BALLON STRATOSPHERIQUE 2025 « CIEL EXPLORER» 

BTS Cybersécurité Informatique réseaux et ELectronique (CIEL)

Option B (Electronique et Réseaux)

  CIEL EXPLORER est le nom choisi cette année (2024-25) par les étudiants du BTS Cybersécurité Informatique réseaux et ELectronique pour baptiser le projet du Ballon Stratosphérique réalisé en 1ere année du BTS CIEL. Le lâcher devait se dérouler au niveau des structures sportives du Lycée ROUVIERE SUZANNE LEFORT-ROUQUETTE à Toulon entre les 21 et 23 MAI 2025 mais les conditions météo ne nous ont pas permis de le faire. Mais une autre tentative a été réalisée à la rentrée scolaire 2025-26 le Jeudi 04 Septembre 2025 avec succès.

Le moment tant attendu juste avant le lâcher : les étudiants de CIEL1 2024-25 avec notre direction (M. ROUGIER et M. NOVELLAS) et les enseignants (M. RIVIER et M.GISCARD)

Vue à haute altitude à gauche et de la rade de Toulon à droite pris par le module photo installé dans la Nacelle du projet UBPE 2025. Définition VGA

Qu’est-ce que le Projet du Ballon Stratosphérique ?

        Ce projet réalisé en fin de 1ere année de BTS CIEL a pour intérêt de fédérer autour d’un même objectif un groupe d’étudiants de façon à mettre en pratique les connaissances et compétences techniques acquises en BTS dans les domaines de l’Electronique et la conception de cartes électroniques ainsi que de l’Informatique car une majorité de fonctions intègrent un microcontrôleur qui fonctionne avec à un programme développé en langage C.

        Ce projet à caractère scientifique et technique est proposé chaque année, par l'association Planète Sciences associée au CNES (Centre National d'Etudes Spatiales), sous le nom UBPE (Un Ballon Pour l'Ecole), dans le but de développer le goût pour les sciences et la technologie auprès des jeunes.

Remerciements :

      Nous remercions la direction de notre lycée représentée par notre proviseur M. ROUGIER , notre proviseur adjoint M. NOVELLAS  et notre DDFPT Mme MAGNAVAL pour leur soutien et leurs encouragements dans ce projet qui se reconduit en BTS depuis plus d'une décennie.

        Nous remercions également l'association Planète Sciences, notamment Mme Maëlle ROULIS coordinatrice nationale, qui a permis que ce projet aboutisse en assurant toute la logistique (Hélium, Ballon et autorisation) ainsi que M. MAIGNAN formateur national qui assure la pérennité  technique de l'émetteur  (KIKIWI) et la baie de réception ainsi que des conseils sur le lâcher du Ballon fort d'une longue expérience.

Comment se déroule le projet ?

        L’association Planète Sciences défini chaque année un cahier des charges précis qui encadre le type d’expériences scientifiques réalisables dont le but est d’étudier l’atmosphère et les phénomènes météo et impose également des contraintes liées à la fabrication et au poids de la Nacelle qui transporte toute l’électronique embarquée. (1,8Kg tout compris)

        Les étudiants réalisent l’électronique embarquée ainsi que la nacelle et Planètes Sciences fournit le ballon stratosphérique, la chaine de vol, les bouteilles d’Hélium ainsi que la chaine d’émission/réception pour la télémesure (transmissions des mesures pendant le vol) et s’occupe également de gérer toutes les autorisations pour que le lâcher du Ballon respecte la réglementation de la circulation aérienne et que tout se fasse en toute sécurité.

Équipe d’étudiants CIEL1 en charge du projet

        Une équipe de 8 étudiants a géré la totalité du projet, L'équipe composée de  Thomas, Raphaël, Noah, Tom, Jules, Matéo, Gianni et Soheyb. (Figure 1) ont oeuvré pendant 12 semaines dans une ambiance  plutôt sympathique.

BRAVO !!! pour leur investissement et leur esprit d'équipe (les étudiants ont du collaborer pour réaliser certaines tâches et s'entraider pour développer et finaliser la fonction qui leur a été confiée, profitant de l'expérience de certains plus avancés, ce qui leur a permis de développer également les compétences de collaboration à travers la transmission de savoirs à d'autres, on connait bien la citation " qui se comprend bien s'énonce clairement" ), ce fut donc un projet fédérateur.,

 Figure 1 : Equipe du projet UBPE 2025 avec la Nacelle finalisée

Les activités et les étapes de réalisation du projet

Le projet UBPE « CIEL EXPLORER » devait réaliser cette année les mesures et expériences suivantes :

• Température extérieure, intérieure, piles. (2 types de capteur différents : analogique et numérique).
• Pression atmosphérique (2 types de capteur différents : analogique et numérique).
• Humidité.
• Concentration d'Ozone.
• Suivi et enregistrement de la trajectoire du ballon.
• Capture et enregistrement des images du vol et de la rotondité de la terre.

Mais il ne faut pas oublier les cartes en arrière plan mais essentielles à savoir :

• L'alimentation
• L'enregistrement des données pendant le vol (mesures) sur une carte SD et transmises également par l'émetteur Kikiwi.

        L'ensemble des fonctions de la partie électronique à concevoir par les étudiants est représentée sur le diagramme synoptique ci-dessous. Chacun des étudiants avait à gérer une fonctionnalité et collaborait pour soit s'assurer de la compatibilité entre 2 fonctions reliées soit pour réaliser des tâches importantes nécessitant plusieurs intervenants (Réalisation de Nacelle, Agrégation de l'ensemble des cartes, ...)

Figure 2 : Le synoptique général décrivant l'ensemble des fonctionnalités et cartes à réaliser.

     1. Conception de la structure électronique matérielle (composants) :

          Les étudiants partent pour cela d’un cahier des charges décrivant le besoin et commencent par identifier les composants nécessaires (à rechercher ou proposés).

      Ensuite ils commencent par développer un schéma structurel préliminaire qui servira à leur prototypage ce qui leur permettra d'effectuer le développement. Ces schémas structurels sont finalisés et complétés (Figure 3) une fois la fonctionnalité achevée et testée sur le prototype.

       La plupart des structures sont mixtes (matériel/logiciel) et nécessiteront ensuite une étape de développement informatique. Les étudiants utilisent pour la réalisation du schéma un logiciel de DAO spécialisé ISIS.

     Ci-dessous un exemple de cartes qui a nécessité la collaboration de 2 étudiants puisque l'un devait effectuer une fonction permettant à partir d'un même capteur de mesurer la température interne et l'humidité et l'autre étudiant la concentration d'Ozone. In fine pour économiser un microcontrôleur ce qui a permis également de de réduire la consommation (l'autonomie étant un point très important dans notre cas), il a été décidé qu'un même programme gérerai les 2 capteurs ce qui implique qu'un seul microcontrôleur serait alors nécessaire. Le travail de production de carte a été découpé en 2, l'un réalisant la partie avec le microcontrôleur  et les 2 capteurs et l'autre assurant la réalisation de la carte permettant de produire les 3 tensions analogiques déduites des valeurs numériques traitées par le microcontrôleur et image des 3 paramètres physiques. Les 2 étudiants ont du se coordonner sur la connectique servant à les interconnecter.

Schéma Carte 1 : µC et les 2 Capteurs

Schéma carte 2 : 

 Figure 3 : Schéma structurel des 2 cartes "Température, Humidité, Ozone" et "Filtrage_MLI_CAN" qui s'interconnectent

     2. Prototypage :

        Cette étape permet de câbler rapidement tout ou partie de la structure sur une plaque de prototypage (Figure 4), pour effectuer des essais dans l'objectif de tester, dimensionner les composants et de vérifier si leur comportement répond bien à la fonction du cahier des charges attendu. Pour les structures mixtes (matériel/logiciel), le développement d'un programme en Langage C permettra au microcontrôleur de communiquer avec le capteur et de traiter les informations qu'il lui transmet.

 Figure 4 : Plaque de prototypage de la fonction MLI (Humidité) avec un microcontrôleur Arduino Nano

     3. Essais et étalonnage : 

        Dans le cas de ce projet il est essentiel de vérifier si les informations obtenues par les différents capteurs sont réalistes, voilà pourquoi les étudiants ont a leur disposition des appareils leur permettant d'effectuer des mises en situation qui se rapprochent du réel. Par exemple pour simuler la montée en altitude et la raréfaction de l'air, ils utilisent pour cela une cloche à vide. (Figure 5 et 6)  Ensuite les étudiants effectuent plusieurs mesures pour tracer la courbe d'étalonnage permettant d'établir graphiquement la relation entre la tension fournie par le capteur et le paramètre Physique mesuré.

        Ci-dessous on observe le matériel utilisé pour l'étalonnage d'un des capteurs de pression (Cloche à vide et Voltmètre) et ensuite la courbe théorique du capteur déduite de la formule fournie dans la documentation puis la courbe relevée en sortie du montage réalisé par l'étudiant, ce dernier ayant été adapté pour que l'émetteur Kikiwi le supporte ,avec un pont diviseur de tension, la pleine échelle est passée de 5V à 3V.

Figure 5 : Pression Atmosphérique avec Cloche à Vide et Pressiomètre.  Capteur de Pression Analogique MPX4115

  Figure 6 : Courbe Etalonnage Capteur Numérique BMP280. 

     4. Circuit imprimé et Câblage des cartes :

        Une fois le prototypage terminé, les structures et les programmes validés, les étudiants s'attellent à l'étape leur permettant de réaliser la carte sur laquelle sera soudé les différents composants. Ils finalisent leur schéma (Figure 7) en ajoutant tous les éléments accessoires (Bornier, point de test, ...) permettant de faire fonctionner la carte et de la tester. 

Ils réalisent ensuite à partir d'un logiciel de CAO spécialisé (ARES) le masque (Figure 8) en lien avec le schéma précédent (ISIS) qui a généré les empreintes des composants et les liens de connexion entre ces derniers. A partir du masque finalisé on pourra graver la carte. Ce masque  permet de définir l'emplacement souhaité des composants et les liaisons entre eux (pistes). Une fois cette étape réalisée une machine à gravure mécanique à partir du fichier du masque va reproduire ce dernier en détourant les pistes et les pastilles sur une plaque de Cuivre.(Figure 9) Il ne reste ensuite qu'à souder les composants sur le circuit imprimé. (Figure 10). Les cartes sont ensuite testées pour vérifier leur bon fonctionnement. (Figure 11)

Figure 7 : CAO avec ARES pour le masque (Routage des composants)

 Figure 8 : CAO avec ARES pour le masque (Routage des composants)

 Figure 9 : Machine à gravure mécanique et carte côté cuivre (pistes et pastilles) gravure terminée

Figure 10 : Soudure des composants

Figure 11 : Cartes soudées et interconnectées puis phase de test final

5. Fabrication de la Nacelle et montage des différentes cartes :

        Une fois les différentes cartes terminées et testées individuellement, il faut passer à l'étape de fabrication de la Nacelle. Cette dernière dépend de la masse de l'ensemble de l'électronique embarquée car le cahier des charges de Planète Sciences impose une masse totale maximale (Nacelle + Electronique) de 1,8Kg.

        La mesure de l'ensemble de l'électronique nous a amené à un total de (Figure 12) de 1097g, il ne faut donc pas que la Nacelle dépasse  :      1800g - 1097g = 703g.

Figure 12 : Masse et et consommation des différents éléments présents dans la nacelle

        La masse de la nacelle ne devait donc pas dépasser 703g. A été déduit à partir de la masse surfacique (866,7g/m²) du matériau utilisé (Polystyrène extrudé de 3cm d'épaisseur) la longueur maximale d'un côté sur la base d'un cube et le choix suivant a été retenu tout en prenant une marge. (Figure 13)

       Figure 13 : Plan de la Nacelle

         Le calcul  de la masse de la nacelle amenait à 443g (avec le coffrage des piles non compris ci-dessus) ce qui faisait avec l'électronique embarqué qui pesait 1097g un total de 1540g, ceci permettait d'avoir une marge suffisante pour les câbles et visserie à ajouter puisque le total tout réuni ne devait pas dépasser 1800g.

        Le dernière étape a été le montage de la Nacelle et des différentes cartes ainsi que le câblage entre ces dernières (Figure 14), tout cela a demandé du temps, de la patience, de l'organisation et de la réflexion pour le placement de chaque élément le plus judicieusement possible. Par exemple la carte GPS ainsi que l'émetteur Kikiwi sont impérativement placés sur l'étage supérieur de la Nacelle pour qu'ils puissent recevoir au mieux les signaux des satellites pour la géolocalisation

Figure 14 : La nacelle terminée avec le câblage des différentes cartes. 

Mesure de la masse totale de la Nacelle de 1624g

           Pour finaliser tout cela des essais ont été effectués avec la station de réception permettant d'observer à partir du logiciel KikiwiSoft les données transmises par l'émetteur Kikiwi installé dans la Nacelle et qui transmettait les 7 signaux de mesures des différents capteurs ainsi que les coordonnées de géolocalisation de notre propre GPS. Figure 15

Figure 15 : Nacelle et station de réception au sol. Logiciel Kikiwi Soft permettant d'afficher les données de la télémesure

 6. Le jour J : Le lâcher du Ballon

        1ere tentative loupée :  Le lâcher du ballon était prévu le Mercredi 21 MAI 2025 avec 2 jours de repli au cas ou à savoir le 22 et le 23 MAI mais les conditions météo ne nous ont pas permis de le faire, les simulations qui nous permettent d'estimer si le lâcher était possible nous prédisaient un amerrissage  au large du LAVANDOU comme on peut le constater ci-dessous. C'est une petite déception mais une 2eme tentative a été envisagée pour la rentrée scolaire suivante.

 Figure 16: Simulation de la trajectoire de vol prévue à 11H00 UTC (13H00 en France l'été) le 23 MAI

      2eme tentative réussie : Nous avons retenté notre chance début Septembre où le Jeudi 04 Septembre la météo nous a souri.

 Figure 17 : A gauche la simulation de la trajectoire de vol prévue à 10H40 UTC (12H40 en France l'été) le 04 Septembre  et à droite la trajectoire réelle très proche de la prédiction.

DETAILS DU VOL : 

RELEVES des MESURES des différents CAPTEURS : 

L'objectif de ce projet est la mesure de données de la stratosphère ou des expériences qui pourraient vérifier les changements de cette dernière en fonction de l'altitude. Voici quelques mesures extraites des relevés effectués pendant le vol par différents capteurs et enregistrés sur une carte SD.

 * Mesure de la Pression atmosphérique : Les résultats ci-dessous des 2 capteurs utilisés. 

A gauche le capteur Numérique BMP280 qui pourtant, dans la documentation était noté comme limité au plus bas à 300 hPa, les essais avec la cloche à vide nous montrant finalement qu'il pouvait descendre encore plus bas et les mesures en vol nous le confirme, nous descendons lors de l'éclatement à 31km à 20 hPa.

Par contre le capteur analogique MPX4115 lui était limité à 150hPa et nous retrouvons la limite de la documentation, nous observons le palier (saturation).

 * Altitude : Déduite de la pression du BMP280 par le calcul avec prise en compte de la température pour compensation.

On peut en déduire que le ballon a éclaté un peu au-dessus des 30km et après 6100 secondes de vol soit 1H40mn 

* Température Extérieure : 2 CTN (Thermistances) ont permis de mesurer la température extérieure ainsi que la température des piles, cette dernière caractéristique influençant la décharge de ces dernières et donc l'autonomie de la Nacelle d'où l'importance d'un coffrage supplémentaire pour isoler les piles dans la Nacelle. La température extérieure dans la stratosphère ne décroit pas linéairement on observe même qu'elle remonte à un moment, ce qui vérifie les données scientifiques déjà connues sur le sujet. On atteint aux alentours des -50°C.

* Mesure de l'Ozone : Nous avons utilisé un capteur qui n'est pas d'une qualité extraordinaire on ne peut pas l'utiliser pour des mesures précises de la concentration d'Ozone en ppm mais il réagit parfaitement pour en suivre la tendance, ce qui nous a permis d'observer si dans les couches hautes la concentration d'Ozone est bien plus importante qu'à la surface de la Terre, dans les données scientifiques on peut lire entre 15km et 40km, couches que nous traversons.

Si on regarde la correspondance avec la courbe de l'altitude si dessus. On observe un concentration d'ozone essentiellement sur les couches hautes entre 30km et 15km. Cela vérifie bien les données scientifiques que nous avions lues. La tension du capteur semble un peu faible, peut-être est-ce une erreur du programme liée à la plein échelle, nous n'avons un pic qu'à 700ppb alors qu'il devrait être plutôt de plusieurs milliers de ppb, mais le capteur est soumis également à de très faibles températures, pouvant alors modifier son comportement. A tester l'année prochaine dans des conditions de température plus réalistes qu'à température ambiante.

L'objectif également de ce projet est de faire évoluer les conceptions des parties en tenant des expériences antérieures pour se rapprocher d'une mesure la plus précise possible.

LE DEROULEMENT du LACHER

Figure 18 : Préparatifs pour le lâcher (Gonflage du ballon à l'Hélium, fixation du réflecteur radar et de la Nacelle)

 La nacelle en cours de fonctionnement et de test au sol. BEAU TRAVAIL et félicitations à l'équipe.

 Et c'est toujours les enseignants qui oeuvrent à la recherche de la nacelle. Ici la nacelle a atterri à 185km du lieu du lâcher prés de la ville de Grasse mais dans un endroit difficile d'accès et c'est sur place que nous nous en sommes rendus compte, nécessitant quelques positions périlleuses (comme on peut le voir ci-dessous) mais quelle satisfaction de la retrouver.

Le lieu d'atterrissage nous a été transmis par l'émetteur Kikiwi qui est équipé d'un GSM permettant de transmettre des SMS avec la géolocalisation de la Nacelle. Le 1er SMS nous est arrivé 15h14 et le dernier à 6h30 du matin le lendemain.

Voilà une nouvelle aventure qui se finie bien. Félicitations à l'équipe UBPE des CIEL1.