Brevet FR2684190A1 — publié le 19930528

AEROSTAT POUR L'ETUDE DE LA COMPOSANTE HORIZONTALE DES MOUVEMENTS ATMOSPHERIQUES. DESCRIPTION L'invention concerne un aérostat conçu pour étudier la composante horizontale des mouvements atmosphériques. Afin que le lancement des fusées s'effectue avec un maximum de sécurité, on est conduit à étudier la structure du vent horizontal au-dessus des pas de tir. Une telle étude s'impose notamment dans le cas de programmes comportant des vols habités. Dans la pratique, une telle étude est réalisée au moyen d'une flotte de 1000 à 10000 aérostats qui sont lachés sur une période de un à deux ans, avec pour objectif la détermination de la valeur moyenne de la composante horizontale du vent par tranches verticales de 50 m, sur une altitude comprise entre le sol et 20000 m. Etant donné que la vitesse ascensionnelle des aérostats habituellement utilisés est de L'ordre de 5 m/s, l'aérostat ne doit pas mettre plus de 2 à 3 secondes pour atteindre la vitesse moyenne d'écoulement de la tranche horizontale dans laquelle il est supposé effectuer les mesures. Pour ce faire, la hauteur maximum de l'aérostat doit être inférieure à 20 m. La mesure est effectuée depuis le sol en suivant L'aérostat et en mesurant la composante horizontale de sa vitesse. Cela suppose que la position et la vitesse de l'aérostat puissent être mesurées avec précision et que la composante horizontale de la vitesse de l'aé- rostat soit égale à la composante horizontale de la vitesse du vent. En réalité, si la position de l'aérostat peut être mesurée avec une excellente précision, il existe le plus souvent une différence, parfois importante, entre la composante horizontale de La vitesse de l'aérostat et la composante horizontale de la vitesse du vent. Dans l'état actuel de la technique, la composante horizontale de la vitesse du vent peut être déterminée soit en utilisant des ballons sphériques lisses dont le diamètre varie avec l'altitude, soit en utilisant des ballons sphériques rugueux, généralement appelés l'Jim-sphèresil. En ce qui concerne les ballons sphériques lisses, ils ont pour principal avantage un prix de revient particulièrement bas. Cependant, le système formé par un ballon sphérique lisse et par une nacelle suspendue à ce ballon est très instable. En effet, la valeur du nombre de Reynolds, caractéristique de l'état dynamique de l'écoulement autour de l'aéronef, et qui dépend à la fois de la rugosité de l'aéronef et de la turbulence de l'écoulement extérieur, peut varier entre 40000 et 400000 ce qui conduit à des changements de structure des écoulements autour du ballon. Suite à une très légère perturbation extérieure, le coefficient de traînée peut donc varier brutalement de 0,5 à 0,1. De plus, ces variations brutales peuvent accentuer ou diminuer l'effet de pendule qu'un gradient de vitesse induit sur l'ensemble formé par le ballon et par la nacelle. Les ballons sphériques rugueux sont des ballons surpressurisés d'environ 2 m de diamètre comportant des picots sur leur surface extérieure. Ces ballons n'emportent pas d'émetteur et sont suivis au radar grâce à leur rugosité. Par rapport aux ballons sphériques lisses, ces ballons rugueux suivent relativement bien l'écoulement car ils présentent un coefficient de traî- née qui varie peu avec le nombre de Reynolds. Leur réponse à une variation brutale du vent peut donc être déterminée assez aisément. Cependant, ces ballons sphé riques rugueux ont pour inconvénients, d'une part, leur coût très élevé et, d'autre part, l'impossibilité de mesurer autre chose que la vitesse du vent et l'obliga- tion de disposer d'un équipement radar de grande précision et de coût considérable. L'invention a précisément pour objet un aérostat dont la conception originale lui permet de bénéficier à la fois des avantages des ballons sphériques lisses et des ballons sphérique rugueux, tout en ne présentant pas les inconvénients inhérents à ces deux types de ballons. De façon plus précise, l'invention a pour objet un aérostat permettant, pour un prix de revient relativement bas (2 à 3 fois moins cher qu'une IIJim-sphèrell), d'effectuer un certain nombre de mesures physiques telles que la mesure de la vitesse horizontale du vent tout en présentant une réponse aussi fidèle que possible à un changement de cette vitesse horizontale et en subissant des effets pendulaires aussi réduits que possible lorsque l'aérostat est soumis à un gradient de vitesse horizontale. Conformément à l'invention, ce résultat est obtenu au moyen d'un aérostat, pour L'étude de la composante horizontale des mouvements atmosphériques, comprenant une nacelle équipée d'un émetteur et suspendue à un ballon rempli de gaz, caractérisé par le fait que le ballon est un ballon cylindrique fermé, d'axe vertical, à tension circonférentielle élevée. L'utilisation d'un ballon cylindrique conduit à rendre le diamètre de la bulle de gaz contenue dans le ballon très rapidement égal au diamètre du cylindre générateur de ce dernier. Dans ces conditions, quelle que soit l'altitude, les tensions circonférentielles de l'enveloppe autour de la bulle de gaz rigidifient le ballon de façon homogène, de telle sorte qu'aucun pli à plat ou pli rentrant ne vient se former sur la paroi en tension. Les longueurs de matière travaillant entre les pôles du ballon sont donc égales, ce qui évite le basculement de la bulle de gaz et la mise en oscillation du ballon. Un ballon de ce type est donc particulièrement adapté au sondage des vitesses de vent horizontal. Avantageusement, L'aérostat comporte des moyens de régulation de sa vitesse ascensionnelle, qui peuvent comprendre par exemple au moins une hélice d'axe vertical ou un parachute. La réduction de la vitesse ascensionnelle de l'aérostat a pour effet de réduire l'erreur sur la mesure de la composante horizontale découlant à la fois du temps de réponse de l'aérostat à un changement de la vitesse horizontale du vent et de la période de l'effet pendulaire induit sur l'ensemble ballon/nacelle par un tel changement de vitesse, qui sont tous deux de L'ordre de quelques secondes. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le ballon cylindrique est constitué de fuseaux rectangulaires assemblés bord à bord et froncés à leurs extrémités pour former un dôme supérieur terminé par un pôle et un crochet inférieur portant la nacelle. Dans ce cas, le dôme supérieur du ballon cylindrique est muni avantageusement sur sa surface extérieure d'une collerette concentrique au pôle, dont le diamètre est sensiblement égal à 0,9 fois le diamètre du ballon cylindrique. Cette collerette a pour effet d'augmenter la rugosité de l'enveloppe dans la zone de transition entre le dôme et la partie cylindrique du ballon, afin de diminuer les risques d'oscillation pendulaire de l'aérostat autour de la bulle de gaz. Ainsi, lorsqu'un changement de vitesse horizontale se produit, l'impulsion aérodynamique modifie rapidement la vitesse du dôme rugueux et la collerette déclenche la transition ; l'écoulement vertical turbulent qui se produit alors autour de la partie cylindrique du ballon à tendance à redresser celui-ci. Par ailleurs, le temps de réponse de l'aérostat à un changement de vitesse horizontale du vent peut être amélioré en prévoyant sur la surface extérieure du ballon cylindrique des rugosités longitudinales, orientées paallèLement à l'axe vertical du ballon. Ces rugosités longitudinales peuvent notamment être obtenues sous la forme d'ailettes réalisées à la jonction entre les fuseaux rectangulaires adjacents du ballon. Elles ont pour effet d'accroître le frottement entre l'air et l'enveloppe du ballon, ce qui permet à ce dernier d'atteindre rapidement la vitesse moyenne du vent dans la tranche d'altitude considérée. Ces caractéristiques de rugosité du ballon, qui permettent d'effectuer des mesures plus précises, peuvent encore être améliorées en fixant autour du ballon cylindrique un filet centré sur le pôle et relié au crochet par des organes élastiques. Grâce à l'utilisation d'un aérostat comportant une nacelle, il est possible d'adjoindre aux mesures de vitesse de vent horizontal des mesures de pression et de température en plaçant dans la nacelle des moyens de mesure de ces grandeurs physiques. On décrira à présent, à titre d'exemple non limitatif, un mode de réalisation préféré de l'invention, en se référant aux dessins annexés, dans lesquels - la figure 1 est une vue de côté représentant en perspective un aérostat réalisé conformément à l'invention ; et - la figure 2 est une vue de dessus de l'aérostat de la figure 1. Comme l'illustrent en particulier les figures 1 et 2, l'aérostat conforme à l'invention comprend essentiellement un ballon cylindrique fermé 10 et une nacelle 12. Le ballon cylindrique fermé 10 est un ballon réalisé par assemblage d'un certain nombre de fuseaux rectangulaires 14 réalisés en un matériau étanche, léger et de très faible épaisseur tel qu'un film de polyéthy lène dont l'épaisseur peut varier entre 10 pm et 25 lum environ. Les fuseaux 14 sont assemblés bord à bord selon leur plus grande longueur, par exemple par thermosoudage, de façon à former un cylindre. Les extrémités de ce cylindre destinées à former la partie supérieure du ballon 10 sont réunies entre elles pour former un dôme supérieur 16 terminé par un pôle supérieur 18. Les extrémités opposées des fuseaux 14 destinées à former la partie basse du ballon 10 sont également réunies pour former un crochet inférieur 20 auquel est suspendue la nacelle 12. Il est à noter que la formation du pôle supérieur 18 réalise un fronçage qui crée dans la zone du dôme 16 une grande rugosité permettant au ballon 10 de s'adapter aux changements de vitesse horizontale du vent. Préalablement au lancement, une bulle de gaz ascensionnel est introduite dans le ballon, à travers le crochet 20, par un système de diffusion statique (non représenté), après que le ballon 10 ait été placé dans une housse ou gaine de protection sur laquelle s'appuie la paroi du ballon 10. Cette gaine de protection laisse cependant la bulle de gaz se former naturellement dans la partie supérieure du ballon 10. La quantité de gaz ascensionnel injectée dans le ballon 10 est mesurée par pesée automatique, par exemple au moyen d'un dispositif à col sonique (non représenté). Dès qu'une quantité suffisante de gaz ascensionnel a été injectée dans le ballon, la gaine de protection est libérée automatiquement par un équipement approprié, provoquant ainsi le départ de l'aérostat. Il est à noter que, dans un ballon 10 de forme cylindrique, le diamètre de la bulle de gaz est très rapidement égal au diamètre du cylindre générateur de ballon. Dans ces conditions, quelle que soit l'altitude, le ballon est pratiquement insensible aux forces aérodynamiques qui s'appliquent sur sa partie supérieure lors de son ascension, contrairement aux ballons sphériques lisses dans lesquels les forces aérodynamiques, lorsqu'elles deviennent importantes, applatissent le dôme supérieur du ballon, déséquilibrent son positionnement vertical, et provoquent un effet de pompage vertical et d'oscillation autour de la bulle de gaz qui fausse les mesures. Cette relative insensibilité des ballons cylindriques aux forces aérodynamiques s'explique par le fait que les tensions circonférentielles de l'enveloppe autour de la bulle de gaz rigidifient le système. Les tensions longitudinales sont homogènes autour de cette bulle et aucun pli à pLat ou rentrant ne vient se former sur la paroi en tension. De la sorte, les Longueurs de matière travaillante entre les pôles sont égales, ce qui évite le basculement de la bulle de gaz et la mise en oscillation de l'enveloppe. Dans le mode de réalisation illustré plus précisément sur les figures 1 et 2, l'enveloppe du bal lon 10 présente sur sa surface extérieure des ailettes verticales 22, qui sont orientées parallèlement à l'axe du ballon après la libération de l'aérostat. Ces ailettes verticales 22 peuvent notamment être formées à la jonction entre les fuseaux 14 adjacents, lors de l'as- semblage de ces fuseaux. Le cas échéant, ces ailettes 22 peuvent être renforcées par des rubans d'assemblage supplémentaires (non représentés) interposés entre les bords adjacents des fuseaux 14 qui sont repliés radialement vers l'extérieur du ballon 10. Ces ailettes verticales 22 ont pour effet d'augmenter la rugosité de l'enveloppe du ballon 10, ce qui permet d'accélérer sensiblement la réponse du ballon à un changement de la vitesse horizontale du vent. Cet effet peut encore être amélioré en fixant tout autour du ballon 10 un filet 24, partiellement représenté sur les figures 1 et 2, centré sur le pôle supérieur 18 du ballon et ramené au crochet 20 par des câbles élastiques 26 qui demeurent continuellement en tension longitudinale, quel que soit le taux de rempli sage du ballon 10. Pour diminuer les oscillations pendulaires de l'aérostat autour de la bulle de gaz, la rugosité de l'enveloppe du ballon 10 est également augmentée à proximité de la zone de transition entre le dôme supérieur 16 et la partie cylindrique du ballon, au moyen d'une collerette 28 prévue dans cette zone sur la surface extérieure du dôme 16. Plus précisément, la collerette 28 présente la forme d'un anneau disposé concentriquement au pôle supérieur 18 et dont le diamètre est sensiblement égal à 0,9 fois le diamètre du ballon cylindrique 10. Dans la pratique, la collerette 28 peut notamment être constituée par un cordon de section circulaire et de 2 à 3 mm de diamètre, maintenu concentrique autour du pôle 18 par exemple au moyen de fils synthétiques (non représentés) servant de rayon. Lorsque la vitesse horizontale du vent change, l'impulsion aérodynamique qui en résulte modifie rapidement la vitesse du dôme 16 du ballon par suite de la rugosité particulièrement élevée dans cette zone. La collerette 28 déclenche alors la transition et l'écoulement vertical turbulent qui en résulte à tendance à redresser le ballon. L'aérostat conforme à l'invention comporte aussi, de préférence, un système de ralentissement ou de régulation de la vitesse ascensionnelle du ballon. Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 1, ce système comprend une hélice 30 montée sous la nacelle 12 de façon à pouvoir tourner librement autour de l'axe vertical de l'aérostat. Le cas échéant, plusieurs hélices comparables à l'hélice 30 peuvent être prévues. En variante, le système de ralentissement de la vitesse ascensionnelle du ballon peut aussi être constitué par un parachute monté sous la nacelle 12 de façon à ralentir la montée de l'aérostat. La présence sur L'aérostat d'un système de ralentissement tel que l'hélice 30 permet de réduire L'erreur sur les mesures effectuées. En effet, des estimations préliminaires ont montré que les temps caractéristiques des réponses des ballons à une variation de la vitesse horizontale du vent sont, en première approximation, inversement proportionnels au coefficient de traînée Cx de l'aérostat et, en pratique, de l'ordre de quelques secondes. Etant donné que la période de L'effet pendulaire induit par un changement de la vitesse horizontale du vent est aussi de l'ordre de quelques secondes, on comprend qu'une réduction de la vitesse ascensionnelle de l'aérostat permet de limiter l'erreur sur la mesure. Il convient d'ajouter que la stabilité verticale de l'aérostat en mouvement pendulaire est d'autant plus grande que le centre de poussée est éloigné de la nacelle. Cela conduit à ne prendre en considération que les mesures de vitesse horizontale entre le sol et une altitude correspondant à environ 2/3 de la pleine expansion de la bulle de gaz dans le ballon. Cela conduit à utiliser un ballon présentant un grand élancement. En ce qui concerne la nacelle 12, elle comporte un émetteur (non représenté) permettant, grâce à un équipement au sol relativement réduit, tel qu'un banc de télémesures analogue à celui qui est utilisé avec les ballons sphériques lisses, de connaître avec précision la position de l'aérostat dans l'espace, ainsi que sa vitesse. La présence d'une nacelle sous le ballon permet cependant d'embarquer sur celle-ci, si nécessaire, des instruments de mesure complémentaires tels que des capteurs de pression et de température. Dans tous les cas, un simple banc de télémesure suffit pour capter les informations pertinentes, ce qui dispense de l'acquisition d'un radar particulièrement coûteux, dont l'utilisation est indispensable dans le cas des ballons sphériques rugueux. La description qui précède fait apparaître clairement que l'invention permet, pour une dépense réduite, d'améliorer la précision des mesures de la composante horizontale du vent par rapport aux ballons sphériques lisses et aux ballons sphérique rugueux utilisés jusqu'à présent à cet effet. En particulier, la forme et la structure particulières du ballon utilisé dans l'aérostat conforme à l'invention réduisent de façon appréciable le temps de réponse du ballon à un changement de la composante horizontale du vent ainsi que l'amplitude de L'effet pendulaire induit sur l'aérostat par ce changement. Par ailleurs, et comme on vient de le voir, l'invention permet aussi de mesurer d'autres paramètres tels que la pression et la température sans qu'il soit nécessaire d'avoir recours à des équipements au sol sophistiqués et coûteux. L'aérostat étant de type cylindrique fermé, le gaz ascensionnel entre rapidement en surpression à L'arrivée à l'état de plénitude. Ce phénomène provoque l'augmentation des tensions longitudinales et circonférentielles. Par réaction élastique, l'enveloppe se dilate, augmentant le volume du gaz malgré la compres Si on - La dilatation se poursuit jusqu'à l'éclatement naturel ou bien jusqu a l'éclatement sur commande au moyen d'un système simple de destruction (non décrit). En outre, comme la diminution de la vitesse ascensionnelle libère le freinage de l'hélice proportionnel au carré de la vitesse, elle procure un pouvoir de dilatation supplémentaire, donc une garantie supérieure que l'éclatement se produise. La mission achevée, le ballon est donc détruit dans tous les cas et retombe au sol sans perturber la navigation aérienne, ni l'espace situé au-dessus de la rampe de lancement. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation particulier décrit précisément en se référant aux figures 1 et 2. Ainsi, le ballon cylindrique à tension circonférentielle élevée utilisé conformément à l'invention pourrait être réalisé en pratique de manière différente, même si le mode de réalisation décrit constitue une solution particulièrement simple et efficace afin d'obtenir la précision souhaitée. REVENDICATIONS 1. Aérostat, pour l'étude de la composante horizontale des mouvements atmosphériques, comprenant une nacelle (12) équipée d'un émetteur et suspendue à un ballon (10) rempli de gaz, caractérisé par le fait que le ballon est un ballon cylindrique fermé (10), d'axe vertical, à tension circonférentielle élevée. 2. Aérostat selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comporte des moyens de régulation (30) de sa vitesse ascensionnelle. 3. Aérostat selon la revendication 2, caractérisé par le fait que les moyens de régulation de la vitesse ascensionnelle comprennent au moins une hélice (30) à axe vertical. 4. Aérostat selon la revendication 2, caractérisé par le fait que les moyens de régulation de la vitesse ascensionnelle comprennent un parachute. 5. Aérostat selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le ballon cylindrique (10) est constitué de fuseaux rectangulaires (14) assemblés bord à bord et froncés à leurs extrémités pour former un dôme supérieur (16) terminé par un pôle (18) et un crochet inférieur (20) portant la nacelle (12). 6. Aérostat selon la revendication 5, caractérisé par le fait que le dôme supérieur (16) du ballon cylindrique (10) est muni extérieurement d'une collerette (28) concentrique au pôle (18). 7. Aérostat selon la revendication 6, caractérisé par le fait que la collerette (28) a un diamètre sensiblement égal à 0,9 fois le diamètre du ballon cylindrique (10). 8. Aérostat selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le ballon cylindrique (10) comporte extérieurement des rugosités longitudinales (22), orientées parallèlement à son axe. 9. Aérostat selon la revendication 8, combinée avec l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé par le fait que les rugosités longitudinales ont la forme d'ailettes (22) réalisées à la jonction entre les fuseaux rectangulaires (14) adjacents. 10. Aérostat selon L'une quelconque des revendications 5 à 7 et 9, caractérisé par le fait qu'un filet (24) est fixé autour du ballon cylindrique (10), ce filet étant centré sur le pôle (18) et relié au crochet (20) par des organes élastiques (26). 11. Aérostat selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la nacelle (12) contient des moyens de mesure de pression et de température.