Brevet FR2886724A1 — publié le 20061208

Centrale de repérage pour engin mobile, intégrant une plate-forme inertielle gvrostabilisée et un dispositif télescopique de visée stellaire. La présente invention concerne des perfectionne- ments apportés aux centrales de repérage de position pour engin mobile, notamment pour engin volant, en particulier pour missile circulant à très grande distance du sol terrestre ou un véhicule spatial comme une station orbitale ou analogue, comprenant une structure de coeur possédant notamment un ou plusieurs accéléromètres et un ou plusieurs gyroscopes éventuellement montés sur une structure de support à cardans et comprenant égale-ment un dispositif de visée stellaire. Pour effectuer un repérage de position par visée stellaire afin de situer la position d'un mobile en l'absence de référentiel terrestre (par exemple sous-marins en plongée prolongée, satellites artificiels, missiles à très haute altitude), il est connu d'avoir recours à des centrales de repérage réunissant une plate-forme inertielle gyrostabilisée et un dispositif de visée stellaire, comme précité. La plate-forme inertielle est constituée d'un coeur isolé des mouvements angulaires du mobile à l'aide de suspensions à la cardan; ce coeur est muni d'accéléromètres et de gyros25' copes et, sous l'action de ces derniers, il est asservi à une direction fixe. Le dispositif de visée stellaire permet donc de connaitre, dans un même référentiel, la direction d'une ou plusieurs étoiles et la direction d'une force spécifique mesurée par les accéléromètres. Une centrale de repérage dans laquelle le dispositif de visée stellaire est intégré au coeur de la plate-forme inertielle procure une plus grande stabilité de l'axe de visée par rapport aux axes de mesure des accéléromètres fixés sur le coeur en minimisant les structures mécaniques et optiques intermédiaires. Le volume de l'ensemble astro-inertiel est également fortement réduit par rapport aux centrales dans les-quelles le dispositif de visée stellaire n'est pas intégré au coeur de la plateforme inertielle. Toutefois, même pour ces centrales de repérage connues à organes intégrés, le volume occupé est considéré comme toujours trop grand, compte tenu du très faible espace traditionnellement disponible dans les mobiles équipés de telles centrales de repérage (en particulier pour les missiles), et il est constamment sou- haité de réduire le volume, et également le poids, de ces centrales de repérage. L'invention a donc essentiellement pour but de remédier à ces inconvénients et de proposer un agence-ment de centrale de repérage astroinertielle qui donne mieux satisfaction aux diverses exigences de la pratique, en particulier pour ce qui concerne le volume, et aussi le poids, de tels appareillages. A ces fins, une centrale de repérage de position agencée conformément à l'invention se caractérise en ce que la structure de coeur est constituée par un élément rigide unique traversé par un alésage; à une première extrémité de l'alésage sont fixés un miroir primaire, et, en arrière d'une ouverture axiale de celui-ci, un détecteur électro-optique dudit dispositif de visée 25' stellaire et, à l'autre extrémité de l'alésage est fixé un miroir secondaire ledit dispositif de visée stellaire est agencé sous forme d'un télescope de type Cassegrain, un dispositif électronique étant, en outre, prévu pour la mise en oeuvre du récepteur électrooptique; et sur cette structure de coeur sont ménagées des platines de fixation pour les susdits composants (accéléromètres, gyroscopes,...) et le dispositif électronique de mise en oeuvre du détecteur électro-optique. Avantageusement, le miroir secondaire est fixé sur une lame transparente solidarisée à l'extrémité de l'alésage et obturant celui-ci de façon étanche. De préférence, le détecteur électro-optique est réalisé sous forme d'un composant indépendant disposé en arrière du miroir primaire, ce détecteur pouvant être préférentiellement du type décrit dans la demande de brevet conjointe FR 85 Toujours dans le but de réaliser un appareillage aussi compact que possible offrant des performances optimales, la surface du miroir primaire et/ou celle du miroir secondaire est asphérique. Pour accroitre la capacité de refroidissement du détecteur (qui, notamment en choisissant le type sus-indiqué, doit fonctionner à une température inférieure à environ 20 C étant donné la présence de circuits intégrés à semi-conducteurs ne supportant pas des tempéra- tures élevées, alors que la température de fonctionne-ment des composants tels que les gyroscopes est d'environ 60 C sans accroitre le nombre des composants par ajout de radiateurs supplémentaires, tout ou partie de la structure de coeur est en liaison thermique avec le détecteur électro-optique et constitue un radiateur de dissipation thermique pour le refroidissement d'un dis-positif photo-sensible dudit détecteur. Grâce aux dispositions conformes à l'invention, la centrale de repérage de position ainsi réalisée pré- sente une intégration très poussée des composants du système optique et des composants de la plate-forme inertielle qui, conjointement avec un choix optimal du système optique, conduit à un appareil au moins aussi performant que les appareils antérieurs du fait de la parfaite stabilité de l'axe de visée par rapport aux axes de mesure des accéléromètres tout en présentant un volume, et aussi un poids, très inférieurs. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un mode de réalisation préfé-35 ré, donné uniquement à titre d'exemple non limitatif. Dans cette description on se réfère aux dessins annexés sur lesquels. - la figure 1 est une vue de principe très sché- matique, en perspective, d'une centrale de repérage de position avec plate-forme inertielle à trois axes et 5 dispositif de visée stellaire, - la figure 2 est une vue schématique éclatée, en perspective, de la centrale de repérage de position de la figure agencée conformément à l'invention, et -la figure 3 est une vue en coupe, dans le plan défini par les axes I et III des figures 1 et 2, de la centrale de la figure 2. A la fig. 1, on a représenté de façon très schématique la structure, classique, d'une centrale astro-inertielle, désignée dans son ensemble par la référence numérique 1. Cette centrale 1 comprend une platine de montage ou coeur 2 (schématisé sous forme d'une plaque plane) supportant les divers organes de repérage astro-inertiel: dans l'exemple représenté il s'agit de deux gyroscopes G1 et G2 (G1 ayant son axe parallèle au coeur 2 et G2 ayant son axe perpendiculaire au coeur et à l'axe de G1), ainsi que de trois accéléromètres A1, A2, A3 agencés pour détecter des accélérations dans trois directions mutuellement orthogonales, dont deux - A2 et A3sont parallèles au coeur 2 et la troisième -Al- est perpendiculaire à celui-ci. Enfin un dispositif de visée stellaire V est porté par le coeur 2 avec son axe dirigé perpendiculairement à celui-ci. Le coeur 2 est supporté, par l'intermédiaire de deux machines tournantes MT1 et MT2, sur deux côtés d'un cardan intérieur 3, ces deux machines tournantes MT1 et MT2 étant coaxiales (axe intérieur I) parallèlement aux axes du gyroscope G1 et à la direction des accélérations détectées par l'accéléromètre A2. Le cardan intérieur 3 est lui-même supporté, par 35 l'intermédiaire de deux machines tournantes MT3 et MT4 solidaires de ses deux autres côtés, sur deux côtés opposés d'un cardan extérieur 4, les deux machines tournantes MT3 et MT4 étant coaxiales (axe médian II) perpendiculairement à l'axe intérieur I. Enfin, le cardan extérieur 4 est supporté lui- même, sur un boitier extérieur 5, par l'intermédiaire d'une machine tournante MT5 et d'un roulement annulaire 6 coaxiaux (axe extérieur III) perpendiculairement aux axes intérieur I et médian II. Le boitier 5 est lui-même fixé élastiquement (schématisé par des ressorts 7) à un châssis 8 par ses deux autres côtés. Une telle centrale de repérage astro-inertiel est bien connue aussi bien dans sa structure générale que dans son fonctionnement. L'invention propose une structure particulière pour l'agencement des différents composants gyroscopiques G1, G2, accélérométriques A1, A2 et A3 et de visée stellaire V, sur le coeur 2. La figure 2, dans une représentation éclatée en perspective, et la figure 3, dans une représentation en coupé dans le plan défini par les axes I et III des fig. 1 et 2, montrent une telle structure conforme à l'invention. Le coeur 2 se présente sous forme d'un bloc massif qui est traversé par un alésage 9 coaxial à l'axe III et sur la surface extérieure duquel sont ménagées des platines de fixation pour les divers composants accélérométriques et gyroscopiques. Compte tenu de l'agencement général du dispositif et de l'orthogonalité mutuelle des trois axes I, II et III, le coeur 2 possède une forme générale approximativement parallélépipédique dont les faces sont, en position de montage, perpendiculaires aux trois axes précités. A cet effet, une face 10 du coeur est munie d'un évidement 11 (fig. 3) coaxial à l'axe I et conformé pour abriter le gyroscope G1. De même une face 12 (perpendi- culaire à la face 10) du coeur est agencée de la même manière avec un évidement (non visible) pour recevoir le gyroscope G2. En outre, une face 13 (dans laquelle s'ouvre l'alésage 9) porte un emplacement 14 pour recevoir l'accéléromètre Al la face 12 susmentionnée reçoit également l'accéléromètre A2; et la face 15, opposée à la face 10, possède un emplacement 16 pour recevoir l'accéléromètre A3. L'orifice de l'alésage 9 débouchant sur la face 10 13 est obturé par une lame transparente 17 fixée sur la face 13 par collage. Sur la face de la lame 17 tournée vers l'intérieur de l'alésage 9 est fixé (par adhérence et/ou par collage) un miroir concave (éventuellement asphérique) 18 centré sur l'axe de l'alésage 9. La face 19 du coeur 2, opposée à la face 13, possède un évidement 20, centré sur l'axe de l'alésage 9, dont le fond 21 constitue une portée d'appui recevant un élément optique 22 fixé par collage. L'élément optique 22 est un miroir concave (éventuellement asphérique), centré sur l'axe de l'alésage 9, muni d'un perçage central équipé d'un manchon 23 formant traversée optique. Afin d'obtenir une grande stabilité et une fixation aisée par collage, la structure du coeur 2 et les éléments optiques 17 et 22 sont réalisés en des matériaux ayant des coefficients de dilatation proches, par exemple les couples Invar-Silice ou Beryllium-Borosilicate. Les éléments optiques 18 et 22 constituent res- pectivement les miroirs secondaire et primaire d'un télescope de type Cassegrain. La fonction objective du dispositif de visée stellaire est donc assurée unique-ment par deux surfaces optiquement actives référencées directement à la structure du coeur 2 afin d'obtenir une stabilité maximale de l'axe optique du système par rapport aux plans de montage des accéléromètres. 20 Un détecteur photo-électrique, destiné à l'exploitation des informations optiques fournies par le télescope, est monté en arrière de l'élément optique 22 de la manière suivante. Une bague annulaire 24 est fixée (par exemple par des vis 25) sur le pourtour de l'évide- ment 20. Cette bague 24 est agencée, d'une part, pour bloquer l'élément optique 22 et, d'autre part, pour constituer une portée annulaire pour un détecteur photoélectrique 26, lequel est solidarisé à la bague 24 à l'aide d'un écrou annulaire 27 vissé sur un filetage intérieur de la bague 24. De préférence, le détecteur 26 est réalisé sous forme d'une structure microélectronique hybride constituant un composant indépendant comprenant un boîtier 28 muni d'un hublot 29 en regard de la traversée optique 23 et abritant une partie active constituée par un dispositif photosensible matriciel à l'état solide sous forme d'une "puce" (sans boitier) 30 la puce 30 est fixée de façon thermiquement conductrice sur un refroidisseur 31 (face froide d'un dispositif de refroidissement à effet Peltier dont la face chaude est fixée de façon thermiquement conductrice au fond du boîtier 28) ; des traversées isolantes sont prévues dans le boitier pour les conducteurs reliant la puce 30 et le refroidisseur 31 à des circuits extérieurs, ces conducteurs étant des fils fins en or ou en aluminium de petit diamètre pour éviter les pertes par conduction thermique sur la face froide du refroidisseur 31. Un vide d'au moins 1 Pa (105 atm) est maintenu au sein du boitier 28 pour éviter les pertes par convection. Un tel capteur est décrit de façon plus détaillée dans la demande de brevet conjointe FR 86 à laquelle on pourra se référer. Enfin, un couvercle 32, solidarisé par exemple à l'aide de vis 33 à la bague annulaire 24, ferme l'évidement 20. En outre, sur sa face intérieure, le couvercle 32 possède une saillie en forme de table 34 qui est en appui contre le fond du boîtier 28 du détecteur 26, éventuellement avec interposition d'un joint 35 thermiquement conducteur: ainsi le refroidisseur 31 est thermiquement lié aux diverses masses métalliques qui l'entourent et celles-ci, y compris la structure de coeur elle-même, jouent le rôle d'un radiateur ayant une importante capacité de dissipation thermique permettant de maintenir la température de la puce à une valeur au plus égale à 20 C alors que la température ambiante nécessaire au fonctionnement des composants (gyroscopes, accéléromètres) de la plate-forme inertielle est d'environ 60 C. Pour assurer le fonctionnement correct du dispo- sitif photosensible 30, une partie de l'électronique de mise en oeuvre et de traitement des signaux de sortie (non représentée sur les figures) est placée sur le coeur 2 à proximité immédiate du détecteur, voire inté-grée en partie à l'intérieur du boîtier 28 sous forme de circuits réalisés en technologie micro-électronique hybride. Cette électronique ainsi implantée minimise le nombre de liaisons entre le coeur et l'extérieur et de diminuer la sensibilité des liaisons aux perturbations externes. Elle peut comporter par exemple l'élaboration et la mise en forme des signaux d'hor-25 loge; l'amplification du signal de sortie; l'échan- tillonnage, le blocage et la numérisation du signal de sortie; le multiplexage et/ou démultiplexage de signaux de commande; les servitudes d'une ou plusieurs sondes de température; etc. Grâce aux dispositions conformes à l'invention, la plate-forme astro-inertielle qui vient d'être décrite intègre un instrument de visée optique tel qu'un télescope de type Cassegrain dans une structure de coeur de plate-forme inertielle sans que l'instrument de visée optique soit présent sous forme d'un composant à part entière seuls ses éléments essentiels que sont les 10 miroirs primaire et secondaire sont présents physique-ment. Il en résulte un important gain en poids et en volume qui rend l'ensemble plus facilement logeable dans les mobiles destinés à les recevoir. En outre, la fixation directe des miroirs primaire et secondaire sur le coeur de la plate-forme inertielle entraine la suppression des dispositifs de positionnement et de fixation nécessaire traditionnellement au montage d'un appareil de visée optique classique indépendant. Il en résulte une plus grande stabilité de l'axe de visée par rapport aux axes de mesure des accéléromètres fixés sur le coeur (stabilité supérieure à 1 r) même lorsque le dispositif est soumis à des efforts importants dûs à des accélérations très élevées et/ou à des vibrations comme c'est le cas par exemple à bord des missiles. Comme il va de soi et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application et de réalisation qui ont été plus spécialement envisagés; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. En particulier, bien que le mode de réalisation qui a été décrit cidessus à titre d'exemple soit relatif à une centrale équipée de deux gyroscopes et de trois accéléromètres effectuant des mesures selon trois axes orthogonaux, on comprendra que l'invention s'applique tout aussi bien à des centrales équipées d'un nombre quelconque de gyroscopes et/ou d'accéléromètres, tout aussi bien qu'à des centrales équipées de suspension à cardan "(comme dans l'exemple ci-dessus) ou à des centrales liées rigidement à la structure du véhicule qu'elles équipent. REVENDICATIONS. 1. Centrale de repérage de position pour engin mobile, notamment pour engin volant, en particulier pour missile circulant à très grande distance du sol ter- restre ou un véhicule spatial ou analogue, comprenant une structure de coeur possédant notamment un ou plusieurs accéléromètres et un ou plusieursplusieurs gyroscopes (G1, G2) éventuellement montés sur une structure de support à cardans et comprenant également un dispositif de visée stellaire (V), caractérisée en ce que la structure de coeur (2) est-constituée par un élément rigide unique traversé par un alésage (9), en ce qu'à une première extrémité (face 19) de l'alésage sont fixés un miroir primaire (22) et, en arrière d'une ouverture axiale (23) de celui-ci, un détecteur électro-optique (26) dudit dispositif de visée stellaire et à l'autre extrémité (face 13) de l'alésage est fixé un miroir secondaire (18), ledit dispositif de visée stellaire étant agencé sous forme d'un télescope [0 de type Cassegrain, un dispositif électronique étant en outre prévu pour la mise en oeuvre du récepteur électrooptique, et en ce que sur cette structure de coeur (2) sont ménagées des platines de fixation (14, 16) pour les susdits composants (accéléromètres, gyroscopes, ...) et le dispositif électronique de mise en oeuvre du détecteur électro-optique. 2. Centrale selon la revendication 1, caractéri- sée en ce que le miroir secondaire (18) est fixé sur une lame transparente (17) solidarisée à l'extrémité (face 13) de l'alésage et obturant celui-ci de façon étanche. 3. Centrale selon la revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que le détecteur électro-optique (26) est réalisé sous forme d'un composant indépendant disposé en arrière du miroir primaire (22). 4. Centrale selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la surface du 35 miroir primaire (22) et/ou celle du miroir secondaire (18) est asphérique. 5. Centrale selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que tout ou partie de la structure de coeur (2) est en liaison thermique avec le détecteur électro-optique (26) et constitue un radiateur de dissipation thermique pour le refroidissement d'un dispositif photo-sensible (30) dudit détecteur. 6. Centrale selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 5, caractérisé en ce que la structure de coeur (2) est constituée en un matériau à coefficient de dilatation thermique adapté à celui des pièces optiques, notamment en Invar ou en Beryllium. 7. Centrale selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 6, caractérisée en ce que les platines de fixation (14, 16) pour les composants et le dispositif électronique de mise en oeuvre du détecteur électro-optique sont prévues sur les surfaces latérales externes de la structure de coeur (2).