Brevet FR2976908A1 — publié le 20121228

Il y a à ce jour trois types de dirigeables connus sous les vocables de souples, semi-rigides et rigides. Les dirigeables souples sont formés d'une enveloppe gonflée qui sert aussi de structure pour tenir une nacelle. Ce type de dirigeable ne permet pas de porter des charges très lourdes du fait même de sa conception, car l'enveloppe est limitée en charge. Pour palier ce problème, les dirigeables rigides ont été conçus. Ils sont formés d'une armature sur laquelle est tendue une enveloppe non gonflée et protectrice. A l'intérieur se trouvent des ballonnets gonflés à l'hélium ou l'hydrogène et ce sont eux qui créent la portance. De tels dirigeables ont de nombreux atouts. Leur structure rigide leur permet d'avoir des actions dites « tout temps » et d'atteindre des vitesses de croisière importantes, disons jusqu'à 200km/h. Néanmoins, ce type de dirigeables nécessite d'être relativement imposant pour porter des charges potentiellement très lourdes (plusieurs centaines de tonnes). Cela implique donc des investissements conséquents et des infrastructures au sol importantes. Plus récemment, les progrès technologiques ont permis d'envisager de concevoir des dirigeables semi-rigides. Là, l'enveloppe est gonflée, comme dans les dirigeables souples, mais elle est sous-tendue par une structure partiellement porteuse et qui confère une certaine indéformabilité de l'enveloppe au dirigeable. C'est le cas du Zeppelin NT actuel qui fait 2 tonnes de charge utile. Néanmoins, l'expérience Cargolifter dans les années 2000 a montré que de tels dirigeables ne sont guère réalisables, cette entreprise ayant essayé, en vain, de réaliser un dirigeable semi-rigide de 160t de charge utile. Clairement, une telle conception, pour des raisons techniques hors du cadre de ce texte, ne semble guère pouvoir être viable avec les technologies actuelles comme celles du Zeppelin NT par exemple. D'un autre côté, il existe un grand point faible dans la conception des dirigeables en général, c'est l'autonomie. Ce dernier point est fondamental. En effet, les engins des années 30 comme le Hindenburg étaient très loin d'être autonomes et nécessitaient la présence d'hommes au sol pour les maintenir. Ce problème reste aujourd'hui entier avec le Zeppelin NT (semi-rigide) qui nécessite 3 personnes au sol pour le servir. Par ailleurs, au sol, il est fixé à un mât ce qui lui fait potentiellement balayer une zone extrêmement importante lors de changements de direction du vent, sans compter les risques d'arrachement, soit du mât soit de l'attache même du dirigeable au dit mât. A ce jour, à notre connaissance, il n'y a pas « d'astuce » connue pour palier ce problème d'autonomie pour les dirigeables semi-rigides. Nous allons proposer ici un type de dirigeable nouveau en ce sens qu'il ne sera à proprement parler ni rigide ni semi-rigide, sera autonome et pourra aller à des vitesses aujourd'hui inimaginables pour les semi-rigides mais aussi pour les rigides. Notre engin pourra donc avoir des vitesses a priori nettement supérieures à 200km/h avec une conception originale tout en étant autonome. Nous allons aussi faire porter l'objectif de notre conception sur un point qui nous semble fondamental concernant les dirigeables : leur réactivité selon l'axe vertical. Cela constitue en effet un point capital de la manoeuvrabilité des dirigeables et de leur sécurité. Dans la suite de ce texte, nous allons décrire l'invention pour le cas d'un dirigeable de forme « catamaran », mais le lecteur gardera bien à l'esprit que le dispositif décrit fonctionne pour tout type de dirigeable (unique « boudin » de forme ellipsoïdale, ballon lenticulaire, etc.). Décrivons rapidement ce que nous entendons par dirigeable catamaran. Il s'agit en fait de 2 boudins (1.a) qui vont servir à créer de la poussée d'Archimède reliés par une travée 5 (l.b) comme sur la figure 1. Notre problème consiste en la réalisation d'un dirigeable semi-rigide qui aura à la fois une réactivité importante selon l'axe vertical et qui pourra atteindre des vitesses importantes. Constatons d'abord que la rigidité de l'enveloppe va, à elle seule, conditionner la vitesse maximale que le dirigeable pourra supporter. Il nous faut donc au 10 minimum une surface frontale absolument rigide. D'un autre côté, les dirigeables de conception ancienne avaient en leur sein des ballonnets d'air que l'on gonflait ou dégonflait à volonté en fonction des besoins du pilotage et des conditions extérieures. L'inconvénient de ces ballonnets est qu'ils ne permettent pas d'être très réactif ce qui engage, dans certains cas, la sécurité même de l'engin. Passons donc à la description de 15 la solution proposée à ces problèmes et qui constitue l'invention. Considérons donc un catamaran comme sur la figure 1. Commençons par détailler un des boudins (1.a). Nous proposons un emboîtement de 3 sections cylindriques comme sur la figure 2 ou la figure 3 le cas échéant (2.a et 2.c). Le cas cylindrique est pris ici pour raisons de commodité dans la description qui suit. Cela marcherait pour toute forme de 20 révolution ou toute forme présentant un minimum de symétrie. Pour assurer l'étanchéité au gaz porteur, nous proposons, par exemple, une peau en alliage métallique (2.c). Les alliages de magnésium sont un bon exemple d'un tel matériau que l'on peut prendre, avec une épaisseur de 1 à 2/100è' de millimètres d'épaisseur par exemple, mais d'autres alliages sont bien entendu possibles qui peuvent avoir des caractéristiques de masse 25 moins intéressantes, mais des caractéristiques de rigidité meilleures. Cela garantit une excellente étanchéité au gaz porteur tout en garantissant une masse surfacique de l'enveloppe très raisonnable (nettement inférieure à 100g/m2 à comparer aux 600g/m2 nécessaires au Zeppelin NT actuel). Cette peau peut aussi être en composite, par exemple en carbone haut module très fin recouvert éventuellement de dépôts métalliques 30 catalytiques pour garantir l'étanchéité. A partir de là nous discutons sur la solution proposée dans la figure 2, les résultats étant directement applicables à celle de la figure 3 et à d'autres formes de révolution ou présentant des symétries suffisantes. Sur les 3 cylindres, celui qui est central (2.c) est de diamètre plus important que les autres. Les 2 cylindres aux extrémités sont reliés au cylindre central par une paroi métallique souple 35 (2.b) comme indiqué sur la figure 2. La meilleure façon de faire varier la position verticale du dirigeable est alors de modifier son volume en faisant bouger les deux parties cylindriques selon la direction des flèches (2.e) indiquée sur la figure 2. Lorsque les cylindres « rentrent », le volume diminue, la poussée d'Archimède diminue donc alors que la pression interne du gaz porteur augmente, et le dirigeable va donc descendre. A 40 l'inverse, lorsque les cylindres extrêmes « sortent », le volume s'accroît, la poussée d'Archimède augmente et le dirigeable monte. La vitesse de déplacement verticale et l'accélération du dirigeable vont dépendre de la vitesse de variation du volume. Le fait que la jonction des cylindres soit en forme de S ou de S inversé selon le « petit » cylindre concerné ((2.f) ou (2.g) en rouge sur la figure), et que l'on joue sur la souplesse de la feuille métallique concernée est essentiel. Bien entendu, d'autres dispositifs en toile sont possibles, mais nous estimons que la solution métallique est potentiellement meilleure. Le problème à résoudre est celui du repliement de la feuille qui doit conserver sa géométrie en forme de S ou de S inversé. Nous proposons donc d'utiliser une armature interne comme sur un dirigeable semi-rigide avec des Velcro (marque déposée) de façon à conserver, dans les mouvements, cette géométrie. Cela est indiqué sur la figure 4 (4.b). Par ailleurs, un ou des moteurs centraux (4.a) au grand cylindre seront placés de façon à assurer la cinématique, via une crémaillère (4.d) par exemple. On aura deux façons de résoudre le problème : soit un moteur commun aux 2 extrémités, soit un moteur par extrémité. La première solution permet de conserver la symétrie alors que l'autre permet de créer une dissymétrie. En fonction des effets recherchés on choisira l'une plutôt que l'autre des solutions. Parmi les deux cylindres d'extrémité, un sera l'avant du dirigeable et prendra donc les efforts aérodynamiques dus à l'avancement. On aura le choix entre une pointe avant métallique (soutenue par une structure éventuellement (4.c)), comme le reste du boudin ou en composite, le tout monté sur l'armature du ballon (4.c). Ainsi, ce système sera au moins aussi rigide que dans un dirigeable rigide et cela permettra d'atteindre des vitesses nettement supérieures à 200km/h. Le cas échéant, cette pointe sera de section conique (2.d). Ce qui a été décrit avec des cylindres et des cônes, peut se généraliser sans problème à d'autres formes de révolution plus ou moins cylindriques de façon à améliorer l'aérodynamique de l'engin (ellipsoïde, lenticulaire...). Concernant l'aérodynamique, il est un fait avéré : la cavité qui permet, par conception, la variabilité du volume, notamment la partie en forme de S citée plus haut, va créer une traînée aérodynamique délétère. On aura donc intérêt à tendre une chaussette (5.a), le cas échéant extensible, le cas échéant en toile, pour garantir une meilleure aérodynamique globale tout en conservant le dispositif de variation de volume. La même chaussette (5.a) pourra, le cas échéant, être mise à l'arrière. Cela est montré en figure 5 pour la configuration retenue dans la figure 2. Les avantages d'une telle configuration du dirigeable sont nombreux. Au-delà de la rapidité de réaction sur l'axe vertical et de la vitesse importante de déplacement ainsi permise, l'enveloppe métallique permet une étanchéité maximale, réduisant d'autant les coûts potentiels dus aux fuites ou à la pollution par l'air de l'hélium et augmentant le temps que le dirigeable peut rester sans maintenance. La peau en alliage métallique sera naturellement réfléchissante au rayonnement solaire, ce qui évitera les problèmes thermodynamiques liés à la turbulence interne des gaz lors des périodes d'éclairement solaire. Enfin, la peau métallique se prêtera très bien à la mise en place d'un système rustique de dégivrage. En effet, une des affres des dirigeables, est la traversée, par exemple, de nuages avec de l'eau en surfusion. Cela charge alors le dirigeable très rapidement, lequel va avoir alors tendance à tomber. Dégivrer, dans un tel cas, et si possible rapidement, est alors une nécessité. Une façon de dégivrer, dans notre cas est alors la suivante. On installe sur la surface ad hoc, des « marteaux » (6.b) actionnés par des électroaimants (6.a) qui vont venir taper contré la paroi métallique. Cette paroi étant assez solide, les vibrations et chocs dus aux marteaux vont casser la glace qui tombera. On remarquera que ce système, efficace, ne consomme que très peu d'énergie. Nous aurons ainsi un dirigeable capable de passer dans les nuages. Bien sûr il faudra équiper le dirigeable d'un système de détection de la glace. Le nombre de possibilités pour ce faire est considérable, de la détection in situ à la détection de perte d'altitude rapide suite à l'alourdissement au passage dans un nuage, etc. Le système avec marteaux (6.b) est montré en figure 6. Il ne nous reste plus qu'à conférer à notre dirigeable une manoeuvrabilité verticale comparable, dans une certaine mesure, à celle d'un avion. Il va de soi que la charge utile peut être logée dans la travée (Lb) située entre les deux boudins (1.a). Nous proposons néanmoins de donner un rôle aérodynamique, le cas échéant, à cette travée en lui donnant un profil symétrique aérodynamique minimisant sa traînée d'une part et en l'articulant autour d'un axe (7.c) qui, selon l'inclinaison, pourra lui faire fournir soit une portance nulle dans le cas neutre, soit une portance positive soit négative selon l'angle d'incidence comme indiqué sur la figure 7. Ainsi, cela accroîtra encore la versatilité verticale de l'engin qui va devenir, pour un dirigeable, extrêmement performant. Le cas échéant, la travée pourra être scindée en deux parties ayant un profil aérodynamique ad hoc ce qui permettra au dirigeable d'avoir une pilotabilité partielle de type avion. Des moteurs flanqués aux extrémités des boudins (sur un ou plusieurs boudins) ce qui est une solution classique, permettront le contrôle du dirigeable en lacet. Enfin, la variation de volume d'un seul boudin, pour le catamaran, permettra, le cas échéant, le contrôle du dirigeable en roulis, ce que ne sait faire aucun dirigeable à ce jour. L'autonomie au sol sera obtenue par un ballastage à eau qui se fera par remplissage de boudins spécifiques sur lesquels le dirigeable se posera. Néanmoins, on pourra, le cas échéant, ballaster le dirigeable avec de l'air et nous proposons pour cela 2 potentiels dispositifs. Le premier consiste à insérer dans le boudin (1.a) du dirigeable une vessie gonflable (8.b) qui sera emplie d'air comprimé avec une pression à convenir et qui va alourdir, bien évidemment, le dirigeable pour un meilleur maintien au sol, cela évitant le fameux mât décrit en introduction. La deuxième solution consiste à imaginer un compartiment (9.a) supportant de fortes pressions d'air, par exemple dans le compartiment central et qui serait alors gonflé à l'air comprimé. Dans ce dernier cas, le compartiment pourra, le cas échéant, être rempli d'eau pour du ballast, si cette dernière est disponible. Cela est décrit en figures 8 et 9. Nous proposons de baptiser un tel dirigeable, compte tenu de sa conception originale, un dirigeable rigide creux. REVENDICATIONS1- Dirigeable « rigide creux » composé d'un ou plusieurs (figure 1) corps porteurs contenant un gaz plus léger que l'air, le ou les corps porteurs étant composés de plusieurs parties mobiles les unes par rapport aux autres et pouvant s'emboîter partiellement les unes dans les autres via une cinématique dépendant de leur géométrie (figures 2 et 3) qui leur confère ainsi une capacité de définir un volume variable, la cinématique étant rendue possible par une peau partiellement voire totalement constituée d'un alliage métallique fin et souple (figure 2) 2- Dirigeable « rigide creux » selon la revendication 1 dont la peau du corps porteur est constituée d'un alliage métallique fin fixé à une structure sous-jacente mobile qui va permettre déformer cette peau 3- Dirigeable « rigide creux » selon la revendication 1 dont la peau peut être partiellement en matériau composite rigide, le volume variable étant assuré le cas échéant par une partie en alliage métallique souple ou un tissu suffisamment étanche (figure 2) 4- Dirigeable « rigide creux » selon la revendication 1 dont la cinématique de variation de volume est obtenue via au moins 2 moteurs indépendants ((4.a) figure 4) qui peuvent, le cas échéant, changer le centre de poussée. 5- Dirigeable « rigide creux » selon la revendication 1 dont la cinématique de variation de volume est obtenue via 1 seul moteur (4.a) assurant une variation symétrique du volume 6- Dirigeable « rigide creux » selon la revendication 1 dans lequel la cinématique 25 de la partie souple de la peau éventuellement métallique est guidée via des Velcro (marque déposée) ((4.b) figure 4) 7- Dirigeable « rigide creux » selon la revendication 1 sur lequel on a « tendu » une ou des « chaussettes » le cas échéant extensibles pour améliorer l'aérodynamique du corps porteur ((5.a) figure 5) 30 8- Dirigeable « rigide creux » selon les revendications 1 à 7 ayant une forme de catamaran (figure 1), la travée (l.b) étant constituée par un profil aérodynamique symétrique lequel peut tourner autour d'un axe ad hoc (par exemple (7.c)) et créer, le cas échéant, une aérodynamique neutre (ni portance ni déportance), une portance ou une déportance selon le cas lors de l'avancée 35 dudit dirigeable en pivotant autour d'un axe (figure 7). 9- Dirigeable « rigide creux » selon les revendications 1 à 7 ayant une forme de catamaran, la travée ayant deux ou plus de parties ayant des propriétés aérodynamiques du type de celles de la revendication 8, de façon à conférer à l'engin une pilotabilité partielle de type avion 10-Dirigeable « rigide creux » selon les revendications 8 ou 9 dans lequel on peut créer une asymétrie de portance entre les 2 boudins (1.a) en différenciant leurs cinématiques de déformation. 11-Dirigeable « rigide creux » selon la revendication 1 lequel a un ou plusieurs boudins équipé d'un moteur à axe horizontal permettant le pilotage en lacet 12-Dirigeable « rigide creux » selon la revendication 1 muni d'une vessie interne (8.a) permettant d'y comprimer de l'air pour le ballastage (figure 8) 13-Dirigeable « rigide creux » selon la revendication 1 muni d'un compartiment interne servant de réservoir (9.a) à air comprimé servant au ballast ou, le cas échéant pouvant recueillir de l'eau pour le même effet (figure 9)