Brevet FR2865714A1 — publié le 20050805

La présente invention concerne le domaine des aéronefs, tels les ballons, dirigeables ou autres aéronefs similaires, comprenant une ou plusieurs enveloppes remplies d'un gaz ou d'un mélange gazeux porteur à base d'hydrogène. II est connu d'utiliser de l'hélium ou de l'hydrogène en tant que gaz io porteur pour ballons, dirigeables ou autres aéronefs analogues. Toutefois, ces gaz présentent certains inconvénients. Ainsi, l'hydrogène a été d'abord utilisé pour remplir la ou les enveloppes des ballons-dirigeables car il a une masse spécifique très faible, à savoir de 0,085 kglm3, et il est de coût bas, ce qui en fait un excellent gaz porteur. Toutefois, l'hydrogène est un gaz posant d'importants problèmes de sécurité car il est très facilement inflammable et, à ce titre, on se souvient tous de l'accident du dirigeable Hindenburg, lors de son atterrissage à New York, en 1937. Pour y remédier, il a été proposé de remplacer l'hydrogène par de 20 l'hélium puisque ce gaz n'est pas inflammable (gaz neutre). Cependant, l'hélium présente l'inconvénient d'être très cher du fait de sa rareté et, par ailleurs, présente une masse spécifique de 0,169 kglm 3, soit le double par rapport à celle de l'hydrogène, ce qui lui confère une aptitude à l'élévation de dirigeable nettement moindre que l'hydrogène. Autrement dit, l'hélium n'est pas idéal. De là, on a aussi déjà proposé d'utiliser des mélanges à base d'hydrogène et d'hélium. Toutefois, la présence d'hydrogène conduit à nouveau à des problèmes de sécurité car l'étanchéité des e nveloppes de dirigeables n'est jamais parfaite et il se produit alors des entrées d'air, donc d'oxygène, dans les enveloppes des dirigeables conduisant alors à un risque d'inflammabilité accrue au fur et à mesure de l'utilisation du dirigeable, c'est -à-dire notamment durant son vol ou lors de son remplissage avec du gaz porteur. s Au vu de cela, le problème qui se pose est d'augmenter la sécurité des aéronefs ou autres ballons -dirigeables dont la ou les enveloppes gazeuses contiennent un mélange gazeux porteu r à base d'hydrogène. La solution de l'invention est alors un procédé pour assurer la sécurité d'utilisation d'un aéronef comprenant au moins une enceinte gazeuse contenant io un mélange gazeux porteur à base d'hydrogène, ladite enceinte gazeuse étant perméable aux molécules d'oxygène contenues dans l'air ambiant, caractérisé en ce qu'on maintient la proportion d'oxygène dans ledit mélange gazeux porteur contenu dans ladite enceinte gazeuse en -dessous du seuil d'inflammabilité dudit mélange gazeux. Dans le cadre de l'invention, le terme 'aéronef' est utilisé en tant que désignation générique des ballons, dirigeables ou autres structures similaires, comprenant une ou plusieurs enveloppes remplies d'un gaz ou d'un mélange gazeux porteur à base d'hydrogène, utilis ables pour transporter des personnes etlou des matériels, ou alors en tant que supports de publicité, c'est-à-dire de ballons-publicitaires, supports d'éclairage ou autres. Selon le cas, le procédé de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques techniques suivantes: - le mélange gazeux contient, en outre, de l'hélium en tant que gaz porteur. - le mélange gazeux contient de l'hydrogène et de l'hélium, la proportion volumique d'oxygène dans le mélange gazeux étant maintenue en -dessous d'une valeur-seuil maximale de 3.6% en volume. - le mélange gazeux contient de l'hydrogène et est exempt d'hélium, la proportion volumique d'oxygène dans le mélange gazeux étant maintenue en dessous d'une valeur-seuil maximale de 6% en volume. - le contrôle de la proportion d'oxygène se fait par (i) suivi de la teneur en oxygène dans ledit mélange gazeux; et (ii) ajustage de ladite teneur en oxygène dans l'enceinte de manière à la maintenir en -dessous du seuil d 'inflammabilité du mélange gazeux. - le suivi de l'étape i) se fait de manière permanente. - le suivi de l'étape i) se fait au moyen d'un analyseur d'oxygène. - l'étape ii) est opérée en prélevant du gaz dans l'enveloppe, en purifiant ledit gaz de manière à en éliminer au moins une partie d es impuretés 02 qu'il contient, et en réintroduisant le gaz ainsi purifié, appauvri en oxygène, dans ladite enveloppe, de préférence également débarrassé de tout ou partie des autres gaz polluants atmosphériques éventuels susceptibles de diminuer la portance du mélange H2/He. - l'aéronef comporte plusieurs enceintes gazeuses remplies de gaz au sein desquelles on contrôle la teneur en oxygène du mélange gazeux. - au moins une enceinte gazeuse contient au moins 0.5 % en volume d'hydrogène et de 99.5 à 0.5 % en volume d'hélium. En particulier le mélange gazeux contient de l'hydrogène et de l'hélium, la teneur initiale en hélium étant avantageusement supérieure à 91.3 %. L'invention concerne aussi un a éronef comprenant au moins une enceinte remplie d'un mélange gazeux à base d'hydrogène, ladite enceinte étant composée d'un matériau perméable aux molécules d'oxygène ou présentant un défaut d'étanchéité auxdites molécules d'oxygène présentes dans l'air ambiant, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, des mo yens de contrôle et de maintien de la teneur en oxygène dans le mélange gazeux contenu dans l'enceinte en-dessous d'une valeur-seuil correspondant au seuil d'inflammabilité dudit mélange. Selon le cas, l'aéronef de l'invention peut comprendre l'une ou plu sieurs des caractéristiques techniques suivantes: - les moyens de contrôle de la teneur en oxygène comprennent un 30 analyseur de gaz. - lesdits moyens de maintien de la teneur en oxygène comprennent des moyens de prélèvement de gaz aptes à prélever au mo ins une partie du mélange gazeux contenu dans l'enceinte; des moyens de purification de gaz aptes à éliminer au moins une partie de l'oxygène dudit mélange prélevé par les moyens de prélèvement de gaz; et des moyens de recyclage de gaz aptes à réintrodui re le gaz purifié par les moyens de purification ou gaz dans ladite enceinte. - des moyens de remplissage en gaz porteurs, c'est -à-dire en gaz ou mélange gazeux contenant de l'hydrogène et/ou de l'hélium, pour pallier d'éventuelles pertes de gaz, lors des étapes de purification et/ou recyclage io notamment. - les moyens de prélèvement de gaz comprennent un système de prise d'au moins un échantillons dans chaque enceinte ou enveloppe, permettant d'opérer régulièrement des analyses du mélange gazeux dans ladite enceinte de façon à s'assurer du bon suivi de la teneur en oxygène en chaque point de l'enceinte considérée, y compris les zones potentielles de confinement; et un moniteur, assurant le balayage des zones à suivre, pour assurer l'ensemble des analyses à exécuter. - les moyen s de purification seront soit embarqués, soit sur site d'emport. Ils consistent préférentiellement en des systèmes de purification de type membrane associés des moyens de compression. - les moyens de recyclage permettent d'assurer ou de combiner une fonction de purification à une boucle d'alimentation du mélange gazeux à purifier, d'une part, et à une boucle de redistribution du mélange purifié, d'autre part. Ce système de recyclage permet de purifier le mélange gazeux, y compris dans les zones de l'enceinte susceptibles de présenter des ségrégations de concentration. Autrement dit, la particularité de l'invention repose sur l'usage en toute sécurité dans les enveloppes de dirigeables de mélanges gazeux à base de H2, notamment de mélanges He/H2 susceptibles d'être en contact avec l'oxygène de l'air dans des zones de non -inflammabilité du mélange considéré. Pour garantir le maintien dans lesdites zones, un système de contrôle de présence et de limitation de concentration d'O 2 est mise en place, de préférence, de façon permanente, pour en assurer le suivi. La figure 1 annexée représente les zones d'inflammabilité de mélange 5 He/H2 variant de 0% à 100% en volume en fonction de la concentration de ces mélanges dans l'air, variant de 0% à 100 % en volume. Il apparaît ainsi que la zone d'inflammabilité est limitée en partie haute du graphique à 71% du mélange He/H 2 dans l'air (He à 0%, H2 100%) et 81,5% pour un mélange He/H 2 dans l'air (He 85%, H2 15%). La zone io d'inflammabilité est limitée en partie basse du graphique par une courbe qui va, en partie droite du graphique de 70% de mélange dans l'air (He 91, 3% ; H2 8,7%) en passant par 16% de mélange dans l'air (He 70%, H 2 30%) pour des conditions aux limites en partie gauche de 4% de mélange da ns l'air (He 0%, H2 100%). Pour assurer d'être dans des conditions de fonctionnement en toute sécurité, il faut donc être, en permanence, soit dans la partie haute du graphique pour les mélanges He /H2 en grande proportion dans l'air, soit en partie basse du graphique, soit encore dans la partie à droite du graphique. La partie du haut du graphique correspond à l'usage en ordre de marche du dirigeable, alors que la partie basse et notamment la partie en bas à droite aux conditions de remplissage du dirige able. La teneur maximale en oxygène (teneur -seuil maximale) admissible dépendra du mélange gazeux à base d'hydrogène utilisé, comme visible sur la figure 1. Toutefois, dans tous les cas, on prendra la précaution de maintenir la proportion volumique en oxygène inférieure à : - environ 6 %, ce qui correspond à une teneur en air de l'ordre de 28 % en volume (voir partie en haut à gauche de la Figure 1), pour de l'hydrogène pur, - environ 3.6 %, ce qui correspond à une teneur en air de l'ordre de 18 en volume (voir partie en haut à droite de la Figure 1), pour un mélange hélium-hydrogène. La figure 2 représente un ballon-dirigeable 1 comprenant une (ou plusieurs) enveloppe gazeuse interne contenant un mélange gazeux porteur à base d'hydrogène dont la sécurité d'utilisation est améliorée grâce à la présente invention. Pour ce faire, le contrôle et le maintien des conditions de sécurité se font comme suit. io Concernant le contrôle, pour déterminer les conditions de sécurité, on suit en permanence la concentration en oxygène dans le dirigeable 1 au moyen d'un analyseur d'oxygène, par exemple, embarqué dans le dirigeable. Les prises d'échantillon doivent être représentatives du volume et de la taille du dirigeable 1. Autrement dit, il s'agit de procéder à des mesu res qui prennent en compte d'éventuelles ségrégations de concentration à l'intérieur de l'enceinte. De plus, on prend la précaution d'éviter le confinement de mélanges gazeux à base d'hydrogène qui pourrait être en contact avec de l'oxygène dans des proportions qui rendent le mélange inflammable. En tout état de cause, si par construction de telles zones existent, alors le suivi de la teneur en oxygène dans lesdites zones est une condition sécuritaire prioritaire et les prises d'échantillons se font impérat ivement aussi dans ces zones. Les teneurs en oxygène résultant de l'application du graphique de la Figure 1 peuvent être ainsi suivies. Cependant, il peut être recommandé d'appliquer un coefficient de sécurité (par exemple un coefficient de 4) au niveau d'oxygène limite toléré dans l'enceinte. Au-delà de la valeur-seuil maximale tolérée, afin de maintenir les conditions de sécurité, on peut purifier, via un circuit de gaz en boucle 5 comprenant un compresseur 3 de gaz et une (ou plusieurs) membrane 3, le mélange He/H2 de ses polluants N2 et surtout 02, et recycler ensuite le mélange ainsi purifié dans l'enceinte du ballon 1. Selon la taille du ballon, le système de purification est soit installé sur le site de parking, soit embarqué. Les gaz et les polluants atmosphériques éliminés par le système membranaire 3 sont rejetés à l'atmosphère via une sortie 6 de sortie dédiée 5 dudit système 3. Si nécessaire, du gaz frais porteur à base d'hydrogène et/ou d'hélium peut alimenter, via une ligne 7 d'alimentation en gaz porteur, soit la boucle 5, soit directement l'enveloppe 1 de manière à compenser d'éventuelles pertes de gaz porteur, notamment lors du processus de purification. Il est à noter qu'on pourrait utiliser d'autres systèmes de purification en lieu et place du système membranaire 3, par exemple des systèmes de purification de gaz par adsorption et/ou par catalyse. REVENDICATIONS 1. Procédé pour assurer la sécurité d'utilisation d'un aéronef comprenant au moins une enceinte gazeuse contenant un méta nge gazeux porteur à base d'hydrogène, ladite enceinte gazeuse étant perméable aux molécules d'oxygène contenues dans l'air ambiant, caractérisé en ce qu'on maintient la proportion d'oxygène dans ledit mélange gazeux porteur contenu dans ladite enceinte gazeuse en-dessous du seuil d'inflammabilité dudit mélange gazeux. io 2. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le mélange gazeux contient, en outre, de l'hélium, de préférence. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractéri sé en ce que le mélange gazeux contient de l'hydrogène et de l'hélium, la proportion volumique d'oxygène dans le mélange gazeux étant maintenue en -dessous d'une valeur-seuil maximale de 3.6% en volume. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en c e que le mélange gazeux contient de l'hydrogène et est exempt d'hélium, la proportion volumique d'oxygène dans le mélange gazeux étant maintenue en -dessous d'une valeur-seuil maximale de 6 % en volume, de préférence en -dessous d'une valeur-seuil maximale de 5.4 % en volume. 5. Procédé selon les revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le contrôle de la proportion d'oxygène se fait par: i) suivi de la teneur en oxygène dans ledit mélange gazeux; et ii) ajustage de ladite teneur en oxygène dans l'ence inte de manière à la maintenir en -dessous du seuil d inflammabilité du mélange gazeux. 6. Procédé selon les revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le suivi de l'étape i) se fait de manière permanente ou continue. 7. Procédé selon les revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le suivi de l'étape i) se fait au moyen d'un analyseur de gaz, en particulier un 30 analyseur d'oxygène. 8. Procédé selon les revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'étape ii) est opérée en prélevant du gaz dans l'enveloppe, en purifiant ledit gaz de manière à en éliminer au moins une partie des impuretés 0 2 qu'il contient, et en réintroduisant le gaz ainsi purifié, appauvri en oxygène, dans ladite enveloppe, de préférence le gaz est purifié par un système membranaire. 9. Procédé selon les revendications 1 à 5 ou 8, caractérisé en ce que l'aéronef comporte plusieurs enceintes gazeuses remplies de gaz au sein desquelles on contrôle la teneur en oxygène du mélange gazeux. 10. Procédé selon les revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'au io moins une enceinte gazeuse contient au moins 0.5 % en volume d'hydrogène et de 99.5 à 0.5 % en volume d'hélium, en particulier le mélange gazeux contient de l'hydrogène et de l'hélium, la teneur initiale en hélium étant avantageusement supérieure à 91.3 %. 11. Aéronef comprenant au moins une enceinte remplie d'un mélange gazeux à base d'hydrogène, ladite enceinte étant composée d'un matériau perméable aux molécules d'oxygène ou présentant un défaut d'étanchéité auxdites molécules d'oxygène présen tes dans l'air ambiant, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, des moyens de contrôle et de maintien de la teneur en oxygène dans le mélange gazeux contenu dans l'enceinte en - dessous d'une valeur-seuil correspondant au seuil d'inflammabilité dudit mél ange. 12. Aéronef selon la revendication 11, caractérisé en ce que les moyens de contrôle de la teneur en oxygène comprennent un analyseur de gaz. 13. Aéronef selon la revendication 11 ou 12, caractérisé en ce que lesdits moyens de maintien de la teneur e n oxygène comprennent: - des moyens de prélèvement de gaz a ptes à prélever au moins une partie du mélange gazeux contenu dans l'enceinte de manière à y déterminer la proportion d'oxygène présent, - des moyens de purification de gaz aptes à éliminer au mo ins une partie de l'oxygène dudit mélange prélevé par les moyens de prélèvement de gaz, et io - des moyens de recyclage de gaz aptes à réintroduire le gaz purifié par les moyens de purification ou gaz dans ladite enceinte. 14. Utilisation d'un aéronef selon l'une des revendications 11 à 13 en tant que support aérien publicitaire, d'éclairage ou de transport.