Brevet FR2290649A1 — publié le 19760604

La présente invention est relative à l'asservissement d'un projectile à un axe; elle permet en particulier l'asservissement d'un projectile à l'axe d'un faisceau dirigé sur un objectif, et vwe un procédé et un dispositif conçus par ailleurs de façon à assurer la visée et la mesure, au moins approximati ve, de la distance de l'objectif. Le guidage des projectiles, particulièrement des missiles, est à l'heure actuelle assuré par des dispositifs comportant un ou plusieurs gyros copes. Ces dispositifs ne donnent pas toute satisfaction, notamment parce qu'ils ne supportent pas de fortes accélérations, ce qui limite la vitesse de sortie de l'afin ou du tube de lancement et augmente la dispersion au départ ainsi que la durée de trajet. Par ailleurs, le dispositif objet de l'invention est insensible aux brouillages actuellement connus. En conséquence, cette invention concerne un procédé permettant l'asservissement à un axe d'un projectile en autorotation, à l'aide d'un fais ceau de rayonnements électromagnétiques à très courte longueur d'onde, faisceau formé d'anneaux circulaires concentriques modulés en amplitude, et à faire balayer ce faisceau par au moins un ou plusieurs détecteurs de rayon nement placés sur le projectile en autorotation, les signaux émis par ces détecteurs permettant de déduire les données nécessaires à l'auto-as servisse- ment du projectile à l'axe défini par le centre des anneaux et l'objectif. L'invention vise également un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé. Ce dispositif est caractérisé en ce qu'il comprend : d'une part, sur le système de lancement du projectile, un émetteur pourvu d'un système optique à focale variable permettant de suivre le projectile au cours de son éloigne ment, d'éclairer l'objectif, de permettre de le détecter avec une camera de télévision munie d'une croisée de réticule, et d'autre part, un ou plusieurs détecteurs placés sur le projectile et réalisés sous la forme de dispositifs électro-optiques formés par une lentille convergente au foyer de laquelle est placée une cellule sen sible à l'intensité du rayonnement électromagnétique et accusant une variation quand elle passe d'un anneau à un autre, des moyens étant par ailleurs pr8vus dans le projectile pour analyser les signaux enre gistrés, déterminer la distance à l'axe du faisceau et sa dérivée et corriger la trajectoire du projectile à partir de ces informations. D'autres caractéristiques et avantages de cette invention ressortiront de la description ci-après, qui faite en référence aux dessins annexés en illustre un exemple de realisation. Sur les dessins la figure 1 représente la coupe du faisceau émis par la source de rayonnement électromagnétique par un plan passant par le projectile, et la figure 2 illustre de façon schématique un moyen permettant de réaliser ce faisceau. Le faisceau utilisé dans cet exemple de réalisation est formé dans un plan P à une distance D d'un émetteur de rayonnement (et au voisinage de ce plan) d'une suite d'anneaux circulaires concentrique s, présentant alternativement des intensités de rayonnement élevée et voisine de zéro. Le centre O des cercles concentriques délimitant les anneaux définit avec l'émetteur l'axe du faisceau (fig. l). Si 1, 2, 3, k forment une suite de nombres entiers, si n est un exposant voisin de l (on choisira n > l afin que les écarts entre les cercles augmentent avec Jk et Si 1 est une longueur, les rayons des différents cercles sont de la forme a = On peut bien entendu, sans sortir du cadre de l'invention, choisir une loi de croissance différente mais conduisant à des écarts augmentant avec Ir k par exemple une valeur de n pour les faibles valeurs de k et une autre valeur pour k élevé. Suivant un exemple de réalisation de cette invention, le faisceau peut être obtenu par dépôt, sur la face extérieure de la glace semi-réfléchissante d'une chambre de résonance laser, d'un revêtement métallique réfléchissant reproduisant le dessin des anneaux. On forme ainsi un réseau R (fig. 2). Dans le cas où la couche semi-réfléchissante est disposée sur la face interne de la glace, il y a intérêt, afin d'éviter, dans la mesure du possible, toute perturbation pour le laser à chas ir une épaisseur de glace telle qu'un système dindes stationnaires puisse s'établir entre les deux couches métalli- ques en tenant compte du fait que le noeud de la vibration est à l'intérieur du métal. De façon à ce que l'on obtienne constamment une image du réseau R dans un plan passant par le projectile, le dispositif de l'invention comporte un système optique à focale variable donnant du réseau R une image dans ce plan P. Aux fins de simplification, on a représenté à la figure 2, ce dispositif sous la forme d'une lentille unique Ls des moyens étant prévus pour obtenir une image de dimensions déterminées à différentes distances. L'ouverture de l'optique doit être telle que le filtrage de l'image reste acceptable aux distances considérées. 1l convient également de prévoir des moyens permettant de corriger au mieux les aberrations géométriques; ce sont en effet ces aberrations et également la diffraction qui imposent un écart minimum entre deux cercles à une distance donnée. S'il existe un rayonnement d'intensité non nulle dans les anneaux de moindre intensité, on fera en sorte que ce rayonnement présente une différence de phase defpar rapport au rayonnement maximum afin de diminuer l'influence de la diffraction. On peut démontrerqu'il existe, pour un réglage fixe de l'optique, une image analogue à celle existant dans le plan P, dans l'espace situé devant et derrière ce plan P, jusqu'à des distances fonction du rapport entre l'écart de deux cercles successifs et le diamètre de la papille de sortie. Cependant la variation des intensités lumineuses est plus progressive. En dehors de ces zones, il n'y a plus d'extinction dans la sone utile du champ. Onpeut utiliser comme télémètre ltémetteur d'un tel faisceau muni de son optique réglable. Cependant-les résultats sont moins précis que ceux obtenus avec des télémè- tres lasers. Ce dispositif permet également de vérifier l'harmonisation entre l'axe du faisceau et la croisée de réticule de la camera de télévision. Si on place dans ce plan P un dispositif électro-optique formé par exemple par une lentille convergente au foyer de laquelle se trouve une cellule sensible à l'intensité du rayonnement électromagnétique, ce dispositif détectera une variation lorsqu'au niveau du plan P il passera d'un anneau dans un autre. n y aura intérêt à munir ce dispositif d'un filtre ne laissant passer que le rayonnement monochromatique de l'émetteur. Selon l'invention, le mobile ou le projectile en autorotation à guider est muni d'un ou plusieurs de tels dispositifs électro-optiques. Ces dispositifs balayent donc le faisceau en tournant autour d'un axe parallèle approximative ment à l'axe du faisceau avec une vitesse angulaire d# #= 2#N = dt N étant le nombre de tours/sec du mobile, sa sa vitesse instantanée de rotation, O l'angle de repérage. L'analyse des signaux enregistrés permet de- déterminer la distance à l'axe du faisceau et sa dérivée. Dans l'exemple illustre par la figure l, le mobile (ici un projectile en autorotation) comporte deux dispositifs électro-optiques A et B placés aux deux extrémités d'un diamètre passant par l'axe de rotation O'. SoitAB = 2r. OO' = e d# v = dt OX un axe de référence fixe dans l'espace; O'X' laxeparallèle àOX passant par O' ; # &alpha; = OX , OO' # = O'X',O'A Si k est l'angle correspondant à l'intersection du cercle de rang k ou "iso k", on peut établir que On analysera d'abord le cas où &alpha; = 0 Soit C le point O = O quand &alpha; = O. On démontre que le nombre d "iso k" coupés par A et B lors d'une rotation de 180 est, avec une très bonne approximation, indépendant de v et est uniquement fonction de t (sauf pour # vv O ). Soit # cette donnée.On a Si # # est la différence algébrique entre le nombre de coupures d'anneaux du réseau enregistrées par A, lorsque A se déplace de O à 180 et celles de B dans le même temps, on peut écrire, avec une bonne approximation : En faisant la somme de trois angles successifs (ou des temps qui s'écoulent entre quatre coupures successives), on constate que cette somme présente : - un maximum important pour O ~ O - un maximum en général moins important, surtout quand # n'est pas trop grand, pour O ~180 , et - un minimum absolu pour Q = + 90". En prenant le milieu de la coupure centrale lorsque la somme est maximum on peut de toute façon déterminer la droite non orientée 0 à 1800 et déterminer a Lorsque e n'est pas trop grand par rapport à r, on détermine ainsi en meme temps le point C de la figure 1 correspondant à O = t (et O = O lorsque &alpha; = 0). Lorsque ( devient trop grand par rapport à r, le maximum à 0= ( +1800 peut rejoindre et même dépasser pour certaines valeurs de e, le niveau du maximum à O = 9 . On compare alors la vitesse calculée à partir de ltéqua- tion (2) avec la vitesse déduite de la variation de 1) en fonction de e. On peut ainsi lever l'ambiguité pour #/r grand. D'autres mesures permettent également de déterminer e et v. On démontre que Si T1 est le temps entre deux coupures lorsque la somme des trois coupures est minimum pour le dispositif électro-optique se déplaçant de O à 1800 et T2 le temps de coupure pour l'autre dispositif, on a 1 + 1 indépendant de v et uniquement fonction de e. T1 T2 Par contre 1 - 1 est proportionnel à -v, T1 T2 et On a VU plus haut que pour v = 0, la référence O = v est donnée par le milieu de la coupure centrale de trois intervalles présentant un maximum de carrée. Lorsque v n'est plus négligeable, il faut apporter une correction égale à radians que l'on peut assi miler, puisqu'il s'agit d'un terme correctif, à - à (r qui, d'après la relation (3) es t égal à ou à d'après la relation (2). Dans le cas où l'invention est appliquée au guidage d'un projectile en autorotation, il faut disposer dans ce dernier d'une base de temps. Il faut en particulier connaître dans cette base le temps qu'il faut au projectile pour faire un tour. Quand dt rv 0 c'est le temps qui s'écoule entre deux maximum principaux successifs, ou le double du temps qui s'écoule entre deux minimum successifs. Pour des projectiles rapides et pour N de l'ordre de 10 tours par seconde, d&alpha; sera négligeable. dt On supposera donc que le projectile est pourvu d'une base de temps. I1 convient d'ailleurs de remarquer qu'il n'est pas nécessaire que cette base de temps soit précise et qu'il suffit qu'elle soit relativement stable pendant la durée du vol. Dans cette base on mesure le temps correspondant à trois intervalles successifs et on en déduit les instants #1, #2, #3, etc.. correspondant aux maximums principaux successifs. Dans ces conditions #2 - #1 = T1 #3 - t2 2T2 etc sont les temps nécessaires pour effectuer un tour. Ces temps ne varient que lentement en fonction de la vitesse de vol. On mesure #1 nombre de coupures subies par A de 0 à 180 , #2 nombre de coupures subies par B dans le même temps, c'est-à-dire de 1800 à 3600. On en déduit # = #1 + #2 et ##= #1 - #2 ainsi, que et Si l'on ne veut pas tenir pour négligeable d&alpha; il faut mesurer la dt vitesse de rotation #.On peut le faire en disposant dans le projectile deux accéléromètres identiques placés symétriquement par rapport à l'axe longitudinal principal d'inertie à une distance d de cet axe. La demi- somme de leur mesure donne d2 dontondedift u) = d'o do Pour annuler cette vitesse de rotation du projectile autour de son axe O, il faut décaler les ordres d'une quantité On peut aussi donner aux ordres un décalage fixe 5 2 pour tenir compte du retard qui s'écoule entre l'instant où l'ordre électrique est envoyé au projectile et celui où l'ordre est exécuté, par exemple par la gouverne du projectile (retard de gouverne), et un décalage ss 3 pour compenser l'effet gyroscopique. Pour des facilités de l'exposé on a admis -a) que la gouverne du projectile est actionnée par tout ou rien. Dans ces conditions le moment de gouverne est proportionnel à la durée pendant laquelle on fait agir la -gouve-rne, à condition de ne pas balayer des angles nettement supérieurs à 2 b) que le projectile n'est muni que d'une gouverne dans un plan, cette hypothèse n'est pas indispensable mais étant donné les vitesses de rotation envisagées, elle permet un guidage correct du projectile;; c) que le moment instantané de gouverne est dans le plan AB d) que l'on a établi une loi de commande A = (est) tenant compte d'un lissage plus ou moins important de e et de v. 1l est bien évident que le nombre d'informations par seconde augmente avec N et avec le nombre de détecteurs placés à bord du projectile. Si on suppose, à titre d'exemple, que le moment de gouverne doit etre dirigé vers 0 , l'instant de ddbut de l'ordre de rangi est et l'instant de fin de l'ordre de rangi est: 5 étant la somme algébrique des avances ou retards dont on veut tenir compte (notamment 8 6 2 ou 5 3). I1 ressort de l'exposé théorique qui précède que la combinaison d'un émetteur produisant un faisceau tel que décrit et d'un ou plusieurs détecteurs de rayonnement placés sur le mobile en autorotation permet d'assurer l'asservissement lu mobile sur l'axe de la trajectoire. Par ailleurs le faisceau émis peut etre utilisé pour assurer le pointage d'un affût et mesurer la distance à l'objectif. Dans un dispositif selon l'invention le poste de tir est particulièrement simple et certainsde ses éléments peuvent servir à d'autres usages. En effet il comporte essentiellement l'émetteur muni de son réseau et de son optique à focale variable qui, durant le tir, sera en général programmé suivant la loi théorique d'éloignement du projectile. Si nécessaire, un télémètre mesurant la distance du mobile peut asservir l'optique. Avant le tir l'optique sera dans la position correspondant à la distance de prise en charge Dmin et possède donc le champ le plus large. L'émetteur éclaire alors d'une façon à peu près uniforme le paysage qui se trouve dans son champ au-delà de la distance Dmin. Suivant l'invention on peut utiliser une camera de télévision sensible aux rayonnements de l'émetteur et munie d'une croisée de réticule pour permettre l'observation de jour et de nuit et le déclenchement du tir lorsque l'objectif est dans le domaine de tir. Si nécessaire, le tireur peut, en modifiant la focale variable, mesurer approximativement la distance de l'objectif en assurant la mise au point des anneaux sur ce dernier. En même temps il peut Vérifier et ajuster la coiùci- dence de la croisée du réticule et de l'axe du faisceau. Bien entendu une lunette ordinaire harmonisée avec les deux équipe- ments ci-dessus peut compléter le poste de tir et faciliter l'observation de jour, et meme remplacer la camera de télévision. Un tel poste de tir permet de tirer un obus ssrri ou un missile ainsi que tout engLn ballistique. On remarque que le dispositif de l'invention permet de supprimer les gyroscopes à bord du mobile guidé, ce qui présente les avantages suivants: - T1 n'est pas nécessaire de donner une position en roulis déterminée au mobile sur son affût ou dans son tube de lancement, étant donné qu'on n'a pas à caler le gyroscope; le devers du poste de tir n'a plus aucune importance et le dispositif de blocage peut hêtre notablement simplifié ou même éliminé. - Dans les mobiles à gyroscope il est nécessaire de prévoir une liaison électrique ou mécanique, entre le mobile et le poste de tir, pour lancer et débloquer le gyroscope avant le tir; dans le dispositif de l'invention, on peut supprimer toute liaisoa électrique entre le missile et le poste de tir. - Dans les missiles classiques, le gyroscope est l'élément qui limite les accélérations pouvant être données au départ. Or il est essentiel de pouvoir augmenter l'accélération dans le tube ou sur l'affût pour que la vitesse de bouche soit la plus élevée possible. En effet l'accélération à l'air libre est une source importante de dispersion, dispersion qui rend quelquefois difficile la prise en charge par le dispositif de guidage et diminue de toute façon la précision aux courtes portées. Les autres équipements du mobile, tels que piles, composants électroniques ou optiques, commandes de gouverne, etc..., peuvent être disposés ou conçus de façon à supporter des accélérations de plusieurs milliers de g de façon à avoir une vitesse de bouche nettement supersonique. Jusqu'à la prise en charge etl'alignement, il y a intérêt à ce que la poussée du propulseur de croisière éventuel équilibre au mieux la trainée de façon à minimiser la dispersion. Cette invention peut également recevoir certaines applications en topographie où il peut être intéressant de relever la position d'un axe. REVENDICATIONS 1) Procédé destiné à permettre l'asservissement d'un mobile en autorotation,et notamment d'un projectile, à l'aide d'un faisceau, caractérisé en ce qu'il consiste à émettre des rayonnements électromagnétiques à très courte longueur d'onde sous la forme d'un faisceau formé d'anneaux circulaires concentriques modulés en amplitude, et à faire balayer ce faisceau par au moins un ou plusieurs détecteurs de rayonnement placés sur le projectile, les signaux émis par ces détecteurs permettant de déduire les données nécessaires à l'auto-asservissement du projectile à l'axe défini par le centre des anneaux et l'objectif. 2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la structure du faisceau est choisie de façon à permettre la mesure approximative de la distance de l'objectif et l'harmonisation des axes. 3) Dispositif pour la mise en oeuvre d'un procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend d'une part, sur le moyen de lancement du projectile, un emetteur pourvu d'un système optique à focale variable permettant de suivre le projectile au cours de son éloignement, d'éclairer l'objectif, et d'autre part, un ou plusieurs détecteurs, placés sur le projectile et réalisés sous la forme de dispositifs électro-optiques formés par une lentille convergente au foyer de laquelle est placée une cellule sensible à l'intensité du rayonnement électromagnétique et accusant une variation quand elle passe d'un anneau à un autre, des moyens étant par ailleurs prévus dans le projectile pour analyser les signaux enregistrés, déterminer la distance à l'axe du faisceau et sa dérive et corriger la trajectoire du projectile à partir de ces informations. 4) Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit émetteur est un laser et le faisceau est obtenu par dépôt, sur la face extérieure de la glace semi-réfléchissante de sa chambre de résonance, d'un revêtement métallique réfléchissant reproduisant le dessin des anneaux. 5) DS, spositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite couche semi-réfléchissante est disposée sur la face interne de la glace, l'épaisseur de cette dernière étant choisie telle qu'elle permet ltétablissement d'un système d'ondes stationnaires entre les deux couches métalliques en tenant compte du fait que le noeud de la vibration est à l'intérieur du métal. 6) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour corriger les aberrations géométriques. 7) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que le dispositif électro-optique comporte un filtre ne laissant passer que le rayonnement monochromatique de l'émetteur 8) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 7, caractê- risé en ce que le projectile est pourvu d'une base de temps. 9) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 8, caractérisé en ce que le projectile est pourvu de deux accéléromètres identiques placés symétriquement par rapport à l'axe longitudinal principal d'inertie. 10) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte en outre au poste de tir un télémètre mesurant la distance du mobile et auquel est asservi le système optique de l'émetteur. 11) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 10, caractérisé en ce qu'il comporte, au poste de tir, une caméra de télévision sensible aux rayonnements de l'émetteur et qui est munie d'une croisée de réticule pour permettre l'observation de jour et de nuit et le déclenchement du tir lorsque l'objectif est dans le domaine de tir. 12) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 11, carac trois6 en ce qu'il comporte, au poste de tir, une lunette dont la croisée de réticule est harmonisée avec l'axe du faisceau et qui permet l'observation et le tir de jour.