Brevet FR2617458A1 — publié le 19890106

"Navette spatiale sans pilote ". La présente invention concerne une navette spatiale sans pilote, à surface portante, se composant d'un fuselage recevant une charge utile ainsi que des volets de chargement qui recouvrent la charge utile au lancement et à l'atterrissage, une surface portante en, forme d'aile delta avec deux sta- bilisateurs d'extrémité d'aile pour créer des forces de commande latérales, un module de propulsion équipé de moteurs pour les manoeuvres sur trajectoire et/ou de réglage de position, un dispositif de roulement, un écran de protection thermique, une installation de com- munication ainsi que des installations de navigation et de commande de vol automatiques et/ou télécommandées. Il est connu d'envoyer dans l'es- pace des navettes spatiales à surface portante conte- nant des charges utiles et de les récupérer sur terre à la fin de la durée du vol utile (navette spatiale américaine, Hermès, Hotol, Sânger). Le lancement de telles navettes spatiales se fait en général à l'aide d'une fusée porteuse alors que pour le retour, la na- vette se guide à travers l'atmosphère terrestre et atterrit comme un avion sans moteur. L'inconvénient des navettes spa- tiales connues du type ci-dessus est que celles-ci doivent être conçues comme des navettes habitées et être équipées d'installations de fonctionnement et de survie, complexes et coûteuses. D'autres caractéristi- ques de ces navettes sont de ne permettre que des vols de courte durée et d'être conçues pour le transfert de charges utiles très différentes (par exemple des labo- ratoires spatiaux animés, des satellites de recherche ou de transmission d'informations, ou encore des conte- neurs expérimentaux reliés rigidement à la navette). Ces caractéristiques rapportées à un satellite qui doit fonctionner pendant une longue durée dans l'es- pace pour être de nouveau ramené sur terre constituent des inconvénients si l'on tient compte de ce que tant la navette qu'un tel satellite doivent disposer de moyens d'entraînement, de réglage de position, de transmission d'informations et d'alimentation en éner- gie pour fonctionner de manière autonome. De plus, le volume de la charge utile dans es navettes spatiales connues du type ci-dessus n'est pas adapté aux condi- tions d'encombrement de la charge utile mais au contrai- re la charge utile est adaptée au volume disponible. Cela se traduit régulièrement par une utilisation non optimale du volume utile et/ou de la masse utile dispo- nibles. Un autre inconvénient de telles navettes spatiales est d'avoir à déployer un dispositif de roulement, du côté inférieur du fuselage pour atterrir sur terre. Comme la face inférieure de telles navettes est munie d'un écran de protection thermique pour leur pénétration dans l'atmosphère terrestre, on ne peut utiliser à cet effet d'écrans thermiques peu coûteux, et qui peuvent fondre. Au contraire, il faut prévoir un système d'isolation coûteux composé de tuiles céramiques. La présente invention a pour but de créer une navette spatiale non pilotée, à aile et qui puisse revenir sur terre, en restant reliée à la charge utile pendant toute la durée de la mission, qui possède un écran de protection thermique simple et peu coûteux sur la face inférieure de la navette et qui dispose d'une soute permettant de recevoir des charges utiles les plus différentes avec une utilisa- tion optimale de la charge utile et du volume utile et permettant de faire revenir sur terre la charge utile à la fin de sa durée de fonctionnement dans l'es- pace. De plus, la navette doit disposer des différents moyens d'alimentation en énergie, de navigation, de transmission d'informations, de réglage de position de propulsion et cela aussi simple que possible. A cet effet, l'invention concerne une navette du type ci-dessus, caractérisée en ce qu'elle comporte un dispositif de roulement avant qui peut être rentré et être recouvert dans le côté supérieur du nez du fuselage, ainsi que d'un dispositif de rou- -lement principal se composant de deux organes de rou- lement, chaque organe de roulement se logeant et pou- vant être recouvert au niveau du stabilisateur d'extré- mité d'aile à chaque -extrémité de la surface portante, les dispositifs de roulement se déployant dans une di- rection qui correspond à l'axe positif Z d'un système de coordonnées dont l'axe X correspond à l'axe longitu- dinal de la navette, et pour la première partie du vol de retour Etpoir des vitesses à des nombres de Mach élevés, la navette est orientée dans l'espace des coordonnées de façon que le côté supérieur du fuselage et les dis- positifs de roulement rentrés, soient dirrigés suivant l'axe Z positif, et que dans la seconde partie du vol de retour et pour des vitesses voisines ou inférieures à Mach un, ainsi qu'à l'atterrissage, la navette soit orientée dans l'espace des coordonnées pour que la face supérieure du fuselage et le dispositif de roulement soient dirigés vers le bas dans le sense de l'axe Z négatif, et en ce que la géométrie du profil de la surface portante est choisie pour que cette surface portante tienne compte des conditions du vol hypersoni- que dans la première partie du vol de retour et qu'elle fonctionne comme surface portante supercritique dans la seconde partie du vol de retour. Suivant une autre caractéristique de l'invention, la pellicule extérieure est munie tota- lement ou en partie d'un écran thermique fusible et n'est pas réutilisable. Suivant une autre caractéristique de l'invention, la pellicule extérieure est munie en totalité ou en partie d'un écran thermique renouve- lable pour être utilisé de nouveau. Suivant une autre caractérkstique de l'ikvention, la navette comporte des volets de soute qui sont prévus à l'arrière de la navette sur le module de propulsion et permettent d'extraire la charge utile de l'arrière de la navette. Suivant une autre caractéristique de l'invention, le dispositif de roulement avant et le dispositif de roulement principal sont recouverts à l'aide de volets prévus sur les logements des disposi- tifs de roulement. Suivant une autre caractéristique de l'invention, le dispositif de roulement avant et le dispositif de roulement principal sont déployables par'des dispositifs de commande hydrauliques asservis, électriques et/ou par des ressorts verrouillables. Suivant une autre caractéristique de l'invention, la soute comporte un support d'appareil en forme de treillis, interchangeable, sur lequel sont fixés en plus des charges utiles, également les moyens d'alimentation en énergie, de rayonnement thermique, de navigation, de transmission d'informations, de ré- glage de position et d'entralnement pour la mise en oeuvre de la navette et de la charge utile. Suivant une autre caractéristique de l'invention, les moyens de commande de vol et de contrôle de vol sont câblés suivant la technique du "vol télécommandé par câble" et/ou "du vol télécommandé de manière optique ". Suivant une autre caractéristique de l'invention, les surfaces portantes ont un profil symétrique modifié NACA 0064 dont la face inférieure est aplatie et est adaptée à la géométrie de la face inférieure du fuselage. Enfin, suivant une autre caracté- ristique de l'invention, les dispositifs de commande des volets de manoeuvre de vol articulés au bord arrière de la surface portante sont logés complètement dans la surface portante. La présente invention sera décrite de manière plus détaillée à l'aide d'un exemple de réa- lisation représenté schématiquement dans les-dessins annexés, dans lesquels: - la figure 1 est une vue en perspective d'une navette spatiale sans pilote. - la figure 2 représente schématiquement le déroulement d'une mission spatiale à l'aide de la navette de la figure 1. - la figure 3 montre une navette dont la surface por- tante a été sortie. - les figures 4a-4b montrent la surface portante de la figure 3 en vue de -dessus et suivant différentes coupes. La figure 1 montre une navette spatiale 1 sans pilote à ailesen Delta 3. Le fuselage 4 de la navette 1 comporte une soute 2 qui se ferme à l'aide d'une porte 6 en deux parties. Dans la partie arrière du fuselage 4, se trouve un module de propul- sion 5 qui est muni de moyens de propulsion et de commande appropriés. L'organe de roulement avant 7 de cette navette spatiale 1 se trouve en position sortie sur le côté supérieur du nez de la navette alors que le dispositif de roulement 9 principal se compose de deux organes de roulement logés dans les stabilisa- teurs 14,à l'extrémité de chaque aile, ces stabilisa- teurs étant prévus à chaque extrémité des surfaces portantes 3. Le dispositif de roulement avant 7 peut se rentrer dans le fuselage 4 et le dispositif de roulement principal 9 s'intègre dans les stabilisa- teurs 14 des ailes et ces dispositifs de roulement sont recouverts par les volets 8, 10. Le mécanisme de déploiement des dispositifs de roulement 7, 9 peut être commandé par un moyen hydraulique et/ou électri- que; on peut également envisager l'utilisation d'un mecanisme de déploiement à ressort, verrouillable. Les dispositifs de roulement 7, 9 se déploient dans une direction qui correspond à l'axe positif Z d'un système de coordonnées dont l'axe X correspond à l'axe longitudinal de la navette spa- tiale 1. L'enveloppe de la navette 1 est munie aux endroits appropriés, de manière connue en soi par une couche réfractaire qui, de préférence peut fondre; lorsque la navette spatiale 1 pénètre de nou- veau dans l'atmosphère terrestre, cette couche réfrac- taire la protège contre les contraintes thermiques intenses. La soute 2 reçoit un support d'appareil 15 en forme de treillis, de construction connue en soi; ce support est interchangeable. Il s'agit par exemple d'un support tel que ceux employés sur les satellites réutilisables "SPAS" et "EUREKA". Ce support porte en plus de la charge utile proprement dite les différents moyens d'alimentation en énergie, de rayonnement thermique, de navigation, de transmis- sion d'informations et de régulation de position qui permettent la mise en oeuvre de la charge utile sur le fonctionnement de la navette spatiale 1 et de la charge utile pendant toute la durée de la mission. La disposition selon l'invention de ces installations relativement coûteuses sur un support d'appareil 15 interchangeable avec la charge utile permet de concevoir et de réaliser la navette spatiale 1 de manière relativement peu coûteuse, uni- quement comme conteneur non réutilisable pour le lan- cement, le fonctionnement et le retour. Ainsi après le retour de la navette spatiale 1 sur terre, on extrait le support d'appareil 15 de la navette et après avoir équipé celui-ci par le nouveau matériel, après l'avoir réparé et entretenu, on le monte dans une nouvelle navette 1 pour effectuer avec celle-ci une nouvelle mission de transport de charge. Suivant un développement de l'in- vention, la navette spatiale 1 est munie d'une couche réfractaire de protection qui permet de réutiliser la navette spatiale 1 après qu'elle ait subi les travaux de réparation correspondants. Suivant un développement avanta- geux de l'invention, la navette spatiale 1 contient des installations de contrôle de vol et de commande de - vol qui sont combinées sur la base de la technique connue en soi de "vol téléguidé par câble" et/ou de "vol téléguidé de manière optique". La figure 2 montre le déroulement caractéristique d'une mission spatiale effectuée à l'aide de la navette spatiale 1. La phase A correspond au lancement à l'aide d'une fusée porteuse 11; à la fin du lancement se produit la séparation de l'étage final 12. En phase de vol B, la navette spatiale 1 est commandée sur sa trajectoire autour de la terre; sur cette trajectoire, le fonctionnement en charge utile correspond à la phase C. Les générateurs solaires 13 fixés au support d'appareil 15 alimentent la navette 1 et sa charge utile pour satisfaire à la demande d'énergie électrique. A la fin du fonctionnement en charge utile, la navette spatiale 1 freine sa vitesse sur trajectoire à l'aide de son moteur embarqué et revient dans l'atmosphère terrestre au cours de la -phase de vol D. Au cours de la première partie E du vol de retour pendant que la navette 1 se déplace à une vitesse Mach élevée, elle se déplace avec sa face inférieure du fuselage et des ailes tournées princi- palement en direction de la surface de la terre. Lors- que la navette 1 atteint au cours de sa descente une vitesse voisine de Mach un, elle se retourne sur le segment de trajectoire F, de 180 autour de son axe longitudinal. De cette manière au cours de la dernière partie C du vol et pendant l'atterrissage, la surface supérieure de la navette est tournée en direction de la surface du sol, ses dispositifs de roulement 7, 9 étant déployés pour l'atterrissage. Le profil de l'aile portante uti- lisée sur la navette spatiale du type ci-dessus est en général une variante du profil symétrique NACA 0064 correspondant par exemple à l'aile portante de la na- vette spatiale américaine. Les figures 3-4b représen- tent une telle aile portante dont le profil est aplati sur son côté inférieur pour s'adapter à la géométrie du côté inférieur de la navette spatiale. Cette géomé- trie de profil présente un rapport relativement grand entre l'épaisseur du profil et la profondeur du profil, ce qui se traduit par une rigidité relativement grande de la structure et permet en outre suivant une réalisa- tion avantageuse de l'invention, de loger les disposi- tifs de commande des volets de manoeuvre dans l'aile portante 3. En vol à un nombre Mach élevé, ce profil donne de bonnes caractéristiques aérodynami- ques. Il est particulièrement intéressant pour l'objet de l'invention que ce profil aérodynamique connu pré- sente de bonnes caractéristiques aérodynamiques lors d'une rotation de la navette spatiale de 180 autour de son axe longitudinal, caractéristiques qui corres- pondent à celles d'un profil d'aile portante supercri- tique. Cela est important pour l'invention, car ainsi la navette spatiale 1 selon l'invention présente des caractéristiques de vol relativement bonnes. De plus, grâce à la rotation de la navette spatiale 1 en phase de vol F, on augmente l'effet aérodynamique des stabi- lisateurs d'extrémité d'aile 14 dirigés maintenant vers le bas pour l'angle d'approche relativement élevé au cours de l'atterrissage. Un autre avantage de l'invention est que grâce à cette position de vol, le montage du dispositif de roulement 7, 9 peut se faire dans le côté supérieur de la navette, ce qui permet de réaliser sur la face inférieure du fuselage un écran de protec- tion thermique avantageux sur le plan du coût, non in- terrompu par les volets des logements du dispositif de roulement. 1,0 R E V E N D I C A T I 0 N S 1 ) Navette spatiale sans pilote, à surface portante, se composant d'un fuselage recevant une charge utile ainsi que des volets de chargement qui recouvrent la charge utile au lancement et à l'atterris- sage, une surface portante en forme d'aile delta avec deux stabilisateurs d'extrémité d'aile pour créer des forces de commande latérales, un module de propulsion équipé de moteurs pour les manoeuvres sur trajectoire et/ou de réglage de position, un dispositif de roule- ment, un écran de protection thermique, une installa- tion de communication ainsi que des installations de navigation et de commande de vol automatiques et/ou télécommandées, navette caractérisée en ce qu'elle com- porte un dispositif de roulement avant (7) qui peut être rentré et être recouvert dans le côté supérieur du nez du fuselage, ainsi que d'un dispositif de roule- ment principal (9) se composant de deux organes de rou- lement, chaque organe de roulement se logeant et pouvant être recouvert au niveau du stabilisateur d'extrémité d'aile (14) à chaque extrémité de la surface portante (3), les dispositifs de roulement (7, 9) se déployant dans une direction qui correspond à l'axe positif Z d'un système de coordonnées dont l'axe X correspond à l'axe longitudinal de la navette (1), et pour la pre- mière partie du vol de retour et pour des vitesses à des nombres de Mach élevés, la navette est orientée dans l'espace des coordonnées de façon que le côté supérieur du fuselage et les dispositifs de roulement (7, 9) rentrés, soient dirigés suivant l'axe Z positif, et que dans la seconde partie du vol de retour et pour des vitesses voisines ou inférieures à Mach un, ainsi qu'à l'atterrissage, la navette (1) soit orientée dans l'es- pace des coordonnées pour que la face supérieure du fuselage et le dispositif de roulement (7, 9) soient 1.1 dirigés vers le bas dans le sens de l'axe Z négatif, et en ce que la géométrie du profil de la surface por- tante (3) est choisie pour que cette surface portante (3) tienne compte des conditions du vol hypersonique dans la première partie du vol de retour et qu'elle fonctionne comme surface portantesupercritique dans la seconde partie du vol de retour. 2 ) Navette spatiale selon la re- vendication 1, caractérisée en ce que sa pellicule ex-- térieure est munie totalement ou en partie d'un écran thermique fusible et n'est pas réutilisable. ) Navette spatiale selon la re- vendication 1, caractérisée en ce que sur la pellicule extérieure, elle est munie en totalité ou en partie d'un écran thermique renouvelable pour être utilisé de nouveau. 4 ) Navette spatiale selon la re- vendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte des volets de soute qui sont prévus à l'arrière de la na- vette (1) sur le module de propulsion (5) et permettent d'extraire la charge utile de l'arrière de la navette (1). ) Navette spatiale selon la re- vendication 1, caractérisée en ce que le dispositif de roulement avant et le dispositif de roulement principal (7, 9) sont recouverts à l'aide de volets (8,10) prévus sur les logements des dispositifs de roulement. 6 ) Navette spatiale selon la re- vendication 1, caractérisée en ce que le dispositif de roulement avant et le dispositif de roulement principal (7, 9) sont déployables par des dispositifs de commande hydrauliques asservis, électriques et/ou par des res- sorts verrouillables. 7 ) Navette spatiale selon la re- vendication 1, caractérisée en ce que la soute (2) comporte un support d'appareil (15) en forme de treillis, interchangeable, sur lequel sont fixés en plus des char- ges utiles, également les moyens d'alimentation en éner- gie, de rayonnement thermique, de navigation, de trans- mission d'informations, de réglage de position et d'en- trainement pour la mise en oeuvre de la navette et de la charge utile. 8 ) Navette spatiale selon la re- vendication 1, caractérisée en ce que les moyens de com- mande de vol et de contrôle de vol sont câblés suivant la technique du "vol télécommandé par câble" et/ou "du vol télécommandé de manière optique". 9 ) Navette spatiale selon la re- vendication 1, caractérisée en ce que les surfaces por- tantes (3) ont un profil symétrique modifié NACA 0064 dont la face inférieure est aplatie et est adaptée à la géométri- de la face inférieure du fuselage. ) Navette spatiale selon la re- vendication 9, caractérisée en ce que les dispositifs de commande des volets de manooeuvre de vol articulés au bord arrière de la surface portante sont logés com- plètement dans la surface portante (3).