Source: The Conversation – France in French (2) – By François Vacher, Chargé de projets "Ballons stratosphériques", Centre national d’études spatiales (CNES)
Et si les clés de notre climat se trouvaient à plusieurs dizaines de kilomètres au-dessus de nos têtes ? La stratosphère, parfois considérée comme une simple couche de l’atmosphère, a un impact décisif sur nos vies : elle nous protège des rayonnements ultraviolets, elle peut déclencher de grandes vagues de froid polaire et même bouleverser les saisons lorsqu’elle se charge d’aérosols. Il s’agit d’un véritable laboratoire naturel pour les chercheurs. Comprendre son fonctionnement, c’est mieux comprendre les mécanismes qui façonnent notre climat.
Pour percer les secrets de la stratosphère, les scientifiques disposeront bientôt d’un nouvel outil : le ballon manœuvrant. Véritable voilier des hautes couches de l’atmosphère, cet engin permet d’explorer cette région fascinante de manière inédite.
La stratosphère s’étend entre 18 et 50 kilomètres d’altitude. Située au-dessus de la troposphère, où se déroule l’essentiel de la météorologie, elle occupe une région singulière de l’atmosphère terrestre. À ces altitudes, l’air est trop raréfié pour permettre aux avions conventionnels de voler, mais demeure trop dense pour qu’un satellite puisse s’y maintenir en orbite. La stratosphère constitue ainsi une zone intermédiaire, longtemps restée difficile d’accès.
Cette inaccessibilité n’en fait pas moins un territoire d’un grand intérêt scientifique et stratégique. Les chercheurs y réalisent des mesures directes afin de mieux comprendre, par exemple, le climat. Dans le même temps, la très haute altitude suscite l’intérêt des acteurs de la défense, qui y voient un domaine propice au déploiement de plates-formes capables d’effectuer des missions de surveillance ou de communication tout en restant difficiles à détecter et à intercepter.
Cnes, Fourni par l’auteur
Une technologie aussi simple qu’ingénieuse permet pourtant d’accéder à la stratosphère : le ballon. Popularisé dès le XIXe siècle par les récits de Jules Verne, ce moyen de transport aérien n’a cessé d’évoluer. Ainsi, les ballons modernes se distinguent désormais par leurs capacités de manœuvre : en modifiant leur altitude, ils exploitent les différentes couches de vent pour se déplacer et suivre des trajectoires choisies. Une élégante façon de naviguer dans les hautes couches de l’atmosphère, à la manière d’un voilier porté par les courants marins.
Léger comme un ballon
Parmi les différents engins capables de s’élever dans l’atmosphère — avions, hélicoptères ou fusées — les ballons occupent une place à part. Contrairement aux autres aéronefs, ils ne s’appuient ni sur la portance des ailes ni sur la poussée d’un moteur : ils utilisent la poussée d’Archimède pour se maintenir en altitude. Pour cela, leur enveloppe contient un gaz plus léger que l’air, généralement de l’hélium ou de l’hydrogène.
À mesure que l’on s’élève, l’air devient de moins en moins dense. Ainsi, à 18 kilomètres d’altitude, sa densité est divisée par dix par rapport à celle observée au niveau du sol. Cette diminution modifie directement la force d’Archimède, puisque celle-ci dépend de la masse d’air déplacée.
En ajustant soigneusement la quantité de gaz embarquée, le volume de l’enveloppe et la masse de la charge utile, il est possible d’atteindre une altitude d’équilibre dans la stratosphère. Le ballon peut alors demeurer pendant plusieurs semaines, voire plusieurs mois, à une altitude quasi constante.
Dans cette situation, deux forces s’équilibrent parfaitement : la poussée d’Archimède, dirigée vers le haut, et le poids du ballon, dû à la gravité terrestre, dirigé vers le bas. Le ballon « flotte » alors dans l’atmosphère, comme un navire à la surface de l’océan.
Histoire des ballons stratosphériques
Les ballons stratosphériques modernes sont fabriqués à partir de films de polyéthylène, un matériau léger, résistant et peu coûteux. Leur développement a véritablement pris son essor dans les années 1950, à mesure que la production industrielle de ces films plastiques se généralisait. Cette innovation a permis la réalisation de ballons de très grande taille, capables d’atteindre les hautes couches de l’atmosphère.
Dès 1960, les ballons stratosphériques suscitent l’intérêt des agences spatiales naissantes. En effet, ils offrent une plate-forme idéale pour tester de nouvelles technologies et préparer les futures missions satellitaires. Plus simples à mettre en œuvre et beaucoup moins coûteux qu’un lancement orbital, ils permettent de valider des instruments dans un environnement proche de celui de l’espace.
Ainsi, dès sa création en 1961, le Centre National d’Études Spatiales développe des programmes de ballons stratosphériques destinés à la recherche scientifique et à la préparation des technologies spatiales. Au fil des décennies, les progrès de l’électronique, des télécommunications et de l’informatique embarquée ont considérablement renforcé les capacités de ces plates-formes.
CNES/JOUBERT Luc, Fourni par l’auteur
Les ballons stratosphériques ont ainsi contribué à l’étude de plusieurs enjeux scientifiques majeurs. Dans les années 1980 et 1990, ils ont participé à la compréhension de l’appauvrissement de la couche d’ozone au-dessus des régions polaires. Plus récemment, ils sont devenus des outils précieux pour l’observation du climat. Aujourd’hui, ils continuent de fournir des mesures uniques, indispensables à la compréhension de notre atmosphère et de son évolution.
Les ballons présentent également un atout remarquable : leur grande capacité à changer d’échelle. Il est possible de concevoir aussi bien des ballons d’une vingtaine de mètres de diamètre que des géants dépassant les 100 mètres. Les plus grands peuvent emporter près d’une tonne d’instruments scientifiques jusqu’à 40 kilomètres d’altitude.
Cette flexibilité est une des raisons du succès des ballons. Toutefois, ils sont confrontés à une limitation fondamentale. Contrairement à un avion ou à un satellite, un ballon ne dispose pas de moyen de propulsion lui permettant de modifier sa trajectoire. Une fois en vol, il est entraîné par les courants atmosphériques et dérive au gré des vents, ce qui limite fortement sa capacité à rejoindre ou à maintenir une position donnée.
Un voyage en ballon
Pour dépasser les limites des ballons traditionnels, les ingénieurs du Centre National d’Études Spatiales (CNES) développent une nouvelle génération d’aéronefs stratosphériques : les ballons manœuvrants. Leur particularité réside dans leur capacité à modifier leur altitude en cours de vol. À l’image d’un voilier qui ajuste sa route en recherchant les vents les plus favorables, ces ballons exploitent les différentes couches de l’atmosphère pour se déplacer vers une destination choisie.
Cette capacité repose sur une architecture originale à double enveloppe. Le gaz porteur, généralement de l’hélium, est contenu dans une enveloppe interne. Autour de celle-ci se trouve une seconde enveloppe dans laquelle il est possible d’ajouter ou de retirer de l’air grâce à un dispositif spécialement conçu pour les conditions stratosphériques. En augmentant la quantité d’air embarquée, le ballon devient plus lourd et descend. À l’inverse, lorsque cet air est évacué, il retrouve de la flottabilité et remonte.
Cnes, Fourni par l’auteur
Le pilotage s’appuie ensuite sur les vents présents à différentes altitudes. Les ballons manœuvrants évoluent notamment autour de 20 kilomètres d’altitude, à la limite inférieure de la stratosphère, où les courants atmosphériques peuvent présenter des directions très différentes selon la hauteur. En choisissant soigneusement l’altitude la plus favorable, il devient possible d’orienter progressivement la trajectoire du ballon et de le guider vers sa zone d’observation.
Cette approche transforme le ballon en un véritable « voilier de la stratosphère », capable de parcourir de longues distances en utilisant uniquement l’énergie des vents, sans moteur ni consommation importante d’énergie.
Le concept de ballon manœuvrant n’est pas entièrement nouveau. Il a été développé à grande échelle au cours des années 2010 par l’entreprise américaine Google dans le cadre de son projet « Loon ». L’objectif était ambitieux : déployer une flotte de ballons stratosphériques capables d’apporter un accès à Internet dans les régions les plus isolées du globe, à l’image des constellations de satellites de télécommunication qui se développent aujourd’hui. Bien que le projet ait été arrêté en 2021 pour des raisons économiques, il a démontré la faisabilité et l’efficacité de la navigation stratosphérique par changement d’altitude.
Cette technologie a depuis trouvé de nouveaux débouchés. Aux États-Unis, l’entreprise Aerostar exploite des ballons manœuvrants capables de séjourner durablement dans la stratosphère. Ces plates-formes sont utilisées aussi bien pour des missions scientifiques que pour des applications liées à la surveillance et à la défense.
Consciente du potentiel stratégique et scientifique de ces véhicules, la France a engagé ses propres développements dans ce domaine. Depuis 2021, le Centre National d’Études Spatiales (CNES) travaille à l’adaptation et à la maîtrise de cette technologie en partenariat avec HEMERIA, acteur historique français du ballon stratosphérique.
L’objectif est de doter la France et l’Europe d’une capacité autonome de présence prolongée dans la stratosphère, au service de la recherche, de l’observation de l’environnement et des futures applications opérationnelles.
Des premiers tests de lâchers aux premiers tests en conditions réelles
Après plusieurs années de développement, le moment est venu de confronter notre ballon manœuvrant (BALMAN) à la réalité du terrain. Au printemps 2024, sur le site du CNES d’Aire-sur-l’Adour, dans les Landes, les équipes ont réalisé les premiers essais de lâcher de ce nouvel aéronef stratosphérique. Les opérations ont été menées à l’aube, quand les conditions météorologiques sont généralement plus calmes, limitant les rafales de vent susceptibles de compliquer les délicates opérations de décollage.
Cnes, Fourni par l’auteur
Mais réussir un lâcher de ballon ne constitue que la première étape. Pour valider pleinement le concept, il est indispensable de tester le véhicule dans son environnement opérationnel : la stratosphère. Ces essais doivent être réalisés en tenant compte de nombreuses contraintes, notamment l’insertion du ballon dans l’espace aérien et la maîtrise des risques liés au survol des populations. En effet, même si les vols sont soigneusement préparés, la retombée d’un équipement depuis plusieurs dizaines de kilomètres d’altitude nécessite des mesures de sécurité particulièrement rigoureuses.
Pour conduire ces essais dans les meilleures conditions, le CNES bénéficie d’un atout exceptionnel : le Centre spatial guyanais. Situé entre l’océan Atlantique et la forêt amazonienne, ce vaste territoire faiblement peuplé offre un environnement idéal pour les expérimentations aéronautiques et spatiales. C’est depuis cette base, mondialement connue pour les lancements d’Ariane 6, que les premiers vols du ballon manœuvrant ont été réalisés.
Ces campagnes d’essais ont permis de franchir plusieurs étapes majeures. Lors du premier vol, le ballon a démontré sa capacité à décoller, rejoindre la stratosphère puis revenir au sol en toute sécurité. Le second vol a marqué une avancée supplémentaire avec la première utilisation en conditions réelles du système de gestion d’air permettant de modifier l’altitude du ballon — une étape essentielle pour transformer ce simple ballon stratosphérique en véritable voilier capable de naviguer dans les vents de la haute atmosphère.
Le futur du BALMAN, le ballon manœuvrant
L’aventure BALMAN ne fait que commencer. Après les premiers vols d’essai, le programme poursuit sa qualification technologique. L’objectif est désormais d’accumuler de l’expérience en vol et d’enrichir progressivement le véhicule avec de nouvelles fonctionnalités. Parmi les prochaines évolutions figure notamment l’intégration d’un système de parachute, dont les premiers essais sont prévus à l’hiver 2026.
À mesure que sa maturité technologique augmentera, BALMAN ouvrira la voie à de nouvelles applications scientifiques. L’une des premières pourrait être sa contribution à la succession du projet STRATEOLE 2, une future flotte de ballons longue durée développée conjointement par le CNES et le CNRS à l’horizon 2030. Grâce à leur capacité à séjourner plusieurs mois dans la stratosphère, ces ballons constitueront un outil unique pour observer et mieux comprendre les échanges entre les différentes couches de l’atmosphère.
L’étude du climat et de l’atmosphère repose aujourd’hui sur la complémentarité de plusieurs moyens d’observation. Les satellites offrent une vision globale de notre planète, tandis que les mesures réalisées directement dans l’atmosphère permettent d’analyser avec précision les phénomènes locaux et les mécanismes physiques à l’œuvre. En apportant sa capacité de manœuvre à ces futures missions, BALMAN permettra d’orienter les observations vers les zones les plus intéressantes et d’optimiser le déploiement des instruments scientifiques.
À plusieurs dizaines de kilomètres au-dessus de nos têtes, une nouvelle génération de ballons est ainsi en train d’émerger. Capables de naviguer dans les vents de la stratosphère comme des voiliers sur l’océan, ils pourraient bientôt devenir des outils essentiels pour mieux comprendre notre atmosphère et les changements qui l’affectent.
Francois VACHER ne travaille pas, ne conseille pas, ne possède pas de parts, ne reçoit pas de fonds d’une organisation qui pourrait tirer profit de cet article, et n’a déclaré aucune autre affiliation que son poste au CNES.
Laurent Tessariol ne travaille pas, ne conseille pas, ne possède pas de parts, ne reçoit pas de fonds d’une organisation qui pourrait tirer profit de cet article, et n’a déclaré aucune autre affiliation que son organisme de recherche.
– ref. Percer les secrets de la stratosphère grâce à un ballon qui surfe sur différentes couches de vent – https://theconversation.com/percer-les-secrets-de-la-stratosphere-grace-a-un-ballon-qui-surfe-sur-differentes-couches-de-vent-282660