EP2809577A1 - Ensemble structural fermé à tenue à la compression améliorée - Google Patents

Ensemble structural fermé à tenue à la compression améliorée

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Publication number
EP2809577A1
EP2809577A1 EP13702446.9A EP13702446A EP2809577A1 EP 2809577 A1 EP2809577 A1 EP 2809577A1 EP 13702446 A EP13702446 A EP 13702446A EP 2809577 A1 EP2809577 A1 EP 2809577A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
structural
link
branches
framework
peripheral contour
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP13702446.9A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Jean-François GENESTE
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Airbus Group SAS
Original Assignee
European Aeronautic Defence and Space Company EADS France
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by European Aeronautic Defence and Space Company EADS France filed Critical European Aeronautic Defence and Space Company EADS France
Publication of EP2809577A1 publication Critical patent/EP2809577A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64B—LIGHTER-THAN AIR AIRCRAFT
    • B64B1/00—Lighter-than-air aircraft
    • B64B1/06—Rigid airships; Semi-rigid airships
    • B64B1/08—Framework construction
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64B—LIGHTER-THAN AIR AIRCRAFT
    • B64B1/00—Lighter-than-air aircraft
    • B64B1/06—Rigid airships; Semi-rigid airships
    • B64B1/14—Outer covering

Definitions

  • the present invention belongs to the field of structures. More particularly, the invention relates to a closed structure whose compressive strength is improved without increasing its mass. The invention finds particular application to the production of a stratospheric balloon.
  • a solution to gain mass would be to replace the aerostatic gas (eg helium) contained in the balloon by vacuum.
  • the aerostatic gas eg helium
  • this would represent a significant saving of the order of 300 kg of helium.
  • the pressure at 20 km altitude being 54 hPa
  • the pressure force that would exert on the structure current balloon would be too important. At present, no sufficiently light structure can hold such an effort.
  • a structural assembly comprises:
  • a closed chain defining a closed peripheral contour forming part of a plane, comprising a plurality of successive structural links, each structural link comprising two structural branches facing each other, of convexity oriented in substantially opposite directions, interconnected in each their opposite ends by a so-called end node,
  • Geometric stabilization means of the peripheral contour said means being arranged so as to prevent geometric deformation of the peripheral contour in the plane under the effect of external pressure forces exerted.
  • the geometric stabilization means comprise:
  • a first inextensible stabilization element connecting two structural branches of the same structural link, excluding end nodes,
  • inextensible we mean an element that has a zero deformation or almost zero for the efforts that will have to support the structural assembly.
  • the structural assembly according to the invention thus has a geometry that allows it to withstand external pressure forces that would be exerted on it.
  • the structural assembly is advantageously intended for producing stratospheric balloons.
  • the invention also satisfies the following characteristics, implemented separately or in each of their technically effective combinations.
  • each structural branch of a structural link comprises at least two successive segments interconnected by an intermediate node, the first stabilization element extending between two intermediate nodes of the two branches.
  • the segments are hollow beams, preferably made of composite material.
  • the two structural branches of a structural link are symmetrical with respect to a straight line passing through the two end nodes of said link.
  • the first and / or second stabilizing element is a rigid element.
  • Rigid means an element whose shape and dimensions do not undergo substantial changes during use of the structural assembly.
  • each end node of a structural link is connected to a non-adjacent end node of a separate structural link by a second stabilizing element.
  • the invention also relates to a method for producing a structural assembly comprising the steps of:
  • each link connect the two structural branches of said structural link by a first stabilizing element, - connect two non-adjacent end nodes of two separate structural links by a second stabilizing element.
  • the invention also relates to a three-dimensional structural framework comprising a plurality of structural assemblies such as previously described in at least one embodiment and a plurality of geometric stabilization means of the structural framework in space, two structural assemblies being connected by at least one geometric stabilization means of the structural framework, each stabilization means geometric structure of the structural framework being bonded, at two opposite ends, to end nodes of each structural assembly.
  • a means for geometrically stabilizing the structural framework in space is a rigid element.
  • the invention also relates to a stratospheric balloon.
  • Said stratospheric balloon comprises a structural framework as defined above in one of its embodiments and a skin stretched over the peripheral contour of each structural element as previously described in one of its embodiments.
  • the stratospheric balloon thus produced is a closed structure, thus making it possible to contain a vacuum, and its geometry makes it possible to withstand high external pressures, of the order of at least 50 hPa, while maintaining an acceptable mass.
  • the total mass of the stratospheric balloon would be 2000 kg while a stratospheric balloon according to one embodiment of the invention , which would hold the vacuum and for a toric type geometry, would be of the order of 400 kg.
  • FIGS. 1 to 7 are in no way limiting, represented in FIGS. 1 to 7, in which:
  • FIG. 1 schematically illustrates a first embodiment of a structural assembly according to the invention
  • FIG. 2 illustrates an alternative embodiment of the structural assembly according to the invention
  • FIG. 3 illustrates another variant embodiment of the structural assembly according to the invention
  • FIG. 4 illustrates another variant embodiment of the assembly structural element according to the invention
  • FIG. 5 illustrates an enlargement of a link of the structural assembly
  • FIG. 6 illustrates a perspective view of a portion of an example of a stratospheric balloon represented in the form of a torus, made from a plurality of structural assemblies,
  • Figure 7 illustrates a perspective view of a portion of another example of a stratospheric balloon represented as a torus, made from a plurality of structural assemblies. Exemplary embodiments of a structural assembly 100 according to the invention are illustrated in FIGS. 1 to 4.
  • the structural assembly 100 is inscribed in a plane and comprises:
  • a closed chain comprising a plurality of successive structural links 200, two adjoining links being connected by a so-called end node 300,
  • At least one inextensible element 500 extending between and connecting two non-adjacent end nodes 300 of two distinct links 200.
  • joining means that the objects associated with it are abutting with each other, whether these objects are in contact with one another or in close proximity to one another.
  • adjacent nodes it is meant that the nodes are linked by the same link in the closed chain.
  • non-adjacent nodes it is meant that the nodes are not linked by the same link in the closed chain.
  • closed chain means a succession of links, each link is mechanically secured, with a certain clearance, to the two adjacent links.
  • the inextensible members 500 are referred to as the second inextensible stabilizing element and their function will be described later.
  • inextensible element we mean an element which presents a zero or even almost zero deformation for the efforts that will have to support the structural whole.
  • each end node 300 is connected to a non-adjacent end node 300 by a second stabilization element 500.
  • the closed chain has a substantially circular geometrical shape, illustrated in the figures by the dotted circle 101, and comprises six end nodes 300, called A, B, C, D, F and G, regularly positioned on this geometric shape and six structural links 200 extending between and each connecting two adjacent end nodes 300.
  • Each end node 300 is connected to four non-adjacent end nodes by a second stabilization element.
  • the closed chain has a substantially ellipsoidal geometric shape, illustrated in the figures by the dotted ellipse 101, and comprises twelve end nodes 300 regularly positioned on this geometric shape and twelve links 200 s extending between and each connecting two adjacent end nodes 300.
  • Each end node 300 is connected to at least one non-adjacent end node by a second stabilization element 500.
  • Each structural link 200 has two structural branches
  • a branch is said to be convex 201a when said branch has a convexity turned towards the outside of the chain and a so-called concave branch 201b when said branch has a concavity turned towards the outside of the chain.
  • the closed string defines a closed peripheral contour inscribed in the plane.
  • the convex branches define a closed external peripheral contour.
  • the concave branches define a closed peripheral contour called internal.
  • Each structural branch 201a, 201b of a link 200 comprises at least two successive segments 202a, 202b interconnected by an intermediate node 203a, 203b.
  • each structural link 200 comprises an inextensible element 400 for connecting an intermediate node 203a of the convex branch 201a to an intermediate node 203b of the concave branch 201b.
  • Each intermediate node of a convex branch is linked to an intermediate node of the concave branch by an inextensible element 400.
  • the inextensible element 400 is referred to as the first stabilizing element and its function will be described later.
  • the convex branch 201 has, concave 201 b respectively, a link 200 comprising two successive segments 202 a, respectively 202 b, linked together by an intermediate node 203 a, called H, respectively 203b, denoted J.
  • a first stabilizing element 400 connects the intermediate node 203a of the convex branch 201a to the intermediate node 203a of the concave branch 201b of the link 200.
  • the convex branch 201 has, concave 201b respectively, a link 200 comprising three successive segments 202a, respectively 202b, linked by two intermediate nodes 203a and 203b, respectively.
  • Two first stabilization elements 400 connect the two intermediate nodes 203a of the convex branch 201a to the two intermediate nodes 203b of the concave branch 201b of the link 200.
  • the convex branch 201a and the concave branch 201b of a link are symmetrical with respect to a straight line passing through the two end nodes of said link.
  • each segment 202a, 202b shown in Figure 1 is itself composed of a so-called elemental link 200 '.
  • the elementary link 200 ' takes up the characteristics of the structural link 200 as described previously, that is to say having two branches elementary elements 201 a ', 201 b' each comprising at least two segments, referred to as elementary segments 202a '202b', successively linked by an intermediate elementary node 203a ', 203b'.
  • the intermediate elementary nodes 203a ', 203b' of each elementary branch 201 a ', 201b' are connected by a first inextensible stabilization element 400 '.
  • each elementary segment is itself composed of a link comprising two sub-branches each comprising at least two successive sub-segments linked by an intermediate node.
  • the intermediate nodes of each sub-branch are connected by a first inextensible stabilization element.
  • said structural assembly to allow reproducibility of the manufacturing processes and therefore to reduce the cost of manufacture, said structural assembly has identical links in the closed chain.
  • the geometry of the structural assembly as described is chosen such that, when external pressure forces are exerted on said structural assembly, the components (i.e. the segments and the first and second stabilizing elements ) the constituent thus work in tension rather than in compression.
  • said segment is a cylindrical beam of any cross-section of closed ends.
  • the cylindrical beam is hollow.
  • a hollow cylindrical beam presents a compromise between the tensile strength and the mass.
  • the cross section of the beam is circular.
  • the calculation of the thickness of the beam of circular section and the diameter of the cross section is within the reach of the skilled person.
  • the beam is chosen from a composite material, for example based on carbon, which has a compromise between its Young's modulus and its density, that is to say a material having good tensile mechanical properties ( Young modulus for example between 300 and 700 GPa) without penalizing the mass of the beam.
  • said beams have a rough surface, mainly at the end nodes and intermediate nodes to better withstand the shear forces.
  • the first and second inextensible stabilizing elements form geometric stabilization means of the closed peripheral contour defined by the chain of the structural assembly in the plane arranged so as to prevent a geometrical deformation of the peripheral contour in the plane, and by extension of the structural assembly, under the effect of external pressure forces exerted on said structural assembly.
  • the first inextensible stabilizing elements respectively second non-extensible stabilizing elements, also ensure a mechanical stability of the link, respectively of the structural assembly.
  • the first stabilizing elements 400 associated with a link 200 also advantageously provide a geometric stability of said link.
  • the first stabilizing elements HJ and KM will work in tension when the structural element is subjected to external pressure forces, thereby preventing the link from deforming.
  • the invention proposes to have, for example, six beams AH, KH, KB, BM, MJ, JA successive, forming a closed link, and all having a length less than the length L A B of the AB beam.
  • the six beams are of one share less prone to buckling as the beam length L A B
  • the greater the number of beams forming the link the greater the buckling strength of each beam is increased.
  • the skilled person by his general knowledge, is able to choose the number of beams forming a link according to the resistance to external pressure forces desired.
  • the second stabilizing elements 500 make it possible to prevent the structural assembly 100 from collapsing in the plane and will work in tension when the structural element 100 is subjected to external compression forces. Indeed, if, for example, a pressing force is exerted on the structural assembly 100 at the point F so that the point F tends to go inward of the circle 101 defined by the closed chain, the points G and D have a natural tendency to go out of the circle 101, which is made impossible by the second non-extensible stabilizing elements 500.
  • the structural assembly 100 is therefore extremely resistant to external pressure forces.
  • the first and second inextensible stabilizing elements 400, 500 are inextensible son, thus having a negligible mass relative to the mass of a beam, making it possible not to weigh down the structural assembly.
  • these stabilizing elements 400, 500 can be made of materials either aramid, such as a Kevlar ® yarn which has very good mechanical properties tensile strength (tensile strength of the order of 3100 MPa and a Young's modulus between 70 and 125 GPa) and fatigue, or composite, such as a carbon wire that has a tensile strength of order of 7000 MPa and a Young's modulus of the order of 520 GPa.
  • aramid such as a Kevlar ® yarn which has very good mechanical properties tensile strength (tensile strength of the order of 3100 MPa and a Young's modulus between 70 and 125 GPa) and fatigue
  • composite such as a carbon wire that has a tensile strength of order of 7000 MPa and a Young's modulus of the order of 520 GPa.
  • first and second inextensible stabilizing members 400, 500 are rigid elements, i.e. elements whose shape and dimensions do not undergo substantial changes during use of the invention. structural ensemble. These rigid elements form spacers, that is to say that they maintain a constant spacing between the end nodes to which these rigid elements are connected.
  • two successive beams of a branch are mechanically connected by the first stabilizing elements 400. This embodiment also makes it possible to reduce the mass of the link, since there is no addition of junction device for the beams.
  • each end of the wire passes through the closed ends of two successive beams associated therewith.
  • the ends of the wire meet and form one.
  • the first stabilizing elements 400 consist of two wires instead of a wire.
  • the ends of the beams of two adjoining links at an end node 300 are mechanically bonded by the second stabilizing members 500 .
  • the present invention is not limited to the examples of structural assemblies described and illustrated. Those skilled in the art are able to adapt the invention to geometric shapes of undescribed structural assemblies as well as to forms and arrangements of links that are not described.
  • the structural assembly of the invention is advantageously made from any initial geometrical shape 101.
  • an initial geometrical shape 101 desired for the structural assembly 100 is defined. This geometric shape is chosen such that it delimits a closed volume, preferably a convex volume.
  • N points are positioned on the geometrical shape 101, the N points corresponding to the N end nodes, N being greater than or equal to 3.
  • the N points are evenly spaced on the geometric shape.
  • two adjacent nodes 300 are connected by a structural link 200.
  • a fourth step the two branches of a link are connected by a first stabilization element.
  • This step is performed for each link.
  • non-adjacent end nodes of two distinct links are connected by a second stabilizing element.
  • This step is performed for each node.
  • the structural assembly is advantageously usable in the production of a stratospheric balloon, as illustrated in FIGS. 6 and 7.
  • the stratospheric balloon has a shape of a torus.
  • the present invention is not limited to stratospheric toroidal balloons. Those skilled in the art are able to adapt the invention to undescribed geometric shapes, such as, for example, a spherical, lenticular shape.
  • the stratospheric balloon 600 comprises: a structural frame 700 in a three-dimensional space comprising:
  • Two structural assemblies 100 are connected by at least one geometric stabilization means 710, each geometric stabilization means being connected, at two opposite ends 71 1, to end nodes 300 of each structural assembly 100.
  • the skin 800 is chosen so as to have sufficient strength not to break under external pressure forces.
  • the skin comprises an airtight membrane and a crisscross-type wire mesh structure whose mesh is chosen so as to resist external pressure forces.
  • the membrane is made of a material of the Ethylene tetrafluoroethylene (ETFE) type.
  • ETFE Ethylene tetrafluoroethylene
  • the intersecting wire structure comprises for example at least one wire made of a material selected from the following: metal, aramid such as for example Kevlar®, carbon, among others.
  • a geometric stabilization means of the structural framework in space is a rigid element.
  • the skin 800 is stretched over the outer peripheral contour of each structural element.
  • the skin 800 is stretched over the inner peripheral contour of each structural element.
  • the membrane is made of a transparent material.
  • transparent material is meant a material that passes solar and infrared radiation with a minority absorption.
  • This material may in particular be made of polyethylene or polyester, which are the materials generally used to manufacture stratospheric balloons.
  • the torus 600 further comprises a rim 900.
  • the rim is formed by a closed chain formed of links as for the structural assembly.
  • the components of the structural framework ie the segments, the first and second stabilizing elements of the stabilizing elements, the means of geometric stabilization of the framework in the space), possibly the rim if it exist, by their natures and their shapes, are chosen so that the stratospheric balloon withstands external pressure forces of the order of at least 50 hPa, the individual load depending on the geometry of the balloon and the number of structural elements put to achieve it while maintaining an acceptable mass.
  • the present invention achieves the objectives it has set for itself.
  • it proposes a closed structure having a geometry allowing to work a maximum of its components in traction rather than in compression, without penalizing the weight of the structure.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
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  • Wind Motors (AREA)

Abstract

L'invention est relative à un ensemble structural (100) comportant : - une chaîne fermée définissant un contour périphérique fermé s'inscrivant dans un plan, comportant une pluralité de maillons structuraux (200) successifs, chaque maillon structural comportant deux branches structurales (201a, 201b) en vis à vis, de convexité orientée dans des directions sensiblement opposées, liées entre elles en chacune de leurs extrémités opposées (204a, 204b) par un nœud dit d'extrémité (300), - des moyens (400, 500) de stabilisation géométrique du contour périphérique, lesdits moyens étant disposés de telle sorte à empêcher une déformation géométrique du contour périphérique dans le plan sous l'effet de forces de pression externes exercées, et lesdits moyens comportant : - pour chaque maillon (200), un premier élément (400) de stabilisation inextensible reliant deux branches (201a, 201b) d'un même maillon, hors nœuds d'extrémité (300), - un second élément (500) de stabilisation inextensible reliant deux nœuds d'extrémité non adjacents de deux maillons distincts. L'ensemble structural est avantageusement destiné à la réalisation de ballons stratosphériques.

Description

Ensemble structural fermé à tenue à la compression améliorée
La présente invention appartient au domaine des structures. Plus particulièrement, l'invention concerne une structure fermée dont la tenue à la compression est améliorée, sans augmentation de sa masse. L'invention trouve une application particulière à la réalisation d'un ballon stratosphérique.
II est connu que les matériaux sont généralement plus résistants en tension qu'en compression. Par exemple la réalisation d'une structure, telle qu'un tube creux de dimension quelconque, travaillant en traction est aisée tandis que la réalisation d'une structure identique travaillant en compression s'avère compliquée. En effet, pour une dimension donnée, rendre une structure résistante à une force de compression conduit généralement en contrepartie à augmenter considérablement sa masse. Cette augmentation de masse pénalise la conception d'architectures travaillant en compression dans de nombreux domaines d'application industrielle, en particulier dans le domaine aéronautique.
Pour illustrer un exemple, on peut citer le cas des ballons stratosphériques actuels, c'est-à-dire ceux qui volent dans la stratosphère, couche de l'atmosphère terrestre qui commence, aux latitudes tempérées, aux alentours de 20 km d'altitude. Ces ballons sont des ballons dits dérivants, c'est- à-dire qu'il est difficile de les stabiliser en altitude au cours d'une pluralité de cycles diurnes et nocturnes. Cela provient essentiellement du fait que lorsque l'on souhaite piloter de tels ballons, leur alimentation en énergie étant uniquement d'origine solaire, leur équation de masse ne converge pas. Autrement dit, compte tenu des vents, l'énergie nécessaire pour contrer ces derniers et garder une position géostationnaire est trop importante et a une incidence en masse trop importante pour que de tels ballons puissent rester une année en l'air à leur altitude croisière.
Une solution pour gagner de la masse consisterait à remplacer le gaz aérostatique (par exemple l'hélium) contenu dans le ballon par du vide. Par exemple, pour un ballon de 23 000 m3, cela représenterait une économie non négligeable de l'ordre de 300 kg d'hélium. Cependant, la pression à 20 km d'altitude étant de 54 hPa, la force de pression qui s'exercerait sur la structure actuelle du ballon serait trop importante. A l'heure actuelle, aucune structure suffisamment légère ne peut tenir un tel effort.
La mise en œuvre de structures dont la tenue à la compression est améliorée sans pénalisation de masse s'avère donc important pour des utilisations industrielles, en particulier pour la réalisation de ballons stratosphériques.
Suivant l'invention, un ensemble structural comporte :
- une chaîne fermée définissant un contour périphérique fermé s'inscrivant dans un plan, comportant une pluralité de maillons structuraux successifs, chaque maillon structural comportant deux branches structurales en vis à vis, de convexité orientée dans des directions sensiblement opposées, liées entre elles en chacune de leurs extrémités opposées par un nœud dit d'extrémité,
- des moyens de stabilisation géométrique du contour périphérique, lesdits moyens étant disposés de telle sorte à empêcher une déformation géométrique du contour périphérique dans le plan sous l'effet de forces de pression externes exercées.
Les moyens de stabilisation géométrique comportent :
- pour chaque maillon structural, un premier élément de stabilisation inextensible reliant deux branches structurales d'un même maillon structural, hors nœuds d'extrémité,
- un second élément de stabilisation inextensible reliant deux nœuds d'extrémité non adjacents de deux maillons structuraux distincts.
Par inextensible, on entend un élément qui présente une déformation nulle voire quasi nulle pour les efforts que devra supporter l'ensemble structural.
L'ensemble structural selon l'invention, présente ainsi une géométrie qui lui permet de résister à des forces de pression externes qui seraient exercées sur lui.
L'ensemble structural est avantageusement destiné à la réalisation de ballons stratosphériques.
Suivant des modes de réalisation préférés, l'invention répond en outre aux caractéristiques suivantes, mises en œuvre séparément ou en chacune de leurs combinaisons techniquement opérantes.
Dans des modes de réalisation préférés de l'invention, chaque branche structurale d'un maillon structural comporte au moins deux segments successifs liés entre eux par un nœud dit intermédiaire, le premier élément de stabilisation s'étendant entre deux nœuds intermédiaires des deux branches.
Avantageusement, pour ne pas alourdir l'ensemble structural, les segments sont des poutres creuses, préférentiellement réalisé en matériau composite.
Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, les deux branches structurales d'un maillon structural sont symétriques par rapport à une droite passant par les deux nœuds d'extrémités dudit maillon.
Dans des modes de réalisation de l'invention, le premier et/ou second élément de stabilisation est un élément rigide.
Par rigide, on entend un élément dont la forme et les dimensions ne subissent pas de changements substantiels pendant l'utilisation de l'ensemble structural.
De manière tout à fait avantageuse, chaque nœud d'extrémité d'un maillon structural est relié un nœud d'extrémité non adjacent d'un maillon structural distinct par un second élément de stabilisation.
L'invention est également relative à un procédé de réalisation d'un ensemble structural comportant les étapes de :
- définir une forme géométrique initiale souhaitée de l'ensemble structural,
- positionner N points, correspondant à N nœuds d'extrémité, sur la forme géométrique, N supérieur ou égal à 3,
- pour chaque nœud d'extrémité, le relier à un nœud d'extrémité adjacent par un maillon structural,
- pour chaque maillon, relier les deux branches structurales dudit maillon structural par un premier élément de stabilisation, - relier deux nœuds d'extrémité non adjacents de deux maillons structuraux distincts par un second élément de stabilisation.
L'invention est également relative à une ossature structurale tridimensionnelle comportant une pluralité d'ensembles structuraux tels que précédemment décrits dans au moins un mode de réalisation et une pluralité de moyens de stabilisation géométrique de l'ossature structurale dans l'espace, deux ensembles structuraux étant reliés par au moins un moyen de stabilisation géométrique de l'ossature structurale, chaque moyen de stabilisation géométrique de l'ossature structurale étant lié, au niveau de deux extrémités opposées, à des nœuds d'extrémité de chaque ensemble structural.
Dans des modes de réalisation de l'invention, un moyen de stabilisation géométrique de l'ossature structurale dans l'espace est un élément rigide.
L'invention est également relative à un ballon stratosphérique. Ledit ballon stratosphérique comporte une ossature structurale telle que définie ci- dessus dans l'un de ses modes de réalisation et une peau tendue sur le contour périphérique de chaque élément structural tel qu'exposé précédemment dans l'un de ses modes de réalisation. Le ballon stratosphérique ainsi réalisé est une structure fermée, donc permettant de contenir du vide, et sa géométrie permet de résister à de fortes pressions externes, de l'ordre d'au moins 50 hPa, tout en conservant une masse acceptable. Typiquement, et à titre de comparaison, pour un ballon stratosphérique actuel de 23000 m3, à 20 km d'altitude, la masse totale du ballon stratosphérique serait de 2000 kg tandis qu'un ballon stratosphérique suivant un mode de réalisation de l'invention, qui tiendrait le vide et pour une géométrie de type torique, serait de l'ordre de 400 kg.
L'invention sera maintenant plus précisément décrite dans le cadre de modes de réalisation préférés, qui n'en sont nullement limitatifs, représentés sur les figures 1 à 7, dans lesquelles :
la figure 1 illustre schématiquement un premier exemple de réalisation d'un ensemble structural selon l'invention,
la figure 2 illustre une variante de réalisation de l'ensemble structural selon l'invention,
la figure 3 illustre une autre variante de réalisation de l'ensemble structural selon l'invention,
la figure 4 illustre une autre variante de réalisation de l'ensemble structural selon l'invention,
la figure 5 illustre un agrandissement d'un maillon de l'ensemble structural,
la figure 6 illustre une vue en perspective d'une partie d'un exemple de ballon stratosphérique représenté sous la forme d'un tore, réalisé à partir d'une pluralité d'ensembles structuraux,
la figure 7 illustre une vue en perspective d'une partie d'un autre exemple de ballon stratosphérique représenté sous la forme d'un tore, réalisé à partir d'une pluralité d'ensembles structuraux. Des exemples de réalisation d'un ensemble structural 100 conforme à l'invention sont illustrés sur les figures 1 à 4.
L'ensemble structural 100 est inscrit dans un plan et comporte :
- une chaîne fermée comportant une pluralité de maillons structuraux 200 successifs, deux maillons attenants étant reliés par un nœud dit d'extrémité 300,
- au moins un élément inextensible 500 s'étendant entre et reliant deux nœuds d'extrémité 300 non adjacents de deux maillons 200 distincts.
Par le terme « attenants », on entend que les objets qui lui sont associés sont en aboutement les uns avec les autres, que ces objets sont soit en contact entre eux, soit à proximité immédiate les uns des autres.
Par nœuds adjacents, on entend que les nœuds sont liés par un même maillon dans la chaîne fermée.
Par nœuds non adjacents, on entend que les nœuds ne sont pas liés par un même maillon dans la chaîne fermée.
Par le terme « chaîne fermée», on entend une succession de maillons dont chaque maillon est mécaniquement solidarisé, avec un certain jeu, aux deux maillons adjacents.
Les éléments inextensibles 500 sont dénommés second élément de stabilisation inextensibles et leur fonction sera décrite ultérieurement.
Par élément inextensible, on entend un élément qui présente une déformation nulle voire quasi nulle pour les efforts que devra supporter l'ensemble structural.
Dans un exemple de réalisation de l'ensemble structural, chaque nœud d'extrémité 300 est relié à un nœud d'extrémité 300 non adjacent par un second élément de stabilisation 500.
Dans les exemples non limitatifs des figures 1 , 2 et 4, la chaîne fermée présente une forme géométrique sensiblement circulaire, illustrée sur les figures par le cercle en pointillé 101 , et comporte six nœuds d'extrémité 300, dénommés A, B, C, D, F et G, régulièrement positionnés sur cette forme géométrique et six maillons structuraux 200 s'étendant entre et reliant chacun deux nœuds d'extrémité 300 adjacents. Chaque nœud d'extrémité 300 est relié à quatre nœuds d'extrémité non adjacents par un second élément de stabilisation.
Dans l'exemple de la figure 3, la chaîne fermée présente une forme géométrique sensiblement ellipsoïdale, illustrée sur les figures par l'ellipse en pointillé 101 , et comporte douze nœuds d'extrémité 300 régulièrement positionnés sur cette forme géométrique et douze maillons 200 s'étendant entre et reliant chacun deux nœuds d'extrémité 300 adjacents. Chaque nœud d'extrémité 300 est relié à au moins un nœud d'extrémité non adjacent par un second élément de stabilisation 500.
Chaque maillon structural 200 comporte deux branches structurales
201 a, 201 b en vis à vis, de convexité orientée dans des directions sensiblement opposées, liées entre elles en chacune de leurs extrémités opposées 204a, 204b par un nœud d'extrémité 300.
Dans la présente description, la courbure d'une branche est toujours définie d'un extérieur vers un intérieur de la chaîne. Ainsi, une branche est dite convexe 201 a lorsque ladite branche présente une convexité tournée vers l'extérieur de la chaîne et une branche est dite concave 201 b lorsque ladite branche présente une concavité tournée vers l'extérieur de la chaîne.
La chaîne fermée définit un contour périphérique fermé s'inscrivant dans le plan.
Les branches convexes définissent un contour périphérique fermé dit externe. Les branches concaves définissent un contour périphérique fermé dit interne. Chaque branche structurale 201 a, 201 b d'un maillon 200 comporte au moins deux segments 202a, 202b successifs liés entre eux par un nœud dit intermédiaire 203a, 203b.
En outre, chaque maillon structural 200 comporte un élément inextensible 400 pour relier un nœud intermédiaire 203a de la branche convexe 201 a à un nœud intermédiaire 203b de la branche concave 201 b. Chaque nœud intermédiaire d'une branche convexe est lié à un nœud intermédiaire de la branche concave par un élément inextensible 400.
L'élément inextensible 400 est dénommé premier élément de stabilisation et sa fonction sera décrite ultérieurement.
Dans l'exemple non limitatif des figures 1 et 3, la branche convexe 201 a, respectivement concave 201 b, d'un maillon 200 comporte deux segments successifs 202a, respectivement 202b, liés entre eux par un nœud intermédiaire 203a, dénommé H, respectivement 203b, dénommé J. Un premier élément de stabilisation 400 relie le nœud intermédiaire 203a de la branche convexe 201 a au nœud intermédiaire 203a de la branche concave 201 b du maillon 200.
Dans l'exemple non limitatif de la figure 2, la branche convexe 201 a, respectivement concave 201 b, d'un maillon 200 comporte trois segments successifs 202a, respectivement 202b, liés par deux nœuds intermédiaires 203a, respectivement 203b. Deux premiers éléments de stabilisation 400 relient les deux nœuds intermédiaires 203a de la branche convexe 201 a aux deux nœuds intermédiaires 203b de la branche concave 201 b du maillon 200.
Dans un mode de réalisation d'un maillon 200, comme illustré sur les figures 1 et 3, pour obtenir une répartition uniforme des efforts et permettre une reproductibilité des processus de fabrication, la branche convexe 201 a et la branche concave 201 b d'un maillon sont symétriques par rapport à une droite passant par les deux nœuds d'extrémités dudit maillon.
Dans un mode de réalisation particulier d'un maillon 200, comme illustré sur la figure 4, chaque segment 202a, 202b représenté sur la figure 1 est composé lui-même d'un maillon dit élémentaire 200'. Le maillon élémentaire 200' reprend les caractéristiques du maillon structural 200 tel que décrit précédemment, c'est-à-dire comportant deux branches dites élémentaires 201 a', 201 b' comportant chacune au moins deux segments, dits élémentaires 202a' 202b', successifs liés par un nœud élémentaire intermédiaire 203a', 203b'. Les nœuds élémentaires intermédiaires 203a', 203b' de chaque branche élémentaire 201 a', 201 b' sont reliés par un premier élément de stabilisation inextensible 400'.
Dans un mode de réalisation particulier d'un maillon élémentaire, chaque segment élémentaire est composé lui-même d'un maillon comportant deux sous-branches comportant chacune au moins deux sous-segments successifs liés par un nœud intermédiaire. Les nœuds intermédiaires de chaque sous-branche sont reliés par un premier élément de stabilisation inextensible.
Dans un mode de réalisation de l'ensemble structural, pour permettre une reproductibilité des processus de fabrication et par conséquent pour diminuer le coût de fabrication, ledit ensemble structural comporte des maillons identiques dans la chaîne fermée.
La géométrie de l'ensemble structural tel que décrit est choisie de telle sorte que, lorsque des forces de pression externe sont exercées sur ledit ensemble structural, les composants (c'est-à-dire les segments et les premiers et seconds éléments de stabilisation) le constituant travaillent ainsi en tension plutôt qu'en compression.
Dans un exemple de réalisation d'un segment d'un maillon, ledit segment est une poutre cylindrique de section transversale quelconque d'extrémités fermées. Préférentiellement, pour alléger l'ensemble structural en poids, la poutre cylindrique est creuse. Une poutre cylindrique creuse présente un compromis entre la résistance en tension et la masse.
De préférence, la section transversale de la poutre est circulaire. Le calcul de l'épaisseur de la poutre de section circulaire ainsi que le diamètre de la section transversale est à la portée de l'homme du métier.
Préférentiellement, la poutre est choisie dans un matériau en composite, par exemple à base de carbone, qui présente un compromis entre son module d'Young et sa densité, c'est-à-dire un matériau présentant de bonnes propriétés mécaniques en traction (module d'Young compris par exemple entre 300 et 700 GPa) sans pénaliser la masse de la poutre. Dans un mode de réalisation des poutres, lesdites poutres présentent une surface rugueuse, principalement au niveau des nœuds d'extrémités et des nœuds intermédiaires pour permettre de mieux résister aux efforts de cisaillement.
Les premier et second éléments de stabilisation inextensibles forment des moyens de stabilisation géométrique du contour périphérique fermé défini par la chaîne de l'ensemble structural dans le plan disposés de sorte à empêcher une déformation géométrique du contour périphérique dans le plan, et par extension de l'ensemble structural, sous l'effet de forces de pression externes exercées sur ledit ensemble structural.
Les premiers éléments de stabilisation inextensibles, respectivement seconds éléments de stabilisation inextensibles, assurent également une stabilité mécanique du maillon, respectivement de l'ensemble structural.
Les premiers éléments de stabilisation 400 associés à un maillon 200 permettent également, de manière avantageuse, une stabilité géométrique dudit maillon. Les premiers éléments de stabilisation HJ et KM vont travailler en tension lorsque l'élément structural est soumis à des forces de pression externes, interdisant par la même au maillon de se déformer.
En effet, une force maximale Fp avant flambage que peut supporter une poutre est donnée par la formule : p Û
Où E est le module d'Young, I l'inertie de la poutre et L sa longueur. Ainsi, pour qu'une poutre supporte une force maximale Fp souhaitée, il est possible de jouer, pour un matériau donné, soit sur l'inertie soit sur la longueur de ladite poutre. Un but de l'invention consistant à ne pas pénaliser l'ensemble structural en masse, seule une modification de la longueur de la poutre est acceptable.
Pour cela, au lieu de placer une poutre de longueur LAB entre deux nœuds d'extrémités A et B, illustrée en pointillé sur la figure 5, l'invention propose de disposer par exemple six poutres AH, KH, KB, BM, MJ, JA successives, formant un maillon fermé, et présentant toutes une longueur inférieure à la longueur LAB de la poutre AB. Ainsi, les six poutres sont d'une part moins sujettes au flambage que la poutre de longueur LAB- Il est évident que plus le nombre de poutres formant le maillon est important, plus la résistance au flambage de chaque poutre est augmentée. L'homme du métier, de par ses connaissances générales, est en mesure de choisir le nombre de poutres formant un maillon en fonction de la résistance aux forces de pression externe souhaitée.
D'autre part, on remarque que tout ou partie des poutres ne prennent pas la totalité de l'effort de flambage dirigé selon la direction AB, mais que ces poutres le prennent avec un angle non nul. En conséquence, la force de flambage pour une poutre est à multiplier par le sinus de cet angle, soit un facteur inférieur à 1 .
Les seconds éléments de stabilisation 500, entre autres AC, BF, DG sur la figure 1 , permettent d'empêcher l'ensemble structural 100 de s'effondrer dans le plan et vont travailler en tension lorsque l'élément structural 100 est soumis à des forces de compression externes. En effet, si, par exemple, une force de pression est exercée sur l'ensemble structural 100 au point F de sorte que le point F tend à aller vers l'intérieur du cercle 101 défini par la chaîne fermée, les points G et D ont une tendance naturelle à aller vers l'extérieur du cercle 101 , ce qui est rendu impossible par les seconds éléments de stabilisation 500 inextensibles. L'ensemble structural 100 est donc extrêmement résistant aux forces de pression externes.
Le choix du nombre de seconds éléments de stabilisation inextensibles et de leur positionnement entre les différents nœuds de telle sorte à empêcher, dans le plan, une déformation géométrique du contour périphérique de l'ensemble structural sous l'effet de forces de pression externe exercées, est à la portée de l'homme du métier.
Dans un mode de réalisation, les premier et second éléments de stabilisation inextensibles 400, 500 sont des fils inextensibles, présentant ainsi une masse négligeable par rapport à la masse d'une poutre, permettant de ne pas alourdir l'ensemble structural.
Dans un exemple de réalisation, ces éléments de stabilisation 400, 500 peuvent être réalisés dans des matériaux soit en aramide, comme par exemple un fil en Kevlar® qui présente de très bonnes propriétés mécaniques en traction (résistance à rupture de l'ordre de 3100 MPa et un module d'Young compris entre 70 et 125 GPa) et en fatigue, soit en composite, comme par exemple un fil en carbone qui présente une résistance à la traction de l'ordre de 7000 MPa et un module d'Young de l'ordre de 520 GPa.
Dans un autre mode de réalisation, les premier et second éléments de stabilisation inextensibles 400, 500 sont des éléments rigides, c'est-à-dire des éléments dont la forme et les dimensions ne subissent pas de changements substantiels pendant l'utilisation de l'ensemble structural. Ces éléments rigides forment entretoises, c'est-à-dire qu'ils permettent de maintenir un écartement constant entre les nœuds d'extrémités auxquels ces éléments rigides sont reliés.
Dans un mode de réalisation d'un maillon, pour offrir une meilleure résistance aux efforts de cisaillement et un meilleur maintien géométrique en position de l'ensemble structural, deux poutres successives d'une branche sont liées mécaniquement par les premiers éléments de stabilisation 400. Ce mode de réalisation permet également de réduire la masse du maillon, car il n'y a pas d'ajout de dispositif de jonction des poutres.
Dans l'exemple où les premiers éléments de stabilisation 400 sont des fils, chaque extrémité du fil traverse les extrémités fermées de deux poutres successives qui lui sont associés. Préférentiellement, les extrémités du fil se rejoignent et ne forment qu'un. Ainsi, les premiers éléments de stabilisation 400 sont constitués par deux fils au lieu d'un fil.
Dans un mode de réalisation de l'ensemble structural, pour offrir une meilleure résistance aux efforts de cisaillement, les extrémités des poutres de deux maillons attenants, au niveau d'un nœud d'extrémité 300 sont liées mécaniquement par les seconds éléments de stabilisation 500.
La présente invention ne se limite pas aux exemples des ensembles structuraux décrits et illustrés. L'homme du métier est en mesure d'adapter l'invention à des formes géométriques d'ensembles structuraux non décrits ainsi qu'à des formes et agencements de maillons non décrits.
L'ensemble structural de l'invention est avantageusement réalisé à partir d'une quelconque forme géométrique initiale 101 . Dans une première étape, une forme géométrique initiale 101 souhaitée pour l'ensemble structural 100 est définie. Cette forme géométrique est choisie de telle sorte qu'elle délimite un volume fermé, de préférence un volume convexe.
Dans une seconde étape, on positionne N points sur la forme géométrique 101 , les N points correspondant aux N nœuds d'extrémité, N étant supérieur ou égal à 3.
L'homme du métier, de par ses connaissances générales, est en mesure de choisir le nombre de points sur la forme géométrique en fonction des caractéristiques particulières de l'ensemble structural (matériau, géométrie des segments, des maillons et de l'ensemble structural) et en fonction de la résistance aux forces de pression externe souhaitée pour ledit élément structural.
De préférence, les N points sont régulièrement espacés sur la forme géométrique.
Dans une troisième étape, deux nœuds adjacents 300 sont reliés par un maillon structural 200.
Dans une quatrième étape, les deux branches d'un maillon sont reliées par un premier élément de stabilisation.
Cette étape est réalisée pour chaque maillon.
Dans une cinquième étape, des nœuds d'extrémité non adjacents de deux maillons distincts sont reliés par un second élément de stabilisation.
Cette étape est réalisée pour chaque nœud.
L'ensemble structural est avantageusement utilisable dans la réalisation d'un ballon stratosphérique, comme illustré sur les figures 6 et 7.
Dans l'exemple des figures 6 et 7, le ballon stratosphérique présente une forme d'un tore.
La présente invention ne se limite pas à des ballons stratosphériques de forme torique. L'homme du métier est en mesure d'adapter l'invention à des formes géométriques non décrites, telle que par exemple une forme sphérique, lenticulaire.
Le ballon stratosphérique 600 comporte : - une ossature structurale 700 dans un espace tridimensionnel comportant :
o une pluralité d'ensembles structuraux 100,
o une pluralité de moyens 710 de stabilisation géométrique de l'ossature structurale dans l'espace,
- une peau 800 tendue sur le contour périphérique fermé de chaque élément structural.
Deux ensembles structuraux 100 sont reliés par au moins un moyen de stabilisation géométrique 710, chaque moyen de stabilisation géométrique étant lié, au niveau de deux extrémités opposées 71 1 , à des nœuds d'extrémité 300 de chaque ensemble structural 100.
Dans l'exemple des figures 6 et 7, par souci de clarté, un demi-tore est représenté. Dans la figure 6, seuls deux éléments structuraux et trois éléments de stabilisation radiaux par élément structural sont illustrés. Dans la figure 7, seules les branches concaves de deux éléments structuraux et trois éléments de stabilisation radiaux par élément structural sont illustrés.
La peau 800 est choisie de sorte à présenter une résistance suffisante pour ne pas se rompre sous les forces de pression externes.
Dans un exemple de peau, la peau comporte une membrane étanche à l'air et une structure à fils entrecroisés, de type treillis, dont le maillage est choisi de telle sorte à résister aux forces de pression externes.
Préférentiellement, la membrane est réalisée dans un matériau du type Ethylene tetrafluoroethylene (ETFE).
Préférentiellement, la structure à fils entrecroisés comporte par exemple au moins un fil en une matière choisie parmi les suivantes : métal, aramide tel que par exemple le Kevlar®, carbone, entre autres.
Dans un mode de réalisation, un moyen de stabilisation géométrique de l'ossature structurale dans l'espace est un élément rigide.
Dans un mode de réalisation illustré sur la figure 6, la peau 800 est tendue sur le contour périphérique externe de chaque élément structural.
Dans un autre mode de réalisation, illustré sur la figure 7, la peau 800 est tendue sur le contour périphérique interne de chaque élément structural. Préférentiellement, la membrane est réalisée dans un matériau transparent.
Par "matériau transparent", on entend un matériau qui laisse passer le rayonnement solaire et infrarouge avec une absorption minoritaire. Ce matériau peut en particulier être constitué par du polyéthylène ou du polyester, qui sont les matériaux généralement utilisés pour fabriquer les ballons stratosphériques.
Dans un mode de réalisation du tore, le tore 600 comporte en outre une jante 900.
Dans un exemple de réalisation de la jante, ladite jante travaillant en compression, la jante est réalisée par une chaîne fermée formée de maillons comme pour l'ensemble structural.
Les composants de l'ossature structurale (c'est-à-dire les segments, les premiers et seconds éléments de stabilisation des éléments de stabilisation, les moyens de stabilisation géométrique de l'ossature dans l'espace), éventuellement la jante si elle existe, de par leurs natures et leurs formes, sont choisis de sorte que le ballon stratosphérique résiste à des forces de pression externe de l'ordre d'au moins 50 hPa, la charge individuelle dépendant de la géométrie du ballon et du nombre d'éléments structuraux mis pour le réaliser tout en conservant une masse acceptable.
Dans le cas de l'application au ballon stratosphérique, il peut être avantageusement envisagé de remplir le volume interne du tore de vide. Ainsi, la gestion du stockage des gaz est supprimée. Le poids total du ballon est considérablement allégé.
La description ci-avant illustre clairement que par ses différentes caractéristiques et leurs avantages, la présente invention atteint les objectifs qu'elle s'était fixés. En particulier, elle propose une structure fermée ayant une géométrie permettant de faire travailler un maximum de ses composants en traction plutôt qu'en compression, sans pénaliser le poids de la structure.

Claims

REVENDICATIONS
Ossature structurale (700) tridimensionnelle caractérisée en ce qu'elle comporte :
- une pluralité d'ensembles structuraux (100) comportant :
- une chaîne fermée définissant un contour périphérique fermé s'inscrivant dans un plan, comportant une pluralité de maillons structuraux (200) successifs, chaque maillon structural (200) comportant deux branches structurales (201 a, 201 b) en vis à vis, de convexité orientée dans des directions sensiblement opposées, liées entre elles en chacune de leurs extrémités opposées (204a, 204b) par un nœud dit d'extrémité (300),
- des moyens (400, 500) de stabilisation géométrique du contour périphérique, lesdits moyens étant disposés de telle sorte à empêcher une déformation géométrique du contour périphérique dans le plan sous l'effet de forces de pression externes exercées, et lesdits moyens comportant :
- pour chaque maillon structural (200), un premier élément (400) de stabilisation inextensible reliant deux branches structurales (201 a, 201 b) d'un même maillon structural, hors nœuds d'extrémité (300),
- un second élément (500) de stabilisation inextensible reliant deux nœuds d'extrémité (300) non adjacents de deux maillons structuraux (200) distincts,
- une pluralité de moyens (710) de stabilisation géométrique de l'ossature structurale dans l'espace, deux ensembles structuraux (100) étant reliés par au moins un moyen de stabilisation géométrique (710), chaque moyen de stabilisation géométrique de l'ossature structurale étant lié, au niveau de deux extrémités opposées (71 1 ), à des nœuds d'extrémité (300) de chaque ensemble structural (100).
Ossature structurale (700) tridimensionnelle selon la revendication 1 dans lequel chaque branche structurale (201 a, 201 b) d'un maillon comporte deux segments (202a, 202b) successifs liés entre eux par un nœud dit intermédiaire (203a, 203b), le premier élément de stabilisation (400) s'étendant entre deux nœuds intermédiaires des deux branches structurales (201 a, 201 b).
3 - Ossature structurale (700) tridimensionnelle selon l'une des revendications précédentes dans lequel les deux branches structurales (201 a, 201 b) d'un maillon sont symétriques par rapport à une droite passant par les deux nœuds d'extrémités (300) dudit maillon structural (200).
4 - Ossature structurale (700) tridimensionnelle selon l'une des revendications précédentes dans lequel le premier et/ou second élément de stabilisation est un élément rigide.
5 - Ossature structurale (700) tridimensionnelle selon l'une des revendications précédentes dans lequel chaque nœud d'extrémité (300) d'un maillon structural (200) est relié un nœud d'extrémité (300) non adjacent d'un maillon structural distinct par un second élément de stabilisation (500).
6 - Ossature structurale (700) selon la revendication 5 dans laquelle un moyen de stabilisation géométrique de l'ossature structurale dans l'espace est un élément rigide.
7 - Ballon stratosphérique (600) caractérisé en ce qu'il comporte une ossature structurale (700) conforme à l'une des revendications 1 à 6 et une peau (800) tendue sur le contour périphérique de chaque élément structural (100).
8 - Procédé de réalisation d'un ensemble structural (100) d'une ossature structurale (700) conforme à l'une des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que le procédé comporte les étapes de :
- définir une forme géométrique initiale souhaitée de l'ensemble structural,
- positionner N points, correspondant à N nœuds d'extrémité (300), sur la forme géométrique, N supérieur ou égal à 3,
- pour chaque nœud d'extrémité (300), le relier à un nœud d'extrémité (300) adjacent par un maillon structural (100),
- pour chaque maillon structural (100), relier les deux branches structurales (201 a, 201 b) dudit maillon structural par un premier élément de stabilisation (400), - relier deux nœuds d'extrémité (300) non adjacents de deux maillons distincts par un second élément de stabilisation (500).
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