Brevet FR2626318A1 — publié le 19890728

-1- SYSTEME PERFECT IOWNNE DE COMMANDE DE VECTEUR DE POUSSEE POUR VEHICULES AEROSPATIAUX Cette invention concérne de façon générale des véhicules aérospatiaux tels qua des avions, des engins spatiaux et autres véhicules qui sont utilisés à de hautes altitudes et dans l'espace extérieur, et qui sont propulsés par des moteurs du type à réaction, et plus particulièrement des systèmes de commande de vecteur de poussée pour commander et diriger ces types de véhieules. Les véhicules aérospatiaux propulsés par un moteur du type à réaction, tel qu'un moteur-fusée, sont généralement commandés et dirigés par un type quelconque de mouvement de l'axe de poussée du moteur-fusée par rapport à l'axe longitudinal du véhicule. Ce type de commande de véhicule propulsé par fusée est appelé habituellement commande du vecteur de poussée. Les systèmes de commande de vecteur de poussée traditionnels utilisent plusieurs approches différentes pour déplacer l'axe de poussée du moteur-fusée. Un système de commande de vecteur de poussée conventionnel utilise une tuyère d'éehappement articulée pour faire dévier les gazd'échappement et ainsi faire basculer l'axe de poussée du moteur-fusée par rapport à l'axe du véhicule. Un autre système de commande de vecteur de poussée conventionnel utilise des aubes résistant à la chaleur, qui sont disposées à l'intérieur de la portion de décharge de la tuyère d'échappement pour faire dévier les gaz d'échappement et faire basculer l'axe de poussée du moteur-fusée. Un autre système de commande de vecteur de poussée conventionnel utilise un moteur-fusée qui est monté de façon pivotante sur le véhicule de manière que l'ensemble du moteur-fusée puisse ître basculé par rapport à l'axe du véhicule. Ce type de système de commande se présente habituellement sous la forme d'un important moteur-fusée fixe, qui n'est utilisé que pour la propulsion, et de plusieurs petits moteurs-fusée suspendus à la Cardan autour de la périphérie externe du véhicule, qui sont utilisés pour la direction et la eommande. Finalement, un autre système de commande de vecteur de poussée - 2conventionnel est basé sur le déplacement latéral de l'axe de poussée du moteur-fusée par rapport à l'axe du véhicule. Plusieurs exemples de ce type de système de commande de vecteur de poussée comprennent un système de commande qui déplace latéralement la tuyère d'échappement du moteurfusées comme décrit dans le brevet US No 3 200 587 au nom de Tolson et les brevets US No 3 392 918 et 3 258 '915 au nom, de Goldberg, un système de commande qui déplace latéralement le col du moteur-fusée, comme décrit dans les références Goldberg, et un système de commande qui utilise un organe en forme de c ne placé dans le passage d'échappement du moteurfusée, comme décrit dans le brevet US No 3 188 024 au nom de Schneider. L'organe en forme de cène décrit dans la référence Schneider est monté excentriquement dans la portion interne d'un anneau, l'anneau étant mobile à l'intérieur du passage d'échappement du moteur-fusée de façon à modifier l'espace entre les cetes du passage d'échappement et l'organe en forme de c8ne et obliger une quantité plus importante de gaz d'échappement à passer sur un c8té de l'organe en forme de c8ne ou sur l'autre. Bien que chacun des divers types de systèmes de commande de vecteur de poussée présentent ses avantages, chacun des systèmes presente également plusieurs inconvénients. Par exemple, les systèmes de commande de vecteur de poussée qui sont basés sur une certaine forme d'interférence avec le parcours. suivi par les gaz dtéchappement lorsqu'ils sortent de la chambre de combustion ont un effet contraire sur le rendement du moteur- fusée. La raison en est qu'une modification du parcours d'échappement entre un parcours dans l'axe et un parcours dévié provoque des turbulences. Les systèmes de commande qui utilisent une tuyère articulée ont besoin d'un joint étanche aux gaz entre la tuyère mobile et le carénage du moteur. Des difficultés considérables ont été rencontrées quand on a cherché à concevoir des joints étanches aux gaz retenant les gaz sous haute pression formant des flammes et érosifs qui sont éjectés de la chambre de combustion, tout an permettant à la tuyère d'8tre facilement déplacée par des dispositifs d'actionnement de poids léger sur un angle de déflexion pratique. Finalement, en ce qui -concerne les systèmes de commande qui sqnt basés sur le basculement de l'axe de poussée, le point de pivotement de - 3l'axe de poussée doit être situé bien en arrière du centre de gravité du véhicule s'il est nécessaire de générer des moments de commande suffisamment importants. De mime, quand il s'agit de systèmes de commande basés sur un déplacement latéral de l'axe de poussée, le moteur-fusée doit avoir la possibilité de se déplacer sur des distances latérales relativement importantes pour générer les moments de commande requis. En conséquence, il existe toujours un besoin pour un système de commande de vecteur de poussée perfectionné. La présente invention satisfait nettement ce besoin. La présente invention concerne un système de conmande de vecteur de poussée perfectionné permettant de diriger et de commander un véhicule aérospatial propulsé par un moteur du type à réaction. En bref et en termes généraux,. le système de commande de vecteur de poussée perfectionné fait simultanément effectuer un mouvement de rotation et un mouvement de translation latéral au moteur à réaction par rapport à l'axe longitudinal du véhicule. Ce mouvement complexe du moteur a réaction engendre des moments de commande suffisamment importants, ce qui permet au moteur à réaction d'gtre rapproché très étroitement du centre de gravité du véhicule. Plus spécifiquement, selon un mode de réalisation actuellement préféré de l'invention, un système à la Cardan permettant de faire tourner et effectuer un mouvement de translation latéral à un moteur du type à réaction, tel qu'un moteur-fusée, comprend un premier et un second organes articulés. Une extrémité du premier organe articulé est fixée de façon rotative au niveau de son axe d'articulation au véhicule, alors que l'extrémité articulée du second organe articulé est fixée de façon rotative au niveau de son axe d'articulation a l'autre extrémité du premier organe articulé. Le moteur-fusée est fixé rigidement à l'extrémité non articulée du second organe articulé. Les deux axes d'articulation se coupent au sommet d'une pyramide, l'un des axes d'articulation formant un coin de la pyramide et l'autre axe d'articulation formant une ligne médiane de l'un des cStés de la, pyramide. Quand on fait tourner le système à la Cardan, on éloigne le moteur-fusée de la ligne médiane de la pyramide et on fait tourner la moteur de manière que l'axe de poussée passée toujours par le sommet de - 4- le pyramide. Le moment de commande qui est généré par ce mouvement com- plexe du moteur-fusée est le même que le moment qui pourrait être gé- néré si le moteur-fuseée était tourné autour du sommet de la pyramide. L'un des avantages de ce système à la Cardan est que le moteur- fusée peut être déplacé latéralement sans quelui soit appliquée une force latérale quelconque. Seules des forces de rotation sont appli- quées aux deux organes articulés autour de leurs-axes d'articulation respectifs de manière à faire tourner et effectuer un mouvement de translation latéral au moteur-fusée. Un autre avantage de ce système à la Cardant est que la quantité relative de rotation et de déplacement latéral peut être facilement réglée. Quand on augmente la hauteur de la pyramide. le moteur-fusée effectue un mouvement de translation plus im- portant et un mouvement de rotation moins important. Il y a translation pure quand le sommet est reporté à l'infini. Inversement. quand on di- minue la hauteur de la pyramide. le moteur subit une rotation plus im- portante et un mouvement de translation moins important. Une pure ro- tation a lieu quand le sommet est situé au niveau de la base de la pyramide. Selon un autre aspect, l'invention propose un système de commande de vecteur de poussée pour véhicule aérospatial comprenant un axe longi- tudinal et un centre de gravité situé sur l'axe longitudinal, le véhi- cule aérospatial étant propulsé par un moteur-fusée présentant un axe de poussée. caractérisé par le fait que: ledit système comprend un premier organe articulé qui présente un axe d'articulation situé à une extrémité de l'organe, le premier or- gane articulé étant fixé de façon rotative au niveau de son axe d'ar- ticulation au véhicule un second organe articulé comprenant un axe d'articulation situé à une extrémité de l'organe. le second organe articulé étant fixé de fa- çon rotative au niveau de son axe d'articulation à l'autre extrémité du premier organe articulé, le moteur-fusée étant fixé rigidement a l'ex- trémité non articulée du second organe articulé de manière que les axes d'articulation des premier et second or- ganes articulés et l'axe longitudinal'du véhicule se coupent pour for- mer une pyramide. le système de commande faisant simultanément tourner et effectuer un mouvement de translation latéral au moteur-fusée par rapport à l'axe longitudinal du véhicule de manière que l'axe de poussée -5- du moteur-fusée passe toujours par le sommet de la pyramide; et le moment de commande qui est généré par le système de comman- de autour du centre de gravité du véhicule est approximativement égal au moment qui serait généré si le moteur-fusée était tourné autour du sommet de la pyramide. On comprendra à la lecture de ce qui précède que la présente invention propose un système de commande de vecteur de poussée perfec- tionné pour des véhicules propulsés par fusée. Le système de commande perfectionné permet de placer un moteur-fusée beaucoup plus près du centre de gravité du véhicule que les systèmes de commande de l'art antérieur. sans réduire les moments de commande qui sont générés par le système de commande. Il en résulte que le véhicule peut être de plus courte longueur et que l'on peut éliminer la structure qui est typique- ment nécessaire pour positionner le moteur à réaction en un point de pivotement situé plus à l'arrière. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaltront plus clairement a la lecture de la description plus dé- taillée qui suit. en se référant aux dessins annexés qui représentent à titre d'exemple les principes de l'invention. Sur ces dessins: la figure 1 est une vue en élévation d'un engin spatial utilisant un système de commande de vecteur de poussée selon l'art antérieur; - 6 - la figure 2 est une vue en élévation d'un engin spatial utilisant un systeme de commande de -vecteur de poussée selon la présente invention; les figures 3 à 6 montrent les principes conceptuels du fonctionnement d'un système à la Cardan selon un mode de réalisation actuellement préféré de l'invention; la figure 7 représente de façon conceptuelle les principes de fonctionnement d'un système a la Cardan selon un antre mode de réalisation préféré de l'invention, la figure 8 est une vue en élévation frontale d'un système à la Cardan selon le mode de réalisation actuellement préféré de l'invention; et la figure 9 est une vue en élévation par l'arrière d'un système à la Cardan selon le mode de réalisation actuellement préféré de l'invention. Comme montré sur les dessins à des fins d'illustration, la présente invention est mise en oeuvre dans un système de commande de vecteur de poussée pour diriger et commander un véhicule aérospatial propulsé par un moteur du type à réaction. Les véhicules aérospatiaux propulsés par un moteur du type à réaction, tel qu'un moteur-fusée, sont généralement commandés -et dirigés par un type quelconque de mouvement de l'axe de poussée du moteur-fusée par rapport à l'axe longitudinal du véhicule, Ce type de commande d'un véhicule propulsé- par fusée est appelé habituellement commande de vecteur de poussée. Les systèmes de commande de vecteur de poussée traditionnels ont recours à plusieurs approches différentes pour déplacer l'axe de poussée du moteurfusée, mais ces systèmes de commande ont besoin généralement 'ue le point de pivotement de l'axe de poussée soit situé bien à l'arrière du centre de gravité du véhicule s'il est nécessaire de générer des moment de commande suffisamment importants Selon la présente invention, un système de commande de vecteur de poussée perfectionné fait simultanément tourner et effectuer un mouvement de translation au moteur-fusée par rapport à l'axe longitudinal du véhicule. Ce mouvement complexe du moteur à réaction engendre des moments de commande suffisamment importants, ce qui permet _ 7_ au moteur-fusée d'être très étroitement rapproché du centre de gravité du véhicule. Les figures I et 2 montrent un engin spatial 10 dont le centre de gravité 12 est situé le long de l'axe longitudinal I4, le centre de gravité 12 se déplaçant en longueur le long de l'axe 14 à mesure que le carburant est consommé par le véhicule. L'engin spatial 10 est propulsé par un moteurfusée 16 présentant un axe de poussée 18 qui est généralement en alignement avec l'axe 14 du véhicule quand il n'y a pas d'entrées de commande ou de direction. La figure 1 représente un engin spatial 10 qui utilise un système de commande de vecteur de poussée selon l'art antérieur. Le systeme de commande de l'art antérieur dirige et commande le véhicule par rotation du moteur-fusée 16 autour d'un point de pivotemaent 20 qui est loin à l'arrière-du centre de gravité 12. De telles rotations du moteur-fusée 16 font basculer l'axe de poussée 18 par rapport à l'axe 14 du véhicule sur un angle 0I1 le. moment résultant autour du centre de gravité 12 faisant tourner le véhicule. Le véhicule continue de tourner autour de son centre de gravité jusqu'à ce que le moteur soit tourné de façon à réaligner l'axe de poussée 18 avec l'axe 14 du véhicule. Le moment de commande- engendré par la rotation du moteur-fuse 16 est égal à: Poussée * L1 * sin 01 o L1 représente la distance longitudinale entre le centre de gravité 12 du véhicule et le point de pivotement 20 du moteur-fusée 16, et 91 l'angle entre l'axe longitudinal 12 du véhicule et l'axe de poussée 18. La figure 2 montre un engin spatial 10 qui utilise un système de commande de vecteur de poussée selon la présente invention. Le systeme de commande de la présente invention permet de diriger et de commander le véhicule en imposant simultanément au moteur-fusée 16 un mouvement de rotation et un mouvement de translation latéral. Bien que le moteur-fusée 16 soit tourné autour du point de pivotement 20', le moment de commande engendré par ce mouvement complexe est le mime que le moment qui serait généré si le moteur-fusée 16 était tourné autour du point de pivotement 22 beaucoup plus à l'arrière du centre de gravité 12 que le point de pivotement 20'. Le résultat est que le véhicule peut être rendu plus court et que la structure dont on a typiquement besoin pour positionner le moteur-fusée au point de pivotement 22 est éliminé. Le moment de commande généré par la rotation S.et le déplacement latéral du moteur-fusée 16 est égal à: Poussee*(L2*sin Q2 + L3*cos 92) o L2 représente la distance longitudinale entre le centre de gravité 12 du véhicule et le point de pivotement 20' du moteur-fusée 16, L3 la distance latérale entre l'axe longitudinal 14 du véhicule et le point de pivotement 20', et 92 l'angle entre l'axe longitudinal 12 du véhicule et l'axe de poussée 18. Ce moment de commande est également égal A: Poussé * L4 * sin 2 o L4 représente la distance longitudinale entre le centre de gravité 12 du véhicule et le point de pivotement 22. Les figures 3 à 6 representent de façon schématique les principes de fonctionnement d'un système à la Cardan 30 qui fait simultanément tourner et effectuer un mouvement de translation lateral au moteur-fusée selon un mode de réalisation actuellement préféré de l'invention. Comme montré aux figures 3 et 4, le systme Aà la Cardan 30 comprend deux organes articulés 32, 34, le moteur-fusée 16 étant fixé rigidement à l'rextrémité non articulée de l'organe articulé 34. Une- extrémité de l'organe articulé 32 est fixée de façon rotative par son axe d'articulation 36 au véhicule, alors que l'extrémité articulée de l'organe artieulé 34 est fixée de façon rotative au niveau de son axe d'articulation 38.à l'autre extrémité de l'organe articulé 32, Les axes d'articulation 36, 38 se coupent en un point 40, formant ainsi une pyramide 42, le point 40 constituant le sommet de la pyramide et les axes d'articulation 36, 38 formant un coin 42 de la pyramide et la ligne médiane de l'un des cStés de la pyramide, respectivement. Le sommet 40 de la pyramide 42 correspond au point de pivotement 22 montré 9 - à la figure 2 et une ligne médiane 44 de la pyramide 42 correspond à l'axe longitudinal-14 du véhicule. Comme montré aux figures 5 et 6, le fait de faire tourner le système à la Cardan 30 éloigune le moteur-fusée 16 de la ligne médiane 44 de la pyramide 42 et amàne le moteur a tourner de manièré- que l'axe de poussée 18 du moteur-fusée 16 passe toujours par le sommet 40 de la pyramide 42. Le moment de commande qui est généré par ce mouvement complexe du moteur-fusée est le même que le moment qui serait généré el le moteur-fusée était tourné autour du sommet 40 de la pyramide 42. La figure 7 montre le concept du principe de fonctionnement d'un système à la Cardan 30' selon un autre mode de réalisation préféré de l'invention. Le système à la Cardan 30' est identique au systême à la Cardan 30 à l'exception du fait que l'axe d'artieulation 36, qui est identifié en tant qu'axe d'articulation 36v, forme la ligne médiane de l'un des c6tés de la pyramide 42 et non un coin de la pyramide. Les figures 8 et 9 représentent un systême à la Cardan 50 selon le mode de réalisation actuellement préféré de l'invention. Le système à la Cardan 30 comprend deux organes articulés 52, 54, le moteur-fúusée 16 étant fixé rigidement à l'extrémité non articulée de l'organe articulé 54. Une extrémité de l'organe articulé 52 est fixée de façon rotative au niveau de son axe d'articulation 56 au véhicule 10, alors que l'extrémité articulée de l'organe articulé 54 est fixée de façon rotative au niveau de son axe d'articulation 58 à l'autre extrémité de l'organe articulé 52. Les axes d'articulation 56, 58 se coupent en un point 60, formant ainsi une pyramide 62, le point 60 étant le sommet de la pyramide et les axes d'articulation 56, 58 formant un coin 62 de la pyramide et la ligne médiane de l'un des c6tés de la pyramide, respectivement. Le sommet 60 de la pyramide-62 correspond au point de pivotement 22 montré -à la figure 2 et la ligne médiéne 64 de la pyramide 62 correspond à l'axe longitudinal 14 du véhicule 10. L'un des avantages du système a la Cardan 50 est que le moteur-fusée 16 peut 8tre déplacé latéralement sans qu'aucune force latérale soit appliquée. Seules des forces de rotation sont appliquées aux organes articulés 52, 54 autour de leurs axes d'articulation respectifs 56, 58 de manière à faire tourner et à déplacer latéralement -10 - en translation le moteur-fusée. Un autre avantage de ce système à la Cardan est que la quantité relative de rotation et de déplacement latéral peut être facilement réglée. Quand on augmente la hauteur de la pyramide 62, le moteur-fusée 16 subit un mouvement- de translation plus important et un mouvement de rotation moins important. Une rotation pure a lieu quand le sommet 60 est reporté à l'infini. Inversement, quand on diminue la hauteur de la pyramide 62, le moteur est soumis à une rotation.plus importante et à une translation moins importante. Une pure rotation a lieu quand le sommet est situé au niveau de la base de la pyramide. On comprendra à la lecture de ce qui précède que la présente invention fournit un système de commande de vecteur de poussée perfectionné pour des véhicules propulsés par fusée. Le système de commande perfectionné permet de positionner un moteur-fusée beaucoup plus près du centre de gravité du véhicule que les systèmes de commande de l'art antérieur, sans réduire les moments de commande généres par le - système de commande. Il en résulte que le véhicule peut etre de plus courte longueur et que la structure qui est typiquement nécessaire pour positionner le moteur A réaction en un point de pivotement situé plus loin à l'arrière est éliminée. Bien que plusoieurs modes de réalisation préférés de l'invention aient été montrés et décrits, il est clair que d'autres adaptations et modifications peuvent être faites sans s'écarter du champ d'application de l'invention, -En conséquence, l'invention n'est limitée que par les revendications qui suivent. - -l - - REVENDICATIONS 1. Système de commande de vecteur de poussée pour véhicule aérospatial propulsé par un moteur à réaction, caractérisé par des moyens pour faire simultanément tourner et effectuer un mouvement de translation latérale au moteur à réaction par rapport à l'axe du véhicule pour diriger et commander ce véhicule. 2. Système de commande selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens pour faire tourner et effectuer un mouvement de translation comprennent: un premier organe articulé (32, 52) comprenant un axe d'articulation (36, 56) situé à une extrémité de l'organe, le premier organe articulé étant fixé de façon rotative au niveau de son axe d'articulation au véhicule; un second organe articulé (34, 54) présentant un axe d'articulation (38, 58) situé à une extrémité de l'organe, le second organe articulé étant fixé de façon rotative au niveau de son axe d'articulation à l'autre extrémité du premier organe articulé, le moteur & réaction étant fixé rigidement à l'extrémité non articulée du second organe articulé; de manière que les axes d'articulation (36, 38) des premier et second organes articulés (32, 52) et l'axe (14) du véhicule se coupent pour former une pyramide (42). 3. Système de commande selon la revendication 2, caractér:sé en ce que le moment de commande qui est généré par la rotation et le mouvement de translation latéral du moteur à réaction est approximativement égal au moment qui serait généré si le moteur à réaction était tourné autour du sommet (40, 60) de la pyramide. 4. Système de commande selon la revendication 2, caractérisé en ce. qu'un axe d'articulation (36) forme un coin de la pyramide (42) et l'autre axe d'articulation (38) forme une ligne médiane de l'un des c6tés de la pyramide. 5. Système de commande selon la revendication 2, caractérisé en ce que chacun des axes d'articulation forme une ligne médiane de l'un des ectés de la pyramide. 6. Système de commande selon la revendication 1, caractérisé en ce _ 12 - que le moteur à réaction est un moteur-fusée. 7. Système de commande de vecteur de poussée pour véhicule aérospatial comprenant un axe longitudinal et un centre de gravité situé sur l'axe longitudinal, le véhicule aérospatial étant propulsé par un moteur-fusée présentant un axe de poussée, caractérisé par le fait que: ledit système comprend un premier organe articulé (52) qui présente un axe d'articulation (56) situé à une extrémité de l'organe, le premier organe articulé étant fixé de façon rotative au niveau de son axe d'articulation au véhicule; un second organe articulé (54) comprenant un axe d'articulation situé à une extréemité de l'organe, le second organe articulé étant fixé de façon rotative au niveau de son axe d'articulation à l'autre extrémité du premier organe articulé, le moteur-fusée étant fixé rigidement à l'extrémité non articulée du second organe articulé; de manière que les axes d'articulation (56, 58) des premier et second organes articulés et l'axe longitudinal (14) du véhicule se coupent pour former une pyramide, le système de commande faisant simultanément tourner et effectuer un mouvement de translation latéral au moteur-fusée par rapport à l'axe longitudinal du véhicule de manière que l'axe de poussée du moteur-fusée passe toujours par le sommet de la pyramide; et le moment de commande qui est généré par le système de commande autour du centre de gravité au véhicule est approximativement égal au moment qui serait généré si le moteur-fusée était tourné autour du sommet de la pyramide. 8. Système de commande selon la revendication 7, caractérisé an ce qu'un axe d'articulation (56) forme un coin de la pyramide et l'autre axe d'articulation (58) forme.une ligne médiane de l'un des c8tés de la pyramide. 9. Système de commande selon la revendication 7, caractérisé an ce que chacun des axes d'articulation forme une ligne médiane de l'un des cetés de la- pyramide. 10. Procédé pour diriger et commander un véhicule aérospatial propulsé par un moteur à réaction, caractérisé par la manoeuvre e626318 13 _ consistant à faire simultanément tourner et effecatuer un mouvement de translation latéral au moteur à réaction par rapport à un axe du véhicule.