Brevet FR2716966A1 — publié le 19950908

SYSTEME DE DEFENSE ANTI-AERIENNE A TRES COURTE PORTEE, DE TYPE MISSILESOL-SR La présente invention conceme un système de défense antiaérienne dont le missile porteur contient un bâti sur lequel sont fixés: - des moyens de repérage de la cible, - des moyens de destruction de ladite cible, - et des moyens d'orientation de la charge de destruction et de déclenchement du tir lorsque le missile passe à proximité de sa cible. Ce missile est doté de moyens d'orientation et de stabilisation du porteur, ou cargo, et d'un dispositif d'orientation du bâti à l'intérieur du porteur. Dans de nombreux cas où des cibles terrestres, aériennes ou navales sont attaquées par des moyens aériens de type avions, missiles, bombes etc.., il est souvent nécessaire pour protéger ces cibles d'atteindre ces attaquants avec une grande précision et une grande énergie, pour les détruire. Or le recours à des gerbes d'éclats est insuffisant pour faire exploser des bombes ou des missiles durcis ou pour les détourner de leur trajectoire; il faut pour cela l'impact direct d'un obus, d'une charge creuse ou d 'un noyau forgé. Ainsi, alors que la précision et l'efficacité des armements air-sol s'accroissent et que leur destruction et celle de leurs porteurs deviennent de plus en plus difficiles, le besoin de s'en protéger s'amplifie, quelque soit l'état des moyens radars d'infrastructure. Contre des attaques par des bombes, guidées ou non, isolées ou en traînée, conventionnelles ou non, par des missiles de croisière, par des missiles antiradar, par des drones, par des avions tirant des roquettes, des obus ou dispersant des sous-munitions, deux solutions peuvent être envisagées: A) une première solution consiste à s'en prendre au porteur de l'arme à la plus grande distance possible; c'est à l'évidence la solution idéale, mais elle revient à poser en principe qu'on peut le détecter et l'identifier avant son tir qui peut avoir lieu à 10 km aujourd'hui, et d'avantage demain. Elle revient aussi à admettre qu'il y a un porteur de type avion alors que la tendance est à sa disparition et que l'avenir est au missile de croisière à très longue portée. De plus la détection du porteur présente des difficultés, aussi bien en optronique compte tenu de la sensibilité de ce moyen de détection à la nébulosité, qu'en radar compte tenu des progrès de furtivité des assaillants, de leurs contremesures, ainsi que de la menace des missiles anti-radar. Enfin, dans ces solutions, on ne tient pas compte de l'éventualité de destruction des radars de détection lointaine. B) Une autre solution consiste à s'en prendre à l'arme, missile, bombe, ou même avion quand ils arrivent tout près de leurs objectifs. Certes la furtivité de l'arme peut être très grande mais, à courte distance, la détection reste possible car le signal reçu est inversement proportionnel à la puissance 4 de la distance et les brouillages sont moins efficaces si les longueurs d'onde choisies sont un peu absorbées par l'atmosphère. Mais à très courte distance, aussi, la détection optronique est avantageuse car il est possible d'utiliser des longueurs d'onde relativement peu influencées par la pluie et le brouillard sur ces distances. La solution proposée conduit à prendre pour cible l'arme arrivante quand elle est à une distance de 1 à 2 km de son objectif; c'est à dire à une distance où le guidage terminal commence à opérer et donc à une distance où le point d'impact de l'arme commence à être clairement défini. L'arme attaquante, qui peut etre classique, chimique ou nucléaire, peut avoir les caractéristiques suivantes: - calibre égal ou supérieur à celui d'une bombe de 250 kg, c'est à dire de 0,3 m de diamètre environ, - faible manoeuvrabilité en final, évasives latérales ne dépassant pas 1 0m/s2, - vitesse de l'ordre de 500m/s, qui peut être atteinte par une bombe larguée à 3000m à Mach 0,9, et même Mach 2,5 dans le cas d'un missile propulsé, par exemple un missile anti-radar, - faible surface équivalente radar (SER) , de l'ordre du centième de m2 - faible signature infra-rouge (SIR) thermique, absence de propulseur le plus souvent et corps de l'arme très froid éventuellement, - temps de démasquage pouvant être très court, quelques secondes lors d'un tir à basse altitude, - solidité, dureté, épaisseur d'acier pouvant atteindre 20 mm dans sa partie centrale, passivité, elle ne peut être détruite que par un coup direct d'une charge de forte énergie bien ajustée, - identification impossible sinon par un comportement qui ne laisse place à aucun doute quant aux intentions futures de l'attaquant. II faut obtenir soit l'explosion, soit le démantèlement total de l'attaquant, et donc le frapper avec l'énergie suffisante pour cela, on ne peut songer à l'emploi de canons de gros calibres car, d'une part leur cadence est trop lente (100 coups par minute) et d'autre part ils ne sont pas assez précis pour faire un coup direct, leurs éclats n'auront donc par l'énergie suffisante. On peut aussi éliminer les canons de petits calibres ou les canons à sous-munitions car, même en coup direct, leur énergie est insuffisante. On peut enfin éliminer aussi les dispositifs créant une impulsion électromagnétique car la plus simple des bombes est une cage de Faraday. Ces caractéristiques amènent à définir un armement de type auto défense rapprochée ou un missile sol-air capable d'un impact direct sur l'attaquant. Cet impact doit se produire avant que l'attaquant n'explose, ce qui peut arriver à une altitude élevée pour une arme nudéaire. Enfin le système recherché doit s'opposer aux progrès des contre-mesures d'autoprotection qui ne peuvent que se généraliser. II faut donc ne faire appel qu'à un minimum de dispositifs brouillables tant en optronique qu'en radar. Certains missiles sol-air traditionnels, pour lesquels on dispose d'un certain temps pour réagir et d'une certaine capacité de modification de trajectoire, sont tirés sur but futur approximatif, le temps et les manoeuvres du missile en vol permettant de rattraper les écarts; une explosion à proximité fait le reste. Mais si le temps est court et s'il faut un impact direct, on atteint vite des difficultés insurmontables. Tous les paramètres sont alors critiques. II faut donc que le système soit muni de moyens rapides et précis capables: - de mesurer la distance, la vitesse et l'angle de présentation de la cible - de déterminer son point d'impact au sol de façon à n'attaquer que les cibles qui ont à la fois un caractère hostile et qui s'apprêtent à détruire un objectif de valeur, - de calculer les ordres de pointage et de mise à feu, - de préparer le missile ou le projectile pour son vol et l'interception, - de tirer, et, si le tir est à une portée qui permet ou exige des corrections: - de mesurer la vitesse du missile sur sa trajectoire et la direction de tir pour imposer des corrections, - de corriger en finale les erreurs inévitables du système pour atteindre la cible avec un projectile ayant une énergie suffisante (1 MJ par exemple) et avec une grande précision (nous prendrons comme écart-type un cercle de 10 cm de rayon). Toutes ces opérations doivent se dérouler dans des temps très courts, deux secondes au maximum pour toute la séquence. Par construction, le concept de système proposé ne prend à partie que les objets réunissant à la fois les trois conditions suivantes: - ils sont à très courte distance, dans un volume de 2000m de rayon par exemple - ils sont sur une trajectoire qui ne laisse aucun doute quant à son intersection avec le sol, - ils se dirigent vers un point classé comme "à défendre". La réunion de ces trois conditions suffit à classer un objet comme hostile, nul besoin d'autres critères. Elle constitue une règle d'engagement simple et sans équivoque. Ce qui dans des conflits futurs sera du plus grand intérêt. L'objectif est atteint grâce au système anti-aérien selon l'invention, lequel comprend, à l'intérieur d'un missile, un dispositif qui se présente sous la forme d'un bâti dont l'axe est confondu avec celui du missile, bâti sur lequel des organes de détection, de mesures, de pilotage et de destruction sont installés. Le missile qui transporte ce bâti réalise une approche imparfaite de la cible mais le dispositif corrige les erreurs finales et tire, au moment opportun, dans la direction qu'il a choisi, un noyau forgé qui détruit la cible. L'interception de la cible se fait donc en deux phases: une phase d'approche réalisée par le missile qui fait passer celui-ci à quelques mètres ou dizaines de mètres de la cible et une phase de tir de précision réalisée par le bati à l'intérieur du missile. Le bati supporte: - un radar de faible portée, à trois dimensions dont le faisceau est orientable dans le plan perpendiculaire au bâti, pour faire des mesures de distance et d'angle. - un capteur optronique, dépointé et orientable de la même façon; - une charge génératrice de noyau (CGN), dépointée et orientable de 0 à 90" elle aussi de la même façon, - une roue de réaction à axe longitudinal (axe du missile). Cette roue sert à orienter le bâti en roulis; elle a un moment d'inertie relativement important; elle est actionnée électriquement; quand elle est accélérée dans un sens, le bati toume dans l'autre, sa constante de temps est très faible. De façon plus précise l'invention conceme un système de défense anti-aérienne, à très courte portée, de type missile sol-air, caractérisé en ce que le missile porteur contient un bâti mobile orientable selon un axe longitudinal du missile, bati sur lequel sont fixés: - des moyens orientables de mesure de distance de la cible hostile, - des moyens mobiles de mesure de position angulaire de ladite cible - des moyens mobiles de destruction de ladite cible, - des moyens d'orientation du bâti sur son axe. L'invention sera mieux comprise et ses avantages mis en évidence par la description qui suit d'un exemple de réalisation, en liaison avec les figures jointes qui représentent: - figure 1: : coupe longitudinale simplifiée d'un missile anti-aérien selon l'invention. - figure 2: vue de 3/4 dans l'espace du bati emporté par le missile selon l'invention. L'objectif du missile anti-aérien selon l'invention est de toucher la cible avec, à la fois, une précision de quelques centimètres et une grande énergie. C'est un missile moyen1 réalisant une interception à deux étages, c'est à dire assurant par lui-même une précision de passage assez moyenne et laissant au système autonome qu'il emporte le soin d'ajuster en finale et au passage un coup très précis et puissant. C'est un missile à très courte portée, son temps de vol est de l'ordre de 2 s et sa portée de l'ordre de 2000 m. Le missile comporte, en tant que porteur, ou cargo, un ensemble de moyens, habituels sur ce genre d'arme: - un accélérateur, largué en cours de vol, - un propulseur qui maintient la vitesse avec précision, sous poussée régulière, pendant deux secondes, - des gouvernes et surfaces portantes aérodynamiques, les facteurs de charge étant peu importants, - une source d'énergie telle qu'une pile thermique, - un ou deux gyroscopes de référence servant de repère initial de roulis et tangage, - des organes de calcul et l'électronique de puissance. Toutefois, ce missile comporte en outre deux moyens particuliers, qui sont liés au bâti qu'il emporte et qui sont: - un compensateur de roulis pour stabiliser le roulis du missile vers 0, par rapport à des axes orientés au départ et déterminés ensuite par les lois de pilotage, - une fenêtre optique, solidaire de la structure, destinée aux moyens optroniques qui seront définis ultérieurement. Cette fenêtre optique, située sur l'ogive du missile, entraine comme conséquence que le missile a un "dessus", du côté de la fenêtre. Le dispositif emporté par le missile, illustré en figure 1 et plus détaillé en figure 2, consiste en un bati I libre sur l'axe 2 de roulis et comprenant schématiquement: - un radar 3 de faible portée, à trois dimensions, orientable en site - un capteur optronique 4 dépointé et orientable de la même façon, - une charge génératrice de noyau 5, dépointée et orientable de 0" à 90" en site. Le capteur optronique et la charge ne sont pas liés en site, - une roue de réaction 6 à axe longitudinal (axe du missile). Le bati I est par exemple un cadre, ou une feuille formée, métallique ou en polymères armés: sa forme et sa matière importent peu vis à vis de sa fonction qui est de maintenir solidaires les moyens de repérage et de destruction qu'il supporte, et de les orienter vers l'objectif à détruire. Le bati est équilibré statiquement de façon à ne pas basculer quand le missile qui l'emporte subit une accélération dans le plan de tangage ou perpendiculairement à celui-ci. Ce bati n'a qu'un axe de liberté par rapport au missile: I'axe longitudinal, représenté sur la figure 2 par les paliers 2. Il ne toume cependant que de quelques degrés sur cet axe par rapport au missile et en tous les cas jamais plus que la largeur de la fenêtre optique 7 aménagée sur le missile et en face de laquelle se trouve le capteur optronique 4. Le maintien de la fenêtre 7 en face du capteur 4 est réalisé par le compensateur de roulis 8 dont est équipé le missile. Ce compensateur n'est qu'un moyen d'orientation grossière. L'orientation précise est réalisée par la roue de réaction 6, qui sur la figure 2, est simplifiée, et représentée seulement par son rotor 6 et son stator 9. Cette roue sert à orienter le bati 1 en roulis; elle a un moment d'inertie relativement important et est actionnée électriquement; quand elle est accélérée dans un sens, le bati 1 toume dans l'autre. Sa constante de temps est très faible, de l'ordre de quelques millisecondes. Les moyens de repérage de l'objectif et d'orientation du missile, du bâti et de la charge destructrice sont au moins deux: - un radar pour l'acquisition lointaine de la cible et l'orientation en roulis du missile, - un capteur optronique pour le positionnement précis, à courte distance (20-I Om) de la cible et le déclenchement du tir destructeur. Le radar 3 est de préférence à ondes millimètriques; il donne le site, I'azimut et la distance de la cible. Sa précision est de l'ordre de 4 mrd en site et azimut; elle est de l'ordre de I m en distance. Sa portée est environ de 500 m. II est par exemple à balayage électronique et fixe sur le bâti, mais son axe de visée n'est pas confondu avec l'axe longitudinal du missile: il est dépointé, ainsi que le montrent les flèches 10 en pointillés sur les figures I et 2. En effet, si l'on considère que le missile anti-aérien selon l'invention vient à la rencontre d'un attaquant avec une vitesse relative de 1000 m/s, il est plus facile et plus précis de viser l'attaquant par le travers. Ainsi, le missile anti-aérien selon l'invention suit une trajectoire qui croise à quelque distance celle de l'attaquant, et il tire son noyau destructeur par le côté, mais pas selon son axe longitudinal. Compte tenu des contraintes de poids et volume liées à l'emport sur un missile, seules des technologies à l'état solide sont réellement envisageables pour ce radar. Les puissances maximum actuellement accessibles, avec des émetteurs cohérents à état solide, diodes Impatt en bande W, sont de l'ordre de quelques dizaines de watts pour des Impulsions de fréquences de récurrence maximum de 100 KHz et de largeur maximum de 100 ns. Pour des fréquences de récurrence supérieures, on ne peut plus fonctionner avec des diodes à impulsion, à cause des problèmes de dissipation thermique au niveau des diodes, et on a recours à une onde continue (CW) découpée. La puissance disponible est alors de l'ordre de quelques centaines de milliwatts. Les techniques couramment utilisées en électronique de missile permettent d'obtenir des résolutions en distance de l'ordre de quelques mètres. En résolution angulaire, pour une antenne de 140 mm, la largeur à 3 dB du faisceau est de l'ordre de 1,5 . Le capteur optronique 4 est lui aussi dépointé, mais son axe de visée, symbolisé par une flèche Il en pointillé, n'est pas parallèle à l'axe de visée 10 du radar : le radar vise au loin, mais le capteur optronique 4 détermine une position angulaire proche en site et en azimut par rapport au bâti. A titre d'exemple il a un champ de 100 et peut balayer de 20 et 45" de site dans le plan de tangage. Pour ce capteur une matrice de 128 x 128 pixels de 40 pm par exemple avec une vitesse de lecture de 2000 Hz et un temps d'intégration faible, quelques dizièmes de milliseconde par exemple, est bien adaptée. La focale du capteur 4 doit être suffisamment longue pour obtenir une image de quelques pixels de l'arrivant quand il est à 200 m. Elle doit être suffisamment courte et donc avoir un champ suffisamment large pour tolérer des erreurs de pointage, retrouver la cible de loin et permettre de faire des mesures de défilement. Ce capteur 4 opère dans une bande relativement bien absorbée par l'ozone atmosphérique à haute altitude ; il ne peut donc pas être ébloui par le soleil, les nuages ou le sol éclairés par celui-ci. Le choix de cette bande doit lui permettre de passer très bien dans la vapeur d'eau des nuages denses, et d'être peu sensible aux aérosols. Ce capteur 4 est placé devant la fenêtre 7 très large implantée sur le missile, permettant au bâti 1 une certaine indépendance par rapport à celui-ci. C'est le rôle du compensateur de roulis 8 de maintenir la fenêtre du missile dans une position correcte par rapport au bâti 1. L'axe de visée Il du capteur optronique 4 doit être mobile, pour pouvoir suivre son objectif, I'attaquant, lorsque celui-ci se rapproche du missile anti-aérien objet de l'invention. Mais, compte tenu des temps très courts pour le repérage et le déclenchement du tir, il est préférable que l'ensemble du capteur 4 soit fixé sur le bati 1: seul un miroir 12, de type galvanomètre, est mobile et renvoit les rayons lumineux sur un circuit 13 de type CCD à transfert de charge. Ce montage a moins d'inertie. Le moyen de destruction de l'attaquant est, de façon préférée, une charge génératrice de noyau 5, communément désignée par l'abréviation CGN. Les CGN sont connues : des couches d'explosif sont disposées et mises à feu de telle sorte que la partie métallique avant de la charge est transformée en un noyau de métal en fusion, qui est propulsé à une vitesse de 80012000mls, selon l'axe de tir 14. L'énergie par unité de surface à l'impact avec un noyau de CGN est plus important que l'énergie d'éclats de charges à éclats focalisés. A titre d'exemple la CGN 5 a un diamètre de 75 mm environ, elle est installée sur le bâti I et orientable en site, dans un plan perpendiculaire à celui d'un bâti grâce à des moteurs-couple qui sont placés sur ses côtés. La nécessité de dégager le plus possible l'espace devant la CGN au moment du tir impose de fragiliser la coque du missile sur l'axe de départ par absence de nervures, et épaisseur minimum de métal et de déporter vers le bas les parties dures du capteur optronique 4 qui pourraient être sur sa trajectoire en utilisant pour l'optronique un miroir orientable à proximité immédiate de la fenêtre, le trajet du noyau de la CGN est dégagé de tout obstacle dur entre 20 et 90" de site ce qui est nécessaire pour sa cohésion. Enfin, le missile anti-aérien selon l'invention comprend des moyens de calcul qui, en fonction des données foumies par le radar 3 distance de la cible - et par le capteur optronique 4 - position angulaire de la cible - permettent de: - positionner au moyen du compensateur de roulis 8 le corps de missile pour que la fenêtre optique 7 reste toujours orientée vers la cible, c'est à dire pour que l'axe de visée Il reste toujours à l'intérieur de la fenêtre 7, - orienter, au moyen de la roue de réaction 6, le bâti 1 pour que le plan défini par l'axe de visée Il et l'axe de tir 14 contienne l'objectif futur, - caler en site la CGN 5, pour un tir latéral sur objectif futur: en raison de la très grande vitesse relative de la cible et du missile anti-aérien, la CGN tire toujours devant la cible telle qu'elle est positionnée au moment de la mise à feu. Le choix qui est fait pour ce missile anti-aérien d'une CGN, dont le tir est quasiment ponctuel, plutôt que d'une charge à dispersion d'éclats impose que le missile soit orienté vers la cible, c'est à dire que la fenêtre 7 regarde dans la direction de l'attaquant. Cette préorientation peut être assurée par les moyens de surveillance et de détections tels que les radars au sol qui, sitôt l'identification de l'attaquant, calent le missile sur sa rampe de lancement en gisement, en site, et en angle de visée pour la fenêtre 7. Toutefois, la préorientation peut également être réglée dans les premiers mètres du vol. Arrivé à une distance de quelques centaines de mètres de sa cible, sur une trajectoire en collision, le missile n'est probablement pas en mesure de faire un impact direct sur un objet de petite taille que constitue par exemple une bombe compte tenu de toutes les erreurs de guidage. Mais à partir de cette distance, il peut faire l'acquisition de la cible au radar. A partir de cette acquisition une première orientation du bati en roulis est commandée par le calculateur inteme et un calage en site du capteur optronique est ordonné. La rotation en roulis du bati est obtenue par la roue à réaction dont le stator est fixé au bati et dont le rotor est libre. Les calages en site du capteur et de la CGN par rapport au bâti sont obtenus par des moteurs-couple. Puis le missile, dont la trajectoire est figée, se rapprochant de la cible, le capteur optronique acquiert à son tour la cible et permet une détermination fine de sa position angulaire, alors que la position en distance est toujours fournie par le radar. Toutes ces informations sont envoyées à un calculateur qui détermine le calage de la CGN et son instant de mise à feu. Le noyau de la CGN atteint la cible avec une forte énergie et la détruit. Les organes de détection et de commande du missile anti-aérien selon l'invention ont été calculés pour obtenir sur la cible un écart type de 10 cm. Le radar a une précision en distance de l'ordre du mètre. Dans le pire cas, lorsque la trajectoire du missile est perpendiculaire à la trajectoire de l'attaquant et non plus anti-parallèle - une erreur sur la mesure de la distance de la cible réelle entraine un déplacement de la cible à venir sur laquelle est dirigée le CGN, puisque la cible réelle continue à se déplacer pendant que le noyau de la CGN parcourt la distance d'erreur, en plus ou en moins. Le pointage en site et en roulis de la CGN doit se faire avec une précision de 1 mrad soit 2 cm à 20 m. Le calage en site de la CGN au moyen de crans conforte cette précision. L'erreur sur la direction de départ de la CGN est estimée à 2 mrd soit 4 cm à 20 m. Elle inclut l'erreur de I mrd citée plus haut. L'erreur de retard au départ de la CGN comprend d'une part l'écart-type du détonateur utilisé, et d'autre part les écarts types de propagation de la détonation et de la formation du noyau. L'ensemble ne dépasse pas 10 Clos. Ce qui conduit à une erreur d'au plus 1,5 cm dans le cas d'un défilement de 1 500m/s. Le missile anti-aérien à très courte portée selon l'invention est appliqué à la défense de sites terrestres contre des missiles et contre des attaques aériennes par bombes de gros diamètre. II est précisé par les revendications qui suivent. REVENDICATIONS 1 - Système de défense anti-aérienne, à très courte portée, de type missile sol-air, caractérisé en ce que le missile porteur contient un bâti (i) mobile orientable selon un axe longitudinal (2) du missile, bati sur lequel sont fixés: - des moyens orientables de mesure de distance (3) de la cible hostile, - des moyens mobiles de mesure de position angulaire (3,4) de ladite cible, - des moyens mobiles de destruction (5) de ladite cible, - des moyens d'orientation (6) du bati (1) sur son axe. 2 - Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de mesure de distance (3) sont constitués par un radar, dont l'antenne (1) est dépointée par rapport à l'axe longitudinal du missile, et dont le faisceau est orientable. 3 - Système selon la revendication 1 caractérisé en ce que les moyens mobiles de mesures de position angulaire (3,4) sont constitués par un radar (3) et par un capteur optronique (4). 4 - Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de destruction (5) de la cible sont constitués par une charge génératrice de noyau , dépointée par rapport à l'axe longitudinal du missile, et orientable en site. 5 - Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'orientation (6) du bâti (1) sont constitués par une roue de réaction, dont le stator (9) est solidaire du bâti (1), et dont le rotor (6) est mû électriquement. 6 - Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que les données de mesures foumies par le radar (3) et par le capteur optronique (4) sur la position de la cible commandent: - I'orientation en site de la charge génératrice de noyau (5), au moyen de moteurs couples, - I'orientation en roulis du bati (1), au moyen de la roue de réaction (6). 7 - Système selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'axe de visée (10) du radar (3), I'axe de visée (11) du capteur optronique (4) et l'axe de tir (14) de la charge génératrice de noyau (5) sont latéraux par rapport à l'axe longitudinal du missile, et ne sont pas parallèles entre eux. 8 - Système selon la revendication 3, caractérisé en ce que le missile porteur est muni d'une fenêtre optique (7), placée sur l'ogive du missile, et située en regard du capteur optronique (4). 9 - Système selon la revendication 8, caractérisé en ce que le missile comporte en outre des moyens compensateurs de roulis (8), afin d'orienter la fenêtre (7) de l'ogive en fonction de la direction de l'axe de visée (11) du capteur optronique (4) et en fonction de l'orientation en roulis du bâti (1).