DIRIGEABLES LIFTIUM

 

 

Dispositions Liftium pour les enveloppes fuselées souples avec lestage.

 

            On considère des appareils remplissant des missions relativement longues, notamment d'observation et de transport. Le lestage par l'eau peut alors être admis, et la force aérostatique supporte la plus grande part du poids. Liftium propose des dispositions dont certaines brevetées :

- la compartimentation : liens internes longitudinaux constitués de panneaux de toile étanche contribuant à la raideur, tandis que des diaphragmes transversaux limitent les transferts en cas de fuite et autorisent une pression moindre, vis-à-vis du risque d'instabilité en tangage à l'arrêt,

- des baguettes flexibles, dans les sillons correspondants aux liens longitudinaux, pour accroître la raideur en cas de fuite de gaz,

- la forme "fléchette", fuseau souple formant à l'arrière trois ailes d'empennage en delta ce qui évite de rapporter des empennages rigides avec des concentrations de contraintes dans la toile et donne une grande rigidité à l'arrière,

- sur l'arrière, moteurs propulsifs éventuellement orientables pour une grande maniabilité, les hélices à l'arrière procurant le meilleur rendement et limitant les risques aux personnes.

- rotors verticaux de grand diamètre sous l'enveloppe pour donner la sustentation désirée avec une faible puissance, la compensation par lest gardant un poids apparent pour éviter d'avoir à souffler vers  le haut sur l'enveloppe, et pour permettre une descente en plané à faible vitesse.

- amarrage possible en rotule sous le dirigeable et non pas au nez, ce qui réduit l'encombrement au sol, prévient le risque de mise à la verticale sur l'ancrage, et facilite les échanges de charge. Un pilotage automatique face au vent par les gouvernes à l'arrière permet l'amarrage par le milieu de la longueur, notamment en rotule sur la charge fixée au sol. Pour une dépose, le dirigeable s'approche en vol avec une large tolérance de position, puis un câble est déroulé de la charge et halé du sol jusqu'à dépose précise et fixation de la charge.

- pour une prise de charge ou une dépose sur un site exigu, ancrage comme ci-dessus par le milieu mais en ballon captif en intercalant une élingue. Le maintien face au vent par pilotage automatique a également été calculé et vérifié sur maquette. En vol, l'élingue est rétractée ou non.

- un dispositif de câble et crochet permet la prise de terrain sans personnel au sol.

 

Le fuseau empenné dispose d'une assez grande portance dynamique : en croisière, l'orientation en tangage permet le contrôle d'altitude malgré le poids apparent, qui peut varier par exemple entre 10% et 1% de la force aérostatique, en raison de la consommation de carburant. Les rotors verticaux ne sont utiles qu'à faible vitesse. Des dispositions ont été proposées agir sur la force aérostatique mais elles sont complexes et inutiles, voire irréalistes.

 

Pour arriver à de grandes tailles, la question principale, pour les enveloppes souples, est de pouvoir appliquer une pression d'hélium suffisante pour obtenir la rigidité voulue. La similitude, vis-à-vis du maintien des formes, impose que  la pression croisse comme les longueurs. Si l'épaisseur croît aussi comme les longueurs, pour garder un même pourcentage de masse, les contraintes croissent comme les longueurs. Il y a donc une limite liée au matériau de la toile et aux jonctions. Dans une stratégie de progression de taille, après avoir validé des options générales sur un appareil d'une certaine taille, on peut extrapoler en similitude, sous réserve de la validation du nouveau matériau de toile, pour des contraintes plus élevées. Des limitations d'une même nature apparaîtraient pour les rigides.

 

Appareils envisagés.

 

            Une progression de taille pour les "fléchettes" pourrait être la suivante :

- maquettes de validation et mesures,

- monoplace minimum, par exemple de 150 m3, sans moteur, pour navigation sportive au vent en utilisant le "Chien-de-Mer", dérive en bout de câble à grande finesse hydrodynamique (compétitions, perspectives médiatiques),

- biplace "ULM classe 5" de moins de 1000 m3, avec un moteur arrière de 30 kW et deux moteurs sustentateurs de 10 kW sur les côtés de la nacelle, pour la validation des options générales avec prises de charges, et pour l'observation scientifique ou de sécurité civile, les prises de vue, la publicité, et le cas échéant des raids sportifs sans moteur sur Chien-de-Mer,

- télécommandé de 2000 m3 pour les longues patrouilles d'observation maritime, ou pour la traction de sonars immergés ( sans bruit parasite dans l'eau),

- habité de 2000 m3, avec plus de charge, de vitesse et d'autonomie que le 1000 m3

- habité de 10000 m3 pour la patrouille en mer et les sauvetages, ou pour le tourisme avec une vingtaine de passagers, notamment sur sites marins avec parcours sans moteur, ou pour des transports exceptionnels vers des sites isolés ou des lieux de catastrophes, en se passant de grand terrain comme l'hélicoptère, mais avec plus de rayon d'action.

- appareil transport de charge, par exemple de 100000 m3 pour transporter 50 t.

- progression ultérieure  par exemple jusqu'au transport de 500 tonnes pour de grands ensembles industriels ou de travaux publics.

 

            Pour le HAL, la progression serait la suivante :

- maquettes de validation et mesures,

- biplace "ULM classe 5", avec moteur propulsif de 30 kW et deux sustentateurs de 10 kW procurant chacun une force de 150 kg avec des rotors de diamètre 4m, enveloppe delta de 400 m3, pour la validation des options et les utilisations déjà décrites pour la fléchette ULM, mais sans lest.

- de même, un télécommandé pour l'observation et surtout pour des tractions de sonars, le HAL étant avantageux pour sortir et remettre à l'eau les lourds "poissons" de détection.

- un appareil relativement puissant pour emporter par exemple 30 tonnes en "bombardier d'eau" contre les incendies : 15 tonnes en soulèvement par les rotors et simultanément 15 tonnes en portance dynamique lors du chargement par écopage ( les Canadair n'emportent que 5 tonnes),

- le même appareil, emportant selon les contrats une cabine pour touristes, une cale à marchandises, un chargement militaire, ou capable en exploitation forestière de soulever un grand arbre coupé à la base sans qu'il tombe au sol, d'où un minimum de dégât au sol forestier. Pendant la coupe, le HAL amarré à l'arbre vole à faible puissance. Les arbres amenés à un site proche y sont préparés et regroupés pour un enlèvement par la route ou une voie d'eau, éventuellement par voie aérienne.

            Le HAL pourrait être développé pour des charges plus lourdes par exemple en utilisant 4 rotors existants, capables chacun de 15 tonnes. 

 

Missions souhaitées par Liftium.

 

Le rapport URBA-2000 remis à la DRAST décrit une organisation de recherche et développement. Il souligne la nécessité de programmes technologiques généraux avant de préciser un projet de transporteur lourd, mais souscrit au principe de la progression en taille dont les étapes sont des prototypes utilisables pour diverses missions. Selon Liftium, il est important de valider très tôt les concepts ou avant-projets de ces prototypes, qui apporteront l'expérience des innovations permettant de corriger certains défauts des dirigeables actuels et pourront donner lieu à des exploitations utiles et rentables. Ceci peut commencer sans attendre des connaissances bien nouvelles, en matière de matériaux ou de méthodes de calcul. Les dirigeables construits depuis cent ans constituent une base suffisante pour des dirigeables moyens. Les automatismes de pilotage, ou les rotors verticaux, sont largement disponibles, et demandent seulement des adaptations.

 

            Liftium se propose pour coordonner cette démarche dans les directions proposées, sous le contrôle de l'organisme payeur, et en coopération avec les milieux industriels et scientifiques. Des partenaires industriels peuvent alors apparaître. S'il existe des projets concurrents, Liftium peut proposer une grille d'appréciation. Des synthèses ne sont pas à exclure.

            Jusqu'à présent, aucune appréciation comparative de projets n'a été entreprise par un organisme technique. Liftium souhaite qu'une discussion soit ouverte sur les idées proposées, après diffusion de la présente synthèse.

 

Dirigeables télécommandés d'observation.

 

Introduction.

 

            Les qualités du dirigeable pour l'observation aérienne sont reconnues: stabilité, vol stationnaire, faibles vibrations et bruit d'où une grande qualité des enregistrements, grande autonomie, économie de carburant. Longtemps, les dirigeables d'observation terrestre ou maritime ont été pourvus d'un équipage, éventuellement doublé pour les vols de longue durée. Ceci imposait des charges et des volumes importants, actuellement évalués à environ 12000 m3 mais qui ont atteint 42000 m3..

 

En télécommandé, avec guidage sur satellites et exploitation des données à terre ou sur navire, on obtient un grand allégement. Les instruments d'observation eux-mêmes peuvent être allégés. On étudie déjà des "drones" dirigeables, mais dans de petites dimensions (20 à 40 m3) qui ne permettent pas des performances suffisantes pour des utilisations habituelles.

 

On examine ici des appareils télécommandés de taille intermédiaire, de l'ordre de 2000 m3, aptes à voler malgré des vents importants, et dont la durée de vol soit très supérieure à celle des hélicoptères et des avions. Des appareils avec la même enveloppe pourraient observer en surface des événements sur terre ou sur mer, avec une variété de capteurs, ou tracter des sonars immergés.

 

La forme serait la "fléchette" du dirigeable piloté Liftium-1 de 250 m3 qui a bien volé. L'enveloppe souple gonflée à l'hélium porte trois ailes d'empennage en delta,  conformées par des liens internes, donnant une grande rigidité de l'arrière. Le moteur arrière orientable est coordonné avec trois volets sur les bords de fuite. Les sillons longitudinaux sur l'enveloppe peuvent recevoir des baguettes, pour le maintien de la forme et la pilotabilité même en cas de forte fuite de gaz porteur.

 

Pour d'autres utilisations, les mêmes enveloppes pourraient être équipées de cabines pour 4 à 5 personnes. Nous présentons ailleurs la formule HAL qui comporte une enveloppe en aile delta à forte portance dynamique sur suspentes, adaptée aux transports sans échange de lest.

 

Dirigeable de patrouille.

 

            Pour des observations en mer à grand rayon d'action, on peut souhaiter une durée de vol de l'ordre de la semaine et une vitesse maximale de l'ordre de 30 m/s ou 108 km/h pour revenir en sécurité à la base sur avis de tempête, en passant si nécessaire le relais aux avions.

 

Soit un dirigeable de volume B=2000 m3 ou B2/3=158,7m². Pour 30 m/s, Pd= 540 Pa, avec Cx= 0,035 donc une surface de traînée de 5,55m², il faut une force de 540 x 5,55 = 3000 N , puissance théorique 90 kW, pratique 100 kW (bon rendement de l'hélice à l'arrière). Le pilotage en altitude est obtenu par mise en incidence, efficace dès une faible vitesse malgré un réglage "lourd" de 2% à 5%. On ajoute, pour la maniabilité près du sol et éventuellement une forte surcharge, deux petits moteurs sustentateurs.

 

Des moteurs diesel pour automobile peuvent avoir la robustesse des moteurs à essence avionnés. Un moteur à essence pèse 0,7 kg/kW  et consomme environ 0,28 kg/kWh, soit à pleine puissance son poids de carburant en 2,5 heures. Un moteur diesel pèse 1,2 kg/kW et consomme 0,22 kg/kWh soit à pleine puissance son poids de carburant en 5,5 heures. Pour 10 heures de pleine puissance, la masse totale est de 3,5 kg/kW avec l'essence et 3,4 kg/kW au diesel, qui prend l'avantage. Si l'on vole en moyenne à vitesse moitié avec 12,5 kW, consommation 3,5 ou 2,75 kg/h,  différence 50 kg sur les moteurs de 100 kW, avantage au diesel pour des missions de 67 heures.

 

Un groupe moteur diesel et hélice de 100 kW pèserait environ 150 kg. Le Liftium-1 de  250 m3 porte facilement son moteur arrière d'environ 15 kg et 10 kW, sans baguettes de rigidité. Pour 100 kW, le volume de 2000 m3 apparaît adapté.

 

            Sur mer, le poids est régularisé par des écopages d'eau à 15 m/s ( Pd= 112000 Pa) à l'altitude 8 m. Pour l’observation sur terre, on peut envisager, au lieu du diesel, un moteur consommant du gaz naturel détendu, contenu dans un ballonnet, équilibré en volume par un ballonnet d’air. La consommation diminuant la portance, on relâche progressivement de l’eau.  

 

            On ajoute sous le dirigeable un câble en travers au tiers de la longueur, qui sera saisi pour l'atterrissage par un champignon au sol. Le vol captif est possible sur la même attache. Il est rendu plus stable par un pilotage automatique.

 

Devis sommaire des masses

pour fléchette B= 2000 m3, longueur 36 m, diamètre 9,1m, surface 900 m², B2/3 =159 m²  :  

            Enveloppe        900 m² à 0,32 kg/m² = 288 kg

            parois internes  700 m² à 0,15 kg/m² = 105

            ballonnets 500 m3, 400 m² à 0,15   =     60                               

baguettes        340 m à  0,5 kg/m  =   170

            nacelle, atterrisseur, commandes         100

            moteur propulseur, réservoir, fixations  200

            2 moteurs sustentateurs pour 1000 N:    50

            Gonfleurs, écope sur tube flexible            20

            Volets         15 m² à 1 kg                 15

Divers                                                   32

total ballon               1050 kg

carburant: 200 heures à 2,75 kg/h         550

charge utile                                          100

            total au départ            1700 kg

Remplissage 1700 m3 d'hélium, 300 m3 en ballonnets d'air

Altitude de plénitude pour expansion 17,6% : 1600m                                    

Portance aérodynamique Fz disponible à 15 m/s et incidence 10°, Cz= 0,175 :

Pd = 135 Pa, Sref=159 x 0,175 =26 m², d'où Fz= 3510 N.

 

Pour une charge utile plus élevée, on peut décoller avec l'aide des sustentateurs, ou mobiliser la portance dynamique avec décollage roulé ( pour 300 kg à 15 m/s, parcours 100m).

L'option "Chien-de-Mer" permet une grande partie du temps une navigation au vent par exemple à 40 km/h, sans consommation. Les durées de mission pourraient passer de 200 heures (8,33 jours à 50 km/h, 10000 km) à plusieurs semaines.