Aéronautique: ballon dirigeable à vide?

[Mct92mct]

Bonjour,
Voici une nouvelle nef cathédrale simplifiée de 9 m de diamètre qui devrait servir de démonstrateur au principe du ballon à vide...
voir la vidéo SVP
http://www.youtube.com/watch?v=1Wsyr...ature=youtu.be
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[Jean-GUERIN]

Bonjour deadcorpse33, Bonjour à toutes et à tous,

D'ici quelques années je serai dans un DUT puis une Prépa et enfin une ecole d'ingénieur, où il faut toit les deux s'investir dans un projet personnel ou professionel, présentée devant un jury (un genre de grand TPE). Cela veut dire acces à un labo, à du materiel de soudure, à des matériaux adaptés, et surtout j'aurai de bien meilleure connaissances en physique des matériaux, en mécanique et aéronautique.

Voilà une noble ambition, bravo ! C'est du boulot, mais ça en vaut la peine !

J'aimerai beaucoup en profiter pour aller au bout de l'idée de ce ballon à vide en en faisant un prototype.
Ensuite pour des moyens financiers, je préfère en parler en privé.

Dans une démarche de ce genre, il y a deux grandes étapes :
- Passer de l'idée au produit, ce qui est apparemment en cours,
- Passer du produit au marché, ce qui est au moins aussi difficile, et peut être beaucoup plus long ...

Ces points ne sont pas de moi mais de Bernard Maitenaz, l'inventeur génial des verres Varilux. Il me semble que la lecture du bouquin "L'épopée Varilux" ###lien commercial### donne une bonne idée de ce genre d'aventure ...

Amitiés,

Jean

[Mct92mct]

Bonjour, voici un résumé d'un conversation intéressante que j'ai eu suite à la diffusion de la vidéo page 7

« D » : Bonjour Claude
Bravo pour ta ténacité sur tes idées! Les géodes sont en effet des objets fascinants, et j'aurais de nombreuses questions à te poser sur la conception que tu présentes. En gros, ce que je voudrais comprendre, c'est si ta démarche est semi-empirique (avec des tas de compromis) ou bien entièrement rationnelle, calculable?
« C »
Bonjour « D », ma démarche est rationnelle, cependant elle fait appel à quelques simplifications de calcul et ce, plus spécialement sur le calcul de résistance des matériaux. En effet, l’idéal d’un point de vue de la résistance des matériaux, serait de réussir à paver toute la surface de la sphère d’une quantité finie de triangles équilatéraux parfaitement identiques… (Malheureusement, comme sûrement tu le sais, c’est une chose impossible)
La figure la plus proche d’une sphère construite à l’aide de 20 triangles équilatéraux c’est l’icosaèdre un point c’est tout. Après, on rentre dans la compromission artistique… (humour)
Une des méthodes classique (voir l’article de wikipédia sur la géode) consiste à diviser chacun des 20 triangles équilatéraux de l’icosaèdre en N puissance 2 triangles équilatéraux… et de projeter ensuite sur la sphère depuis le centre de l’icosaèdre les intersections de tous les triangles équilatéraux dessinés. Ainsi, une géode de type V (5 latin), N, 0 est une géode triangulée constituée de 20XNXN triangles plus ou moins équilatéraux. Mais l’œil s’y trompe bien et la nature probablement aussi… (humour)
Ainsi, une des manières la plus simple de calculer la contrainte en flambage de chacune des tiges d’une géode et de considérer que la surface d’une géode se rapproche d’une sphère et que l’ensemble de chacune des tiges absorbe linéiquement une partie de la contrainte totale en pression. Ainsi, la contrainte moyenne approximative en flambage exercée sur une tige, c’est la force totale de pression exercée sur la surface de la géode (assimilée à une sphère) et divisée par la longueur totale de toutes les tiges constituant cette dernière, ramenée à la longueur moyenne d’un des cotés du « triangle équilatéral moyen »…
Ainsi, si l’on se fixe arbitrairement une géode de type V, 7, 0 (pour se limiter en nombre de pièces, tout en garantissant un certain volume pour cette structure bâchée avec une toile résistante (choisie arbitrairement à 50 grammes au mètre carré) et soumise à une dépression interne) On a à résoudre alors un système…
Voir l’exemple de la fiche de calcul pour une géode de 4 m à la fin du texte.



Le choix « arbitraire » des matériaux utilisés sont des corps de flèche de 9 mm de diamètre creuse en carbone haut module d’une épaisseur de peau de 1 mm et d’une masse linéique de 20 grammes au mètre environ et d’un moment d’inertie que je te laisse calculer. C’est, à ma connaissance, un des matériaux les plus résistants d’un rapport qualité prix raisonnable. Environ 30 euro du mètre (sans se battre…)
J’ai aussi trouvé quelqu’un pour me faire les nœuds à 20 euro pièce… (Je pense que ça doit revenir moins cher dans ton labo)

« D » : Pour faire ta nef stratosphérique, y a-t-il une infinité (du moins un grand nombre) de solutions, et dans ce cas, quel critère satisfait celle que tu présentes?

« C » : Bien évidemment, le critère choisi est celui d’un démonstrateur à moindre coût…

« D » : Ensuite, quelle destination donnes-tu à ce projet? Est-ce que les météorologues ou autres spécialistes de l'atmosphère ont besoin d'un ballon densito-stationnaire? Je veux dire que ta nef a vocation à s'arrêter de monter quand son poids est équilibré par la poussée d'Archimède, donc fonction de la densité locale de l'air (ce qui n'est pas la même chose qu'une altitude constante). Si cette interprétation est correcte, un tel objet est un traceur de densité et cela peut être utile pour des études de mouvements atmosphériques (entre autres).

« C » : C’est une application auquel je n’avais même pas pensé… Mais il y en a bien d’autres… Notamment pour qui veut rester en l’air des années dans la stratosphère pour un coût dérisoire… (Sans polluer l’espace de détritus ayant une énergie cinétique conséquente (humour spatial)). Il faudra alors augmenter considérablement le nombre de nœuds car pour monter haut il faut nécessairement augmenter considérablement la taille des ballons… 28 m de diamètre me semble une bonne taille pour un ballon trainant à 20Km d’altitude environ.

« D » : Je comprends bien le principe de la géode, et le compromis à trouver entre le poids de la structure et sa tenue mécanique à la différence initiale de pression nécessaire. Mais existe-t-il des alternatives plus conventionnelles à ces géodes (genre toile tendue sur une armature plus simple, genre ballon dirigeable, ou simplement ballon élastique à l'élasticité maîtrisée? )

« C » : Il y a effectivement probablement toute une panoplie de formes différentes tout en sachant que la voûte sphérique est la plus solide.

« D » : Ensuite, pourquoi se restreindre à l'air? En remplissant d'azote par exemple, on a déjà une force ascensionnelle sans nécessité de différence de pression initiale donc moins exigeante sur la tenue mécanique,. A fortiori avec de l'Helium, mais aussi avec des mélanges Helium-Azote ou Hydrogène-Azote moins chers que l'Helium pur. On a bien fait autrefois des ballons à hydrogène .(bon, mais l'aventure du Hindenburg en est un triste exemple)

« C » : Là encore, tu as parfaitement raison, tous les compromis sont envisageables. On peut très bien mettre dans la géode un gaz comme l’hélium pour soulager tout ou partie des efforts sur la structure.

Enfin, je suppose que tu as défini la méthode fabrication et les matériaux correspondants pour réaliser ton projet. A combien estimes-tu le coût de fabrication?


J’ai déjà répondu plus haut à cette question au moins pour la partie géode… je ne maitrise pas à l’heure actuelle, la fabrication de la toile ni son coût…




Masse d'air déplacée Masse totale géode+enveloppe
4 m 17,29132597 Kg 17,09870649 Kg


longueur tige moyenne contrainte max pression standard
0,343216842 m 6488,276654 Newton 101325 Newton/m^2

Longueur totale de l'ensemble des tiges surface totale Force Force par mètre
504,5287579 m 50,26548246 m^2 2190054,504 N 4340,792215 N/m


Diametre extérieur tiges creuses contrainte nécessaire
9 mm 1489,832996 Newton
Diametre intérieur tiges creuses
8 mm


Moment d'inertie tige Facteur de sécurité
1,21E-10 SI 4,355036216

Module d'élasticité tiges carbone
6,4E+11 SI

Pourcentage d'atmosphère retirée à l'intérieur de la géode
43 %


Masse linéique des tiges
0,024033184 Kg/m

Masse surfacique toile
50 g/m^2
Masse nœuds en plastique
5 g

[deadcorpse33]

Bonjours, je me demandai quels points de la sphère pourrait convenir pour atteler un matériel de quelques kilos.
La sphère est en effet la structure la plus stable si les forces sont également réparties. Mais j'ai l'impression que cette structure n'est pas compatible avec une force non répartie et dans un sens unique. Ce ballon, pour être utile, ce ballon devra embarquer une camera, des intrumens de mesure, plus la pompe à vide pour environ 10 kg.
Pour parer à ce problème ne devrait on pas, à l'intérieur poser une structure plus solide en forme de triangle equilateral à l'hémisphère. Ainsi on reporte le problème en trois points ce qui divise la force par 3 en chacun des points et permet au balon d'avoir une stabilité. Mais même avec ça je doute que la structure encaisse le coup ou du moins cette tension ammènerai à l'usure rapide de la structure avec des oscillement dus aux vents de grande altitude.
Qu'en pensez-vous?

[Mct92mct]

Bonjour,
Dans l'exemple d'un démonstrateur de 4m de diamètre comme décrit ci dessus...La charge d'emport serait de 200 g maxi.
On aura de la chance si l'on réussi à placer quelque part au bas de la géode une petite balise de radio détection...D'autre part, la charge est parfaitement négligeable par rapport aux contraintes en pression envisagées... donc pas de soucis, la structure en carbone et plastique tiendra le déséquilibre dû à la charge .

[Gilgamesh]

Fil nettoyé. lepapenoir, merci de ne pas interférer avec la discussion en cours.

Autrement, je n'ai pas refais les calcul (surtout qu'il faudrait tout modéliser et qu'en outre je ne suis pas bien calé en résistance des matériaux, j'ai juste quelques notions) mais... tout ceci me semble tenir la route.

Mct, est ce que tu as pensé au crowfunding ?

[Mct92mct]

Bonsoir "Gilgamesh" merci pour le petit nettoyage...
Non je n'ai pas essayé le crowfunding...
Je vais me renseigner, j'ai cependant réussi à contacter une fondation américaine qui aime bien les géodes...
Elle distribue 100 000 $ chaque année à son meilleur projet...

[Jypou]

Voici une technologie concurrente qu'il convient de connaitre:
http://www.spacedaily.com/reports/ST..._Land_999.html

il est bon de se poser la question qu'est ce que peut apporter de plus un ballon à vide:
pas d’intérêt d'aller plus haut, mais longévité? charge emportée?

[Jypou]

Je me suis trompé en traduisant. Il ne s'agit pas d'une altitude de 100km, mais inférieure à 5km. Donc un dirigeable à vide à une place...

[Carcharodon]

A vide ??
Il s'agit d'un dirigeable a hélium...

The X-Tower is comprised of a patented high tech material that is extremely lightweight. The material is durable to the point that it is bullet proof and it retains helium 70% better than conventional materials available on the market today.

[Mct92mct]

Bonjour,
Le projet avance toujours... à la vitesse de mon financement...
https://www.youtube.com/watch?v=7mSE...VjvQ4RCdcedoSw

[Mct92mct]

autre vidéo sur le projet:
https://www.youtube.com/watch?v=1Wsy...VjvQ4RCdcedoSw

[Carcharodon]

Mouais... toujours pas du tout convaincant cette histoire de ballon a vide.
Je n'imagine pas une seule seconde, que cette structure, avec ou sans étais, va résister a la pression atmosphérique au sol lors de son vidage d'air.
Ça va faire "crunch".
Sinon, ça existerait déjà, car l'idée en elle même est tout de même simpliste et l'ingénierie très basique...

Seulement il va falloir prouver :
1) que ce truc ne s'effondre immédiatement pas a la mise sous vide, ce qui est de loin l'incident le plus probable.
2) qu'il est ensuite capable de performance qui offrent une utilité quelconque dans une durée de vie minimale, donc qu'il conserve son intégrité ainsi que sa densité (pas de fuites, ou plutôt pas de remplissage...) dans le temps.
3) qu'il présente ensuite, si tout se passe bien sur 1 et 2, un avantage quelconque, au plan technique et économique, sur les solutions actuelles.

Mais je reste fermement convaincu que vous n'irez même pas au delà du 1)...
A l'année prochaine pour des news et bon courage.

[noir_ecaille]

Pourtant, ne pas vider d'un coup l'intérieur, c'est probable que la structure résiste. On fait bien des sous-marins qui emmènes des humains au fond de la fosse des Mariannes, dans le genre structure à pression négative par rapport au milieu ambiant.

C'est plus sur la flottabilité au fil de la montée que j'ai des doutes : toutes les couches d'airs n'ont pas la même pression partout. Du coup c'est là que je me demande si la structure résistera à de brusques changements de pression.

Il me semble qu'une idée supplémentaire avait été émise dans ce même fil : d'abord remplir cette structure d'hydrogène ou d'hélium, puis vider cette hydrogène hélium au fil de la montée -- en sorte que la pression s'équilibrerait, jusqu'à arriver dans la stratosphère voire la mésosphère, où il ne serait plus nécessaire de retenir le moindre gaz à l'intérieur dans l'optique de résister aux fluctuations de pressions extérieures.

[Mct92mct]

Bonjour,
je me permets de mettre ici sous forme plus présentable les données d'un tableau dont le formalisme a été perdu...
Je pense que cette présentation rebutera moins à la lecture car elle permet de lire plus facilement les données de ma géode...


Caractéristique de la géode prototype de 4 m de Diamètre.


Masse d'air déplacée 17,29 Kg
Masse totale géode+enveloppe 17,09 Kg
soit 200 gramme de portance pour une dépression de 43%


longueur de tige moyenne d'un triangle isocèle est de 0,34 m
contrainte max que la tige peux tenir en flambage 6488,3 Newton
la pression standard au sol est de 101325 Newton/m^2

Longueur totale de l'ensemble des tiges triangulées 504,5 m
surface totale du ballon 50,3 m^2
force d'écrasement totale sur l'ensemble de la structure est de 2190054,5 N soit 219 tonnes force
ainsi la contrainte sur la structure en carbonne est de l'ordre de 4340,8 N/m


Le Diametre extérieur des tiges creuses est de 9mm
contrainte impliquée par la dépression de 43% donne en moyene 1489,8 Newton pour la longueur moyenne de 34cm
Le Diametre intérieur tiges creuses est de 8 mm


Moment d'inertie tige
1,21E-10 SI
facteur de sécurité 4,355036216= contraintemax 6488,3N / contrainte moyenne calculée soit 1489,8 Newton

Module d'élasticité tiges carbone
6,4E+11 SI

Pourcentage d'atmosphère retirée à l'intérieur de la géode
43 %


Masse linéique des tiges
0,024033184 Kg/m

Masse surfacique de la toile qui recouvre la géode
50 g/m^2
Masse nœuds en plastique
5 g (en fait 4,6 g aprés réalisation)

[Mct92mct]

Bonjour,
cette petite vidéo pour montrer l'avancement de mon projet.
Voir le Fichier : IMG_1187.MOV
Cette première maquette valide les calculs de la géométrie des pièces de cette géode de type V 7 0...
Elle a eu aussi le mérite de montrer quelques difficultés auquel je n'avais pas pensé pour le montage, notamment l'exigence d' une très grande précision nécessaire dans les longueurs des tubes ainsi que la nécessité de créer un outil de montage spécial pour l'assemblage.Car la rigidité de cette petite sphère est à la fois nécessaire et bien gênante pour sa fabriquation...

[Moinsdewatt]

Quand vous metterez sous dépression, pensez à vous éloigner ou vous protéger, une implosion ça peut aussi vous envoyer quelques débris à haute vitesse.

[Carcharodon]

Ça fera une très jolie déco, suspendu au plafond... avant la première tentative de mise sous vide, bien entendu, car après ce sera beaucoup moins esthétique.

[Mct92mct]

Il me semble qu'une idée supplémentaire avait été émise dans ce même fil : d'abord remplir cette structure d'hydrogène ou d'hélium, puis vider cette hydrogène hélium au fil de la montée -- en sorte que la pression s'équilibrerait, jusqu'à arriver dans la stratosphère voire la mésosphère, où il ne serait plus nécessaire de retenir le moindre gaz à l'intérieur dans l'optique de résister aux fluctuations de pressions extérieures.

tout à fait, excusez moi j'avais raté votre intervention...
IL est aussi possible de gonfler au sol la géode avec de l'hydrogène ou de l'hélium et avec une valve, laisser s'échapper l'hydrogène ou l'hélium au fur et à mesure de son élévation... une fois arrivé au sommet de sa trajectoire... ente 20 000 et 40 000 m, l'altitude de la géode va baisser et sa structure va prendre en compte progressivement les écarts de pression au fur et à mesure que l'hydrogène traverse la parois de l'intérieur vers l'extérieur...
la structure de la parois va donc permettre une dépression dans l'enceinte du ballon qui va ralentir l'exode de l'hydrogène interne ...
Reste à mesurer l'influence temporelle de la structure sur la prolongation du temps de vol du ballon avant que la pression ne le fasse imploser.

[Mct92mct]

Pour Moinsdewhat et Carcharodon... avez vous fait le moindre calcul de RDM sur la structure avant de faire vos annonces?

[Moinsdewatt]

Pour Moinsdewhat et Carcharodon... avez vous fait le moindre calcul de RDM sur la structure avant de faire vos annonces?

Pas besoin. On croit pas du tout à votre truc.

[Mct92mct]

Pas besoin. On croit pas du tout à votre truc.

Donc si j'ai bien compris, votre réticence est proche d'un acte de foi...

[invite73192618]

Tres interessant! Je n'ai pas tout regarde, mais une question: pourquoi faire les connecteurs en plastique? Est- ce que ca ne fragilise pas beaucoup la structure?

[Mct92mct]

Bonjour,
Les pièces en plastique travaillent uniquement en compression et sont assimilables à des sphères creuses sur les quelles s'appuient les tiges de carbones... Il est vrai que je n'ai pas optimisé ce calcul, la seule chose que j'ai vérifié, c'est qu'elles étaient capables de reprendre les efforts en compression en provenance des tiges.
PS: Elles peuvent aussi donner, sans doute, un petit peu de rigidité supplémentaire sur le flambage... Mais ça, c'est du bonus!!!

[invite73192618]

la seule chose que j'ai vérifié, c'est qu'elles étaient capables de reprendre les efforts en compression en provenance des tiges.

Mmm... pas certain que la contrainte en compression soit le maillon faible du connecteur. Est-ce que tu as fait des pretests? Par exemple prendre un assemblage tige-connecteur-tige entre deux etaux, puis appliquer une contrainte croissante jusqu'a ce qu'un element casse?

[Mct92mct]

Non, je n'ai fait que des calculs sur la résistance en flambage des tiges carbones, qui me semblaient, et de loin, le point le plus critique...
et j'ai simplement vérifié ensuite que les sphères creuses en plastique étaient capable de résister (par calcul) aux pressions que les tiges leurs infligeaient...

[invite73192618]

Non, je n'ai fait que des calculs sur la résistance en flambage des tiges carbones, qui me semblaient, et de loin, le point le plus critique...
et j'ai simplement vérifié ensuite que les sphères creuses en plastique étaient capable de résister (par calcul) aux pressions que les tiges leurs infligeaient...

Je te suggère d'essayer, àmha le point faible sera la résistance au cisaillement des éléments de plastique plutôt que leur résistance en compression ou le flambage des tiges.

[invite73192618]

Marrant, je suis tombé entre temps sur une émission de "science/variété" où le présentateur s'amusait, entre autres choses, à faire imploser une vieille citerne d'environ 1000 m3. La technique pour faire le vide était sympa: remplir de vapeur, fermer le bouchon, refroidir de l'extérieur. Au départ la citerne n'a pas implosée tout de suite, mais après une petite déformation initiale... screuch. Même pas de trou, le métal a juste plié.

[Mct92mct]

Je te suggère d'essayer, àmha le point faible sera la résistance au cisaillement des éléments de plastique plutôt que leur résistance en compression ou le flambage des tiges.

Bonjour, peux tu me dire de quel cisaillement tu parles, car je ne vois aucun effet de cisaille en fait sur le dispositif montré sur la vidéo.
Le seul éventuel effet de cisaille serais accompli sur la surface d'appuis des tiges de Carbonne sur la sphère de plastique, bien que celles-ci soient aussi collées sur chaque cotés des manchons sur prés d'un cm.

[invite73192618]

Peut-être que ce n'est pas le bon terme? Ce que je voulais dire, c'est que comme toute sphère la structure va être soumise à un phénomène d'ovalisation, et que les contraintes qui en résultent vont probablement déformer puis briser les jonctions de plastique bien avant que la résistance au flambage des tubes ne soit mise à l'épreuve.

Je ne suis pas certain du calcul à faire, mais une chose simple est de remarquer que les éléments assemblés par une jonction ne sont pas parfaitement alignés donc pas purement en compression. Si on a ne serait-ce qu'un degré d'écart (ce qui serait le cas même avec une très bonne approximation d'une sphère), alors on aura sin(1)=1,7% au minimum de la force supportée par les tubes qui résultera en une force perpendiculaire à la jonction. Si la force compressive est, disons, de 10 tonnes, cela fera 170 kilos de force de cisaillement (je crois que c'est le bon terme) sur la jonction. Est-ce que le plastique peut supporter cela? Probablement, mais probablement pas sans se déformer. Et s'il se déforme, l'angle va s'accentuer, disons 2 degrés. On aura alors sin(2)=3,5% donc 350 kilos. Est-ce que le plastique peut supporter cela? Probablement, mais probablement pas sans se déformer. Et s'il se déforme, l'angle va s'accentuer, disons 3 degrés... etc etc

Pas évident d'en inférer la résistance maximale, mais je crois que c'est de cette façon que ta quasi-sphère s'effondrera lorsque sa résistance, quelle que soit cette résistance, sera dépassée. Comme je te le disais plus haut je ne suis pas convaincu de savoir calculer cette résistance proprement, mais si je devrais le faire j'essaierais de m'assurer que cette série de déformation-augmentation des contraintes-déformation-... converge plutôt qu'elle ne diverge, et je crois que la valeur de déformation à partir de laquelle la série diverge pourrait indiquer la déformation maximale que la quasi-sphère peut absorber avant effondrement.

Remarque plus générale: une chose que je trouvais particulièrement pertinent est la remarque de Gilgamesh selon laquelle, puisque la force d'Archimède varie comme le cube de la longueur alors que les contraintes augmentent comme le carré, alors il devrait être possible de fournir une méthode de construction qui parvient à l'objectif en augmentant la taille jusqu'à équilibrer les deux. C'est exactement le genre de principe qui me semble tout-à-fait prometteur. Mais, après avoir joué avec l'idée ces derniers jours, je ne suis plus convaincu de la validité de l'argument. Le problème est que, à matériel constant, la résistance au flambage diminue aussi avec le carré de la longueur. Une approche naïve (ou du moins la mienne en première intention ) est de simplement multiplier les éléments de base. Or cela ne marche pas: le poids des éléments de structure varie alors non pas comme le carré, mais comme la puissance 4 de la longueur, c'est-à-dire plus vite que la force de poussée. Je n'ai pas dit mon dernier mot, il y a probablement des choses à exploiter dans la formule du flambage, mais pour l'instant de mon côté c'est 1-0 pour Murphy.

PS: tu as raison par ailleurs que le contact sur les tubes pourrait être un problème. As-tu une idée de comment cela affecte la résistance au flambage?