Brevet FR2758789A1 — publié le 19980731

PROCÉDÉ DE STABILISATION POUR BALLON CAPTIF La présente invention concerne un procédé de stabilisation de ballon captif ainsi qu'un dispositif de stabilisation pour un ballon captif. tille a aussi pour objet un ballon muni d'un tel dispositif: Les ballons captifs contrairement aux ballons libres qui peuvent se déplacer d'un point géographique à l'autre sont reliés au sol par un câble. Il est à ce jour connu d'utiliser de tels ballons captifs pour emmener dans les airs des passagers et leur donner un point de vue panoramique du lieu où est rattaché au sol le ballon captif Un ballon captif comprend une enveloppe de sustentation gonflable avec un gaz plus léger que l'air et une nacelle permettant I'embarquement des passagers. L'enveloppe de sustentation est reliée à un cadre de charge par l'intermédiaire de suspentes, la nacelle étant en outre suspendue à ce cadre de charge. Le rappel au sol du ballon captif se fait au moyen d'un câble qui est fixé au cadre de charge et qui s'enroule au sol sur un système de treuil permettant de commander la montée ou la descente du ballon captif. Une fois la nacelle d'un ballon captif posée au sol, il est connu de fixer l'enveloppe du ballon captif au sol au moyen de haubans. alors que cette enveloppe est en sustentation, les suspentes reliant le filet au cadre de charge étant tendues. Les haubans sont par exemple constitués par une pluralité de cordes ou câbles qui sont fixés à demeure sur l'enveloppe, et dont l'extrémité libre est destinée à être ancrée au sol par tout moyen approprié. S'agissant d'un ballon comportant une enveloppe de forme sphérique, les haubans seront de préférence régulièrement répartis sur toute la circonférence de l'enveloppe au niveau de son équateur. L'exploitation commerciale de ballons captifs dépend des paramètres météorologiques: des vents ou des rafales de vent trop importants provoquent des oscillations et rend le vol désagréable et/ou dangereux. C'eci empêche de flaire décoller le ballon, et limite son utilisation. En fait, les oscillations du ballon proviennent du fait que le vent correspond en fait à un écoulement turbulent, à des vitesses variables, qui induit des oscillations. Il est connu, notamment pour le vol captif en montgolfière, d'attacher le ballon, par exemple le cercle de charge, à trois cordes elles mêmes reliées au sol. Dans ce cas, le ballon s'élève par ses propres moyens jusqu'à une altitude où les trois cordes sont mises en tension. Ce système est tout comme le système précédent, soumis à des oscillations : en effet, le ballon à son altitude maximale est en équilibre statique. mais il existe une valeur de vitesse de vent pour laquelle la corde sous le vent sc détend, et pour laquelle le ballon est soumis à des oscillations. En outre, le ballon est immobilisé à une hauteur fixe, qui est sa hauteur maximale. II est aussi connu d'arrimer en hauteur des ballons à gaz. par exemple pour filmer une rencontre sportive à partir d'une caméra attachée à un ballon. Dans ce cas aussi, le ballon est immobilisé à une hauteur fixe, en équilibre statique. I,a présente invention propose donc de résoudre le problème du vol des ballons captifs, même dans des conditions météorologiques dift'iciles. Elle propose de résoudre le problème nouveau de la stabilisation des ballons captifs, à toutes les hauteurs, pendant le v ol. L'invention permet le vol des ballons captifs, pour des vents importants. Elle permet aux ballons de voler pour des vents dépassant une vitesse supérieure à 10 m/s, ou en présence de rafales à plus de 15 m/s, sans risque de casse pour le ballon, et sans que le v ol nc soit dangereux ni désagréable. Ce but est atteint grâce à l'invention. Celle-ci propose un ballon captif, présentant des moyens de rappel au sol, ainsi que des moyens de stabilisation latérale en vol. Les moyens de stabilisation peuvent comprendre au moins un câble dont une extrémité est lixé au ballon, et dont l'autre extrémité est reliée au sol. Ils peuvent exercer sur le ballon une force de freinage opposée à un déplacement latéral du ballon, de préférence une force de freinage de type frottement fluide. De préférence. les moyens de stabilisation exercent une force de freinage sur le ballon lorsque la vitesse horizontale des moyens de stabilisation est positive. Les moyens de stabilisation exercent avantageusement sur le ballon une force de tension dans le sens d'un déplacement latéral du ballon, de préférence une forcc de tension constante. ()n peut ainsi prévoir que les moyens de stabilisation exercent une force de tension sur le ballon lorsque la vitesse horizontale des moyens de stabilisation est négatie. De préférence les moyens de stabilisation comprennent au moins un treuil enroulant une extrémité d'un câble ou d'une sangle dont l'autre extrémité est reliée au ballon, ou à un hauban fixé sur le ballon entre une enveloppe et un cercle de charge Avantageusement, les moyens de stabilisation sont répartis sur la périphérie du ballon, de préférence en étant mobiles autour de cette périphérie. I.e ballon peut en outre comprendre au voisinage du ballon des moyens de transmission des forces directement entre les moyens de stabilisation, tels des élingues. I,'invention a aussi pour objet un procédé de stabilisation d'un ballon captif, comprenant l'exercice sur le ballon d'une force de freinage opposée à un déplacement latéral du ballon, de préférence une force de freinage de type frottement fluide. Le procédé peut aussi ou alternativement comprendre l'exercice sur le ballon d'une force de tension dans le sens d'un déplacement latéral du ballon, de préférence une force de tension constante. Ces forces s'exercent avantageusement pendant tout le vol du ballon, ou quelle que soit son altitude. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à lecture de la description qui suit de différents modes de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemple uniquement, et en références aux dessins qui montrent: - figure 1 , une vue schématique de face d'un ballon captif muni d'un dispositif selon l'invention; - figure 2, une vue schématique de dessus du ballon captif de la figure 1: - figure 3, une courbe représentative des oscillations d'un ballon captif classique, et ure 4, une courbe représentative des oscillations d'un ballon captif muni d'un dispositif selon l'invention; - figure 5, une vue schématique de dessus d'un ballon captif; montrant une variante de fixation des moyens de stabilisation selon l'invention; et - figure 6, une vue schématique de face d'un ballon captif, montrant une autre variante de fixation des moyens de stabilisation selon l'invention. Le ballon captif 1 représenté à la figure 1 comprend typiquement une enveloppe sphérique gonflée avec un gaz plus léger que l'air. tel que de l'air chaud. on gaz COIllllIC I'hcliium. ou les deux, et muni d'une nacelle suspenduc à l'enveloppe, dans laquelle des passagers peuvent être embarqués. I,e ballon 1 est relié au sol par des moyens de rappel. I.es moyens de rappel permettent de contrôler l'altitude du ballon captif, et comprennent par exemple un câble de rappel 2, dont une extrémité est fixée au ballon, et dont l'autre extrémité est reliée à un treuil OU un système similaire d'enroulement du câble. Dans un tel type dc ballon captif, en cas de vent trop important, les moyens de rappel forment avec la verticale un angle important, qui rend le vol dangereux ou désagréable. 'Typiquement, lorsque l'angle formé par les moyens de rappel avec la verticale dépasse 30 degrés, on considère généralement que le vol doit être intcrrolllpu. Pour un ballon d'un diamètre de 22 m, cette valeur correspond à une vitesse du vent de 10 m/s. Par ailleurs, sous l'efïet de rafales de vent, un ballon captif prend une accélération horizontale importante et soudaine, et s'arrête sous l'effet de la tension du câble de rappel. II repart ensuite dans l'autre sens avec une vitesse importante, et est soumis à des oscillations brusques et violentes. Ce phénomène rend le vol impossible pour des ballons de l'art antérieur, en présence de vents dont la vitesse est supéricure à quelques 1 0 m/s. Selon l'invention sont prévus des moyens de stabilisation latérale du ballon, assurant un freinage progressif et rapide des mouvements horizontaux du ballon. Ces moyens peuvent comprendre comme représenté sur la figure 1, au moins un fil, câble, corde, sangle ou analogue 3 dont une extrémité est fixée au ballon ou sur les moyens de rappel au voisinage de celui-ci, et dont l'autre extrémité est reliée au sol, à un dispositif permettant de transmettre une force de freinage appropriée. On peut utiliser un treuil, un véhicule mobile ou automobile. On peut aussi si on prévoit plusieurs câbles, les relier entre eux. Dans le mode de réalisation de la figure 1, sont prévus trois câbles 3, 4 et 5, respectivement rcliés à trois treuils 6, 7 et 8, qui sont fixés sur le cercle équatorial de l'enveloppe du ballon. Comme de montre la figure 2, ces trois câbles sont répartis régulièrement autour du ballon, et sont dirigés sensiblement radialement, en formant en vue de dessus des angles d'environ 1200. Cette configuration des moyens de stabilisation permet d'assurer un freinage latéral du ballon captif dans toutes les directions. quelle que soit la direction du vent dominant. T,es câbles 3, 4 et 5. ainsi que les treuils 6, 7 et 8 assurent: - un freinage rapide en cas d'accélération brutale; - un freinage progressif pour éviter les à-coups et les risques de rupture ou de fatigue correspondants; - un frottement important permettant de consommer rapidement l'énergie cinétique du ballon captif. Pour cela, les treuils 6, 7 et 8 peuvent être commandés en fonction de la tension dans chacun des câbles 3, 4 et 5. et/ou en l'onction de la vitesse de déroulement des moyens de rappel 2. On peut notamment prévoir les conditions de commande suivantes, qui assurent une bonne stabilisation latérale du ballon. D'une part, chacun des treuils assure un freinage du câble associé, dès que la vitesse de déroulement du câble dépasse un seuil prédéterminé: on peut choisir ce seuil en fonction de la vitesse verticale du ballon, par exemple déterminée en fonction de la vitesse de déroulement du treuil associé au moyens de rappel 2. On peut ainsi considérer que les moyens de stabilisation doivent exercer une force de freinage sur le ballon dès que la vitesse de déroulement des câbles 3, 4 ou 5 dépasse la vitesse verticale du ballon, dûment corrigée le cas échéant par division par le sinus de l'angle formé entre le câble correspondant et l'horizontale. Ceci signifie en fait que les moyens de stabilisation exercent une force de freinage dès que leur vitesse horizontale est positive. Autrement dit, les moyens dc stabilisation exercent une force de freinage opposée au déplacement latéral du ballon. D'autre part, on peut aussi, en combinaison ou alternativement, commander les treuils 6, 7 et 8 de telle sorte à assurer une tension minimale constante dans le câble correspondant 3, 4 ou 5 ceci permet d'éviter tout mou dans chacun des câbles, et limite le risque d'à-coups. Dans un mode de réalisation. chacun des treuils assure une mise sous tension du câble associé, dès que la vitesse de déroulement du câble est inférieure à un seuil prédéterminé; on peut choisir ce seuil en fonction de la vitesse verticale du ballon. par exemple déterminée en fonction de la vitesse de déroulement du treuil associé au moyens de rappel 2. On peut ainsi considérer que les moyens dc stabilisation doivent assurer une mise sous tension du câble dès que la vitesse de déroulement des câbles 3. 4 ou 5 est inférieure à la vitesse verticale du ballon. dûment corrigée le cas échéant par division par le sinus de l'angle formé entre le câble correspondant et l'horizontale. Ceci signifie en fait que les moyens de stabilisation assurent une mise sous tension du câble dès que leur v vitesse hoi-izontale est positive; ceci permet d'éviter tout mou dans le câble. Autrement dit. les moyens dc stabilisation assurent une tension du câble dans le sens du déplacement latéral du ballon. L'invention permet ainsi de freiner les déplacements latéraux du ballon dans un direction donnée. en absorbant le mou éventuel dans la direction opposée. Ceci limite les déplacements latéraux du ballon dans ladite direction, et du fait que le mou est absorbé dans la direction opposée, limite le mouvement de retour du ballon, et les oscillations. A titre d'exemple, la flèche 9 de la figure 2 montre la direction d'un rafale de vent. La direction de la flèche 9 est sensiblement parallèle à la direction du câble 3, et la flèche 9 est dirigée vers le ballon. Lors de la rafale. le ballon a tendance à se déplacer dans la direction de la flèche 9; à ce moment. le treuil 6 et le câble 3 exercent sur le ballon une force de rappel, opposée en sens à la flèche 9 et de même direction. Cette forcc de rappel limite le déplacement du ballon sous l'effet de la rafale. En même temps, du côté opposé, les câbles 4 et 5 sont détendus sous l'eflèt du déplacement du ballon dans le sens de la rafale: les treuils respectifs 7 ct 8 enroulent les câbles 4 et 5 de sorte à absorber le mou et à exercer une force stir le ballon. Lorsque la rafale cesse. le ballon a tendance à repartir dans un mouvement oscillatoire, dans la direction de la flèche 9, et dans un sens inverse à celle-ci. Comme le mou des câbles 4 et 5 a été absorbé, les moyens de stabilisation correspondant exercent alors une force de freinage, et limitent le retour du ballon. On comprend ainsi que l'inention permet de limiter les oscillations du ballon. en absorbant simplement par le frottement l'énergie cinétique communiquée au ballon par la rafale d'air. L'invention propose en fait d'exercer sur le ballon des forces de frottement, de préférence de frottement fluide, pour amortir les mouvement dynamiques problématiques. Ceci peut se faire à toutes les altitudes du ballon. Cette démarche est inverse de celle de l'art antérieur, dans lequel sont proposés des systèmes dont le but est d'atteindre un équilibre statique dans une position donnée du ballon. L'invention permet ainsi d'assurer un vol sûr ct agréable. même lorsque le vent atteint des vitesses jusqu'alors rédhibitoires. La figure 3. à tire d'exemple, montre une courbe représentative des oscillations d'un ballon captif classique. On a représenté en ordonnées l'angle formé par les moyens de rappel avec la v verticale. et en abscisse le temps. I,a courbe 3 correspond à un essai en soufflerie pour un ballon d'unc taille de 22 m de diamètre, dont le pôle sud est situé à environ 15 m de la surface du sol. soumis à une ralù'le dc 12 m/s d'une durée de 5 s. On constate que le ballon est soumis à des oscillations d'amplitude supérieure à 30". qui ne s'amortissent quasimcnt pas sur une durée de 30 s. La figure 4 montre une courbe représentative des oscillations d'un ballon captif muni d'un dispositif selon l'invention. Les conditions sont identiques à celles de la figure 3, à cela près que le ballon présente des moyens de stabilisation, du type décrit en référence aux figures 1 et 2. dont les câbles forment avec la verticale un angle de 45 . On constate que le dispositif de l'invention permet non seulement de limiter considérablement l'amplitude des oscillations, qui n'est sur la figure 4 que de 20 , mais assure aussi un amortissement rapide des oscillations. en moins de 3 oscillations; En pratique, l'invention peut facilement être mise en oeuvre à l'aide de simples treuils et de câbles. On peut choisir les paramètre suivants: nombre de câbles: ); force maximale de fi-einage: 5000 N; tension du câble: 1()00 N distance au sol entre les treuils des moyens de stabilisation et le treuil des moyens de rappel : 40 m. Cette configuration permet d'assurer une bonne stabilisation d'un ballon de diamètre de 22 m, pour des rafales de vent au dessus de 1 0 m/s, jusqu'à une altitude de 80 m. Dans un tel dispositif, de nombreuses variantes sont possibles. On peut prévoir que la force maximale de freinage et/ou la tension du câble varient en fonction de l'altitude du ballon, ou non. Elles peuvent présenter des valeurs constantes: en effet, I'énergie cinétique accumulée par le ballon. qui ne se dissipe que très peu par frottement avec l'air, engendre en altitude élevée des oscillations sur une course importante, mais induisant un angle du câble avec la verticale relativement faible, et avec une période assez grande. A l'inverse. au voisinage du sol. les oscillations correspondantes ont une course plus faible. et correspondent à des angles plus importants, et à une période plus élevée. Il peut donc être intéressant que la force et/ou la tension soient constantes. ou décroissent avec l'altitude du ballon. pour assurer une stabilisation eflicace au voisinage du sol. A l'inverse. on peut prévoir que la force et/ou la tension croissent avec l'altitude. pour compenser le fait que l'angle formé entre les moyens de rappels et l'horizontale augmente avec l'altitude du ballon, de sorte que la partie de la force et/ou de la tension utile pour la stabilisation latérale du ballon diminue, avec le cosinus dudit angle. Bien entendu. on pourrait aussi assurer la force de freinage par des mécanismes passifs, tels que des ressorts, des freins, des élastiques, des amortisseurs. ou des combinaisons de mécanismes actifs ou passifs, au lieu d'utiliser simplement des moyens actifs comme décrit plus haut. A la place de câbles, on peut employer pour les moyens dc stabilisation des sangles. cordes, chaînes, etc. On peut aussi prévoir que les moyens de stabilisation interagissent, en étant reliés entre eux. Les différents moyens de stabilisation peuvent intégrer l'ensemble des efforts exercés par le ballon: ainsi, dans le cas de la figure 2, si les moyens 4 et 5 se détendent. il faut exercer une force de freinage correspondante sur le moyen de stabilisation 3. Ceci peut être réalisé en reliant les extrémités des câbles au niveau du sol. le cas échéant par l'intermédiaire de mécanismes de répartition des ei?ibrts, ou d'amortissement. Il n'est pas indispensable que les moyens de stabilisation assurent une force de freinage constante. Celle ci peut croître avec l'altitude, ou correspondre à un déroulement constant. I,es moyens de stabilisation peuvent n'assurer la stabilisation que sur un certain trajet du ballon, correspondant à tout ou partie du vol captif L'invention ne s' applique pas seulement comme expliqué ci-dessus aux ballons captifs permettant d'emporter des passagers, mais plus généralement à tous les types de ballons captifs quelles que soient leur fonction et leur taille, qui comprennent des moyens de rappel. Par exemple, le ballon peut comprendre une enveloppe gonflable emprisoée dans un filet, qui est relié à un cadre de charge par l'intermédiaire d'une pluralité de suspentes. Une nacelle est suspendue au cadre de charge. On peut fixer les câbles des moyens de stabilisation sur le filet. au niveau de l'équateur par exemple: on peut aussi fixer les câbles sur le cadre de charge, sur la nacelle elle-même. ou encore sur le câble de rappel au voisinage de la nacelle. Si les câbles des moyens de stabilisation sont fixés sur le filet, il est avantageux, pour limiter les déformations du filet, de prévoir des moyens limitant la déformation du filet. I)e fait, les filets généralement utilisés sont composés de mailles en losange. et sont fermés au sommet ou pôle nord par une couronne, et en bas ou au pôle sud par un cadre de charge auquel la nacelle est suspendue. Les mailles du filet peuvent alors de déformer, et notamment, lorsque l'on exerce une traction latérale stir un tel filet au niveau de l'équateur, le diamètre du filet augmente et sa hauteur diminue. le filet s'écarte alors de l'enveloppe et l'enveloppe est alors libre de se déplacer latéralement dans le filet. Pour limiter ces déformation du filet, on peut avantageusement prévoir des moyens limitant la déformation du filet au niveau de l'équateur ou plus généralement au niveau où sont fixés les haubans. On peut utiliser comme tels moyens une ceinture formée d'une corde nouée aux mailles du filet à l'équateur, qui limite les déformations du filet, et le maintient autour de l'enveloppe, même en cas d'efforts de traction importants D'autres modes de réalisation sont possibles. Comme représenté sur la figure 5, on peut prévoir que les extrémités des moyens de stabilisation du côté du ballon sont fixées non seulement au ballon, par exemple au cercle équatorial comllle à la ligurc 1, mais sont aussi reliées aux extrémités des moyens de stabilisation adjacents ou voisins. Dans le cas de la figure ceci est réalisé en prévoyant entre les différents câbles 3, 4, 5 des élingues 10, 1 1 et 12, qui transmettent une partie des efforts directement d'un câble à l'autre, sans passer par le ballon. Cette solution permet d'éviter des surcharges éventuelles sur le ballon, en limitant les efforts cxercés par les câbles sur le ballon. Bien entendu, cette solution peut s'appliquer quel que soit le point d'accrochage des câble, sur le cercle équatorial, sur le cercle de charge, ou encore directement sur la nacelle. La figure 6 montre une vue schématique de face d'un ballon captif, montrant une autre variante de fixation des moyens de stabilisation. Sur la figure 6, une extrémité des moyens de stabilisation 3 n'est pas fixée directement sur un élément du ballon, mais est reliée à une poulie 13; celle ci roule sur un hauban 14 fixé d'une part sur le cercle équatorial du ballon, et d'autre part au cercle de charge 15 du ballon. Ce mode d'arrimage permet de stabiliser à la fois I'enveloppe et la nacelle du ballon. On pourra avantageusement utiliser la présente invention en combinaison avec la plate-forme d'atterrissage décrite dans la demande de brevet français FR-A-2 714 019, ou encore avec le dispositif- d'amarrage au sol décrit dans la demande de brevet fiançais déposée le 2t). 12.95 sous le numéro 95 15888. On se reportera avantageusement à ces deux document pour plus de précisions sur ces dispositifs. L'invention n'est pas limitée au procédé particulier qui vient d'être décrit en rélcrence aux figures 1. 2 et 4. Le nombre de câbles est au miniinum dc Un. T1 est avantageusement d'au moins trois. cc qui permet dc contrôler les mouvenients horizontaux du ballon dans toutes les directions. On peut néanmoins se contenter d'un seul câble ou dc deux lorsque la direction du vent ou des rafàles est unique. Il est aussi possible de répartir les difierents câbles en fonction de la direction du vent, par exemple en déplaçant les treuils correspondants. On peut alors choisir toute répartition appropriée des câbles. et pas seulement une répartition uniforme des câbles autour de la périphérie du ballon. REVENDICATIONS 1. Ballon captif (1), présentant des moyens (2) de rappel au sol, ainsi que des moyens (3, 4, 5) de stabilisation latérale en vol. 2. Ballon selon la revendication 1, dans lequel les moyens de stabilisation compreiment au moins un câble (3, 4, 5) dont une extrémité est fixé au ballon, et dont l'autre extrémité est reliée au sol. 3. Ballon selon la revendication I ou 2, dans lequel les moyens de stabilisation exercent sur le ballon une force de freinage opposée à un déplacement latéral du ballon, de préférence une force de freinage de type frottement fluide. 4. Ballon selon la revendication 3, dans lequel les moyens de stabilisation exercent une force de freinage sur le ballon lorsque la vitesse horizontale des moyens de stabilisation est positive. 5. Ballon selon l'une des revendications I à 4. dans lequel les moyens de stabilisation exercent sur le ballon une force de tension dans le sens d'un déplacement latéral du ballon, de préférence une force de tension constante. 6. 13allon selon la revendication 5, dans lequel les moyens de stabilisation exercent une force de tension sur le ballon lorsque la vitesse horizontale des moyens de stabilisation est négative. 7. Ballon selon l'une des revendications 1 à 5. dans lequel les moyens de stabilisation comprennent au moins un treuil enroulant une extrémité d'uni câble ou d'une sangle dont l'autre extrémité est reliée au ballon. ou à un hauban fixé sur le ballon entre une enveloppe et un cercle de charge 8. Ballon selon l'ulule des revendications 1 à 6. dans lequel les moyens de stabilisation sont répartis sur la périphérie du ballon, de préférence en étant mobiles autour de cette périphérie. 9. Ballon selon l'une des revendications 1 à 8, comprenant en outre au voisinage du ballon des moyens de transmission des forces directement entre les moyens de stabilisation. tels des élingues. 10. Procédé de stabilisation d'uti ballon captif., comprenant l'exercice sur le ballon d'une force de freinage opposée à un déplacement latéral du ballon, de préférence une force de freinage de type frottement fluide. Il . Procédé selon la revendication 1 0, comprenant en outre l'exercice sur le ballon d'une force de tension dans le sens d'un déplacement latéral du ballon, de préférence une force de tension constante.