Brevet FR2767382A1 — publié le 19990219

DISPOSITIF DE COMMANDE DE POUSSEE TRANSVERSALE POUR MISSILES, COMPORTANT UN GENERATEUR DE GAZ CHAUDS A MATIERE SOLIDE L'invention concerne un dispositif de commande de poussée transversale, qui est de préférence destiné à la commande à quatre quadrants d'un missile, avec utilisation de tuyères de poussée transversale communiquant avec un générateur de gaz à matière solide auxquelles sont associés des éléments de soupape, un organe de réglage commun étant prévu pour l'actionnnement de ces derniers entre le mode de vol commandé et non commandé. Des tuyères de poussée transversale alimentées par un générateur de gaz à matière solide, dont la poussée est orientée perpendiculairement à l'axe longitudinal du missile à commander, sont connues de multiples façons. C'est ainsi que DE 39 01 041, par exemple, décrit un projectile de guidage comportant un générateur de gaz chauds à matière solide, dont les gaz chauds traversent une pluralité de tuyères d'échappement disposées régulièrement le long de la périphérie, s'étendant pour l'essentiel perpendiculairement à l'axe longitudinal du projectile, et dont le débit gazeux passant par les différentes tuyères d'échappement peut être commandé par l'intermédiaire d'un dispositif de commande, qui comporte pour chaque tuyère d'échappement un élément de soupape auquel est associée une étoile de commande en tant qu'organe de réglage, laquelle comporte un nombre de bras correspondant au nombre de tuyères d'échappement, s'étend perpendiculairement à l'axe longitudinal du projectile, et est montée de façon à pouvoir basculer de tous côtés autour de l'axe longitudinal du projectile de sorte que, par l'intermédiaire d'électroaimants prévus pour chaque élément de soupape, la tuyère d'échappement prédéterminée par un dispositif de commande puisse être influencée pour engendrer une poussée transversale provoquant une modification de la trajectoire de vol. Lorsque l'étoile de commande n'est pas actionnée, les effets des poussées des tuyères de poussée transversale se compensent, alors que lors d'un actionnement de l'étoile de commande, et à part une tuyère de poussée transversale prédéterminée, toutes les autres sont fermées, de sorte que la poussée transversale souhaitée pour la modification de la trajectoire de vol soit engendrée par la tuyère de poussée transversale prédéterminée. L'agencement de l'organe de réglage en tant qu'étoile de commande n'autorise que des mouvements de réglage limités pour les éléments de soupape, ce qui signifie des mouvements d'ouverture limités pour les éléments de soupape, cependant, et notamment en raison du couplage rigide des éléments de soupape de l'ensemble des tuyères de poussée transversale dû au montage à basculement de l'étoile de commande, une ouverture de la tuyère de poussée commandée ne s'effectue qu'au-delà du degré d'ouverture initial lors de la fermeture de la tuyère de poussée transversale à couper, de sorte que, suite à la section transversale d'ouverture constante en résultant, un échappement constant de gaz chauds a lieu par l'intermédiaire de la totalité des tuyères de poussée transversale, non seulement dans la position de repos de l'étoile de commande, mais également dans ses positions de réglage. Dans le cas du dispositif de commande connu, et bien qu'une seule direction de composante soit nécessaire pour engendrer la fonction de poussée transversale, les tuyères de poussée transversale de toutes les directions de composante doivent de ce fait pouvoir être actionnées en continu de façon opérationnelle pour le maintien du système de commande d'ensemble. L'inconvénient supplémentaire en résultant est que la combustion continue élevée et non régulée de la matière solide, et une puissance de poussée d'ensemble en résultant, restent pour l'essentiel inutilisées en relation avec la poussée transversale utilisable, voire même nécessaire, ce qui requiert une quantité de combustible, en masse et en volume, correspondante plus élevée pour une émission de commande de poussée transversale exigée. L'utilisation d'une régulation de poussée d'un moteur à propergol solide avec application de la technique hybride est certes possible pour éviter cet inconvénient, et ce de telle sorte que, pour la commande de poussée transversale, un oxydant fourni ou amené de l'extérieur soit mélangé à la matière solide du propulseur se consumant à bilan négatif pour réguler la pression de la chambre de combustion dans une plage définie, et par conséquent la poussée d'un moteur à propergol solide, et que les quantités de combustibles puissent de ce fait être utilisées plus efficacement. Dans un tel cas, la puissance de poussée d'ensemble peut être réglée vers le haut dès lors qu'elle est nécessaire pour la commande de la poussée transversale. Outre le fait qu'un tel système implique une technologie mixte très complexe, la zone de mélange requise nécessite un volume de construction important, ce qui est disproportionné pour solutionner la fonction d'une commande de poussée transversale d'un missile. Tout en utilisant comme paramètre de construction pour l'agencement de la commande le phénomène en soi connu de la modification de la vitesse de combustion d'un propergol solide de génération de gaz en fonction de la pression régnant dans la chambre de combustion, l'objectif de l'invention consiste par conséquent à proposer un remède avec un nouveau dispositif de commande de poussée transversale de missiles du type dont il est question ici, qui fonctionne plus efficacement que jusqu'à présent sans technique hybride pour la régulation d'un propergol solide, et qui ne présente pas les inconvénients des dispositifs de commande de poussée transversale connus, notamment en mode de marche à vide. En partant d'un dispositif de commande de poussée transversale du type mentionné en introduction, cet objectif est atteint selon l'invention par le fait que l'organe de réglage est commandé et réglable de façon à pouvoir se déplacer de la position de marche à vide dans la position de poussée, en rotation vers une position angulaire, et linéairement le long de sa position axiale vers le mode de vol demandé, et vice versa, et est réalisé de telle sorte que les tuyères de poussée transversale puissent être commandées par intermittence de façon active ou inactive individuellement et indépendamment les unes des autres. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, l'organe de réglage est réalisé en tant que distributeur tournant détendu, de préférence sous la forme d'un piston pouvant se déplacer en va-et-vient et logé en rotation, comportant au moins un canal de circulation parallèle à l'axe qui pénètre dans la surface périphérique, et qui peut être mis en liaison de fluide avec les tuyères de poussée transversale. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, l'organe de réglage est réalisé sous la forme d'un cône tronqué monté de façon à pouvoir se déplacer en rotation et linéairement en va-et-vient, comportant au moins une cannelure de commande associée aux éléments de soupape, les éléments de soupape et l'organe de réglage étant disposés avec leurs axes actifs orientés perpendiculairement les uns par rapport aux autres. Les éléments de soupape sont de préférence réalisés sous la forme de soupapes à siège retenues élastiquement dans leur position ouverte, et guidées linéairement au moyen de tiges de soupape, des éléments de roulement étant associés aux extrémités libres des tiges de soupape. L'agencement selon l'invention du dispositif de commande de poussée transversale permet pour la première fois un mode de marche à vide par le fait que la pression régnant dans la chambre de combustion, et par conséquent la vitesse de combustion de la matière solide du générateur de gaz, sont faibles, et un mode de poussée par le fait que la pression régnant dans la chambre de combustion est élevée, et que la poussée dans chacune des directions cartésiennes de composante peut être engendrée de façon intermittente au moyen d'une tuyère de poussée transversale. Etant donné que le combustible n'est pour l'essentiel utilisé que pour engendrer la poussée dans la direction cartésienne de composante choisie, et non pour le maintien d'une puissance de poussée d'ensemble du système, qui devrait s'étendre à toutes les directions de composante pour l'alimentation continue de la poussée des tuyères de poussée transversale, sa consommation est minimisée, et le coût constructif pour le dispositif de commande de poussée transversale selon l'invention est de ce fait plus faible et allégé de façon significative. L'agencement du dispositif de commande de poussée transversale selon l'invention permet en outre un agencement particulièrement simple du concept de commande d'un missile commandé en poussée transversale, car un seul composant sert à la commande du débit, donc de la poussée et de la direction de la poussée. Comme mentionné, la commande des tuyères de poussée transversale peut être effectuée directement ou indirectement, des composants séparés étant dans le dernier cas cité à disposer en tant qu'organes d'arrêt entre l'organe de réglage et l'entrée des tuyères de poussée transversale. Aussi bien dans le cas de la commande directe des tuyères de poussée transversale par l'intermédiaire d'un piston de commande central logé en rotation et axialement mobile, que dans le cas de la commande indirecte, il est avantageux que la force de réaction de la tuyère de poussée transversale située en face, ou la pression même de la chambre de combustion, puisse être utilisée pour assister la force d'étanchéité, ce qui conduit à des étanchéités plus élevées du système. Cela est particulièrement important pour de petits orifices de tuyères de poussée transversale. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement à la lecture de la description ci-après, faite en référence aux dessins annexés, dans lesquels la figure 1 est une coupe d'un premier mode de réalisation d'un dispositif de commande de poussée transversale selon l'invention, avec un organe de réglage se trouvant en mode de vol commandé, la figure 2 est une coupe selon l'axe I-I de la figure 1, la figure 3 est une coupe d'un deuxième mode de réalisation d'un dispositif de commande de poussée transversale selon l'invention, avec un organe de réglage se trouvant en mode de vol non commandé, la figure 4 est une vue du dispositif de commande de poussée transversale selon la figure 3, et la figure 5 représente le dispositif de commande de poussée transversale selon la figure 3, avec un guidage forcé supplémentaire. Un missile se déplaçant de façon autonome, non représenté en détail ici, comporte pour le guidage en phase finale quatre tuyères 10 de poussée transversale orientées de façon cartésienne les unes vers les autres, comme représenté aux figures 1 et 2, qui sont commandées par intermittence et individuellement par l'intermédiaire d'un organe de réglage central logé dans la structure 11 du missile, et réalisé en tant que piston de commande 12. L'organe de réglage est situé directement au niveau de l'entrée 14 des tuyères, ou le cas échéant en amont de ces dernières, et peut être tourné autour d'un axe central 20, ainsi que déplacé le long de l'axe central, par l'intermédiaire d'une tige 15 de piston au moyen d'actionneurs, à savoir d'un organe de réglage angulaire 16 et d'un organe de réglage linéaire 17. Un ou plusieurs canaux de circulation 22, 23 s'étendant sur l'ensemble de la surface d'enveloppe du piston sont pratiqués en direction axiale qui, en fonction de la position angulaire du piston de commande 12, injectent dans les tuyères de poussée transversale des gaz d'une chambre de combustion 13, uniquement esquissée ici, du générateur de gaz. La position angulaire du piston de commande 12 est à chaque fois réglée par l'intermédiaire d'une commande cartésienne de guidage en phase finale, non plus pas représentée ici, du missile. Dans les positions dans lesquelles aucun canal de circulation 22 n'est en liaison active avec l'une des tuyères de poussée transversale au niveau de la position périphérique correspondante, la surface d'enveloppe du piston concernée sert d'étanchéité de circulation. En raison de plusieurs canaux de circulation 22/23 prévus sur la surface d'enveloppe du piston, le trajet de rotation du piston de commande 12 pour démarrer la tuyère de poussée transversale considérée peut être minimisé pour engendrer la composante de poussée cartésienne, et la caractéristique de réaction du guidage en phase finale, non représenté ici, peut être optimisée. Le mode opératoire du dispositif décrit ci-dessus est le suivant. En mode de marche à vide, et par rapport à la position finale de gauche non représentée à la figure 1, le piston de commande 12 est en butée avec une paroi frontale 18 de la structure 11 servant de logement à la tige 15 de piston, de sorte que toutes les entrées 14 des tuyères de poussée transversale soient dégagées. Dans cette position de commutation, il n'est pas possible qu'une pression élevée s'établisse dans la chambre de combustion, car toutes les tuyères de poussée transversale sont ouvertes, et le propergol solide du générateur de gaz brûle à une vitesse de combustion minimisée, et de ce fait de façon très économique. Pour assurer une combustion stable, les conditions de pression en marche à vide peuvent être adaptées par la position axiale du piston de commande. Le gradient pression/ temps lors de la montée et de la réduction de la pression de la chambre de combustion peut en outre être réglé par un programme de commande approprié pour le réglage axial du piston de commande. En mode de poussée, le piston de commande 12 est déplacé par rotation vers la tuyère 10 de poussée transversale à activer au moyen de l'actionneur 16 (organe de réglage angulaire), et ensuite linéairement par l'intermédiaire de l'actionneur 17 (organe de réglage linéaire), donc axialement dans la position de commutation représentée à la figure 1. Trois des quatre entrées 14 de tuyères disposées de façon cartésienne sont en l'occurrence obstruées. La pression de la chambre de combustion et la vitesse de combustion de la matière solide s'y trouvant augmentent donc de fait très rapidement, et une poussée est engendrée par la tuyère de poussée transversale non obstruée. Cette poussée agit également sur le piston de commande 12 et engendre une force d'application sur l'entrée 14 de la tuyère de poussée transversale située en face, et augmente par conséquent la qualité de 1 'étanchéité locale. Les entrées des tuyères de poussée transversale situées transversalement à la tuyère de poussée transversale commandée sont soumises à la même pression, et d'éventuelles fuites d'écoulement dépendant de fentes existantes conduisent à des poussées transversales se compensant, et restent de ce fait inefficaces au plan de la commande. Etant donné que par l'intermédiaire des canaux de circulation la pression de la chambre de combustion peut également agir dans l'espace situé à la figure 1 à gauche du piston de commande 12, une compensation de pression des zones de volume en amont et en aval du piston de commande est possible dans le rapport de la surface du piston et de la surface de la tige de piston est possible, de sorte que les forces du piston de commande soient compensées et qu'un faible volume soit à déplacer lors du mouvement axial du piston. Le mode de réalisation représenté aux figures 3 à 5 montre une commande indirecte des tuyères de poussée transversale, comportant des organes d'arrêt séparés entre l'organe de réglage servant d'élément de commande et les entrées des tuyères de poussée transversale. Dans ce mode de réalisation, un cône de commande 30 est prévu en tant qu'organe de réglage, qui est logé en rotation et de façon à être axialement mobile en va-etvient dans la structure 32 du missile au moyen d'un axe 31 de cône de commande. Dans ce cas également, l'entraînement du cône de commande est effectué par l'intermédiaire de l'axe du cône de commande au moyen d'actionneurs, à savoir l'organe de réglage angulaire 16 et l'organe de réglage linéaire 17, comme cela est représenté à la figure 1. Dans ce mode de réalisation, il est également prévu quatre tuyères 10 de poussée transversale dans la structure 32 du missile, qui sont orientées de façon cartésienne les unes vers les autres, et qui peuvent être commandées par intermittence et individuellement par l'intermédiaire de l'organe de réglage central, à savoir du cône de commande 30 mentionné. A cet effet, une ou plusieurs cannelures de commande 34 et 35 parallèles à l'axe sont prévues dans le cône de commande 30. La conicité de la surface d'enveloppe du cône de commande est interrompue dans cette zone par les cannelures de commande. Les composants des organes d'arrêt associés aux tuyères de poussée transversale sont chacun constitués d'une soupape à siège ou à disque 38 comportant un siège d'étanchéité matérialisé par l'entrée 14 des tuyères de poussée transversale, un poussoir 39 de soupape logé dans la structure 32' du missile dont l'extrémité libre porte un élément de roulement 41, par exemple une bille, et un ressort 42 qui est destiné à maintenir la soupape à disque dans la position ouverte représentée à la figure 3. Les axes actifs 21 des éléments de soupape sont situés perpendiculairement à l'axe actif 20 du cône de commande 30. L'organe de réglage central est représenté à la figure 3 dans la position réglée en mode de vol non commandé, dans laquelle les poussoirs de soupape se trouvent dans la zone du plus petit diamètre du cône de commande 30, et sont maintenus en appui sur la surface d'enveloppe du cône de commande par les ressorts 42. Dans cette zone, celle-ci ne comporte pas les cannelures de commande précitées dont la section transversale correspond ici au diamètre des éléments de roulement 41. Dès qu'un mode de vol commandé - à savoir la commande de guidage en phase finale - est à exécuter, le cône de commande est tourné par l'intermédiaire de l'organe de réglage angulaire 16 dans la position angulaire requise, à savoir dans la position de poussée transversale requise dans laquelle la cannelure de commande 34 est située en face du poussoir 39 de soupape avec son élément de roulement, et est ensuite déplacé axialement vers la gauche par rapport à la figure 3 le long de l'axe actif 20 par l'intermédiaire de l'organe de réglage linéaire 17. Par l'intermédiaire de la surface d'enveloppe du piston du cône de commande 30, des éléments de roulement et des poussoirs de soupape, toutes les soupapes à disque sont en l'occurrence déplacées dans la position de fermeture en s'opposant à l'effet du ressort 42, dans laquelle est interrompue l'alimentation en gaz des tuyères de poussée transversale. De cela est excepté la tuyère de poussée transversale dont le poussoir de soupape peut s'engager dans l'une des cannelures de commande 34 suite à la position angulaire réglée du cône de commande. La soupape à disque associée à ce poussoir de soupape reste dans sa position de repos représentée à la figure 3, car la cannelure 34 du cône de commande ne comporte pas la conicité de la surface d'enveloppe du cône de commande. Seule cette tuyère de poussée transversale est alors en liaison de fluide avec la chambre de combustion, non représentée à la figure 3, et les conduites d'alimentation de cette dernière vers les tuyères de poussée transversale ; seule cette tuyère de poussée transversale fournit alors la composante de poussée transversale requise. Trois des quatre tuyères de poussée transversale disposées de façon cartésienne sont par conséquent fermées par le mouvement de réglage décrit, de sorte que la pression de la chambre de combustion monte très rapidement, ce qui conduit à l'augmentation de la vitesse de combustion dans la chambre de combustion, et la poussée la plus forte possible est engendrée par la tuyère de poussée transversale ouverte. La pression élevée régnant dans la chambre de combustion conduit à une assise solide des soupapes fermées, et évite à ce niveau l'apparition de toute perte de pression. Afin de pouvoir ouvrir en toute sécurité la soupape à disque fermée lors du recul du cône de commande 30, un élément de guidage forcé 44 est disposé selon la figure 5 dans la zone du plus grand diamètre du cône de commande, lequel saisit par son bras libre 45 un tourillon 46 prévu sur les éléments de soupape, à savoir sur l'élément de roulement 41, de telle sorte que, lors du recul vers la position de repos représentée à la figure 5 - mode de vol non commandé - la soupape à disque 38 associée soit déplacée de force dans la position d'ouverture. Il est assuré de cette manière qu'une soupape à disque éventuellement bloquée suite à une pression trop élevée ou à une carbonisation, qui peut être ramenée par le ressort 42, atteigne effectivement sa position d'ouverture lors du recul du cône de commande. Comme il ressort de ce qui précède, le mode opératoire du mode de réalisation décrit ci-dessus correspond sensiblement au mode opératoire du mode de réalisation du dispositif de commande de poussée transversale décrit en introduction. Le point commun des deux modes de réalisation est que l'organe de réglage ou de commande 12 ou 30 assure simultanément aussi bien le réglage de la pression de la chambre de combustion que la commande directe de la direction cartésienne respective de la poussée transversale. Il est de ce fait assuré qu'en mode de marche à vide la pression de la chambre de combustion est plus faible, et que la vitesse de combustion du propergol solide est par conséquent également faible, alors qu'en mode de poussée, la pression de la chambre de combustion peut être commandée vers le haut suite à la fermeture de trois tuyères de poussée transversale, et suite à l'ouverture d'une tuyère de poussée transversale, la poussée peut être engendrée par intermittence dans une direction cartésienne de composante. Etant donné que le combustible n'est spécifiquement utilisé que pour engendrer la poussée dans la direction choisie, et non également pour le maintien d'une puissance de poussée d'ensemble du système qui devrait s'étendre à toutes les directions de composante pour une alimentation continue de la poussée, la consommation de combustible est minimisée. Les conditions de pression en marche à vide peuvent être adaptées par le choix de la géométrie du siège d'étanchéité des soupapes. Il est en outre possible de régler également les conditions de chute de pression correspondantes dans la chambre de combustion par un réglage approprié du cône de commande le long de son axe actif 20, ce qui conduit au fait que le poussoir de soupape considéré s'engage plus tôt ou plus tard dans la cannelure de commande associée. Le gradient pression/ temps lors de la montée et de la réduction de la pression de la chambre de combustion peut également être réglé par un programme de commande approprié pour le déplacement du cône de commande le long de l'axe actif 20. Enfin, l'importance de la conicité du cône de commande de l'organe de réglage 30 et l'ampleur de son mouvement linéaire sont choisies en fonction du circuit de réglage des éléments de soupape 38, 39 nécessaires pour la variation de pression dans le générateur de gaz chauds 13 à matière solide. Le choix de matériaux résistant aux hautes températures pour les dispositifs de commande de poussée transversale décrits dépend du type de combustible utilisé, de la température de combustion nécessaire dans la chambre de combustion, et de la durée de combustion correspondant à la durée de la mission du missile à commander. Des matériaux résistant durablement aux hautes températures jusqu'à environ +2.5000 C conviennent à cet effet, notamment pour la combinaison soupape à disque et siège d'étanchéité des organes de réglage qui est sollicitée au plus haut degré du point de vue thermique et érosion. Les organes de réglage et/ou les organes de commande doivent en outre comporter une isolation thermique par rapport à la chambre de combustion. Bien que l'invention ait été particulièrement montrée et décrite en se référant à un mode de réalisation préféré de celle-ci, il sera compris aisément par les personnes expérimentées dans cette technique que des modifications dans la forme et dans des détails peuvent être effectuées sans sortir de l'esprit ni du domaine de l'invention. REVENDICATIONS 1. Dispositif de commande de poussée transversale, destiné de préférence à la commande à quatre quadrants d'un missile, avec utilisation de tuyères de poussée transversale communiquant avec un générateur de gaz à matière solide auxquelles sont associés des éléments de soupape, un organe de réglage commun étant prévu pour llactionnnement de ces derniers entre le mode de vol commandé et non commandé, caractérisé en ce que l'organe de réglage (12, 30) est monté de façon à pouvoir se déplacer en étant commandé en rotation (actionneur 16) vers une position angulaire, et linéairement le long de sa position axiale (actionneur 17) vers le mode de vol demandé, et en ce qu'il est réalisé de telle sorte que les tuyères (10) de poussée transversale puissent être commandées par intermittence de façon active ou inactive individuellement et indépendamment les unes des autres. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe de réglage (12) est réalisé en tant que distributeur tournant détendu. 3. Dispositif selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le distributeur tournant est réalisé en tant que piston (12) pouvant se déplacer en va-et-vient et logé en rotation, comportant au moins un canal de circulation (22) parallèle à l'axe, qui pénètre dans la surface périphérique, et qui peut être mis en liaison de fluide avec les tuyères (10) de poussée transversale. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe de réglage est réalisé sous la forme d'un cône tronqué (30) monté de façon à pouvoir se déplacer en rotation et linéairement en va-etvient, qui comporte au moins une cannelure de commande (34) associée aux éléments de soupape (38, 39, 42). 5. Dispositif selon les revendications 1 et 4, caractérisé en ce que les éléments de soupape sont réalisés sous la forme de soupapes à siège (38) retenues élastiquement dans leur position ouverte, et guidées linéairement au moyen de tiges (39) de soupape, et en ce que l'organe de réglage est réalisé sous la forme d'un cône de commande (30) pouvant se déplacer en va-et-vient et logé en rotation, pouvant être mis en liaison active avec les éléments de soupape et comportant des cannelures de commande (34), et en ce que les axes actifs (20, 21) de l'organe de réglage et des éléments de soupape sont situés perpendiculairement l'un par à l'autre. 6. Dispositif selon les revendications 1, 4 et 5, caractérisé en ce que l'importance de la conicité du cône de commande de l'organe de réglage (30) et l'ampleur de son mouvement linéaire sont choisies en fonction du circuit de réglage des éléments de soupape (38, 39) nécessaire pour la variation de pression dans le générateur de gaz (13) à matière solide. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1, 4 à 6, caractérisé en ce que des éléments de roulement (41) sont associés aux extrémités libres des tiges (39) de soupape. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1, 4 à 7, caractérisé en ce que des éléments de guidage forcé (44, 45) générant une fente d'ouverture sont associés à l'organe de réglage (30) au niveau de la plage d'ouverture initiale des soupapes à disque (38). 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que des tourillons (46) associés aux éléments de guidage forcé (44, 45) sont disposés sur les éléments de soupape (41).