Brevet FR2925021A1 — publié le 20090619

DISPOSITIF DE MAINTIEN EN ALTITUDE D'UNE CHARGE UTILE DONT LA SOURCE D'ENERGIE DE MAINTIEN EN ALTITUDE EST PERMANENTE ET EXTRAITE DU MILIEU La présente invention se rapporte à un dispositif de maintien en altitude d'une charge utile dont la source d'énergie de maintien en altitude est permanente et extraite du milieu. On connaît d'après des documents de la NASA américaine une plate-forme � HALE � (� High Altitude, Long Endurance �) supportant, en tant que charge utile, des systèmes d'observation et de télécommunication. Cette plate-forme comporte essentiellement un corps léger en forme de rectangle très allongé, recouvert sur sa face supérieure d'un grand nombre de panneaux solaires alimentant des moteurs à hélices de propulsion qui le maintiennent en altitude, mais du fait que la propulsion n'est assurée que par des panneaux solaires, cette plate-forme a une autonomie limitée. La présente invention a pour objet un dispositif de maintien en altitude d'une charge utile dont la source d'énergie de maintien en altitude est pratiquement permanente et extraite du milieu, dispositif qui soit peu onéreux à réaliser et à lancer et qui nécessite un entretien minimal tout en pouvant emporter une charge utile qui soit au moins du même ordre de grandeur que celle des satellites classiques. En outre, ce dispositif de l'invention doit pouvoir remplacer avantageusement des dispositifs semblables de télécommunication ou de surveillance localisés au sol, par exemple une tour réémettrice. Le dispositif conforme à l'invention est caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux corps planants reliés entre eux par au moins une liaison matérielle et se trouvant, en utilisation, à des altitudes différentes par rapport au sol et pour lesquelles les vents instantanés ont, pratiquement en permanence, des caractéristiques différentes, et qu'il comporte un système de contrôle des attitudes respectives de ces deux corps. Ces caractéristiques différentes sont la vitesse et/ou la direction. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation, pris à titre d'exemple non limitatif et illustré par le dessin annexé, sur lequel : la figure unique est un schéma simplifié d'un dispositif conforme à l'invention. L'invention est décrite ci-dessous en référence à une plate-forme portant une charge utile se composant d'équipements de télécommunication, mais il est bien entendu qu'elle n'est pas limitée à cette seule application, et que la charge utile peut comporter d'autres équipements nécessitant d'être supportés en altitude, par exemple des instruments optiques d'observation terrestre et/ou aérienne (caméras, radars, radio-télescopes,...), ou tout type de relais radio ou optique, mono ou multidirectionnel, pour des applications telles que GSM, TV, radio, Wifi, etc. La plate-forme 1 de l'invention a été schématisée sur le dessin dans l'état déployé, en altitude. Elle comporte essentiellement deux parties planant dans cet état déployé à des altitudes différentes dans des couches de vents à caractéristiques différentes et reliées entre elles. Une caractéristique essentielle de l'invention est que les deux parties de la plate-forme soient situées à des altitudes différentes, altitudes auxquelles les caractéristiques des couches de vents sont différentes, comme décrit plus en détail ci-dessous. Dans l'exemple du dessin, chaque partie de cette plate-forme comporte un corps planant 2, 3 respectivement, ces deux corps étant reliés entre eux par une liaison matérielle 4, qui est par exemple un câble en fibres de carbone, relativement léger, tout en étant suffisamment résistant pour ne pas être rompu quelles que soient les conditions environnantes et les tractions exercées sur lui par les corps planants. Ce peut être par exemple un câble tel que ceux utilisés pour les ballons météorologiques stratosphériques. Ces corps 2 et 3 sont par exemple réalisés sous forme d'ailes d'aéronefs comme représenté sur le dessin, ou de parachutes, mais il est bien entendu qu'ils peuvent avoir de nombreuses autres formes, la condition à respecter étant qu'ils présentent chacun une portance et une finesse suffisantes pour les rnaintenir constamment en sustentation compte tenu des conditions environnantes. Leur réalisation doit simplement respecter les lois aérodynamiques classiques bien connues en aéronautique. En outre, ces deux parties de la plate- forme ne sont pas nécessairement identiques, et il est même préférable que la partie supérieure ait une portance supérieure à celle de l'autre partie pour pouvoir supporter à la fois le poids du câble 4 et celui de la partie inférieure. On notera que le mode de réalisation de la plate-forme de l'invention décrit ici comporte deux parties comprenant chacune un corps planant, mais il est bien entendu que chaque partie de cette plate-forme de l'invention peut comporter un plus grand nombre de tels corps. Pour chacune de ces deux parties, les différents corps la composant sont alors maintenus à des altitudes voisines. Le fait de remplacer, à chaque extrémité du câble 4, un corps de grandes dimensions par deux ou plusieurs corps de plus petites dimensions, permet d'alléger la masse totale à chaque extrémité de ce câble à performances similaires, car plus un corps planant est grand, plus la � poutre � centrale (ou les poutres) qui le rigidifie doit être raide et lourde. En outre, la liaison 4, qui est dans l'exemple du dessin un câble unique, peut comporter plusieurs câbles, ou au moins un câble se divisant en plusieurs brins à au moins l'une de ses extrémités. Dans ce dernier cas, l'aile reliée aux brins du câble peut être allégée du fait que la multiplication des suspentes permet de répartir les efforts de traction exercés sur la structure de l'aile en plusieurs points et donc d'alléger cette structure en évitant d'avoir un ancrage du câble en un seul point de l'aile (ce qui oblige à rigidifier sa structure avec une poutre centrale lourde). Les ailes 2 et 3 sont munies toutes deux de systèmes de contrôle d'attitude permettant à chacune d'elles d'être orientée en toutes directions en fonction des caractéristiques de vitesse et de direction de la couche de vents instantanés dans laquelle elle est en sustentation, ainsi que des mêmes données pour l'autre aile, en vue de contrôler la localisation de l'une par rapport à l'autre et par rapport au sol. Ces systèmes de contrôle comportent des dispositifs mécaniques ou électromécaniques agissant sur l'attitudes des ailes. Ces dispositifs sont par exemple des gouvernes orientables 5, 6 ou tous autres dispositifs appropriés, par exemple des dispositifs de traction différentielle sur un tripode d'élingues de sustentation (qui permet de modifier tous les angles d'attitude de la plate-forme par rapport au câble sans avoir besoin de volets ou de gouvernes). Les systèmes de contrôle d'attitude comportent une partie électronique de communication et d'asservissement qui peut être répartie sur une ou les deux ailes, et une partie électromécanique portée par les deux ailes pour la commande des gouvernes. La partie électronique comporte en particulier des circuits de communication avec un centre de contrôle au sol (ou avec un centre de contrôle embarqué) et entre les deux parties 2 et 3, ainsi que des capteurs des grandeurs relatives à l'environnement (vitesse et orientation des vents, barométrie, température, et éventuellement leurs évolutions prévues par la météorologie,...) et des circuits exploitant ces grandeurs et assurant la commande de la partie électromécanique. La réalisation de ce système de contrôle est évidente pour l'homme du métier à la lecture de la présente description, sachant que l'on applique ici les principes de la navigation d'un voilier à des éléments d'aéronef : remonter au vent à l'aide d'une dérive, l'aile du bas (par exemple) en tenant lieu. On notera que les ailes de l'invention ont trois fonctions dont deux sont inhabituelles: une fonction "classique" de sustentation, deux fonctions "nouvelles": compensation de dérive et traction, grâce au second courant atmosphérique; ce qui est complètement inhabituel en aviation, et n'est pas détaillé davantage ici. Le système de contrôle d'attitude commande l'orientation des gouvernes en fonction des caractéristiques de vents précitées et des prévisions de changements de ces caractéristiques et en fonction des ordres pouvant être envoyés depuis le sol en vue de déplacer la plate-forme (par exemple pour surveiller une portion différente de la surface terrestre au cas où cette plate-forme est une plate-forme d'observation, ou pour lui faire éviter des zones à fortes perturbations météorologiques ou pour éviter des zones où les caractéristiques des couches de vents 7 et 8 ne sont pas suffisamment différentes). Une possibilité est également l'autonomie complète de la plate-forme, si on la dote des capacités de prévision météorologique précédemment évoquées et d'un système de mesure de sa position (GPS, Galileo...) Les deux parties de la plate-forme de l'invention sont déployées en altitude par tout moyen approprié, par exemple à l'aide de ballons de type stratosphériques, d'un avion tracteur ou de fusées, c'est-à-dire des moyens beaucoup moins onéreux que ceux destinés au lancement des satellites classiques, du fait que cette plate-forme est nettement plus légère que les satellites et qu'elle est déployée à des altitudes inférieures à celles des orbites des satellites classiques, que ces satellites aient une orbite haute ou basse. En effet, la plate-forme de l'invention est déployée, par exemple, à des altitudes de l'ordre de 20 km ou moins, comme précisé ci-dessous. La plate-forme de l'invention tire parti de la différence de caractéristiques des de couches de vents en altitude, présentant des gradients verticaux de vitesse et/ou de direction, en particulier des couches de vents à des altitudes d'environ 10 à 20 km. Dans l'exemple du dessin, il s'agit, à titre non limitatif, de la couche 7 de vents dite � jet stream � dans laquelle évolue l'aile 2 (la base de cette couche est à une altitude d'environ 20 km et elle a une épaisseur d'environ 2 km) d'une part et de la couche 8 de vents dits � vents régionaux de basse altitude � située sous la première, dans laquelle évolue l'aile 3. La zone intermédiaire 9, à propriétés instables, séparant ces deux couches 7 et 8 a une épaisseur d'environ 1 km. Les vitesse des vents dans les couches 7 et 8 sont très différentes : de l'ordre de 200 km/h dans la couche 7 et de l'ordre de 60 km/h dans la couche 8, et leurs directions sont également différentes, mais généralement relativement constantes à court terme, en particulier en ce qui concerne la couche 7. Un positionnement alternatif consiste à placer l'aile haute 2 dans ]la stratosphère au-dessus du jet stream et l'aile basse 3 dans le jet stream. Une autre possibilité consiste à exploiter simplement des gradients de vents indépendamment du jet stream mais ceux-ci n'ayant pas de régularité l'automatisation du contrôle est moins simple et on peut moins compter sur la permanence dans le temps des vents autres que ceux du jet stream et de la stratosphère. Bien entendu, l'emplacement de la plate-forme de l'invention doit être choisi de façon à être en dehors des couloirs de circulation aérienne. A une telle altitude d'une vingtaine de kilomètres, la surface terrestre � vue � par cette plate-forme (un carré dont le côté est d'environ 1000 km) est inférieure à celle vue par un satellite classique, mais grâce à son prix de revient total (fabrication et lancement seulement) très inférieur à celui d'un satellite classique, il est possible d'en déployer un plus grand nombre pour observer la même surface pour un prix de revient encore bien inférieur à celui d'un satellite. Corollairement, étant donné le relativement faible prix de revient de la plate-forme de l'invention, celle-ci peut aussi être utilisée pour servir de relais de télécommunications ou de plate-forme d'observation pour des événements particuliers de courte durée (conférences, événements sportifs ou autres), et peut ensuite être déplacée en d'autres endroits pour d'autres événements. La source d'énergie de maintien à une altitude pratiquement constante de la plate-forme de l'invention avec sa charge utile réside uniquement dans les caractéristiques différentes des vents de couches 7 et 8. Ces caractéristiques différentes sont les vitesses des vents et/ou leurs directions respectives On coordonne les attitudes des parties 2 et 3 l'une par rapport à l'autre et par rapport à la direction du vent afin qu'ils équilibrent leurs tractions respectives sur le câble 4 tout en restant en sustentation. Bien entendu, ces deux parties ne sont pas forcément immobiles par rapport au sol, mais peuvent � louvoyer �, c'est-à-dire qu'elles évoluent (par exemple en dessinant dans l'espace des � 8 �) autour d'une position centrale fixe sans trop s'en éloigner. Pour déplacer la plate-forme vers une autre position centrale fixe, on lui envoie un ordre approprié pour privilégier la traction horizontale de l'une ou l'autre des ailes 2 et 3 en fonction du déplacement désiré. On a schématisé sur le dessin les composantes des différentes s'exerçant sur le centre de gravité de chacune des ailes. Du côté de l'aile 2, le vecteur horizontal 10 représente la force du vent relatif auquel elle est soumise. Le vecteur vertical 11 représente la force de gravité s'exerçant sur l'aile 2. Le vecteur ascendant (mais non nécessairement vertical) 12 représente la résultante des vecteurs de forces de sustentation et de traînée (vecteurs tracés en traits interrompus) exercées sur l'aile 2 par le vent relatif auquel elle est soumise. Le vecteur 13, pratiquement confondu avec la direction du câble 4, et dirigé vers le bas, représente la force de traction exercée par ce câble sur l'aile 2. Du côté de l'aile 3, le vecteur horizontal 14 représente la force du vent relatif auquel elle est soumise. Le vecteur vertical 15 représente la force de gravité s'exerçant sur l'aile 3. Le vecteur (mais non nécessairement vertical) 16 représente la résultante des vecteurs de forces de sustentation et de traînée (vecteurs tracés en traits interrompus) exercées sur l'aile 3 par le vent relatif auquel elle est soumise. On notera que le vecteur 16 est le plus souvent presque horizontal (selon l'attitude de la plate-forme) du fait que le fonctionnement recherché est analogue à celui d'une dérive de voilier (c'est-à-dire que l'aile 3 est généralement presque verticale). Il est possible que cette aile 3 soit également en sustentation si l'équilibre des forces s'exerçant en son centre de gravité le permet. Le vecteur 17, pratiquement confondu avec la direction du câble 4, et dirigé vers le haut, représente la force de traction exercée par ce câble sur l'aile 3. Il résulte de la composition de ces différents vecteurs que pour que la plate-forme de l'invention reste en sustentation et ne s'éloigne que très peu d'un point fixe central, il faut et il suffit que les forces exercées sur le câble 4 par les deux ailes 2, 3 s'équilibrent constamment entre elles, c'est-à-dire que ces ailes soient orientées correctement par rapport à la direction des vents auxquels elles sont soumises, en fonction de la vitesse de ces vents. De façon avantageuse, l'alimentation en énergie électrique des matériels électriques et électroniques embarqués (circuits de télécommunication et de contrôle des gouvernes, appareils électro-optiques de la charge utile,...) est assurée par exemple par des panneaux électriques solaires associés à des accumulateurs ou alternativement par une ou plusieurs petites hélices génératrices d'énergie placées sur les ailes. Du fait que ces panneaux solaires sont éclairés par le soleil pendant environ 50% du temps, et que les matériels embarqués ne nécessitent qu'une énergie beaucoup plus faible que celle requise pour maintenir en altitude des plate-formes de l'art antérieur autres que les satellites géostationnaires (plate-formes de type � HALE �), les accumulateurs en question peuvent être légers et peu onéreux. En conclusion, la plate-forme de l'invention est simple et peu onéreuse à réaliser et à déployer en altitude, tout en pouvant être quasi géostationnaire pratiquement éternellement (sa durée limite d'utilisation dépendant de la durée de vie de ses composants), sans aucun apport d'énergie (carburant ou autre consommable) ni de moteur � conventionnel � pour la maintenir en altitude et sans nécessiter de lanceur lourd et onéreux du type de ceux requis pour les satellites classiques. Les composants des matériels embarqués n'ont pas besoin d'être certifiés � espace � du fait que la plate-forme évolue à basse altitude et peuvent être des composants classiques �(dits � COTS) à bas prix de revient. REVENDICATIONS 1. Dispositif de maintien en altitude d'une charge utile dont la source d'énergie de maintien en altitude est permanente et extraite du milieu, caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux corps planants (2, 3) reliés entre eux par au moins une liaison matérielle (4) et se trouvant, en utilisation, à des altitudes différentes par rapport au sol et pour lesquelles les vents instantanés ont, pratiquement en permanence, des caractéristiques différentes, et qu'il comporte un système de contrôle des attitudes respectives de ces deux corps. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les caractéristiques différentes des vents instantanés sont leur vitesse et/ou leur direction. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que lesdites altitudes sont comprises entre 10 et 20 km environ 4. Dispositif selon la revendication 1, 2 ou 3 caractérisé en ce qu'en utilisation, l'un des corps (2) est situé dans une couche de vents (7) dite � jet stream � et l'autre (3) est situé dans une couche de vents (8) dits � vents régionaux de basse altitude � située sous la première. 5. Dispositif selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce qu'en utilisation, l'un des corps est situé dans une couche de vents de la stratosphère et l'autre est situé dans une couche de vents dite � jet stream � située sous la première. 6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la liaison matérielle est un câble relié en un point de chacun des deux corps. 7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la liaison matérielle est un câble dont au moins une extrémité se subdivise en plusieurs brins reliés chacun en un point différent de la structure du corps correspondant. 8. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif d'alimentation en énergie électrique alimentant uniquement les matériels électriques et électroniques embarqués 9. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que sa charge utile comporte des matériels de télécommunication. 10. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que sa charge utile comporte des matériels d'observation terrestre et/ou aérienne et/ou de télécommunication, ces matériels étant optiques, radio ou radar. 11. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que sa charge utile comporte des matériels d'aide à la radionavigation.