L’Aéroclipper

J.P. Duvel, janvier 2010


Les cyclones tropicaux occasionnent de fortes pluies et des vents violents qui sont une menace considérable pour les régions côtières de nombreux pays tropicaux et subtropicaux. Une meilleure surveillance et une meilleure prévision de ces phénomènes est d'une importance capitale pour fournir des alertes précoces aux populations concernées. Il est toutefois très difficile d’obtenir des mesures in situ en temps réel dans les cyclones tropicaux, en particulier sur les régions océaniques éloignées. Les mesures par avion sont relativement rares, chères, et sont effectuées uniquement pour certains bassins. La plupart des informations recueillies en temps réel par les Centres Météorologiques Régionaux spécialisés (CMRS) viennent actuellement des observations par satellite et sont entachées de nombreuses incertitudes. Il existe donc une réelle demande d'observations des paramètres de surface (pression, vent, température, humidité) dans les environs et, a fortiori, dans l’œil des cyclones tropicaux. Ceci est nécessaire pour une surveillance en temps réel, et pour évaluer et améliorer les modèles numériques utilisés pour la prévision des cyclones.

En janvier et février 2007 des résultats très prometteurs ont été obtenus dans ce sens pendant la campagne expérimentale Vasco. Cette campagne a en effet démontré qu'il est possible d'introduire un ballon instrumenté, l’Aéroclipper, dans l'œil d'un cyclone afin de mesurer l’évolution des paramètres dans la couche atmosphérique de surface (~50m) en temps quasi réel, et pour toute la durée de vie du phénomène. Au cours de la phase de convergence dans l'œil, ces ballons donnent également des observations directes du vent de surface et des paramètres thermodynamiques dans le voisinage du cyclone. Les Aéroclippers pourraient donc être un outil extrêmement intéressant pour le suivi et la prévision des cyclones par les différents CMRS.

Mais qu’est-ce qu’un Aéroclipper ?

Nous allons donner ci-dessous une description de ces ballons et un historique de leur développement.

Les premiers développements

Les premiers développements ont été réalisés à la sous-direction ballon du CNES par Christian Tockert. A l’origine, ce moyen de mesure in situ était destiné à l’étude des structures dynamiques de grande échelle à la surface dans les zones où le réseau d’observation est très peu dense. Ce premier Aéroclipper était constitué d’un ballon tétraédrique fermé de 6 à 7 mètres d'arête, gonflé à l’hélium et stabilisé verticalement à une hauteur de 60 m par un guiderope. La forme tétraédrique du ballon avait été choisi pour avoir un plus fort coefficient de traînée (une meilleure prise au vent et donc une trajectoire plus « lagrangienne ») comparé à un ballon sphérique d’égal volume. De plus, ces ballons tétraédriques sont peu coûteux et beaucoup plus faciles à réaliser.

Le guiderope est un simple tuyau fixé au bas de la chaîne de vol, mais c’est l’élément primordial de l’Aéroclipper, celui qui lui donne toutes les caractéristiques intéressantes. Le guiderope flottant à la surface de l’océan maintient en effet le système en équilibre archimédien et force ainsi le ballon et les instruments à rester près de l’océan, dans la couche de surface atmosphérique. Avec un guiderope, toute diminution (augmentation) de la poussée verticale du ballon est compensée par le dépôt (le soulèvement) d’une masse correspondante de guiderope. Le guiderope fonctionne donc comme un lest automatique, s’allégeant quand le ballon descend, s’alourdissant lorsqu’il monte. Le guiderope sert également de support pour le montage de nacelles atmosphériques ou océaniques.

Trois prototypes d’Aéroclipper, équipés d'un capteur de température de la mer, ont été lancés de Madère en juin 2000. Cette expérience a permis de qualifier le concept du ballon à guiderope, aussi bien pour les parties aérienne et océanique du véhicule que pour l'électronique de traitement et de transmission des données par satellite (positionnement par GPS et transfert des mesures par le système Argos). Pendant ces vols, les Aéroclippers ont subi des vents supérieurs à 10ms-1 et ont bien résisté aux fortes turbulences créées par le passage du vent de nord-est sur le relief de l’île de Madère.

Cette configuration de l’instrument a donc servi de base pour le développement d’un aéroclipper instrumenté.

Les campagnes Vasco

L'objectif de l’expérience Vasco (Variabilité Atmosphérique intrasaisonnière et Couplage Océanique) était de mesurer la perturbation des flux à l’interface océan atmosphère au sein des oscillations intrasaisonnières tropicales. Ces oscillations (30-60 jours) sont associées à des systèmes convectifs (ou amas orageux) organisés sur des échelles de plusieurs milliers de kilomètres. En hiver (de janvier à mars), ces oscillations se déplacent vers l’Est au sud de l’équateur dans la région Indo-Pacifique. Les campagnes Vasco étaient localisées dans l’Océan Indien, région de naissance de ces perturbations où le couplage Océan Atmosphère joue un rôle particulièrement important. Pour Vasco, les Aéroclippers présentaient un double avantage. D’une part, ils permettent d’explorer de vastes régions océaniques en décrivant la dynamique de grande échelle. D’autre part, étant dans la couche de surface, les Aéroclipper sont attirés sous les systèmes convectifs par la convergence de basse couche qui leur est associée. L’utilisation d’Aéroclippers permet donc d’optimiser la mesure de la perturbation des flux à l’interface occasionnée par ces systèmes convectifs.

À la suite de discussions entre le Laboratoire de Météorologie Dynamique (LMD) et le CNES, une coopération a été décidée pour le développement d’une instrumentation atmosphérique et océanique, dite physique, des Aéroclippers. Cette instrumentation avait pour but de mesurer les paramètres atmosphériques et océaniques à la surface de la mer et d'estimer les flux turbulents de moment (tension de vent à la surface), de chaleur sensible et de chaleur latente (évaporation).

Ces Aéroclippers Vasco emportaient trois nacelles. La nacelle de servitude permettait principalement de localiser le ballon par GPS (Global Positioning System) et de transmettre l’ensemble des mesures par le système Argos. Cette première nacelle embarquait aussi un système assurant la sécurité, capable de commander la séparation du ballon et du guiderope lorsque l’Aéroclipper aborde une région « interdite » (les côtes principalement) ou au bout du maximum de temps de vol autorisé (30 jours).

La nacelle atmosphérique, elle-même équipée d’un système GPS, emportait des capteurs pour la mesure de la température, de l’humidité de l’air, du vent relatif (par rapport au déplacement de l’Aéroclipper) et de la pression. On peut ici noter un autre avantage de l’Aéroclipper. En effet, par construction, les effets de structure de l’Aéroclipper sont petits comparés à ceux d’autres plates-formes comme les bateaux ou les bouées ; les mesures sont donc plus fiables car moins perturbées par l’environnement.

La nacelle océanique, située à l’extrémité du guiderope, était équipée de capteurs pour la mesure de la température à 10 cm de profondeur, de la température et de la salinité à 40 cm de profondeur. Cette nacelle emportait également un capteur de vitesse par rapport à l’eau.

Des aménagements nécessaires

Des tests du nouveau système on été effectués à Aire sur l’Adour pour la détermination de la traînée du ballon tétraédrique et à liège pour la détermination de la traînée hydrodynamique de l’ensemble guiderope-nacelle océanique. D’autres tests effectués à Banyuls ont montré que l’ensemble du système réagissait bien, et conformément au modèle dynamique conçu au LMD, tout du moins avec les vents inférieurs à 7ms-1 rencontrés lors de cette campagne de test.

En fait, il n’est pas simple de tester ces instruments par vent fort. Il faut tout d’abord que la période prévue (longtemps à l’avance) pour les tests correspondent effectivement à des situations de vents forts. Ensuite, ces campagnes de test se font forcément près des côtes où la sécurité impose que l’on suive et que l’on récupère le ballon. Ceci est très loin d’être simple. Même avec un vent de 7ms-1, le comportement du ballon tétraédrique est très chaotique et sa récupération est assez sportive.

Figure 1 : Déploiement d’un Aéroclipper tétraédrique depuis Mahé en janvier 2006.

Les seuls tests possibles doivent donc se faire sur l’Océan ouvert et sur des périodes suffisamment longues pour rencontrer toutes sortes de situations météorologiques. Cela était le but des campagnes probatoires Vasco de 2005 et 2006 dans l’Océan Indien. Pendant ces campagnes, les Aéroclippers de type tétraédrique ont hélas montré leur limite. Ces ballons ont trois gros défauts. Le moindre est leur comportement chaotique qui les rend difficilement manœuvrables pendant la phase de déploiement (fig.1). Ces ballons ne sont ensuite pas conçus pour rester captifs pour de longues périodes. Or, le ballon est semi captif pour un Aéroclipper car la traînée hydrodynamique du guiderope engendre un vent relatif permanent sur le ballon. Ce vent relatif fait faséyer les pointes du ballon tétraédrique et fragilise assez rapidement l’enveloppe, ce qui entraine une perte du ballon. Enfin, ces ballons n’ont aucune portance aérodynamique et donnent par conséquent des inclinaisons très fortes de la chaine de vol par vent fort. De telles inclinaisons étaient prévues et la nacelle atmosphérique avait été conçue en conséquence (anémomètre sur un cardant pour rester horizontal). En revanche, l’effet des fortes rafales sous les systèmes convectifs avait été sous-estimé. Ces rafales donnent de brusques inclinaisons et des battements de la chaine de vol qui peuvent entrainer la submersion et la perte des nacelles. L’ensemble de ces défauts réduisait la durée de vie du système à quelques jours seulement pour les conditions météorologiques rencontrées dans l’Océan Indien.

Vers un nouvel Aéroclipper pour les cyclones

Afin de sauver cet instrument et de pouvoir exploiter ses qualités potentielles, nous avons alors proposé de remplacer le ballon tétraédrique par un ballon profilé. Ce ballon profilé ne présente aucun des défauts du ballon tétraédrique. Il est facilement maitrisable lors des phases de déploiement car il et conçu pour rester stable sous l’effet d’un vent relatif sur sa structure. L’enveloppe ne faseye pas sous l’effet du vent et reste robuste plusieurs dizaines de jours. Enfin, sa caractéristique la plus importante est de posséder une portance vertical aérodynamique, c’est à dire qu’à l’instar d’une aile d’avion, un vent relatif horizontal entraine une force verticale sur le ballon.  Cette portance aérodynamique empêche les fortes inclinaisons du système et permet un soulèvement du guiderope (réduction de la traînée hydrodynamique) par vent fort. Ce dernier point est fondamental pour l’utilisation de l’aéroclipper dans les cyclones. En effet, les traînées hydrodynamique et aérodynamique, et donc les forces s’exerçant dans la chaine de vol, augmente comme le carré de la vitesse. Avec un long guiderope et une nacelle océanique traînant dans l’eau par vent fort, ces forces deviendraient vite trop grandes. Grâce à la portance verticale, l’ensemble du guiderope est soulevé pour des vitesses typiquement supérieures à 12ms-1, seule l’extrémité du guiderope (ou la nacelle dans le cas de Vasco 2007) surfe à la surface de l’océan et le vent relatif qui s’exerce sur le ballon sature à environ 6ms-1.

Cette nouvelle configuration (fig.2) a été testée avec succès en 2007. Deux Aéroclippers ont convergé jusqu’au centre de l’œil du cyclone DORA dans le sud-ouest de l'océan Indien (fig.3). Dans leur mouvement convergeant vers le centre de DORA, les Aéroclippers ont traversé la zone du mur de l’œil (avec des vent supérieurs à 45ms-1) avant de pénétrer dans l’œil et d’y rester ensuite jusqu’à la destruction du ballon commandée par minuterie.

Sur la base de ce résultat, la possibilité de développer un outil spécifique pour la surveillance des cyclones a été exposée dans le Bulletin of the American Meteorological Society (Duvel et al, 2009) et cette idée a été approuvée par de nombreux spécialistes internationaux de l’observation des cyclones. Pour la petite histoire, voulant déposer un brevet sur ce nouveau moyen d’observation, on s’est aperçu que le Jet Propulsion Laboratory avait déposé un brevet pour un véhicule assez similaire en 1995, sans toutefois concrétiser l’invention.









Figure 2 : Le système de mesure Aéroclipper pendant la campagne VASCO 2007.













Figure 3 : Résultat de la campagne VASCO 2007 : Trajectoires du centre du cyclone DORA (en vert) et des Aéroclippers #1 (en orange) et #2 (en rouge), entre le 29 janvier (à 12 UTC) et le 6 février (à 00 UTC). Ces trajectoires ont été superposées à l’image satellite Météosat 7 du 3 février à 03 UTC (au moment où DORA était à son intensité maximale).






Potentiellement, l’Aéroclipper peut donc maintenant fournir des observations très précieuses pour un meilleur suivi continu et en temps réel des paramètres de l’interface air-mer dans l'œil des cyclones, même quand celui-ci se transforme en dépression extra tropicale, comme cela a été observé pour les Aéroclippers piégés dans le cyclone Dora pendant Vasco 2007. L’Aéroclipper peut également donner une meilleure évaluation de la physique des modèles dans la couche de surface atmosphérique dans des conditions cycloniques. Comme il est actuellement très difficile de mesurer les paramètres de surface à proximité et dans les cyclones tropicaux, et qu’il n'existe pas de système permettant la surveillance in situ en temps réel de l'intensité des cyclones, l’Aéroclipper apparaît donc comme un système complémentaire à la fois des avions et des drones.

Il reste maintenant, à adapter les Aéroclippers de Vasco pour en faire un nouvel instrument spécifique de l’observation des cyclones et pouvant simplement, et à moindre frais, être employés par les différents CMRS. Associés à une bonne stratégie opérationnelle, les Aéroclippers pourraient significativement améliorer la fiabilité de la procédure d'alerte des cyclones tropicaux.