Brevet FR2504703A1 — publié le 19821029

La présente invention est relative à un système d'asservissement d'lm projectile à une référence axiale pour supprimer l'effet du vent sur un tel projectile. Elle vise plus particulièrement un système permettant de rendre la vitesse par rapport au sol, d'un projectile accéléré sur sa trajectoire à l'air libre, parallèle à une direction donnée dans l'espace, indépendamment de l'action du vent et des vitesses d'assiette initiales. On sait qu'un projectile aérodynamiquement stable, qui est accéléré sur sa trajectoire à l'aide d'un propulseur axial, a tendance à remonter dans le lit du vent. En se référant à la Figure 1 des dessins annexés, on voit que si V est le vecteur vitesse sol du projectile à un instant donné et si Wo est le vecteur vitesse du vent, le projectile va tendre vers la direction V2 = (V - Wo), direction qui fait un angle e avec le vecteur V, de façon à présenter une incidence nulle.Si z est l'accélération longitudinale du projectile (accélération qui intègre la poussée du propulseur et la traînée), l'accélération normale à la trajectoire, cause de la dispersion est à l'équilibre: De ce fait, en particulier, un projectile accéléré sur sa trajectoire manque de précision et c'est pour cette raison que les projectiles antichars, qui doivent etre précis, sont accélérés entièrement dans le tube de lancement et possèdent autant que possible un propulseur de croisière permettant d'annuler l'accélération longitudinale ss Or l'accélération d'un projectile dans le tube de lancement présente un certain nombre d'inconvénients, qui sont d'autant plus importants que le calibre, et donc la masse, des projectiles a tendance à augmenter. Parmi ces inconvénients, on peut citer en particulier : le bruit, l'effet de souffle, la masse du propulseur d'accélération qui présente un mauvais coefficient de remplissage en raison des temps de fonctionnement très courts, la longueur et la masse du tube de lancement etc... La présente invention se propose en conséquence d'apporter un dispositif simple, permettant de lancer le projectile à faible vitesse hors de son tube, d'allumer à une distance de sécurité le propulseur d'accélération qui fonctionne à l'air libre tout en donnant en fin d'accélération un vecteur vitesse sol bien défini par rapport au tube de lancement. Avant de préciser les moyens mis en oeuvre par l'invention, on expliquera le principe sur lequel repose le système selon l'invention. On se réfère à cet effet à la Figure Z qui représente de façon très schématique un projectile stable aérodynamiquement et on suppose qu'on veuille faire en sorte que son vecteur vitesse soit dirigé suivant V et qu'on puisse mesurer l'angle 0 entre l'axe de référence et l'axe du projectile. On applique à une distance d du centre de gravité G du projectile, à l'aide d'impulseurs, constitués par des propulseurs de très petites dimensions, des forces Po pendant un temps très court, de telle sorte que l'impulsion unitaire soit Poto.On suppose que la fréquence de récurrence de ces impulsions est T, que la masse du projectile est M, que sa marge statique (c'est-à-dire la distance séparant son centre de gravité G de son centre de poussée P) est 1, et que Cx et C'z sont respectivement les coefficients de traînée et de gradient de portance. L'accélération résiduelle normale à la trajectoire dûe à ces impulseurs est alors Pour que cette accélération soit équilibrée par l'accélération axiale, il faut que Si donc la fréquence de récurrence des impulseurs est telle que le projectile maintient la vitesse dans la direction V, l'accélération normale de~M étant nulle. On connait la variation dew en fonction du temps qui est en général faible et qui peut être programmée.Pour connaître O il faut disposer d'une référence axiale, par exemple un gyroscope axial, dont l'axe de la toupie dans le cas le plus simple, est dans l'axe du tube. Ceci ntest cependant pas indispensable, l'axe de la toupie pouvant être décalé dans une direction commandée au moment du tir (par exemple celle du but futur). I1 faut également connaitre A qui peut être mesurée à l'aide d'un accéléromètre ou calculéà partir de la pression du propulseur, à titre d'exemple. Cette invention a donc pour objet un système d'asservissement d'un projectile à une référence axiale pour supprimer l'effet du vent caractérisé en ce qu'il met en oeuvre des impulseurs, constitués par des propulseurs de très petites dimensions montés à l'avant du centre de gravité du projectile à une distance d de ce dernier, ces impulseurs étant déclenchés dans une direction déterminée selon une fréquence de récurrence T, également déterminée. D'autres caractéristiques et avantages de cette invention ressortiront de la description faite ci-après en référence aux dessins annexés qui illustre un exemple de réalisation adapté à un projectile en autorotation. Sur les dessins - la Figure 3 est un schéma illustrant le principe de fonctionnement du système selon l'invention, - la Figure 4 est un schéma illustrant l'influence de la pesanteur; et, - les Figures 5 et 6 sont des vues schématiques illustrant des exemples de positionnement d'impulseurs mis en oeuvre par l'invention. On se réfère à la Figure 3. Sur cette figure, pour des raisons de facilité, on y a représenté des cardans extérieurs à la toupie. Lorsque le projectile tourne très vite, il peut être nécessaire de retenir un dispositif connu de cardans intérieurs. Cette figure représente un projectile en autorotation muni d'un gyroscope axial donnant la référence axiale. Soient: - Gxo yo zo un système d'axe dextrosum trirectangle fixe en direction dans ltespace, Gxo étant confondu avec l'axe de la toupie du gyroscope, Gzo étant par exemple situé dans le plan vertical contenant Gxo (verticale descendante par exemple). - GXYZ un système d'axe trirectangle dextrosum lié au projectile. GX est confondu avec l'axe longitudinal principal d'inertie et dirigé vers l'avant, GZ est confondu avec l'axe extérieur du cardan du gyroscope. - Gxyz un système d'axe intermédiaire, trirectangle dextrosum, Gx étant confondu avec GX donc avec l'axe longitudinal du projectile et Gy étant perpendiculaire au plan GX, Gxo et tel qu'une rotation positive O (tut2 .0 O o ) autour de Gy amène Gxo sur GX. (Pour passer de Gxo yo zo à GXYZ, on commence par tourner de F autour de Gxo (Gyo vient en Gy) puis de 6 autour de Gy, puis de ""autour de Gx). Sur la Figure 3 on a représenté l'axe GY1, dans le plan de base Gyo, Gzo et perpendiculaire à GZ, l'axe GZ1 dans le plan Gyo, Gzo et perpendiculaire à GY1 et l'axe Gzl contenu dans le plan Gyo, Gzo et perpendiculaire à Gy. Dans le système d'axe XYZ, lié au projectile, un point est repéré par la distance d suivant GX au centre de gravité et par l'angle y avec OY. On remarque que l'axe intérieur du gyroscope est dirigé suivant GY1 perpendiculaire à Gxo et à GZ. Pour passer de la position du projectile suivant Gxo à la position suivant GX on peut faire tourner le cadre extérieur, donc le projectile d'un angle autour de GY1 ( p positif suivant GY1), cette première rotation étant suivie d'une seconde rotation d'un angleiautour de GZ (axe extérieur). Ces deux rotations peuvent être mesurées par exemple à l'aide de potentiomètre à pistes plastiques, ou encore, dans le cas de cardans intérieurs, à l'aide de dispositifs optiques ou magnétiques montés sur un grand cercle de la toupie, les deux détecteurs qui mesurent les angles Y entre GY et GY1 etpentre GZ et GZ1, de la Figure 3 étant montée à 909 sur le corps du projectile.Dans ce cas, adapté aux grandes vitesses de rotation, l'axe qui supporte le cardan peut lui-même tourner par rapport au projectile et on a On vérifie que On voit que la mesure de et de X permet de calculer 0 et de même que B/et et En ce qui concerne la vitesse de précession #, qu'il peut être utile de mesurer comme on le verra plus loin, elle peut être déterminée en remarquant que la vitesse de rotation totale À)x autour de X est égale à en supposant toujours que S est suffisamment petit pour que Cos 68 1. Selon l'invention )x peut être mesuré par un groupement de deux accéléromètres, ou par un détecteur de proximité qui déclenche un signal à chaque balayage du sol, ou par un gyromètre etc...). On a alors Pour résoudre le problème des gouvernes, on utilise selon l'invention, des impulseurs, constitués par exemple par des propulseurs de très petites dimensions, possédant une poussée Po pendant un temps so ( fo étant inférieur à 1/300ème de seconde ou de toute façon tel que la pous- sée ne s'étende pas sur plus de 60" go 6 où n est le nombre de tours par seconde du projectile). Le retard d'allumage Ç doit être aussi peu dispersé que possible. On notera cependant que l'allure de la courbe de poussée n'est pas forcément rectangulaire et qu'elle peut être différente sans que rien ne soit changé au raisonnement qui précède. On retiendra simplement que l'im- pulsion totale de l'impulseur est Po Zo, proportionnelle à la masse mo de poudre ou d'explosif. Cette impulsion peut être fournie par tout autre moyen, par exemple par un impulseur constitué par une munition de pistolet ou de fusil, dont la balle serait remplacée par une masse friable telle que, par exemple, de la limaille de fer frittée, qui se trouve freinée par l'air dès sa sortie de la douille. Selon l'invention, les impulseurs sont avantageusement groupés en couronnes ou en hélices. Sur la Figure 5 on a prévu deux couronnes C1 et C2 d'impulseurs 10 et sur la Figure 6 on a prévu une série d'impulseurs disposés selon une hélice H. Ces impulseurs, quel que soit leur mode de groupement sont placés à l'avant du centre de gravité G du projectile à une distance d de celui-ci, la masse mO de chaque impulseur étant fonction de cette distance d. On a vu ci-dessus que, lorsque des impulseurs disposés comme décrit plus haut, sur un projectile en auto-rotation, sont déclenchés à des intervalles de temps T et de façon à ce qu'ils agissent dans la même direction, l'accélération normale à la trajectoire Xn (exprimée en m/sec2) prise parole projectile est, après amortissement des mouvements transitoires négligeables ceci lorsque la poussée du propulseur est égale à la tramée. Lorsque ce n'est pas le cas, le terme entre parenthèse contient une expression qui est fonction de l'accélération longitudinale #, , mais négligeable devant les termes principaux, maison est toujours inversement proportionnelle à T. Dans l'expression de tn indiquée ci-dessus, M représente lamasse totale du projectile, 11 est la valeur absolue de la marge statique de ce pro jectile, Cx et C' étant respectivement les coefficients de traînée et de gra z dient de portance. La distance d séparant l'impulseur du centre de gravité du projectile est positive quand cet impulseur est à l'avant du centre de gra vité. On remarquera que, pour que des impulseurs placés à des distances d différentes produisent le même effet, il suffit que leur masse de poudre mO soit telle que : d C mo (1+ + C)) Constante En d'autres termes, la masse mO de chaque impulseur doit être fonction de la distance d séparant cet impulseur du centre de gravité du projectile, si on veut que leur effet soit le même. Quand M, 11 et d varient en fonction du temps, pendant le vol du projectile, T peut être programmé de façon que [ +( 1 ) (1 + MT = Constante Dans ce cas, le facteur de charge pris par le projectile est constant. Dans ces conditions et en reprenant les systèmes d'axes précédemment décrits, on considère la projection, parallèlement à Gxo de l'extré- mité d'un vecteur unité porté par GX sur le plan Gxo yo. Cette projection a comme affixe dans Gxo yo Z est le point image du mouvement de l'axe du projectile autour de son centre de gravité G.On a de mêmZ Z' =~= -i l9+ioF e1 dt t ='(+i e L'affixe du point Z dans le système d'axes mobiles lié au projectile GXYZ est et celle de Dans ces conditions on peut envisager un asservissement du projectile à base du réseau correcteur théorique suivant: K(Z+bZ' Ce réseau correcteur peut être approché de près, dans la gamme de fréquences utiles, par un réseau correcteur pratique. b est une constante, K est un nombre réel, négatif lorsque K (Z + b#') désigne la direction de la force, lorsque le projectile est stable aérodynamiquement et que # x D (0, 05, D étant le diamètre du projectile. 2V Dans ce cas les forces et moments de Magnus sont négligeables. Nous allons d'abord analyser ce cas. L'action de ce réseau correcteur K (t + bt') est la suivante - Son module commande la fréquence de déclenchement des impulseur s Lorsque 6'ffi- O et t = # on trouve bien la relation établie précédemment Son argument définit l'angle 31 autour duquel les impulseurs doivent fonctionner.L'endroit où l'allumage doit être déclenché doit être en avance de par rapport à dont l'argument est 86 3II ~ y$ art t3 ) 8 + arc tg 0 + b et la direction d'allumage des imnulseurs est Plus S est grand, plus la masse de poudre dans les impulseurs nécessaire à l'asservissement est petite, cependant l'asservissement est souvent facilité en choisissant des valeurs de J pas trop grandes. Enfin plus l'impulsion unitaire est faible, toutes choses égales par ailleurs, plus la fréquence de fonctionnement des impulseurs est grande, ce qui permet de séparer nettement les oscillations dues aux impulseurs de celles correspondant à la fréquence propre du projectile. Dans le plan vertical (Figure 4), le projectile reste soumis à l'action de la pesanteur et il suit une trajectoire balistique. En effet les impulseurs créent un facteur de charge normal à xo donc vers le haut Mais la composante normale à xo de l'accélération longitudinale h est aussi0 et est dirigée vers le bas. I1 en résulte que ces deux composantes s'annulent et il reste g dirigé vers le bas. Pour obtenir la direction du vecteur vitesse en fin d'accélération, il faut donc tenir compte de la pesanteur. Lorsque le projectile a une vitesse de rotation )x plus grande, par exemple D4)x > 0,2, les forces et moments de Magnus ne sont plus 2V négligeables et le nombre K devient un nombre complexe. Si on fait en sorte D0x que D#x est constant durant le vol, ce nombre K est constant (à condition 2V que les coefficients aérodynamiques ne varient pas avec la vitesse). La fréquence de déclenchement des impulseurs est toujours donnée par ~= | K (t + bt et l'argument de -K (X + bt') définit encore à t près, l'endroit où l'allumage doit être déclenché. Du fait des forces de Magnus, il faut donc décaler d'un angle fixe le point d'allumage. Par ailleurs, le propulseur d'accélération, en général, n'est allumé qu'à une certaine distance de "sécurité" du poste de tir. Le projectile, pendant un temps relativement court, ne possède qu'une accélération négligeable. I1 y a intérêt pendant ce temps à asservir le projectile à l'axe de référence. Les mêmes références axiales et impulseurs sont utilisés à cet effet. Seulement les coefficients K et b sont uniquement déterminés par des considérations de stabilité. Le déport latéral pendant ce temps relativement court, et du fait des faibles vitesses, sera négligeable et la vitesse d'assiette initiale Z'o sera corrigée. L'objet de la présente invention s'étend donc au cas où K est uniquement déterminé par des considérations de stabilité. Sur les Figures 5 et 6 on a représenté deux exemples de positionnement des impulseurs en avant du centre de gravité. On peut envisager d'autres dispositions, sans sortir du cadre de l'invention. Par exemple si la vitesse de rotation du projectile est très importante, on peut disposer ces impulseurs en les répartissant par groupes par exemple sur des sections droites symétriques du projectile. Chaque impulseur comporte un dispositif d'allumage commandé par exemple - dtune part individuellement par une bascule fermée lorsque ltimpulseur correspondant est dans la direction voulue, - d'autre part par une bascule placée sur le commun et fermée à la fréquence 1/T et qui reste fermée jusqu'à ce qu'un impulseur aitfonctionné. Des moyens simples connus permettent de faire en sorte qu'un et un seul impulseur soit déclenché à chaque période. REVENDICATIONS 1 - Système d'asservissement d'un projectile à une référence axiale pour supprimer l'effet du vent sur le projectile, notamment lorsque ledit projectile est essentiellement accéléré à l'air libre, caractérisé en ce qu'il met en oeuvre des impulseurs (10) de très petites dimensions, montés à l'avant du centre de gravité (G) du projectile à une distance (d) de ce dernier, ces impulseurs étant déclenchés dans une direction déterminée en développant une poussée Po pendant un temps t o très court selon une fréquence de récurrence T. 2 - Système d'asservissement selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fréquence de récurrence est proportionnelle à l M, 2 étant l'accélération longitudinale du projectile et M sa masse ; en ce que cette proportionnalité, lorsque la vitesse de rotation Sx de ce projectile n'est pas trop élevée, c'est-à-dire quand D t;)x 0, 05 2V V étant la vitesse sur trajectoire et D le diamètre du projectile, est donnée par en ce-que la direction xg selon laquelle lesdits impulseurs sont déclenchés à l'intérieur du projectile est donnée par la relation dans laquelle b est la constante d'avance de phase et Z1 le retard d'allumage. 3 - Système d'asservissement selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que, lorsque les forces de Magnus ne sont plus négligeables, 1 1 la constante 5 dans l'expression définissant T est remplacée par une au 1+S 'OxT tre constante, éventuellement fonction de , la direction de déclenche- 2V ment des impulseurs devant être également décalée d'un angle constant, éventuellement fonction de D '3 x 2V 4 - Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le projectile est asservi à l'axe de référence à l'aide des impulseurs, pendant le temps relativement court, durant lequel il ne possède qu'une accélération négligeable. 5 - Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la référence axiale est donnée par un gyroscope. 6 - Système selon I'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les impulseurs sont groupés en couronnes (C1, C2). 7 - Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les impulseurs sont groupés en hélice (H). 8 - Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les impulseurs sont répartis par groupes sur des sections droites symétriques du projectile.