Brevet FR2952034A1 — publié le 20110506

La présente invention concerne un engin volant, qui est muni d'un système propulsif comprenant au moins un moteur pourvu d'une tuyère orientable. Dans le cadre de la présente invention, ledit engin volant peut notamment être : - un véhicule aérien tel qu'un avion ; ou - un véhicule spatial tel qu'une fusée par exemple. On sait que pour maintenir en vol un véhicule (spatial ou aérien) dans un état stabilisé, il convient : - d'équilibrer le véhicule avec l'incidence et le dérapage souhaités ; - dans le cas d'un véhicule instable, de le rendre stable à cette valeur d'incidence ou de dérapage ; et - de rejeter les perturbations (en particulier éviter des mouvements trop importants du véhicule face à une perturbation telle qu'un vent violent par exemple). L'équilibrage du véhicule, peut être obtenu : - par action sur la position du foyer aérodynamique (braquage statique de surfaces aérodynamiques pour un avion) ; et/ou - par orientation de la force de propulsion (braquage statique d'une tuyère pour un lanceur ou action sur la poussée vectorielle pour un avion) ; et/ou - par action sur la position du centre de gravité (positionnement statique d'une masse mobile qui peut être le kérosène pour un avion). Quant à la stabilisation et au rejet de perturbations, ils peuvent être obtenus de la même façon, mais à condition que les actions ne soient plus statiques mais dynamiques avec une bande passante suffisante. On peut également utiliser des jets de gaz (système à réaction de commande d'assiette de type « RCS » pour « Reaction Control System » en anglais), des roues de réaction ou des gyroscopes de type « CMG » (« Control Momentum Gyros » en anglais). La présente invention a pour objet de fournir des moyens, de masse réduite et facilement aménageables, qui permettent de stabiliser en vol un engin volant de type spatial ou aérien. On entend par stabiliser un engin volant le fait de le rendre stable (à une valeur particulière d'incidence ou de dérapage) s'il est instable et/ou de rejeter des perturbations telles que précisées ci-dessous. La présente invention concerne plus particulièrement un engin volant, à savoir un véhicule spatial ou un véhicule aérien, qui est muni d'un système propulsif comprenant au moins un moteur pourvu d'une tuyère mobile, ainsi que des premiers moyens de commande aptes à déplacer (statiquement) ladite tuyère, lors d'une propulsion, dans le but d'orienter la force propulsive engendrée par le moteur. Selon l'invention, ledit engin volant est remarquable en ce qu'il comporte, de plus, des seconds moyens de commande qui sont activables en l'absence de propulsion générée par le moteur et qui sont aptes à déplacer (dynamiquement) ladite tuyère, en l'absence de propulsion, pour engendrer des forces inertielles destinées à stabiliser ledit engin volant. Ainsi, grâce à l'invention, on commande la mobilité de la tuyère (en la soumettant à une accélération), en l'absence d'éjection de gaz par cette tuyère, pour engendrer des forces inertielles qui agissent sur l'engin volant. De plus, on réalise la commande de manière à obtenir des forces inertielles permettant de stabiliser ledit engin volant, c'est-à-dire soit de le rendre stable s'il est instable, soit d'amortir des perturbations telles que des oscillations d'incidence ou de roulis hollandais par exemple. Comme l'invention est installée sur un engin volant dont la tuyère est déjà mobile (dans le but d'orienter la force propulsive engendrée par le moteur lors d'une propulsion), l'agencement de l'invention est facilité et entraîne tout au plus une augmentation réduite de masse. De façon avantageuse, lesdits seconds moyens de commande comportent : - des moyens pour engendrer des consignes d'accélération ; et - au moins un actionneur qui reçoit lesdites consignes d'accélération et qui déplace ladite tuyère en fonction de ces consignes d'accélération reçues. De préférence, lesdits seconds moyens de commande comportent deux actionneurs qui agissent selon deux axes différents, notamment orthogonaux. Dans un mode de réalisation préféré, lesdits premiers et seconds 1 o moyens de commande comprennent le ou les mêmes actionneurs, ce qui facilite la mise en place de la présente invention et n'entraîne pas d'augmentation de masse, puisqu'aucun dispositif mécanique spécifique n'est nécessaire. La présente invention peut être appliquée à tout type d'engin volant 15 muni d'un système propulsif comprenant au moins un moteur pourvu d'une tuyère orientable. Elle est, toutefois, plus particulièrement adaptée aux véhicules dont le domaine de vol présente des phases à faible pression dynamique, pendant lesquelles le contrôle par surfaces aérodynamiques est impossible. 20 La présente invention présente ainsi de nombreux avantages : - un coût pratiquement nul, car elle utilise de préférence des moyens existant déjà sur l'engin volant ; - pour la même raison, une masse et un encombrement négligeables, le seul besoin étant une augmentation de l'énergie de la source de puissance 25 (électrique ou hydraulique) ; - une linéarité du moment généré ; et - une suppression de dispositifs usuels complexes, comme des systèmes à réception de commande d'assiette de type RCS. Les figures du dessin annexé feront bien comprendre comment 30 l'invention peut être réalisée. Sur ces figures, des références identiques désignent des éléments semblables. La figure 1 montre schématiquement une tuyère d'un engin volant, munie de moyens permettant de commander son orientation. La figure 2 est le schéma synoptique de moyens utilisés conformément à l'invention pour commander l'orientation d'une tuyère. La présente invention s'applique à un engin volant, spatial ou aérien, que l'on veut stabiliser. Cet engin volant est muni d'un système propulsif 2 comprenant au moins un moteur (non représenté) pourvu d'une tuyère 1 qui est orientable. Plus précisément, comme représenté sur la figure 1, cette tuyère 1 peut tourner autour d'axes qui sont orthogonaux à un axe longitudinal 1 o L, qui est l'axe longitudinal LO de la tuyère 1 en position neutre et qui peut correspondre à l'axe longitudinal de l'engin volant si ce dernier est pourvu d'une seule tuyère agencée longitudinalement. Sur la figure 1, on a représenté une tuyère 1 qui est apte à tourner autour d'un cardan 11 usuel dans toutes les directions. Cette tuyère 1 est 15 commandée par un système d'actionnement 3 muni d'actionneurs 4 et 5 usuels. Dans un mode de réalisation préféré, ce système d'actionnement 3 comporte, comme représenté sur la figure 2, deux actionneurs 4 et 5 qui agissent selon deux axes différents, décalés de préférence de 90°. Comme montré sur la figure 1, la tuyère 1 et l'actionneur 4 (qui est le 20 seul actionneur représenté sur cette figure 1) sont pourvus de moyens de liaison 6, 7, 8, 9 et 10 usuels, mettant en oeuvre des fonctions d'amortissement et de liaison élastique. L'actionneur 4 permet de faire tourner la tuyère 1 d'un angle I par rapport à la position neutre. Ces actionneurs 4 et 5 sont commandés par un système de 25 commande 12 qui comporte, notamment, des moyens 13 pour engendrer des ordres de déplacement de la tuyère 1 lorsque le moteur génère un flux qui est éjecté par ladite tuyère 1, c'est-à-dire en mode de propulsion. Dans ce cas, la rotation de la tuyère 1 est utilisée pour orienter la force propulsive. La composante transverse de la poussée permet le pilotage 30 de l'engin volant. Lesdits moyens 13 engendrent et transmettent des consignes de position aux actionneurs 4 et 5, via une liaison électrique 14, pour orienter la poussée et donc sa composante transverse dans une direction donnée. Selon l'invention, ledit système de commande 12 comporte, de plus, des moyens 15 aptes à engendrer des consignes d'accélération qui sont transmises aux actionneurs 4 et 5 par l'intermédiaire d'une liaison électrique 16, afin d'agir sur la tuyère 1 (comme illustré par des flèches 17 et 18 en traits mixtes sur la figure 2), pour la déplacer en rotation. Lesdits moyens 15 sont uniquement activables en l'absence de propulsion (c'est-à-dire en l'absence d'éjection de gaz par la tuyère 1), et sont 1 o formés de manière à engendrer une accélération en rotation de la tuyère 1 qui génère un effort dans le plan perpendiculaire à l'axe moteur (axe longitudinal L), dans une direction orthogonale à l'axe de rotation de la tuyère 1, par exemple dans la direction T pour une rotation engendrée par l'actionneur 4 de la figure 1. 15 Ainsi, la présente invention permet de commander la mobilité de la tuyère 1 (en la soumettant à une accélération), en l'absence d'éjection de gaz par cette tuyère 1, pour engendrer des forces inertielles qui agissent sur l'engin volant (spatial ou aérien). De plus, cette commande est réalisée de manière à obtenir des forces inertielles permettant de stabiliser ledit engin 20 volant, c'est-à-dire de le rendre stable s'il est instable, et/ou d'amortir des perturbations telles que des oscillations d'incidence ou de roulis hollandais. Comme la présente invention est installée sur un engin volant dont la tuyère 1 est déjà orientable (dans le but d'orienter la force propulsive engendrée par le moteur lors d'une propulsion), son agencement est facilité et 25 entraîne, tout au plus, une augmentation réduite de masse. Par ailleurs, ledit système de commande 12 peut être notamment : - un système qui calcule automatiquement les consignes en fonction de paramètres mesurés, calculés et/ou reçus ; ou - des moyens d'actionnement ou d'entrée de données qui permettent, dans le 30 cas d'un engin volant habité, à un pilote d'entrer lesdites consignes qui sont ensuite transmises aux actionneurs 4 et 5 ; ou - des moyens de réception de données qui reçoivent des consignes d'un poste de contrôle non embarqué. A titre d'illustration, la présente invention peut être appliquée à un engin volant représentant un véhicule spatial qui effectue un vol suborbital et réalise sa phase ascensionnelle avec un moteur fusée, dont la tuyère 1 est pilotée par deux actionneurs 4 et 5. Si dans la phase de descente, moteur éteint, on souhaite contrôler les oscillations d'incidence et de roulis hollandais (ou de toute direction commandable), on peut utiliser l'accélération de la tuyère 1, conformément à la présente invention. La tuyère 1 soumise à une 1 o accélération RO exerce une force F transverse au niveau du cardan du moteur, qui vérifie l'expression : F=M.aO. R0, avec M la masse de la tuyère 1, et aO la distance entre le centre de rotation et le centre de gravité de la tuyère 1. Le moment résultant M est le produit de cette force F par le bras de 15 levier BdL (distance entre le cardan du moteur et le centre de gravité du véhicule spatial). En prenant les valeurs numériques suivantes : - M=800 kg ; - aO=0,86 m ; 20 - BdL=6 m ; et - R0=1,2 rad/sec2, ce qui correspond à une amplitude de 1,8° à 1 Hz, on obtient le moment M suivant : M=F.BdL=5000 Nm. Ce moment M peut être utilisé pour contrôler les oscillations dans toutes les 25 directions commandables. A l'inverse d'un système usuel de type RCS, il présente l'avantage de n'être affecté d'aucune non linéarité. Dans cette application, on obtient les avantages suivants : - pour amortir des oscillations à la fréquence de 1 Hz, la présente invention offre une efficacité en termes de moment crête, d'une tuyère de 500 N avec 30 un bras de levier de 10 m ; - dans les phases où la pression dynamique n'est pas suffisante pour assurer le contrôle avec des surfaces aérodynamiques, l'invention peut permettre de supprimer le système RCS ou de limiter le besoin en poussée ; - l'invention ne nécessite aucun matériel supplémentaire ; et - l'impulsion disponible dépend uniquement de l'énergie des batteries alimentant les actionneurs 4 et 5 de pilotage de la tuyère 1. REVENDICATIONS1. Engin volant muni d'un système propulsif (2) comprenant au moins un moteur pourvu d'une tuyère mobile (1) et des premiers moyens de commande (13, 4, 5) aptes à déplacer ladite tuyère (1), lors d'une propulsion, dans le but d'orienter la force propulsive engendrée par le moteur, caractérisé en ce qu'il comporte, de plus, des seconds moyens de commande (15, 4, 5) qui sont activables en l'absence de propulsion générée par le moteur et qui sont aptes à déplacer ladite tuyère (1), en l'absence de propulsion, pour engendrer des forces inertielles destinées à stabiliser ledit engin volant. 2. Engin volant selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits seconds moyens de commande comportent : - des moyens (15) pour engendrer des consignes d'accélération ; et - au moins un actionneur (4, 5) qui reçoit lesdites consignes d'accélération et qui déplace ladite tuyère (1) en fonction de ces consignes d'accélération reçues. 3. Engin volant selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que lesdits seconds moyens de commande comportent deux actionneurs (4, 5) qui agissent selon deux axes différents. 4. Engin volant selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que lesdits premiers et seconds moyens de commande comprennent les mêmes actionneurs (4, 5).