Brevet FR3001274A1 — publié le 20140725

DOMAINE DE L'INVENTION Le présent exposé concerne une vanne d'un circuit d'alimentation en un fluide à actionnement bi-mode et un procédé de commande d'une telle vanne, permettant d'assurer des variations de débit dans un circuit d'alimentation en fluide. Une telle vanne et un tel procédé peuvent être utilisés pour le contrôle de l'alimentation en carburant ou en ergol de tout type d'engin et notamment de moteurs-fusées. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE Dans un moteur-fusée, mais également d'autres types de moteurs connaissant des problématiques analogues (des turbomachines par exemple), les vannes du circuit carburant doivent répondre à des exigences antinomiques afin de satisfaire aux différents régimes de fonctionnement du moteur. D'une part, lors de régimes transitoires survenant notamment à l'allumage du moteur, ou lors de situations d'urgence, ces vannes doivent être capables de réagir très rapidement pour imposer de manière quasi-instantanée une variation importante du débit de carburant qui alimente le moteur, voire une interruption complète de la circulation de carburant ; d'autre part, en croisière, une fois le régime permanent instauré, ces vannes doivent être capable d'ajuster finement le débit de carburant pour maîtriser le point de fonctionnement et la consommation du moteur. Dans le premier cas, une dynamique de manoeuvre élevée est donc recherchée ; tandis que dans le deuxième cas, une dynamique de manoeuvre plus faible et plus précise sera préférée. Parmi les actionneurs connus, les actionneurs pneumatiques permettent des manoeuvres très rapides, y compris pour vannes de fort diamètre, mais ces dernières sont peu précises et difficilement contrôlables. A l'inverse, les actionneurs électriques conventionnels sont faciles à asservir et offrent donc une bonne précision de manoeuvre mais, à faible puissance, ils souffrent d'une vitesse réduite qui ralentit d'autant plus la manoeuvre que la taille de la vanne est importante. Une montée en puissance est certes aujourd'hui possible pour de tels actionneurs électriques en utilisant une électronique de puissance susceptible d'assurer un pilotage en position de l'actionneur à haute fréquence. Cependant, outre le coût très élevé de l'électronique de puissance, la masse associée à cette dernière rend à ce jour son utilisation inconcevable à l'échelle industrielle pour des produits embarqués. Il existe donc un réel besoin pour une vanne dépourvue, au moins en partie, des inconvénients inhérents aux dispositifs connus précités, qui permette d'assurer des variations de débit dans un circuit d'alimentation en carburant, aussi bien rapides et importantes que précises avec de faibles niveaux de puissance électrique. PRESENTATION DE L'INVENTION Le présent exposé concerne une vanne d'un circuit d'alimentation en un fluide à actionnement bi-mode, ladite vanne comprenant un obturateur et un système d'actionnement bi-mode, dans laquelle ledit système d'actionnement bi-mode comprend un premier actionneur, un deuxième actionneur, plus lent et plus précis que le premier actionneur, et un organe de transmission ayant au moins deux degrés de liberté et comportant une première portion d'entrée, accouplée au premier actionneur, une deuxième portion d'entrée, accouplée au deuxième actionneur, et une portion de sortie, accouplée aux première et deuxième portions d'entrée et à l'obturateur, de sorte que l'obturateur est commandé par le premier actionneur et/ou le deuxième actionneur. Dans cet exposé, on entend par « vanne » l'ensemble constitué par le dispositif d'obturation, incluant l'obturateur, monté sur ou s'interposant dans le circuit d'alimentation en carburant, et son dispositif d'actionnement : il peut s'agir d'une vanne papillon, à boisseau sphérique, à boisseau conique ou encore tout autre type de vanne dont l'obturateur est commandable. En outre, on entend par « organe de transmission ayant au moins deux degrés de liberté » un organe de transmission qui associe au moins trois parties mobiles dont les vitesses de déplacement sont reliées par une seule relation mathématique. Par exemple, dans le cas d'un organe de transmission à deux degrés de liberté, il faut fixer les vitesses de deux des parties mobiles pour connaître celle de la troisième. Grâce à une telle configuration, il est possible d'entraîner l'obturateur à l'aide du premier ou du deuxième actionneur et donc de bénéficier des propriétés avantageuses de chacun de ces actionneurs en fonction du type de commande exercée. Plus particulièrement, lorsque l'engin alimenté par le circuit d'alimentation en carburant est dans son régime de croisière, il est possible de régler finement le débit carburant en commandant précisément le déplacement de l'obturateur à l'aide du deuxième actionneur qui bénéficie d'une meilleure précision ; dans une telle situation, sa relative lenteur n'est pas préjudiciable en raison de la faible amplitude des déplacements réalisés et des faibles contraintes en temps imposées. On obtient ainsi une maîtrise précise du point de fonctionnement de l'engin ce qui améliore sa performance et réduit sa consommation. En outre, la puissance requise pour l'actionnement de l'obturateur est limitée et l'impact d'une défaillance de l'actionneur est réduit. En revanche, à l'allumage de l'engin, lors d'un changement de régime ou encore lors d'une situation d'urgence nécessitant un arrêt de secours de l'engin, il est possible d'entraîner rapidement l'obturateur afin de faire varier brusquement le débit carburant vers le niveau exigé par la situation à l'aide du premier actionneur qui procure une grande vitesse de manoeuvre ; dans une telle situation, la faible maîtrise de son profil de manoeuvre n'est pas préjudiciable en raison des faibles durées mises en jeu et, le plus souvent, du caractère tout ou rien des débit demandés (débit nul ou débit maximal), le premier actionneur opérant alors en butée. On obtient ainsi une maîtrise réactive des régimes transitoires de l'engin. Dans certains modes de réalisation, ledit circuit d'alimentation en un fluide est un circuit d'alimentation en carburant ou plus généralement en ergol. Dans certains modes de réalisation, l'organe de transmission possède exactement deux degrés de liberté. Dans certains modes de réalisation, la vanne est dépourvue d'embrayage, l'organe de transmission étant en permanence accouplé au premier actionneur, au deuxième actionneur et à l'obturateur. Dans certains modes de réalisation, l'organe de transmission présente un rapport de transmission inférieur à 1 entre la deuxième portion d'entrée et la portion de sortie. L'organe de transmission se comporte ainsi en réducteur pour le deuxième actionneur ce qui améliore encore plus la précision des déplacements de l'obturateur commandés par le deuxième actionneur et diminue d'autant la puissance nécessaire à sa commande. Dès lors, le deuxième actionneur peut être dépourvu d'un réducteur particulier ce qui réduit l'encombrement et le coût de l'ensemble. Dans certains modes de réalisation, l'organe de transmission est un différentiel. Dans certains modes de réalisation, l'organe de transmission est un train épicycloïdal muni d'une couronne extérieure, d'un planétaire central, et d'au moins un satellite circulant entre le planétaire et la couronne. Dans certains modes de réalisation, ladite couronne extérieure constitue la première portion d'entrée, ledit planétaire central constitue la deuxième portion d'entrée, et la portion de sortie est constituée par un arbre accouplé audit au moins un satellite. Cette configuration des première et deuxième portions d'entrée et de la portion de sortie n'est toutefois pas la seule possible. Dans d'autres modes de réalisation, l'organe de transmission est un démultiplicateur harmonique, également communément appelé « harmonic drive® » muni d'une couronne extérieure, d'un planétaire central générateur d'onde, et d'un satellite flexible tournant entre le planétaire et la couronne. Dans certains modes de réalisation, ladite couronne extérieure constitue la première portion d'entrée, ledit planétaire central générateur d'onde constitue la deuxième portion d'entrée, et la portion de sortie est constituée par un arbre accouplé audit satellite. Cette configuration des première et deuxième portions d'entrée et de la portion de sortie n'est toutefois pas la seule possible. Dans certains modes de réalisation, le premier actionneur et le deuxième actionneur utilisent des énergies différentes. Dans certains modes de réalisation, le premier actionneur est un actionneur pneumatique. Un tel actionneur pneumatique bénéficie d'une grande capacité énergétique permettant des manoeuvres rapides, y compris de grosses vannes. Dans certains modes de réalisation, le premier actionneur est 25 accouplé à la première portion d'entrée par l'intermédiaire d'une crémaillère. Une telle configuration autorise une course importante de l'obturateur tout en limitant l'encombrement du système d'actionnement. Dans d'autres modes de réalisation, le premier actionneur est accouplé à la première section d'entrée par l'intermédiaire d'une 30 manivelle. Dans d'autres modes de réalisation encore, le premier actionneur est un actionneur pneumatique rotatif, à palette par exemple, accouplé directement à la première section d'entrée. Dans certains modes de réalisation, la portion de sortie bénéficie d'une course supérieure à 180°, de préférence supérieure à 250°. Dans certains modes de réalisation, le deuxième actionneur est un actionneur électrique. Un tel actionneur électrique est facilement contrôlable et asservissable ce qui lui offre une forte précision. Dans certains modes de réalisation, cet actionneur électrique est du type moteur à balais. Dans d'autres modes de réalisation, cet actionneur électrique est du type moteur sans balais. Dans certains modes de réalisation, les premier et deuxième actionneurs sont configurés pour maintenir leur position stable lorsqu'ils sont inactifs. De cette manière, un actionneur, lorsqu'il est actif, n'entraîne que l'obturateur et n'entraîne pas l'actionneur inactif : on évite ainsi de perdre une partie du mouvement dans un déplacement de l'actionneur inactif. En outre, la position de l'actionneur inactif est conservée et reste donc connue ce qui assure une meilleure robustesse du système de pilotage. Dans certains modes de réalisation, l'organe de transmission est monté sur le deuxième actionneur. Outre l'encombrement réduit offert par cette configuration, le système d'actionnement peut se comporter en module amovible susceptible de se substituer à un actionneur préexistant sans devoir intervenir sur le circuit d'alimentation en carburant ou reconfigurer l'engin. En outre, un tel système d'actionnement est ainsi plus accessible, ce qui offre une plus grande liberté d'intervention et permet notamment une meilleure maintenance. De plus le déport de l'organe de transmission des circuits en carburants permet d'envisager plus de latitude quant à la lubrification des systèmes d'actionnement. Le présent exposé concerne également un moteur-fusée comprenant une vanne selon l'un des modes de réalisation ci-dessus. Le présent exposé concerne également un procédé de commande d'une vanne d'un circuit d'alimentation en un fluide équipée d'un obturateur, dans lequel on fournit un premier actionneur et un deuxième actionneur, ledit deuxième actionneur étant plus lent et plus précis que le premier actionneur, on accouple l'obturateur au premier actionneur, d'une part, et au deuxième actionneur, d'autre part, par l'intermédiaire d'un organe de transmission ayant au moins deux degrés de liberté, et on utilise le premier actionneur pour commander un déplacement rapide et étendu de l'obturateur de manière à imposer une brusque et importante variation de débit dans le circuit de carburant, tandis que l'on utilise le deuxième actionneur pour commander un déplacement précis de l'obturateur de manière à ajuster finement le débit dans le circuit de carburant. Un tel procédé de commande permet de bénéficier des différents avantages décrits ci-dessus en relation avec la vanne à actionnement bimode. Il va de soi que ce procédé peut s'appliquer à n'importe lequel des modes de réalisation de cette vanne. Les caractéristiques et avantages précités, ainsi que d'autres, apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit, d'exemples de réalisation de la vanne et du procédé proposés. Cette description détaillée fait référence aux dessins annexés. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS Les dessins annexés sont schématiques et visent avant tout à illustrer les principes de l'invention. Sur ces dessins, d'une figure (FIG) à l'autre, des éléments (ou parties d'élément) identiques sont repérés par les mêmes signes de référence. En outre, des éléments (ou parties d'élément) appartenant à des exemples de réalisation différents mais ayant une fonction analogue sont repérés sur les figures par des références numériques incrémentées de 100, 200, etc. La FIG 1 est une vue générale écorchée d'un premier exemple de vanne selon l'invention. La FIG 2 est une vue en perspective et partiellement en coupe de l'organe de transmission du premier exemple de vanne. La FIG 3 est une vue analogue à la FIG 2 dans laquelle certaines pièces ont été masquées. La FIG 4 est une vue éclatée de l'organe de transmission de la FIG 2 selon une perspective ascendante. La FIG 5 est une vue partielle et en plan de l'organe de transmission d'un deuxième exemple de vanne. DESCRIPTION DETAILLEE D'EXEMPLES DE REALISATION Afin de rendre plus concrète l'invention, des exemples de vannes sont décrits en détail ci-après, en référence aux dessins annexés. Il est rappelé que l'invention ne se limite pas à ces exemples. La FIG 1 représente en perspective un premier exemple de réalisation d'une vanne 1 selon le présent exposé. Cette vanne 1 équipe une canalisation 9 d'un circuit d'alimentation en carburant d'un moteur fusée : elle comprend un dispositif d'obturation 2, ici de type papillon, et un dispositif d'actionnement 3. Le dispositif d'obturation 2 comprend un disque obturateur 10 disposé au sein de la canalisation 9 afin de s'interposer dans la circulation du carburant, son diamètre étant sensiblement égal au diamètre intérieur de la canalisation 9. Le disque obturateur est solidaire d'un arbre 11 s'échappant hors de la canalisation 9 et auquel est connecté le dispositif d'actionnement 3. Le dispositif d'actionnement 3 peut ainsi entraîner en rotation le disque obturateur 10 de manière à faire varier la section de passage du carburant au niveau du dispositif d'obturation 2 et donc de régler son débit. En particulier, le dispositif d'actionnement 3 peut orienter le disque obturateur 10 orthogonalement à la direction de la canalisation 9 de manière à interrompre complètement la circulation de carburant dans la canalisation 9. Le dispositif d'actionnement 3 comprend un premier actionneur 20, de type pneumatique, comportant un cylindre 21 et un piston 22, définissant ainsi une chambre 23, ainsi qu'un orifice d'admission 24 pratiqué dans la paroi extrémale du cylindre 21. Cet actionneur pneumatique 20 peut être commandé et manoeuvré très rapidement en injectant un fluide sous pression dans la chambre 23 par l'orifice d'admission 24 ou, à l'inverse, en réduisant la pression dans la chambre 23. De grands déplacements du piston 22 peuvent donc être obtenus très promptement. Le dispositif d'actionnement 3 comprend également un deuxième actionneur 30, de type électrique, muni d'un arbre de sortie 31. Ce deuxième actionneur 30 est plus précisément un moteur à balais asservi ; il bénéficie par construction d'un fort rapport de réduction qui rend, dans cet exemple de réalisation, l'usage d'un réducteur complémentaire superflu. Grâce à son asservissement et à son fort rapport de réduction, cet actionneur électrique 30 peut être commandé très précisément : des déplacements angulaires très fins de l'arbre de sortie 31 peuvent donc être obtenus très précisément. Le dispositif d'actionnement 3 comprend en outre un organe de transmission 40 monté sur l'actionneur électrique 30 et prenant la forme d'un train épicycloïdal muni d'une couronne extérieure 41, d'un planétaire central 42, et de trois satellites 43 portés par un porte-satellite 44. Ce train épicycloïdal 40 est mieux visible sur les FIG 2, 3 et 4. Ce train épicycloïdal 40 est de nature et de fonctionnement connu : il ne sera donc pas décrit intégralement en détail. Pour la compréhension du présent exemple de réalisation, il suffit de connaître les points suivants. Le planétaire central 42 est solidaire d'un arbre 42a, définissant l'axe principal A du train épicycloïdal 40, qui est accouplé à l'arbre de sortie 31 de l'actionneur électrique 30. La couronne extérieure 41, dont l'axe principal est également l'axe A, possède une denture extérieure 41a qui engrène sur la denture 25a d'une crémaillère 25 disposée tangentiellement à la couronne extérieure 41 et dans le prolongement de la tige 22a du piston 22 de l'actionneur pneumatique, la crémaillère 25 étant accouplée avec cette tige 22a de manière à être entrainée par l'actionneur pneumatique 20. Le porte-satellite 44 est solidaire d'un arbre 44a, dont l'axe principal est également l'axe A, qui est accouplé à l'arbre 11 de l'obturateur 10. Dès lors, l'actionneur pneumatique 20, l'actionneur électrique 30, et l'obturateur 10 sont accouplés les uns avec les autres par l'intermédiaire, respectivement, de la couronne extérieure 41, du planétaire central 42, et du porte-satellites 44 du train épicycloïdal 40. Ainsi, l'obturateur 10 peut être actionné aussi bien par l'actionneur pneumatique 20 que l'actionneur électrique 30 en fonction de la situation. En régime transitoire, ou en situation d'urgence lorsqu'un arrêt de secours doit être entrepris, la situation exige un pilotage rapide et réactif de la vanne 1 : l'utilisation de l'actionneur pneumatique 20 est alors préférée. En modifiant la pression dans la chambre 23 de l'actionneur pneumatique 20, le piston 22 est déplacé promptement ce qui entraîne la crémaillère 25 et donc la couronne extérieure 41 de l'organe de transmission. Dans ces circonstances, compte tenu de la nature de l'actionneur électrique 30, on peut considérer que la position de ce dernier, et donc du planétaire central 42, reste stable : dès lors, la couronne extérieure 41 n'entraîne que les satellites 43, ce qui aboutit à la rotation du porte-satellites 44 et donc de l'obturateur 10. Dans cet exemple de réalisation, une crémaillère 25 est utilisée : cela autorise en particulier de longues courses sur la couronne extérieure 41 et donc une grande amplitude angulaire de l'obturateur. Dans le cadre d'une vanne à boisseau par exemple, une telle course peut atteindre une amplitude angulaire de 255°, voire même 270°. Toutefois, d'autres mécanismes peuvent être utilisés pour accoupler la couronne extérieure 41 avec l'actionneur pneumatique 20 (par exemple une manivelle). Comme cela est illustré dans la FIG 1, l'actionneur pneumatique 20 peut comprendre un deuxième cylindre 21' muni d'un deuxième piston 22' accouplé à l'extrémité de la crémaillère 25 opposée à celle déjà accouplée au premier piston 22, ce deuxième cylindre 21' fonctionnant alors en opposition par rapport au premier cylindre 21. Dans une telle configuration, il est possible à l'aide d'un dispositif de pompage réversible (non représenté) de transférer du fluide pneumatique de la chambre 23 du premier cylindre 21 vers la chambre 23' du deuxième cylindre 23 pour actionner simultanément et dans le même sens la crémaillère 25 par ses deux extrémités. En régime permanent, la maîtrise du point de fonctionnement du moteur exige un pilotage fin et précis de la vanne 1 : l'utilisation de l'actionneur électrique 30 est alors préférée. La rotation de l'arbre de sortie 31 entraîne solidairement celle du planétaire central 42. Dans ces circonstances, compte tenu de la résistance du fluide pneumatique maintenu dans les chambres 23, 23' de l'actionneur pneumatique 20, on peut considérer que la position de la crémaillère 25, et donc de la couronne extérieure 41, reste stable : dès lors, le planétaire central 42 n'entraîne que les satellites 43, ce qui aboutit à la rotation du porte-satellites 44 et donc de l'obturateur 10. De plus, grâce à la configuration du train épicycloïdal 40, la transmission du couple de l'actionneur électrique 30 à l'obturateur se fait avec un rapport de réduction important ce qui augmente encore la précision du déplacement de l'obturateur 10. La FIG 5 représente l'organe de transmission 140 d'un deuxième exemple de réalisation d'une vanne selon le présent exposé. Ce deuxième exemple de réalisation est identique au premier exemple décrit ci-dessus si ce n'est que ce deuxième exemple de transmission 140 se substitue au train épicycloïdal 40 du premier exemple. Dans ce deuxième exemple, l'organe de transmission prend ainsi la forme d'un démultiplicateur harmonique 140, dispositif plus connu sous la terminologie « harmonic drive », comprenant une couronne extérieure 141, un planétaire central générateur d'onde 142 et un satellite flexible 143 disposé entre le planétaire 142 et la couronne 141. Ce démultiplicateur harmonique 140 est de nature et de fonctionnement connu : il ne sera donc pas décrit intégralement en détail. Pour la compréhension du présent exemple de réalisation, il suffit de connaître les points suivants. Le planétaire central 142 est accouplé à l'arbre de sortie 31 de l'actionneur électrique 30. La couronne extérieure 141 possède une denture extérieure 141a 20 qui engrène sur la denture 25a de la crémaillère 25 disposée tangentiellement à la couronne extérieure 141. Le satellite 143 est accouplé à l'arbre 11 de l'obturateur 10. Dès lors, l'actionneur pneumatique 20, l'actionneur électrique 30, et l'obturateur 10 sont accouplés les uns avec les autres par l'intermédiaire, 25 respectivement, de la couronne extérieure 141, du planétaire central 142, et du satellite 143 du démultiplicateur harmonique 140. Les modes ou exemples de réalisation décrits dans le présent exposé sont donnés à titre illustratif et non limitatif, une personne du métier pouvant facilement, au vu de cet exposé, modifier ces modes ou exemples de réalisation, ou en envisager d'autres, tout en restant dans la portée de l'invention. De plus, les différentes caractéristiques de ces modes ou exemples de réalisation peuvent être utilisées seules ou être combinées entre elles. Lorsqu'elles sont combinées, ces caractéristiques peuvent l'être comme décrit ci-dessus ou différemment, l'invention ne se limitant pas aux combinaisons spécifiques décrites dans le présent exposé. En particulier, sauf précision contraire, une caractéristique décrite en relation avec un mode ou exemple de réalisation peut être appliquée de manière analogue à un autre mode ou exemple de réalisation. REVENDICATIONS1. Vanne d'un circuit d'alimentation en un fluide à actionnement bi-mode, ladite vanne (1) comprenant un obturateur (10) et un système d'actionnement bi-mode (3), dans laquelle ledit système d'actionnement bi-mode (3) comprend : un premier actionneur (20), un deuxième actionneur (30), plus lent et plus précis que le premier actionneur, et un organe de transmission (40) ayant au moins deux degrés de liberté et comportant une première portion d'entrée (41), accouplée au premier actionneur (20), une deuxième portion d'entrée (42), accouplée au deuxième actionneur (30), et une portion de sortie (43, 44), accouplée aux première et deuxième portions d'entrée (41, 42) et à l'obturateur (10), de sorte que l'obturateur (10) est commandé par le premier actionneur (20) et/ou le deuxième actionneur (30). 2. Vanne selon la revendication 1, dans laquelle l'organe de transmission (40) présente un rapport de transmission inférieur à 1 entre la deuxième portion d'entrée (42) et la portion de sortie (43, 44). 3. Vanne selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle l'organe de transmission est un train épicycloïdal (40) muni d'une couronne extérieure (41), constituant la première portion d'entrée, d'un planétaire central (42), constituant la deuxième portion d'entrée, et d'au moins un satellite (43) circulant entre le planétaire (42) et la couronne (41), la portion de sortie étant constituée par un arbre (44a) accouplé audit au moins un satellite (43). 4. Vanne selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle le premier actionneur est un actionneur pneumatique (20). 5. Vanne selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle le premier actionneur est accouplé à la première portion d'entrée par l'intermédiaire d'une crémaillère. 6. Vanne selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle le deuxième actionneur est un actionneur électrique (30). 7. Vanne selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle les premier et deuxième actionneurs (20, 30) sont configurés pour maintenir leur position stable lorsqu'ils sont inactifs. 8. Vanne selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans laquelle l'organe de transmission (40) est monté sur le deuxième actionneur (30). 9. Moteur-fusée comprenant une vanne (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8. 10. Procédé de commande d'une vanne d'un circuit d'alimentation en un fluide équipée d'un obturateur, dans lequel on fournit un premier actionneur (20) et un deuxième actionneur (30), ledit deuxième actionneur (30) étant plus lent et plus précis que le premier actionneur (20), on accouple l'obturateur (10) au premier actionneur (20), d'une part, et au deuxième actionneur (30), d'autre part, par l'intermédiaire d'un organe de transmission (40) ayant au moins deux degrés de liberté, eton utilise le premier actionneur (20) pour commander un déplacement rapide et étendu de l'obturateur (10) de manière à imposer une brusque et importante variation de débit dans le circuit de fluide (9), tandis que l'on utilise le deuxième actionneur (30) pour commander un déplacement précis de l'obturateur (10) de manière à ajuster finement le débit dans le circuit de fluide (9).10