Brevet FR2618895A1 — publié le 19890203

SYSTEME GYROSCOPIQUE EQUIPE D'UN DISPOSITIF DE VERROUILLAGE La présente invention concerne un système gyroscopique équipé d'un dispositif de verrouillage mécanique à commande électrique. Le disposiif permet le verrouillage (ou cageage, ou tulipage), ou le déverrouillage (décageage) d'une toupie de gyroscope par une action mécanique déclenchée électriquement. I1 assure un cageage rigide même å forte vitesse angulaire du boîtier (ou bâti) support du gyroscope. Le verrouillage d'un système gyroscopique permet de placer l'axe de la toupie en position canonique c'est-à-dire perpendiculaire aux axes de rotation du montage cardan qui sont eux-mêmes perpendiculaires . Dans une application a un missile, la position canonique correspond à l'alignement de l'axe de la toupie selon l'axe longitudinal du missile. L'objet du verrouillage en position canonique est essentiellement d'éviter que le gyroscope vienne en butée si le bâti support tourne. Dans l'application aéroportée précitée ces mouvements sont dus aux évolutions de l'avion porteur avant tir. - Suivant des techniques connues, le verrouillage s'effectue électriquement, la toupie étant en rotation, å l'aide d'un capteur axial qui délivre une tension induite en cas de dépointage par rapport a la position de référence suivant laquelle on veut bloquer la toupie. La tension détectée par le capteur est amplifiée avant d'être transmise aux bobines de précession qui exercent sur la toupie un couple de rappel de manière à annuler le dépointage. Cette solution dynamique sur le gyroscope tournant produit un calage avec une certaine constante de temps et ne convient que si la vitesse de rotation n'est pas trop importante. Le but de l'invention est de remédier à ces inconvénients tout en permettant un verrouillage de la toupie avant son lancement. Le verrouillage est tel qutil neutralise l'effet gyroscopique de la toupie. Le verrouillage s'effectue pour toute position angulaire initiale de la toupie dans son champ de débattement. Le déverrouillage provoque la coupure du moteur de rotation de la toupie dit moteur de spin et rend la toupie libre très rapidement, par exemple en moins d'une seconde après l'apparition d'une consigne de déverrouillage. Au moment du déverrouillage l'axe de la toupie ne subit pas de déviation. Selon l'invention il est réalisé un système gyroscopique comportant - un montage cardan avec un premier cadre supporté par un bâti et pouvant tourner autour d'un premier axe mécanique, un deuxième cadre supporté par le premier cadre et pouvant tourner autour d'un deuxième axe mécanique perpendiculaire au premier axe, - une toupie solidaire du deuxième cadre et pouvant tourner autour d'un troisième axe pour en stabiliser la direction, - et des moyens de verrouillage du troisième axe et donc du montage cardan selon une direction de référence liée au bâti, les trois axes concourrant au centre du cardan, le système étant caractérisé en ce que les moyens de verrouillage comportent une première pièce solidaire du deuxième cadre, une deuxième pièce solidaire du bâti, et des moyens de déplacement de la deuxième pièce en translation selon la direction de référence, l'une des pièces comportant une extrémité sphérique et l'autre étant aménagée en une extrémité correspondante avec une cavité réceptrice de forme sensiblement complémentaire permettant de produire une action mécanique qui ramène le troisième axe selon la direction de référence tout en bloquant le montage cardan, ledit déplacement produisant dans un sens le verrouillage et en sens inverse le déverrouillage. Les particularités et avantages de l'invention apparaîtront dans la description qui suit donnée à titre d'exemple et à l'aide des figures annexées qui représentent - Fig. 1, un schéma général d'un système gyroscopique équipé d'un dispositif de verrouillage conforme à la présente invention, - Figs. 2A,2B et 2C, des schémas partiels relatifs au fonctionnement du dispositif de verrouillage - Fig.3 et Fig.4, des schémas d'un premier exemple de réalisation d'un système gyroscopique conforme à l'invention:: - Figs. 5 et 6, des schémas relatifs au circuits électroniques de commande de verrouillage et1 de déverrouillage du système gyroscopique selon les figures 3 et 4 - Fig.7, un schéma d'un deuxième exemple de réalisation d'un système gyroscopique conforme à l'invention; - Fig.8, un schéma relatif aux circuits électroniques de commande de verrouillage et de déverrouillage du système gyroscopique selon la figure 7. En se reportant à la figure 1, on distingue à droite le système gyroscopique composé d'un montage cardan 1 à deux degrés de liberté avec un premier cadre il (ou anneau) supporté par un bâti 10 symbolisé par des hachures. Dans le cas de l'application envisagée, ce bâti est constitué par le corps du missile. Le premier cadre 11 peut tourner autour d'un premier axe mécanique AS qui peut correspondre à l'axe site (ou axe élévation). Un deuxième cadre 12, ou noix, du cardan est supporté par le premier cadre 11 et peut tourner autour d'un deuxième axe mécanique AG dit axe gisement (ou axe azimut). Le deuxième axe mécanique de rotation est perpendiculaire au premier axe et ils se croisent au centre C du cardan. Une toupie 13 (rotor, du moteur de spin) est supportée par le deuxième cadre 12 et tourne autour d'un troisième axe Zo.La toupie peut être extérieure, ou intérieure comme figuré. La rotation de la toupie autour de Zo produit par effet gyroscopique 1A stabilisation spatiale de cet axe qui passe également par le centre C du cardan. En position canonique, l'axe Z est ramené selon une o direction de référence ZM liée axl bâti et qui correspond dans une applicstion à un missile à l'axe longitudinal de ce dernier. Le verrouillage consiste à bloquer le montage cardan 1 en position canonique. Le deuxième cadre 12 supporte un corps à stabiliser spatialement, par exemple un élément optique référencé 17. Conformément à l'invention le système gyroscopique est équipé d'un dispositif de verrouillage mécanique à commande électrique. Ce dispositif comporte une première pièce 21 solidaire du deuxième cadre et pourvu d'une extrémité sphérique. Cette première pièce apparait plus clairement sur les figures 2A à 2C et peut consister en un élément cylindrique d'axe Zo et termine par un embout sphérique, ou demi-sphérique. Disposé extérieurement au système gyroscopique 1 et solidaire du bâti l0 le dispositif de verrouillage comporte un ensemble 2 ou l'on distingue notamment une deuxième pièce 22 qui peut être déplacée par translation selon l'axe ZM dans un sens pour produire le verrouillage et dans l'autre sens pour produire le blocage. Ce déplacement permet aux extrémités respectives des pièces 21 et 22 de venir en contact. L'extrémité réceptrice de la pièce 22 est pourvue d'un usinage terminal ayant une forme sensiblement complémentaire de celle de la pièce 21 de manière à ramener l'axe de celle-ci sur l'axe ZM et annuler le dépointage e du système gyroscopique. La partie terminale usinée 220 pourra avoir la forme conique représentée, ou autre, par exemple une forme sphérique concave. La pièce 22 peut également être évidée dans sa partie axiale 221 pour l'alléger et éventuellement pour recevoir l'extrémité de la pièce 21 en position canonique (voir réalisations selon Fig. 3 et Fig. 7). Le dispositif de verrouillage 2 comporte > en outre, des organes de commande du déplacement de la pièce 22 qui peuvent être, comme représenté, constitués par un montage du type haut-parleur oi" la bobine reçoit un courant de commande Ic d'un circuit annexe 3 de commande électrique du verrouillage ou du déverrouillage. Sur le schéma figure 1 on distingue un aimant permanent 23 disposé entre deux armatures, une armature 24 et une armature 25, cette dernière formant culasse et étant prolongée par un noyau central 27. La bobine 26 disposée dans l'entrefer entre le circuit magnétique 23-24-25 et le noyau central 27 est solidaire de ]a pièce 22 et entraine celle-ci dans le sens désiré selon le sens du courant de commande Ic. Les figures 2A, 2B et 2C montrent le fonctionnement, la figure 2A lorsque les pièces viennent en contact, la figure 2B après verrouillage en position canonique. La figure 2C illustre la plage maximale de débattement angulaire + eM pour laquelle le dispositif de verrouillage fonctionne. Les éléments 21 et 22 peuvent être inversés, la pièce 22 se trouvant solidaire du cadre 12, et la pièce 21 entraînée par translation. Cependant la representation indiquée est préférentielle. On se rapporte rnaintenant à l'exemple de réalisation selon les figures 3 et 4, la figure 4 représentant une section transversale à l'axe ZM au niveau du dispositif de verrouillage 2 et la figure 3 une coupe longitudinale selon deux plans diamétraux orthogonaux (le dispositif de verrouillage est présenté en position verrouillée sur la demi-coupe inférieure et en position déverrouillée sur la demi-coupe supérieure). Le déverrouillage s'obtient par la neutralisation mécanique des deux degrés de liberté du montage cardan 1 sur lequel se trouve la toupie 13. La tige rétractable 22, creuse, à extrémité en forme de cône rentrant, appuie sur la tête sphérique 21 liée aux mouvements du cardan. Elle exerce sur l'ensemble suspendu une force de contact dont le couple (Figs.2A et 2B) tend à le ramener dans l'axe de symétrie du bâti 10. Cette condition est réalisée pour un cône d'appui suffisamment ferme et un frottement suffisamment faible. La pièce 22 se termine par une partie cylindrique de plus grand diamètre 225 qui supporte des bobines 26A et 26B. Celles-ci se trouvent, en position de verrouillage, face aux circuits magnétiques circulaires 24A et 25A.Pour empêcher le rotation autour de l'axe ZM de la pièce 22 un dispositif de guidage 30 composé d'un téton 30 se déplaçant dans une rainure est prévu, le téton 30 étant solidaire du bâti 10. L'élément moteur du dispositif de verrouillage est constitué par les bobines 2GA et 26B qui coulissent à l'intérieur de l'entrefer du circuit magnétique 23,24,25. L'aimant 23 de forme annulaire à polarisation axiale entretient dans l'entrefer une induction radiale constante. L'entrefer comporte deux zones actives å l'intérieur desquelles l'induction a des sens opposés. Pour cette raison, les bobines 26 sont réalisées en deux sections bobinées en sens inverse l'une de l'autre et deux fils en mains. Le circuit magnétique est constitué de 1;1 partie extérieure comprenant l'élément annulaire 23 placé entre les cleux anneaux magnétiques 24A et 25A et de la partie intérieure comprenant un cylindre creux 25C de même matériau. La pièce 25B constitue un blindage et une butée d'extrémité. Cette pièce 25B est solidaire du bâti 10.La pièce intérieure 25C est percée latéralement par deux ouvertures rectangulaires dans lesquelles coulissent librement deux patins prismatiques ferro-magnétiques 31A et 31B. Dans un plan perpendiculaire à ces patins, le cylindre 25C est percé diamétralement par deux autres ouvertures, celles-la de forme circulaire, recevant des mini-rupteurs 32A et 32B. Les mini-rupteurs sont actionnés par des évidements usinés dans la paroi intérieure de la pièce cylindrique 225. La position de ces parties évidées est telle que les mini-rupteurs 32A et 32B agissent comme interrupteurs de fin de course. Dans la partie centrale de la tige 22 se trouve un troisième mini-rupteur 32C qui se ferme au contact de la tête sphérique 21. A l'intérieur du cylindre central du circuit magnétique, une deuxième bobine 33 à section carrée et dont l'axe est transversal actionne le retrait des pièces 31A et 31B simultanément en sorte de dégager les picots 35A et 35B d'extrémité des parties évidées. En l'absence d'alimentation de la bobine 33 les patins 31A et 31B sont maintenus en appui sur la paroi interne de la pièce mobile 225 par l'action d'un ressort à lame flexible 36.Les pions 35A et 35B dépassent légèrement de la face en appui des patins ce qui assure le blocage de la pièce 225 dans deux positions stables, en fin de verrouillage et de deverrstlillage. La bobine 33 qui produit le déverrouillage de l'équipage mobile 225-22 est double comme les éléments 26A. 26B. Elle peut être constituée de deux bobines 33A et 33B comme indiqué sur les figures 5 et 6. Le fonctionnement du circuit électrique de commande et des butées apparait sur les figures 5 et 6. La figure 6 représente le système dans la position verrouillée l'application d'une tension de déverrouillage UD entre B et B' permet de le ramener ultérieurement dans la position libre. Par mesure de sécurité il est préférable d'utiliser une source continue différente produisant la tension de verrouillage Uv appliquée entre A et A' et une autre source pour celle qui produit la tension de dé verrouillage UD appliquée entre B et B', ces sources étant électriquement isolées l'une de l'autre. Suivant la figure 5 la séquence de verrouillage comporte, à partir de l'état stable initial en position déverrouillée, l'application de la tension de verrouillage Uv entre A et A'; cette tension est transmise à travers le micro-rupteur 32A et permet de faire circuler un courant à travers les bobines 26A et 33A montées en parallèle. Aussitôt les patins 31A et 31B libèrent ltéquipage mobile qui coulisse vers l'extérieur de l'entrefer en forçant la toupie du gyroscope et corrélativement le montage cardan à se placer dans la position canonique. Le verrouillage se termine par le changement d'état du rupteur 32A qui coupe le courant lorsque le doigt correspondant parvient dans l'empreinte prévue à la périphérie de la pièce 225.De même l'état du micro-rupteur 32C d'extrémité change d'état et transmet un signal S1 d'autorisation de lancement de la toupie à un circuit électrique 39 correspondant. De manière inverse pour la séquence de deverrouillage, une tension UD appliquée entre B et B' fait circuler un courant en sens inverse du précédent à travers les bobines 33B et 26B montées en parallèle. Aussitôt les patins 31A et 31B libèrent l'équipage mobile qui coulassent vers l'intérieur de l'entrefer libérant la toupie du gyroscope. Dès le début de la séquence le micro-rupteur 32C change d'état entraînant la suppression d'alimentation du moteur de spin. Le déverrouillage se termine sur le changement d'état du micro-rupteur 32B lorsque l'extrémité du picot correspondant vient s'engager dans un évidement prévu à la périphérie de la pièce 225. La figure 7 représente une autre version de réalisation du dispositif de verrouillage. L'élément moteur actionnant la tige 22 en translation et constitué d'une bobine 26 cylindrique mobile dans l'entrefer À l'intérieur duquel on produit une induction radiale constante grâce à un aimant cylindrique 23 å polarisation longitudinale. La bobine 26 est montée sur le support 225 non magnétique, guidé en rotation par le noyau central 24 du circuit magnétique composé de la partie cylindrique 25A et du cylindre extérieur 25C. Lorsque la bobine 26 est alimentée, elle reçoit une force axiale d'attraction et de répulsion suivant le sens du courant qui la parcourt. Un ressort 40 de faible raideur maintient la bobine en position tirée en appui sur la plaque de blindage 41.Deux verrous électromagnétiques 42 et 43 à noyau plongeur sont alimentés en série et diamétralement opposés pour bloquer la bobine en position rentrée. En l'absence d'alimentation, les verrous sont sortis. Les positions stables de la bobine mobile 26 sont recopiées par deux interrupteurs opto-électroniques 321) et 32E à transmission de faisceau et deux réglettes d'occultation associées 32F et 3ZG solidaires de la piece 225 et corrélativement de la bobine 26. Leur longueur est telle qu'en position verrouillée l'interrupteur 32D transmet et l'interrupteur 32E est occulté. En appui, complètement tiré dans l'entrefer, l'interrupteur 32D est occulté ainsi que 32E. -En appui sur la plaque de blindage 41, la bobine sortie, les interrupteurs 32B et 32E transmettent.Ces deux capteurs sont insérés dans la semelle du circuit magnétique 25C dans des positions diamétralement opposées. Le fonctionnement électrique apparaît sur la figure 8. La solution utilise une logique de commande 45. Le circuit 46 représente la commande de l'opérateur cette commande est à deux positions. Sur la position 1, on commande le verrouillage et sur la position zero le déverrouillage. La logique de commande 4.5 peut être réalisée en logique câblée avec les circuits représentés ,elle reçoit les signaux des ensembles capteurs 32D et 32F d'une part, et 32E et 32G d'autre part.Le signal issu du capteur 37D est transmis par ailleurs au circuit 39 comme signal d'autorisation du lancement de la toupie, ou moteur de spin Les signaux délivrés par la logique de commande s'appliquent dlune part aux verrous électromagnétiques à noyau plongeur 42, 43 dont on a représenté les bobines et d'autre part a la bobine 26 composée en réalité de deux bobines comme il a été dit précédemment, l'une pour commander la translation dans un sens et l'autre pour commander la translation inverse. Il y a lieu de remarquer que dans la phase de verrouillage qui exige le plus d'effort, l'action de la bobine 26 s'additionne à celle du ressort 40 qui se décomprime selon l'axe ZM. La plaque circulaire 24 est prolongée par un axe 24D autour duquel se trouve le ressort 40. La commande du circuit logique nécessite la présence d'une basse tension continue auxiliaire. Pour l'application envisagée à un missile, la première version décrite. à l'aide des figures 3 à fi est préférable. REVENDICATIONS 1. Système gyroscopique comportant -un montage cardan avec un premier cadre supporté par un bâti et pouvant tourner autour d'un premier axe mécanique, un deuxième cadre supporté par le premier cadre et pouvant tourner autour d'un deuxième axe mécanique perpendiculaire au premier, - une toupie solidaire du deuxième cadre et pouvant tourner autour dtun troisième axe pour en stabiliser la direction, - et des moyens de verrouillage du troisième axe et donc du montage cardan selon une direction de référence liée au bâti, les trois axes concourrant au centre du cardan, le système étant caractérisé en ce que les moyens de verrouillage comportent une première pièce (21) solidaire du deuxième cadre (12), une deuxième pièce (2,) solidaire du bâti (10), des moyens de déplacement (2,3) de la deuxième pièce (22) en translation selon la direction de référence (Z), l'une des pièces comportant une extrémité sphérique (21) et l'autre étant aménagée en son extrémité correspondante avec une cavité réceptrice (220) de forme sensiblement complémentaire permettant de produire une action mécanique ramenant le troisième axe selon la direction de référence et assurant le blocage du montage cardan (1), ledit déplacement produisant dans u,n sens le verrouillage et en sens inverse le déverrouillage. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de déplacement comportent un montage (2) du type haut-parleur à aimant permanent (23) compris entre deux armatures (24,25) avec un noyau central (27) et une bobine (26) dans llentrefer, ladite bobine étant mobile sur réception d'un courant d'alimentation et montee solidaire (225) de ladite deuxième pièce (22). 3. Système selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite première pièce est celle comportant une extrémité sphérique (21) et est constituée d'un élément cylindrique solidaire du deuxième cadre (12) par son autre extrémité, ledit élément cylindrique étant coaxial avec ledit troisième axe (Zo) du montage cardan (1). 4. Système selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite deuxième pièce est constituée par une tige (22) coaxiale avec ladite direction de référence et dont l'extrémité opposée à celle de contact est terminée par un manchon de plus grand diamètre (225) supportant ladite bobine (26). 5. Système selon la revendication 2 ou l'un quelconque des ensembles de revendications 2 et 3, 2 et 4, caractérisé en ce que ladite bobine est double (26A,26B) pour déclencher avec un premier bobinage (26A) alimenté l'action de verrouillage, et avec le second bobinage (26B) alimenté séparément l'action de déverrouillage. 6. Système selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens de déplacement comportent deux autres bobines (33A,33B ou 42,43) associées respectivement chacune à une pièce métallique (31A,31B) bloquant mécaniquement la deuxième pièce (22) solidaire de la bobine (26) 7. Système selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'alimentation des bobines s'effectue A travers deux micro-rupteurs (32A,32B) respectivement. 8. Système selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'alimentation des bobines (26,42,43) s'effectue à travers un circuit logique de commande (45) à partir de montages capteurs optoélectriques (32E,G et 32D,F). 9. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes utilisé pour un autodirecteur de missile.