Test du catamaran des glaces à James Bay /Canada

Test du catamaran des glaces à James Bay /Canada
Fonctionnement de l’instrumentation embarquée
Herve le Goff sept/2010
I-
Conditions des tests
I-1 Date et lieu
Du 24 au 29 avril 2010 dans la Baie James /Quebec/Canada .
Acces par route puis piste depuis Montreal ( 1600km).
Gréement du bateau à Longue Pointe ( 53 N 58.5, 79 W 04.7) puis essais pendant 3 jours sur le
fast ice ( banquise cotière) de la baie
Traversée de Longue Pointe à Chisasibi (25miles) en traversant l’estuaire de « La Grande
Rivière » . Derniers essais sur le fast ice de la baie de Chisasibi (cartes sur figure 1)
Figure 1 : Lieux des tests
I-2 Conditions meteo :
Tout le Nord Canada a connu cette année un hiver exceptionnellement doux . A James Bay
des anomalies positives de 4 à 8°C par rapport aux normales saisonnières ont été constatées.
En avril, les chasseurs locaux évoquaient 1 mois d’avance sur les migrations d’oies ,
phénomène non observé depuis 1950.
A notre arrivée la neige avait totalement disparu des terres, les lacs et rivières étaient pour la
plupart débaclés . Températures diurnes entre 0 et +10°C, nocturnes entre -10°C et 0.
La plupart des essais ont été effectués avec des vents de secteur N compris entre 5 et 20 knts.
I-3 Glace de mer (Figure 2) :
A notre arrivée a Longue Pointe, une bande de fast ice ( banquise cotière, glace de l’année
,épaisseur max de 1m) persistait à la cote et dans les fonds de baie ( en gris sur figure 2) .
Une vaste polynie (eau libre) s’étendait au large des îles côtières (bleu sur fig 2) ; cette
polynie est récurrente , due aux décharges d’eau douce des nombreuses rivières locales, mais
elle apparaît beaucoup plus tardivement lors des années normales .
Lors du trajet Longue Pointe – Chisasibi , le catamaran a traversé une vaste zone d’eau libre à
l’ouvert de l’estuaire de « La Grande Rivière ».
Au cours de notre séjour , nous avons vu le fast ice fondre rapidement ( avec regel nocturne
partiel), et les cartes montrent l’extension de la polynie vers le sud et l’ouest de la Baie James,
ce qui nous a dissuadé de poursuivre les essais vers le sud en direction de Rupert River ,
comme initialement prévu.
Le bateau n’a donc jamais pu atteindre le pack-ice du large . En revanche nous avons pu le
tester sur tous les types de glace côtière : fast ice lisse, fracturé en gros blocs (par la marée),
slush ice et transition glace-eau. (photos de la figure 3)
Figure 2 : Evolution de la glace de mer dans James Bay( source :Canadian Ice Service)
I-4 Hydrologie /Bathymétrie
La Baie James est très peu profonde ( Pmax = 50m au milieu,) ; elle est alimentée par
d’importantes rivières qui viennent y décharger leurs alluvions si bien que l’isobathe 20m est
à plusieurs dizaines de milles des rivages ( figure 4) et nous n’avons jamais navigué sur des
fonds supérieurs à 5m.
La décharge des nombreuses rivières contribue à des salinités très faibles dans James Bay (
<28 PSU , figure 5) ; dans notre zone côtière d’étude à proximité immédiate de la Grande
Rivière , les salinités mesurées au conductimètre n’ont jamais dépassé 3 PSU.
La marée est de type semi diurne à inégalité . Dans notre zone, l’amplitude constatée était
d’environ 1.5m . Les fonds étant très faibles , le fast ice côtier s’échouait aux basses mers
constituant ainsi de vastes zones de blocs brisés : excellents champs de bosses pour les
essais de progression du cata (photos 3-2 et 3-3).
Source : “Canadian inland seas”,Ireneo Peter Martini, Elsevier Oceanography Series
II-
Instrumentation embarquée
Suite aux essais préliminaires en mars sur l’Aubrac ( effectué avec un sondeur à glace
EM31 prêté par le Sisyphe) ,le matériel installé est désormais dans sa configuration
définitive :
- Centrale NKE comprenant le processeur HR, la centrale inertielle 3D sensor , le barothermo-hygrometre HR100, l’afficheur multifonction Gyrographic.
- GPS Garmin 60 avec antenne déportée sur le roof (échantillonnage à 1 hz)
- le nouveau sondeur EM31 ( acheté chez Geonics Inc )
- Alimentation 12V avec 4 panneaux solaires en série/parallèle (150w nominal)
Le schéma synoptique de la chaîne d’acquisition apparaît en figure 6 , le schéma de
câblage général de toute l’installation électrique apparaît en figure 11. Les figures
intermédiaires montrent des vues des divers instruments .
III-
Premier bilan de fonctionnement
III-1 Sondeur EM31
Le principe de l’évaluation de l’épaisseur de glace sous la coque du bateau en marche est
décrit dans la figure 8.
Nous avons donc installé le sondeur électromagnétique longitudinalement à l’intérieur du
flotteur babord (figure 9) .Nous en avons verifié la réponse en rapprochant des masses
métalliques vers les antennes depuis l’exterieur: les materiaux de la coque ( composite
verre-kevlar/epoxy) et des skis (composite +PEHD) n’absorbent pas le signal .
La trame de données ASCII est émise à environs 10Hz vers un port RS232 du processeur
HR qui y décode :
- la valeur brute de conductimétrie, qui lui permet de calculer en temps réel une
épaisseur brute de (glace +neige) , à partir d’une formule de calibration moyenne
- la valeur brute du déphasage emission/reception qui devrait permettre une détection
(en post processing) des passages sur l’eau des lacs de fonte
- un caractère émulé par un bouton « évenement » accessible au barreur dans le cokpit (
marquage de stations de calibrations, des transitions glace-eau)
Le processeur HR enregistre ces paramètres en mémoire et les diffuse vers l’afficheur de
cokpit ( qui les affiche correctement depuis sa mise à jour en V2.7). Des détails techniques
sur la dernière version du code LUA du processeur sont donnés en annexe.
L’alimentation +-5VDC de l’EM31 depuis le réseau 12VDC par convertisseur à découpage
fonctionne bien et l’appareil s’avère très économe ( <100ma sous 12VDC)
Conclusion
Nous avons pu valider ces fonctions uniquement sur de la glace cotière , par faibles
profondeurs et avec de l’eau quasiment douce sous la glace . Les premières données de
conductivité et d’épaisseur apparaissent dans les graphes suivants et sont neammoins
correctes .
III-2 Centrale inertielle 3D sensor
Nous l’avons installée dans le flotteur tribord dans un environnement magnétique optimisé (
support et vis en matières plastiques, éloignement maximal des antennes de l’EM31 et des
régulateurs de charge ).
Les angles de roulis et tangage ont été calibrés en mettant le bateau horizontal ( verins de skis
rentrés) sur de la glace plane
L’offset longitudinal ( sur le cap) a été déterminé par pointage du bateau dans l’axe du soleil ,
lecture du cap vrai ( calculé par le processeur HR avec mis a jour 2010 du modèle
magnétique) et comparaison à l’azimuth solaire calculé pour l’heure/position.de la mesure.
La réponse dynamique du 3D sensor a ensuite été verifiée en navigation par corrélation avec
les vitesses/routes enregistrées au GPS (Graphes suivants )
. Figure: course over ground (GPS) versus True Course ( from 3D magnetometer + magnetic
declination correction through processor internal algorithm
Figure : roll and pitch from 3D gyrometers .
III-3 Capteur meteo HR100
Nous l’avons installé provisoirement à l’intérieur du bateau car le niveau d’étanchéité de la
version fournie (IP54) ne permet pas son implantation définitive sur l’hiloire arrière du roof.
en extérieur.
La pression atmosphérique est lue par le processeur et affichée correctement .
L’humidité relative est bien lue également mais l’affichage et l’écriture mémoire apparaissent
dans un format erroné .
La température de l’air ne semble pas reconnue par le processeur . Ces problèmes restent à
résoudre avec l’aide de NKE .
III-4 GPS et ordinateur de bord
La trame NMEA délivrée à 1Hz par le Garmin 60 est bien lue par le processeur HR , les
valeurs de COG/SOG sont correctement affichées sur le Gyrographic .
L’ordinateur de bord ( Toughbook CF18, durci/étanche ) communique correctement avec le
processeur HR en TCP/IP pour :
- le monitoring/debugging sous Telnet
- les transferts de données/programme en FTP
- l’interface Web
En revanche la connection au logiciel de navigation Maxsea ( V 10.2) par protocole
NMEA/UDP n’est pas fonctionnelle : les données GPS ne s’affichent pas sur le navigateur (
cf annexe) .
Nous avons testé l’acquisition directe sur le PC des données (EM31 + GPS) avec le logiciel
constructeur EM31xp ( mode dégradé , en cas de panne du processeur NKE) :
Figure 6 : GPS track (total from Longue Pointe to Chisasibi Bay) and Speed Over Ground
(median filtered data 0.5hz)
III-5 Système de charge photovoltaïque
Nous avons installé 4 panneaux solaires « Lightpower 37 » (6V en montage
série/parallèle, figures 10 et 11) sur l’avant du roof . La puissance totale est de 150w sous
12V .Ils chargent une batterie ( plomb étanche , 17AH) à travers un régulateur à
découpage qui , lorsque la batterie est pleine, passe en mode « trickle charge » et dérive
l’énergie excédentaire vers une résistance chauffante dans une bouteille thermos .
Nous avons constaté pendant les tests (fin avril ,54N) que :
- pendant 10h de jour sur 14h total ( 20deg< hauteur solaire<50deg)
- par ciel dégagé OU couvert ,
- Avec toute l’instrumentation en marche , et occasionnellement de l’outillage electroportatif en 12V
le régulateur passait très fréquemment en mode « trickle charge » et délivrait à la résistance de
décharge une énergie suffisante pour chauffer un litre d’eau de 0°C à 60°C en 1h .
L’énergie électrique disponible est donc largement suffisante pour couvrir les besoins de
l’instrumentation, des télécommunications Iridium et des cameras videos ( Pmoyen journalier
< 10w) et une part de la chauffe alimentaire.
A titre comparatif , à 85N fin juillet , la hauteur du soleil (permanent 24/24h) varie entre 15 et
25 deg . Le bilan restera donc aussi excédentaire pendant la traversée de l’Arctique .
L’albedo élevé de la banquise ainsi que l’efficacité élevée des panneaux en rayonnement
diffus expliquent ces forts rendements photovoltaïques.
La combinaison des 4 panneaux de 6V permettrait , en cas de panne d’1 ou même 2 des
éléments, de produire encore de l’énergie sous 12V à mi puissance .
IV-
Conclusion
Ces premiers tests en Baie James ont globalement validé les équipements embarqués,
mais n’ont pas permis d’effectuer des mesures d’épaisseur de glace réalistes car :
- la seule banquise accessible était de la glace côtière , couvrant de l’eau douce et des
fonds très faibles ( conditions rédhibitoires pour le sondeur électromagnétique)
- la zone du large , plus salée, était déjà occupée par de l’eau libre à cause d’un hiver
anormalement doux
Les prochains tests seront effectués en fevrier/mars prochain dans le Nord du Golfe du
Saint Laurent, où la salinité est plus élevée ( 32 à 33 PSU en surface , carte 12 gauche )
La prévision de glace pour fin fevrier (statistique sur 7 ans ) offre une vaste zone de
banquise 9 à 10/10 ( en rouge sur la carte 12 droite).
. Dans ces conditions nous pourrons calibrer le sondeur EM31 dans des conditions très
proches de l’Arctique , et effectuer des trajets longs sur la glace du large .
En attendant il nous reste à régler avec l’aide de NKE les problèmes (mineurs) rencontrés sur
le système d’acquisition.
V- Remerciements
Outre les sponsors officiels de l’expédition ( voir site /www.sebroubinet.eu)) , nous tenons à
remercier particulièrement les personnes qui nous aidés à la préparation et aux déroulements
de ces tests canadiens :
- Luc Bourdages et ses collègues de SERBEC Inc /Montreal pour l’hébergement et le
prêt d’un hangar à Montréal
-
Jean Maurice pour le prêt de son camping-car qui a été notre home –sweet-home
pendant les tests
Douglas , le pasteur de Chisasibi qui a établi les contacts avec les chefs indiens Cree ,
dont nous avons traversé les territoires.
Pour la partie scientifique :
- Paul Fraisse et Morgan Guillou de la société NKE/ Hennebont, pour le prêt du
système d’acquisition , les heures de développement et conseils .
- Roger Guerin et Alain Tabbagh du laboratoire Sisyphe / Jussieu Paris pour le prêt
d’un sondeur EM31 ( et les conseils) lors des tests préliminaires du cata en France.
- Christian Haas , Alberta University /Canada, pour ses conseils éclairés sur
l’utilisation en glacio de l’EM31, et son soutien enthousiaste pour la suite en temps
que coordinateur CRYOSAT pour l’Arctique .
Annexe – Quelques runs caractéristiques
Baie de Chisasibi , glace lisse
Glace : fast ice cotier lisse, non fracturé (photo 3-5)
Vent : 10knts
Voilure : GV 1 ris , petit foc
Trajet : allers-retour au bon plein , Seb en solo
Graphe 1 :Vitesse max : 14knts , coup de gite max : 18degré ( lève une coque !)
Graphe 2 : Accélération longitudinale et prise de vitesse sont bien corrélées .
Graphe 3 : Quand le bateau se déplace , le cap vrai et le cap fond( GPS) se rapprochent ;les
angles de dérive varient alors entre 0 et 30 degrés selon l’accroche des carres dans la glace ;
130
Run sur glace lisse : vitesse/roulis/tangage
80
30
-20
-70
vitesse knts*10
roulis degre *10
tangage deg *10
-120
temps (20mn total)
Run sur glace lisse : vitesse/acceleration longitudinale
150
vitesse knts*10
acceleration G*100
100
50
0
-50
temps (20mn total)
495
Cap vrai
route fond (GPS)
395
Run sur glace lisse :cap vrai, route fond,dérive
angle de dérive (deg*10)
295
195
95
temps (20mn total)
-5
Baie de Chisasibi : halage dans des champs de gros blocs
Glace : fast ice côtier fracturé en gros blocs échoués à basse mer (photos 3-2 et 3-3)
Vent : 10knts
Voilure : GV 1 ris , petit foc
Trajet : progression lente à pied entre les blocs
Graphe 1 :Vitesse entre 0 et 5knts,moyenne sur 15mn dans la zone de blocs : 0.6 knts
coup de gite max :23degrés , tangage max :11 degrés
Graphe 2 : Accélérations horizontales jusqu’à (-1G ) : arret buffet dans gros bloc ,
accélération verticale jusqu’à 2.5G : chute entre blocs.
On pourrait calculer les efforts dynamiques induits…..
70
Halage dans gros blocs : vitesse/roulis/tangage
20
-30
-80
-130
vitesse knts*10
-180
roulis degre *10
tangage deg *10
-230
temps (20mn total)
230
180
Halage dans gros blocs : vitesse/accelerations 3D
vitesse knts*10
accelerationX G*100
accelerationY
accelerationZ
130
80
30
-20
-70
-120
temps (20mn total)