6 Décembre 2012

La nacelle CARMEN

Le hall d'intégration Ballons du CST abrite dans ses murs depuis quelques jours, une nouvelle pensionnaire : la toute récente nacelle CARMEN…

CARMEN, le concept ...

CARMEN est une nacelle d’emport sous ballon stratosphérique d’instruments scientifiques, ayant la particularité, grâce à sa modularité, de pouvoir être adaptée à l’accueil de multiples hôtes candidats au vol.

En effet, jusqu’alors, les charges-utiles scientifiques étaient logées dans des nacelles dédiées (spécifiquement conçues autour de l’instrument et donc, difficilement réutilisables).

Un exemple est la nacelle PILOT (cf. Figure 1). En outre, dans le cas de vols embarquent plusieurs instruments (certains installés directement dans la chaîne de vol), les masses des différentes nacelles d’emport s’additionnaient….

Or, l’ennemi du vol sous ballon est bien la masse inutile !

A l'origine de CARMEN ...

Si l’idée de disposer d’une nacelle générique multi-instruments incubait depuis quelques années, l’occasion de son développement s’est présentée dans le cadre de la préparation du vol de qualification de NOSYCA, le nouveau système de commande/contrôle des ballons stratosphériques ouverts (BSO).

Le plan de qualification NOSYCA prévoit, en effet, la réalisation d’un vol dans les conditions opérationnelles maximales ; pour ce faire, il est nécessaire de positionner une charge en bout de la chaîne de vol, de caractéristiques identiques (notamment en masse : 1 100 Kg) à celles de la NCU (Nacelle Charge-Utile) PILOT, nacelle candidate au premier vol opérationnel de NOSYCA.

De fait, plutôt que d’installer une gueuse(1) pour simuler la NCU, l’équipe Nacelles Pointées de la sous-direction Ballons a préféré « faire d’une pierre deux coups » et élaborer une nacelle générique qui, outre sa capacité à simuler la masse de PILOT, permettra l’emport de quelques passagers, dès ce premier vol (cf. Figure 2).

(1)Pièce en matériau dense servant de lest.

Les caractéristiques de CARMEN

Les deux grands axes qui ont présidé au développement de CARMEN sont sa forte modularité et son volume d’emport (maximisé pour permettre l’accueil du plus grand nombre d’instruments) ; en effet, il est avéré que les instruments « clients » présentent une plus grande contrainte en encombrement qu’en masse.

Sur la base de l’expérience acquise par la sous-direction Ballons, CARMEN a été développée à partir de la technique d’assemblage en « barres/boules » (cf. Figure 3).

D’une masse à vide de 275 Kg, son volume est composé de 4 plateaux en Nida amovibles, permettant l’accueil des plus grosses charges-utiles (elles-mêmes de taille variable) ; chaque plateau pouvant supporter une masse de 100 kg, le volume occupé par une seule charge-utile pourra atteindre une masse de 400 kg.

De plus, les alvéoles qui composent les murs extérieurs de la nacelle peuvent elles-mêmes accueillir au total 400 kg d’instruments scientifiques ou de servitude.

On entend ici par servitude les équipements permettant la distribution électrique offerte à tous les passagers, le pointage fin de la nacelle, la TM/TC (2), voire, les équipements de maîtrise thermique globale de la nacelle.

Notons que ces dernières fonctionnalités ne seront disponibles que dans les versions ultérieures au vol de qualification NOSYCA.

Enfin, de nombreux points d’ancrage rendront aisé l’assemblage des charges-utiles dans leur logement de destination.

(2)Télémesure/Télécommande

La première mission : la qualification NOSYCA

Nous l’avons vu, la préparation du vol de qualification de NOSYCA a été l’élément déclencheur du développement de CARMEN.

La masse de 1 100 Kg à atteindre sera ventilée en 400 Kg de lest « mort » répartie dans les murs de la nacelle et en diverses charges utiles, à hauteur de ~ 400 Kg, positionnées sur les plateaux parmi lesquels :

• Le senseur d’étoile diurne ESTADIUS dont ce vol devrait permettra la qualification ; c’est d’ailleurs la présence de cet équipement qui pilote le plan du vol ;

• Les équipements électriques de l’instrument PILOT ;

• Diverses expériences de nos nouveaux partenaires canadiens (caméra embarquée, technologie panneaux solaires, etc.) ;

• Des instruments scientifiques dont les laboratoires concepteurs ont accepté le risque que constitue un vol de qualification ;

• Des expérimentations technologiques appartenant au CNES.

Ce vol se déroulera courant 2013, à partir de la nouvelle base de lâcher de ballons de Timmins, au Canada.

De multiples avantages … et quelques limitations

Les dimensions, la capacité d’emport et l’offre de service à bord ont été spécifiées au départ sur la base de plus de 40 années d’expérience de vols sous ballons BSO.

Nul doute que de nombreux « clients » scientifiques apprécieront d’être déchargés d’une partie des contraintes de sauvegarde liées à :

  • la certification mécanique de la nacelle d’emport (3) qui sera de responsabilité CNES ; un autre avantage significatif de la généricité de CARMEN étant que la démonstration d’intégrité de la nacelle d’emport (simulations, essais, etc.) ne sera effectuée qu’une fois ;
  • la démonstration de non-propagation de panne électrique vers les organes de pilotage du ballon (fonction critique) ;

et

  • • l’évitement d’incendie à bord, risquant de conduire à la rupture des sangles de la chaîne de vol ; en effet, les protections électriques seront gérées par les servitudes de la nacelle d’emport.

(3)Ce qui ne les dédouanera pas, cependant, de la certification mécanique de leur instrument (garantie d’intégrité au cours du vol).

Reste un inconvénient, inhérent à la généricité de la nacelle : les instruments embarqués devront requérir un profil de vol similaire ou, pour le moins, non contradictoire : l’altitude du plafond de vol, notamment sera le même pour tous les passagers, de même que la durée de la mission, des objets visés dans le cas d’un pointage, les horaires de vol (jour, nuit ou en transition jour/nuit)…

Et, pourquoi "CARMEN" ?

Ses concepteurs ont voulu donner à cette nacelle du caractère, voire une certaine grâce … dotée par conception de multiples atouts pour séduire et d’une versatilité de fait, un nom faisait pour eux, une synthèse de toutes ces qualités : CARMEN