Brevet FR2504085A1 — publié le 19821022

i DISPOSITIF DE PILOTAGE PAR JETS DE GAZ ET PROJECTILE COMPRENANT UN TEL DISPOSITIF L'invention concerne un dispositif de pilotage mettant en oeuvre des jets de gaz qui créent des forces de poussée selon des directions déterminées par des ordres de guidage; elle concerne également un projectile équipé d'un tel dispositif. Un dispositif de pilotage par jets de gaz, destiné, plus spécifiquement, à modifier la trajectoire de vol d'un projectile ou missile, comprend notamment un jeu de tuyères fixes disposées en couronne à la périphérie du corps du projectile et une source primaire d'énergie qui génère un flux de gaz, généralement avec un débit continu Entre les entrées des tuyères d'éjection du flux de gaz et la sortie de la source de gaz, sont disposés des moyens per- mettant d'aiguiller le flux de gaz dans l'une ou simultanément dans plusieurs des tuyères en accord avec les ordres de guidage dispo- nibles à bord du projectile En outre, dans certaines applications, il est souhaitable de disposer simultanément d'une force de poussée longitudinale assurant le maintien de la vitesse de croisière du projectile et une force transversale permettant de modifier la direction de vol de ce projectile. Il est connu, notamment par le brevet français no 77 10755, déposé le 8 avril 1977, au nom de la Demanderesse, de réaliser un dispositif de pilotage par jets de gaz dans lequel des moyens de distribution ou d'aiguillage sont prévus pour diriger le flux de gaz vers des tuyères d'éjection déterminées Selon un premier mode de réalisation décrit, correspondant à un plan unique de pilotage, le dispositif comprend deux tuyères fixes diamétralement opposées; le moyen de distribution est constitué par une palette mobile disposée dans les conduits divergents d'alimentation en flux de gaz des tuyères; cette palette mobile est articulée autour d'un axe perpen- diculaire au plan contenant les tuyères et elle est actionnée par un vérin pneumatique afin de basculer alternativement vers une tuyère ou l'autre Selon un second mode de réalisation décrit dans ce brevet, le dispositif de pilotage comprend un jeu de quatre tuyères fixes diamétralement opposées par paire, chacun des couples de tuyères étant situé dans les deux plans orthogonaux de pilotage; le moyen de distribution du flux de gaz est une palette à quatre branches articulées sur une rotule centrale et disposée dans les conduits divergents d'alimentation en flux de gaz des tuyères, de manière que deux tuyères adjacentes soient simultanément ouvertes tandis que les deux autres tuyères demeurent obturées. Le dispositif de pilotage selon l'invention se rapporte plus particulièrement à ce second mode de réalisation fourni par l'art antérieur qui présente les inconvénients suivants: d'une part, la force de poussée transversale résulte de la somme géométrique de deux forces élémentaires orthogonales avec pour conséquence une pénalité de poids sur le générateur du flux de gaz et, d'autre part, la fabrication de la palette à quatre branches articulée sur une rotule soulève des difficultés technologiques. Le but de l'invention est d'éliminer les inconvénients précités, lesquels sont inhérents aux dispositifs de pilotage par jets de gaz de l'art antérieur. Pour atteindre ce but, un dispositif de pilotage selon l'in- vention comprend un élément annulaire muni de N tuyères d'éjection situées dans les plans de pilotage du projectile et une source primaire d'énergie qui fournit un flux de gaz continu sur une face latérale d'un élément rotatif disposé concentriquement à l'intérieur de l'élément annulaire porte-tuyères, cet élément rotatif compor- tant M canaux de passage du flux de gaz et des moyens de positionnement fournissant MN positions discrètes stables; le nombre N des tuyères d'éjection étant différent du nombre M des canaux de passage du gaz. Un autre objet de l'invention est un dispositif de pilotage dans lequel les moyens de positionnement de l'élément rotatif compren- nent un moyen de mise en rotation de l'élément rotatif par le flux de gaz traversant et un moyen d'arrêt sur MN positions discrètes. Un autre objet de l'invention est un dispositif de pilotage dans lequel la rotation de l'élément rotatif ne perturbe pas, de façon significative, le débit du flux de gaz fourni par la source D'autres caractéristiques et avantages que procure l'invention apparaîtront dans la description détaillée qui va suivre, faite en regard des figures annexées; sur ces figures: la figure la représente, sous une forme schématique sim- plifiée, une vue transversale du dispositif de pilotage selon l'in- vention, la figure lb représente, sous une forme schématique sim- plifiée, une vue longitudinale du dispositif de pilotage selon l'in- vention, la figure Ic représente, sous une forme graphique, la position relative des tuyères déjection et des canaux de passage des gaz en fonction de la position angulaire O de l'élément rotatif, la figure Id donne, sous une forme tabulaire, les séquences d'ouverture des tuyères d'éjection, la figure 2 a représente, selon une vue en coupe longitudinale, un mode de réalisation d'un dispositif de pilotage selon l'invention, la figure 2 b représente les détails de réalisation du disque cranté des moyens de positionnement de Pélément rotatif, la figure 3 a représente, selon une vue en coupe longitudinale, une variante de réalisation du dispositif de pilotage de la figure 2 a, la figure 3 b représente les détails de réalisation de l'élément rotatif, la figure 3 c représente les détails de réalisation du disque cranté des moyens de positionnement de l'élément rotatif, la figure 4 représente, selon une vue en coupe, un projectile guidé comprenant un dispositif de pilotage selon Pinvention, la figure 5 représente, selon une vue en coupe longitudinale, un dispositif de pilotage comprenant un unique générateur de gaz. Sur les figures la et lb, on a représenté, sous une forme schématique simplifiée, respectivement selon des vues en coupe longitudinale et transversale, un dispositif de pilotage par jets de gaz suivant l'invention; ce dispositif comprenant les éléments suivants: un élément annulaire 1 muni de quatre tuyères fixes T 1 à T 4, toutes identiques, régulièrement espacées pour former deux couples de tuyères, chacun des couples étant contenu dans les plans respectifs de pilotage H-B et D-G; la direction de la force de poussée Fde ces tuyères pouvant être inclinée d'un angle o l'élément rotatif 2 suivant douze directions pour ouvrir séquentiel- lement Pune des quatre tuyères et obturer les trois autres; ce moyen de positionnement est solidaire de l'élément annulaire 2 et est accouplé à l'élément rotatif par un axe longitudinal 4. Sur les figures la et lb, on voit que, pour la position angulaire relative représentée de l'élément rotatif 2 et de la tuyère T 1, la totalité du flux de gaz traverse le canal C 1 et cette tuyère T 1; il en résulte une force de poussée F oblique appliquée au point P situé sur Paxe longitudinal 0,0 ' du dispositif; les composantes FL et FT de oette force F correspondant respectivement aux forces de poussée longitudinale et transversale. La figure 1 c représente, sous une forme graphique, la position angulaire relative des tuyères d'éjection T 1 à T 4 et des canaux C 1 à C 3 de passage du flux de gaz en fonction de la position angulaire 8 de l'élément rotatif L'espacement angulaire relatif des tuyères est égal à 90 et l'espacement angulaire relatif des canaux est égal à 1200 Si l'on considère les deux sens de rotation possibles de l'élément rotatif 2, les séquences d'ouverture des tuyères en fonc- tion de la position angulaire de l'élément rotatif sont données sous une forme tabulaire à la figure Id. D'une manière générale, l'écartement angulaire des tuyères est égale à 2 TI/N si N est le nombre de tuyères et l'espacement angulaire relatif des canaux est égal à 2 VM si M est le nombre de canaux On peut montrer que M et N étant des nombres entiers différents et, pour certaines valeurs particulières de M et N, une rotation d'un angle 21 T/MN de l'élément rotatif assure l'ouverture de la tuyère adjacente En particulier, la valeur de M peut différer d'une unité de la valeur de N; dans l'exemple ci-dessus pour lequel N est égal à quatre, toutefois, M peut prendre les valeurs suivantes; 3, , 7, 9, 11, etc Dans le cas de l'utilisation d'un générateur de gaz dans lequel la source d'énergie est un propergol solide situé dans une chambre de combustion, il est souhaitable que le débit du flux de gaz ne soit pas perturbé par la rotation de l'élément rotatif, pour ce faire, il est nécessaire que les ouvertures angulaires de l'entrée des tuyères et la sortie des canaux soient égales à la valeur 2 I/MN L'angle cpincli- naison de la direction de la force de poussée F permet, lors de la construction, de fixer le rapport des forces longitudinale FL et transversale FT fournies par le dispositif de pilotage Les moyens de positionnement 3 de l'élément rotatif 2 peuvent être du type électrique, hydraulique, ou pneumatique et, dans ce dernier type, emprunter leur énergie de fonctionnement au flux de gaz traversant. La figure 2 a représente, selon une vue en coupe longitudinale, un mode de réalisation du dispositif de pilotage déjà décrit aux figures la à lc; sur cette figure 2 a, le générateur de gaz qui ne fait pas partie de l'invention n'est pas représenté et ne sera pas décrit comme connu en soi Ce dispositif de pilotage comprend un élément annulaire massif 1 muni de quatre tuyères d'éjection mutuellement orthogonales et, seules, les deux tuyères diamétralement opposées apparaissent sur la figure L'élément rotatif 2 est disposé coaxia- lement dans l'élément annulaire 1 et comporte trois canaux de passage des gaz, seul le canal C 1 apparaissant sur la figure; la sortie de ce canal C 1 est en coïncidence avec l'entrée de la tuyère T 1, les trois autres tuyères T 2 à T 4 étant obturées par l'élément rotatif du fait que l'espacement angulaire relatif des canaux est égal à 1200; l'élément rotatif 2 comprend également un axe de sortie 4, libre de tourner à Pintérieur d'un palier 5 L'élément rotatif est maintenu en butée, sous l'effort de la pression du gaz traversant, sur une butée à billes 6 Les moyens de positionnement 3 de l'élément rotatif 2 comprennent un moyen d'entraînement en rotation fourni par les canaux de passage du flux de gaz, comme il sera décrit ultérieurement, et un moyen d'arrêt suivant douze directions, fourni par un mécanisme d'échappement comprenant un disque cranté 7 et un couple de vérins pneumatiques Sa et 8 b à simple effet synchro- nisé par une biellette 9 articulée autour d'un axe 10 perpendiculaire à l'axe longitudinal 0,0 ' du dispositif; ces vérins sont munis de doigts 8 c et 8 d pouvant s'engager dans le crantage du disque 7 La position relative du disque cranté 7 et de l'élément rotatif est parfaitement référencée par Pintermédiaire d'un emboitement 11 et le disque est maintenu solidaire de l'axe de sortie 4 par un écrou fileté 12 Les vérins pneumatiques Sa et 8 b sont physiquement solidaires de l'élément annulaire 1 par l'intermédiaire dun élément cylindrique massif 13 qui est emboité et positionné correctement sur cet élément annulaire Dans cet élément cylindrique 13 porte-vérins sont ménagés des logements pour les vérins Sa et 8 b, ces logements étant fermés par des bouchons hermétiques 14 a et 14 b Les vérins pneumatiques peuvent être commandés par des électrovannes clas- siques et l'énergie de fonctionnement peut être empruntée au flux de gaz traversant Les organes de commande des vérins, comme connu en soi, ne seront pas décrits plus largement. La figure 2 b représente un mode de réalisation du crantage du disque 7 Ce disque comporte six empreintes creuses 14 de forme circulaire, toutes identiques et également espacées angulairement d'un angle égal à 600, l'ouverture angulaire 5 de ces empreintes étant sensiblement supérieure à un angle de 300 Les doigts Sc et 8 d des vérins pneumatiques sont espacés angulairement d'un angle égal à , de façon à fournir douze positions d'arrêt de l'élément rotatif. La figure 2 c représente une vue en perspective de l'élément rotatif 2, montrant plus particulièrement un mode de réalisation des canaux de passage du gaz Cet élément rotatif est formé de deux parties tronconiques 2 a et 2 b, la partie 2 a se trouvant en regard des S entrées des tuyères d'éjection, et la partie 2 b constituant notam- ment Pentrée commune des canaux des gaz Dans cet exemple de réalisation, les canaux C 1 à C 3 ont une section triangulaire et comportent, à leur entrée, un méplat 2 c qui, sous l'action de la pression du flux de gaz, crée une force de rotation de direction prédéterminée avec, pour conséquence, une séquence unidirec- tionnelle couverture des tuyères. L'élément annulaire 1 et l'élément rotatif 2 doivent être réalisés en un matériau réfractaire et résistant à l'érosion du flux de gaz, par exemple, en un matériau tel que le graphite ou le 1 S molybdène L'élément portevérins 13 peut être réalisé en acier ou encore en alliage léger, à condition de traiter correctement les logements des vérins pneumatiques sa et Sb. La figure 3 a représente une variante de réalisation du dispo- sitif de pilotage décrit aux figures 2 a à 2 c Comme indiqué précédemment, le dispositif comprend: l'élément annulaire 1 muni de ses quatre tuyères d'éjection et l'élément rotatif 2 monté coaxia- lement dans cet élément annulaire. Selon cette variante de réalisation, l'élément rotatif 2 est traversé par laxe 4 qui est monté dans un palier 5 et maintenu par deux butées à billes 6; de plus, le moyen de mise en rotation de cet élément rotatif est fourni par une turbine 15 et le moyen d'arrêt sur les MN positions est fourni par une roue crantée en combinaison avec deux vérins pneumatiques à double effet Sa et 8 b Ces vérins comportent dans leur région médiane un décrochement de plus faible diamètre Sc et 8 d dont la fonction sera explicitée ultérieurement, et ces vérins sont montés en antisymétrique L'énergie de commande des vérins pneumatiques peut être empruntée au flux de gaz de pilotage; à cet effet, les moyens de commande des vérins compren- nent une électrovanne 17 alimentée, à travers un filtre 18, par une faible fraction du flux de gaz généré par le dispositif. La figure 3 b représente une vue en coupe transversale mon- trant la configuration des trois canaux C 1 à C 3 de passage des gaz. L'élément rotatif 2, traversé par l'axe de rotation 4, comporte trois canaux C 1, C 2 et C 3 de section sensiblement rectangulaire Sur cette figure, on a représenté des conduits de gaz 16 disposés entre les tuyères, dont la fonction est de coupler en parallèle deux générateurs de gaz identiques placés de part et d'autre du dispositif de pilotage. La figure 3 c représente, selon une vue en coupe, les détails de réalisation du disque cranté 7 Ce disque comporte, à sa périphérie, six crans d'arrêt 14, tous identiques, régulièrement espacés, qui viennent en appui sur les vérins Sa ou 8 b L'écartement angulaire de ces vérins étant égal à 1500, le disque fournit douze positions d'arrêt parfaitement définies. La figure 4 représente, selon une vue en coupe simplifiée, un projectile guidé comprenant un dispositif de pilotage à jets de gaz, tel que décrit ci-dessus Ce projectile, plus spécifiquement conçu pour le combat Air-Air comprend trois sections principales: une section de pilotage par jets de gaz 20 incluant deux générateurs de gaz 21 et 22, couplés en parallèle par des conduits de gaz situés entre les tuyères et non représentés; une section arrière 30 comprenant un propulseur d'accélération 31 muni de sa tuyère d'éjection 32 et d'un empennage à ailettes 33, déployables ou non, et une section avant 40 comprenant la charge militaire 41 et une ogive 42 renfermant la tête de guidage Le dispositif de pilotage 20 comprend quatre tuyères d'éjection disposées par couple dans les deux plans orthogonaux de pilotage du projectile; elles sont inclinées vers l'arrière du projectile pour lui fournir une composante de poussée longitudinale destinée à maintenir la vitesse de croisière conférée par le propulseur d'accélération Les générateurs de gaz 21 et 22, disposés de part et c Pautre des tuyères, comprennent chacun une chambre à combustion 21 a et 22 a et un bloc de propergol solide 21 b et 22 b muni de ses organes d'ignition Le centre de poussée P du dispositif de pilotage coincide sensiblement avec le centre de gravité G du projectile, lequel, du fait de la disposition symétrique des générateurs de gaz, ne subit pas de translation lors de la combustion des blocs de propergol 2 lb et 22 b Selon une autre variante de réalisation de ce dispositif de pilotage par éjection de jets de gaz latéraux, l'élément rotatif 2 peut être positionné de façon continue dans le but de varier le débit relatif des gaz traversant deux tuyères adjacentes tout en mainte- nant un flux de gaz constant Selon cette variante de réalisation, les moyens de positionnement 3 de l'élément, rotatif 2 comprennent un capteur de mesure de la position angulaire de cet élément rotatif et un moteur, avantageusement du type bidirectionnel, physiquement couplé à cet élément rotatif Ce capteur de mesure de la position angulaire et le moteur d'entraînement de l'élément rotatif consti- tuant les éléments d'un servomécanisme dont le signal de commande est fourni à partir de signaux de guidage disponibles à bord du projectile. La figure 5 représente une variante de réalisation d'un dispo- sitif de pilotage à jets de gaz pour projectile guidé, comprenant un unique générateur de gaz 21 et un jeu de quatre tuyères fortement inclinées Selon ce mode de réalisation, le générateur du type à combustion axiale est sensiblement centré sur le centre de gravité G du projectile, et les canaux de passage, tel que C 1, du flux de gaz de l'élément rotatif 2 sont parallèles à l'axe longitudinal 0 0 ' du dispositif. On voit maintenant plus clairement les avantages que présente un dispositif de pilotage par jets de gaz selon Pinvention et, notamment, le fait qu'une faible variation angulaire de l'élément rotatif permet d'aiguiller le flux de gaz de l'une des tuyères à une tuyère adjacente. L'invention, telle qu'elle vient dêtre décrite, n'est pas limitée à la réalisation d'un dispositif de pilotage comprenant quatre tuyères obturables séquentiellement Elle s'applique aussi à des dispositifs de pilotage comprenant deux, trois et plus de tuyères, en choisissant de façon adéquate le nombre M de canaux de passage des gaz D'autre part, la section de ces canaux de passage des gaz peut être adaptée à la section des tuyères; elle peut être triangulaire, rectangulaire, comme décrit, mais aussi circulaire ou elliptique Les moyens de positionnement de l'élément rotatif peuvent être bidirectionnels si Pon utilise des moteurs électriques ou pneumatiques, du type pas-ao pas ou continu. Il REVENDICATIONS 1 Dispositif de pilotage par jets de gaz comprenant, notam- ment, un élément annulaire ( 1) muni de tuyères d'éjection et une source d'énergie fournissant un flux de gaz à l'entrée d'un moyen d'aiguillage dont les sorties sont reliées en correspondance aux tuyères d'éjection, caractérisé en ce qu'il comprend N tuyères d'éjection (T 1 i T 4) et en ce que le moyen d'aiguillage est un élément rotatif ( 2) disposé coaxialement dans l'élément annulaire des tuyères et comportant M conduits de gaz (C 1 à C 3) et -des moyens de positionnement ( 3). 2 Dispositif de pilotage selon la revendication 1, caractérisé en ce que les tuyères déjection (T 1 à T 4) sont inclinées pour fournir conjointement des forces de poussée longitudinale (FL) et transver- sale (FT). 3 Dispositif de pilotage selon la revendication 1, caractérisé en ce que le nombre N de tuyères d'éjection diffère d'une unité du nombre M des canaux de passage des gaz. 4 Dispositif de pilotage selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de positionnement ( 3) de l'élément rotatif ( 2) comprennent un moyen de mise en rotation de cet élément rotatif par le flux de gaz traversant et un moyen d'arrêt sur N M positions stables prédéterminées. Dispositif de pilotage selon la revendication 4, caractérisé en ce que le moyen d'arrêt est un mécanisme à échappement ( 7 et 8). 6 Dispositif de pilotage selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de positionnement ( 3) de l'élément rotatif ( 2) comprennent un moteur dlentratnement en rotation et un capteur de mesure de la position angulaire de cet élément rotatif. 7 Projectile guidé dont la section de pilotage ( 20) comprend un dispositif de pilotage selon les revendications I à 5, caractérisé en ce que ce dispositif de pilotage est sensiblement centré sur le centre de gravité du projectile et comporte deux générateurs de gaz 2504 85 ( 21 et 22) placés de part et c Pautre des tuyères déjection (T 1 à T 4) et couplés en parallèle par au moins un conduit longitudinal ( 16) ménagé entre les tuyères déjection.