Brevet FR2795043A1 — publié le 20001222

La présente invention concerne un véhicule volant à haute alti- tude, ainsi qu'un procédé pour la mise à poste de ce véhicule et des ap- plications. Dans le cadre de la présente invention, on entend par haute alti- tude, une altitude qui est supérieure à la fois à l'altitude des liaisons aé- riennes civiles et à l'altitude du plafond nuageux de la terre. L'atmosphère située à une telle haute altitude est désignée ci-dessous haute atmo- sphère. De nombreuses études et propositions, le plus souvent théori- ques, ont été faites ces dernières années pour la conception et l'utilisa- tion d'un véhicule, par exemple un avion, un ballon ou un parachute mo- torisé, destiné à aller, à partir du sol, dans la haute atmosphère, par exemple dans la stratosphère et à y rester à demeure, pour effectuer des traitements ou des opérations spécifiques. On citera à titre d'illustration les propositions décrites dans les documents WO-96 12643 et WO-95 32893. De très nombreuses opérations sont envisageables, telles que l'observation terrestre, la télécommunication, la recherche scientifique, opérations qui sont réalisées usuellement par des satellites. Or, les satelli- tes présentent un coût exorbitant et ils ne peuvent être installés qu'au profit d'utilisateurs importants, généralement étatiques ou multiétatiques. En revanche, un véhicule volant à haute altitude pourrait être à la portée de collectivités territoriales réduites, telles que des communes ou des régions, ou de sociétés de moindre importance. En effet, un tel véhi- cule volant à haute altitude ne nécessite pas de fusée de lancement et, de plus, il peut employer dans l'atmosphère des composants non qualifiés de "spatiaux" à la différence des satellites. Ceci explique l'intérêt notam- ment économique d'un tel véhicule. Toutefois, malgré cela, les solutions de véhicule à haute altitude envisagées et proposées ne sont pas économiquement ni même techni- quement réalisables. En particulier: - en raison de leur masse élevée et donc du rapport masse/puissance important, les véhicules proposés sont généralement trop lourds pour rester à demeure à haute altitude. En particulier, I'énergie fournie par des batteries et éventuellement par des capteurs solaires reste souvent insuffisante; - de plus, les capacités de stockage d'énergie proposées sont générale- ment insuffisantes pour permettre une alimentation nocturne; et - d'autres sources d'énergie, telles que la transmission d'énergie par mi- cro-ondes à partir du sol, sont trop complexes et coûteuses et de plus agressives pour l'environnement. La présente invention a pour objet de remédier à ces inconvé- nients. Elle concerne un véhicule volant de coût réduit susceptible d'être utilisé à poste dans la haute atmosphère. A cet effet, selon l'invention, ledit véhicule volant est remarquable en ce qu'il comporte uniquement des moyens de propulsion permettant audit véhicule de se maintenir, se déplacer et s'orienter à haute altitude. Ainsi, comme grâce à l'invention, ledit véhicule ne comporte pas de moyens de propulsion généralement très lourds, encombrants et coû- teux pour l'amener à poste à haute altitude dans la haute atmosphère, sa masse est très réduite, ainsi que son coût, ce qui permet de remédier aux inconvénients précités. De plus, grâce à ses propres moyens de propulsion, ledit véhicule, par exemple un avion ou un planeur, peut réaliser les déplacements et orientations nécessaires à son fonctionnement et à son maintien à poste. Comme ces mouvements sont généralement très faibles, ledit véhicule ne nécessite pas beaucoup d'énergie pour les mettre en oeuvre, ce qui per- met également de réduire le coût et d'alléger les contraintes énergétiques. On notera de plus qu'en supprimant ainsi la contrainte de la phase de montée du véhicule, à pression et à température plus élevées, on per- met d'optimiser ses caractéristiques spécifiquement pour son fonction- nement opérationnel à poste dans la haute atmosphère, et on peut en particulier choisir des solutions techniques qui ne permettraient pas d'ef- fectuer une phase de montée à poste, en ce qui concerne par exemple l'aérodynamique, la température de fonctionnement, le stockage d'éner- gie, la résistance des structures, etc... A cet effet, la présente invention propose différentes caractéristi- ques techniques permettant notamment d'alléger les contraintes énergéti- ques et d'optimiser le fonctionnement du véhicule. On notera que l'en- semble de ces caractéristiques techniques précisées ci-dessous sont spé- cifiquement destinées au fonctionnement dans la haute atmosphère et ne sont pas utilisables notamment au sol ou en phase de montée à poste. Dans un premier mode de réalisation particulièrement avantageux, ledit véhicule comporte au moins un propulseur à plasma qui utilise pour son fonctionnement du plasma créé par l'air environnant de la haute at- mosphère. Grâce aux caractéristiques de la haute atmosphère, le plasma peut être créé sans matériau d'appoint, tel que du xénon, et sans un en- semble encombrant et lourd de réservoirs, de circuits et de vannes d'ap- provisionnement. Ainsi, ces moyens de propulsion sont très simples et peuvent fonctionner sans limitation de durée, puisqu'aucun épuisement de matériau d'appoint n'est à redouter. Par ailleurs, de façon avantageuse, ledit véhicule comporte au moins un générateur solaire refroidi par convection au moyen de l'air en- vironnant de ladite haute atmosphère. Ainsi, ledit générateur solaire ou ses cellules solaires fonctionnent à une température beaucoup plus basse que la température ambiante au sol ou les températures de fonctionnement que l'on rencontre générale- ment dans l'espace avec les satellites artificiels, ce qui procure un bien meilleur rendement. En outre, dans un mode de réalisation avantageux, ledit véhicule comporte au moins une batterie comportant des composants supracon- ducteurs. Grâce à un environnement convectif, dont la température est voisine de -100 C, on obtient un rendement bien meilleur que celui des batteries usuelles. La présente invention concerne également un procédé pour la mise à poste du véhicule volant précité. A cet effet, selon l'invention, ledit procédé est remarquable en ce que: - au sol, ledit véhicule volant est rendu solidaire d'un engin de transport indépendant; - ledit engin de transport amène ledit véhicule volant, uniquement par l'intermédiaire de moyens de propulsion dudit engin de transport, à une haute altitude prévue pour son fonctionnement; - ledit engin de transport libère ledit véhicule volant à l'altitude et au moins à proximité de l'endroit de mise à poste prévu pour le fonction- nement; et - si nécessaire, ledit véhicule volant réalise sa mise à poste définitive et son orientation par ses propres moyens de propulsion. De préférence, ledit engin de transport comporte au moins un ballon susceptible de monter à haute altitude. Un tel ballon, de type usuel, présente une capacité d'emport très élevée et peut donc amener sans problèmes, à coût réduit et avec une précision suffisante le véhicule à l'endroit souhaité. De plus, la nacelle de lancement de ce ballon peut être récupérée et réutilisée. En outre, la montée du ballon est suffisam- ment lente pour ne pas imposer des contraintes aérodynamiques et/ou mécaniques au véhicule volant (contrairement à un avion ou une fusée d'appoint par exemple). Le véhicule conforme à l'invention peut être utilisé dans de très nombreuses applications, telles que l'observation terrestre, la télécommu- nication, la recherche scientifique, I'observation météorologique, etc... Toutefois, des applications préférées de l'invention ont pour objet un ré- seau de télécommunication comportant une pluralité de relais hertziens situés au sol et/ou dans l'espace. A cet effet, une première application concerne un procédé pour remplacer un relais d'un tel réseau de télécommunication. Selon l'invention, ledit procédé est remarquable en ce que l'on remplace un relais hertzien par un véhicule volant tel que précité et muni d'un moyen d'émission et de réception d'ondes hertziennes, ledit véhicule volant étant amené à une altitude et dans une position telles que ledit moyen d'émission et de réception est situé dans la même direction que ledit relais remplacé, par rapport à au moins un utilisateur dudit réseau de télécommunication, le fonctionnement entre ledit moyen d'émission et de réception et ledit utilisateur étant réalisé par l'intermédiaire d'une inter- face existante. L'utilisateur n'a alors pas besoin de modifier, ni son inter- face, ni même le pointage de l'antenne. Ainsi, on peut remplacer des réseaux de relais hertziens basés au sol ou dans l'espace facilement et de plus sans modifier l'interface avec les terminaux utilisateurs, ce qui est particulièrement avantageux notam- ment en ce qui concerne le coût. Une seconde application concerne un réseau comportant au moins un relais hertzien agencé sur un véhicule volant, tel que précité. Cette caractéristique permet d'étendre un réseau préexistant ou de créer un nouveau réseau entièrement ou partiellement à partir de relais de ce type. Les figures du dessin annexé feront bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Sur ces figures, des références identiques désignent des éléments semblables. La figure 1 montre les différentes étapes d'une mise à poste d'un véhicule conforme à l'invention. La figure 2 illustre une application préférée d'un véhicule con- forme à l'invention. Le véhicule 1 conforme à l'invention est mis à poste en mettant en oeuvre quatre phases successives PI à P4 illustrées sur la figure 1 de gauche à droite, au moyen d'un engin de transport spécifique, en l'occur- rence un ballon 3 de type usuel. Le véhicule 1 est mis à poste dans la haute atmosphère, notamment la stratosphère, à une hauteur H du sol S. Selon l'invention, ledit véhicule 1, par exemple un aéronef, com- porte uniquement des moyens de propulsion 2 lui permettant de se main- tenir, de se déplacer et de s'orienter dans ladite haute atmosphère. Ces moyens de propulsion peuvent comporter par exemple un propulseur à plasma 2 qui utilise, pour son fonctionnement, du plasma créé par l'air environnant de ladite haute atmosphère. Lesdits moyens de propulsion peuvent également être du type à hélices. Grâce aux faibles pressions existant dans la stratosphère ou la haute atmosphère, ledit plasma peut être créé sans utiliser un matériau d'appoint, tel que du xénon, et sans avoir à monter sur ledit véhicule 1 un ensemble de réservoirs, de circuits et de vannes d'approvisionnement, encombrant, lourd et coûteux. Un tel propulseur 2 est suffisant pour en- gendrer l'énergie nécessaire au déplacement et à l'orientation du véhicule 1 dans les applications envisagées et précisées ci-dessous. De plus, grâce aux caractéristiques précitées, ce propulseur 2 est d'une grande simplici- té et peut fonctionner sans limitation de durée, puisqu'il ne nécessite au- cun matériau d'appoint pour la création du plasma. Le véhicule 1 conforme à l'invention comprend en outre par exemple un générateur solaire 5 qui est muni de cellules solaires 6 et qui est refroidi par convection avec l'air environnant existant dans la strato- sphère et présentant généralement une température de l'ordre de -100 C. Grâce à une telle température, on obtient un rendement amélioré dudit générateur solaire 5. De plus, selon l'invention, on ajuste les caractéristiques thermi- ques des matériaux supportant ou avoisinant les cellules solaires 6 de manière à choisir la température de fonctionnement la plus efficace. Ce générateur solaire 5, qui utilise un refroidissement convectif, à la diffé- rence des générateurs existant au sol ou dans l'espace, est donc adapté à l'environnement spécifique existant dans la stratosphère ou la haute atmosphère. On notera de plus que - I'architecture de connexion des cellules solaires 6 (montage en série, en parallèle, etc...) est choisie en fonction des rendements souhaités et - I'agencement de ces cellules solaires 6 sur la surface externe du véhi- cule 1 est choisie en fonction de l'orientation envisagée du véhicule 1. Par ailleurs, ledit véhicule 1 comporte au moins une batterie 7 constituée par exemple de composants supraconducteurs particulièrement bien adaptés aux conditions de température rencontrées dans la haute atmosphère. On notera qu'à l'altitude de fonctionnement H envisagée, dans un environnement convectif dont la température est voisine de -100 C, le maintien de la température de fonctionnement de, par exem- ple, un tore en matériau supraconducteur se traduit par une machine cryogénique mono-étage simple et à faible consommation. Ainsi, grâce aux éléments 2, 5 et 7 précités, qui sont particuliè- rement bien adaptés aux conditions de fonctionnement à haute altitude, on allège considérablement les contraintes énergétiques existantes, de sorte que le véhicule 1 peut rester à demeure dans la haute atmosphère et fonctionner sur une longue durée à l'aide uniquement des moyens em- barqués. Comme indiqué précédemment, la conception simplifiée des moyens de propulsion 2 du véhicule 1 est notamment due à l'utilisation d'un engin de transport 3 spécifique, par exemple un ballon ou une fusée, pour la mise à poste dudit véhicule 1. Comme ledit véhicule 1 ne doit pas être conçu pour voler du sol à la hauteur H, il peut être aérodynamique- ment optimisé pour son altitude de fonctionnement H envisagée. Selon l'invention, ladite mise à poste comporte: - une phase P1, pour laquelle le véhicule 1 est fixé au sol S à une nacelle 8 dudit ballon 3, par exemple de type stratosphérique; - une phase P2, pour laquelle on gonfle ledit ballon 3 qui soulève le vé- hicule 1 dans l'atmosphère; - une phase P3, pour laquelle ledit ballon 3 libère le véhicule 1 à la hau- teur H souhaitée; et - une phase P4, dans laquelle le véhicule 1 réalise si nécessaire sa mise à poste définitive et son orientation, par l'intermédiaire uniquement desdits moyens de propulsion 2, et la nacelle 8 du ballon retombe, par l'intermédiaire d'un parachute 9, au sol S o elle peut être récupérée. Le véhicule 1 conforme à l'invention peut être utilisée dans de nombreuses applications. En particulier, il peut être utilisé, tel que repré- senté sur la figure 2, pour remplacer un relais hertzien 10, en l'occur- rence un relais satellitaire, d'un réseau de télécommunication RT compor- tant une pluralité de relais hertziens basés dans l'espace et/ou au sol. Comme on peut le voir sur la figure 2, ledit relais satellitaire 10 peut communiquer avec des utilisateurs 11 et 12 dudit réseau de télé- communication RT, par exemple des récepteurs de radiocommunication ou de télévision ou des téléphones portables, respectivement par l'inter- médiaire de liaisons hertziennes 13 et 14 représentées en traits interrom- pus. Selon l'invention, pour remplacer ledit relais satellitaire 10, on amène le véhicule 1 qui est muni d'un moyen 15 d'émission et de réception d'ondes hertziennes à une altitude et dans une position telles qu'il est situé dans la même direction que ledit relais satellitaire 10 à rempla- cer, par rapport auxdits utilisateurs 11 et 12, ce qui permet de ne pas avoir à modifier l'orientation des antennes de ces derniers. Lorsque ledit remplacement est réalisé, ledit moyen 15 d'émission et de réception d'ondes hertziennes peut communiquer avec les utilisateurs 11 et 12 de façon usuelle, sans changer les interfaces de ces utilisateurs 11 et 12, comme illustré respectivement par des liaisons hertziennes 16 et 17, les- dits utilisateurs 1 1 et 12 pouvant communiquer entre eux, comme montré par une liaison hertzienne 18. Bien entendu, au lieu de communiquer directement avec des utili- sateurs terminaux, ledit moyen 15 peut également communiquer avec d'autres relais non représentés du réseau de télécommunication RT. Tou- tefois, quel que soit le mode de mise en oeuvre, selon l'invention, on maintient la même interface (fréquence, protocole, puissance,....) avec les utilisateurs terminaux existants. On notera qu'au lieu de remplacer un relais satellitaire 10, le véhi- cule 1 muni du moyen 15 peut bien entendu également remplacer, dans le cadre de la présente invention, un relais situé au sol. De plus, la proximité du véhicule 1 par rapport à un utilisateur (quelques dizaines de kilomètres) permet également d'émettre facilement, avec une puissance isotrope équivalente rayonnée, qui est identique à celle d'un relais remplacé. On notera que l'énergie nécessaire pour obtenir une telle puis- sance est beaucoup plus faible, par exemple, que celle nécessaire pour obtenir la même puissance à partir d'un satellite géostationnaire ou en orbite basse. Un tel véhicule 1 permet ainsi de cumuler les avantages des ré- seaux sol envers les régions qui en sont déjà équipées (richesse, adapta- tion, flexibilité,...) et ceux des satellites envers les régions non équipées (déploiement instantané sans infrastructure au sol). Selon l'invention, ledit véhicule 1 muni desdits moyens 15 d'émission et de réception d'ondes hertziennes peut également être utilisé pour étendre un réseau de télécommunication préexistant non représenté ou pour permettre de créer entièrement ou partiellement un nouveau ré- seau de télécommunication à partir d'une pluralité de tels véhicules 1. REVENDICATIONS 1. Véhicule volant, caractérisé en ce qu'il comporte uniquement des moyens de propulsion (2) permettant audit véhicule (1) de se maintenir, se déplacer et s'orienter à haute altitude. 2. Véhicule volant selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de propulsion (2) comportent au moins un propulseur à plasma qui utilise pour son fonctionnement du plasma créé par l'air environnant à ladite haute altitude. 3. Véhicule volant selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un générateur solaire (5) refroi- di par convection au moyen de l'air environnant à ladite haute altitude. 4. Véhicule volant selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une batterie (7) comportant des composants supraconducteurs. 5. Procédé de mise à poste d'un véhicule volant tel que celui spé- cifié sous l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par les étapes suivantes: - au sol, ledit véhicule volant (1) est rendu solidaire d'un engin de trans- port (3) indépendant; - ledit engin de transport (3) amène ledit véhicule volant (1), uniquement par l'intermédiaire de moyens de propulsion dudit engin de transport (3), à une haute altitude prévue pour son fonctionnement; - ledit engin de transport (3) libère ledit véhicule volant (1) à l'altitude (H) et au moins à proximité de l'endroit de mise à poste prévu pour le fonctionnement; et - si nécessaire, ledit véhicule volant (1) réalise sa mise à poste définitive et son orientation par ses propres moyens de propulsion (2). 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit engin de transport (3) comporte au moins un ballon (3) susceptible de monter à haute altitude. 7. Procédé de remplacement d'un relais hertzien d'un réseau de télécommunication comportant une pluralité de relais hertziens, caractérisé en ce que l'on remplace ledit relais hertzien (10) par un véhi- cule volant (1) tel que celui spécifié sous l'une quelconque des revendica- tions 1 à 4 et muni d'un moyen (15) d'émission et de réception d'ondes hertziennes (16, 17), ledit véhicule volant (1) étant amené à une altitude et dans une position telles que ledit moyen (15) d'émission et de récep- tion est situé dans la même direction que ledit relais remplacé (10) par rapport à au moins un utilisateur (11, 12) dudit réseau de télécommunica- tiori (RT), le fonctionnement entre ledit moyen (1 5) d'émission et de ré- ception et ledit utilisateur (11, 12) étant réalisé par l'intermédiaire d'une interface existante. 8. Réseau de télécommunication comportant une pluralité de relais hertziens, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un relais hertzien agencé sur un véhicule volant (1), tel que celui spécifié sous l'une quelconque des revendications 1 à 4, qui est mis à poste à haute altitude.