Brevet FR2747993A1 — publié le 19971031

BALLON STRATOSPHERIQUE A DUREE DE VOL ELEVEE L'invention concerne un ballon stratosphérique à durée de vol élevée, du type ayant une enveloppe en un matériau transparent apte à présenter un état de plénitude où ladite enveloppe est entièrement gonflée. Par "matériau transparent", on entend selon l'habitude un matériau qui laisse passer le rayonnement solaire et infrarouge avec une absorption très minoritaire par rapport aux flux incidents ; ce matériau peut en particulier être constitué par du polyéthylène ou du polyester, qui sont les matériaux généralement utilisés pour fabriquer les ballons stratosphériques. On sait que les ballons stratosphériques classiques à volume variable peuvent présenter des volumes très importants (supérieurs à 106 m3) et transporter de lourdes charges jusqu'à des altitudes de l'ordre de 40 à 45 km. Ces ballons stratosphériques se caractérisent notamment en ce qu'ils fonctionnent avec un gaz plus léger que l'air dont ils tirent leur force ascensionnelle et en ce que leur volume à l'état de plénitude est très supérieur à leur volume à l'état de bulle : ce type de ballon peut par exemple être illustré par le brevet US 3.312.427. Ces ballons stratosphériques se différencient totalement des montgolfières qui sont des ballons à volume constant, utilisant le gaz de l'atmosphère dans laquelle ils sont plongés et tirant leur force ascensionnelle, soit d'un brûleur, soit du rayonnement ambiant (solaire ou infrarouge). Les montgolfières solaires ou infrarouges sont réalisées de façon à capter en permanence le maximum d'énergie solaire ou infrarouge et, à cet effet, sont munies sur au moins la moitié de leur surface d'un dispositif de piégeage du rayonnement solaire ou infrarouge ; les ballons montgolfières peuvent par exemple être illustrés par les brevets FR 2.418.150 ou US 4.262.864. Le problème essentiel que posent les ballons stratosphériques à volume variable réside dans leur très courte durée de vie, de l'ordre de 24 heures qui peut être étendue à quelques jours à condition d'emporter d'importantes quantités de lest. En effet, en période diurne, lorsqu'un ballon stratosphérique parvient à l'état de plénitude, une partie des gaz est expulsée jusqu'à ce que la force ascensionnelle libre s'annule, le ballon se stabilisant alors à son plafond de vol ; de nuit, les gaz du ballon subissent un refroidissement important qui entraîne une diminution considérable du volume de celui-ci et une mise en descente irréversible ; seul un largage de lest permet alors une stabilisation (de l'ordre de 10 % du poids de l'ensemble) ; toutefois, la force ascensionnelle qui est ainsi rajoutée se retrouve le jour suivant et se traduit par une nouvelle expulsion de gaz au plafond, de sorte que l'opération de largage de lest est à renouveler chaque nuit pour éviter la descente irréversible. Les quantités de lest emportées étant limitées, la durée de vie de tels ballons ne peut généralement pas dépasser 4 à 5 jours. Cette limitation de durée de vie est un défaut grave de ce type de ballon, cependant que l'obligation d'emporter du lest en quantité importante est très pénalisante puisqu'elle oblige, pour une charge utile donnée, à augmenter le volume du ballon et la masse de gaz aérostatique et, en conséquence, conduit à un accroissement du coût du vol. Pour pallier cet inconvénient, il a été conçu, tel que décrit dans le brevet FR 2.639.607, un ballon stratosphérique à volume variable comportant une cape de piégeage thermique fixée sur la partie supérieure de l'enveloppe. Tel qu'explicité dans ce brevet, une telle cape de piégeage permet, en effet, d'assurer une stabilisation du ballon entre des niveaux supérieurs (périodes diurnes) et des niveaux inférieurs (périodes nocturnes) pendant une pluralité de cycles diurnes et nocturnes. Toutefois, comme tous les ballons stratosphériques classiques, un tel ballon est confronté à des problèmes de diffusion du gaz aérostatique, qui conduisent à une limitation de sa durée de vol. La présente invention vise à pallier les inconvénients sus-évoqués des ballons stratosphériques actuels et a pour objectif essentiel de fournir un ballon stratosphérique présentant une durée de vol élevée sans nécessiter de largage de lest. Un autre objectif de l'invention est de fournir un ballon stratosphérique apte à emporter de fortes charges utiles, et dont le coût diffère peu d'un ballon stratosphérique ouvert classique. A cet effet, l'invention vise un ballon stratosphérique comprenant - une enveloppe extérieure souple de forme naturelle, c'est-à-dire à isocontrainte, constituée de fuseaux en matière synthétique transparente assemblés longitudinalement au moyen de rubans de reprise d'effort fixés en bordure de ces fuseaux, lesdits fuseaux étant interrompus à distance du pôle inférieur de l'enveloppe de façon que cette dernière présente une ouverture d'entrée d'air apte à permettre de maintenir le ballon à volume constant, et les rubans s'étendant dans le prolongement dudit pôle inférieur et étant liés en partie basse à des moyens d'accrochage d'une charge, - un écran interne réalisé en un matériau captateur d'énergie visible et infrarouge, relié à l'enveloppe par des moyens d'attache disposés en partie haute de ladite enveloppe à distance de l'axe longitudinal de cette dernière, et adaptés pour que l'écran interne s'étende librement à l'intérieur de l'enveloppe sans contact avec celle-ci. L'invention a donc consisté à réaliser un ballon stratosphérique - intégrant en premier lieu un écran intérieur constituant un corps chauffant faisant office de récupérateur d'énergie solaire et infrarouge, qui assure une double convection à l'intérieur de l'enveloppe, et dont la température élevée conduit à un réchauffement important du gaz aérostatique qui se traduit par une amélioration notable de la portance du ballon par rapport à celle des ballons stratosphériques classiques, - possédant une ouverture de grandes dimensions permettant d'écoper de grandes masses d'air lorsque le ballon, parvenu à son plafond, entame sa descente. De ce fait, ce ballon est du type à volume constant et à masse variable et est, en outre, insensible aux fuites. De plus, du fait que le ballon se remplit progressivement d'air en perdant de l'altitude durant la nuit, celui-ci perd de l'altitude de manière asymptotique durant les premiers jours jusqu'à parvenir à une altitude d'équilibre. Comme l'ont montré les simulations, un tel ballon peut avoir des durées de vol de l'ordre de deux à trois mois dans les régions polaires avec une altitude de croisière de 30 km, et sans nécessiter de largage de lest. En outre, un tel ballon peut emporter des charges utiles importantes. A titre d'exemple, un ballon conforme à l'invention d'un volume de 400 000 m3 peut emporter une charge utile de 500 kg. Il est à noter de plus que le coût d'un tel ballon correspond à celui d'une montgolfière classique de 36 000 m3 pouvant emporter une charge utile de 80 kg. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'écran interne comporte une extrémité inférieure lestée apte à assurer le maintien en forme dudit écran. De plus, les moyens d'attache sont préférentiellement disposés à une distance de l'axe longitudinal de l'enveloppe adaptée pour que lesdits moyens d'attache se trouvent en aval du largueur lors du lancement du ballon. Ainsi, cet écran et les moyens d'attache se trouvent dans la traîne lors du lancement et ne sont donc soumis à aucune sollicitation mécanique. Selon une autre caractéristique de l'invention, les moyens d'attache sont constitués de rubans interposés entre les bordures de deux fuseaux lors de l'assemblage de ces derniers, de façon que lesdits rubans soient amenés à flotter à l'intérieur de l'enveloppe après déploiement desdits fuseaux, et de moyens d'accrochage de l'écran intérieur à chacun des rubans. Cette solution permet de réaliser l'intégralité de l'enveloppe selon une technologie classique dûment éprouvée, en intégrant simplement un ruban supplémentaire entre les fuseaux avant la soudure de la bordure de ces derniers. Par ailleurs, l'écran interne est préférentiellement constitué d'une enveloppe cylindrique ouverte à chacune de ses extrémités. En effet, cette forme cylindrique conduit à un rendement d'absorption élevé, et à une homogénéité du chauffage, et ce quelle que soit la position du soleil. En outre, lors du lancement du ballon, cette enveloppe cylindrique est avantageusement maintenue enserrée sur sa plus grande longueur, au moyen d'étrangleurs à ouverture télécommandée ou automatique. Cette disposition permet d'éviter, en effet, des vitesses ascensionnelles trop importantes et une surpression trop élevée à la plénitude du ballon en regard du débit de l'orifice de vidange. D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée qui suit en référence aux dessins annexés qui en représentent, à titre d'exemple non limitatif, un mode de réalisation préférentiel. Sur ces dessins qui font partie intégrante de la présente description - la figure 1 est une vue en perspective d'un ballon stratosphérique conforme à l'invention, - la figure 2 est une vue représentant deux fuseaux lors de l'assemblage de ces derniers, - la figure 3 est une vue de ces deux fuseaux après assemblage et déploiement de ces derniers, - la figure 4 est un schéma représentant le ballon lors du lancement de ce dernier, - la figure 5 est un schéma représentant ce ballon en phase ascensionnelle, - et la figure 6 est un graphique illustrant le comportement de ce ballon. Le ballon stratosphérique représenté à la figure 1 est un ballon à corps chauffant constitué d'une enveloppe 1 de forme naturelle contenant une enveloppe cylindrique 2 faisant office de récupérateur d'énergie solaire et infrarouge. Un tel ballon est particulièrement adapté pour des missions dans les zones polaires en été. En premier lieu, l'enveloppe 1 est réalisée au moyen de fuseaux tels que 3, 4 en un matériau transparent tel que du polyéthylène ou du polyester, assemblés longitudinalement au moyen de rubans 5 de reprise d'efforts soudés en bordure desdits fuseaux. De plus, ces fuseaux 3, 4 sont interrompus à distance de l'extrémité inférieure des rubans de reprise d'effort 5, de façon que l'enveloppe présente une ouverture d'entrée d'air de grandes dimensions. Les rubans de reprise d'effort sont, quant à eux, liés classiquement en partie basse, à des moyens d'accrochage de la charge 6 à emporter. Cette enveloppe comprend, en outre, des rubans tels que 7 interposés entre les fuseaux 3, 4, et disposés à une distance de l'extrémité supérieure desdits fuseaux adaptée pour que les rubans 7 - soient répartis le long d'un cercle centré sur l'axe longitudinal de l'enveloppe 1 dans l'état de plénitude de cette dernière, - soient situés en aval du largueur 8 lors du lancement du ballon. Tel que représenté à la figure 3, ces rubans 7 sont, en outre, dotés d'un oeillet 9 sur le pourtour duquel ils sont dotés de films de renfort 10, destiné à loger un lien 11 d accrochage de l'enveloppe cylindrique 2. L'assemblage des fuseaux 3, 4, des rubans de reprise d'effort 5, et des rubans d'accrochage 7 est réalisé selon une technique classique dite par superposition, représentée à la figure 2, consistant - à superposer les bords de deux fuseaux 3, 4, - a interposer entre les fuseaux 3, 4, le ruban d'accrochage 7 réalisé par exemple en polyéthylène de 15 à 25 microns, - à disposer sur un des fuseaux 3 le ruban de reprise d'efforts 5 constitué par exemple de deux films de Triplex (marque déposée) entre lesquels sont insérés des fils de polyester, - à disposer sous l'autre fuseau 4 un autre ruban de Triplex 12, - et à souder l'ensemble. Un tel assemblage par superposition permet d'obtenir, tel que représenté à la figure 3, lorsque les fuseaux 3, 4 sont déployés, une enveloppe 1 à l'intérieur de laquelle flottent les rubans d'accrochage 7. L'enveloppe cylindrique 2 est quant à elle ouverte à chacune de ses extrémités de façon à permettre la circulation du gaz aérostatique et à améliorer les échanges convectifs. Elle est réalisée en un matériau tel que du polyester noir, doré ou aluminisé, et est suspendue aux liens d'accrochage 11 de façon à s'étendre à l'intérieur de l'enveloppe 1 sans contact avec cette dernière. De plus, elle est dotée, en partie basse d'un élément annulaire 13 de lestage apte à assurer son maintien en forme. Tel que représenté à la figure 4, cette enveloppe cylindrique 2 est, dans un premier temps, maintenue enserrée au moyen d'étrangleurs classiques tels que 14, à ouverture télécommandée ou automatique. De cette façon, et tel que représenté à la figure 5, elle n'est que peu déployée lors de la phase ascensionnelle, et n'influe que très peu sur la vitesse ascensionnelle du ballon. La figure 6 est un graphique représentant une simulation du comportement d'un ballon conforme à l'invention d'un volume de 400 000 m3, dont la somme des masses solides est de 1350 kg incorporant 500 kg de charge utile, lors d'une mission en été dans le vortex polaire antarctique. Comme on le constate sur ce graphique, ce ballon, du fait qu'il se remplit d'air en perdant de l'altitude la nuit, remonte moins haut la nuit suivante. Ainsi, de jour en jour, ce ballon perd de l'altitude et se rapproche d'une manière asymptotique d'une altitude d'équilibre de l'ordre de 32 km obtenue lorsque l'air a totalement remplacé le gaz aérostatique. REVENDICATIONS 1/ - Ballon stratosphérique caractérisé en ce qu'il comprend - une enveloppe extérieure souple (1) de forme naturelle, c'est-à-dire à isocontrainte, constituée de fuseaux (3, 4) en matière synthétique transparente assemblés longitudinalement au moyen de rubans de reprise d'effort (5) fixés en bordure de ces fuseaux, lesdits fuseaux étant interrompus à distance du pôle inférieur de l'enveloppe (1) de façon que cette dernière présente une ouverture d'entrée d'air apte à permettre de maintenir le ballon à volume constant, et les rubans (5) s'étendant dans le prolongement dudit pôle inférieur et étant liés en partie basse à des moyens d'accrochage d'une charge (6), - un écran interne (2) réalisé en un matériau captateur d'énergie visible et infrarouge, relié à l'enveloppe (1) par des moyens d'attache (7, 11) disposés en partie haute de ladite enveloppe à distance de l'axe longitudinal de cette dernière, et adaptés pour que l'écran interne (2) s'étende librement à l'intérieur de l'enveloppe (1) sans contact avec celle-ci. 2/ - Ballon stratosphérique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'écran interne (2) comporte une extrémité inférieure lestée apte à assurer le maintien en forme dudit écran. 3/ - Ballon stratosphérique selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens d'attache (7, 11) sont disposés à une distance de l'axe longitudinal de l'enveloppe (1) adaptée pour que lesdits moyens d'attache se trouvent en aval du largueur (8) lors du lancement du ballon. 4/ - Ballon stratosphérique selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les fuseaux (3, 4) sont assemblés par superposition de la bordure de deux fuseaux et du ruban de reprise d'effort (5), ledit ballon étant caractérisé en ce que les moyens d'attache sont constitués de rubans (7) interposés entre les bordures de deux fuseaux (3, 4) lors de l'assemblage de ces derniers, de façon que lesdits rubans soient amenés à flotter à l'intérieur de l'enveloppe (1) après déploiement desdits fuseaux, et de moyens (11) d'accrochage de l'écran interne (2) à chacun des rubans (7). 5/ - Ballon stratosphérique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'écran interne est constitué d'une enveloppe cylindrique (2) ouverte à ses deux extrémités. 6/ - Ballon stratosphérique selon la revendication 5, caractérisé en ce que, en vue du lancement du ballon, l'enveloppe cylindrique (2) est maintenue enserrée, sur sa plus grande longueur, au moyen d'étrangleurs (14) à ouverture télécommandée ou automatique.