FR2747641A1 - Ballon captif a stabilite amelioree - Google Patents

Abstract

On veut améliorer aérodynamiquement les ballons dirigeables, pour leur procurer la possibilité d'un vol captif stable sur un câble. Les grands empennages des ballons captifs habituels seraient prohibitifs en poids et en traînée sur un ballon dirigeable. L'invention concerne une dérive verticale, formant une quille qui s'étend sous le ballon depuis la cabine jusqu'à l'amère, sans aucune surface au-dessus du ballon, ceci dans le but de procurer en vol captif un effet correcteur en roulis qui contribue à la stabilité en lacet et permet une première réduction de la surface d'empennage nécessaire. Une autre réduction est obtenue en donnant un certain aplatissement à la moitié avant de la carène fuselée du ballon, et une autre encore en élevant le point d'attache du câble sous la carène, en ce qui concerne le roulis mais non la fixation en incidence de tangage qui reste celle adoptée habituellement pour les ballons captifs. La possibilité de vol captif sur un câble, pour les dirigeables, étend leur domaine d'utilisation et leur permet d'atterrir après accrochage d'un grappin sur un terrain peu équipé, sans l'aide de personnel au sol, Cette possibilité améliore la sécurité et l'économie des vols.

Description

Ballon captif à stabilité améliorée.

Les ballons dingeables dolvent procurer de bonnes performances en vol motonsé libre, tandis que les ballons captifs doivent rester stables en attache sur un câble. II en est découlé jusqu'ici des formes différentes. Le dirigeable classique présente une forme fuselée de révolution, avec des empennages à l'arrière relativement petits pour limiter leur poids et leur trainée aérodynamique, et l'on admet une légère instabilité en lacet et en tangage, compensée par le pilotage.

La caréne du captif est moins allongée que celle du dirigeable, pour limiter le poids de renveloppe à volume donné et les déformations en cas de faible pression interne. On admet, sans grand inconvénient, une traînée spécifique (coefficient Cx > supérieure à celle du dirigeable. Le ballon captif a des empennages importants ( horizontal dit plan fixe, vertical dit dérive). qui rorientent de manière stable, et une portance aérostatique suffisante pour tendre le câble d'amarrage par vent nul. L'incidence en tangage, imposée par la position du point d'attache du câble, procure une portance dynamique de type "cerf-volant" sur la carène et le plan fixe, améliorant la finesse et limitant ainsi inclinaison du câble sur la verticale par vent fort.

Malgré cette incidence imposée, le plan fixe est nécessaire pour éviter des oscillations couplées en tangage, roulis et lacet. En effet, ce plan porteur reporte du poids apparent vers rarriére, créant un effet de stabilité lié au roulis. Un plan fixe relativement important permet d'accroitre la surface portante et, moyennant un recul du point d'attache du câble, d'obtenir une meilleure finesse de vol en cerf-volant.

Les surfaces S d'empennage, plan fixe et dénve, utilisées dans les divers types de ballons peuvent être rapportées à une surface de référence valant le volume B de carène à la puissance 2/3. Pour des dingeables, on se limite habituellement à s = S/B2/3 = 0,2, en horizontal comme en vertical, ou dans deux directions en X. Pour atteindre la pleine stabilité sur des captifs, on prend en général, dans chaque direction, s de l'ordre de 1.

La Figure 1 présente le moment de lacet ( coefficient "Cm") en fonction de l'angle de dérapage (angle "d" de l'axe de l'appareil avec le plan vertical de référence. contenant le point d'amarrage au sol et le vecteur vent). Sans empennage ( s=O). I'appareil est instable. Pour une faible surface d'empennage ( s=0,2), la position de dérapage nul reste instable, mais le ballon "s'épaule" de manière stable pour un dérapage par exemple d'une dizaine de degrés. Pour des empennages plus grands ( s=1). la position de dérapage nul est rendue stable.

La présente Invention a pour objet d'améliorer la stabilité de vol des ballons captifs fuselés tout en limitant les surfaces des empennages, par exemple a une valeur de l'ordre de s=0,5, ou encore de procurer à un ballon dingeable l'aptitude a un vol stable en ballon captif.

sans accroitre exagérément les surfaces d'empennage.

L'invention est caracténsée par l'empennage vertical (dense) placée sous la carène et s'étendant de la cabine. située a peu près au centre de la carence a l'extrémité amère, tandis que le point d'accrochage en roulis du càbie sous la carene se trouve en position relativement haute par rapport a l'ensemble de cette dénue. La carène présente d'autre part un aplatissement vertical sauf en arnère.

L'invention sera décrite à l'aide des Figures suivantes:
- Figure 1 déjà mentionnée: Diagramme du coefficient Cm de moment en lacet,
- Figure 2. Schéma du fonctionnement de la dénve, en vue d'amère,
- Figure 3. Elévation d'un dirigeable selon l'invention, favonsant le vol en captif,
- Figure 4. Plan de ce dirigeable.

- Figure 5. Vue de face.

La dérive sous la carène, pour favonser la stabilité, correspond à des résultants d'expérience qui peuvent être expliqués de la manière suivante. Le centre de gravité et le point d'attache du câble étant au dessous du centre de portance par le gaz sustentateur, le ballon captif possède une certaine stabilité aérostatique. Retenu par un câble attaché sous l'avant de l'appareil. il reçoit du vent une portance aérodynamique en cerf-volant. Si le vent est faible et le cable bien tendu, la stabilité est grande vis-à-vis des effets du vent et la réaction d'une dérive symétrique ordinaire suffit à ramener l'appareil dans le plan vertical de référence. Si le vent est fort, rappareil peut osciller en lacet entretenu (Figure 2), avec des déplacements latéraux d'un côté à rautre du plan de référence, pendant lesquelles l'angle de dérapage au vent relatif peut être faible, et des phases de changement de cap, déclenchées par la stabilité gravitaire en roulis, et par effet du poids apparent à l'arrière, quand l'angle de roulis devient important. La dérive basse, recevant alors le vent sous l'angle de dérapage, procure d'abord l'effet correcteur en lacet procuré par toute dérive, mais aussi un effet correcteur en roulis qui oriente la portance dynamique en rappel vers le plan de référence. Cet effet accrû de la dérive, des lors qu'il existe une certaine stabilité gravitaire. devient très efficace par grand vent, pour prévenir les oscillations en lacet sur câble. II est facilité par la position relevée de l'attache en roulis du câble sur la carène.

Alors que la position plus ou moins avancée de la dérive agit sur le rappel direct de rangle de lacet, l'inclinaison en roulis par la dénve ne dépend pas de cette position, et des parties de la dérive proches du point d'accrochage gardent une certaine utilité. Ceci justifie une dérive continue formant une quille sous toute la moitié arrière, depuis la cabine.

On remarque que sur les ballons captifs habituels, on utilise généralement des empennages à trois plans, avec la dénve basse de plus grande surface que les plans latéraux.

Le dièdre vers le haut des deux plans latéraux. la fixation du cable sur la carène par une patte d'oie aussi longue en roulis qu'en tangage la dérive ne s'étendant pas vers la cabine, montrent que l'on n'a pas alors recherché l'effet benéfique de la dénve basse selon l'invention Les dingeables "semi-rigides" avaient d'autre part des quilles s'étendant sur toute la longueur et non limitées à la partie arrière.

A titre accessoire, pour améliorer l'effet de la dénve. on cherche aussi selon l'invention à diminuer la force aérodynamique laterale s'exerçant sur lavant en vol avec dérapage. A cet effet. on aplat verticalement l'avant et le milieu du fuseau 1 (Figures 3. 4 et 5). Vers l'amère, la section s'amincit et peut devenir au contraire plus haute que large, jusqu'à une poutre verticale d' étambot 2, de maniére à contribuer à la surface de dénve et à garder jusqu'à l'amère une section appréciable et une bonne ngidité en torsion. Vue en élévation (Fig 3), la carène présente une courbure avec un dessus plus bombé que le dessous, de manière à favoriser une portance aérodynamique, utile pour le vol en cerf-volant.

Ces formes sont obtenues, sur une carène "souple" gonflée, gràce à une coupe convenable de la toile et à un jeu de liens internes en tension. Pour l'aplatissement on utilise par exemple deux plans de liens intemes 3 (davantage pour des appareils importants), élastiques pour permettre, par variation de l'aplatissement, les variations de volume du gaz porteur liées à l'altitude et à la température. L'amincissement arrière, tendant à former un étambot vertical, est procuré par le dimensionnement de l'enveloppe qui peut comporter des liens intemes horizontaux tel qu'un voile honzontal 4 tnangulaire, avec un raidissement par la poutre d'étambot vertical 2. Le voile 4 forme sur les côtés de carène deux sillons enfoncés, le long desquels sont fixées deux ailes de plan fixe arrière, Chaque aile comporte par exemple un mat 6 de bord d'attaque, une jambe de force 7 butée sur la poutre d'étambot 2, un entoilage raccordé à la carène, et deux haubans aboutissant à la poutre d'étambot ou à l'enveloppe..

Sous les plans de liens 3 sont fixés deux tubes tels que 10 auxquels est attachée la quilledèrive profilée 11, dont l'avant constitue la cabine. Cette quille est constituée par exemple d'une poutre-plancher 12 reliée à la carène par un entoilage partiellement transparent et des montants ngides. L'arrière s'amincit jusqu'à une gouverne de direction 13 d'axe vertical. Un moteur de propulsion 14 peut être intercalé sur cette dérive, devant la gouveme 13.

L'assiette moyenne du ballon peut être réglée par le gonflage de ballonnets d'air à l'avant et à l'arrière, non figurés, ou par un réglage différentiel en vol des liens elastiques intemes 3. Pour le pilotage en tangage en vol au moteur, on peut (sur de petits appareils) se contenter de transferts de poids à l'intérieur de la cabine, ou utiliser les habituelles gouvernes carrières articulées sur les plans fixes. ou de préférence installer des gouvernes 20 à l'avant dites "moustaches" De telles moustaches ont déjà été proposées, mais aussi bien verticales qu'horizontales, alors que seules sont réellement utiles les moustaches horizontales. Braquées par exemple à la montée, elles provoquent la montée de avant quelle que soit la vitesse non nulle, alors qu'au dessous d'une certaine vitesse critique, des gouvemes à 'amère, braquées à la montée donc en descente de l'arrière, ne provoquent pas une mise en Incidence suffisante de l'appareil et font finalement descendre. L'avant aplati et donc élargi de la carène permet d'y implanter de manière robuste une poutre transversale 21 pour l'encastrement des axes d'orientation de ces moustaches.

Pour le vol captif. L'attache du câble 30 peut se faire sous la carène. au milieu d'un lien souple 31 en avant de la cabine. entre les deux tubes 10 Sous la cabine en 32 est attaché de manière réglable un lien 33 aboutissant à une poulie sur le cable 30, pour régler l'avancée du point d'attache en tangage en formant une patte d'oie. Ce lien 33 peut être élastique pour que l'avancée s'accroisse par vent fort, en limitant l'effort aérodynamique. En ce qui conceme le roulis. I'articulation du câble s'effectue alors autour de l'axe définl par les points d'attache 31 et 32. Cependant, I'attache du cable 30 peut se faire sur une poulie 34 circulant sur le lien 31, ce qui élève l'articulation virtuelle en roulis du cable, au dessus de la ligne basse de carène.

Utilisant la présente invention et d'après les essais réalisés, on doit pouvoir obtenir une très bonne stabilité en captif en utilisant des surfaces valant 0,4 So pour la dérive derrière la cabine, et 0,5 So pour le plan fixe horizontal, cette valeur haute correspondant à la recherche d'une bonne finesse de vol, avec un point d'attache de câble relativement reculé qui peut coïncider avec le point de chargement d'un colis sous le dirigeable.

L'invention s'applique d'abord à des ballons captifs, notamment d'observation, pour leur permettre de garder leur stabilité en vol "cerf-volant" jusqu'à de grandes vitesses de vent et dans les turbulences. Elle facilite le vol à l'aide du vent sur la mer, grâce à une dérive marine stabilisée dite "Chien-de-Mer", attachée au ballon par deux cables, qui a fait l'objet de brevets du meme auteur. Les deux cables sont alors attachés aux deux tubes 10 avec possibilité de réglage en longueur. La navigation au vent utilise alors des positions "épaulées" mais la stabilité en captif permet de passer pointe au vent pour un vol quasi-stationnaire de sécurité sur le Chien-de-Mer orienté en ancre marine.

La stabilité en captif permettra aussi à un appareil motorisé d'assurer des missions d'observation statique, ou encore de voler à l'aide du vent sur la mer.

En ce qui conceme l'utilisation habituelle des dirigeables, I'invention apporte un grande simplification des opérations d'atterrissage, les plus délicates pour ces appareils et qui nécessitent habituellement des installations spéciales et un important personnel. L'appareil, arrivant sur le site, descend par un cable un grappin 40 qui accroche par exemple un cable 41 tendu horizontalement au sol. En cette position captive de sécurité, I'appareil sera si nécessaire rapproché du sol par treuillage depuis la cabine sur le câble de retenue et ainsi amarré directement au sol en rotation libre (girouette). On peut ainsi prévoir l'atterrissage sans personnel au sol. Le grappin est pourvu d'un système d'ouverture télécommandée pour permettre le redécollage.

En variante, si le dirigeable transporte une charge pendue sous la carène. cette charge est prévue avec une attache en rotule sur le ballon. avec le cas échéant des systèmes amortisseurs d'oscillations, ainsi qu'avec des moyens de fixation au sol de la charge. pour fournir directement un moyen d'ancrage en vol captif sur rotule.

Un meilleur vol en captif est obtenu pour un ballon "léger" tirant sur son câble par vent nul On a donc avantage à alléger appareil dès que le grappin a été accroché au sol A cette fin, sur un petit appareil. on peut utiliser un grappin lourd ou. par un cable auxiliaire, faire coulisser un lest 42 en descente le long du câble jusqu'au grappin. Avant un nouveau vol, on fera remonter ce lest avant de lâcher le grappin. Pour un apparell de grande tallle, l'allégement peut être obtenu par chauffage interne ou diminution de la pression de gonflage, les deux procédés aboutissant à une vidange partielle de l'air contenu dans des ballonnets intemes.

La quille il continue selon l'invention, de la cabine à l'arrière, procure l'avantage de stabilité indiqué, répartit les efforts aérodynamiques et de motorisation sur la carène, permet l'accès de réquipage vers l'arrière de l'appareil, et présente un aspect satisfaisant. La forme aplatie de la carène contribue à la stabilité en lacet et limite donc l'importance de la dérive; elle augmente la portance en cerf-volant et ameliore donc la finesse de vol; elle permet une réduction de longueur et de hauteur à volume égal, ce qui peut être intéressant pour rutilisation d'un hangar; avec utilisation de liens intemes élastiques elle permet la variation de volume de la carène en fonction de la dilatation des gaz; enfin, elle procure au dessus du ballon une grande surface pour recevoir des panneaux solaires.

Claims (10)

REVENDICA TIONS

1. Ballon pour vol captif sur un câble retenu au sol ou sur un engin mobile, comportant une carène de type fuselé et â l'arrière un plan fixe horizontal et une dérive verticale 11, caractérisé en ce que la dérive forme une quille sous la carène, substantiellement de la cabine à l'arrière.

2. Ballon selon la revendication 1, caracténsé en ce que la carène présente en partie avant et médiane une forme aplatie dans le sens vertical, avec un arrière pincé jusqu'à un étambot vertical 2.

3. Ballon selon la revendication 2, caractérisé en ce que la carène est de type souple, les parties inférieure et supérieure de la partie aplatie étant reliées par des liens élastiques.

réglables différentiellement entre l'avant et l'arrière.

4. Ballon selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le point d'attache du câble de retenue, visàvis de l'oscillation en roulis, est placé sous la carène à une hauteur maximale, conditionnée par la réalisation mécanique.

5. Ballon selon la revendication 3, caractérisé en ce que le point d'attache du cable de retenue, vis-å-vis de roscillation en roulis, est mobile latéralement sous la carène.

6. Ballon selon rune des revendications précédentes, caractérisé en ce que le cable de retenue traverse une poulie reliée par un lien élastique, de manière réglable, à un point en arrière du point d'attache.

7. Ballon selon la revendication 6, caracténsé en ce que la quille reçoit un moteur propulsif arrière avec hélice, fixé devant une gouverne de direction.

8. Ballon selon l'une des revendications précédentes, caracténsé en ce qu'il porte des gouvemes horizontales de part et d'autre de l'avant.

9. Ballon selon l'une des revendications précédentes, caracténsé en ce que le câble de retenue porte en son extrémité un grappin a ouverture télécommandée

10. Ballon selon la revendication 9, caracténsé en ce qu'une masse auxiliaire de délestage est attachée au bout d'un deuxième câble et coulisse le long du premier