Brevet FR2889583A1 — publié le 20070209

L'invention concerne un canon à rails pour tirs en rafale et une méthode d'exploitation d'un canon à rails pour tirs en rafale. Les canons électriques à rails sont en mesure d'accélérer des projectiles à des vitesses supérieures à 2000 m/s. Ils sont donc potentiellement supérieurs aux canons à poudre classiques connus. Jusqu'à présent, on n'est pas parvenu à fabriquer des systèmes fonctionnels répondant à toutes les exigences requises d'un système d'arme. La demande de brevet DE 103 26 610 Al présente un canon à rails comportant un premier et un second rails. Les deux rails sont conçus pour guider un projectile. Le premier et le second rails sont raccordés à une alimentation principale qui délivre une tension constante en mode de tir en rafale. Une propriété importante, que devra posséder un futur lanceur à rails, est la capacité de reproduire les différents tirs et, en particulier, le pilotage de la vitesse initiale vo. La dispersion de la vitesse initiale, que l'on observe dans les canons à rails, a de multiples raisons, parmi lesquelles: des phénomènes tribologiques, l'usure des rails, le circuit d'alimentation électrique. Dans le cas d'un canon à rails pour tirs en rafale, il est important de tenir compte de l'échauffement des rails par pertes ohmiques. On peut supposer que la résistance électrique des rails augmente d'env. 30 % en mode rafale. En mode rafale, l'alimentation principale fournit des courants pulsés homogènes. Une augmentation de la résistance électrique du premier et du second rails signifie une perte de puissance et une circulation plus faible du courant à travers le projectile. En mode rafale, ceci a pour conséquence que la vitesse initiale diminue en permanence avec chaque tir. Généralement, on sait seulement comment atténuer les pertes ohmiques dues à l'échauffement des rails en mode rafale par un refroidissement performant. L'objectif de la présente invention est donc de concevoir un canon à rails pour tirs en rafale et une méthode d'exploitation d'un canon à rails pour tirs en rafale de telle sorte que l'échauffement des rails puisse être compensé en vue d'obtenir une vitesse initiale souhaitée. La solution apportée est un canon à rails pour tirs en rafale comportant au moins un premier rail (10a) et un second rail (10b) , le premier rail (10a) et le second rail (10b) étant conçus pour guider un projectile (30) et connectés à un dispositif d'alimentation principal (20) qui délivre des impulsions de courant homogène en mode de tir en rafale, caractérisé en ce qu'il comporte par ailleurs un dispositif de commande permettant de compenser les pertes ohmiques dues à l'échauffement des rails et comportant: - un élément de réglage sous forme d'un induit alimenté par une source d'énergie 15 auxiliaire, - une sonde de température disposée sur l'un des deux rails - un circuit de commande associé à la sonde de température et à l'induit, et, plus particulièrement, l'élément de réglage sous forme d'un induit est conçu de telle sorte qu'en fonctionnement, le champ magnétique du premier rail et du second rail est soit renforcé soit affaibli selon le sens de circulation du courant, ce qui permet de régler la vitesse initiale, et en ce que le circuit de commande, est conçu de telle sorte qu'en fonctionnement la valeur de mesure d'une sonde de température, disposée sur l'un des deux rails, correspond à une donnée d'entrée de la commande et est traitée dans le circuit de commande, et en fonction de la valeur de mesure traitée de la sonde de température, des signaux de commande sont transmis à la source d'énergie auxiliaire de l'induit. L'invention a pour avantage de créer un degré de liberté supplémentaire permettant d'exercer une influence sur la vitesse initiale. Parallèlement, ceci permet de compenser un échauffement des rails. Ce phénomène est décrit en détail dans ce qui suit. Dans un canon à rails pour tirs en rafale, le premier et le second rails sont fortement échauffés. Par ailleurs, en mode rafale, l'alimentation principale délivre des impulsions de courant homogènes. Ceci signifie que la vitesse initiale du projectile diminue, car à chaque fois que l'échauffement des rails augmente, leur résistance électrique augmente et, par conséquent, la puissance électrique dissipée augmente. En d'autres termes, la circulation du courant dans les rails et dans le projectile diminue ainsi que la vitesse initiale. On peut y remédier en utilisant un dispositif de commande permettant de compenser les pertes ohmiques dues à l'échauffement des rails. Le dispositif de commande est composé d'un élément de réglage sous forme d'un induit alimenté par une source d'énergie auxiliaire. L'élément de réglage est conçu de telle sorte que le champ magnétique du premier rail ou du second rail est soit renforcé soit atténué selon le sens de circulation du courant. On exerce ainsi une influence sur la vitesse initiale. Le dispositif de commande comporte également un circuit de commande. Il est conçu de telle sorte qu'en fonctionnement, la valeur de mesure d'une sonde de température disposée sur l'un des deux rails corresponde à une donnée d'entrée de la commande et soit traitée dans le circuit de commande. En fonction de la valeur de mesure traitée par la sonde de température, des signaux de commande sont transmis à la source d'énergie auxiliaire de l'induit. Les pertes ohmiques dues à l'échauffement des rails peuvent ainsi être compensées. Citons un exemple. Le canon à rails doit tirer en mode rafale des projectiles avec une même vitesse initiale. L'échauffement croissant des rails est enregistré par une sonde de température et transmis au circuit de commande. Celui-ci calcule tout d'abord la puissance dissipée compte tenu de l'échauffement et détermine ensuite quelle doit être la valeur du courant dans l'induit pour maintenir la vitesse initiale à un niveau constant. Le courant circulant dans l'induit crée un champ magnétique. Ce champ magnétique se superpose au champ magnétique du premier et du second rail. Le sens du courant est choisi de telle sorte que les champs magnétiques des rails soient renforcés. Les champs magnétiques renforcés font que le projectile, même s'il est parcouru par un courant de plus faible intensité, peut mieux s'appuyer et est plus fortement accéléré compte tenu des champs magnétiques plus élevés et que l'on peut ainsi maintenir la vitesse initiale à un niveau constant comme on le souhaite. Selon une forme d'exécution de l'invention, l'induit est disposé le long du plus grand segment du premier et du second rail. Ceci permet d'obtenir un renforcement ou une 30 atténuation suffisant(e) des champs magnétiques des rails. Selon une autre forme d'exécution de l'invention, le circuit de commande présente une interface par le biais de laquelle on peut fixer la valeur théorique de la vitesse initiale. On peut avantageusement raccorder un système de conduite de tir par le biais de l'interface par exemple. Selon une autre forme d'exécution de l'invention, la sonde de température est un thermocouple. Selon une autre forme d'exécution de l'invention, la source d'alimentation auxiliaire est composée É d'une unité de stockage de l'énergie primaire capacitive à grande constante de temps É et d'un générateur de courant pulsé, comportant É de nombreux éléments de stockage de l'énergie reliables à une source d'énergie électrique, pour stocker l'énergie, É et de nombreux moyens de commutation respectivement rattachés à un élément de stockage de l'énergie. L'invention est décrite plus en détails ci-après à l'aide d'un exemple de réalisation représenté dans les figures: Fig. 1 le schéma de principe d'un canon à rails pour tirs en rafale Fig. 2 le diagramme courant-temps de l'alimentation principale Fig. 3 le diagramme courant-temps de la source d'énergie auxiliaire Fig. 4 un diagramme vitesse initiale - temps, qui illustre un tir en rafale avec des tirs à différentes vitesses initiales. La figure 1 présente un canon à rails pour tirs en rafale avec un premier rail 10a et un second rail 10b. le premier rail 10a et le second rail 10b sont conçus pour guider un projectile 30 et raccordés à un dispositif d'alimentation principal 20 qui délivre des impulsions de courant homogènes en mode de tir en rafale. La figure 4 illustre le problème qui fait que, compte tenu de l'échauffement du premier et du second rail, les différents tirs d'une rafale donnent des vitesses initiales (v) en diminution en fonction du temps (t). Pour revenir à la figure 1, le canon à rails comporte un dispositif de commande 70 permettant de compenser les pertes ohmiques dues à l'échauffement des rails. Le dispositif de commande 70 comporte un élément de réglage sous forme d'un induit alimenté par une source d'énergie auxiliaire 60 et conçu de telle sorte qu'en fonctionnement, le champ magnétique du premier rail 10a et du second rail 10b est, soit renforcé, soit affaibli, selon le sens de circulation du courant, ce qui permet de régler la vitesse initiale. Le circuit de commande 70 est conçu de telle sorte qu'en fonctionnement, la valeur de mesure d'une sonde de température disposée sur l'un des deux rails, correspond à une donnée d'entrée de la commande et est traitée dans le circuit de commande. La sonde de température 40 est un thermocouple. La sonde de température 40 est nécessaire pour la commande, car en fonction de la température des rails 10a et 10b, on peut calculer les pertes ohmiques qui doivent ensuite être considérées, compte tenu de la vitesse initiale donnée, pour exercer une action sur l'élément de réglage conçu sous forme d'un induit 50. Plus concrètement, en fonction de la valeur de mesure traitée de la sonde de température, des signaux de commande sont transmis à la source d'énergie 20 auxiliaire 60 de l'induit 50. L'induit 50 est, comme représenté par la figure 1, disposé le long du plus grand segment du premier rail 10a et du second rail 10b. Le fait que le circuit de commande 70 présente une interface par le biais de laquelle on peut fixer la valeur théorique de la vitesse initiale n'a pas été représenté. L'alimentation principale 20 est conçue sous forme traditionnelle. Le diagramme courant-temps de l'alimentation principale 20 est représenté à la figure 2. Chaque 30 impulsion de courant correspond à un seul tir de la rafale. Pour le dispositif de commande destiné à la compensation des pertes ohmiques, on a besoin d'une source d'énergie auxiliaire 60. Elle est composée É d'une unité de stockage de l'énergie primaire capacitive à grande constante 35 de temps É et d'un générateur de courant pulsé, comportant É de nombreux éléments de stockage de l'énergie reliables à une source d'énergie électrique, pour stocker l'énergie, É et de nombreux moyens de commutation respectivement rattachés à un élément de stockage de l'énergie. Le diagramme courant-temps de l'alimentation auxiliaire 60 est représenté à la figure 3. L'unité de stockage de l'énergie primaire capacitive fournit tout d'abord un courant continu dans une perspective simplifiée. On superpose à ce courant continu, individuellement pour chaque tir d'une rafale, un courant pulsé à retard minimal, à constante de temps comparativement courte pour influencer la vitesse initiale en compensant l'échauffement des rails. Pour diminuer la vitesse initiale, la source d'énergie auxiliaire produit un courant dans le sens inverse. Dans ce qui suit, on présente la méthode de compensation des pertes ohmiques d'un canon à rails pour tirs en rafale comportant un premier et un second rails. Cette méthode permet: É de mesurer la température de l'un des rails (10a, 10b), É de traiter la valeur de mesure de la température dans un circuit de commande (70), É d'envoyer des signaux de commande à une source d'énergie auxiliaire (60) d'un élément de réglage conçu sous forme d'induit (50), É que l'induit (50), en fonction des signaux de commande et selon le sens de 25 circulation du courant, renforce ou affaiblisse le champ magnétique du premier rail (10a) et du second rail (10b), ce qui permet de régler la vitesse initiale. Des détails sont donnés ci-après. Dans cet exemple de réalisation, les caractéristiques du canon à rails pour tirs en rafale sont les suivantes: les deux rails du canon à rails pour tirs en rafale ont une longueur de 3 m. Le calibre est de 15x30 mm2. Les données balistiques sont les suivantes: É m=100g É vo=1300m/s É Cadence = 50 Hz La puissance d'un canon à rails est de l'ordre du GW et l'énergie primaire nécessaire pour chaque tir est de 280 kJ pour un rendement de 30%. Pour ce qui est des aspects techniques des pertes ohmiques dues à l'échauffement, l'énergie injectée par effet Joule (Intensité du courant 1(t)) dans un rail provoque une augmentation de sa température AT. Si l'on utilise des rails à l'état solide et si l'on évite l'apparition de transitions de phases, on obtient une bonne approximation de la 10 conductivité électrique spécifique p avec a comme coefficient de température: P(T) = Po +aAT,po =P(To),AT = T To Une bonne approximation de l'énergie consommée dans les rails Era11 est donnée par: Erair C P(T) Par ailleurs, la vitesse initiale vo d'un canon peut être donnée par approximation: to,,, vo a f l2dt to désigne l'instant de départ du projectile et tout celui de la sortie du projectile. Sous une forme simplifiée idéalisée, on peut supposer pour le courant pulsé I(t=tout) = I(t=to) = O. On peut supposer par ailleurs que les alimentations et les contacts glissants travaillent sans perte et qu'il n'y a pas de frottement. Dans la forme simplifiée idéalisée, l'équation de conservation de l'énergie du canon à rail (m = masse du projectile) s'écrit: vo Epr;mrïr = 2m + Erai( Pour l'alimentation principale qui fournit des courants pulsés d'énergie constante, il en résulte une relation directe entre la température des rails mesurée et vo. Sans les approximations présentées, on trouve une relation complexe entre AT et 35 ' l'énergie primaire à régler, qui doit être déterminée expérimentalement. Pour ce qui est de la configuration de l'unité de stockage de l'énergie primaire capacitive à grande constante de temps de la source d'énergie auxiliaire, l'unité de stockage de l'énergie primaire capacitive à grande constante de temps est chargée par une rafale, puis séparée du circuit de charge. La décharge commence au début de la rafale. La constante de temps de cette décharge est élevée compte tenu de la capacité importante. Il faut donc tenir compte de la durée de la rafale, qui peut être par exemple de 0,2 seconde. Pour ce qui est de la configuration du générateur de courant pulsé de la source 10 d'énergie auxiliaire, c'est un générateur de type connu, à savoir décrit dans la demande DE 102 36 478 A1, qui a été utilisé comme source d'énergie auxiliaire 60. Revendications 1. Canon à rails pour tirs en rafale comportant au moins un premier rail (10a) et un second rail (10b) , le premier rail (10a) et le second rail (10b) étant conçus pour guider un projectile (30) et connectés à un dispositif d'alimentation principal (20) qui délivre des impulsions de courant homogène en mode de tir en rafale, caractérisé en ce qu'il comporte par ailleurs un dispositif de commande permettant de compenser les pertes ohmiques dues à l'échauffement des rails et comportant: - un élément de réglage sous forme d'un induit (50) alimenté par une source d'énergie auxiliaire (60), - une sonde de température disposée sur l'un des deux rails - un circuit de commande (70) associé à la sonde de température et à l'induit. 2. Canon à rails selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément de réglage sous forme d'un induit (50) est conçu de telle sorte qu'en fonctionnement, le champ magnétique du premier rail (10a) et du second rail (10b) est soit renforcé soit affaibli selon le sens de circulation du courant, ce qui permet de régler la vitesse initiale, et en ce que le circuit de commande (70), est conçu de telle sorte qu'en fonctionnement la valeur de mesure d'une sonde de température (40), disposée sur l'un des deux rails, correspond à une donnée d'entrée de la commande et est traitée dans le circuit de commande, et en fonction de la valeur de mesure traitée de la sonde de température, des signaux de commande sont transmis à la source d'énergie auxiliaire (60) de l'induit (50). 3. Canon à rails selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'induit (50) est disposé le long du plus grand segment du premier et du 30 second rail (10a, 10b). 4. Canon à rails selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le circuit de commande (70) présente une interface par le biais de laquelle on peut fixer la valeur théorique de la vitesse initiale. 5. Canon à rails selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en 35 ce que la sonde de température (40) est un thermocouple. 6. Canon à rails selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la source d'énergie auxiliaire (60) est composée d'une unité de stockage de l'énergie primaire capacitive à grande constante de temps et d'un générateur de courant pulsé, comportant de nombreux éléments de stockage de l'énergie reliables à une source d'énergie électrique, pour stocker l'énergie, et plusieurs moyens de commutation respectivement rattachés à un élément de stockage de l'énergie. 7. Méthode de compensation des pertes ohmiques d'un canon à rails pour tirs en rafale comportant un premier et un second rail (10a, 10b), dans laquelle: É la température de l'un des rails (10a, 10b) est mesurée, É la valeur de mesure de la température est traitée dans un circuit de commande (70), É les signaux de commande sont envoyés à une source d'énergie auxiliaire (60) d'un élément de réglage conçu sous forme d'induit (50), É l'induit (50), en fonction des signaux de commande et selon le sens de circulation du courant, renforce ou affaiblit le champ magnétique du premier rail (10a) et du second rail (10b), ce qui permet de régler la vitesse initiale. 25 30