Brevet FR2916268A1 — publié le 20081121

L'invention concerne le domaine des dispositions pour améliorer le pilotage des projectiles et augmenter leur portée et a plus particulièrement pour objet un projectile comportant un axe longitudinal préférentiellement de symétrie (X; X') et un nez à l'avant généralement de forme conique et des premières ailettes déployables disposées à l'arrière selon un axe longitudinal (Y ; Y'), ainsi qu'un procédé de pilotage associé. Le pilotage de projectiles tirés par un canon à tube rayé est difficile à réaliser par suite de la grande vitesse de rotation communiquée au projectile au départ du coup. Le moyen classique pour résoudre ce problème est de munir le projectile d'un empennage arrière qui se déploie une fois que le projectile a quitté le tube de lancement. L'empennage freine la rotation et assure en même temps la stabilité en vol. Après cette phase intermédiaire les conditions de vol du projectile sont analogues à celles d'un missile c'est-à-dire qu'il n'est plus stabilisé par effet gyroscopique mais par effet aérodynamique. Cela présente l'avantage de pouvoir utiliser les mêmes méthodes de pilotage que pour les missiles. A ce titre, on connaît la demande de brevet US2003/0071166 qui décrit un projectile d'artillerie comportant une base possédant des premières ailettes déployables après un temps de vol déterminé ainsi que des moyens complémentaires de guidage et de contrôle comportant des secondes ailettes déployables et des ouvertures d'éjection de gaz disposées dans la partie avant du projectile et régulièrement réparties tout autour du projectile. Ainsi, en fonctionnement, le projectile est tiré par un canon alors que toutes les ailettes sont repliées à l'intérieur du projectile. Tant que les ailettes ne sont pas déployées, le projectile est soumis à une stabilisation gyroscopique. Lorsque les ailettes sont déployées, la vitesse de rotation du projectile diminue rapidement jusqu'à une vitesse de rotation nulle à partir de laquelle intervient le guidage par effet aérodynamique par l'intermédiaire des secondes ailettes et de l'éjection transversale de gaz par lesdites ouvertures. Un tel procédé de guidage a notamment l'inconvénient de nécessiter l'emport de gaz sous pression ce qui augmente son poids et diminue sa portée ou le volume réservé à la charge utile. L'activation des jets dans la bonne direction nécessite une mesure précise de la position en roulis du projectile. Une grande correction de la trajectoire entraine une plus grande consommation de gaz. Quant à l'utilisation de gouvernes aérodynamiques pour le pilotage elle nécessite aussi une mesure précise de la position en roulis et un dispositif de braquage des ailettes en fonction de la grandeur de la correction. Pour assurer un bon fonctionnement des gouvernes l'angle de braquage des gouvernes est limité. La vitesse avec laquelle les gouvernes peuvent être braquées est aussi limitée pour éviter des oscillations intempestives du projectile. L'un des buts de l'invention est de résoudre ces inconvénients en proposant un projectile et un procédé de pilotage associé ne nécessitant pas l'emport de gaz sous pression et ne nécessitant pas l'utilisation d'un guidage par effet aérodynamique. La solution apportée est un projectile comportant un axe longitudinal préférentiellement de symétrie (X; X') et un nez à l'avant généralement de forme conique et des premières ailettes déployables disposées à l'arrière selon un axe longitudinale (Y ; Y'), caractérisé en ce que l'axe longitudinal desdites ailettes fait avec l'axe longitudinal du projectile un angle constant a différent de 0 degré, et préférentiellement, l'axe longitudinal desdites ailettes fait avec l'axe longitudinal du projectile un angle a apte à générer une vitesse de rotation w du projectile et un mouvement de précession avec une période de précession comprise entre 100 millisecondes et 10 secondes. Le guidage est ainsi effectué par le contrôle du mouvement naturel d'un projectile à effet gyroscopique et plus particulièrement de son mouvement de précession. Avantageusement, un projectile selon l'invention comporte, en outre, au moins l'une des caractéristiques suivantes : l'angle a, aussi appelé angle de braquage dans la suite, est compris entre 2 et 10 degrés, en vol, le déploiement desdites ailettes est apte à générer un mouvement de précession du projectile vers la gauche, en vol, le déploiement des ailettes est apte à générer un déplacement du centre d'action de la force résultante du moment aérodynamique à l'arrière du centre de gravité du projectile, ce centre d'action étant situé entre 0,2 et 1 calibres à l'arrière du centre de gravité et préférentiellement entre 0,2 et 0,6 calibres, le projectile comporte des secondes ailettes déployables disposées à l'avant du projectile, l'axe longitudinal desdites secondes ailettes faisant avec l'axe longitudinal du projectile un angle constant f3 différent de 0 degré et préférentiellement déterminé pour générer la même vitesse de rotation w que les premières ailettes arrières. La vitesse de rotation est égale à co=V*a/ri=V*Ji/r2 avec V vitesse du projectile et ri et r2 sont respectivement les distances de l'axe longitudinal (X ; X') des centres des premières et secondes ailettes. En vol, le déploiement des secondes ailettes est apte à générer un déplacement du centre d'action de la force résultante du moment aérodynamique à l'avant du centre de gravité du projectile, ce centre d'action étant préférentiellement situé entre 0, 2 et 0,6 calibres à l'avant du centre de gravité. Les angles a et p déterminent la vitesse de rotation et ainsi le niveau des effets gyroscopiques et plus particulièrement la fréquence de précession. Préférentiellement ces angles de braquage sont constants. La combinaison du déplacement du centre d'action du moment aérodynamique et de l'angle de braquage des ailettes permet de fixer la période du mouvement de précession du projectile entre une centaine de millisecondes et quelques secondes et ainsi de l'adapter au guidage et aux performances des actionneurs. L'invention concerne aussi un procédé de pilotage d'un projectile selon l'invention comportant une vitesse linéaire V et une vitesse de rotation non nulle apte à générer un effet gyroscopique, ainsi qu'un mouvement de précession selon une première direction, à savoir droite ou gauche, caractérisé en ce qu'il comporte une étape consistant, en vol, à déployer des premières ailettes disposées vers l'arrière du projectile et de sorte que l'axe longitudinal (X ; X') desdites ailettes fassent avec l'axe longitudinal du projectile un angle a différent de 0 degré, cet angle a de braquage étant apte à maintenir ladite vitesse de rotation du projectile, le déploiement desdites ailettes étant par ailleurs apte à inverser la direction dudit mouvement de précession. Selon une caractéristique particulière, un procédé selon l'invention comporte au moins une étape supplémentaire consistant : soit, en vol, à partir d'une position initiale dans laquelle les ailettes sont déployées, à rentrer, au moins en partie, lesdites premières ailettes à l'intérieur du projectile, cette rétractation des ailettes étant aptes à inverser la direction dudit mouvement de précession par rapport à celle correspondant à la position initiale, soit en vol, à partir d'une position initiale dans laquelle les ailettes sont déployées, à déployer des secondes ailettes disposées vers l'avant du projectile et dont l'axe longitudinal fait avec l'axe longitudinal du projectile un angle a différent de 0 degré, cet angle R de braquage étant apte à maintenir ladite vitesse de rotation du projectile, le déploiement desdites secondes ailettes étant apte à inverser la direction dudit mouvement de précession, l'angle [3 pouvant notamment être compris entre 2 et 10 degrés. Selon une caractéristique particulière, un procédé selon l'invention comporte une étape complémentaire consistant à déterminer à l'avance, lors de la conception, la 10 valeur fixe de l'angle de braquage des dites secondes ailettes et/ou premières ailettes. D'autres avantages et caractéristiques apparaîtront dans la description de deux modes de réalisation de l'invention au regard des figures annexées parmi lesquelles : 15 - la figure 1 montre un schéma d'un projectile à ailettes déployables selon un premier mode de réalisation de l'invention, ailettes déployées, - la figure 2 présente des moyens de commande du déploiement desdites ailettes, - la figure 3 montre l'inclinaison de l'axe desdites ailettes par rapport à l'axe de 20 symétrie du projectile, - la figure 4 montre l'orientation du nez du projectile en fonction du temps dé déploiement desdites ailettes, - la figure 5 montre un schéma d'un projectile selon un second mode de réalisation de l'invention et comportant des premières et secondes ailettes déployées, 25 - les figures 6a et 6b présente des moyens de commande respectifs du déploiement desdites premières et secondes ailettes, - la figures 7a et 7b montre l'inclinaison respective de l'axe desdites premières et secondes ailettes par rapport à l'axe de symétrie du projectile, - la figure 8 montre l'orientation du nez du projectile en fonction du temps de 30 déploiement desdites secondes ailettes, La figure 1 présente un projectile selon un premier mode de réalisation de l'invention. Ce projectile 1 a la forme d'un cylindrique dont l'une des extrémités 2, à savoir l'avant, à une forme de cône constituant le nez du projectile. Il comporte un axe de symétrie X passant par son centre de gravité G et des ailettes déployables 3. Comme montré sur la figure 2, le déploiement des ailettes déployables 3 ou leur rétractation à l'intérieur du projectile sont commandées par des moyens 4 de commande et de contrôle comportant des moyens 5 électroniques de contrôle commande et un actionneur électrique 6. Le contrôle de la commande du déploiement et de la rétractation des ailettes peut s'effectuer, préférentiellement, avec une horloge seulement apte à contrôler la durée de déploiement des ailettes. En effet avec un angle de braquage fixe, la fréquence de précession est connue et une mesure de temps est suffisante pour localiser avec la précision nécessaire l'orientation du projectile. Le vol balistique avant le début du guidage permet d'initialiser le processus. En effet l'orientation d'un projectile au sommet de sa trajectoire est une fonction des effets gyroscopiques et est une grandeur qui peut être déterminée à l'avance. En d'autres termes, du fait de sa rotation, le projectile possède des propriétés gyroscopiques et donc intrinsèquement une référence terrestre (haut-bas, gauche-droite). Un capteur pour obtenir une référence terrestre n'est donc pas nécessaire. Ces ailettes déployables 3 ne sont pas orientées selon l'axe X du projectile mais sont toutes inclinées, comme montré sur la figure 3, selon un axe Y, les axes X et Y faisant, entre eux, un angle a non nul compris entre 2 et 10 degrés. Dans cette invention le moment préconisé pour le pilotage est le moment aérodynamique qui agit naturellement sur tout projectile volant avec un angle d'incidence. C'est-à-dire que, lors du vol, l'axe géométrique du projectile n'est pas dans la même direction que son vecteur vitesse. Sur tout projectile stabilisé par effet gyroscopique, ce moment agit à l'avant du centre de gravité. Pour une rotation positive du projectile ce moment induit un mouvement de précession vers la droite. Le fonctionnement d'un dispositif de guidage selon ce premier mode de réalisation de l'invention est le suivant : Le projectiles est lancé par un canon à tube rayé et sort de la bouche du canon avec une vitesse de rotation c0=2*V*tan(ar)/D où ar est l'angle de rayure et D le calibre du tube et V la vitesse initiale du projectile, qui assure sa stabilisation par effet gyroscopique. Après un temps de vol prédéfini ou lorsque le projectile a atteint l'apogée de sa trajectoire, les ailettes 3 sont alors déployées. Pour un projectile normal sans empennage, correspondant à la première phase de vol par stabilisation gyroscopique, la force aérodynamique agit 2 à 3 calibres à l'avant du centre de gravité. Ce déploiement des ailettes 3 braquées d'un angle a par rapport à l'axe X du projectile permet, d'une part, de communiquer au projectile une vitesse de rotation adaptée à la fréquence de précession choisie pour le pilotage et, d'autre part, de modifier le moment aérodynamique qui agit sur le projectile. La taille et le nombre des ailettes 3 sont dimensionnés de sorte que le moment agisse à l'arrière du centre de gravité générant ainsi un changement de signe du moment aérodynamique et le mouvement de précession s'effectue alors vers la gauche. Comme pour les méthodes classiques, il est préférable de piloter avec des moments de faible intensité. La taille des ailettes 3 est choisie, de préférence, pour amener le centre d'action de la force résultante du moment aérodynamique à environ 0,5 calibres à l'arrière du centre de gravité. Le moment est ainsi diminué. Pour obtenir à nouveau un mouvement de précession vers la droite, une solution consiste à rentrer les ailettes partiellement pour amener le centre d'action de la force résultante du moment aérodynamique à environ 0,5 calibres à l'avant du centre de gravité. L'objet du pilotage est ainsi de pouvoir modifier sensiblement la trajectoire. Or, le mouvement de précession est un mouvement circulaire. En un tour de précession, les effets de la force aérodynamique qui agit sur le projectile s'équilibrent presque et l'effet sur la trajectoire est négligeable. Comme le montre la figure 4 l'alternance de mouvements de précession sur la droite et sur la gauche permet d'obtenir des modifications ciblées de la trajectoire. Lors de la première phase de vol par stabilisation gyroscopique, le nez du projectile se trouve en position A et est orienté vers la droite. C'est sa position naturelle un certain temps après son lancement. La sortie des ailettes 3 pendant une durée assez longue (Tri) va induire un mouvement circulaire de précession vers la gauche et le nez du projectile se retrouve en position B, symétrique de la position A par rapport à la verticale. Au cours de ce mouvement le projectile va d'abord sur la droite ensuite sur la gauche, mais par suite de la symétrie les 2 mouvements s'annulent. Par contre il subsiste en moyenne une faible composante verticale et le projectile dévie faiblement vers le haut. Dans la position B la rentrée des ailettes 3 pendant une durée (TI_1 La figure 5 présente un projectile selon un second mode de réalisation de 15 l'invention. Ce projectile 11 à la forme d'un cylindrique dont l'une des extrémités 12 , à savoir l'avant, à une forme conique ou ogivale constituant le nez du projectile. Il comporte un axe de symétrie X passant par son centre de gravité G' et, d'une part, des premières ailettes déployables 13 disposées d'un côté du centre de gravité du projectile, à savoir vers l'arrière 14, et des secondes ailettes déployables 15 20 disposées de l'autre côté du centre de gravité du projectile, à savoir vers l'avant 16 et, plus particulière au niveau de l'extrémité de plus grande section 17 du nez 12. Comme montré respectivement sur les figures 6a et 6b, ces premières et secondes ailettes déployables 13 et 15 sont commandées par des moyens respectifsl8 et 19 de commande et de contrôle du déploiement de ces ailettes comportant 25 respectivement des moyens 20 et 21 électroniques de contrôle commande et un actionneur électrique 22 et 23. Comme montré sur les figures respectives 7a et 7b, ces premières et secondes ailettes déployables 13 et 15 ne sont pas orientées selon l'axe X' du projectile mais sont toutes inclinées, comme montré sur la figure 3, selon un axe Y', 30 les axes X' et Y' faisant entre eux un angle a et 8 non nul. Le fonctionnement d'un dispositif de guidage selon ce second mode de réalisation de l'invention est le suivant : Le projectile est lancé par un canon à tube rayé et sort de la bouche du canon avec une vitesse de rotation nécessaire à sa stabilisation. Après un temps de vol prédéfini ou lorsque le projectile a atteint l'apogée de sa trajectoire, les ailettes 13 sont alors déployées comme précédemment. Le déploiement des premières ailettes 13 braquées d'un angle a par rapport à l'axe X du projectile permet, d'une part, de communiquer au projectile une vitesse de rotation adaptée à la fréquence de précession choisie pour le pilotage et, d'autre part, de modifier le moment aérodynamique qui agit sur le projectile. Le déploiement et la rentrée des ailettes 15 braquées d'un angle p pour maintenir une vitesse de rotation identique à celle obtenue par les ailettes 13, permet d'alterner les mouvements de précession vers la droite et vers la gauche. Dans ce mode de pilotage les ailettes 13 restent fixes une fois déployées. Le mouvement de précession vers la droite est obtenu par la sortie des ailettes 15 et le mouvement de précession vers la gauche par la rentrée des ailettes 15. . La taille et le nombre des premières et secondes ailettes 13,15 sont dimensionnés de sorte que le moment agisse à l'arrière du centre de gravité générant ainsi un changement de signe du moment aérodynamique et le mouvement de précession s'effectue alors vers la gauche lorsque seules les premières ailettes 13 sont déployées et à l'avant du centre de gravité générant ainsi un changement de signe du moment aérodynamique et le mouvement de précession s'effectue alors vers la droite lorsque les secondes ailettes 15 sont aussi déployées. Comme pour les méthodes classiques, il est préférable de piloter avec des moments de faible intensité. La taille des premières et secondes ailettes 13, 15 est choisie, de préférence, pour amener le centre d'action de la force résultante du moment aérodynamique à environ 0,5 calibres à l'arrière du centre de gravité alors que pour un projectile normal sans empennage la force agit 2 à 3 calibres à l'avant du centre de gravité. Le moment est donc ainsi diminué par le déploiement des ailettes. Dans cet exemple de réalisation, le projectile comporte six premières et six secondes ailettes et, dans ce cas, la taille des secondes ailettes est plus faible que celle des premières puisqu'elle ne doivent engendrer un déplacement du point d'action de la force aérodynamique de 0,5 calibre vers l'arrière à 0,5 calibre vers l'avant tandis que les premières ailettes déployables doivent engendrer un déplacement du point d'action de la force aérodynamique de 2 à 3 calibres vers l'avant à 0,5 calibre vers l'arrière. L'objet du pilotage est de pouvoir modifier sensiblement la trajectoire. Or le mouvement de précession est un mouvement circulaire. En un tour de précession, les effets de la force aérodynamique qui agit sur le projectile s'équilibrent presque et l'effet sur la trajectoire est négligeable. Comme le montre la figure 8 l'alternance de mouvements de précession sur la droite et sur la gauche permet d'obtenir des modifications ciblées de la trajectoire. Après son lancement, le projectile est en phase de stabilisation gyroscopique sans empennage et son nez se trouve naturellement dans la position A montrée sur la figure 4 et non présentée sur la figure 8 pour une question de clarté. Comme expliqué au regard de la figure 4, le déploiement des premières ailettes 13 induit un mouvement de précession vers la gauche jusqu'à ce que le nez du projectile se retrouve à la position B. C'est sa position naturelle un certain temps après le déploiement des premières ailettes arrièresl3. La sortie des secondes ailettes avant 15 pendant une durée assez longue (Tri) va induire un mouvement circulaire de précession vers la droite et le nez du projectile se retrouve en position C', symétrique de la position B par rapport à la verticale. Au cours de ce mouvement le projectile va d'abord sur la gauche ensuite sur la droite, mais par suite de la symétrie les mouvements s'annulent. Par contre il subsiste en moyenne une faible composante verticale, le projectile dévie faiblement vers le haut. Dans la position C' la rentrée des ailettes avant, au moins en partie et apte à inverser la direction du mouvement de précession, pendant une durée (TI_1 Une nouvelle sortie des ailettes avant en position D' pendant une courte durée (Tr 2 Des simulations réalistes montrent qu'avec ce procédé la portée d'un projectile de 155mm est augmentée de 30 km à 50 km. Le pilotage permet de faire varier la portée entre 40 km et 60 km. Les corrections latérales sont aussi de l'ordre de quelques kilomètres. Pour un point d'impact donné, l'écart est inférieur à 10 m. L'angle de braquage des ailettes a été choisi pour obtenir une vitesse de rotation de l'ordre de 50 Hz qui permet de faire varier la durée des différentes phases de vol entre 1 s et 5 s. Dans ces simulations le pilotage ne débute qu'après le sommet de la trajectoire. Jusqu'au sommet de la trajectoire le projectile se comporte comme un projectile stabilisé par effet gyroscopique classique. Ce début retardé de la phase guidée présente 2 avantages. D'une part le vol guidé s'effectue pratiquement à vitesse constante ce qui facilite le pilotage. D'autre part l'initiation du mouvement de précession se fait naturellement comme pour tout projectile stabilisé par effet gyroscopique. II se met sous incidence, car il ne peut pas suivre le changement de direction verticale du à la courbure de la trajectoire. Le déploiement des ailettes arrière diminue le moment qui agit sur le projectile et amplifie l'initiation du mouvement de précession. L'initiation du mouvement de précession s'effectue donc sans dispositif supplémentaire. Revendications 1. Projectile comportant un axe longitudinal préférentiellement de symétrie (X; X') et un nez à l'avant généralement de forme conique et des premières ailettes déployables (3 ; 13) disposées à l'arrière selon un axe longitudinale (Y ; Y'), caractérisé en ce que l'axe longitudinal desdites ailettes fait avec l'axe longitudinal du projectile un angle a différent de 0 degré. 2. Projectile selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'axe longitudinal desdites ailettes fait avec l'axe longitudinal du projectile un angle a apte à générer une vitesse de rotation w du projectile et un mouvement de précession avec une période de précession comprise entre 100 millisecondes et 10 secondes. 3. Projectile selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'axe longitudinal desdites ailettes fait avec l'axe longitudinal du projectile un angle a compris entre 2 et 10 degrés. 4. Projectile selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que, en vol, le déploiement desdites ailettes est apte à générer un mouvement de précession du projectile vers la gauche. 5. Projectile selon la revendication 4, caractérisé en ce que lorsque les ailettes sont déployées, le centre d'action de la force résultante du moment aérodynamique est positionné à l'arrière du centre de gravité 6. Projectile selon la revendication 4, caractérisé en ce que lorsque les ailettes sont déployées, le centre d'action de la force résultante du moment aérodynamique est positionné à l'arrière du centre de gravité entre 0,2 et 1 calibre 7. Projectile selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte des secondes ailettes déployables (15) disposées à l'avant 16 du projectile, l'axe longitudinal desdites secondes ailettes faisant avec l'axe longitudinal du projectile un angle f3 différent de 0 degré. 8. Projectile selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'axe longitudinal (Y') desdites secondes ailettes (15) fait avec l'axe longitudinal (X') du projectile un angle 3 apte à générer une vitesse de rotation w du projectile identique à celle générée par les premières ailettes. 9. Projectile selon l'une quelconque des revendications 7 et 8, caractérisé en ce que ledit angle R est compris entre 2 et 10 degrés. 10. Projectile selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, comportant des moyens (5) électroniques de contrôle commande et caractérisé en ce que ces moyens comportent une horloge apte à contrôler la durée de déploiement des ailettes. 11. Procédé de pilotage d'un projectile selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 et comportant une vitesse linéaire V, une vitesse de rotation w non nulle ainsi qu'un mouvement de précession selon une première direction, à savoir droite ou gauche, caractérisé en ce qu'il comporte une étape consistant, en vol, à déployer des premières ailettes disposées vers l'arrière du projectile et de sorte que l'axe longitudinal (X ; X') desdites ailettes fassent avec l'axe longitudinal du projectile un angle a différent de 0 degré, cet angle a de braquage étant apte à maintenir ladite vitesse de rotation du projectile, lesdites ailettes étant aptes à inverser la direction dudit mouvement de précession. 12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une étape supplémentaire consistant, en vol, à partir d'une position initiale dans laquelle les premières ailettes sont déployées, à rentrer, au moins en partie lesdites premières ailettes à l'intérieur du projectile, cette rétractation des ailettes étant aptes à inverser la direction dudit mouvement de précession par rapport à celle correspondant à la position initiale. 13. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une étape supplémentaire consistant, en vol, à partir d'une position initiale dans laquelle les premières ailettes sont déployées, à déployer des secondes ailettes disposées vers l'avant (16) du projectile et dont l'axe longitudinal (X') fait avec l'axe longitudinal du projectile un angle a différent de 0 degré, cet angle f3 de braquage étant apte à maintenir ladite vitesse de rotation du projectile, le déploiement desdites secondes ailettes étant apte à inverser la direction dudit mouvement de précession. 14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une étape supplémentaire consistant, en vol, à partir d'une position initiale dans laquelle les premières et secondes ailettes sont déployées, à rentrer, au moins en partie lesdites secondes ailettes à l'intérieur du projectile, cette rétractationdesdites secondes ailettes étant aptes à inverser la direction dudit mouvement de précession par rapport à celle correspondant à la position initiale.