Brevet FR2686687A1 — publié le 19930730

PROCEDE ET DISPOSITIF DE PILOTAGE D'UN PROJECTILE SELON SES TROIS AXES DE ROULIS TANGAGE ET LACET Domaine de l'invention La présente invention concerne un système de pilotage trois axes, applicable à tous les projectiles d'artillerie tirés depuis un tube D'autres applications peuvent être prévues pour les engins volants ou projetés, devant être dirigés ou orientés en cours de trajectoire De plus, le système selon l'invention ne nécessitant pas de déploiement d'organes aérodynamiques, tel que des voilures, il s'applique à tous les projectiles dont la présence d'ailes, d'ailettes ou d'empennage compliquerait la structure et nuierait au stockage du projectile ou de l'engin à cause d'un encombrement trop important. Techniques connues De nombreux systèmes de pilotage d'engins, par jets de gaz, existent et permettent de produire des poussées latérales à l'engin, ayant des effets particuliers (guidage, pilotage dans un plan, etc) De plus, la plupart de ces sytèmes mettent en oeuvre des impulseurs à deux états Ceux-ci permettent l'application d'une poussée F 0, ou de son opposé -F Ces dispositifs de pilotage permettent donc de produire, soit une force positive ou négative, soit un couple positif ou négatif autour d'un axe donné de l'engin considéré Ce système fonctionnant en "tout ou rien" ne permet pas de ne pas appliquer d'effort, tel qu'une force ou un couple, en l'absence d'ordres de commandes. Par exemple, la demande de brevet français N 02 469 345 décrit un procédé de pilotage et de guidage de projectile en phase terminale, et décrit le projectile comportant les moyens mis en oeuvre dudit procédé Selon cette demande de brevet, plusieurs séries longitudinales d'orifices latéraux ont été pratiqués sur le corps du projectile Chacun de ces orifices est relié à un commutateur de gaz, lui-même relié à un générateur de gaz Pour agir sur la trajectoire du projectile, tous les commutateurs d'une même rangée longitudnale sont commandés de manière à produire des jets de gaz dans tous les orifices de la même série, créant ainsi une série de forces latérales orientées dans une direction déterminée par rapport au corps du projectile La série longitudinale à utiliser pour générer l'effort latéral est déterminée en fonction de l'attitude en roulis du projectile et de la rectification de trajectoire à effectuer. Ce système ne permet pas d'orienter le projectile autour de l'axe de tangage, ni autour de l'axe de lacet, ni autour de l'axe de roulis Il permet simplement d'agir sur le centre de gravité du projectile et ainsi de modifier la trajectoire de ce dernier. De plus, ce système, ainsi que les autres systèmes existant déjà, ne permettent pas de ne pas utiliser un empennage pour stabiliser l'engin, ou lui Imprimer un certain mouvement de roulis. Objet de l'invention Dans le but de rémédier à ces inconvénients, l'invention propose un procédé et un dispositif de pilotage selon les trois axes de roulis, tangage et lacet d'un projectile ayant son centre de gravité placé sur son axe longitudinal et utilisant un générateur de gaz L'invention se caractérise par le fait que le procédé consiste à produire, à partir d'au moins deux paires de points placés de manière symétrique autour de l'axe longitudinal, et dans un plan perpendiculaire audit axe longitudinal et écarté du centre de gravité du projectile, une force à partir de chacun des points, dans une direction choisie parmi deux directions différentes et déterminées, mais opposées aux deux directions de l'autre point de la même paire Le dispositif utilise des commutateurs à deux états reliés aux générateurs des gaz. Présentation des dessins L'invention et ses particularités seront mieux comprises à la lecture de la description qui suit, annexée des figures suivantes: Fig 1, un schéma explicatif du principe de l'invention Fig 2, un schéma explicatif concernant la mise en place du système selon l'invention dans un projectile; Fig 3, une vue en coupe d'un projectile équipé du dispositif selon l'invention; Fig 4, une coupe partielle relative à une première réalisation possible d'un commutateur utilisé dans l'invention; Fig 5 A et 5 B, deux coupes partielles relatives à une deuxième réalisation d'un commutateur utilisé dans l'invention: Fig 6 à 21, les seize combinaisons possibles de pilotage selon l'invention, mise en oeuvre avec quatre commutateurs. Description de l'invention Le principe de l'invention est basé sur les observations suivantes Les dispositifs de pilotage de projectiles employés jusqu'à présent utilisent généralement des générateurs de gaz pour créer des forces destinées à influer sur le comportement du projectile Les plus courants de ces générateurs de gaz ont pour combustible du propergol solide, dont la combustion, une fois entamée, ne peut plus être stoppée avant l'épuisement complet de la quantité de combustible Ceci a pour conséquence, qu'une fois cette combustion entamée, il est nécessaire de prévoir au moins un orifice d'échappement des gaz à tout moment, même si l'on ne désire pas produire une force déterminée à chaque instant Dans le cas o aucune modification de trajectoire ou d'attitude du projectile n'est nécessaire, il faut, selon les systèmes existant déjà, mettre en oeuvre une méthode de répartition et d'ordonnancement des différentes forces qui peuvent être produites, de manière à ce que, pendant une petite unité de temps, la moyenne globale de toutes ces forces soit nulles, et que leur effet n'ait aucune influence sur le projectile Dans le cas d'un projectile équipé de deux tuyères diamétralement opposées, il est nécessaire d'alterner l'échappement des gaz de manière égale dans l'une puis l'autre de ces deux tuyères. Le principe selon l'invention utilise donc ce fait que le débit est permanent et indispensable au générateur de gaz, mais aussi que ce débit doit être constant pour que le fonctionnement soit régulier pendant toute la combustion du combustible L'invention propose d'utiliser plusieurs tuyères latérales qui produisent chacune un jet de gaz en permanence, mais également d'orienter chacun de ces jets de manière à, soit annuler toutes les forces au cas o aucun effet correctif n'est demandé, soit au contraire créer un déséquilibre de ces forces, de manière à ce que la résultante de celles-ci, appliquée au centre de gravité du projectile, modifie d'une manière prédéterminée, l'attitude o la trajectoire du projectile. Ce principe est explicité par la figure 1, dans sa mise en oeuvre optimale Le corps d'un projectile 1 y figure avec deux axes Y Y' et Z Z' se croisant de façon perpendiculaire au centre C de ce projectile Quatre points P sont disposés symétriquement par rapport au centre C du projectile, c'est-à-dire qu'ils sont écartés angulairement les uns par rapport aux autres de 90 , et qu'ils sont écartés du centre C ou d'une distance égale RV On a représenté également, à partir de chacun de ces quatre points P une force, d'une unique valeur F symbolisée par une flèche noire Pour chaque point P, chaque force peut être orientée selon deux directions différentes Une condition essentielle est que ces directions ne passent pas par le point C placé sur l'axe longitudinal Une deuxième condition essentielle au système selon l'invention, est que, les deux directions des forces de deux points opposés par rapport au centre C soient colinéaires et opposées deux à deux. Sur la figure ces directions ont été représentées orthogonales entre elles pour chaque point, et parallèles aux directions des autres points, ceci dans un but logique de simplification du problème, et d'efficacité de mise en oeuvre Les flèches blanches indiquent la deuxième position que peut prendre une force F par rapport aux mêmes points On constate que, par rapport au point C, du projectile, qu'aucune des directions que peut prendre chacune des forces F, ne passe par le centre de gravité du projectile Ceci a pour conséquence que chacune des forces crée un couple par rapport à ce centre de gravité Sur la figure 1, les directions des forces F ont été représentées parallèles aux axes Y Y' et Z Z'; ceci correspond à la réalisation optimale de l'invention Si la distance de chaque point d'application P des forces par rapport aux axes orthogonaux Y Y' et Z Z', est égale à R, chaque force F crée par rapport au point C un couple égal à F R Ce couple aura pour effet de faire pivoter le projectile 1 autour de son axe longitudinal X X', axe de roulis, passant par le centre de gravité C. En référence à la figure 2, le système selon l'invention est mis en place dans le projectile 1 dans un plan A A' orthogonal à l'axe longitudinal X X' du projectile, et placé à une distance L du centre de gravité G du projectile. Ainsi, chaque force F crée, par rapport à ce centre de gravité, un deuxième couple égal à F L Ce couple peut avoir pour effet de faire basculer le projectile autour de l'axe Y Y', axe de tangage ou autour de l'axe Z Z', axe de lacet. Pour mettre en oeuvre ce procédé de pilotage, le dispositif selon l'invention possède, comme le montre la figure 3, un commutateur 10 à chaque point P relié à un générateur de gaz, non représenté Ce commutateur possède deux positions stables, permettant d'orienter les gaz issus du générateur, au moyen de deux tuyères 11 A et 11 B, soit dans une direction parallèle à l'axe Y Y', soit dans une direction parallèle à l'axe Z Z'. Considérant maintenant la figure 4, une réalisation possible de ce commutateur est représentée Il est composé d'un trou cylindrique 5, centré sur le point P, et d'axe longitudinal parallèle à celui du projectile Deux tuyères T débouchant à l'extérieur, ont leur base 14 débouchant sur le trou 5 Dans ce trou est placé un cylindre rotatif repéré 2, dans lequel une ouverture 3 a été pratiquée Cette ouverture a une largeur moins importante que la distance séparant les bases des deux tuyères T correspondant au même point, et aboutissant sur le trou cylindrique De ce fait, les gaz arrivant à l'intérieur du cylindre 2 ne peuvent s'échapper que par l'une ou l'autre des tuyères La commande de ce cylindre est symbolisée sur la figure 4 par un levier 4 qui peut être commandé par un dispositif bistable, par exemple du type à électro- aimant, de manière à orienter le cylindre dans l'une ou l'autre des positions d'échappement des gaz. Des figures 5 A et 5 B montrent une autre possibilité de réalisation de ce commutateur Le cylindre 6 est dans ce cas, du type coulissant à l'intérieur du trou 5 pratiqué dans le projectile 1 Comme le montre la figure 5 B, deux ouvertures 7 et 8 ont été faites dans le cylindre Ces ouvertures sont décalées angulairement d'une valeur égale à l'angle formé par les deux directions des deux tuyères du trou correspondant, et ceci par rapport à l'axe longitudinal X X' Elles sont également par rapport à ce même axe, décalées longitudinalement De ce fait, comme le montre les flèches sur cette même figure 5 B, si le cylindre est déplacé, l'une ou l'autre de ses ouvertures 7 et 8 se trouvent en face de la tuyère qui lui correspond, et les gaz sont orientés dans l'une ou dans l'autre de ces tuyères. Dans la réalisation décrite ici, il existe en chaque point P deux possibilités pour orienter la force F Disposant de quatre points P à partir desquels est produite une force F, il existe 24 possibilités, c'est-à-dire seize possibilités différentes de combiner les quatre forces Ces seize combinaisons ont pour force et couple résultants, seize situations différentes qui sont maintenant décrites à l'aide des figures 6 à 21. Sur les figures 6 et 7 sont représentées les quatre forces orientées dans les quatre directions différentes, mais toutes décalées dans le même sens par rapport au centre de gravité C Ces deux premières figures représentent les deux combinaisons de pilotage uniquement en roulis, et ceci dans les deux sens possibles Le couple a une valeur de 4 F R. Sur les figures 8 et 9, les forces selon l'axe Z Z' s'annulent, et les forces le long de l'axe Y Y' s'additionnent. On obtient de ce fait un pilotage générant une poussée selon l'axe Y Y' de force 2 F, et de couple 2 F L autour de l'axe Z Z'. Ceci correspond à un pilotage uniquement en lacet. Sur les figures 10 et 11, les forces F s'annulent selon l'axe Y Y' et s'additionnent selon l'axe Z Z' Selon ce dernier on crée ainsi une force égale à 2 F, et un couple par rapport à l'axe Y Y' égal à 2 F L Ceci correspond à un pilotage uniquement en tangage. Sur la figure 12, les forces s'annulent toutes selon l'axe Y Y' On obtient ainsi aucune force et aucun couple appliqué au centre de gravité C Sur la figure 13, il en est de même selon l'axe Z Z' Ces deux figures 12 et 13 correspondent à un pilotage nul, ou à une situation sans pilotage. Les huit figures, 14 à 21 correspondent à huit situations dans les quelles il y a une combinaison entre une situation de commande en roulis d'un couple 2 F R avec un couple en tangage et un couple en lacet de valeur F L chacun. Les figures 14 et 15 correspondent à un pilotage en lacet dans un premier sens, associé à un pilotage en roulis et en tangage dans l'un ou l'autre des deux sens possibles. Les figures 16 et 17, correspondent également à un pilotage en lacet, mais le sens opposé aux deux figures précédentes, ceci combiné avec un pilotage en roulis dans les deux sens possibles. Les figures 18 et 19, correspondent à un pilotage en tangage selon un premier sens, associé aux deux sens possibles de pilotage en roulis et en lacet. Enfin, les figures 20 et 21, correspondent également à un pilotage en tangage, mais en sens opposé à celui des deux figures précédentes, et combiné aux deux sens de pilotage possibles en roulis et en lacet. Dans ces huit figures 14 à 21, le pilotage en lacet et en tangage est effectué avec une seule unité de force F, contrairement aux quatre figures 8,9,10, et 11 De même, selon ces huit figures 14 à 21, la valeur du couple à roulis correspond à deux unités F R alors que selon les figures 6 et 7, le couple correspond à quatre unités F R. Ainsi, si l'on désigne par C 2 F R Rn Tn = F L. C Ln = F L. les couples unitaires nominaux disponibles sur chaque axe de roulis, tangage et lacet, respectivement, et si l'on désigne par CR 3 CTI et CE, les couples effectivement appliqués sur ces mêmes axes, selon les configurations, nous pouvons définir les rapports C Rn k CL CT T C Tn En utilisant ces notation, les seize combinaisons offertes par l'invention, sont alors décrites par le tableau joint en annexe, faisant référence aux figures 6 à 21, commentées ci-avant. Les avantages obtenus par le système selon la présente invention sont les suivants. La mise en oeuvre est relativement simple, puisqu'elle ne réclame que quatre commutateurs simples à deux états et identiques Le système s'avère donc relativement fiable et simple. La section débitante du gaz est constante, quelle que soit la configuration choisie, parmi les seize possibilités. Ceci permet un fonctionnement optimal et déterminé du générateur de gaz. Les seize modes de fonctionnement différents permettent, soit de ne pas agir selon un axe, soit d'agir par une unité de force F ou une unité de 2 forces F et ceci dans les deux sens possibles. La possibilité de disposer ainsi d'un couple moteur double sur un axe donné, permet de contrer des perturbations importantes et occasionnelles Elle permet également une modification brusque de la trajectoire du projectile, par exemple quand il s'agit d'atteindre une cible se déplaçant au dernier moment de la trajectoire du projectile. Une application particulière de l'invention, envisage un nombre de possibilités réduit de couplage entre les commutateurs Ceux-ci étant par exemple au nombre de deux ou trois seulement Ceci a évidemment pour conséquence de diminuer le nombre des possibilités qui peut être réduit à deux, quatre ou huit possibilités Cette solution peut être intéressante pour des projectiles de conception simple, n'ayant pas des exigences de corrections de trajectoire importantes et rapides On peut également envisager un nombre plus Important de points P, à partir desquels les forces F sont produites Par exemple, on peut envisager huit commutateurs disposés à 45 pour pouvoir moduler les efforts ou les couples de zéro à quatre unités de forces F De plus, la précision de l'orientation en roulis peut être accrue. -1 TABLEAU ANNEXE Figure Rapports Remarque No R| PT | L -2 + 2 -1 -1 + 1 + 1 -1 + 1 -1 + 1 I Roulis unique i H Lacet unique n Tangage unique 1 t i I Absence de pilotage Roulis et Tangage et Lacet combinés i 1 + 2 -2 o o o + 1 -1 + 1 -1 + 1 -1 -1 + 1 o O o o -2 + 2 o o + 1 -1 -1 + 1 -1 -1 + 1 + 1 i REVEND ICA TIONS 1 Procédé de pilotage selon trois axes de roulis (X X'), lacet (Z Z'), tangage (Y Y') d'un projectile d'axe longitudinal (X X') et de centre de gravité (G) placé sur ledit axe longitudinal, caractérisé en ce qu'il consiste à produire, à partir d'au moins une paire de points (P) placés de manière symétrique autour de l'axe longitudinal (X X'), dans un plan (A,A') perpendiculaire audit axe longitudinal et écarté dudit centre de gravité (G) du projectile, une force d'une unique valeur (F) à partir de chaque point (P), dans une direction choisie parmi deux directions différentes et déterminées, mais opposées aux deux directions de l'autre point de la même paire et ne passant pas par l'axe longitudinal (X X'). 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les points à partir desquels sont produits les forces, sont au nombre de quatre, et sont espacés angulairement de 90 les uns par rapport aux autres. 3 Dispositif de pilotage selon les trois axes de roulis (X X') lacet (Z Z') tangage (Y Y') d'un projectile d'axe longitudinal (X X') et de centre de gravité (G) placé sur ledit axe longitudinal, pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications l ou 2, comprenant au moins un générateur de gaz, caractérisé en ce qu'il comprend, placé à deux points (P) d'une même paire et de manière symétrique autour de l'axe longitudinal du projectile dans ledit plan (A A') au moins une paire de commutateurs ( 10) reliés audit générateur des gaz, et pouvant chacun orienter un jet de gaz dans une première ou dans une deuxième direction parmi lesdites deux directions déterminées, différentes, mais opposées aux deux directions de l'autre commutateur de la même paire, et ne passant pas par l'axe longitudinal (X X') du projectile. 4 Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits commutateurs ( 10) sont constitués chacun d'un -( 1 cylindre ( 6) pouvant pivoter à l'intérieur d'un trou ( 5) du projectile ( 1) autour du point (P) et possédant une ouverture ( 3) permettant de laisser échapper les gaz, provenant du générateur de gaz, dans l'une ou l'autre de deux tuyères (T) correspondantes, par rotation du cylindre. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que chaque commutateur ( 10) est constitué d'un cylindre ( 9) possédant deux ouvertures ( 7,8) décalées angulairement autour de l'axe longitudinal (X X') d'un angle correspondant à l'angle formé par les deux directions de deux tuyères (T) correspondantes, et également décalées longitudinalement, de manière à ce que par translation, le cylibdre ne laisse passer les gaz, provenant du générateur des gaz, que par l'une ou l'autre des deux tuyères.