucoup moins chers qu'un satellite envoyé via une fusée - ce qui les rend non seulement commercialement viables, mais aussi dans le domaine des amateurs passionnés.

Steve Randall est l'un d'entre eux. Au cours des 15 dernières années, il a envoyé plus de 200 ballons près de chez lui dans l'est de l'Angleterre et participe à la gestion de la société de ballons à haute altitude Random Engineering. L'ingénieur à la retraite, qui construisait auparavant des fusées artisanales, explique qu'une partie de l'attrait est que c'est le plus proche qu'un membre ordinaire du public puisse toucher à l'espace.

"Le type de ballon en latex typique va probablement à environ 100 000 pieds (30,48 km)", dit-il. "Mon vol le plus haut était de 45 km (147 638 pieds). Cela vous donne une idée de ce qui est réalisable." Des vols plus élevés sont possibles – comme les Japonais l'ont prouvé en 2002 – mais cela s'accompagne d'un prix plus élevé.

"Une mouche en ballon en latex typique montera et le ballon grossira parce que l'atmosphère devient de plus en plus mince et que la pression chute", explique Randall. "Et donc il monte et monte et monte jusqu'à ce que vous obteniez ce point où il éclate. Ensuite, il parachute vers le sol."

La distance qu'ils peuvent parcourir en l'air les rend attrayants. Les ballons ne sont pas limités par le carburant ou la puissance de la batterie de la même manière que les drones ou les avions pourraient l'être. Cela peut signifier que même des ballons très simples peuvent parcourir de grandes distances dans les bonnes conditions de vent.

"Vous savez, cela pourrait aller, pendant les mois d'été, peut-être 10 miles (16 km)", explique Randall. "En hiver, cela peut faire 500 miles (800 km). J'ai personnellement fait atterrir des ballons en dehors du Royaume-Uni."

La montgolfière à haute altitude fait rarement la une des journaux comme elle l'a fait récemment, mais il y a au moins 1 800 ballons météorologiques lancés chaque jour par des stations météorologiques du monde entier. Beaucoup ont des notes demandant aux découvreurs de les rapporter à l'installation appropriée - certains offrent même une récompense.

"Je n'ai jamais perdu ma charge utile moi-même, j'ai tous ceux que j'ai lancés en arrière", déclare Randall. "Un vol en montgolfière montera, descendra, peut-être à 80 km, et vous le récupérerez quelque part dans le champ d'un agriculteur. Parfois, il atterrit sur un arbre et vous devez retirer les poteaux et le tirer vers le bas."

Un seul de ces ballons sur les plus de 200 qu'il a lancés n'a pas pu être récupéré car il avait atterri trop haut dans un arbre - "escalader, vous savez, un arbre de 15 mètres pour essayer de le récupérer était un peu trop" - mais au moins il savait où il avait fini.

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