UBPE@Valence

Skylift s'est envolé le 28 mai 2024 à environ 11h10 de la cour de la cité scolaire Triboulet à Romans-sur-Isère.
Il a atterri environ 2h30 plus tard à côté de Savournon, après avoir flotté dans la stratosphère et éclaté à 25500m.

Ce projet a été soutenu par le Fonds Vittorio Luzzati et le laboratoire LCIS.
Sans Planète-Sciences et le CNES, ce projet n'aurait pas pu voir le jour.

     

• Participants et déroulement
• Eléments techniques
• Partie mécanique
• Capteurs
• Partie embarquée
• Réception sol
• Intégration des éléments dans la nacelle/li>
• Vol de Skylift
• Résumé du vol
• Préparatifs
• Envol
• Suivi
• Télémesures
• Extraits des vidéos embarquées (décollage, flottement, éclatement, atterrissage)
• Article de presse, podcast

Le projet a été mené par :

• Le Lycée Triboulet de Romans-sur Isère
• Un groupe d'élèves de (Sciences et Laboratoire) et préparant le BIA (Brevet d'Initiation à l'Aéronautique) ont choisi les expériences à embarquer et étudié et étalonné les capteurs embarqués.
• Le Collège de l'Europe de Bourg-de-Péage
• deux groupes d'élèves de quatrième et troisième, dans le cadre de leur enseignement en technologie et/ou de la préparation au BIA, ont étudié les aspects mécaniques du cahier des charges UBPE et ont conçu une nacelle (la boite embarquant les expériences).
• Le Département Informatique de l'IUT de Valence
• 2 étudiants de 2e et 3ème année de BUT Informatique, ont participé à l'intégration et aux tests, développé un logiciel d'analyse de paquets et prototypé un simulateur de GPS, tous deux intégrés à l'infrastructure de suivi.
• Le L0AD (Laboratoire Ouvert Ardèche-Drôme)

• Quelques membres de ce hackerspace associatif ont intégré le système principal dans la nacelle, réalisé un système secondaire, assuré l'intégration des équipements de prise de vue, mis en place l'infrastructure de suivi, procédé aux tests de l'ensemble et participé à la récupération de la nacelle.

Ce projet, sur lequel tous les élèves et étudiants ont travaillé tout au long de l'année, a été ponctué d'évènements :

• 14 septembre 2023 : Présentation générale du projet aux élèves de 2de SL. Voir le diaporama ici
• 9 novembre 2023 : Première visite du suiveur de Planète-Sciences Auvergne-Rhône-Alpes, Vincent Lenoir, en présence des lycéens et collégiens. Premières réflexions avec les élèves autour des expériences.
• 3 avril 2024 : Présentation des prototypes de nacelles, par les collégiens.



• 2 mai 2024 : Seconde visite du suiveur de Planète-Sciences Auvergne-Rhône-Alpes. Présentation par les lycéens de l’étalonnage des capteurs. Présentation de la nacelle réalisée par les collégiens du collège de l'Europe.



• 14 mars 2024 : Sortie des lycéens/collégiens à Valence, visite de l'IUT, visite du laboratoire LCIS pour les lycéens, travaux pratiques d'initiation à la programmation pour les collégiens.



• 7 mai 2024 : Sortie des lycéens et collégiens à Montélimar, visite du musée de l’Aviation dans le cadre de la préparation au BIA.



• 28 mai 2024 : Lâcher du ballon stratosphérique depuis le Lycée, en présence de tous les participants et notamment d'Anne Goube, mécène du Fonds Vittorio Luzati. Suivi de la télémesure avec l'aérotechnicien de Planète-Sciences Auvergne-Rhône-Alpes, Nicolas Janin. Récupération de la nacelle par les Radio-Amateurs Bruno Gaudin (F1IMO) et Jean-Pierre Munger (F6BNV), et par trois membres du L0AD.





Quelques éléments techniques




Partie mécanique


La nacelle a été réalisée par les collégiens, après étude des matériaux, croquis, conception 3D et réalisation de différentes maquettes à échelle 1:2.
Outre le respect du cahier des charges UBPE, la contrainte a été de construire la nacelle autour d'un squelette carton/MDF founir par le L0AD (à l'échelle 1:2 pour les prototypes).



Ci-dessous les diaporamas présentés par les collégiens pour chaque prototype :
• prototype 1
• prototype 2
• prototype 3
• prototype 4
• prototype 5


Le choix du modèle final a été difficile, et c'est finalement Skylift qui l'a emporté, et un retour a été fait par le lycée et le L0AD aux collégiens sur chacun des prototypes (voir document ici).
La nacelle finale était donc un cube de polystyrène extrudé d'environ 30x30x30cm (collé/renforcé), avec des parois de 2cm d'épaisseur et un couvercle amovible posé, d'une masse d'environ 250g.




Capteurs


Les lycéens ont choisi les mesures à effectuer pendant le vol :
• Température intérieure / extérieure
• Pression
• Hygrométrie
• Taux de CO2
• Luminosité visible (sur 2 faces latérales opposées et sur le couvercle)

Les composants permettant de faire ces mesures ont été choisis par le L0AD, qui a ensuite conçu les cartes électroniques permettant le respect de la plage de valeurs mesurables et le branchement sur la carte kikiwi :
• Température : capteur LM135 (données techniques).



• Pression : capteur MPX5100DP (données techniques).



• Hygrométrie : capteur HiH50xx (données techniques).



• CO2 : module SEN0159 (données techniques).



• Luminosité visible : capteur BPW34 (données techniques).





Une carte d'adaptation a également été réalisée afin que les lycéens puissent brancher sur des alimentations/multimètres les cartes capteurs destinées à être embarquées dans la nacelle, afin de les étalonner.




Les lycéens ont alors pu procéder à l'étalonnage des capteurs. Ci-dessous les diaporamas présentés pour chaque capteur :

• LM135 (1er groupe)
• LM135 (2e groupe)
• Luminosité
• Pression
• CO2




Partie embarquée


Le système principal fourni par le CNES (émetteur Kikiwi), a permis :
• de prendre des mesures analogiques sur 8 voies (capteurs alimentés en 3.3V)
• de transmettre (toutes les 2s) les mesures et la position (AFSK 1200 bits/s, sur 869.525 MHz, portée à plusieurs centaines de km)
• de stocker les mesures et la position sur une carte micro-SD
• d'émettre la position GPS par SMS chaque minute (si couverture réseau)




Un schéma est présenté ci-dessus (cliquer pour voir l'image complète), avec les mesures embarquées :
• Température intérieure / extérieure
• Pression
• Hygrométrie
• Taux de CO2
• Luminosité visible (sur 2 faces latérales opposées et sur le couvercle)

L'ensemble était alimenté par 2 piles 4.5V, assurant une durée de fonctionnement théorique plus de 12h.

Le système secondaire réalisé initialement à l'IUT de Valence (étudiants, enseignants) et dont le développement a été poursuivi par les membres du L0AD, a permis :
• de prendre des mesures numériques (modules capteurs alimentés en 3.3V), toutes les 10 secondes
• de stocker les mesures, la position GPS et d'autres informations utiles sur une carte micro-SD
• de transmettre (toutes les 90 secondes) les mesures et la position (LoRaWan, SF9/868MHz)




Un schéma est présenté ci-dessus (cliquer pour voir l'image complète), avec les mesures embarquées :
• Température intérieure / extérieure (capteurs redondants différents)
• Pression
• Hygrométrie (capteurs redondants différents)
• Taux de CO2

L'ensemble était alimenté par un accumulateur LiPo 3.7V/2500mAh, assurant une durée de fonctionnement théorique de plus de 12h.

2 caméras autonomes (semblables à des GoPro) ont permis de filmer :
• Le sol, en 2.7k à 60 images/s (HawkEye Firefly Split HD).
• Le sol, l'horizon et le ballon (notamment son augmentation de volume et son éclatement), en 2.7k à 60 images/s (RunCam Split-HD), via un servo-moteur commandé par le système secondaire en fonction de l'altitude.



La caméra Firefly était alimentée en externe par 2 accumulateurs LiPo 3.7V/2500mAh reliés en série, assurant une durée de fonctionnement théorique de plus de 5h. La caméra RunCam était alimentée en externe par un accumulateur LiPo 3.7V/2500mAh raccordé à un dispositif d'élévation de tension à 5V, assurant une durée de fonctionnement théorique de plus de 5h.



Partie sol


La nacelle a pu communiquer avec le sol à l'aide de 3 dispositifs radio différents :

• L'émetteur Kikiwi du système principal, prété par Planète-Sciences et le CNES, éméttant en modulation AFSK (1200-2200 Hz) sur 868 MHz.
• L'émetteur LoRaWan du système secondaire (L0adra-Tracker), émettant en modulation SF9/125kHz sur 868 MHz.
• Une radio-sonde type M2K2, prétée par les radios-amateurs Rhônalpins assurant la récupération, émettant sur 433 MHz.



Un schéma est présenté ci-dessus (cliquer pour voir l'image complète), avec les différentes solutions de suivi :

• Les trames émises par le système principal ont pu être reçues localement sur le site de lacher, à l'aide de la baie de réception UHF Planète-Sciences. Le logiciel associé, KikiwiSoft, a permis de décoder les trames pour extraire les données brutes, tracer les courbes de mesure et visualiser la trajectoire du ballon.
• Les trames émises par le système secondaire ont été diffusées sur le réseau communautaireThe Things Network. Elles ont alors être observées directement via les interfaces web clientes de l'infrastructure TTN, être récupérées via MQTT pour être visualisées a postériori. Un tableau de bord avait également été réalisé sur TagoIo afin de pouvoir visualiser les mesures instantanées, les courbes et la trajectoire du ballon. Une voiture de poursuite était équipée d'une station de réception mobile LoRaWan pour participer au relai des données et assurer le relai de trames.
• Les trames émises par la radio-sonde ont été relayées par des stations radio-amateurs (fixes ou mobiles) vers un serveur web qui a permis d'observer à distance la trajectoire du ballon.




Intégration des éléments dans la nacelle



A l'intérieur était placé le squellette, réalisé par le L0AD, formé de 3 plateaux de carton ondulé reliés par des entretoises en MDF, sur lesquels étaient disposés les différents éléments (capteurs, caméras, accumulateurs, ...).
Ci dessous, quelques photos des éléments intégrés (presque prêt à voler, tout n'est pas connecté), sur lesquelles sont visibles les capteurs évoqués précédemment.











Vol de Skylift





En résumé


La prévision à H-24 (cliquer pour aggrandir), réalisée via CUSF Landing Predictor, laisser augurer un long trajet pour aller récuperer la nacelle via le col de Cabre ;-)







Après avoir décollé à 11h10 le 28 mai 2024 de la cour du lycée Triboulet à Romans-sur-Isère, SkyLift a éclaté à environ 12h20 à 25000m, un peu prématurément.

Après éclatement, la nacelle est descendue normalement et a attéri une heure plus tard sur la commune de Savournon, en bord de cultures à côté d'un bosquet.

             




Préparatifs




Nicolas Janin, l'aérotechnicien responsable du lacher, est arrivé vers 9h30 et plusieurs chantiers ont été lancés en parallèle :

• Qualification de la nacelle (vérification du respect du cahier des charges UBPE)

               

• Montage de la chaine de vol (parachute, anneau anti-torche, réflecteur radar)

           
Une video du test du parachute est visible ici ;-) 

• Mise en place de la télémesure




Envol





La nacelle étant qualifiée, fermée (et décorée par un groupe de collégiens du collège de l'Europe) et la télémesure étant fonctionnelle, tout le monde s'est dirigé vers la zone de lacher.

Une bache a été déployée au sol, l'enveloppe du ballon a été déposée dessus, et une autre bache a été posée au dessus du ballon pour le maintenir au sol pendant le gonflage.

Le feu vert a été donné par la DGAC, jointe au téléphone par l'aérotechnicien, pour un décollage dans la demi-heure.

Les bouteilles d'Helium ont été approchées au plus près et le gonflage a pu démarrer après que l'aérotechnicien ait donnée les consignes aux différents postes (gonflage, maintien).
2 bouteilles d'Hélium (soit environ 6000 litres) ont été vidées dans l'enveloppe par 2 lycéens, le ballon prenant progressivement sa forme ronde et son diamètre final d'environ 2m, toujours maintenu par un groupe d'une dizaine d'élèves.


Une fois le ballon gonflé, la tuyère a été ligaturée puis le reste de la chaine de vol a été approché du ballon. Comme il y avait trop de vent pour un lacher à l'anneau, l'aérotechnicien a opté pour une libération partielle de la bache.


             

Après le traditionnel compte à rebours, le groupe d'élèves tenant un côté de la bache a laché prise et le ballon a pu commencer à s'élever. Les autres éléments de la chaine de vol (parachute, réflecteur radar, nacelle) tenus chacun par un élève étaient placés dans la direction d'envol du ballon. Au fur et à mesure de l'envol du ballon, ils se sont élevés les uns après les autres, accompagnés par chaque élève pour éviter les à-coups.

     




Suivi




Le suivi a pu être effectué par les 3 moyens disponibles :

• la télémesure kikiwi en classe a permis d'observer les courbes de manière fiable et régulière, avec un positionnement GPS, jusqu'à 4000m dans la descente.
• la sonde radio-amateur, qui a assuré la transmission jusqu'à l'atterrissage.
• la balise LoRaWan a fonctionné normalement tout le vol et les trames ont pu être reçues et relayées par de multiples stations sol (ainsi que depuis la voiture de poursuite).

   

L'équipe de récupération (une voiture de radio-amateurs avec suivi de leur sonde, une voiture du L0AD avec suivi de leur balise) est partie peu de temps après le lacher pour Aspres-sur-Buëch (en suivant la prévision).

La dernière trame LoRaWan relayée pendant la descente (à 6000m d'altitude) et la dernière trame reçue de la balise radio-amateur (à 3700m d'altitude), a permis de positionner le ballon aux environs d'Aspres-sur-Buëch. Cependant, les deux équipes de récupération mobile étant arrivées sur la zone après l'atterrissage de la nacelle, le point de chute n'a pas été obtenu facilement ... Dans la descente du col de Cabre, aucune nouvelle trame n'a été reçue. Une première tentative de récupération du signal a eu lieu dans la plaine, en choisissant un point dans l'axe Nord-Sud du trajet prévu du ballon. Une écoute à 360° n'a cependant pas permis de recevoir de nouvelle trame non plus... L'hypothèse que la nacelle soit redescendue plus au sud a été retenue et les équipes se sont mises à la recherche d'un point haut pour faire une nouvelle tentative de réception. Un stationnement au col de la Croix a enfin permis de retrouver le signal et d'obtenir la position de chute de la nacelle, finalement très proche mais masquée par les reliefs.

   

La nacelle a pu être récupérée facilement en bordure de champs, à côté d'un bosquet, en parfait état.

     
       





Télémesures




Les résultats sont positifs et chargés d'enseignements, même si quelques éléments restent encore à analyser. Les lycéens n'ont cependant pas eu le temps en séance pour exploiter les mesures de leurs capteurs, enregistrées intégralement sur la carte SD embarquée.

Les expériences et prises de vue ont fonctionné normalement, cependant quelques dysfonctionnements ont pu être observés :


• Le capteur de pression branché au kikiwi est resté muet pendant le vol, bien qu'il ait démontré un fonctionnement normal pendant la qualification. L'hypothèse d'un mauvais contact sur le cablage n'a pas pu être vérifiée après la récupération de la nacelle, le capteur fonctionnement de nouveau normalement (!).
• Le capteur de température extérieure branché au kikiwi a donné des valeurs qui se sont montrées incohérentes à l'exploitation.
L'hypothèse d'un mauvais contact sur le cablage n'a pas pu être vérifiée après la récupération de la nacelle, le capteur fonctionnant de nouveau normalement (!).
• La caméra sol RunCam Split-HD s'est arrêtée quelques secondes après le décollage, bien qu'elle ait filmé pendant tout le gonflage du ballon. L'analyse post-vol n'a cependant pas permis de reproduire le problème.

Ci-dessous deux des courbes de mesures du système principal (Kikiwi), ainsi que la trajectoire vue depuis la classe :

     


Ci-dessous les courbes de mesures du système secondaire (L0adraTracker), ainsi que le tableau de bord TagoIO (récupération) et la trajectoire :

                 


Les données brutes sont disponibles au téléchargement :
• Kikiwi : mesures analogiques et positions (au format CSV), ici
• L0adraTracker : mesures numériques et positions (au format CSV), ici
• L0adraTracker : messages reçus sur TTN (filtrés) (au format JSON), ici
• L0adraTracker : données du tableau de board TagoIo (au format XLS), ici

Les vidéos embarquées sont très réussies (cf. plus bas).

Ci-dessous une décomposition de l'éclatement (cliquer pour aggrandir).











Extraits des vidéos embarquées (décollage, flottement dans la stratosphère, éclatement, atterrissage)







Articles de presse, podcast

Un article de presse est paru dans l'édition locale du Dauphiné Libéré du 29 mai 2024.
Les lycéens journalistes de la web radio du lycée Triboulet ont également enregistré un podcast, bilingue Français-Allemand, car ils recevaient leurs correspondants allemands qui ont assisté au lacher.

   

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