Brevet FR3056559A1 — publié le 20180330

DOMAINE TECHNIQUE GENERAL La présente invention concerne le domaine des lanceurs d'engins spatiaux, et plus précisément les moyens de guidage d'un tel lanceur. ETAT DE L'ART Afin d'assurer l'orientation des lanceurs d'engins spatiaux, la solution communément retenue est une implantation mobile des moteurs fusée, permettant ainsi de modifier l'orientation de la poussée au cours du vol. Ces systèmes usuels entraînent cependant des besoins structurels importants afin de permettre de modifier l'orientation des moteurs, et notamment la présence d'un cardan moteur, de vérins et de systèmes 15 associés de pilotage et de transmission des charges, ainsi que l'utilisation de lignes d'alimentation articulées. De plus, les différents composants et brides inter-composants doivent être dimensionnés de manière à être compatibles avec des torseurs dynamiques importants résultant des exigences de braquage à 20 respecter. Ces différentes exigences ont un impact considérable sur la conception des moteurs fusées, notamment en termes de coût et d'encombrement, qui sont des facteurs rédhibitoires dans ce domaine d'application. 25 Plusieurs systèmes connus font appel à des gouvernes positionnées dans le jet du moteur du lanceur, notamment dans le domaine des missiles balistiques. Les gouvernes ont alors un rôle de pilotage lors de la phase d'accélération du lanceur durant laquelle l'orientation ne peut pas être 30 réalisée au moyen de gouvernes aérodynamiques disposées sur la structure externe du lanceur, c'est-à-dire dans les couches supérieures de l'atmosphère.. 3056559 2 La présente invention vise ainsi à répondre au moins partiellement à ces problématiques. PRESENTATION DE L'INVENTION 5 A cet effet, la présente invention propose un lanceur d'engin spatial comprenant un corps principal comprenant un moteur et une pluralité de gouvernes pour l'orientation dudit lanceur, ledit moteur comprenant une tuyère définissant un jet dont l'amplitude 10 angulaire augmente avec l'altitude, caractérisé en ce que lesdites gouvernes sont disposées en aval de la tuyère, de sorte que - pour une altitude inférieure ou égale à une première valeur seuil, lesdites gouvernes sont hors du jet en sortie de tuyère, pour une altitude supérieure à la première valeur seuil, les gouvernes sont au moins partiellement dans le jet en sortie de tuyère. Selon un exemple, le moteur est monté fixe par rapport au corps principal (10) du lanceur (1). Les gouvernes sont typiquement montées mobiles en rotation par rapport au corps principal du lanceur. Le lanceur comprend alors typiquement quatre gouvernes réparties régulièrement autour de la tuyère, chacune des gouvernes étant montée mobile en rotation par rapport au corps principal du lanceur. Le lanceur comprend alors typiquement en outre une unité de commande, configurée de manière à piloter les gouvernes de manière à réguler l'inclinaison (c'est-à-dire le tangage, lacet) et/ou le roulis du 30 lanceur. 3056559 3 Selon un exemple, le lanceur comprend en outre au moins un propulseur d'appoint, configuré pour être séparé du corps principal du lanceur à une altitude de largage supérieure à la première valeur seuil. 5 PRESENTATION DES FIGURES D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des figures annexées, sur lesquelles : 10 Les figures 1 à 3 présentent schématiquement un lanceur selon un aspect de l'invention ; - Les figures 4 et 5 illustrent des exemples d'utilisation des gouvernes d'un tel lanceur. 15 Sur l'ensemble des figures, les éléments en commun sont repérés par des références numériques identiques. DESCRIPTION DETAILLEE 20 Les figures 1 à 3 présentent schématiquement un lanceur selon un aspect de l'invention. Ces trois figures représentent une même portion d'un lanceur d'engin spatial à différentes altitudes afin d'en illustrer l'évolution. 25 On représente sur ces figures un lanceur 1 d'engin spatial comprenant : - un corps principal 10 muni d'un moteur comprenant une tuyère 12, - deux propulseurs auxiliaires 20 disposés de part et d'autre du corps primaire 10, et chacun équipé d'un moteur muni d'une tuyère 22 et 30 adaptés pour être séparés du corps principal 10 après une phase de décollage. 3056559 4 Dans le lanceur 1 tel que représenté, le moteur et la tuyère 12 du corps primaire 10 sont montés fixes par rapport au corps principal 10. Afin de permettre de piloter l'orientation du lanceur une fois les propulseurs auxiliaires 20 séparés du corps principal 10, des gouvernes 5 30 sont montées mobiles en aval de la tuyère 12. Le corps principal 10 est ainsi typiquement équipé de plusieurs gouvernes 30, par exemple de 4 gouvernes décalées angulairement de 90° autour d'un axe longitudinal de la tuyère 12, ou de 3 gouvernes décalées angulairement de 120° autour d'un axe longitudinal de la 10 tuyère 12. Le positionnement et le fonctionnement de ces gouvernes 30 sera détaillé par la suite. 1 5 Les tuyères 22 des propulseurs auxiliaires 20 sont mobiles par rapport aux corps des propulseurs auxiliaires 20. C'est l'orientation de ces tuyères 22 qui permet le guidage du lanceur durant toute la phase du vol avant séparation des propulseurs auxiliaires 20. 20 On représente sur les figures 1 à 3 l'état du lanceur 1 en fonctionnement à différentes altitudes. La figure 1 représente schématiquement l'état du lanceur 1 lors du décollage, à une altitude peu élevée, par exemple proche du niveau de 25 la mer. La figure 2 représente schématiquement l'état du lanceur 1 lorsque ce dernier atteint une valeur seuil d'altitude, à laquelle les propulseurs auxiliaires 20 sont séparés du corps principal 10 du lanceur 1. L'éjection des propulseurs auxiliaires 20 est symbolisée par des flèches sur cette figure. La figure 3 représente schématiquement l'état du lanceur 1 au-delà de cette valeur seuil d'altitude, une fois les propulseurs auxiliaires 20 séparés du corps principal 10 du lanceur 1. 3056559 5 Comme on le représente sur ces figures, l'amplitude angulaire du jet en sortie des tuyères 12 et 22 augmente avec l'altitude. En effet, la diminution progressive de la pression atmosphérique lors de la montée 5 en altitude du lanceur 1 entraine un élargissement progressif puis une dispersion du jet en sortie des tuyères 12 et 22. On représente ainsi de manière indicative l'évolution de l'amplitude des jets sur les figures 1 à 3. L'amplitude des jets est représentée par des 10 traits s'étendant depuis les tuyères 12 et 22 et symbolisant l'amplitude maximale du jet à une altitude donnée. Les gouvernes 30 sont montées sur le corps principal 10 du lanceur 1 de manière à se trouver hors du jet lors du lancement (comme on le voit 1 5 par exemple sur la figure 1), et à se trouver au sein du jet à la valeur seuil d'altitude (comme on le voit par exemple sur la figure 2). Les gouvernes 30 demeurent par la suite au sein du jet, dans la mesure où l'amplitude du jet ne fait qu'augmenter avec l'altitude lors de l'ascension du lanceur 1 (comme on le voit par exemple sur la figure 3). 20 Plus précisément, les gouvernes 30 sont montées sur le corps principal 10 du lanceur 1 de sorte que : - Pour une altitude comprise entre l'altitude initiale (altitude de décollage) du lanceur 1 et une première valeur seuil d'altitude, les 25 gouvernes 30 sont entièrement hors du jet en sortie de la tuyère 12. - Pour une altitude supérieure ou égale à la première valeur seuil d'altitude, les gouvernes 30 sont au moins partiellement au sein du jet en sortie de la tuyère 12. 30 La valeur seuil d'altitude à laquelle les propulseurs auxiliaires 20 sont séparés du corps principal 10 du lanceur 1 est strictement supérieure à la première valeur seuil d'altitude par exemple comprise entre 40 et 100 km d'altitude. 3056559 6 Ainsi, lors du décollage, le lanceur 1 n'est pas piloté au moyen des gouvernes 30 dans la mesure où ces dernières sont hors du jet en sortie de la tuyère 12. 5 Ce pilotage par les gouvernes 30 est réalisable à partir de la première valeur seuil d'altitude, lorsque les gouvernes 30 se trouvent partiellement dans le jet en sortie de la tuyère 12. Une fois cette première valeur seuil d'altitude atteinte, le lanceur 1 peut 10 être piloté au moyen des gouvernes 30. Un tel pilotage n'est toutefois typiquement réalisé qu'une fois les propulseurs auxiliaires 20 séparés du corps principal 10 du lanceur 1, donc typiquement à partir de la valeur seuil d'altitude strictement supérieure à la première valeur seuil d'altitude. 15 La structure proposée permet donc d'éviter un impact négatif des gouvernes 30 sur l'effort de poussée lors du décollage du lanceur 1 et durant la quasi-totalité de la phase du vol au cours de laquelle les propulseurs auxiliaires fonctionnent, par exemple de l'ordre de 2 20 minutes dans le cas de lanceurs lourds, en les positionnant hors du jet en sortie de la tuyère 12 et en évitant donc de générer une traînée dégradant les performances du moteur du corps principal 10, tout en permettant un pilotage du lanceur 1 une fois une altitude prédéterminée donnée. 25 On comprend ainsi que la structure proposée répond aux problématiques mentionnées en introduction de la présente demande de brevet, en permettant l'utilisation d'un moteur fixe sur le corps principal 10 du lanceur 1, et en limitant ou annulant l'impact des gouvernes 30 30 sur la poussée lors d'une première phase du vol, dans les couches les plus denses de l'atmosphère. 3056559 7 Cette structure est adaptée aux lanceurs d'engins spatiaux du fait de leur fonctionnement spécifique impliquant une montée en altitude et donc une diminution progressive de la pression atmosphérique. Par ailleurs, on note que le principe même de cette structure est en 5 opposition directe avec les systèmes d'orientation connus utilisés notamment pour les missiles balistiques, dans lesquels on vise à réaliser un pilotage dès l'allumage. La structure proposée permet ainsi de simplifier et d'alléger la structure 10 du moteur du corps principal 10 du lanceur 1. Les gouvernes 30 sont pilotées au moyen d'actionneurs 14 tels que des vérins hydrauliques ou électriques. Le lanceur 1 comprend typiquement une unité de commande pilotant les gouvernes 30. 15 Les gouvernes 30 sont mobiles en rotation, typiquement selon un axe déterminée de manière à coïncider avec le centre de poussée du profil des gouvernes 30 (également appelé centre aérodynamique ou foyer du profil), ce qui permet ainsi de minimiser le moment de torsion repris par 20 l'axe du profil en raison de la poussée que le profil des gouvernes 30 génère. Les gouvernes 30 telles que présentées peuvent être implantées à différents étages d'un lanceur 1. 25 La description précédente fait référence à l'étage inférieur d'un lanceur 1, effectuant donc le décollage. Dans le cas où de telles gouvernes 30 sont implantées sur un étage supérieur d'un lanceur, le moteur de cet étage peut alors n'être actionné qu'au-dessus de la valeur seuil d'altitude, et les gouvernes 30 sont alors 30 effectives dès la mise en marche du moteur de l'étage considéré du lanceur, par exemple dans le vide. 3056559 8 Les figures 4 et 5 illustrent des exemples d'utilisation des gouvernes 30 d'un lanceur 1 tel que décrit précédemment. La figure 4 illustre schématiquement l'utilisation des gouvernes pour le 5 pilotage du lanceur 1. Deux gouvernes 30 disposées à 180° l'une de l'autre par rapport à un axe longitudinal du corps principal 10 du lanceur 1 sont alors entrainées en rotation dans un même sens, les mouvements des gouvernes 30 étant symbolisés par des flèches courbes sur cette figure. La poussée 10 générée par les gouvernes ainsi orientées est quant à elle représentée par des flèches droites. Dans le cas illustré figure 1, ces poussées s'ajoutent, provoquant une correction en lacet ou en tangage du lanceur 1. 15 La figure 5 illustre schématiquement l'utilisation des gouvernes pour la correction du roulis du lanceur 1. Deux gouvernes 30 disposées à 180° l'une de l'autre par rapport à un axe longitudinal du corps principal 10 du lanceur 1 sont alors entrainées en rotation dans des sens contraires, les mouvements des gouvernes 30 20 étant symbolisés par des flèches courbes sur cette figure. La possibilité de réaliser une correction du roulis au moyen de ces gouvernes est avantageuse à plusieurs titres. Cela permet notamment de s'affranchir des systèmes antiroulis habituellement présents dans les 25 différents étages d'un lanceur, et également de réaliser une mise en rotation d'un satellite porté par le lanceur avant sa séparation, ce qui est avantageux en termes de performances. 30 REVENDICATIONS1. Lanceur (1) d'engin spatial comprenant un corps principal comprenant un moteur et une pluralité de gouvernes (30) pour l'orientation dudit lanceur, ledit moteur comprenant une tuyère (12) définissant un jet dont l'amplitude angulaire augmente avec l'altitude, caractérisé en ce que lesdites gouvernes (30) sont disposées en aval de la tuyère (12), de sorte que - pour une altitude inférieure ou égale à une première valeur seuil, lesdites gouvernes (30) sont hors du jet en sortie de tuyère (12), - pour une altitude supérieure à la première valeur seuil, les gouvernes (30) sont au moins partiellement dans le jet en sortie de tuyère (12). 2. Lanceur (1) selon la revendication 1, dans lequel le moteur est monté fixe par rapport au corps principal (10) du lanceur (1). 3. Lanceur (1) selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel lesdites 20 gouvernes (30) sont montées mobiles en rotation par rapport au corps principal (10) du lanceur (1). 4. Lanceur (1) selon la revendication 3, comprenant quatre gouvernes (30) réparties régulièrement autour de la tuyère (12), chacune des 25 gouvernes (30) étant montée mobile en rotation par rapport au corps principal (10) du lanceur (1). 5. Lanceur (1) selon la revendication 4, comprenant en outre une unité de commande, configurée de manière à piloter les gouvernes (30) de 30 manière à réguler l'inclinaison et/ou le roulis du lanceur (1). 6. Lanceur (1) selon l'une des revendications 1 à 5, comprenant en outre au moins un propulseur d'appoint (20), configuré pour être séparé 3056559 10 du corps principal (10) du lanceur (1) à une altitude de largage supérieure à la première valeur seuil.