Brevet FR2830238A1 — publié le 20030404

LANCEMENT AERIEN DE VEHICULE DE TRANSPORT DE CHARGE UTILE A PARTIR D'UN AERONEF DE TRANSPORT La présente invention se rapporte, d'une manière générale, à des systèmes de lancement spatiaux aéroportés et, plus particulièrement, à des systèmes de lancement spatiaux aoroportés qui sont appropriés pour transport sous l'aile d'un aoronef civil de transport. On trouvera d'autres informations dans les documents suivants incorporés ici par référence: [1] " MIL-STD-1763A: Aircraft/Stores Certification Procedures " - de décembre 1990. [2] " MIL-STD-A-8591H: Airborne store, suspension equipment and aircraftstore interface (carriage phase); General design criteria for " - de décembre 1983. On voit appara^tre une demande de plus en plus forte du grand public pour des satellites plus petits et moins coûteux, pour des utilisateurs à la fois commerciaux et financés par l'état. Du point de vue du fabricant, ceci demande un effort pour obtenir une réduction des coûts de développement et de production. Un procédé connu pour réduire les dimensions d'un véhicule de transport de charge utiie, et donc pour en réduire le coût, est basé sur le concept d'un véhicule de lancement aéroporté (que l'on conna^t également comme " de lancement aérien "). Ce concept inclut le déploiement du véhicule de transport de charge utile (PCV) à partir d'un aéronef de transport à un emplacement géographique et à des conditions de vol souhaitées. Après lancement, le véhicule de transport de charge utile se propuise lui-même (la charge, disons un satellite, se trouvant à bord) en orbite. Le concept de lancement aérien présente plusieurs avantages sur des lancements terrestres traditionnels incluant le fait que l'altitude initiale et la vitesse aérienne du véhicule de transport de charge utile sont celles de l'acronef de transport et que la trajectoire de vol ne coupe pas la basse atmosphère, en minimisant ainsi des pertes de tranée et de gravité. De plus, des avantages encore différents concernent l'aptitude à voler sur une grande portée depuis des sites de lancement situés sur le globe, en fonction de la mission demandée. En outre, le lancement depuis un aéronef peut être effectué dans une direction quelconque, incluant directement la direction d'orbite souhaitée, et, avec l'aéronef de transport, il est possible de voler au-dessus du mauvais temps. De nombreux pays, qui souffrent de restrictions géographiques en ce qui concerne leur possibilité de lancement d'un véhicule dans l'espace, peuvent utiliser le lancement aérien pour résoudre ces problèmes. Les systèmes de lancement terrestres sont soumis à des restrictions géographiques opérationnelles afin d'éviter un vol sur des zones peuplées et hostiles. Dans certains cas, les restrictions peuvent imposer de sévères pénalités de performance. Un système de lancement aérien connu qui utilise les avantages mentionnés ci-dessus est le système de lancement depuis un aéronef " Pegasus " (voir le brevet des Etats-Unis numéro 4 901 949 de Elias), qui permet ainsi de transporter une charge utile de taille équivalant à deux fois celle d'un véhicule lancé depuis la Terre. Le système Pegasus fabriqué par " Orbital Sciences " Corporation est spécialement étudié en tant que système aéroporté. Pegasus possède des moteurs à poudre équipés d'ailes. Pegasus est lancé depuis la partie inférieure du fuselage d'un aéronef de transport Lockheed L-1010 spécialement modifié. Une approche différente de l'utilisation du lancement depuis un aéronef est le " piggy-back" transportant le véhicule de transport de charge utile en tête du fuselage d'un aéronef. Cette approche est bien plus complexe du fait de la technique de transport inhabituelle. Une autre approche de lancement depuis un aéronef inclut un véhicule de transport de charge utile transporté à l'intérieur de l'aéronef. Afin de libérer en toute sécurité le véhicule de transport de charge utile de l'aéronef, on doit utiiiser un parachute, ou un dispositif différent. Une approche différente (voir, par exemple, le brevet US numéro 6 029 928 de Kelly) utilise un planeur en tant que véhicule de transport de charge utile, relié via un câble à l'aéronef. Cette technique peut améliorer la performance, mais une fixation et un mécanisme de libération spéciaux doivent être développés. Même avec les avantages du concept de lancement depuis un aéronef, le coût de développement de ce véhicule de transport de charge utile reste énorme. Le coût comprend le développement du véhicule de transport de charge utile lui-même et le coût de modification d'un aéronef de transport spécial pour la mission. Tous ces coûts augmentent le coût de chaque lancement. Un autre problème se rapporte à la nécessité d'intégrer le véhicule de transport de charge utile à l'aéronef de transport. Une préoccupation principale est l'exigence de la distance de sécurité entre le véhicule de transport de charge utile et le fuselage de l'aéronef. Par exemple, le besoin de dégager les trappes de train d'atterrissage de 1'acronef de transport peut imposer des modifications au véhicule de transport de charge utile lui même. Habituellement, ces types de problèmes sont évités par le transport du véhicule de transport de charge utile sous l'aile. Un transport sous le fuselage présente des avantages de résistance et de rigidité. 11 y a donc un besoin dans 1'art pour réduire sensiblement les limites de techniques connues jusqu'à maintenant de lancement aérien et, en particulier, pour minimiser les modifications que l'on doit apporter à l'aéronef de transport, en réduisant ainsi sensiblement les coûts de fabrication et de lancement impliqués lors d'un lancement aérien. La technique de l'invention offre la diminution du coût de développement, de même que le coût par lancement, et peut particulièrement s'appliquer des lanceurs de petits satellites qui peuvent être transportés sous une aile d'aéronef. De ce fait, le procédé se rapporte typiquement, bien que pas nécessairement, à de petits satellites (connus habituellement en tant que " micro " satellites). Le procédé présenté ici utilise les limites de charge embarquée de l'aéronef, autorisées par le fabricant de l'aéronef, sans changement structurel supplémentaire sensible. La réduction des modifications de l'aéronef selon un mode de réalisation de l'invention s'obtient par le transport du véhicule de transport de charge utile sous l'aile, en utilisant un poste déjà existant. Ceci signifie également que l'on pourrait considérer n'importe quel autre aéronef, équipé d'une installation de transport appropriée, en tant que candidat approprié à un lancement d'un véhicule de transport de charge utile. On doit noter qu'il ne s'agit là que d'un exemple et que l'on peut appliquer d'autres types de charges transportées. De plus, on doit en outre apprécier que la charge transportée peut être couplée à un poste associé à une partie de l'aéronef située, par exemple, au-dessous du fuselage. Certains aoronefs de transport de passagers et de marchandises comportent une installation intégrée sous l'aile (par exemple, le Boeing 747, un poste spécial se trouvant sous son aile gauche), qui est utilisée pour transporter un cinquième moteur à des fins de transport. Ce poste de transport d'aile peut être utilisé pour transporter d'autres types de charges extérieures (par exemple, un véhicule de transport de charge utile). On peut utiliser le poste d'aile en apportant que des changements limités à l'aéronef, par exemple, en réglant le mât réacteur pour l'adapter à sa nouvelle mission et en apportant des modifications pertinentes aux commandes (par exemple, commande électrique) du système de libération de charge transportée). De ce fait, I'adaptation d'un aéronef civil de transport pour transporter et libérer une charge extérieure peut être effectuée de manière peut coûteuse. On doit noter que la libération comprend entre autres, la chute libre, la chute assistée par balancier, le largage ou l'éjection. Tant que les dimensions et la masse de la charge sont à l'intérieur des limites existantes (qui varient d'un aoronef à l'autre et qui peuvent être obtenues chez le fabricant d'aéronef) ou qu'elles sont très proches de celles-ci, la tâche de réalisation de la sécurité de la nouvelle configuration d'aéronef est bien plus simple. En ce qui concerne l'exemple spécifique du Boeing 747 transportant un cinquième moteur au niveau d'un poste d'aile spécifique, les limites de transport sont celles autorisées par le fabricant de l'acronef. On doit au demeurant effectuer la procédure concernant les vérifications nécessaires. Les tâches restantes sont bien moins importantes par comparaison à la nouvelle conception d'une nouvelle aile ou d'un nouveau poste corporel, comme dans le cas des systèmes connus jusqu'à maintenant. On doit effectuer une analyse de séparation de charge pour s'assurer d'un lancement réussi. Les procédures nécessaires pour obtenir une certification d'aéronef / charge sont décrites en détail dans la référence [1] mentionnée ci-dessus. Par exemple, I'une des étapes dédiées par ces procédures est l'analyse de certification. Cette analyse est effectuée avant un vol quelconque avec la charge, et donne une enveloppe de libération indiquant les conditions de vol (c'est-à-dire la hauteur et la vitesse d'aéronef) pour une libération de sécurité de la charge de l'aoronef. Par conséquent, la présente invention propose un porteur acrien apte à transporter et libérer au moins un charge transportée à des fins de lancement aorien, comprenant: un poste de transport associé à une partie du porteur aérien et étant a priori apte à transporter une charge autre que ladite au moins une charge transportée; I'au moins une charge transportée pouvant être montée sur un dispositif de couplage qui peut être monté sur ledit poste; u n système de commande capable de commun iquer avec led it dispositif de couplage pour libération sélective de ladite charge transportée. La présente invention propose en outre d'utiliser le porteur acrien du type spécifié, au moins une charge transportée pouvant être montée sur un dispositif de couplage qui peut être monté sur ledit poste. On comprendra mieux l'invention que l'on va maintenant décrire à titre d'exemple en se référant aux dessins annexés, dans lesquels: la figure 1 représente schématiquement un porteur aérien transportant un véhicule de transport de charge utile aéroportée selon un mode de réalisation de l'invention; la figure 2a représente schématiquement la façon dont le véhicule de transport de charge utile est monté au-dessous de l'aile selon un mode de réalisation de l'invention; la figure 2b représente plus en détail la façon dont le véhicule de transport de charge utile est monté au-dessous de l'aile selon un mode de réalisation de l'invention; et la figure 3 représente une trajectoire de vol typique du véhicule de transport de charge utile du lancement vers l'orbite. Selon un mode de réalisation de la présente invention, celle-ci propose une façon de réduire les coûts d'adaptation d'un aoronef civil de transport à une nouvelle mission: le transport d'une charge extérieure sous son aile, et la libération de cette charge. Ceci est obtenu par une nouvelle utilisation d'une installation de poste d'aile existante, utilisoe, dans le cas spécifique du Boeing 747, pour transporter un cinquième moteur. Même avec cette nouvelle utilisation, les limites certifiées du poste d'aile existant, telles qu'autorisées par le fabricant de l'aéronef, ne doivent pas être violées. La figure 1 montre un mode de réalisation de l'invention qui est une représentation d'un aéronef 20 transportant un véhicule de transport de charge utile aéroportée (un véhicule de transport de charge utile est une forme de charge transportée) globalement désigné par 100. Le véhicule est monté sous l'aile 120 d'un aéronef 20 au moyen d'un dispositif de couplage, par exemple, d'un mât 300. Ce dernier est situé au-dessous de I'aile de l'avion, de manière intérieure par rapport aux moteurs d'aéronef 21 et22. A noter que l'emplacement du poste existant n'est pas limité à la partie inférieure de l'aile, et en fonction de l'aoronef de transport, peut être situé à d'autres emplacements, disons au-dessous du fuselage. On va maintenant prêter attention au dessin de la figure 2A qui représente schématiquement la façon de monter le véhicule sur l'aile. Comme on le voit, le mât 300 est monté sous l'aile de l'aéronef 310. Un module de libération, désigné par 320, est monté à l'intérieur du mât. L'interface du véhicule 100 avec l'aéronef inclut des interfaces mécaniques et électroniques. Le véhicule 100 peut être monté sur le mât par une interface de couplage connue en soi, par exemple, via des pattes de suspension communes, comme le décrit en détail la référence [2], ou bien, selon un autre mode de réalisation, le moyen de couplage peut être un mécanisme conçu spécialement, en fonction de ses caractéristiques spécifiques, comme nécessaire et approprié. La figure 2B représente un schéma fonctionnel plus détaillé de l'interface entre le véhicule 100 et les systèmes d'aéronef. Les systèmes d'aéronef qui se rapportent à cette interface comprennent plusieurs modules. La description qui suit en constitue une brève description des caractéristiques: un afficheur d'aéronef, I'information d'intérét est affichée pour l'opérateur de système. Un ordinateur avionique, cet ordinateur commande le système de véhicule de transport de charge utile. Ses tâches principales comprennent des instructions de traitement et de délivrance de signaux au module d'interface, à l'afficheur d'acronef et à partir de celui-ci. Un ordinateur de mission spéciailsé, cet ordinateur est utilisé principalement pour effectuer la navigation et exécuter les calcuis spécifiques de mission. Un module d'interface, ce module comprend des lignes de télécommunications. Un module de libération, ce module se trouve habituellement à l'intérieur d'un mat d'aoronef, avec ou sans module d'éjection. Le véhicule de transport de charge utile est fixé au module de libération. Ce qui suit maintenant est une description d'une séquence typique d'une opération de lancement aérien (du lancement à une orbite) selon un mode de réalisation de l'invention. Ainsi, le véhicule 100, bien que n'étant pas typiquement nécessaire, est un véhicule de lancement aérien équipé d'ailettes de direction, utiiisé en tant que véhicule de transport de charge utile pour mettre une charge utile, disons de petits satellites, en orbite. Par ce mode de réalisation (représenté à la figure 3), le véhicule de transport de charge utile comprend un premier niveau 1 10, un deuxième niveau 120 et un troisième niveau 130, comprenant des premier, deuxième et troisième étages de moteurs à poudre, respectivement, 111, 121 et 131. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, le véhicule de transport de charge utile inclut un autre et quatrième étage, visant principalement à modifier des paramètres d'orbite. On doit noter que le type de la charge utile et le nombre de moteurs sont déterminés en fonction de la nature de la mission. Une trajectoire de vol typique du véhicule 100 est représentée schématiquement à la figure 3. Le véhicule est libéré de l'aoronef de transport sous la commande d'un système de commande de libération électronique, (similaire à un système de commande d'une charge utile lâchée de manière classique). Le véhicule a une vélocité initiale égale à la vélocité d'aéronef de disons, M = 0,8 à une hauteur de 12 km. La masse initiale du véhicule est dans cet exemple d'environ 6 000 kg. Le premier moteur n'est mis à feu qu'après dégagement sûr du véhicule par rapport à l'aéronef (disons 6 secondes après libération). Le véhicule de transport de charge utile man_uvre vers un angle d'attaque souhaité de façon à suivre une trejectoire de vol prédéterminée (150). Chaque phase de mise à feu est utilisée pour obtenir davantage d'énergie, en augmentant la vélocité et la hauteur de véhicule. Après chaque combustion, le moteur vide utilisé est éjecté. Après la combustion du deuxième moteur (152), on utilise un vol balistique, jusqu'à ce que le véhicule (100) atteigne une hauteur souhaitée. Pour l'exemple représenté, cette hauteur est de 228 km. A cette hauteur, (130), le troisième moteur (131) est mis à feu et l'on obtient un gain de vitesse supplémentaire. Lors de la troisième combustion, le véhicule (100) a atteint une vitesse de 7 766 m/s, qui est la vitesse nécessaire à maintenir une orbite circulaire à une hauteur de 230 km. A noter que, par cet exemple, le satellite pèse environ 116 kg, cependant, ceux qui sont expérimentés dans l'art pourront apprécier facilement que cette masse peut varier en fonction de la mission spécifique (c'est-à-dire, du fait d'un changement d'inclinaison d'orbite et de conditions de lancement). Dans un autre mode de réalisation de l'invention, le véhicule (100) est une autre charge quelconque transportée, ainsi, sa charge et sa trejectoire peuvent être significativement différentes de l'exemple donné ici. La présente invention élimine de nombreuses des modifications qui seraient autrement nécessaires (c'est-à-dire en fonction des systèmes connus à l'heure actuelle). En particulier, lorsque les caractéristiques de véhicule de transport de charge utile (masse, dimension, etc.) sont à l'intérieur des limites certifiées connues, le traitement de vérification ne doit pas être compliqué. Ainsi, par exemple, dans le Boeing 747, il y a une installation intégrée sous 1'aile gauche, qui est prévue pour transporter un cinquième moteur à des fins de transport. Ce poste de transport d'aile peut être utilisé pour transporter d'autres types de charges extérieures, y compris un véhicule de transport de charge utile. Cette utilisation du poste d'aile peut être obtenue sans apporter sensiblement de changements structurels quelconques à 1'aéronef. On a décrit la présente invention avec un certain degré de particularité, mais ceux qui sont expérimentés dans l'art apprécieront facilement que divers changements et modifications peuvent être apportés sans s'éloigner de la portée des revendications suivantes. REVENDICATIONS 1. Porteur aérien apte à transporter et libérer au moins une charge transportée à des fins de lancement aérien, comprenant: un poste de transport associé à une partie du porteur acrien et étant, a priori, apte à transporter une charge autre que ladite au moins une charge transportée; I'au moins une charge transportée pouvant être montée sur un dispositif de couplage qui peut être monté sur ledit poste; un système de commande capable de communiquer avec ledit dispositif de couplage pour libération sélective de ladite charge transportée. 2. Porteur aérien selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite charge transportée est un véhicule de transport de charge utile (100) qui inclut une charge utile embarquée. 3. Porteur aérien selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite charge est un microsatellite. 4. Porteur aérien selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit dispositif de couplage comprend un mât (300). 5. Porteur aérien selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite partie est l'aile (120) de porteur aérien. 6. Porteur aérien selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit porteur aérien est un Boeing 747 qui possède quatre moteurs, et caractérisé en ce que ledit poste est situé au-dessous de l'une des ailes du Boeing 747 et, a priori, est apte à transporter un cinquième moteur. 7. Boeing 747 à quatre moteurs apte à transporter et libérer au moins un charge transportée à des fins de lancement aérien, comprenant: un poste de transport situé au-dessous de l'une des ailes du Boeing 747 et étant, a priori, apte à transporter un cinquième moteur; I'au moins une charge transportée pouvant être montée sur un dispositif de couplage qui peut être monté sur ledit poste; un système de commande capable de commu n iquer avec led it dispositif de couplage pour libération sélective de ladite charge transportée. 8. Porteur aérien selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladite charge transportée est un véhicule de transport de charge utile (100) qui inclut une charge utile embarquée. 9. Porteur aérien selon la revendication 8, caractérisé en ce que ladite charge utile est un microsatellite. 10. Porteur aérien selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que ledit dispositif de couplage inclut un mât (300). 11. Dispositif de couplage pouvant être monté sur un poste de transport d'un porteur aorien pour transport et libération d'au moins une charge transportée pouvant être montée sur celui-ci; ledit poste de transport étant associé à une partie du porteur aérien et étant, a priori, apte à transporter une charge autre que ladite au moins un charge transportée; et ledit dispositif de couplage peut être connecté à un système de commande pour libération sélective de ladite charge transportée. 12. Dispositif de couplage selon la revendication 11, caractérisé en ce que ladite charge transportée est un véhicule de transport de charge utile (100) qui inclut une charge utile embarquée. 13. Dispositif de couplage selon la revendication 12, caractérisé en ce que ladite charge utile est un microsatellite. 14. Dispositif de couplage selon l'une quelconque des revendications 11 à 13, caractérisé en ce que ledit dispositif de couplage inclut un mât (300). 15. Dispositif de couplage selon l'une quelconque des revendications 11 à 14, caractérisé en ce que ladite partie est l'aile porteuse (120) de l'aoronef. 16. Porteur aérien selon l'une quelconque des revendications 11 à 15, caractérisé en ce que ledit porteur aérien est un Boeing 747 équipé de quatre moteurs, ledit poste étant situé au-dessous de l'une des ailes du Boeing 747 et étant, a priori, apte à transporter un cinquième moteur. 17. Dispositif de couplage pouvant être monté sur un poste de transport d'un Bocing 747 équipé de quatre moteurs dans le but de transporter et de libérer au moins une charge transportée pouvant être montée sur celui-ci; ledit poste étant situé au-dessous de l'une des ailes d'un Boeing 747 et étant, a priori, apte à transporter un cinquième moteur; ledit dispositif de couplage pouvant être connocté à un système de commande pour libération sélective de ladite charge transportée. 18. Dispositif de couplage selon la revendication 17, caractérisé en ce que ladite charge transportée est un véhicule de transport de charge utile (100) qui inclut une charge utile embarquée. 19. Dispositif de couplage selon la revendication 18, caractérisé en ce que ladite charge utile est un microsatellite. 20. Dispositif de couplage selon l'une quelconque des revendications 17 à 19, caractérisé en ce que ladit dispositif de couplage