Projet 4146

"le vol météorologique de Teisserenc de Bort de l' observatoire de Trappes"

EDUCATION

Baillargues Hérault :

Vol à très haute altitude en cerf-volant

partenaires : Éducation nationale, ministère de la défense nationale, DRJS, METEO France, Conseil général de l'Hérault, FFVL, CDVLH 34, Ligue de vol Libre, DGAC, Office du Tourisme et ville d'Agde, cordes BEAL, Courrier du Midi, Midi Libre, Vol Passion, Christian Simon (ingénieur), Bastien Defive et Nicolas Chorrier (photographes professionnels).

Les projets pédagogiques « cerfs-volants » sont une longue tradition, (plus de 5 ans) au collège du Bérange à Baillargues. Cette année encore c’est du « sur mesures » qui a été demandé à l’association OK Mistral par l’équipe pédagogique de l’établissement. :
« …nous avons une classe de 25 élèves de 4éme, composée d’adolescents en difficulté. Notre objectif est de leur redonner goût à apprendre en nous appuyant sur un support concret. Nous souhaitons des applications transversales en mathématiques, technologie, arts graphiques, géographie et français. Nous souhaitons aussi un projet fédérateur qui permette de réaliser une cohésion de la classe et qui soit un lien vers l’extérieur et les relations avec le social et l’institutionnel (démarche citoyenne)… »

Après réflexion et travail avec l’équipe pédagogique nous avons présenté aux élèves le défi suivant :

« … nous allons réaliser ensemble une expérience qui permettra de prouver scientifiquement l’efficacité d’un cerf-volant dans des conditions extrêmes. L’objectif est de mettre au point un cerf-volant capable de résister aux tempêtes pour pouvoir être proposé à des applications de télé transmission, d’assistance en mer ou de mesures météorologiques. Nous allons relever le défi, ensemble, de faire voler ce cerf-volant à plus de 4000 m… ».

Le projet s’est ainsi organisé sur plusieurs séances de travail dans les locaux du club école OK Mistral à St Martin de Londres (34). Après une première journée théorique, informative et plutôt axées sur une découverte de l’objet cerf-volant (une première pour la quasi totalité des élèves), la classe s’est mise au travail.

• Travail de recherche: compiler les informations et les différente théories de cerfs-volistes de tous pays sur l’aérodynamique appliquée aux parafoil.
• Travail de calcul et de comparaison : analyser les différents profils aérodynamiques utilisés dans la conception d’ailes d’avion et de parapentes.
• Travail de conception : définir des critères de choix selon le cahier des charges et réaliser les gabarits de 18 prototypes prenant en compte 18 variantes.
• Travail d’expérimentation et d’analyse : conception d’une procédure expérimentale et de tableaux comparatifs afin d’analyser les résultats des essais.
• Travail de communication et de relation publique : réaliser un dossier de sponsorisation, contacter et convaincre les partenaires institutionnels, communiquer autour du projet…etc.
• Travail de gestion : trouver les moyens logistiques et financiers pour faire aboutir le projet et gérer ces moyens.

A partir de ces axes de travail les élèves ont réalisé les 18 prototypes selon une organisation et des méthodes d’entreprises de voilerie : préparation des outils, approvisionnement des matériaux, poste de découpe, poste d’assemblage, poste de couture, poste d’accastillage, poste de contrôle… Le groupe a ainsi été conduit à se structurer, à rechercher les compétences, à désigner et à accepter les responsables de chaque poste de l’élaboration du produit. C’est ainsi que nous avons vu les garçons prendre en charge la couture, tâche qui avait été jugée par eux, initialement, comme un « truc de filles ».

Une contrainte de temps a aussi obligé le groupe à s’auto discipliner et à accepter un investissement personnel accru . Situation qui a conduit à des choix comme l’impasse sur les poses et le raccourcissement des moments de détente.

Les tests ont nécessité un protocole prenant en compte les prévisions météo, l’aérologie locale du site de vol (la base fédérale « cerfs-volants » de St Martin de Londres). Des instruments de mesure ont été adaptés aux tests ; lunette de

mesure d’angle, peson électronique. Deux prototypes sont sortis du lot et les tests réalisés par des conditions météo dures (tramontane de 70 à 90 km/h) ont conduit à aussi évaluer les queues stabilisatrices. Expériences comparatives qui ont conduit à innover et à inventer un système à godet d’une efficacité remarquable (système remarqué en Italie aux festivals de Ferrara et de Castiglione et qui a été adopté par des dizaines de cerfs-volistes en Europe).
Le 22 février 2002 le prototype « flowform N°5 » de 1,3 m2 a réussi un vol de 50 minutes par un vent de 153 km/h à Villeneuve les Avignon (données Météo France). Fort de ces résultats la classe s’est mise au travail pour réaliser le cerf-volant opérationnel de 9 m2 destiné à emporter des instruments de mesure à plus de 4000 m.
Autre challenge cette fois, pour lequel, avec les élèves nous avons été amené à choisir un site selon des contraintes administrative, réglementaire ‘DGAC) et aérologiques… Les solutions à ce casse tête nous ont été apportées par la Fédération Française de Vol Libre et par son vice-Président Jean Michel Payot qui fut le médiateur pour obtenir le partenariat de l’armée et l’accueil du projet sur la base de Canjuers.
Fin juin tous les élèves l’équipe technique et pédagogique d’OK Mistral et du collège se sont rendus sur la base. Pour la majorité des enfants cette « sortie » de plusieurs jours était une première .
Briefing avec le commandant, consignes, sécurité, règlement militaire, repas au mess, hébergement dans le casernement…furent autant de règles nouvelles pour découvrir efficacement et concrètement un autre milieu.
Contraintes nouvelles et adaptation difficile ; la première journée et la première nuit furent épiques mais la responsabilisation du groupe et l’auto discipline se sont parfaitement mis en place ensuite.

Le projet est à ce jour en cours de finalisation, les conditions météo n’ayant pas permis le vol espéré. Une autre campagne est prévue avant Pâques. A ce jour nous n’avons pas le recul nécessaire pour quantifier le succès de cette initiative dans la réinsertion scolaire des jeunes. Le bénéfice est cependant évident pour nous enseignants et animateurs techniques, le comportement individuel et collectif de cette classe a été profondément modifié : respect, partage et solidarité, acceptation des règles de vie en commun…etc.
Par ailleurs les professeurs ont vu l’intérêt de leurs élèves grandir pour les applications concrètes en rapport avec le projet. De ce constat nous pouvons parier qu’il restera un message positif dans la tête de ces enfants et que ce message les aidera dans leur construction et leurs apprentissages à venir.

Ce constat s’est vérifié par le passé et nous pouvons imaginer que le projet de l’année 2005 ne fera pas exception.

JM Baso et M. Trouillet

DOSSIER TECHNIQUE

Projet technique et pédagogique
Collège de Baillargues (34)
Club école de la FFVL OK Mistral de St Martin de Londres

La sécurité d' un vol de cerfs-volants à très haute altitude

Altitude et circulation aérienne
Espace D142 = 3000m = activité militaire
Espace D 121 Alpha = 3000m à 55 m = entraînement au combat.
Espace R 108E1 = 1500 à 5500 = vols d' essais et tactiques militaires
Espace AIRWAY = + 5500m = lignes civiles
(Montpellier / Perpignan, Ajaccio / Toulouse et Bagur / Mende)
Volume de protection

Zone tampon 1852 mètres (1 nautique)

Zone frontale
9000 mètres amarrage nord / vol sud , orientation nord du vent

Zone latérale
13000 mètres est / ouest
270°/60°/300°=orientation par rapport au Nord
Zone tampon de 1000 mètres en altitude pour compenser le Delta ISA (tolérance altimètres)
Niveau de vol 190 = 17600 pieds

Les démarches administratives

Les démarches administratives

. ZRT (zone technique) demandée et obtenue auprès des services de l’aviation civile
· Couverture responsabilité civile (Fédération de vol libre)
· Services de la police municipale d’Agde contactés
· Capitainerie et CROSSMED alertés et procédure en cas d’incident .Affaires maritimes
· Zone technique sur le parking « Grand Large » du centre nautique réservée (SODEAL office du tourisme du Cap d'Agde)

 

Conditions techniques et matériel

Densité de l' air au sol = 1250 g / m3
Densité de l' air à 5000 mètres 700 g / m3
Charge totale (CV+cordes+plate forme technique) 55 kg
Surfaces portantes des du CV1 (flowform) : 9 m2 Surfaces portantes des du CV2 (Oulianine) : 10 m2 Conditions aérologiques estimées : 40 à 60 km/h au sol et 60 à 90 km/h à 5000 mètres
câble de kevlar d’une résistance de 500 kg, longueur totale = 8500 mètres
Angle du câble à l’apogée : entre 45° et 60°
Effets de la traînée sur le câble : flèche à 1/3 du câble (+/- 3000 mètres) de -5 a -10° selon la force du vent.

 

Calendrier

Samedi 15 janvier 2005 entre 10h et 17h
Samedi 22 janvier 2005 entre 10h et 17h

Situation

École de voile /plage Richelieu / Cap d’Agde

site d’envol et zone active

Compte rendu 2005 tentative du 15 janvier au Cap d'Agde

Un premier groupe de 8 élèves accompagnés de 3 professeurs (EPS et technologie ) se sont rendu sur le site de vol samedi matin à 10 heures. Une équipe du club Ok Mistral composée de Christian Simon ingénieur en télé transmissions, Michel Trouillet concepteur et conseiller technique du projet et 8 membres de l' association se sont réunis pour assurer le support technique de l' expérience.

à 11h15 nous avons prévenu le chef de tour à la DGAC de Montpellier, la ZRT à pu être amorcée à 11h 45. Nous avons pu, en attendant, réaliser un briefing des jeunes et de leur encadrement : évaluation des conditions météo (vent de nord est force 2 à 3), sécurisation de l' espace, signalétique, équipements de protection ( mousquetons, jumards, poulies, gants, points d'ancrages...etc). Avec le professeur d'EPS nous avons établi une procédure de retour du câble par affalement de la ligne avec les renvois de poulies et un relais par équipes de 2 opérateurs (force du vent assez moyenne, 15 à 30 kg de traction estimée). Après avoir montré, aux élèves , les cartes et le NOTAM de l' aviation civile, nous avons renouvelé les consignes de sécurité, l' expérience a pu débuter. Nous avons choisi d' utiliser le porteur "grands vents", un flowform de 9m2, pour tester les capacités de notre nouvelle équipe et évaluer les conditions aérologiques. Après un vol à 400 mètres, environ, nous avons estimé que l' utilisation d' un Oulianine (cerf-volant Russe d' observation militaire utilisé en 1914) serait plus adapté.

La technique d' affalement par poulies et les jeunes opérateurs ont fait merveille: moins de 10 minutes pour le retour du cerf-volant et le re bobinage de prés de 1000 mètres de Kevlar.

Après fixation des sondes et du GPS à l' intérieur d' un coffret isotherme, nous avons débuté l' ascensionà 12h15. A 13h nous avions déroulé 1800 mètres de câble, environ. Un cisaillement de sud a commencé à dévier le vol du cerf-volant. Le câble de kevlar orienté nord/est, sud/ouest sur une distance de 1000 mètres environ a formé une vrille pour s' orienter avec le porteur plein sud. A 13h 30 nous nous sommes retrouvés à la perpendiculaire des sorties du Cap d'Agde. Nous avons décidé d' interrompre l' expérience, nous retrouvant hors ZRT.

A 14h30 le vent s' est établi plein nord avec une force de 3 à 4 Beaufort. Nous avons décidé un nouveau vol avec impératif de descente pour 16h. Cette tentative nous permettait 45 minutes d' ascension pour 30 minutes de descente du matériel. A 15h30 nous estimions avoir déroulé 2000 mètres de câble. La couche d' air nord./sud étant peu active nous avons plafonné à une altitude de 500 mètres. La tension du câble était de 30 kg (environ) jusque 500 mètres et de 20 à 10 kg au delà. L' angle de vol était de 35° avec une flèche de 10° environ sur prés d' un tiers du câble déroulé.

A 16 heures précises nous avons désactivé la ZRT en contactant le chef de tour. Nous avons signalé le passage à 15h30, dans la ZRT et à 500 mètres du câble, d' un petit avion de tourisme (direction SO / NE).

Aucun incident n'été à déplorer la préparation logistique et administrative ayant permis de sécuriser l' expérience. Les jeunes ont eu un comportement exemplaire et manifesté un enthousiasme qui nous a réjouis. Les enseignants ont eu des retours qui vont motiver la nouvelle équipe prévue le 22 janvier.

Nous espérons que les conditions seront propices. Nous estimons , à présent, avoir besoin d' un vent de nord est / nord ouest de force 5 à 6 sur 5000 mètres d' altitude, pour réussir ce projet préparé depuis 4 ans.

Le relevé GPS optimum de l' expérience du 15 janvier

Header_ Position_ Time_ Altitude_ Depth Leg_ Length Leg_ Time_ Leg Speed_ Leg Course

Trackpoint N43 16 21.8 E3 30 730.3 15/01/2005 12:10:20 12.4 m 00:00:04 11 kph 60° true
Trackpoint N43 16 21.8 E3 30 730.4 15/01/2005 12:10:21 3.18 m 00:00:01 11 kph 49° true
Trackpoint N43 16 21.9 E3 30 730.5 15/01/2005 12:10:22 3.34 m 00:00:01 12 kph 51° true
Trackpoint N43 16 22.0 E3 30 730.6 15/01/2005 12:10:24 5.54 m 00:00:02 10.0 kph 36° true
Trackpoint N43 16 22.3 E3 30 730.3 15/01/2005 12:10:30 17.1 m 00:00:06 10 kph 60° true
Trackpoint N43 16 22.5 E3 30 730.6 15/01/2005 12:10:34 8.44 m 00:00:04 7.6 kph 56° true
Trackpoint N43 16 22.6 E3 30 730.8 15/01/2005 12:10:37 6.52 m 00:00:03 7.8 kph 50° true
Trackpoint N43 16 22.7 E3 30 730.0 15/01/2005 12:10:39 5.62 m 00:00:02 10 kph 54° true
Trackpoint N43 16 22.7 E3 30 730.1 15/01/2005 12:10:40 2.41 m 00:00:01 8.7 kph 67° true
Trackpoint N43 16 22.7 E3 30 730.3 15/01/2005 12:10:41 3.26 m 00:00:01 12 kph 90° true
Trackpoint N43 16 22.7 E3 30 730.4 15/01/2005 12:10:42 2.84 m 00:00:01 10 kph 96° true
Trackpoint N43 16 22.7 E3 30 730.5 15/01/2005 12:10:43 2.35 m 00:00:01 8.5 kph 112° true
Trackpoint N43 16 22.6 E3 30 731.7 15/01/2005 12:10:46 4.44 m 00:00:03 5.3 kph 118° true

Compte rendu 2005 tentative du 22 janvier au Cap d'Agde

Nous avons repris position sur le site à 9h 15 aprés avoir avertit le chef de tour à l'aéroport de Fréjorques. La ZRT étant prévue à 9h45 nous avons mis en place le treuil et effectué des amarrages robustes par cordages et chevillages dans le terre plein du parking.

L' orientation du vent au niveau du sol était plein Ouest . La vitesse du vent à 9h30 était de 40 km/h établi avec des rafales à 60 km/h.

Le groupe des élèves de Baillargues et leurs professeurs sont arrivés à 9h45. Plusieurs représentants des clubs de Toulouse se sont joints à nous pour participer à l'expérience Les médias Midi Libre et M6 ont répondu à notre sollicitation pour relater l' événement.

Aprés avoir fixé les poulies de renvoi, nous avons décidé de tester en vol l'Oulianine de 10 m2. En raison de la force du vent et pour éviter le coup de boutoir du décollage dans la fenêtre de vent, nous avons positionné deux opérateurs, de part et d' autre d' une poulie, située à mi course des 100 mètres de câble déroulés pour l' envol. Treuil bloqué ; le vol a pu démarrer. L'Oulianine s' est envolé à une vitesse et avec une force surprenantes. Les deux opérateurs ont été soulevés du sol (160 kg). Une fois le cerf-volant au zénith nous avons constaté une force de traction estimée à prés de 200 kg.

La décision de changer de porteur a été prise. Aprés avoir affalé l'Oulianine nous avons re préparé l' envol avec le flowform de 9 m2 conçu et réalisé avec le collège. L' envol a commencé vers 10h15 et le déroulement du câble a pu commencer. Nous avons déroulé le câble sans interruption pendant prés de 2 heures. A 13 heures nous sommes parvenus à mi bobine, soit 4250 mètres. La force du vent et la traction du cerf-volant , ajoutés à la traînée du câble ont développé une force estimée à plus de 100 kg. De 13h à 14h30 nous avons encore déroulé 1400 mètres de câble sans parvenir à gagner de l' altitude. Le vent au sol était alors à 60 km/h établi avec des rafales de 90 à 100 km/h. La traînée du câble était si importante que l' angle par rapport au treuil était de 10° sur une distance d' environ 1000 mètres. La courbure du câble devenait exponentielle au delà de cette distance. Depuis midi le cerf-volant était invisible et très difficilement détectable avec les jumelles.

A 14h30 nous avons décidé d' interrompre l' expérience pour rester dans les recommandations du NOTAM.

Nous avons été confronté au problème de manipulation du câble au retour, avec impossibilité d' effectuer les blocages avec les coinceurs et les jumars. La force de traction dépassait les 150 kg et la structure glissante du kevlar interdisait toute préhension . Aprés concertation , une procédure utilisant deux véhicules et un jeu de poulies d' escalade fut adoptée. Les premières manipulations, quelque peu laborieuses se sont au fil de leurs répétitions , améliorées. A la 5éme manipulation une équipe de 12 personnes (élèves tous mobilisés) permettait le retour et le stockage de prés de 150 mètres de ligne en moins de 5 minutes. Nous avons effectué de 15h à 17h30 39 manoeuvres et ramené prés de 6000 mètres de câble. A 17h15 nous avons prévenu la tour de contrôle et la fin de ZRT a pu s' effectuer à 17h30.

La fin de l' expérience fut marquée par une grande déception, le GPS s' étant mis en veille pour une raison inconnue.

Notre estimation d' altitude ne peut dont être qu'aproximative. Au regard de l' expérience validée du samedi 15 avec 731 mètres nous estimons avoir dépassé les 2000 mètres.

DEBRIFFING:

Les points positifs: la facture du matériel (cerfs-volants et le câble réalisé par BEAL) s' est révélée fiable et cela malgré des conditions aérologiques extrêmement dures.

La cohésion du groupe et la mise en commun des idées pour gérer un vol délicat techniquement et sécuritairement fut efficace.

Les enseignements de cette expérience, bien qu 'empiriques en raison des défaillances de la technique, ont modifié notre approche du vol à très haute altitude, Les premières analyses et résolutions, pour poursuivre le projet jusqu 'à sa complète réalisation, peuvent dés à présent être formulées.

Les difficultés et les lacunes: Le treuil bien que robuste est inadapté à la manoeuvre d' un câble de kevlar de 3 mm en tension de plus de 100kg. Le flowform de 9 m2, bien que d' une stabilité et robustesse surprenantes ne permet pas de contrer la force du câble (poids/traînée). La technique de retour bien qu'efficace se révèle lourde et contraignante pour sa mise en oeuvre et n'offre pas toutes les conditions de sécurité.

L' avis des spécialistes:

Conditions météo: un vol record ne peut être effectué en conditions fortes ou extrêmes (vents supérieurs à 4 Beaufort), en raison de l' importance de la traînée sur le câble de retenue. A noter qu 'une longueur de 8500m de câble de 3mm de section offre une résistance à l' air de plus de 24 m2. Pour lutter contre cette force, il serait nécessaire d' utiliser un flowform de prés de 20m2. La limite de résistance du câble de 500 kg à la rupture serait sans aucun doute dépassée.

les conditions idéales pourrait être un régime de brises en basses couches et un courant laminaire plus soutenu en altitude. Conditions similaires rencontrées lors du record établi au Canada avec un vol à 4145 mètres. A noter que le facteur chance restera un élément de ce type de tentative et que les vols réalisés à ce jour à Trappes en 1896 et au Canada ont utilisé de la corde à piano comme fil de retenue (traînée moindre).

Choix des cerfs-volants : L'Oulianine reste un cerf volant efficace de 20 à 40 km/h, au delà la déformation des structures entraîne des vibrations de la voilure et donc des traînées qui affectent l' angle de vol.

Un cerf-volant générant moins de traînée serait adapté aux conditions requises pour la prochaine tentative. Un Rokkaku ventilé ou un Delta équipé d' un système "anti-piqueur" pourraient s' avérer efficaces. La surface de ces cerfs-volants devrait au moins être égale à 12 m2. Un système avec amortisseur sur les brides arrières doit doit être prévu afin d' éviter les a-coups et le risque de rupture du câble de retenue.

Manipulation du câble: Le treuil de stockage ne peut être soumis directement à la traction du cerf-volant. Un guindeau motorisé avec guides câbles et frein devra être conçu et réalisé selon un cahier des charges précis.

Mesure de l' altitude: plusieurs méthodes seront utilisées: par triangulation à l' aide d' une lunette de visée de type astronomique et un compteur du déroulement du câble. Par enregistrement GPS, par altimètre enregistreur (si cet appareil existe). par transmission au sol des données en temps réel.

Appel à partenaires: Nous recherchons, pour poursuivre ce projet, un lycée technique pouvant réaliser le treuil, des spécialistes pouvant se charger des appareils de télé mesure.

 

L' aventure continue, RV dans un an...

reportage aérophotographique de Nicolas Chorrier