We report on the activities preparing long duration stratospheric flights, suitable for CMB (Cosmic Microwave Background) measurements, in the Arctic region. We focus on pathfinder flights, and on two forthcoming experiments to be flown from Longyearbyen (Svalbard islands): the OLIMPO Sunyaev-Zeldovich spectrometer, and the Large-Scale Polarization Explorer (LSPE).

La modélisation et la fabrication des ballons pressurisés stratosphériques longue durée à usage scientifique sont un défi pour le CNES. Ils sont constitués de plusieurs fuseaux en tri-couches PET/PA/PET d'épaisseur 50 µm, assemblés entre eux par des rubans adhésifs en PET de 23 µm d'épaisseur. À ce jour, un problème majeur apparaît lors des missions de vol, se traduisant pour certains ballons par une destruction prématurée. Ce travail porte sur l'étude du comportement mécanique des ballons pressurisés stratosphériques et plus particulièrement sur les assemblages des films polymères constituant le ballon. Dans un premier temps, une campagne d'essais de nanoindentation nous permet d'identifier les propriétés élastiques des matériaux après assemblage, et ce pour deux températures de vol du ballon. Dans un second temps, nous modélisons un assemblage nominal en approche 2D puis 3D. Plus particulièrement, un exemple d'application de la technique de submodeling est présenté à partir de la modélisation d'un défaut de la jonction. Enfin, à l'aide de la méthode des plans d'expériences et de simulations éléments-finis, nous étudions l'influence des paramètres de conception sur la tenue mécanique d'un assemblage type.

Ce travail concerne la simulation numérique et expérimentale du comportement mécanique des ballons pressurisés stratosphériques. Ce programme de recherche entrepris par le CNES et l'ONERA est basé sur (i) la modélisation du matériau polymère constitutif des ballons par des lois de comportement de type viscoélastique ; (ii) la simulation expérimentale de sous-ensembles de ballons lors de phases de vol; (iii) la validation des lois viscoélastiques par comparaison essais/calculs du comportement de sous-ensembles de ballons. Le dispositif expérimental utilisé, nommé NIRVANA, reproduit les conditions de vol d'un ballon, i.e. la température, la pression et la contrainte dans l'enveloppe. Dans le cadre des caractérisations en grandes déformations des polymères, l'instrumentation généralement mise en œuvre permet seulement d'accéder à des caractéristiques globales et macroscopiques. Le suivi de tels essais par la méthode de stéréo-corrélation d'images, méthode basée sur les principes de la photogrammétrie, permet d'accéder de manière fine aux champs de déplacements et de déformations sur la totalité de la surface mesurée. Cette richesse d'information expérimentale s'avère particulièrement utile pour la validation non seulement globale mais aussi locale des lois de comportement utilisées.