Brevet FR2915958A1 — publié le 20081114

-- Dirigeable pour le transport de charge, et procédé de compensation mis en oeuvre dans ce dirigeable La présente invention concerne un dirigeable pour le transport de charge. Elle vise également un procédé de compensation aérostatique mis en oeuvre dans ce dirigeable. Pour des dirigeables porteurs de charge lourde, une difficulté principale réside dans la prise en compte de la variation de charge auxquels ces dirigeables sont soumis. En effet, le contrôle de l'altitude de tels dirigeables implique une variation du volume de gaz porteur en fonction de la charge emportée. Différentes solutions à ce problème ont déjà été envisagées. On peut notamment citer des techniques de ballast d'eau, de compression du gaz porteur ou de variation mécanique du volume de gaz porteur par des systèmes de poulie et de treuil. Aucune de ces solutions n'a réellement donné satisfaction et abouti à une réalisation pratique. La technique du ballast d'eau peut ainsi s'avérer de mise délicate voire impossible dans des régions d'accès difficile ou sinistrée où l'accès à des réserves d'eau est aléatoire. Les solutions à base de compression de gaz ou de variation mécanique du volume d'enveloppe conduisent généralement à des surcharges en poids qui rendent ces solutions non viables. Le but de la présente invention est de proposer un nouveau concept de dirigeable à compensation de charge, qui apporte une solution optimale et viable à la problématique de la variation de charge d'emport. Cet objectif est atteint avec un dirigeable pour le transport de charge, comprenant : - une enveloppe extérieure de volume sensiblement invariant comportant une enceinte de volume variable remplie d'un gaz porteur plus léger que l'air et un ballonnet de compensation de volume variable, rempli d'air et en communication avec l'extérieur par des moyens de contrôle de pression, - des moyens de propulsion, et - des moyens d'emport de charge. -2-Suivant l'invention, ce dirigeable comprend en outre des moyens pour transférer de l'énergie thermique au gaz porteur. Avec un dirigeable selon l'invention, il devient possible de contrôler la portance effective du dirigeable et de prendre en compte les variations de charge, sans pour autant requérir des moyens mécaniques nécessairement lourds et donc pénalisants pour les performances du dirigeable. A titre d'exemple pratique de mise en oeuvre du procédé de compensation selon l'invention, on peut considérer pour un dirigeable selon l'invention un volume initial d'hélium de 100 000 m3 à une température de 290 K. Si l'on porte ce gaz porteur à une température de 450 K, son volume va augmenter pour atteindre environ 155 000 m3, une valeur approximée calculée par application de la loi des gaz parfaits. On dispose ainsi d'une variation de 55 tonnes de la capacité de charge de ce dirigeable. Dans une forme préférée de réalisation, le dirigeable selon l'invention comprend en outre des moyens pour produire de l'énergie thermique à transférer au gaz porteur, à partir d'une source d'énergie embarquée. Dans un mode particulier de réalisation, les moyens de production d'énergie thermique peuvent comprendre des éléments électriques résistifs disposés à l'intérieur de la partie de l'enveloppe contenant ie gaz porteur. 24 Ces éléments électriques résistifs sont par exemple alimentés en courant électrique délivré par une unité de production d'énergie électrique auxiliaire (APU). Dans un autre mode de réalisation, le dirigeable selon l'invention comprend en outre des moyens d'échange thermique entre une source 25 d'énergie thermique embarquée et l'enveloppe remplie de gaz porteur. La source d'énergie thermique embarquée peut être par exemple couplée à un système de refroidissement des moyens de propulsion. Dans une version particulière de l'invention, l'enveloppe extérieure est pourvue au moins en partie de moyens d'écran thermique contrôlé agencés 3D pour limiter les transferts d'énergie thermique entre le gaz porteur et l'extérieur dudit dirigeable. Ces moyens d'écran thermique contrôlé peuvent comprendre une pluralité de films minces en matériaux thermiquement isolants reliés entre -3- deux par des cloisons souples, et des moyens pour insuffler sous pression du gaz porteur entre les films minces, de façon à réaliser un matelas thermiquement isolant, ainsi que des moyens d'écran thermique contrôlé comprennent en outre des moyens pour générer une dépression entre les films minces, de façon à réaliser une enveloppe thermiquement conductrice. Les moyens d'écran thermique contrôlé peuvent par exemple comprendre une turbine réversible disposée à une extrémité de la pluralité de films minces dont une autre extrémité est fermée. Un dirigeable selon l'invention peut en outre comprendre des moyens de contrôle de compensation coopérant avec les moyens de contrôle de pression de ballonnet et les moyens d'emport de charge. Dans un dirigeable dont les moyens de propulsion comprennent des unités de propulsion vectorielle commandées par des moyens de commande dynamique, on peut prévoir que les moyens de contrôle de compensation coopèrent avec les moyens de commande dynamique pour contrôler la position spatiale du dirigeable. Suivant un autre aspect de l'invention, il est proposé un procédé pour compenser la charge d'un dirigeable selon l'invention, ce dirigeable comprenant : - une enveloppe extérieure de volume sensiblement invariant comportant une enceinte de volume variable contenant un gaz porteur plus léger que l'air et un ballonnet de compensation de volume variable rempli d'air et en communication avec l'extérieur par des moyens de contrôle de pression, - des moyens de propulsion, - des moyens d'emport de charge. Suivant l'invention, ce procédé comprend des séquences de transfert d'énergie thermique au gaz porteur de façon à augmenter le volume de l'enceinte de gaz avec réduction simultanée du volume du ballonnet. Le procédé de compensation selon l'invention peut en outre comprendre une commande automatique de gonflage/dégonflage du ballonnet pour maintenir une pression sensiblement constante dans l'enveloppe. Il peut aussi comprendre des séquences de contrôle dynamique du dirigeable mettant en oeuvre des moyens vectoriels de propulsion. -4- Lorsque le procédé selon l'invention est mis en oeuvre dans une opération d'emport de charge, il comprend les étapes suivantes : -. lorsque le dirigeable équilibré se positionne au dessus d'une charge, un accrochage de la charge par les moyens d'emport de charge, -- un chauffage du gaz porteur de façon à générer une portance additionnelle jusqu'à ce que le dirigeable chargé soit à nouveau équilibré, Lorsque le procédé selon l'invention est mis en oeuvre dans une opération de dépose de charge, il comprend : -- lorsque le dirigeable chargé et équilibré se positionne au dessus d'une zone de dépose, un arrimage de la charge encore fixée au dirigeable, - une phase de refroidissement du gaz porteur jusqu'à ce qu'à atteindre l'équilibre hors charge du dirigeable, -- un décrochage de la charge par rapport au dirigeable. En régime de croisière, le procédé selon l'invention comprend en outre une régulation de la température du gaz porteur par action sur les séquences de chauffage. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée d'un mode de mise en oeuvre nullement limitatif, et des dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 illustre schématiquement le principe de la compensation thermique mis en oeuvre dans la présente invention ; -la figure 2 illustre schématiquement un exemple de structure d'un dirigeable porteur de charge selon l'invention ; - la figure 3 est une vue agrandie schématique d'une enveloppe faisant écran thermique; - la figure 4 représente un écran thermique contrôlé mis en oeuvre dans un dirigeable selon l'invention, à l'état gonflé pour assurer une isolation thermique ; - la figure 5 représente l'écran thermique contrôlé de la figure 4, à l'état dégonflé en dépression pour réaliser une enveloppe thermiquement conductrice ; - La figure 6 représente un dirigeable selon l'invention équipé d'un écran thermique contrôlé ; -5 - la figure 5 illustre les différentes étapes d'un procédé de compensation selon l'invention, au cours d'un vol de transport effectué par un dirigeable selon l'invention. On va en premier lieu décrire, en référence à la figure 1, le principe de compensation thermique à la base de la présente invention. Un dirigeable 10 selon l'invention comporte à l'intérieur d'une enveloppe 11 de volume sensiblement constant une enceinte 16 remplie de gaz porteur et un ballonnet 13 rempli d'air et dont le remplissage est contrôlé de façon à maintenir une pression sensiblement constante dans l'enceinte 16. Il est équipé de groupes de propulsion vectoriels 30 (orientable dans les trois dimensions) et d'un système de chauffage du gaz porteur (non représenté). En phase 1 de descente du dirigeable à vide, le système de chauffage n'est pas activé et la température T dans l'enceinte de gaz tend à diminuer, ce qui fait décroître la portance statique jusqu'à devenir inférieure au poids du dirigeable à vide. Les groupes de propulsion 30 sont utilisés pour assurer la trajectoire du dirigeable 10 et son positionnement au dessus d'une charge 100 situé sur un sol 20. En phase 2 d'arrimage de la charge 100 au dirigeable 10 qui est maintenu en position d'arrimage par l'effet des groupes de propulsion orientés vers le bas, le système de chauffage est activé pour augmenter la température du gaz. Cette augmentation de température se traduit par une augmentation du volume de l'enceinte 16 au détriment de celui du ballonnet 13. La portance statique du dirigeable augmente, ce qui contribue au décollage (phase 3) du dirigeable dès lors que cette portance devient supérieure au poids de l'ensemble dirigeable+charge . L'augmentation de la température conduit à une augmentation de l'altitude du dirigeable. La pression atmosphérique diminue avec l'altitude. Il en résulte que la pression dans l'enceinte 16 doit aussi diminuer en rapport afin de maintenir le même niveau de surpression de l'enveloppe, ce qui s'accompagne d'une réduction du volume du ballonnet (phase 4). En désactivant le système de chauffage et le système d'écran thermique, la température T du gaz va alors décroître, ce qui va avoir pour effet de réduire la portance statique du dirigeable. -6 Les systèmes de chauffage et d'écran thermique sont commandés automatiquement, en coopération avec les groupes de propulsion, pour réguler l'altitude de croisière et les phases de montée/descente du dirigeable. On va maintenant décrire, en référence aux figures 2 à 6, des exemples de réalisation d'un dirigeable 10 à compensation de charge selon l'invention. Ce dirigeable IO comprend à l'intérieur d'une enveloppe 11 une enceinte 16 remplie d'un gaz porteur tel que de l'hélium et un ballonnet 13 rempli d'air et équipé d'un ventilateur de gonflage 130 et d'une soupape 131 en communication avec l'extérieur. Ce ventilateur 130 et cette soupape 131 sont commandées automatiquement de façon à maintenir constante la pression dans l'enceinte de gaz 16, à un niveau sensiblement supérieur à celui de la pression extérieure. Cette régulation automatique de la pression met en oeuvre des composants et techniques connues de régulation. Le dirigeable 10 est équipé d'un système 40 de chauffage du gaz contenu dans l'enceinte 16, d'une nacelle de pilotage 14, d'un système d'arrimage de charge 101 et de groupes de propulsion 30,31 de type vectoriel, Le. orientables dans les trois dimension au moyens d'actionneurs. Ces groupes de propulsion peuvent être au nombre de 2 ou de 4. Le système de chauffage 40 comprend ici deux modules de chauffage 41, 42 disposés aux deux extrémités de l'enceinte 16 et prévus pour recevoir du gaz porteur et le réinjecter dans l'enceinte 16 à une température supérieure. Ces modules de chauffage peuvent par exemple être réalisés à base d'éléments résistifs parcourus par un courant électrique fourni par une unité de génération auxiliaire 43 couplée mécaniquement à l'arbre de l'un des groupes de propulsion du dirigeable 10. On peut aussi envisager d'autres modes de chauffage du gaz mettant en oeuvre des techniques d'échange thermique à partir d'une source d'énergie thermique embarquée, par exemple un étage de récupération d'énergie d'un système de refroidissement d'un groupe de propulsion. L'enveloppe Il du dirigeable 10 comporte sous sa partie supérieure une zone multicouche d'écran thermique 170 qui est constitué d'un ensemble de films ou voiles 110 d'un matériau thermiquement isolant tel que du Kapton . Ces films sont reliés entre eux par des cloisons flexibles 111 s'étendant -7- longitudinalement dans l'axe du dirigeable. En référence à la figure 3, lorsque du gaz He est insufflé entre les films, le système d'écran thermique se développe jusqu'à constituer un matelas thermique comme l'illustre la figure 4. Ce matelas thermique va être le lieu d'un gradient de température L\Tc, entre la température Th du gaz chauffé et la température Ti de l'air extérieur. Lorsqu'il n'est plus nécessaire de réaliser un écran thermique entre l'enceinte de gaz et l'extérieur et qu'au contraire on souhaite que la température de l'enceinte diminue, il suffit de créer une dépression de gaz entre les films pour qu'ils viennent se coller les uns contre les autres et constituent alors une enveloppe équivalente thermiquement conductrice, en référence à la figure 5. Le système d'écran thermique contrôlé 17 comprend, en référence à la figure 6, la zone d'écran thermique 170 constituant la partie supérieure de l'enveloppe I1 et fermée à l'une de ses extrémités, une pompe réversible 15 placée à une extrémité de cette zone d'écran thermique et agencée pour insuffler du gaz porteur de l'enceinte dans les espaces inter-films de cette zone ou à l'inverses évacuer ce gaz pour y créer une dépression. On va maintenant décrire, en référence à la figure 7, un cycle complet d'emport/dépose d'une charge par un dirigeable transporteur de charge lourde selon l'invention. 2 Un dirigeable 10, mu par des propulseurs vectoriels 30, arrive en approche d'une charge 100. Il est globalement en équilibrage aérostatique, la portance statique du gaz porteur compensant le poids du dirigeable à vide. Le gaz porteur, non chauffé, est en phase de refroidissement, le matelas d'écran thermique 17 étant inactivé de façon à faciliter les transferts thermiques entre l'air ambiant et l'enceinte de gaz 16. Le ballonnet 13 est gonflé et contrôlé automatiquement pour maintenir constante la pression dans l'enceinte de gaz 16. Les propulsions vectoriels 30 sont orientés de façon à positionner le dirigeable 10 précisément sur la charge à emporter 100 placé sur un site A. 2 ) Un arrimage de la charge 100 à une structure d'emport (non représentée) du dirigeable 10 est effectué. Le système 41, 42 de chauffage du gaz porteur est mis en route. Le chauffage du gaz a pour effet d'augmenter le volume de l'enceinte 16. Le volume du ballonnet 13 diminue dans le même temps et le gonflage de ce ballonnet est automatiquement régulé pour -8- maintenir une pression constante dans l'enceinte de gaz. L'augmentation du volume de l'enceinte de gaz a pour effet d'augmenter la portance statique du gaz. Dès lors que le gaz porteur est chauffé, le système d'écran thermique est activé de façon à limiter au maximum les déperditions d'énergie thermique vers l'extérieur de l'enveloppe 16. Du fait du chauffage du gaz porteur, la portance statique a atteint le poids total du dirigeable et de la charge emportée. Un nouvel équilibre en charge est obtenu. Le système de chauffage du gaz peut alors être désactivé ou bien maintenu à un niveau bas. Les groupes propulseurs vectoriels 30 sont mis en route et orientés de façon à délivrer une force ascendante. LI) Le dirigeable 10 chargé décolle et est piloté de manière à présenter une incidence de vol positive, ce qui produit une portance dynamique qui s'ajoute à la portance statique fournie par le gaz porteur. S'il s'avère nécessaire de prendre de l'altitude, il est possible d'activer le système de chauffage afin d'augmenter la température du gaz porteur, ce qui contribue à augmenter la portance statique. La diminution de la pression atmosphérique avec l'altitude a pour conséquence de faire diminuer la pression dans l'enceinte de gaz 16. Si la température du gaz était maintenue constante, ceci impliquerait que le volume de l'enceinte 16 augmente, ce qui n'est possible qu'avec la diminution du volume du ballonnet 13. Il existe donc forcément une limite physique à une augmentation de l'altitude tout en maintenant une température de gaz sensiblement constante. Il s'en suit qu'à altitude croissante, il est nécessaire de faire décroître la température du gaz porteur. Ceci est rendu possible en laissant refroidir le gaz par désactivation du système d'écran thermique 17. - La baisse de la température du gaz a pour effet de diminuer la portance statique du dirigeable chargé qui alors descend tout en maintenant une incidence procurant une portance dynamique. Par positionnement au moyen des groupes de propulsion vectoriels, le dirigeable 10 atterrit sur un site de dépose B. L'inversion des groupes de propulsion permet de contrer la portance statique produite par le gaz porteur. On laisse alors refroidir le gaz porteur et le ballonnet 13 est alors gonflé en conséquence pour maintenir une pression suffisante dans l'enceinte de gaz 16. -9- la portance statique diminue jusqu'à atteindre la portance statique initiale du dirigeable à vide. Il devient alors possible de déverrouiller la charge 100 par rapport au dirigeable puisque ce dernier se trouve en état d'équilibre statique à vide. (0) Le dirigeable 10 peut alors décoller par action des groupes propulseurs et le système de chauffage de gaz peut éventuellement être activé pour augmenter la portance statique du gaz et accroître l'altitude de croisière du dirigeable. Le système d'écran thermique 17 est alors activé pour limiter la déperdition d'énergie thermique. ï 0 (1_ Lorsque l'altitude nominale de croisière est atteinte avec équilibre statique du dirigeable à vide, les groupes de propulsion 30 assurent le déplacement du dirigeable. Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples 15 sans sortir du cadre de l'invention. En particulier, le principe de la compensation thermique à la base de ka présente invention peut être mis en oeuvre sur tous type des dirigeable, indépendamment de leur structure (souple, semi-rigide ou rigide) et de leur géométrie. REVENDICATIONS 1. Dirigeable pour le transport de charge, comprenant : - une enveloppe extérieure de volume sensiblement invariant, remplie d'un gaz porteur plus léger que l'air et incluant un ballonnet de compensation de volume variable rempli d'air et pourvu de moyens de remplissage et de moyens de soupape commandés pour maintenir une pression sensiblement constante dans ladite enveloppe, - des moyens de propulsion dudit dirigeable, - des moyens d'emport de charge, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens pour transférer de l'énergie thermique au gaz porteur. 2. Dirigeable selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens pour produire de l'énergie thermique à transférer au gaz porteur, à partir d'une source d'énergie embarquée. 3. Dirigeable selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de production d'énergie thermique comprennent des éléments électriques résistifs disposés à l'intérieur de la partie de l'enveloppe contenant le gaz porteur. 4. Dirigeable selon la revendication 3, caractérisé en ce que les éléments électriques résistifs sont alimentés en courant électrique délivré par une unité de production d'énergie électrique auxiliaire (APU). 5. Dirigeable selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre, au titre des moyens de transfert d'énergie, des moyens d'échange thermique entre une source d'énergie thermique embarquée et l'enveloppe remplie de gaz porteur. 6. Dirigeable selon la revendication 5, caractérisé en ce que la source d'énergie thermique embarquée est couplée à un système de refroidissement des moyens de propulsion. 7. Dirigeable selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'enveloppe extérieure est pourvue au moins en partie35- 11 - de moyens d'écran thermique contrôlé agencés pour limiter les transferts d'énergie thermique entre le gaz porteur et l'extérieur dudit dirigeable. 8. Dirigeable selon la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens d'écran thermique contrôlé comprennent une pluralité de films minces en matériaux thermiquement isolants reliés entre deux par des cloisons souples. 9. Dirigeable selon la revendication 8, caractérisé en ce que les moyens d'écran thermique contrôlé comprennent en outre des moyens pour insuffler sous pression du gaz porteur entre les films minces, de façon à réaliser un matelas thermiquement isolant. 10. Dirigeable selon la revendication 9, caractérisé en ce que les moyens d'écran thermique contrôlé comprennent en outre des moyens pour générer une dépression entre les films minces, de façon à réaliser une enveloppe thermiquement conductrice. 11. Dirigeable selon l'une des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que les moyens d'écran thermique contrôlé comprennent une turbine réversible disposée à une extrémité de la pluralité de films minces dont une autre extrémité est fermée. 12. Dirigeable selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens de contrôle de compensation coopérant avec les moyens de contrôle de pression de ballonnet et les moyens d'emport de charge. 13. Dirigeable selon la revendication 7, dont les moyens de propulsion comprennent des unités de propulsion vectorielle commandées par des moyens de commande dynamique, caractérisé en ce que les moyens de contrôle de compensation coopèrent avec les moyens de commande dynamique pour contrôler la position spatiale du dirigeable 14. Procédé pour compenser la charge d'un dirigeable selon l'une quelconque des revendications précédentes, ce dirigeable comprenant :- 12 - - une enveloppe extérieure de volume sensiblement invariant, remplie d'un gaz porteur plus léger que l'air et incluant un ballonnet de compensation de volume variable rempli d'air et pourvu de moyens de remplissage et de moyens de soupape commandés pour maintenir une pression sensiblement constante dans ladite enveloppe, - des moyens de propulsion, - des moyens d'emport de charge, caractérisé en ce qu'il comprend des séquences de transfert d'énergie thermique au gaz porteur de façon à augmenter son volume avec réduction simultanée du volume du ballonnet. 15. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une commande automatique de gonflage/dégonflage du ballonnet pour maintenir une pression sensiblement constante dans l'enveloppe. 16. Procédé selon l'une des revendications 14 ou 15, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des séquences de contrôle dynamique du dirigeable mettant en oeuvre des moyens vectoriels de propulsion. 20 17. Procédé selon l'une des revendications 14 à 16, mis en oeuvre dans une opération d'emport de charge, caractérisé en ce qu'il comprend : - lorsque le dirigeable équilibré se positionne au dessus d'une charge, un accrochage de la charge par les moyens d'emport de charge, - un chauffage du gaz porteur de façon à générer une portance 25 additionnelle jusqu'à ce que le dirigeable chargé soit à nouveau équilibré. 18. Procédé selon l'une des revendications 14 à 17, mis en oeuvre dans une opération de dépose de charge, caractérisé en ce qu'il comprend : -lorsque le dirigeable chargé et équilibré se positionne au dessus 30 d'une zone de dépose, un arrimage de la charge encore fixée au dirigeable, - une phase de refroidissement du gaz porteur jusqu'à ce qu'à atteindre l'équilibre hors charge du dirigeable, - un décrochage de la charge par rapport au dirigeable. 35 19. Procédé selon l'une des revendications 14 à 18, mis en oeuvre dans une phase de croisière, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une régulation de la température du gaz porteur par action sur les séquences de chauffage.15