ES2589556T3

ES2589556T3 - Globo estratosférico de resistencia a la compresión mejorada

Info

Publication number: ES2589556T3
Application number: ES13730849.0T
Authority: ES
Inventors: Jean-François GENESTE
Original assignee: Airbus Group SAS
Current assignee: Airbus Group SAS
Priority date: 2012-06-20
Filing date: 2013-06-14
Publication date: 2016-11-15
Anticipated expiration: 2033-06-14
Also published as: EP2864194B1; FR2992286B1; EP2864194A1; US9611026B2; FR2992286A1; WO2013189849A1; US20150151826A1

Abstract

Globo estratosférico (1) caracterizado por que incluye: - una armadura estructural (10) que incluye una pluralidad de anillos inflables (100), que, en un estado inflado, presentan una sección transversal en forma de T, y una pluralidad de medios de estabilización geométrica (150) de la armadura estructural en el espacio, estando relacionados dos anillos inflables (100) mediante al menos un medio de estabilización geométrica (20), y - una piel (20) sobre la armadura estructural (10), estando tensada dicha piel cuando los anillos inflables (100) de dicha armadura estructural están en un estado inflado.

Description

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DESCRIPCION

Globo estratosferico de resistencia a la compresion mejorada

La presente invencion pertenece al campo de las estructuras. Mas en particular, la invencion se refiere a una estructura cerrada cuya resistencia a la compresion se ve mejorada, sin incremento de su masa. La invencion encuentra aplicacion en la realizacion de un globo estratosferico.

Es conocido el documento WO 2011/154797, que se considera el estado de la tecnica mas cercano y describe un aerostato superngido que incluye una armadura estructural que incluye una pluralidad de anillos.

Sabido es que los materiales son, generalmente, mas resistentes a tension que a compresion. Por ejemplo, la realizacion de una estructura, tal como un tubo hueco de dimension arbitraria, con trabajo a traccion es sencilla, en tanto que la realizacion de una estructura identica con trabajo a compresion resulta ser complicada. En efecto, para una dimension dada, hacer una estructura resistente a una fuerza de compresion generalmente conduce, en contrapartida, a incrementar su masa considerablemente. Este incremento de masa va en detrimento del diseno de arquitecturas que trabajan a compresion en abundantes campos de aplicacion industrial, en particular, en el campo aeronautico.

Por ilustrar un ejemplo, cabe citar el caso de los actuales globos estratosfericos, es decir, aquellos que vuelan en la estratosfera, capa de la atmosfera terrestre que comienza, en las latitudes templadas, en torno a los 20 km de altitud. Estos globos son globos llamados de deriva, es decir, que es diffcil estabilizarlos en altitud a lo largo de una pluralidad de ciclos diurnos y nocturnos. Proviene esto esencialmente de que, cuando se desea pilotar tales globos, al ser unicamente de origen solar su alimentacion de energfa, su ecuacion de masa no converge. En otras palabras, habida cuenta de los vientos, la energfa necesaria para contrarrestar estos ultimos y conservar una posicion geoestacionaria es demasiado grande y tiene una repercusion en masa demasiado grande para que tales globos puedan permanecer un ano en el aire a su altitud de crucero.

Una solucion para ahorrar masa consistina en sustituir por vacfo el gas aerostatico (por ejemplo, el helio) contenido en el globo. Por ejemplo, para un globo de 23 000 m3, esto representana un ahorro nada desdenable del orden de 300 kg de helio. Sin embargo, a 20 km de altitud, al ser la presion de 54 hPa, la fuerza de presion que se ejercena sobre la actual estructura del globo sena demasiado grande. En el momento actual, no hay estructura suficientemente ligera que pueda aguantar tal esfuerzo.

Por lo tanto, para utilizaciones industriales, en particular, para la realizacion de globos estratosfericos, resulta ser importante la puesta en practica de estructuras cuya resistencia a la compresion se ve mejorada sin penalizacion de masa.

Segun la invencion tal como queda descrita mediante las caractensticas de la reivindicacion 1, una armadura estructural tridimensional de un globo estratosferico incluye una pluralidad de anillos inflables, que, en un estado inflado, presentan, segun un plano que pasa por el eje de revolucion del anillo, una seccion transversal en forma de T, y una pluralidad de medios de estabilizacion geometrica de la armadura estructural en el espacio, estando relacionados dos anillos inflables por al menos un medio de estabilizacion geometrica.

En virtud de su seccion transversal en T, los anillos inflables presentan un volumen menor que anillos inflables de seccion transversal tfpicamente circular y, consecuentemente, una masa reducida, principalmente debido a que, a igual presion de fluido interno, los anillos inflables de seccion transversal en T tienen un menor volumen. Calculos al alcance de un experto en la materia demuestran que los anillos inflables de seccion transversal en T no dejan de ser, con todo, tan resistentes a las mismas presiones que los anillos inflables de seccion transversal circular.

Los anillos inflables se inflan preferiblemente con aire, pero pueden ser inflados mediante cualquier otro fluido, de masa sensiblemente equivalente al aire.

Los medios de estabilizacion geometrica se hallan dispuestos entre los anillos inflables, al objeto de impedir una deformacion geometrica de la armadura estructural en el espacio, por efecto de fuerzas de presion externas ejercidas sobre dicha armadura estructural 10.

Asf, la armadura estructura segun la invencion presenta una geometna que le permite resistir a fuerzas de presion externas que sobre ella se ejercieran.

La armadura estructural esta destinada ventajosamente a la realizacion de globos estratosfericos.

Segun unas formas preferidas de realizacion, la invencion obedece ademas a las siguientes caractensticas, puestas en practica por separado o en cada una de sus combinaciones tecnicamente operativas.

En formas de realizacion preferidas de la invencion, con el fin de no gravar la armadura estructural, un medio de estabilizacion geometrica de la armadura estructural en el espacio es un elemento ngido.

Por ngido, se entiende un elemento cuyas forma y dimensiones no experimentan cambios sustanciales durante la

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utilizacion de la armadura estructural.

En formas de realizacion preferidas de la invencion, un medio de estabilizacion geometrica de la armadura estructural en el espacio es un anillo inflable, que, en estado inflado, presenta una seccion transversal en forma deT.

En formas de realizacion preferidas de la invencion, al menos dos anillos inflables adyacentes presentan cada uno de ellos un volumen interno, comunicando entre sf dichos al menos dos volumenes internos.

En una forma de realizacion preferida, todos los anillos inflables, colindantes dos a dos, presentan cada uno de ellos un volumen interno, comunicando entre sf todos los volumenes.

Por el termino “colindantes”, se entiende que dos anillos inflables estan uno en contacto con el otro.

En formas de realizacion preferidas de la invencion, un anillo inflable presenta un volumen interno dividido en dos camaras independientes que se inflan / desinflan selectivamente una respecto a la otra.

De acuerdo con la invencion, dicho globo estratosferico incluye una armadura estructural tal y como se ha definido anteriormente en una de sus formas de realizacion y una piel tensada sobre la armadura estructural, estando tensada dicha piel cuando los anillos inflables de dicha armadura estructural estan en un estado inflado.

El globo estratosferico asf realizado es una estructura cerrada, por lo que permite contener vacfo entre los anillos inflables, y su geometna permite resistir a grandes presiones externas, del orden de al menos 50 hPa, al propio tiempo que conserva una masa aceptable. Tfpicamente, y a tftulo de comparacion, un globo estratosferico actual de 23 000 m3, a 20 km de altitud, de 2 toneladas de masa total, presentana una armadura estructural de masa necesaria para la resistencia a presion del orden de 4 T, por lo que no es realizable, en tanto que un globo estratosferico segun una forma de realizacion de la invencion, que dana cabida al vacfo y para una geometna de tipo torico, y siempre para 2 toneladas de masa total, vena rebajada la masa de la armadura estructural hasta aproximadamente 600 kg.

La invencion se describira ahora de manera mas precisa en el contexto de unas formas preferidas de realizacion que, sin caracter limitativo alguno de la misma, se representan en las figuras 1 a 4, en las cuales:

la figura 1 ilustra una vista en perspectiva de una parte de un ejemplo de globo estratosferico representado en forma de toroide, realizado a partir de una pluralidad de anillos inflables, en un primer ejemplo de organizacion, y una ampliacion de una seccion transversal del toroide,

la figura 2 ilustra una vista en perspectiva de una parte de un ejemplo de globo estratosferico representado en forma de toroide, realizado a partir de una pluralidad de anillos inflables, en otro ejemplo de organizacion, y una ampliacion de una seccion transversal del toroide,

la figura 3 ilustra una vista en perspectiva de una parte de un ejemplo de globo estratosferico representado en una forma lenticular, realizado a partir de una pluralidad de anillos inflables, en otro ejemplo de organizacion, y

la figura 4 ilustra una seccion transversal de un anillo en estado inflado, ilustrando su seccion transversal en forma de T.

La invencion se describe a continuacion en el caso no limitativo de un globo estratosferico 1.

Las figuras 1 y 2 describen dos ejemplos de globo estratosferico de forma torica. La figura 3 describe un ejemplo de globo estratosferico de forma lenticular.

El globo estratosferico 1 incluye:

- una armadura estructural 10 dentro de un espacio tridimensional que incluye: o una pluralidad de anillos inflables 100,

o una pluralidad de medios de estabilizacion geometrica 150 de la armadura estructural 10 en el espacio,

- una piel 20 tensada sobre la armadura estructural 10.

En el ejemplo de las figuras 1 y 2, en interes de la claridad, esta representado un semitoroide. En la figura 1, solo se ilustran once anillos inflables 100, en un estado inflado, y cuatro medios de estabilizacion geometrica. En la figura 2, se ilustran veintiocho anillos inflables 100, en un estado inflado, y cuatro medios de estabilizacion geometrica.

Un anillo inflable 100 es, preferiblemente, de forma circular y presenta un volumen interno 110.

El anillo inflable 100 se infla mediante introduccion de un fluido en su volumen interior 110. Preferiblemente, el anillo inflable 100 se infla con aire, presentando este una escasa densidad aparente (1,204 kg/m3 a 20 °C), pero cabe

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tambien contemplar llenarlo con otro fluido, tal como, por ejemplo, helio, de densidad aparente sensiblemente menor, hidrogeno o tambien metano.

En una forma de realizacion del anillo inflable 100, el anillo inflable 100 esta realizado a partir de una estructura de hilos entrecruzados, de tipo entramado tejido, cuya dimension de malla se elige de manera tal que resista a las fuerzas de presion internas. La estructura va recubierta de un revestimiento estanco al fluido interno de inflado.

En otra forma de realizacion del anillo inflable 100, dicho anillo inflable 100 es de una estructura de hilos entrecruzados, de tipo entramado tejido, en cuyo interior se inyectan vapores de polfmeros que se depositan sobre la estructura y se polimerizan en forma de una pelfcula muy fina, al objeto de obturar porciones caladas de orificios de la estructura de hilos entrecruzados.

En las dos anteriores formas de realizacion, la estructura de hilos entrecruzados incluye, por ejemplo, hilos de aramida, tales como el Kevlar®.

En un estado inflado, el anillo inflable 100 presenta, segun un plano que pasa por un eje de revolucion del anillo inflable 100, una seccion transversal en forma de T, con una cabeza 101 y un pie 102, tal como se ilustra en la figura 4.

Para obtener una seccion transversal con forma de T, el anillo inflable 100, inicialmente generalmente de seccion transversal circular u oval 102, tal como se ilustra en lmea de puntos en la figura 4, es deformado en forma de T mediante costura o cosido de hilos, por ejemplo de Kevlar®.

Ventajosamente, tal seccion transversal de anillo inflable 100 permite, con respecto a una tradicional seccion transversal de anillo inflable, circular u oval, una mejor resistencia a la compresion para un volumen interno inflado mas restringido y, por tanto, una masa menor.

Preferentemente, el pie 102 de la T presenta la mayor longitud posible. La longitud del pie 102 es funcion de la presion exterior ejercida sobre el anillo inflable 100, teniendo presente que, de manera general, cuanto mayor sea la longitud del pie de la T, mejor sera su resistencia a la presion exterior ejercida.

La cabeza 101 permite ventajosamente un aumento de una superficie de contacto del anillo inflable 100 con la piel 20. En un ejemplo de dimensionamiento, la cabeza presenta una anchura sensiblemente igual a un espesor del pie 102 de la T.

La presente invencion no se limita al ejemplo de un anillo inflable 100 que presenta una seccion transversal en forma de T, descrito e ilustrado. Un experto en la materia esta en condiciones de adaptar la invencion a secciones transversales de anillo inflable 100 no descritas, que permitan aguantar la compresion con un mmimo volumen, por tanto, una masa de fluido dentro del volumen interno 110 al menos equivalente a la del anillo inflable 100 de seccion transversal en forma de T.

En un ejemplo de seccion transversal, se puede contemplar una seccion en I.

En una forma de realizacion del anillo inflable 100, tal como se ilustra en la figura 3, el volumen interno 110 del anillo inflable 100 esta dividido en dos camaras 115 independientes. Las dos camaras independientes 115 se inflan y/o se desinflan selectivamente una respecto a la otra, por ejemplo por medio de una valvula 116. En el ejemplo de la figura 3, el volumen esta dividido en dos camaras, una camara llamada superior 115a y una camara llamada inferior 115b. De este modo, cuando se desea hacer que el globo estratosferico 1 vuelva a descender lentamente, una solucion consistina en desinflar la camara inferior 115b de varios anillos inflables 100, permitiendo que el globo vuelva a descender como un paracafdas.

En una forma de realizacion de la armadura estructural 10, dos anillos inflables 100 adyacentes estan relacionados mediante al menos un medio de estabilizacion geometrica 150, estando vinculado cada medio de estabilizacion geometrica 150, en correspondencia con dos extremos opuestos 201, a dos anillos inflables 100.

Los medios de estabilizacion geometrica 150 se hallan dispuestos al objeto de impedir una deformacion geometrica de la armadura estructural 10 en el espacio, por efecto de fuerzas de presion externas ejercidas sobre dicha armadura estructural 10.

Los medios de estabilizacion geometrica 150 se encargan asimismo de una estabilidad mecanica de la armadura estructural 10.

La eleccion del numero de medios de estabilizacion geometrica y de su posicionamiento entre la pluralidad de anillos inflables 100, al objeto de impedir, en el plano, una deformacion geometrica de la armadura estructural 10 por efecto de fuerzas de presion externa ejercidas, esta al alcance de un experto en la materia.

En una primera forma de realizacion de medio de estabilizacion geometrica 150, tal como se ilustra en las figuras 1 y 2, dicho medio de estabilizacion geometrica es un elemento inextensible.

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Por elemento inextensible, se entiende un elemento que presenta una deformacion nula, si no practicamente nula, para los esfuerzos que tendra que soportar la armadura estructural 10.

En un ejemplo de realizacion, un elemento inextensible 150 es un hilo inextensible, que permite no gravar la armadura estructural 10.

Este hilo inextensible esta realizado, por ejemplo, en materiales tales como aramida, como por ejemplo un hilo de Kevlar®, que presenta muy buenas propiedades mecanicas a traccion (resistencia a la rotura del orden de 3100 MPa y un modulo de Young comprendido entre 70 y 125 GPa) y a fatiga, o material compuesto, como por ejemplo un hilo de carbono, que presenta una resistencia a la traccion del orden de 7000 MPa y un modulo de Young del orden de 520 GPa.

En otro ejemplo de realizacion, el elemento inextensible 150 es un elemento ngido, es decir, un elemento cuyas forma y dimensiones no experimentan cambios sustanciales durante la utilizacion de la armadura estructural 10. Este elemento ngido se configura en tirante, es decir, permite mantener un distanciamiento constante entre los anillos inflables 100 con los que esta relacionado.

En el ejemplo de la figura 1, dos anillos inflables 100 estan relacionados mediante dos elementos inextensibles 150.

En una segunda forma de realizacion, ilustrada en la figura 3, un medio de estabilizacion geometrica 150 de la armadura estructural 10 en el espacio es un anillo inflable 100, o una porcion de anillo inflable, de seccion transversal en forma de T en estado inflado.

Los anillos inflables 100 y 150 estan relacionados de modo que los volumenes internos de al menos dos anillos inflables adyacentes 100, 150 comuniquen entre sf y que por los volumenes internos circule el mismo fluido y los infle.

Preferiblemente, los anillos inflables 100 y 150 estan configurados de modo que los volumenes internos de todos los anillos inflables 100 comuniquen entre sf, de modo que por todos los volumenes internos circule el mismo fluido y los infle. De este modo, se necesita una unica entrada para inflar la armadura estructural 10.

La piel 20 se elige al objeto de presentar una resistencia suficiente para no romperse bajo las fuerzas de presion externas.

La piel esta configurada al objeto de hallarse tensada cuando el conjunto de los anillos inflables 100 constitutivos de la armadura estructural 10 esta en estado inflado.

En un ejemplo de piel 20, la piel 20 incluye una membrana estanca al aire y una estructura de hilos entrecruzados, de tipo entramado, cuya dimension de malla se elige de manera tal que resista a las fuerzas de presion externas.

Preferiblemente, la membrana esta realizada en un material del tipo etileno-tetrafluoroetileno (ETFE).

Preferiblemente, la membrana esta realizada en un material transparente.

Por "material transparente", se entiende un material que deja pasar la radiacion solar e infrarroja con una absorcion minoritaria. Este material puede estar constituido, en particular, por polietileno o poliester, que son los materiales generalmente utilizados para fabricar los globos estratosfericos.

Preferiblemente, la estructura de hilos entrecruzados incluye, por ejemplo, al menos un hilo de un material seleccionado de entre los siguientes: metal, aramida, tal como, por ejemplo, el Kevlar®, carbono, entre otros.

En el ejemplo ilustrado en la figura 1, la piel 20 esta tensada sobre un contorno perimetral externo de cada anillo inflable 100.

Un contorno de un anillo inflable 100 esta determinado por una superficie externa de la cabeza de la T.

En el ejemplo ilustrado en la figura 2, la piel 20 esta tensada solamente sobre una parte de la superficie externa 104 de la cabeza 101 de la T.

En la forma de realizacion del toroide de las figuras 1 y 2, dicho toroide incluye, ademas, una llanta 120.

En un ejemplo de realizacion de la llanta 120, trabajando dicha llanta a compresion, la llanta esta realizada mediante una cadena determinada por una pluralidad de anillos inflables 100 sucesivos, preferentemente, aunque sin caracter limitativo, de seccion transversal en forma de T.

Los componentes de la armadura estructural 10 (es decir, los anillos inflables 100 y los medios de estabilizacion geometrica 150 de la armadura estructural 10 en el espacio), ocasionalmente la llanta, si la hay, en virtud de sus naturalezas y sus formas, se eligen de modo que el globo estratosferico resista a fuerzas de presion externa del orden de al menos 50 hPa, dependiendo la carga individual de la geometna del globo estratosferico y del numero de anillos inflables 100 puestos para realizarlo, todo ello conservando una masa aceptable.

En el caso de la aplicacion al globo estratosferico 1, puede contemplarse ventajosamente llenar el volumen interno del globo estratosferico, comprendido entre los anillos inflables 150, con vado. Asf, se aligera considerablemente el peso total del globo estratosferico.

La presente invencion no se limita a globos estratosfericos de forma torica o lenticular. Un experto en la materia esta 5 en condiciones de adaptar la invencion a formas geometricas de globos estratosfericos no descritas, tal como, por ejemplo, una forma esferica, o una forma torica no axisimetrica.

La descripcion que antecede ilustra claramente que, por sus diferentes caractensticas y sus ventajas, la presente invencion logra los objetivos que se habfa fijado. En particular, esta propone una estructura cerrada con una geometna que, por intermedio de una armadura estructural, resiste a las fuerzas de compresion que sobre ella se 10 ejercen, sin incidir negativamente en el peso de la estructura.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Globo estratosferico (1) caracterizado por que incluye:

- una armadura estructural (10) que incluye una pluralidad de anillos inflables (100), que, en un estado inflado, presentan una seccion transversal en forma de T, y una pluralidad de medios de estabilizacion

5 geometrica (150) de la armadura estructural en el espacio, estando relacionados dos anillos inflables (100)

mediante al menos un medio de estabilizacion geometrica (20), y

- una piel (20) sobre la armadura estructural (10), estando tensada dicha piel cuando los anillos inflables (100) de dicha armadura estructural estan en un estado inflado.
2. Globo estratosferico (1) segun la reivindicacion 1, en el que un medio de estabilizacion geometrica (150) de 10 la armadura estructural en el espacio es un elemento ngido.
3. Globo estratosferico (1) segun una de las anteriores reivindicaciones, en el que un medio de estabilizacion geometrica (150) de la armadura estructural en el espacio es un anillo inflable (100), que, en estado inflado, presenta una seccion transversal en forma de T.
4. Globo estratosferico (1) segun una de las anteriores reivindicaciones, en el que al menos dos anillos 15 inflables (100) adyacentes presentan cada uno de ellos un volumen interno (110), comunicando entre sf dichos al

menos dos volumenes.
5. Globo estratosferico (1) segun la reivindicacion 4, en el que todos los anillos inflables (100) presentan cada uno de ellos un volumen interno (110), comunicando entre sf todos los volumenes.
6. Globo estratosferico (1) segun una de las anteriores reivindicaciones, en el que un anillo inflable (100) 20 presenta un volumen interno (110) dividido en dos camaras (115) independientes que se inflan / desinflan

selectivamente una respecto a la otra.