Experimental damage Characterization of polymeric films used in stratospheric pressurized balloons

Les ballons pressurisés développés par le CNES sont des structures de 8,5 à 12 m de diamètre, qui permettent d’emmener dans la stratosphère des équipements scientifiques pour effectuer des expériences de longue durée. La durée de vie de ces ballons est conditionnée par leur comportement mécanique et notamment le comportement en fluage qui s’il est trop marqué, peut engendrer un changement d’altitude se traduisant alors par une augmentation importante de la contrainte dans la membrane. On observe aussi des défaillances des ballons au cours de leur lancement ou après une brève phase de vol (2 à 24 heures). Afin de mieux comprendre le comportement en vol des ballons, le CNES a mis en place depuis plusieurs années un programme de recherche portant sur l’étude du comportement mécanique de ces structures et des films polymères qui les compose. Il s’est intéressé notamment à l’étude expérimentale et à la modélisation du comportement mécanique en fluage des ballons pressurisés. Plusieurs résultats ont été obtenus permettant de prévoir l’évolution dimensionnelle des ballons suite au phénomène de fluage. En revanche le comportement à la rupture de ces films polymère a été très peu étudié de même que les phénomènes supposés à l’origine de la perte de caractéristiques des films polymères constitutifs des ballons. Les travaux engagés durant cette thèse visent à étudier, quantifier et comprendre les mécanismes d’endommagement amenant la rupture prématurée des ballons. Cet endommagement a deux origines supposées ; d’une part des plis dits simples et triples occasionnés par le stockage, la manipulation et le déploiement des ballons et d’autre part l’endommagement de fluage.The super-pressure balloons developed by CNES are a great challenge in scientific ballooning. Whatever the balloon type considered (spherical, pumpkin...), it is necessary to have good knowledge of the mechanical behavior of the envelope regarding to the flight level and the lifespan of the balloon. It appears during the working stages of the super pressure balloons that these last can exploded prematurely in the course of the first hours of flight. For this reason CNES and LGP are carrying out research programs about experimentations and modelling in order to predict a good stability of the balloons flight and guarantee a life time in adequacy with the technical requirement. This study deals with multilayered polymeric film damage which induce balloons failure. These experimental and numerical study aims, are a better understanding and predicting of the damage mechanisms bringing the premature explosion of balloons. The following damages phenomena have different origins. The firsts are simple and triple wrinkles owed during the process and the stocking stages of the balloons. The second damage phenomenon is associated to the creep of the polymeric film during the flight of the balloon. The first experimental results we present in this paper, concern the mechanical characterization of three different damage phenomena. The severe damage induced by the wrinkles of the film involves a significant loss of mechanical properties. In a second part the theoretical study, concerns the choice and the development of a non linear viscoelastic coupled damage behavior model in a finite element code