Brevet FR2783801A1 — publié le 20000331

L'invention concerne un procédé de modification du comportement en vol d'un engin supersonique volant à une vitesse supersonique supérieure ou à une vitesse hypersonique très supérieure à Mach 1 ainsi qu'un engin supersonique faisant application de ce procédé. Le guidage d'un engin volant à proximité du sol à l'aide de clapets mobiles, de spoilers et de gouvernails n'est possible qu'à une vitesse subsonique ou, à la rigueur, à une vitesse supersonique proche de la limite de la vitesse du son. A une vitesse supersonique supérieure ou à une vitesse hypersonique, un tel guidage est trop lent et génère une trop grande résistance. Pour remédier à ce problème, on a essayé tout récemment sur un engin du type mentionné ci-dessus, d'écarter localement l'onde d'ogive qui, en vitesse supersonique ou hypersonique, s'enroule autour de la pointe avant de l'engin à une faible distance, et de créer ainsi une résistance hydraulique excentrée augmentée, à l'opposé de l'axe longitudinal de l'engin, qui occasionne la déviation désirée de l'engin en raison de la différence de la force transversale. Pour ce faire, un fluide sous pression est expulsé de la surface à travers une ouverture pratiquée dans celle-ci, ou un combustible est éjecté qui, lors de sa combustion, forme un coussin de combustion qui se gonfle en raison de sa température, entraînant ainsi un écartement local de l'onde d'ogive. L'inconvénient d'une telle action sur un engin ou sur un tel engin réside dans le fait que dans la plupart des cas, il est nécessaire d'embarquer du combustible ou un fluide sous pression. Même si on utilise seulement l'air de soufflage comme fluide sous pression, la résistance hydraulique de l'engin volant augmente dans tous les cas de manière non négligeable. D'autre part, le temps nécessaire à l'inflammation du combustible et à la formation d'un coussin de pression de gaz de combustion prolonge de façon désavantageuse le temps de réponse du guidage connu. On connaît également un procédé qui consiste à rapprocher l'onde d'ogive de cette surface par aspiration de la couche d'air située entre l'onde d'ogive et la surface de l'engin volant. La présente invention a pour but de résoudre le problème principal, c'est-à-dire de ne pas augmenter, de manière générale, la résistance hydraulique d'un engin volant du type mentionné ci-dessus, destiné notamment à une utilisation à vitesse hypersonique à proximité du sol. Plus particulièrement, il s'agit de trouver un procédé de guidage et un guidage produisant également une faible résistance de l'air, tout en atteignant un rendement nettement supérieur, et dont la réalisation ou le fonctionnement ne nécessite pas l'embarquement d'un fluide sous pression ou d'un combustible. Pour ce faire, l'invention a pour objet un procédé de modification du comportement en vol d'un engin supersonique par intervention sur l'onde d'ogive enveloppant partiellement l'engin lors de son vol à vitesse supersonique, caractérisé en ce que l'onde d'ogive est écartée et/ou rapprochée de la surface de l'engin volant par déformation au moins partielle et au moins locale de celle-ci. L'invention a également pour objet un engin supersonique du type possédant une surface extérieure et un axe longitudinal, équipé d'au moins une surface de réglage pour influencer son comportement en vol, cette surface de réglage présentant le contour de la surface extérieure et étant située dans la zone de l'engin enveloppée par une onde d'ogive lors du vol à travers l'air environnant, de manière excentrée par rapport à l'axe longitudinal, caractérisé en ce que la surface de réglage comporte des organes de réglage, permettant de modifier la position de l'onde d'ogive dans cette zone par rapport à la position initiale par l'abaissement et/ou le rapprochement de la surface de réglage du contour du corps. Conformément au procédé selon l'invention, et contrairement à l'état actuel de la technique, l'onde d'ogive est, au moins localement, légèrement écartée par le bombement de la surface de la pointe et/ou rapprochée de l'engin volant par la pression de bossellement exercée sous l'action de la diminution de la résistance de l'air. Il est ainsi possible d'écarter et/ou de rapprocher la position de l'onde d'ogive sur plusieurs points répartis de façon symétrique autour de l'axe longitudinal de l'engin volant. La résistance de l'air est diminuée par le bossellement de la surface, et légèrement augmentée par le bombement. Dans l'ensemble, sa modification est négligeable. Un avantage particulier de ce procédé réside dans le fait qu'il n'est plus nécessaire d'expulser du combustible de l'engin volant, comme c'est le cas dans l'état de la technique mentionnée ci-dessus. Ce combustible prend un certain temps avant de s'enflammer et de former un coussin de gaz de combustion, alors que l'effet du procédé selon l'invention s'exerce instantanément sur l'onde d'ogive de manière à éliminer le retardement ci-dessus. Les avantages de l'invention par rapport au procédé avec aspiration de l'onde d'ogive également mentionné ci-dessus, résident dans une efficacité nettement augmentée. La réalisation peut être imaginée de plusieurs façons; ainsi, le nez complet du fuselage de l'engin volant, et/ou le nez profilé de sa surface portante et/ou stabilisatrice pourraient recevoir une superstructure en segments, les différents segments pouvant alors être calés et/ou abaissés afin d'écarter et/ou de rapprocher l'onde d'ogive de ces segments. Cette réalisation est avantageuse pour les engins volants de petite taille et de construction particulièrement simple. Ainsi, les segments conçus en tant qu'éléments mobiles de la surface sont actionnés dans la surface extérieure sous l'onde d'ogive à l'aide d'un mécanisme de réglage, commandé par l'air de refoulement sous haute pression. Les organes de réglage peuvent être positionnés à tous les endroits o la distance par rapport à l'onde d'ogive formée par la vitesse de l'engin volant n'est pas trop grande pour empêcher que le déplacement des organes de réglage selon l'invention puisse agir suffisamment sur la position de l'onde d'ogive. La ou les surface(s) de réglage se trouve(nt) donc de préférence dans la zone du nez profilé ou derrière une formation de la surface extérieure provoquant une onde d'ogive, par exemple à la naissance d'un stabilisateur dont le nez profilé s'écarte par rapport à l'onde d'ogive. Ces stabilisateurs peuvent être coniques ou similaires. On peut prévoir plusieurs organes de réglage, disposés de préférence symétriquement à l'axe longitudinal à des distances angulaires identiques, de préférence dans le nez de l'engin volant et/ou dans chacune des surfaces des stabilisateurs. Le cas échéant, il est également possible de ne prévoir qu'un seul organe de réglage excentré qui suffit pour le guidage de l'engin volant lorsque celui-ci tourne autour de son axe longitudinal. De préférence, un ou chaque organe de réglage peut être déplacé individuellement pour modifier le contour extérieur de l'engin volant, de manière que le segment de la surface qui lui est affecté, puisse, au choix, écarter ou rapprocher l'onde d'ogive. De préférence, ce déplacement peut être effectué mécaniquement à l'aide d'éléments rotatifs ou de leviers, préférentiellement entraînés par un dispositif électromagnétique, pneumatique, pyrotechnique ou hydraulique. Il est également possible d'utiliser l'air comprimé sous la surface de réglage pour le déplacement en surface des organes de réglage, la régulation se faisant à l'aide de coulisses ou de soupapes qui sont, également de préférence, entraînées par des systèmes électromagnétiques, pneumatiques, pyrotechniques ou hydrauliques. De préférence, on abaisse l'organe de réglage situé sur le côté de l'axe longitudinal vers lequel l'engin volant doit être dévié pour diminuer dans l'ensemble la résistance de l'air de l'engin volant à une vitesse hypersonique, ce qui permet d'obtenir également une amélioration du comportement en vol par au moins une diminution locale de la résistance de l'air. Dans le cas o la totalité de la résistance de l'air doit être diminuée pour guider l'engin volant, la procédure de guidage doit de préférence être engagée par le seul abaissement des organes de réglage. Toutefois, il est également possible de prévoir plusieurs organes de réglage, disposés de manière symétrique, dont la position est toujours abaissée en vol en ligne droite. Pour procéder à une déviation, la surface de réglage située sur le côté de l'axe longitudinal opposé à la déviation souhaitée est rapprochée ou soulevée. Enfin, il est également possible de prévoir une série d'organes de réglage, disposés de manière symétrique et pouvant être rapprochés ou abaissés simultanément afin d'augmenter ou de diminuer la résistance de l'air totale pour agir sur la durée du temps de vol de l'engin, ce qui entraîne un guidage axial. Le rapprochement ou l'abaissement asymétrique des organes de réglage entraîne une composante de guidage radiale préférentielle. L'invention est décrite de manière plus détaillée à l'aide des figures schématiques suivantes jointes à titre d'exemples: La fig. 1 représente un engin volant selon l'invention, en coupe longitudinale et dans une représentation fortement schématisée, en vol à une vitesse hypersonique et en ligne droite, a) l'engin avec guidage activé par l'abaissement de la surface de réglage, et b) l'engin avec guidage activé par le calage de la surface de réglage. La fig. 2 représente une possibilité de segmentation du contour de la surface par segments circulaires en forme d'étoile, La fig.3 représente une possibilité d'abaissement ou de calage des segments circulaires à titre d'exemple, La fig. 4 représente une segmentation avantageuse en segments en forme de barre. Le dessin de la fig. 1 représente un cône en coupe longitudinale destiné à visualiser schématiquement une partie ou la pointe d'un engin volant 305. Un engin volant réel, par exemple un projectile à énergie cinétique, est toutefois nettement plus long que ce cône. L'engin volant 305 est réalisé de manière à tourner symétriquement par rapport à son axe longitudinal 306 et présente une surface extérieure 302 formée par une surface latérale fuyante et une surface arrière plane. -7 Le dessin de la fig. 1 représente le cas o l'engin se trouve en vol, l'air environnant soufflant de gauche à droite dans le sens de l'axe longitudinal 306. Etant donné que l'air souffle à la vitesse supersonique, voire hypersonique, il se forme à la pointe de l'engin conique une onde d'ogive 301 dont l'allure est également conique, présentant un angle vertical qui, en fonction de la vitesse de soufflage, n'est que légèrement plus grand que celui de l'engin volant conique 305. La fig. 1 montre le principe physique de l'invention. La surface 302 de l'engin volant 305 est déformable de façon définie. La position de l'onde d'ogive 301 est par exemple modifiée par l'abaissement d'un élément 303 du contour du corps 302 dans cette zone par rapport à sa position initiale (fig. la). Pour éviter une réduction, la surface concernée 303 s'agrandit. Dans ce cas, l'onde d'ogive 301 se situe plus près du corps, et la pression gazeuse exercée sur le segment abaissé de la surface diminue relativement plus fortement que l'agrandissement de la surface. Lors du calage présenté sur la fig. lb, la pression gazeuse exercée sur la partie calée du corps augmente. Le bord de 302 à 303 ne pose pas de problème au point de vue mécanique des fluides. La fig. la visualise le sens de l'effet dynamique 304 lors de l'abaissement d'un segment de la surface 303 du contour du corps 302. Le calage d'une partie du contour 302 à 303 entraîne un effet dynamique inversé, voir fig. lb. Le nez de l'engin volant (vue arrière cf. fig. 2) peut être divisé en segments circulaires 307. En fonction de la réalisation, chacun de ces segments peut être calé ou abaissé indépendamment des autres par rapport à la position normale; l'abaissement et/ou le calage simultané de plusieurs segments est également possible. La fig. 3a montre par exemple le contour extérieur lors de l'abaissement de l'un des segments du corps, la fig. 3b lors d'un effet dynamique orienté dans le même sens par l'abaissement et le calage. Outre la segmentation circulaire, la division peut également être réalisée en segments en forme de barre, comme le montre la fig. 4 à l'aide d'une coupe à travers le nez d'un projectile. En fonction de la réalisation technique, les barres 308, insérées en affleurement avec la surface, peuvent être soulevées ou abaissées indépendamment les unes des autres. La fig. 4b montre un calage et un abaissement similaire. La position de l'onde d'ogive autour de structures additionnelles telles que les plans ou les stabilisateurs peut être modifiée par leurs déformations de surface sur les plans escamotables ou télescopiques ou sur des éléments des plans à l'arrière d'un projectile, tout en conservant un contour fermé. Il est possible de prévoir des organes de réglage simultané sur le nez et sur d'autres structures additionnelles. Le dispositif décrit est une réalisation parmi de nombreuses autres, conçue pour exploiter la dynamique transversale à la direction de vol, générée par une surface variable du nez d'un projectile à l'aide d'une intervention guidée. Les avantages essentiels par rapport à une pointe mobile connue sont: un déplacement des masses nettement réduit, un effort de guidage plus faible, une réaction plus rapide du guidage, des paliers plus petits et moins chargés, des paliers plus simples, présentant moins de degrés de liberté une partie avant de la pointe fixe (p.ex. pour viseur ou entrée d'air). Les figures 5 à 7 présentent différentes coupes d'une réalisation d'une telle pointe. Les parties mobiles de la surface 21 et 22 ainsi que 23 et 24 sont reliées entre elles de façon mobile par des charnières 25 et 26. La partie 21 est reliée de façon articulée, à l'avant, à la pointe 1 par l'intermédiaire du palier 27, la partie 24 par l'intermédiaire du palier 28. Les paliers arrière 29 et 30 permettent un déplacement rotatif et longitudinal. Dans l'exemple présenté, les charnières 25 et 26 sont reliées par l'intermédiaire d'une barre 31 de manière que le déplacement des parties de la surface opposées soit complémentaire. En outre, le système de réglage doit alors uniquement fournir la différence de l'effort de l'air exercé sur les parties 21 et 22 ainsi que 23 et 24. Toutefois, on peut également imaginer des cas o la commande indépendante des parties opposées de la surface présente un avantage; par exemple si plus de deux parties de la surface opposées doivent être déplacées simultanément: la fig. 6 montre clairement que lorsque les parties 23 et 24 sont escamotées, les parties 123 et 124 ainsi que 223 et 224 ne peuvent pas être également escamotées, alors qu'il est possible de sortir les parties 121 et 122 ainsi que 221 et 222 lorsque les parties 21 et 22 sont sorties, et de renforcer ainsi l'effet de guidage. Dans l'exemple de réalisation décrit ici, la force nécessaire au réglage des parties mobiles de la surface est générée par la pression dynamique. Cette réalisation présente l'avantage suivant: l'effort de l'air qui s'exerce sur la face extérieure des parties mobiles de la surface est à peu près proportionnel à la pression dynamique de manière à toujours disposer de la quantité adéquate d'énergie motrice, indépendamment de l'altitude de vol et de la vitesse. L'air de refoulement est facilement disponible à la pointe. Il suffit d'accumuler, de tirer et d'embarquer un minimum d'énergie de réglage. Dans cet exemple, l'air de refoulement est conduit à travers le canal central 11 vers le système de réglage 50. Une soupape 51 est affectée à l'unité des parties mobiles de la surface 21 et 22; elle s'ouvre en cas de besoin pour laisser passer l'air de refoulement de la chambre 12, à travers le passage 17, dans la chambre 13 comme le montre la fig. 7. Par l'effet de la surpression, les parties de la surface 21 et 22 sont poussées vers l'extérieur, entraînant ainsi la déformation souhaitée de la pointe. A l'aide de la barre 31, les parties 23 et 24 sont entraînées et retirées, renforçant ainsi l'effet total. L'air de refoulement s'échappe de la chambre 13 vers l'arrière à travers la fente 15 de manière que la réalisation décrite ne nécessite pas d'organe de réglage pour l'évacuation (et donc pas de système d'étanchéité de la chambre 13). Les soupapes 51, 52, passages 17, 18 et fentes 15, 16 sont conçus et dimensionnés de manière à pouvoir maintenir les chambres 13 et 14 en permanence sous une pression suffisamment élevée. En principe, le type de construction des organes de réglage n'a pas d'incidence sur le principe de fonctionnement de la commande décrite. Dans le cas o l'air de refoulement doit être exploité en n'utilisant qu'une faible énergie pour la commande, les servo-soupapes disponibles commercialement sont recommandées. Elles présentent toutefois l'inconvénient d'une faible vitesse d'ouverture. Si la commande doit répondre très rapidement, il est possible d'utiliser une variante de réalisation avec des soupapes sphériques à commande électromagnétique 51 et 52 représentées dans les figures 5 et 7, et une pré-tension de ressort en fonction de la pression dynamique: les ressorts de soupape 53 et 54 sont positionnés sur la plaque mobile 59. Celle-ci est reliée au piston 60 sur lequel s'exerce la pression de l'air de refoulement conduit dans le compartiment 56 à travers le canal 55. Dans le compartiment 57 qui lui est opposé, il règne une pression à peu près ambiante puisque celui-ci est ventilé par l'intermédiaire du canal 58, puis des canaux 61 et 62. Les canaux 61 et 62 servent également à l'évacuation de l'air de refoulement qui s'échappe des autres fentes et fissures de manière que le coût pour rendre étanches les soupapes 51 et 52 ou le piston 60 reste très faible. Grâce à cette pré-tension variable des ressorts de soupape, la commande électromagnétique des soupapes peut être dimensionnée très faiblement, bien que la pression dynamique qui s'exerce sur les soupapes puisse varier en fonction de l'altitude de vol et de la vitesse (p.ex. v = 2000 m/s à h = o m: p = 4,5 MPa; v = 1000 m/s à h = 20000 m: p = 0,085 MPa). Si les parties de la surface 23 et 24 doivent être déplacées vers l'extérieur, le mouvement est déclenché par l'ouverture de la soupape 52. Il est également possible de commander la position des parties de la surface 21 à 24 avec une seule soupape, par exemple, la soupape 51. Dans ce cas, il convient d'assurer, à l'aide de mesures appropriées, qu'en cas de pression ambiante dans la chambre 13, les parties de la surface 21 et 22 se rétractent et que les parties de la surface 23 et 24 sortent. Ces mesures peuvent par exemple être une certaine pression à l'admission dans la chambre 14, ou un ressort de pré-tension, éventuellement également avec une tension initiale dépendante de la pression dynamique. L'inconvénient éventuel est probablement une faible vitesse de commande. On peut aussi choisir un mode de réalisation dans leaquel les chambres 13 et 14 se trouvent normalement sous pression, la variation de la pression s'effectuant par le biais d'une ventilation contrôlée. Il peut être avantageux d'équiper la circonférence totale d'une pointe de projectile de parties mobiles de la surface comme le montre la fig. 6. La moitié supérieure de la fig. 6 montre une coupe à proximité de la barre 31, la moitié inférieure présente une coupe au niveau de la sphère de la soupape. On voit nettement la forme spéciale des parties mobiles de la surface 21 à 24, 121 à 124, 221 à 224.Avec ce mode de réalisation, on est assuré que les parties peuvent se déplacer vers l'intérieur et que les chambres 13, 14, 113, 114, 213, 214 sont fermées latéralement, indépendamment de la position des parties de la surface. Dans cet exemple, les barres de liaison 31, 131, 231 sont passées à travers la paroi 2 spéciale de la conduite de l'air de refoulement. Bien entendu, d'autres réalisations sont possibles, dont celles qui font passer les barres 31, 131, 231 autour du tube 2 ou prévoient la conduite de l'air de refoulement 2 autour des barres 31, 131, 231, éventuellement avec des bifurcations. Le système mécanique peut être simplifié considérablement en autorisant uniquement le déplacement des parties de la surface 21 à 24, 121 à 124, 221 à 224 vers l'extérieur. Le système mécanique peut encore être simplifié davantage si les parties de la surface 21 à 24, 121 à 124, 221 à 224 sont commandées directement par les actionneurs. Toutefois, cette solution exige des actionneurs plus puissants qui doivent, dans la plupart des cas, être surdimensionnés (pour résister à la pression la plus forte éventuellement exercée sur les surfaces 21 à 24, 121 à 124, 221 à 224). Le système mécanique peut être simplifié par la disposition d'entretoises à surface fixe entre les parties mobiles de la surface à 21 à 24, 121 à 124, 221 à 221. La commande est alors moins efficace, mais la conception des parties de la surface 21 à 24, 121 à 124, 221 à 224 est plus simple. Le principe de commande décrit peut être utilisé avec tous les types d'actionneurs possibles. Il est également possible d'utiliser la réalisation décrite dans le but de commander par exemple les soupapes ou les actionneurs pneumatiques par le biais de la pression différentielle générée pendant le vol avec un angle de calage entre le côté pression et le côté aspiration qui ne disparaît pas. Un dimensionnement adéquat permet d'obtenir un système à commande passive qui s'oppose aux mouvements oscillants inévitables et, par conséquent, les supprime. Ce mode de suppression du mouvement oscillant peut être superposé à une commande passive, avec l'avantage que la boucle de réglage de celle-ci peut être réalisée dans une conception moins sophistiquée. REVENDICATIONS 1-Procédé de modification du comportement en vol d'un engin supersonique par intervention sur l'onde d'ogive enveloppant partiellement l'engin lors de son vol à vitesse supersonique, caractérisé en ce que l'onde d'ogive est écartée et/ou rapprochée de la surface de l'engin volant par déformation au moins partielle et au moins locale de celle-ci. 2-Engin supersonique faisant application du procédé selon la revendication 1 du type possédant une surface extérieure et un axe longitudinal, équipé d'au moins une surface de réglage pour influencer son comportement en vol, cette surface de réglage présentant le contour de la surface extérieure et étant située dans la zone de l'engin enveloppée par une onde d'ogive lors du vol à travers l'air environnant, de manière excentrée par rapport à l'axe longitudinal, caractérisé en ce que la surface de réglage est comporte des organes de réglage, permettant de modifier la position de l'onde d'ogive (301) dans cette zone par rapport à la position initiale par l'abaissement et/ou le rapprochement de la surface de réglage (303) du contour du corps (302). 3-Engin volant selon la revendication 2, caractérisé en ce que les surfaces de réglage (303) se présentent sous une forme d'étoile (307). 4-Engin volant selon la revendication 2, caractérisé en ce que les surfaces de réglage - (303) se présentent sous une forme de barre (308). -Engin volant selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que les surfaces de réglage (303) se trouvent dans la zone du nez de l'engin volant. 6-Engin volant selon l'une des revendications 2 à 5, possédant des surfaces stabilisatrices qui dépassent la surface extérieure, chacune présentant un bord d'attaque pointé dans le sens du vol, caractérisé en ce que l'organe de réglage (303) ou les organes de réglage se situent dans la zone du bord d'attaque. 7-Engin volant selon l'une des revendications 2 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte des surfaces de réglage (303) disposées de façon symétrique autour son axe longitudinal (306). 8-Engin volant selon l'une des revendications 2 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de commande permettant de soulever et/ou d'abaisser les organes de réglage (303) afin de corriger la position de vol de l'engin volant (305). 9-Engin volant selon l'une des revendications 2 à 8, caractérisé en ce que l'angle d'incidence ou de positionnement de l'organe de réglage (303) est variable. -Engin volant selon l'une des revendications 2 à 9, caractérisé en ce que le déplacement des surfaces de réglage (303) respectives est entrainé par des éléments rotatifs, des éléments coulissants ou des leviers. 11-Engin volant selon l'une des revendications 2 à 10, caractérisé en ce que le réglage est commandé par un dispositif mécanique, pneumatique, pyrotechnique ou hydraulique. 12-Engin volant selon l'une des revendications 2 à 9, caractérisé en ce le déplacement des surfaces de réglage (303) est provoqué par l'air comprimé se trouvant sous la surface de réglage. 13-Engin volant selon l'une des revendications 2 à 12, caractérisé en ce que l'air comprimé est régulé par des coulisses ou des soupapes entraînées par des dispositifs mécaniques, électromagnétiques, pneumatiques, pyrotechniques ou hydrauliques.