Brevet FR2128177A1 — publié le 19721020

La présente invention concerne un dispositif stabilisateur pour orienter un objet dans ltespace et plus une nacelle suspendue à un ballon stratosphérique. L'invention a pour but dtisoler la nacelle des mouvements perturbateurs du ballon stratosphérique auquel elle est liée par un câble et d'orienter cettedite nacelle sur une direction de référence quelle que soit son orientation initiale. Pour réaliser une stabilisation et une orientation précise d'une nacelle stratosphérique, la présente invention utilise un dispositif du type émerillon placé entre ladite nacelle et le câble de suspension du ballon stratosphérique et met en oeuvre un volant d'inertie qui annule constamment les quantités de mouvement de la nacelle pour réaliser les conditions de stabilité de l'équilibre de celle-ci. Pour réaliser cette stabilisation l'invention utilise principalement en association les moyens suivants - un dispositif du type émerillon comprenant un axe supérieur accro ché au câble de suspension du ballon et un axe inférieur solidaire de la nacelle, les deux axes tourillonnant à l'intérieur d'un vo lant inertie constitué d'un coffret lesté, par exemple, par le générateur utilisé pour l'alimentation des appareils logés dans la nacelle ou mieux par des masselottes réglables ou des disques interchangeables et de poids différents choisis en fonction des inerties à vaincre. - un détecteur définissant, autour de l'axe de suspension, une ré férence fixe qu'il transmet sous la forme d'un signal pour com mander un moteur dont le rotor est fixé sur le volant d'inertie et le stator sur la nacelle, le détecteur pouvant titre un détec teur magnétique fixé sur la nacelle de façon à entre le plus pos sible éloigné des champs magnétiques parasites, ledit détecteur étant alimenté par une synchro machine qui permet, au sol, d'ef- fectuer un calage initial précis ou, en vol, de commander des changements d'orientation de la nacelle. D'autres caractéristiques de l'invention apparattront au cours de la description détaillée qui en est donnée ci-après avec les dessins ci-joints à l'appui, sur lesquels : La figure 1 est une représentation schématique en coupe partielle d'un dispositif stabilisateur de nacelle stratosphérique suivant l'invention. La figure 2 est une coupe longitudinale suivant la ligne ÀÀ montrant suivant un premier mode préférentiel de l'invention, les moyens de liaison entre la nacelle et son câble de suspension. La figure 3 est une représentation schématique montrant le montage électrique nécessaire pour assurer le fonctionnement du dispositif stabilisateur. La figure 4 est une coupe longitudinale montrant, suivant un second mode préférentiel de l'invention, les moyens de liaison entre la nacelle et son cible de suspension0 À la figure 1, la nacelle 1 est suspendue au cable 2 du ballon stratosphérique, non représenté au dessin, par un dispositif du type '1émerillon" 3 qui isole en rotation, autour de l'axe vertical 4, les mouvements du ballon stratosphérique et de la nacelle 1. Un détecteur 5 disposé sur un bras 6 de la nacelle 1, détermine la référence d'orientation sur laquelle s'orientera ladite nacelle lo Un moteur électrique 8 a son rotor 9 solidaire d'un volant d'inertie 7 et son stator 10 est solidaire de la nacelle 1. Pour obtenir la fixité de la nacelle 1, par rapport à la référence de direction définie par le détecteur 5, les couples développés par le moteur 8 sont appliqués respectivement à la nacelle 1 et au volant d'inertie 7 pour réaliser, entre les quantités de mouvement de la nacelle 1 et les quantités de mouvement du volant d'inertie 7, la relation mV + m'Vt = 0, m étant la masse de la nacelle 1, mss la masse du volant inertie 7 et V et V' leurs vitesses respectives. À la figure 2, le dispositif du type émerillon 3 est constitué d'un axe supérieur 11 et d'un axe inférieur 12 qui tourillonnent sur des roulements coaxiaux 13a, 13b, 13c et 13d montés à l'intérieur d'un fourreau 14 solidaire du volant d'inertie 7O Sur chacun des axes 11 et 12, deux butées à billes 1fa et 15b supportent les charges axiales. Un anneau 16, terminant l'axe supérieur 11, sert à l'accrochage du cible de suspension. Une couronne 17, fixée à l'axe inférieur 12 assure le centrage et la fixation de la nacelle 1 sur le dispositif stabilisateur.L'axe inférieur 12 et la couronne 17 portent le stator 10 du moteur électrique 8 dont le rotor 9 est solidaire du fourreau 14 du volant d'inertie 7O La masse du volant d'inertie 7 est obtenue par les éléments du générateur électrique, non représentés, et logés à l'intérieur dudit volant d'inertie 7e Les éléments, piles, du générateur électrique sont calés par un matériau tel, que son coëfficient de conductibilité thermique soit sensiblement constant quelles que soient les conditions atmosphériques. Llalimentation du moteur 8 et des appareils de mesure contenus dans la nacelle 1 est réalisée par bagues collectrices 18 et-balais 19. Un joint 20 et des rainures 21a et 21b en nlabyrinthe" protègent, du ruissellement, l'ensemble stabilisateur. A la figure 3, le détecteur 5 définit une référence de direction, cedit détecteur peut être avantageusement un détecteur magnétique, identique à celui décrit dans lebrevet français 1032 887 du 20 Février 1951, et qui définit la référence du méridien magnétique local. Ce détecteur magnétique 5 comprend : un équipage magnétique 22 qui s'oriente dans le champ magnétique local et un organe détecteur 23 qui transforme l'orientation magnétique en signal électrique. Une synchro-machine 24, par exemple un transmetteur de synchro détection, dont le rotor 25 est immobilisé mécaniquement au zéro, a sesewroulements statoriques/26 liés électriquement aux trois prises 27a, 27b et 27c régulièrement espacées, du potentiomètre annulaire 28 de l'organe détecteur 23.Le rotor 25 de la synchro machine 24 est excité par une tension alternative dite tension de référence qui est élaborée par un convertisseur 292 à partir d'une tension continue délivrée par la source électrique 30 contenue dans le volant d'inertie 7 de la figure 2. Les tensions induites dans les enroulements sta*Qriques26 créent dans les trois branches du poten tiomètre annulaire 28 une certaine distribution du potentiel qui dépend du calage du rotor 25 de la synchro machine 24.Le potentiomètre 28 étant fixe par rapport à la nacelle 1 et la synchro machine 24 ayant son rotor bloqué au zéro, aux curseurs 31 entraînés par l'équipage magnétique 22, on recueille une tension électrique qui mesure l'écart entre le nord magnétique et la position de la nacelle et il existe sur le potentiomètre 28 deux points diamétralement opposés entre lesquels cette tension est nulle. Aussi, toute désorientation de la nacelle 1 par rapport au nord magnétique se traduit par ltapparition aux bornes des curseurs 31, d'une tension d'er- reur ayant une amplitude proportionnelle à la valeur de la désorientation et une phase telle qu'elle détermine le sens de cette désorientation. Cette tension d'erreur est démodulée en 32 pour dtre appliquée à un amplificateur à courant continu 33, qui peut être avantageusement identique à celui décrit dans le brevet fran çais 1512 483 du 27 Décembre 1966. Cet amplificateur 33 utilise la tension d'erreur démodulée pour commander la durée de l'impulsion dtun signal de fréquence de récurrence constante qui déclenche une commutation 34 alimentant, convenablement, suivant le signe de la tension d'erreur, un moteur 8, par la source électrique continue 30 et cela pendant toute la durée de l'impulsion.Le moteur 8 recale la nacelle 1 et par là m & e le potentiomètre 28 jusqu'à annulation du signal d'erreur aux bornes des curseurs 31 du détecteur 5o Pour obtenir la fixité de la nacelle 1 par rapport à la direction de référence, les couples développés par le moteur 8 sont appliqués respectivement à la nacelle 1 et au volant d'inertie 7 pour réaliser entre les quantités de mouvement de ladite nacelle 1 et dudit volant d'inertie 7 la relation mv + m'v' = 0. En fonctionnement, le détecteur 5 peut dtre influencé par des champs magnétiques perturbateurs dus à l'action des câblages électriques, au magnétisme rémanant des pièces en acier, et au magnétisme induit des pièces en fer doux. Sous l'action de ces champs perturbateurs l'équipage magnétique 22 prend une direction différente de celle du méridien terrestre.L 'annulation de cette erreur de position angulaire est obtenue par modification des tensions induites dans les branches du potentiomètre annulaire 28 en décalant mécaniquement le rotor 25 de la synchro machine 24 de la valeur angulaire de cette erreur0 Egalement, il est possible avec la synchro machine 24 de modifier à volonté le gisement de la nacelle, par exemple, à l'aide d'un dispositif programmé à l'avance ou télécommandé, qui modifiera en cours d'utilisation la position angulaire du rotor 25 de ladite synchro machine 24. A la figure 4 on a représenté une autre forme de réalisation de l'émerillon du stabilisateur de nacelle de la figure 2. Cette seconde disposition, où lton retrouve les principaux éléments précédemment décrits, offre l'avantage de réaliser un stabilisateur plus compact et plus facilement adaptable aux différents types de nacelles. Le dispositif du type émerillon est constitué d'un anneau 35 servant à l'accrochage du câble de suspension, et d'un axe 36 tourillonnant à l'intérieur dudit anneau sur un ou plusieurs roulements coaxiaux 37; une ou plusieurs butées à billes 38 supportent les charges axiales. L'axe 36 est lié au dispositif de stabilisation par l'intermédiaire d'une articulation à la cardan 39 permettant à l'ensemble de pivoter autour des axes 39a et 39b perpendiculaires à l'axe vertical. Cette disposition émerillon et articulation à la cardan isole com plètement la nacelle 1 du câble de suspension accroché à l'anneau 35 c'est à dire l'isole complètement des mouvements du ballon et favorise l'attarissage en permettant à ladite nacelle de se coucher sur le sol. Entre l'anneau 35 et l'articulation à la cardan 39 peut entre avantageusement placé le détecteur magnétique 40. Le détecteur magnétique 40 est lié au cardan 39 par un axe creux 41 dans lequel passent les câblages électriques.L'axe 36, le bottier du détecteur magnétique 40 et le tube creux 41 sont de préférence réalisés en matériaux amagnétiques et, l'axe creux est suffisamment long pour éloigner le détecteur 40 du dispositif de stabilisation de façon à l'isoler des masses métalliques et des champs magnétiques perturbateurs. Le dispositif stabilisateur est placé entre la nacelle 1 et l'articulation à la cardan 39. Un carter 42 supporte un axe 43. Le carter 42 est centré et fixé sur la nacelle stratosphèrique 1 et l'axe 43 vissé à l'extrémité du cardan 39. Le dispositif stabilisateur comprend un volant d'inertie 44 constitué d'une bague 45 susceptible de pivoter autour de l'axe 43 sur des roulements coaxiaux 46a et 46b. Sur la bague 45 sont plantés un ou plusieurs bras 47 aux extrémités desquels sont fixées des masselottes 48 réglables, de façon à pouvoir les rapprocher ou les éloigner par rapport à l'axe de pivotement 43. Le nombre de bras 47 et de masselottes 48 et la position de ces dernières sur lesdits bras sont fonction de l'inertie de la nacelle stratosphérique 1 à stabiliser. Un moteur 49 ayant son stator 50 solidaire du carter 42 et son rotor 51 solidaire de la bague 45 du volant d'inertie 44 entratne en rotation autour de l'axe 43 ledit volant d'inertie 44. Le volant d'inertie 44 avec ses moyens d'entralnement, moteur 49, peut être avantageusement enfermé dans une enceinte étanchée 59 par des joints toriques de façon à l'isoler de l'ambiance de la stratosphère pour ne pas exposer le moteur 49 à lfhumiditéS au froid, et éviter 11 affaiblissement de la tension d'isolement dans l'air raréfié. Deux prises de raccordement 52 et 53 réalisent les connections entre le détecteur magnétique 40 et la nacelle 1 et une prise hermétique 54 les liaisons électriques au moteur 49 de stabilisation.Une partie de l'enceinte 59 est, par exemple, constituée d'une enveloppe 55 réalisée en matériau élastique offrant l'avanta- ge que lors d'un attenissage l'émerillon basculant autour des axes 39a et 39b du cardan 39 vient en contact avec cettedite enveloppe 55 élastique évitant ainsi de fausser l'émerillon, anneau 35 et axe 36. Cette enveloppe 55 vient se fixer par des brides 56 et 57 d'une part, sur le carter 42 et d'autre part, sur un flasque 58 porté par l'axe 43e La synchro machine 24, le démodulateur 32 et l'amplificateur 33 de la figure 3 peuvent titre avantageusement placés à l'intérieur de enceinte étanchée de manière à les isoler de l'ambiance stratosphèrique. il va de soi que la présente invention nta été décrite qu'à titre explicatif, nullement limitatif et qu'il est possible d'y introduire des modifications de détail, sans pour cela altérer la présente invention. C'est ainsi que le moteur de stabilisation à prise directe peut être un moteur entratnant le volant à inertie par un démultiplicateur mécanique, tel qu'engrenages, de rapport faible de façon à assurer la réversibilité de la commande. A la figure 4, le volant d'inertie 44 constitué d'une bague 45, de bras 44 et de masselottes 48, peut être tout simplement un disque rigide, l'utilisateur ayant à sa disposition plusieurs disques de diamètre et de masse variables qu'il choisit en fonction de l'iner- tie de la nacelle stratosphèrique. De mêmeS à la fig. 4, en fonction de 11 inertie nacelle on peut très bien envisager d'utiliser plusieurs moteurs 49 placés les uns au dessus des autres. Egalement ltélément détecteur peut être un gyroscope ou tout autre instrument de mesure fournissant une direction de référence. Revendications 1/ Dispositif stabilisateur de nacelle suspendue à un ballon stratosphèrique, caractérisé par le fait qu'il comprend des moyens connus utilisés en association, qui sont : une liaison du type émerillon isolant la nacelle des mouvements de rotation du ballon, un élé- ment détecteur déterminant la direction de référence sur laquelle s'oriente la nacelle et un moteur commandant cettedite nacelle en appliquant ses couples, dune part sur un volant inertie et d'autre part sur ladite nacelle pour réaliser les conditions de stabilité de l'équilibre de celle-ci autour de son axe vertical; ladite liaison du type émerillon étant constituée d'tm axe supérieur terminé par un anneau d'attache du cible du ballon stratosphérique et d'un axe inférieur lié à la nacelle, lesdits deux axes tourillon nant sur des roulements coaxiaux à l'intérieur du volant inertie. 2/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le volant d'inertie est un coffret hermétique de préférence cylindrique dont la masse qui est fonction de l'inertie de la nacelle à stabiliser est obtenue en logeant dans ledit coffret le générateur électrique, que le volant inertie est entraîné en rotation par au moins un moteur dont le stator est solidaire de l'axe inférieur de l'ensemble et le rotor porté par ledit volant d'inertie. 3/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que, suivant un second mode de réalisation, la liaison du type émerillon constituée d'une pièce terminée à sa partie supérieure par un anneau d'attache du cible de suspension du ballon stratosphèrique est susceptible de tourillonner sur des roulements coaxiaux par rapport à un axe vertical, lié à la nacelle par l'intermédiaire d'une articulation dite à la cardan dont les deux axes de pivotement sont perpendiculaires à l'axe de tourillonnement de ladite pièce, et que le volant dtinertie placé en dessous de ltarticula- tion à la cardan peut & re entrain en rotation, autour de l'axe vertical lié à la nacelle, par au moins un moteur dont le stator est solidaire de la nacelle et dont le rotor est solidaire dudit volant d'inertie. 4/ Dispositif selon les revendications 1 et 3, caractérisé par le fait que le volant d'inertie est'un disque rigide choisi, en fonction de l'inertie de la nacelle, parmi un jeu de disques interchangeables de diamètres et de masses différentes; que ledit volant d'inertie est enfermé dans une enceinte hermétique dont le pourtour est réalisé en matériau souple. 5/ Dispositif selon les revendications 1, 3 et 4, caractérisé par le fait que le volant d'inertie est un disque sur lequel sont fixés des bras ou tiges aux extrémités desquelles sont montées des masselottes dont la position sur lesdits bras est réglable en fonction de 11 inertie de la nacelle. 6/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'élément détecteur, qui définit l'orientation de la nacelle, est un détecteur magnétique placé sur un bras solidaire de la nacelle ou sur l'axe vertical lié à la nacelle, pour l'éloigner au maximum de cette dernière, le bras ou ltaxe vertical étant réalisés en matériau amagnétique; que ledit élément détecteur est couplé avec une syncuro-machine qui llalimente pour effectuer un calage rigoureux par positionnement mécanique de son rotor; que ledit positionnement mécanique peut etre modifié en vol, par télécommande pour modifier à volonté l'orientation de la nacelle.