Dirigeable hybride - Hybrid airship

Le dynamiteur HAV 304 , vu en proue

Un dirigeable hybride est un aéronef propulsé qui obtient une partie de sa portance en tant que dirigeable plus léger que l'air (LTA) et une partie de la portance aérodynamique en tant qu'aérodyne plus lourd que l'air .

Un dynastat est un dirigeable hybride avec des ailes fixes et/ou un corps de levage et est généralement destiné aux vols de longue endurance. Il nécessite un vol vers l'avant pour créer la composante de portance aérodynamique.

Un rotastat est un dirigeable hybride à voilure tournante et est généralement destiné aux applications de transport lourd. Ses voilures tournantes peuvent fournir une portance même en vol stationnaire ou en manœuvre verticale, comme un hélicoptère .

Aucune conception de production n'a été construite, mais plusieurs prototypes avec et sans pilote ont volé.

Le terme « dirigeable hybride » a également été utilisé pour décrire un dirigeable comprenant un mélange de construction rigide , semi-rigide et non rigide .

Caractéristiques

Les dirigeables conventionnels ont de faibles coûts d'exploitation car ils n'ont pas besoin de puissance moteur pour rester en l'air, mais sont limités de plusieurs manières, notamment de faibles rapports charge utile/volume et de faibles vitesses. De plus, la manutention au sol d'un dirigeable peut être difficile. Parce qu'il flotte, même dans une brise légère, il est sensible aux secousses du vent.

D'autre part, les avions plus lourds que l'air, ou aérodynes, en particulier les giravions , nécessitent l'utilisation constante de la puissance pour générer de la portance, et les avions conventionnels nécessitent également des pistes .

Le dirigeable hybride combine la portance aérostatique du dirigeable, à partir d'un gaz plus léger que l'air tel que l'hélium, avec la portance dynamique de l'engin plus lourd que l'air à partir du mouvement dans l'air. Un tel engin hybride est toujours plus lourd que l'air, ce qui le rend similaire à certains égards à un aéronef conventionnel. La portance dynamique peut être fournie par des voilures tournantes de type hélicoptère (le rotastat ), ou une forme produisant une portance similaire à un corps de levage combiné à une poussée horizontale (le dynastat ), ou une combinaison des deux.

Les dirigeables hybrides sont destinés à combler le juste milieu entre le faible coût d'exploitation et les faibles vitesses des dirigeables traditionnels et la vitesse plus élevée mais la consommation de carburant plus élevée des engins plus lourds que l'air. En combinant une portance dynamique et flottante, les hybrides sont destinés à fournir une vitesse améliorée, une capacité de charge utile de fret aérien et (dans certains types) une capacité de vol stationnaire par rapport à un dirigeable pur, tout en ayant une plus grande endurance et une plus grande capacité de levage par rapport à un aérodyne pur.

La technologie des avions hybrides est censée permettre une plus large gamme d'optimisations des performances de vol, allant de nettement plus lourdes que l'air à presque flottantes. Cette perception d'une plage de vol dynamique rare lorsqu'elle est associée à un système d'atterrissage approprié est censée permettre un transport aérien ultra-lourd et abordable.

Concevoir

Par rapport à un dirigeable conventionnel, l'hybride peut être plus petit et n'a pas besoin de transporter de ballast pour le contrôle de l'altitude, tandis que par rapport à un engin plus lourd que l'air, l'hybride nécessite soit un rotor plus petit, soit une piste plus courte.

Là où le dynastat est considéré comme plus prometteur dans les rôles de passagers et de fret sur de longues distances, le rotastat devrait être plus approprié en tant que « grue volante » capable de soulever de lourdes charges externes sur des distances plus courtes.

Certains dirigeables utilisent la vectorisation de poussée , utilisant généralement des propulseurs de ventilateur à conduits pivotants , pour fournir une portance supplémentaire lorsque la poussée du moteur n'est plus nécessaire pour la propulsion vers l'avant. Une fois la vitesse aérodynamique acquise, l'engin peut utiliser la portance du corps pour aider à transporter une charge supérieure à sa seule capacité de portance aérostatique. Cependant, ces dirigeables ne sont généralement pas considérés comme des hybrides.

Dynastats

Le dynastat obtient une portance supplémentaire en volant dans les airs. Les configurations étudiées ont inclus l'utilisation de coques deltoïdes (triangulaires), lenticulaires (circulaires) ou aplaties, ou l'ajout d'une aile fixe.

Certains des premiers dirigeables étaient équipés d'avions à ailes, dans le but de fournir une portance dynamique supplémentaire. Cependant, la portance supplémentaire des avions peut être moins efficace que la simple augmentation du volume du dirigeable. À de faibles vitesses d'air, de 60 mph (97 km/h) ou moins, l'augmentation de la portance obtenue par l'utilisation d'avions sur un dirigeable nécessiterait une augmentation disproportionnée de la puissance du moteur et de la consommation de carburant par rapport à l'augmentation de la taille des sacs à gaz. . De plus, la fixation des surfaces de vol à l'enveloppe du dirigeable nécessiterait un renforcement structurel important, avec pour conséquence un gain de poids.

Les dirigeables conventionnels utilisent souvent la portance aérodynamique en utilisant leurs ascenseurs pour régler une assiette à cabrer de sorte que le corps principal du dirigeable fournisse une certaine portance lorsqu'il vole ; cependant, cela est généralement fait pour contrer des conditions mineures de déréglage, et il est tout aussi probable que le nez doive être pointé vers le bas pour réduire la portance.

Certains modèles hybrides, tels que le Lockheed Martin LMZ1M , utilisent une coque aplatie ou multilobée pour augmenter la portance aérodynamique obtenue. L'approche aérodynamique est similaire à celle d'un corps de levage avion, bien que les vitesses en jeu sont beaucoup plus bas. Les rapports de portance/traînée dynamiques atteignables sont nettement inférieurs à ceux des ailes fixes efficaces, en partie parce que la traînée induite augmente avec la diminution du rapport d'aspect. En conséquence, la portance entraîne une pénalité de traînée plus élevée que lors de l'utilisation d'ailes. D'autre part, par rapport à un hélicoptère, le dynamomètre a un meilleur rendement énergétique dans une plage de vitesse donnée.

Un autre problème survient pendant le décollage et l'atterrissage, lorsque, dans des conditions plus calmes, la vitesse anémométrique peut être trop faible pour fournir une portance aérodynamique suffisante. Pour cette raison, le dynastat est souvent conçu comme un avion STOL plutôt que VTOL , nécessitant une piste plus courte qu'un avion conventionnel.

Rotastats

Le rotastat obtient une portance supplémentaire des rotors motorisés, de la même manière qu'un hélicoptère. Des conceptions à un, deux et quatre rotors ont toutes été étudiées.

Les premiers exemples de l'entre-deux-guerres comprenaient des dessins d' Oehmichen et de Zodiac . Ceux-ci utilisaient les rotors pour le contrôle vertical uniquement, avec des hélices motorisées supplémentaires pour le vol vers l'avant, comme dans le gyrocoptère .

Plus récemment, le Piasecki PA-97 "Helistat" expérimental a attaché quatre cellules d'hélicoptère à un dirigeable à hélium, tandis que le SkyHook JHL-40 reste un projet. En règle générale, la portance aérostatique est suffisante pour supporter le poids de l'engin lui-même, tandis que, lorsqu'une charge est transportée, les rotors fournissent une portance supplémentaire au besoin.

Glisser sous la gravité

Si un dirigeable n'a pas assez de portance, il coulera par gravité. En inclinant le nez vers le bas, cela peut conduire à un vol plané vers l'avant comme un planeur conventionnel . Si un dirigeable a une portance excessive, il s'élèvera. En inclinant le nez vers le haut, cela peut également conduire à un mouvement vers l'avant. De cette façon, un dirigeable qui alterne périodiquement sa flottabilité entre positive et négative, tout en ajustant son attitude en conséquence, peut gagner une poussée aérodynamique vers l'avant presque continue. Ainsi, le vol se déroule tranquillement en zigzag vertical. Parce qu'aucune énergie n'est consommée directement pour créer la poussée, le principe permet des vols de longue durée, bien qu'à faible vitesse. Le Hunt GravityPlane proposé est un dirigeable hybride conçu pour tirer pleinement parti du vol par gravité.

Le principe fonctionne également sous l'eau, où il est utilisé de manière opérationnelle dans le planeur sous - marin .

Historiquement, ce principe de navigation aérienne, sous le nom de Wellenflug (vol onduleux) a été formulé pour la première fois et testé expérimentalement en 1899 par Konstantin Danilewsky à Kharkiv , en Ukraine, et décrit en détail dans son livre

Histoire

Hybrides précoces

Le vol plané par gravité date de la période pendant et peu après la guerre de Sécession , lorsque Solomon Andrews a construit deux de ces dirigeables. Le premier d'entre eux, Aereon , utilisait trois ballons individuels en forme de cigare montés ensemble dans un plan plat ; le second, Aereon #2 , utilisait un seul ballon "en forme de citron". Les Aereons d'Andrews ont été propulsés en inclinant les ballons vers le haut et en larguant du lest, puis le processus a été inversé, les ballons étant inclinés vers le bas et de grandes quantités de gaz de levage étant évacuées.

En 1905, Alberto Santos-Dumont mena diverses expériences avec son premier avion, le Santos-Dumont 14-bis , avant de tenter de le piloter pour la première fois. Il s'agissait notamment de le suspendre à un câble d'acier et de le remorquer, puis de le suspendre sous l'enveloppe d'un dirigeable précédemment construit ( numéro 14 ) - ce qui revient à apprendre à nager avec des " ailes d'eau ". L'engin combiné était inutilisable et a été démantelé, étant appelé "un hybride monstrueux". Une fois ces "répétitions" terminées, Santos-Dumont a fait la première démonstration publique d'un avion plus lourd que l'air en Europe.

En 1907, le dirigeable de l'armée britannique n° 1 (nommé Nulli Secundus ) effectua son premier vol. Il utilisait des surfaces aérodynamiques pour le contrôle d'attitude en vol, et pour son premier vol, il était également équipé de grandes ailes au milieu du navire. Les ailes étaient destinées à favoriser la stabilité plutôt que de fournir une portance et ont été retirées pour tous les vols ultérieurs. L'utilisation de la portance dynamique en inclinant le nez du dirigeable vers le haut ou vers le bas était également reconnue et pratiquée sur ce dirigeable.

En juin 1907, Alberto Santos Dumont construit son n°16, décrit par l'Aérophile comme un appareil mixte . Celui-ci avait une enveloppe de 99 m 3 (3 500 pieds cubes) mais était trop lourd pour voler sans portance supplémentaire fournie par une surface d'aile de 4 m (13 pieds). Il fut testé sans succès le 8 juin 1907.

Hybrides modernes

L' Aereon 26 était un avion qui a effectué son premier vol en 1971. C'était un prototype à petite échelle du dirigeable hybride Aereon Dynairship et faisait partie du projet "TIGER". Mais il n'a jamais été construit en raison du manque de marché pour un dirigeable hybride.

En 1984, l' hélistat AeroLift CycloCrane a volé brièvement.

La conception expérimentale du Piasecki PA-97 Helistat de 1986 combinait quatre hélicoptères avec un dirigeable dans le but de créer un véhicule de transport lourd pour les travaux forestiers. Il s'est rompu à la fin de son premier vol.

La technologie véhiculaire SkyCat ou "Sky Catamaran" est une fusion d'avions hybrides; une version à l'échelle à 12 mètres appelée " SkyKitten ", construite par Advanced Technologies Group Ltd, a volé en 2000. L' Agence américaine des projets de recherche avancée pour la défense (DARPA) a lancé le programme Walrus Hybrid Ultra Large Aircraft en 2005, une initiative de développement technologique axée sur explorations de la technologie de transport aérien ultra-lourd. Le programme a pris fin en 2007.

En 2006, le Lockheed Martin P-791 a subi des essais en vol habités. C'était un candidat non retenu pour le programme militaire de véhicule multi-intelligence à longue endurance, même s'il s'agissait du seul dirigeable hybride réussi à avoir volé jusqu'au 7 août 2016.

En 2008, Boeing a annoncé qu'il s'associait à SkyHook pour développer un véhicule de levage lourd, le SkyHook JHL-40 Boeing a par la suite abandonné le projet.

Les véhicules aériens hybrides HAV 304 ont été construits pour le programme de véhicules multi-intelligence à longue endurance (LEMV) de l'armée américaine. Il a volé avec succès pendant 90 minutes en août 2012. Après l'annulation du projet LEMV, Hybrid Air Vehicles a racheté le véhicule HAV 304 et l'a ramené au Royaume-Uni. Il a été rénové et rebaptisé Airlander 10 . Le 17 août 2016, l'Airlander 10 a effectué son premier vol d'essai réussi à l'extérieur des hangars de Cardington à RAF Cardington. Le pilote d'essai en chef Dave Burns a déclaré dans un communiqué : "C'était un privilège de piloter l'Airlander pour la première fois et il a volé à merveille. Je suis vraiment excité à l'idée de le faire décoller. Il a volé comme un rêve." Plus de 200 heures de vol supplémentaires sont nécessaires pour une certification complète.

Autres projets en cours

Une start-up canadienne, Solar Ship Inc, développe des dirigeables hybrides à énergie solaire qui peuvent fonctionner uniquement à l'énergie solaire. L'idée est de créer une plate-forme viable qui peut voyager n'importe où dans le monde pour livrer des fournitures médicales froides et d'autres nécessités vers des endroits en Afrique et dans le nord du Canada sans avoir besoin de tout type de carburant ou d'infrastructure. L'espoir est que les développements technologiques dans les cellules solaires et la grande surface fournie par le dirigeable hybride suffisent à faire un avion à énergie solaire pratique. Certaines caractéristiques clés du Solarship sont qu'il peut voler seul sur une portance aérodynamique sans aucun gaz de levage, et les cellules solaires ainsi que le grand volume de l'enveloppe permettent au dirigeable hybride d'être reconfiguré en un abri mobile qui peut recharger des batteries et d'autres équipements. .

Le Hunt GravityPlane (à ne pas confondre avec l' avion à gravité au sol ) est un planeur à gravité proposé par Hunt Aviation aux États-Unis. Il a également des ailes aérodynamiques, améliorant son rapport portance-traînée et le rendant plus efficace. Le GravityPlane nécessite une grande taille afin d'obtenir un rapport volume-poids suffisant pour supporter cette structure d'aile, et aucun exemple n'a encore été construit. Contrairement à un planeur motorisé , le GravityPlane ne consomme pas d'énergie pendant la phase de montée en vol. Il consomme cependant de l'énergie aux points où il change sa flottabilité entre des valeurs positives et négatives. Hunt affirme que cela peut néanmoins améliorer l'efficacité énergétique de l'engin, similaire à l'efficacité énergétique améliorée des planeurs sous - marins par rapport aux méthodes de propulsion conventionnelles. Hunt suggère que la faible consommation d'énergie devrait permettre à l'engin de récolter suffisamment d'énergie pour rester en l'air indéfiniment. L'approche conventionnelle de cette exigence est l'utilisation de panneaux solaires dans un avion à énergie solaire . Hunt a proposé deux approches alternatives. L'une consiste à utiliser une éolienne et à récupérer l'énergie du flux d'air généré par le mouvement de glisse, l'autre est un cycle thermique pour extraire l'énergie des différences de température de l'air à différentes altitudes.

Liste des dirigeables hybrides

Taper De campagne Classer Date Rôle Statut Remarques
Cyclogrue AeroLift Etats-Unis Rotastat 1984 Grue volante Prototype
Andrews Aereon Etats-Unis Planeur de gravité Expérimental Prototype Propulsion en larguant alternativement du ballast et du gaz d'échappement.
Andrews Aereon 2 Etats-Unis Planeur de gravité Expérimental Prototype Propulsion en larguant alternativement du ballast et du gaz d'échappement.
ATG SkyKitten Royaume-Uni Dynastat 2000 Expérimental Prototype Démonstrateur à l'échelle pour le SkyCat proposé.
Chasser GravityPlane Etats-Unis Planeur de gravité Projet Divers moyens de contrôle des ballasts et de récupération d'énergie proposés.
Véhicules aériens hybrides HAV-3 Royaume-Uni Dynastat 2008 Expérimental Prototype Démonstrateur de technologie.
Véhicules aériens hybrides HAV 304/Airlander 10 Royaume-Uni Dynastat 2012 Multi-rôle Prototype Construit en collaboration avec Northrop Grumman en tant que HAV 304 pour le programme LEMV de l'armée américaine. Reconstruit en Airlander 10.
Lockheed Martin P-791 Etats-Unis Dynastat 2006 Expérimental Prototype Conduit aux projets LMZ1M et LMH1.
Nimbus EosXi Italie Dynastat 2006 drone Hybride à ailes delta.
Hélistat Piasecki PA-97 Etats-Unis Rotastat 1986 Grue volante Prototype
SkyHook JHL-40 Etats-Unis Rotastat Grue volante Projet Projet commun avec Boeing .
Thermoplan ALA-40 Russie Dynastat 1992 Expérimental Prototype Démonstrateur à échelle lenticulaire pour l'ALA-600 proposé.
Morse HULA Etats-Unis Dynastat 2010 Transport Projet Projet DARPA, annulé 2010.

Voir également

  • Kytoon - un hybride cerf-volant/ballon captif

Les références

Remarques

Bibliographie

  • Khouty, G. ; Airship Technology , 2e édition, CUP (2012), chapitre 19.
  • Hunt, Robert D.; "Vol alimenté par un cycle de puissance atmosphérique", AIAA 5th Aviation Technology, Integration, and Operations Conference (ATIO) 26-28 septembre 2005 , American Institute of Aeronautics and Astronautics (2005) [2] . Copie gratuite à télécharger

Liens externes