Brevet FR3093499A1 — publié le 20200911

Description Titre de l'invention : Ballon dirigeable stratosphérique comportant un dispositif d'orientation et de stabilisation de sa nacelle [0001] Le domaine de l'invention est celui des plateformes dirigeables stratosphériques à enveloppe souple pressurisée, connues sous l'appellation anglo-saxonne « blimp ». Ces plateformes portent une nacelle suspendue connue sous le terme de « gondola » localisée sous la plateforme et généralement orientée « nadir ». [0002] Cette nacelle porte les systèmes d'alimentation et de commande ainsi que le matériel technique nécessaires aux différentes missions du dirigeable qui peuvent être d'observation, de surveillance ou de télécommunications. [0003] La figure 1 représente une plateforme dirigeable 1. Elle comporte une enveloppe souple 2, une nacelle 3 et des moyens de propulsion 4. On définit classiquement, sur cette figure, un repère Roulis, Tangage, Lacet ou en terminologie anglo-saxonne Roll, Pitch, Yaw de la façon suivante. L'axe X de roulis est dans le sens longitudinal de l'aérostat, Faxe Z de lacet est en direction nadir et l'axe Y de tangage est perpendiculaire aux deux autres axes. [0004] Pour des raisons liées essentiellement à l'optimisation de la génération de puissance, ces plateformes nécessitent d'être orientées au moins en roulis. Par ailleurs, il est également nécessaire de pouvoir stabiliser la plateforme lors des manoeuvres de tangage quelle que soit les variations de volume de l'enveloppe liées à la surpression de l'enveloppe et cc quelle que soit la distance séparant la nacelle ou « gondola » de la base de l'enveloppe du dirigeable. Il n'existe pas actuellement de solutions techniques uniques, simples, légères et fiables permettant, à la fois d'opérer ces déplacements et de maintenir la gondola compte-tenu des contraintes propres au dirigeable. [0005] Lc dirigeable selon l'invention comporte les moyens nécessaires pour assurer ces dif- férentes fonctions. Il met en oeuvre un système utilisant des chemins de corde dont les extrémités sont fixées à l'enveloppe et sur lesquels circule librement la nacelle. Le diamètre de l'enveloppe variant en fonction de sa surpression interne vis à vis de la pression de l'atmosphère, et la longueur des chemin de cordes étant eux constante, la distance entre la gondole et l'enveloppe varie en fonction de la surpression interne de l'enveloppe en se rapprochant de celle-ci quand la surpression augmente. D'autre part, le déplacement ou l'immobilisation de la nacelle sont réalisés et contrôlés par deux chariots se déplaçant sur un rail central solidaire de l'enveloppe localisé entre les chemins de corde. [0006] Plus précisément, l'invention a pour objet un ballon stratosphérique comportant une nacelle et un dispositif d'orientation et de stabilisation de ladite nacelle, la nacelle étant 2 suspendue sous le ballon stratosphérique par deux chemins de corde parallèles entre eux, chaque chemin étant disposé à une des extrémités avant ou arrière de la nacelle, chaque chemin passant à l'intérieur de poulies fixées à la nacelle, la nacelle pouvant se déplacer librement sur ces deux chemins de corde en roulis, caractérisé en ce que le dispositif d'orientation comporte : - un rail en arc de cercle disposé sous le ballon stratosphérique entre les deux chemins de corde et parallèle auxdits chemins de corde ; - Un premier chariot mobile sur ledit rail, ledit chariot mobile disposé à droite de la nacelle et relié à celle-ci ; - Un second chariot mobile sur ledit rail, ledit chariot mobile disposé à gauche de la nacelle et relié à celle-ci ; - Un dispositif de commande de la position des deux chariots mobiles sur le dit rail, le déplacement des chariots entraînant le déplacement de la nacelle en translation sur les deux jeux de corde. [0007] Avantageusement, le dispositif de commande déplace les deux chariots simul- tanément dans le même sens, la distance entre les deux chariots étant maintenue constante, le déplacement de la nacelle entraînant la rotation du ballon autour de son axe longitudinal. [0008] Avantageusement, le dispositif de commande déplace les deux chariots simul- tanément en sens opposé, le déplacement des deux chariots permettant de compenser la variation de distance entre l'enveloppe du ballon et la nacelle due à l'évolution de pression dans l'enveloppe. [0009] Avantageusement, le dispositif de commande du déplacement des chariots est piloté par des moyens de mesure de la pression interne du ballon stratosphérique de façon à compenser la dilatation du ballon stratosphérique. [0010] Avantageusement, chaque chemin de corde comporte deux cordes disposées en parallèle, chaque corde passant à l'intérieur d'une poulie ou d'une paire de poulies fixées à la nacelle. [0011] Avantageusement, le dispositif de commande du déplacement des chariots est piloté par des moyens de mesure d'attitudes, de position et des moyens de calcul des besoins en puissance du ballon stratosphérique. [0012] L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles : [0013] [fig.l] représente une plateforme dirigeable 1 selon l'art antérieur ; [0014] [fig.2] représente une vue latérale d'une première configuration de nacelle et de son dispositif d'orientation selon l'invention ; [0015] [fig.3] représente une vue de dessus de la première configuration de nacelle et de son 3 dispositif d'orientation selon l'invention ; [0016] [fig.4] représente une vue de face de la première configuration de nacelle et de son dispositif d'orientation selon l'invention ; [0017] [fig.5] représente une vue agrandie de face de la première configuration de nacelle et de son dispositif d'orientation selon l'invention. Cette vue correspond à la partie de la figure 4 comprise dans le rectangle en traits fins ; [0018] [fig.6] représente un détail du passage des cordes dans la nacelle ; [0019] [fig.7] représente une vue de dessus d'une seconde configuration de nacelle et de son dispositif d'orientation selon l'invention ; [0020] [fig.8] représente une vue latérale d'une seconde configuration de nacelle et de son dispositif d'orientation selon l'invention ; [0021] [fig.9] représente une vue de face de la seconde configuration de nacelle et de son dispositif d'orientation selon l'invention ; [0022] [fig.10] représente une vue de dessus d'une troisième configuration de nacelle et de son dispositif d'orientation selon l'invention ; [0023] [fig.11] représente une vue de face de cette troisième configuration de nacelle et de son dispositif d'orientation selon l'invention. [0024] A titre d'exemple non limitatif, les figures 2 à 6 représentent différentes vues d'une nacelle 30 de ballon dirigeable et de son dispositif d'orientation et de stabilisation dans une première configuration selon l'invention. Les figures 7 à 9 représentent trois vues d'une seconde configuration du dispositif d'orientation et de stabilisation, les figures 10 et 11 représentent deux vues d'une troisième configuration du dispositif d'orientation et de stabilisation. [0025] Sur ces différentes figures, on a adopté les mêmes références pour désigner les mêmes sous-ensembles. On a également adopté sur ces figures les mêmes conventions que celles de la figure 1. L'axe X de roulis est dans le sens longitudinal de l'aérostat, l'axe Y de de tangage est dans le sens transversal de l'aérostat et l'axe Z de lacet est perpendiculaire aux deux autres axes. Ainsi, les figures 2 et 8 sont dans un plan (X, Z), les figures 3, 7 et 10 sont dans un plan (X, Y) et les figures 4, 5, 9 et 11 sont dans un plan (Y, Z). La figure 6 est une vue en perspective dans le repère (X, Y, Z). [0026] L'enveloppe 20 du ballon est pressurisée. Sur les vues latérale et de face, seule la partie basse de cette enveloppe 20 du ballon est représentée. Sur les vues du dessus 3, 7 et 10, l'enveloppe n'est pas représentée pour des raisons de clarté. [0027] La configuration fuselée dite en « gondola » de la nacelle sur ces différentes figures est donnée à titre indicatif. Le dispositif selon l'invention peut s'adapter facilement à tous types de forme de nacelle. Les parties semi-sphériques situées sous la nacelle 30 représentent des radômes d'observation ou de communication. [0028] La nacelle 30 est suspendue sous le ballon stratosphérique par deux chemins de corde 31 et 32 parallèles entre eux, chaque extrémité des chemins de corde étant fixées de part et d'autre de l'enveloppe. Chaque chemin passant à l'intérieur de poulies 335 et 336 disposées par paires de part et d'autre de la gondole 30, la nacelle peut se déplacer librement sur ces deux chemins de corde en roulis. Sur ces différentes figures, les chemins de corde passent à travers des poutres creuses qui comportent les poulies. Cette configuration est donnée à titre indicatif. [0029] La partie du chemin de corde passant à l'intérieur des poutres n'est pas représentée sur les différentes vues. [0030] Chaque chemin de cordes 31 et 32 comporte deux cordes disposées en parallèle. Ces cordes sont référencées 310, 311 et 320, 321 sur les différentes figures. Ces cordes sont rattachées à l'enveloppe du ballon par des moyens de fixation non représentés sur les différentes figures. Ces points de fixation sont symétriques par rapport à l'axe longitudinal de l'enveloppe et à une hauteur compatible du besoin en roulis souhaité pour les besoins en puissance du dirigeable. [0031] Comme on le voit sur la figure 6 qui représente, à titre d'exemple, un passage des cordes 310 et 311 à une des extrémités de la poutre 33, l'écartement des cordes est maintenu constant par une entretoise 331. Cette entretoise 331 est reliée à une extrémité de la poutre par un cordage 332 en V inversé fixée sur la poutre au moyen des deux noeuds 333 et 334. Les cordes 310 et 311 sont guidées à l'intérieur de la poutre 33 au moyen des poulies 335 et 336. Sur la figure 6, seule la poulie 335 est visible. Sa forme et sa position sont données à titre indicatif. [0032] Sur les différentes figures, les poutres creuses 33 et 34 sont à section carrée à coins biseautés. D'autres formes de section sont possibles. Ces poutres sont maintenues sur la nacelle par tous moyens appropriés. Cette fixation ne représente aucune difficulté pour l'homme du métier. La position des poutres sur la nacelle est donnée à titre indicatif. Les poulies 335 et 336 peuvent également être fixées directement à la structure de la nacelle si les besoins de stabilité de la charge utile de la nacelle le permettent. [0033] Le dispositif d'orientation et de stabilisation comporte : - un rail 35 en forme d'arc de cercle disposé sous l'enveloppe du ballon stratosphérique entre les deux chemins de corde et parallèle auxdits chemins de corde. La longueur de ce rail représente environ un quart de la circonférence de l'enveloppe. Il est représenté complétement sur la figure 4 et n'est représenté que partiellement sur les autres figures ; - Un premier chariot mobile 36 sur ledit rail 35, ledit chariot mobile disposé à droite de la nacelle ; - Un premier jeu de deux cordes 361 et 362, chaque corde étant attachée par une de ses extrémités au premier chariot mobile 36 et par l'autre extrémité à l'extrémité droite d'une des deux poutres creuses 33 et 34 ou directement à la structure de la nacelle 30 ; - Un second chariot mobile 37sur ledit rail 35, ledit chariot mobile disposé à gauche de la nacelle ; - Un second jeu de deux cordes 371 et 372, chaque corde étant attachée par une de ses extrémités au second chariot mobile 37 et par l'autre extrémité à l'extrémité gauche d'une des deux poutres creuses 33 et 34 comme on le voit, en particulier, sur la figure 3, ou directement à la structure de la nacelle 30; - Un dispositif commande la position des deux chariots mobiles sur le dit rail, le déplacement des chariots entraînant le déplacement de la nacelle en translation. Cc dispositif de commande n'est pas représenté sur les différentes figures et se trouve à l'intérieur de la nacelle 30 ou ailleurs sur l'enveloppe 20. Cc dispositif de commande calcule les déplacements des chariots en fonction soit d'informations issues des différents capteurs du ballon stratosphérique tels que des capteurs de pression, de vent, de température, d'inclinaison en pitch ou en roulis, soit d'informations issues du sol si l'on cherche, par exemple, à déplacer le ballon ou à le faire changer d'attitude ou d'altitude. [0034] Ainsi, le dispositif d'orientation et de stabilisation de la nacelle est totalement dissocié des chemins de corde qui assure l'arrimage de la nacelle à l'enveloppe. [0035] La réalisation technique des différents éléments tels que le rail de guidage, les chariots mobiles motorisés, les différents cordages et leurs attaches ne pose aucune difficulté technique particulière pour l'homme du métier. On rencontre ce type de guidage aussi bien dans l'industrie mécanique comme celle des machines-outils ou des ponts roulants que dans l'industrie des loisirs tel que le nautisme. Les voiliers comportent des éléments assurant des fonctions voisines à celles des composants de l'invention. Ils présentent de plus la fiabilité recherchée. [0036] Il est possible de réaliser différentes configurations du dispositif d'orientation et de stabilisation de ladite nacelle en déplaçant les chariots mobiles sur leur rail. [0037] Une première configuration est représentée sur les figures 2 à 6. Dans cette confi- guration, les deux chariots sont disposés symétriquement par rapport à l'axe longitudinal de la nacelle. Les différentes cordes 361, 362, 371 et 372 sont toutes situées dans un plan vertical (X, Z). Dans ces conditions, la distance D telle que représentée sur la figure 2 séparant la nacelle de l'enveloppe est maximale. Cette configuration est adoptée lorsque la pressurisation de l'enveloppe est minimale [0038] Une seconde configuration est représentée sur les figures 7 à 9. Dans cette confi- guration, les deux chariots sont toujours disposés symétriquement par rapport à l'axe longitudinal de la nacelle mais, par rapport à la configuration précédente, ils se sont éloignés l'un de l'autre de façon symétrique et opposée. Le sens du mouvement des chariots est représenté par des triples chevrons sur la figure 7. Les différentes cordes 6 361, 362, 371 et 372 se sont tendues. Dans ces conditions, la distance D telle que représentée sur la figure 2 séparant la nacelle 30 de l'enveloppe 20 s'est réduite comme indiqué par les chevrons des figures 8 et 9. Cette configuration est adoptée lorsque la pressurisation de l'enveloppe augmente, modifiant son volume. [0039] Une troisième configuration est représentée sur les figures 10 et 11. Dans cette confi- guration, les deux chariots ne sont plus disposés parfaitement symétriquement par rapport à l'axe longitudinal de la nacelle mais, par rapport à la première configuration, les chariots se déplacent tous les deux dans le même sens. Le sens du mouvement des chariots est représenté par des triples chevrons sur la figure 10. La nacelle se déplace alors parallèlement à elle-même et dans la direction de roulis, entraînant la rotation en roulis de l'enveloppe ainsi que représenté par les trois chevrons inclinés de la figure 11. En fin de déplacement, les chariots seront à nouveau disposés symétriquement par rapport à l'axe longitudinal de la nacelle. [0040] Enfin, la quatrième configuration correspond au tangage du dirigeable qui peut être important. Il peut atteindre 20 degrés. Dans ce cas, la nacelle n'est plus à l'horizontal. Dans cette configuration, les jeux de cordes du dispositif d'orientation et de stabilisation maintienne la nacelle dans sa position et augmente ainsi sa stabilité. [0041] Ainsi, par des moyens simples, légers, robustes et faciles à mettre en oeuvre, il est possible d'orienter et de stabiliser une nacelle sous l'enveloppe d'un ballon dirigeable. [0042] Par ailleurs, ces dispositifs consomment peu d'énergie. C'est un avantage considérable sur un appareil dont les ressources sont nécessairement limitées, en particulier lorsque le ballon dirigeable est un ballon stratosphérique. 7