FR2755245A1

FR2755245A1 - Stabilising meteorological balloons during climb

Info

Publication number: FR2755245A1
Application number: FR9612919A
Authority: FR
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-10-24
Filing date: 1996-10-24
Publication date: 1998-04-30

Abstract

The meteorological balloon may be stabilised by fitting four stabilising units (12) on a horizontal circle about the balloon envelope (11). The stabilising units are attached to the balloon envelope by a plug which carries the envelope into a cylindrical orifice in the stabiliser whose neck is then reduced by a restraining collar. A line (14) passes around the balloon to modify the air current and is positioned by threading through conduits (15) in the stabilisers. The balloon basket (2) is supported by cables (13) attached to the stabilisers (12) and a small additional balloon (5) is added to the main balloon top by a neck (3a).

Description

La présente invention concerne un dispositif pour rendre plus stable le mouvement des ballons au cours de leur montée et elle est plus particulièrement destinée aux ballons météorologiques de type fermé qui servent à mesurer le vent dans l'atmosphère terrestre et qui ont une enveloppe dilatable. I1 est effet bien connu que sous l'effet de sa vitesse verticale ce type de ballon présente au cours de la montée des mouvements parasites importants qui sont dus à une instabilité aérodynamique, les-dits mouvements pouvant fausser gravement la mesure de vent faite au moyen d'un ensemble de positionnement lié au ballon. On conçoit donc facilement que si on veut que ces ballons restituent le plus fidèlement possible les mouvements de l'atmosphère il faille diminuer ces mouvements parasites et donc augmenter au maximum la stabilité en cours de montée. De façon générale ces mouvements parasites sont en partie liés au fait que, même si l'enveloppe du ballon se présente sous une forme sensiblement sphérique, elle ne présente pas de symétrie par rapport à l'axe vertical passant par le manchon de remplissage auquel est en général accroché la nacelle de positionnement servant à mesurer le vent. Cette caractéristique qui est liée à l'inhomogénéités de l'enveloppe dilatable en cours de fabrication entraîne des mouvements parasites du ballon et donc du système de positionnement qui est accroché en dessous par l'intermédiaire du manchon de remplissage de gaz, le-dit manchon étant constitué du même matériau déformable que l'enveloppe du ballon. Du fait que la liaison par le manchon entre le système de positionnement et le ballon n'est pas rigide on ne peut donc pas contrôler de façon directe la configuration du système ballon-nacelle en cours de montée et donc en particulier éviter des mouvements de rotation du ballon sur lui même,mouvements qui du fait de la non symétrie de l'enveloppe évoquée plus haut entraîne des mouvements erratiques du système de positionnement. Le dispositif suivant l'invention permet de minimiser ces mouvements parasites dans le cas précisément des ballons dont l'enveloppe est en matériau dilatable. Suivant une première caractéristique de l'invention plusieurs pièces,au nombre de trois minimum, et dites pièces de stabilisation sont ancrées de façon semi-rigide sur l'enveloppe du ballon où elles sont réparties de façon la plus régulière possible sur un petit cercle du ballon qui reste sensiblement horizontal en cours de montée. Suivant une seconde caractéristique de l'invention ces pièces de stabilisation sont chacunes associées à des suspentes de même longueur qui sont accrochée par leur extrémité inférieure à la nacelle de positionnement. Suivant une troisième caractéristique de l'invention la force de pesanteur associée à la nacelle de positionnement agit, au moyen des suspentes et par l'intermédiaire des pièces de stabilisation, pour exercer un couple stabilisant les mouvements de rotation du ballon autour de son centre. Suivant une quatrième caractéristique de l'invention chaque suspente peut être accrochée directement par son extrémité supérieure à la pièce de stabilisation qui lui est associée.Suivant une cinquième caractéristique de l'invention chaque suspente peut coulisser librement dans la pièce de stabilisation associée, ces suspentes étant dans ce cas toutes accrochées par leur extrémité supérieure à une pièce dite pièce polaire qui est ancrée de facon semirigide sur le ballon et y reste maintenue au pôle supérieur. Suivant une sixième caractéristique de l'invention les pièces de stabilisation peuvent être utilisées pour maintenir près de la surface du ballon et suivant le petit cercle sur lequel elles se trouvent un fil servant à décoller la couche limite d'écoulement. The present invention relates to a device for making the movement of balloons more stable during their ascent and it is more particularly intended for meteorological balloons of the closed type which are used to measure the wind in the Earth's atmosphere and which have an expandable envelope. It is a well-known effect that under the effect of its vertical speed, this type of balloon exhibits during the rise significant parasitic movements which are due to aerodynamic instability, the said movements being able to seriously distort the wind measurement made by means a positioning assembly linked to the ball. It is therefore easy to see that if we want these balloons to reproduce the movements of the atmosphere as faithfully as possible, it is necessary to reduce these parasitic movements and therefore to maximize the stability during the climb. In general, these parasitic movements are partly linked to the fact that, even if the envelope of the balloon is in a substantially spherical shape, it does not have symmetry with respect to the vertical axis passing through the filling sleeve to which is usually hooked up the positioning gimbal used to measure the wind. This characteristic, which is linked to the non-uniformity of the expandable envelope during manufacture, causes parasitic movements of the balloon and therefore of the positioning system which is hung below via the gas filling sleeve, the so-called sleeve. being made of the same deformable material as the envelope of the balloon. Due to the fact that the connection by the sleeve between the positioning system and the balloon is not rigid, it is therefore not possible to directly control the configuration of the balloon-basket system during the climb and therefore in particular to avoid rotational movements. of the balloon on itself, movements which due to the non-symmetry of the envelope mentioned above leads to erratic movements of the positioning system. The device according to the invention makes it possible to minimize these parasitic movements in the specific case of balloons whose envelope is of expandable material. According to a first characteristic of the invention, several pieces, at least three in number, and said stabilization pieces are anchored semi-rigidly on the envelope of the balloon where they are distributed as evenly as possible over a small circle of the balloon which remains substantially horizontal during the ascent. According to a second characteristic of the invention, these stabilization parts are each associated with lines of the same length which are hooked by their lower end to the positioning nacelle. According to a third characteristic of the invention, the gravitational force associated with the positioning nacelle acts, by means of the hangers and via the stabilization parts, to exert a torque stabilizing the rotational movements of the balloon around its center. According to a fourth characteristic of the invention each hanger can be hooked directly by its upper end to the stabilization part which is associated with it. According to a fifth characteristic of the invention each hanger can slide freely in the associated stabilization part, these hangers being in this case all hooked by their upper end to a piece called pole piece which is anchored semi-rigidly on the balloon and remains held there at the upper pole. According to a sixth characteristic of the invention, the stabilization pieces can be used to hold close to the surface of the balloon and according to the small circle on which they are a wire used to peel off the flow boundary layer.

Suivant une septième caractéristique de l'invention les pièces de stabilisation qui gardent angulairement la même position quand le ballon se dilate en cours de montée peuvent être utilisées pour y fixer des pales qui sous l'effet de la vitesse verticale de montée font tourner le ballon autour de son axe vertical favorisant ainsi le décollement de la couche limite.Suivant une huitième caractéristique de l'invention l'ancrage des pièces de stabilisation ainsi que celui de la pièce polaire se fait de façon telle que c'est l'enveloppe elle même du ballon qui assure de par son élasticité la rigidité des fixations. Pour ce faire l'enveloppe est interposée entre deux pièces cylindriques de même axe et faites en un matériau rigide mais déformable de type mousse ou gomme, les-dites pièces pouvant coulisser l'une par rapport à l'autre. La première pièce qui est située à l'intérieur du ballon est plaquée sur la seconde qui est à l'extérieur du ballon par les forces de tension de la-dite enveloppe ce qui assure à la fois la rigidification de l'ancrage de l'ensemble des deux pièces avec le ballon et une répartition optimale des contraintes sur l'enveloppe. Suivant enfin une dernière caractéristique de l'invention les ballons que l'on veut ainsi stabiliser sont munis à leur pôle supérieur d'une pièce dite polaire sur laquelle est fixé un ballon secondaire, lui aussi fermé, et dont l'enveloppe en matériau dilatable lui permet d'augmenter de volume dans les mêmes proportions que le ballon principal.According to a seventh characteristic of the invention, the stabilization pieces which angularly keep the same position when the balloon expands during ascent can be used to fix blades which under the effect of the vertical speed of ascent make the balloon rotate around its vertical axis thus promoting the separation of the boundary layer. According to an eighth characteristic of the invention, the anchoring of the stabilization pieces as well as that of the pole piece is done in such a way that it is the envelope itself of the balloon which ensures by its elasticity the rigidity of the bindings. To do this, the envelope is interposed between two cylindrical pieces of the same axis and made of a rigid but deformable material of the foam or rubber type, the said pieces being able to slide relative to one another. The first part which is located inside the balloon is pressed against the second which is outside the balloon by the tension forces of the said envelope which ensures both the stiffening of the anchoring of the together of the two parts with the balloon and an optimal distribution of the stresses on the envelope. Finally, according to a last characteristic of the invention, the balloons that we want to stabilize in this way are provided at their upper pole with a so-called pole piece on which a secondary balloon, which is also closed, is fixed, and whose envelope of expandable material allows it to increase in volume in the same proportions as the main balloon.

La figure 1 représente le dispositif suivant l'invention utilisant des suspentes fixées sur les pièces de stabilisation qui servent également à tendre autour de l'enveloppe un fil décollant la couche limite. La figure 2 représente en coupe et à titre d'exemple non limitatif le détail d'une pièce de stabilisation correspondant aux dispositifs des figures 1 et 3. La figure 3 représente, toujours suivant l'invention, le dispositif utilisant cette fois des suspentes coulissant dans les pièces de stabilisation de manière à maintenir verticale au pôle supérieur du ballon la pièce polaire sur laquelle elles sont fixées. La figure 4 représente une pièce de stabilisation munie d'une pale qui sert à faire tourner le ballon sur lui même.Figure 1 shows the device according to the invention using lines attached to the stabilization parts which also serve to stretch around the envelope a wire peeling off the boundary layer. 2 shows in section and by way of nonlimiting example the detail of a stabilization piece corresponding to the devices of Figures 1 and 3. Figure 3 shows, still according to the invention, the device this time using sliding lines in the stabilization pieces so as to keep the pole piece on which they are fixed vertical to the upper pole of the balloon. FIG. 4 represents a stabilization part provided with a blade which is used to rotate the balloon on itself.

En référence à ces dessins et suivant la figure 1 les pièces de stabilisation (12) au nombre de quatre sont ancrées sur le ballon (1) de façon régulière et suivant un cercle horizontal situé sur l'enveloppe (11) du-dit ballon. Les suspentes (13) sont accrochées par leur extrémité supérieure sur les pièces (12) et par leur extrémité inférieure sur la nacelle de positionnement (2) du ballon qui sert à mesurer sa vitesse et donc celle de l'air qui l'entoure. Au sommet supérieur du ballon est ancrée sur l'enveloppe (11) une pièce polaire (3a) sur laquelle est fixé un ballon secondaire (5) en matériau dilatable de telle sorte que les ballons (1) et (5) augmentent de volume dans les mêmes proportions au fur et à mesure que la pression du milieu diminue. La pièce (3a) tient dans cette configuration le ballon (5) sensiblement symétrique par rapport à l'axe vertical passant par la nacelle (2). En raison des déformations de la forme du ballon (1) liées aux inhomogénéités dans l'épaisseur de (11) le manchon de remplissage (6) du ballon ne se trouve pas en général sur cette verticale ce qui entraînerait des mouvements parasites de celui-ci si la nacelle (2) était accrochée à ce niveau comme c'est le cas de facon classique. Pour décoller de la surface (11) la couche limite de l'écoulement de l'air un fil (14) est enroulé autour du ballon et passe à l'intérieur de conduits circulaires (15) horizontaux percés dans les pièces (12). Comme le diamètre du ballon (1) augmente avec l'altitude le fil (14) a une longueur telle qu'il fait plusieur fois le tour du ballon quand celui-ci décolle du sol et ses deux extrémités (14a) et (14b) pendent simplement. Au fur et à mesure que le ballon augmente de diamètre le fil (14) coulisse dans les conduits (15) et il fait de moins en moins de tours autour du ballon mais sa longueur est choisie de telle sorte qu'elle reste toujours supérieure à la longueur maximum de la circonférence du ballon. La figure 2 représente suivant l'invention le détail d'une pièce de stabilisation (12) des figure 1 ou 3. Les deux pièces la constituant sont avantageusement prises en matériau de type mousse à la fois rigide et déformable et elles sont notées (7) pour la pièce extérieure au ballon et (8) pour la pièce intérieure. L'enveloppe (11) du ballon principal est interposée entre les deux. La pièce (7) a la forme d'un cylindre de diamètre extérieur
D et elle est percée suivant son axe d'un cylindre de diamètre intérieur d. La pièce (8) a la forme d'un cylindre d'un diamètre très voisin de d de telle sorte qu'elle puisse coulisser dans le cylindre intérieur de (7). A l'extrémité inférieure de (7) un collier de serrage (10) placé dans une gorge (9) creusée dans (7) permet en jouant sur la déformation du matériau de (7) de diminuer le diamètre du cylindre intérieur de (7) de telle sorte que la pièce cylindrique (8) vienne en butée à travers l'enveloppe (11) du ballon principal sur la partie inférieure de (7).De façon pratique le montage se fait comme suit:la pièce (8) est d'abord introduite dans le ballon principal par son orifice de gonflage puis enfoncée dans (7) de telle sorte que l'enveloppe (11) du ballon s'interpose entre les deux pièces On serre alors le collier (10) de telle sorte que (8) qui est tirée vers l'intérieur du ballon par les forces de tension élastiques de l'enveloppe (11) dès que le ballon principal (1) est suffisamment rempli de gaz vienne se plaquer sur l'extrémité inférieure et retrécie de (7). With reference to these drawings and according to FIG. 1, the four stabilization pieces (12) are anchored on the balloon (1) in a regular manner and in a horizontal circle situated on the envelope (11) of said balloon. The lines (13) are hung by their upper end on the parts (12) and by their lower end on the positioning nacelle (2) of the balloon which is used to measure its speed and therefore that of the air which surrounds it. At the top of the balloon is anchored on the envelope (11) a pole piece (3a) on which is fixed a secondary balloon (5) of expandable material so that the balloons (1) and (5) increase in volume in the same proportions as the pressure of the medium decreases. The part (3a) holds in this configuration the balloon (5) substantially symmetrical with respect to the vertical axis passing through the nacelle (2). Due to the deformations of the shape of the balloon (1) linked to inhomogeneities in the thickness of (11) the filling sleeve (6) of the balloon is not generally located on this vertical which would cause parasitic movements of the latter. Ci if the nacelle (2) was hung on this level as it is the case in a conventional way. To take off from the surface (11) the boundary layer of the air flow, a wire (14) is wound around the balloon and passes inside horizontal circular conduits (15) drilled in the parts (12). As the diameter of the balloon (1) increases with altitude the wire (14) has a length such that it turns several times around the balloon when it takes off from the ground and its two ends (14a) and (14b) simply hang. As the balloon increases in diameter the wire (14) slides in the conduits (15) and it makes less and less turns around the balloon but its length is chosen so that it always remains greater than the maximum length of the circumference of the balloon. Figure 2 shows according to the invention the detail of a stabilization piece (12) of Figure 1 or 3. The two parts constituting it are advantageously made of foam-type material that is both rigid and deformable and they are noted (7 ) for the outer part to the balloon and (8) for the inner part. The envelope (11) of the main balloon is interposed between the two. The part (7) has the shape of a cylinder with an outside diameter
D and it is pierced along its axis with a cylinder of internal diameter d. The part (8) has the shape of a cylinder with a diameter very close to d so that it can slide in the inner cylinder of (7). At the lower end of (7) a clamp (10) placed in a groove (9) hollowed out in (7) allows by playing on the deformation of the material of (7) to reduce the diameter of the inner cylinder of (7 ) so that the cylindrical part (8) comes into abutment through the casing (11) of the main tank on the lower part of (7). In practical terms, the assembly is carried out as follows: the part (8) is first introduced into the main balloon through its inflation orifice and then inserted into (7) so that the envelope (11) of the balloon is interposed between the two parts. The collar (10) is then tightened so that (8) which is pulled towards the inside of the balloon by the elastic tension forces of the envelope (11) as soon as the main balloon (1) is sufficiently filled with gas comes to rest on the lower end and shrinks by ( 7).

Au fur et à mesure que le ballon principal augmente de volume en montant les forces de tension de l'enveloppe (11) assurent d'une part la liaison entre les pièces (7) et (8) ainsi que d'autre part l'appui de (7) sur le pôle supérieur du ballon. Il sera judicieux de prévoir une embase inférieure de (7) de surface suffisamment importante pour assurer tout à la fois la rigidité de l'ancrage sur le pâle du ballon (1) et des contraintes mécaniques faibles sur l'enveloppe (11). La figure 3 représente à titre d'exemple non limitatif une seconde configuration d'un système suivant l'invention dans lequel les suspentes (13) coulissent cette fois dans les conduits (15) des pièces de stabilisation (12). Par rapport à la réalisation décrite sur la figure 1 les conduits (15) sont cette fois ci verticaux et les suspentes (13) sont toutes accrochées par leur extrémité supérieure à une pièce polaire (3b) qu'elles maintiennent au pôle supérieur du ballon. A leur autre extrémité et comme sur la réalisation précédente les suspentes (13) supportent la nacelle de positionnement (2). Comme caractéristique générale de l'invention le poids de (2) qui se transmet suivant les suspentes agit de manière à limiter les rotations du ballon sur lui même et donc à maintenir l'ancrage de la pièce polaire (3a) au sommet du ballon. Pour donner une dissymétrie de type aérodynamique au ballon en cours de montée et créer un sillage turbulent sur une portion privilégiée de la surface (11) la pièce polaire (3b) maintient un ballon secondaire (5) en matériau déformable décentré par rapport à l'axe vertical passant par (2) de telle sorte que la portion de (11) qui se trouve sous le ballon (5) est en cours de montée soumise au sillage turbulent de celui- ci, ce qui crée donc un plan de symétrie du système favorisant sa stabilité. La figure 4 représente le détail d'une pièce de stabilisation (12) munie d'un dispositif permettant la mise en rotation du ballon sur lui même en cours de montée ce qui diminue l'adhérence de la couche limite sur (11) et favorise donc la stabilité du ballon (1) en cours de montée. A cet effet le conduit (15) est maintenu soit horizontal soit vertical comme sur les configurations présentées sur les figure 1 mais une pale (16) en matériau léger comme par exemple du polistyrène est fixée sur (12) , au moyen par exemple d'une encoche, et son plan fait un certain angle avec le plan horizontal de façon à exercer une force aérodynamique tangentielle qui met en rotation le ballon autour de son axe vertical.As the main balloon increases in volume by mounting the tension forces of the envelope (11) on the one hand ensure the connection between the parts (7) and (8) and on the other hand the support (7) on the upper pole of the ball. It will be advisable to provide a lower base of (7) of sufficiently large surface area to ensure both the rigidity of the anchoring on the blade of the balloon (1) and low mechanical stresses on the envelope (11). FIG. 3 shows by way of nonlimiting example a second configuration of a system according to the invention in which the lines (13) slide this time in the conduits (15) of the stabilization parts (12). Compared to the embodiment described in Figure 1 the conduits (15) are this time vertical and the lines (13) are all hooked by their upper end to a pole piece (3b) which they maintain at the upper pole of the balloon. At their other end and as in the previous embodiment, the lines (13) support the positioning nacelle (2). As a general characteristic of the invention the weight of (2) which is transmitted along the lines acts so as to limit the rotation of the balloon on itself and therefore to maintain the anchoring of the pole piece (3a) at the top of the balloon. To give an aerodynamic asymmetry to the balloon during the rise and create a turbulent wake on a privileged portion of the surface (11) the pole piece (3b) maintains a secondary balloon (5) made of deformable material off-center with respect to the vertical axis passing through (2) so that the portion of (11) which is under the balloon (5) is being raised subjected to the turbulent wake thereof, which therefore creates a plane of symmetry of the system promoting its stability. FIG. 4 represents the detail of a stabilization part (12) provided with a device allowing the balloon to rotate on itself during the rise which reduces the adhesion of the boundary layer on (11) and favors therefore the stability of the balloon (1) during the climb. For this purpose the conduit (15) is maintained either horizontal or vertical as in the configurations presented in FIG. 1 but a blade (16) made of light material such as for example polistyrene is fixed on (12), for example by means of a notch, and its plane makes an angle with the horizontal plane so as to exert a tangential aerodynamic force which rotates the balloon around its vertical axis.

Dans cette réalisation les pales peuvent être fixées sur toutes ou seulement une partie des pièces de stabilisation . On remarquera maintenant que, quels que soient les modes particuliers de réalisation suivant l'invention, une caractéristique importante liée au système d'ancrage des pièces de stabilisation réside dans le fait que au fur et à mesure que l'enveloppe du ballon se dilate la distance entre les-dites pièces augmente de façon proportionnelle au diamètre du ballon.In this embodiment, the blades can be fixed on all or only part of the stabilizing parts. It will now be noted that, whatever the particular embodiments according to the invention, an important characteristic linked to the anchoring system of the stabilization parts lies in the fact that as the envelope of the balloon expands the distance between said pieces increases in proportion to the diameter of the balloon.

Il en résulte que la géométrie de l'ensemble du système de stabilisation se conserve avec l'altitude et donc en particulier l'efficacité du fonctionnement. As a result, the geometry of the entire stabilization system is preserved with the altitude and therefore in particular the operating efficiency.

Claims

1-) Device for stabilizing the movement of meteorological sounding balloons of the closed type and constructed of expandable material characterized in that simultaneously a- the balloon positioning pod is linked to the latter by means of at least three stabilization parts anchored semi-rigidly on the envelope of the balloon and located at regular intervals along a horizontal circle so that there is exerted on the balloon a couple opposing the rotation thereof ci around its center b- the very elasticity of the balloon envelope serves to stiffen the anchoring of the stabilization pieces c- The diameter of the horizontal circle on which the stabilization pieces are anchored varies in the same way as that of the ball,

2-) Device according to claim 1 wherein the anchoring of the stabilization parts on the ball is made by means of two cylindrical parts of the same axis made of foam-type material that is both rigid and deformable, the said parts being able to move one with respect to the other and being separated by the envelope of the balloon which by its tension brings the inner part to the envelope in abutment on a tightening of the outer part.

3-) Device according to claims 1 and 2 wherein the balloon whose movement is to be stabilized is surmounted by a secondary balloon of smaller diameter, also closed and made of expandable material, the secondary balloon being fixed to the main balloon by a pole piece, the position of which on the envelope of the main balloon is determined by means of the stabilization pieces

4-) Device according to claims 1,2 and 3 wherein the positioning nacelle is attached, by means of lines sliding in the stabilization parts, to a pole piece anchored semi-rigidly to the upper pole of the main balloon.

5-) Device according to claims 1,2 and 3 wherein the positioning nacelle is directly attached by lines to the stabilization parts.

6-) Device according to claims 1 and 2 wherein the stabilizing parts are used to position a wire winding several times around the balloon, the number of turns decreasing as the balloon rises.

7-) Device according to claims 1 and 2 wherein the stabilization parts are provided with blades which under the effect of the speed of rise of the balloon rotate it around its axis so as to take off the boundary layer.