EP0316216B1 - Dispositif de stabilisation gyroscopique pour un organe de manoeuvre de projectile - Google Patents
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F42—AMMUNITION; BLASTING
- F42B—EXPLOSIVE CHARGES, e.g. FOR BLASTING, FIREWORKS, AMMUNITION
- F42B10/00—Means for influencing, e.g. improving, the aerodynamic properties of projectiles or missiles; Arrangements on projectiles or missiles for stabilising, steering, range-reducing, range-increasing or fall-retarding
- F42B10/60—Steering arrangements
Definitions
- the present invention relates to a gyroscopic stabilization device used to maintain an axial reference for a member for operating a projectile, intended to modify the trajectory of the latter. It relates more particularly to such a device mounted in a rocket.
- a rocket launch from an airplane or a helicopter, takes place at a great distance from the objective.
- the aircraft uses an initial point as a reference point and, therefore, its position relative to the objective is well determined.
- This firing mode is practiced with smooth bombs. It allows the plane to carry out a resource in front of the objective, where it is sheltered from enemy defenses.
- a classic rocket arrives at the ground at a very small angle of incidence relative to the horizontal. Under these conditions, the sensitivity regarding the point of impact is very poor. Therefore, the shot is imprecise.
- the solution to improve the accuracy of the firing consists in bending the end of trajectory of the rocket, so that it arrives towards the objective with a significant angle of incidence.
- a lateral force is therefore applied to the rocket, said force being obtained by means of an operating member.
- the latter can be a lateral impeller or an aerodynamic control surface.
- One solution would be to use a gyroscope providing information to a servo which, in response, would position the operating member in the right plan.
- the rocket should then take away the entire servo mechanism, as well as a source of energy to power it.
- a device of this kind is described in patent FR-A-2,418,922. It is characterized in that the gyroscope has a double servo loop intended to maintain the proper axis of rotation of the gyroscope in a reference plane and an armature of the rotating part in a horizontal plane.
- Such a device is complex and expensive and is preferably reserved for more sophisticated machines, the trajectories of which must be longer and the destinations even more precise.
- the vertical reference is a sensor 11 consisting of a block of dense material connected by wire at the two ends of a diameter of a part of the projectile, free in roll relative to the rest of the projectile.
- the roll position of the projectile is identified with respect to the position of the free section in roll by electromagnetic magnetic, photosensitive, radio-sensitive optical sensors, etc.
- the function of the free roll section is to ensure, in coordination with the counterweight 11, the vertical reference, the function of the sensors is to know with respect to this vertical the angular roll position of the rest of the projectile.
- An object of the present invention is to provide a device of the gyroscopic type for keeping said operating member in the right plane, which is simple and specially adapted to devices, such as rockets, whose path and, therefore, duration of the latter, are relatively short.
- the gyroscopic stability is used directly, that is to say that there is a rigid mechanical connection between the gyroscope and the operating member.
- Said device is formed by a free section in rotation about itself relative to the projectile, an internal frame coupled along one of its median axes to said section, and free in rotation around said axis, which is radial relative to the section, and, mounted in said frame, a router whose axis of rotation perpendicularly meets the axis of rotation of said frame, said projectile actuating member being carried by said section thus allowing it to remain in a fixed angular position relative to a fixed mark at ground.
- the section and the internal frame constitute a Cardan joint.
- the router being rotated at high speed, from the start of the trajectory, its angular moment stabilizes it in its initial position.
- the section is linked to the router, around the axis of symmetry, or roll axis, of the projectile, by the axis of said internal frame. The section is therefore also stabilized in roll in its initial position and it is located in a fixed angular position relative to a fixed reference on the ground.
- any overall movement of the projectile about its axis of symmetry shows friction couples at the connections between the section and the front and rear parts.
- said connections are bearings to reduce the friction torques as much as possible.
- the section of the projectile retains its roll position throughout the trajectory and the preservation of an axial reference makes it possible, at the end of the trajectory, to make the operating member act in a predetermined direction.
- said member will act in the vertical plane of the trajectory and, consequently, it will be in the plane defined by the roll axis of the projectile and the axis of rotation of said internal frame.
- a target sensor may also be provided.
- the curve T represents the trajectory of a rocket provided with a device according to the invention, launched from an airplane or a helicopter.
- the length of the trajectory is relatively short, 5000 m in this case.
- the time interval between launch and impact is therefore very short.
- the aircraft fires at a very low altitude, of the order of 100 m, and the trajectory of the projectile is very tense and very little inclined relative to the horizontal since it peaks at around 400 m, at a distance of 4200 m from the starting point. It is therefore essential, as explained above, to bend the end of the trajectory towards the ground to have good accuracy.
- the rocket shown in Figures 2 and 3 has a rear part 1, a section 2 and a front part or head 3, of revolution about a longitudinal axis or roll axis X-X.
- the tail of the rear part 1 comprises a tail unit 4 composed, for example of four fins.
- the rear part 1 contains the propellant, the actual charge of the projectile being able to be placed in front of or behind the section.
- the section 2 is an element of the device of the invention. Its front and rear ends are respectively connected to the head 3 and to the part 1, by means of bearings 5 and 6 which appear clearly in FIG. 3. Thus, the section 2 is free to rotate around the axis of roll XX with respect to the rear part 1 and to the head 3 of the projectile.
- Section 2 has been fixed in this way to reduce the influence of aerodynamic forces on the projectile.
- the aerodynamic forces being exerted for the most part on the front part of the projectile the positioning of the section 2 on the front part of the projectile could disturb the implementation of the device according to the invention, but this embodiment can be envisaged.
- the uprights 8 and the crosspieces 9 are flanges which give it a certain depth.
- the external faces of the crosspieces 9 carry in their center axes 10 aligned on the longitudinal median axis ZZ of the frame 7.
- the axes 10 are engaged in bearings 11 integral with the section 2. Between the axes 10 and the bearings 11, are provided bearings 12 to reduce friction torques as much as possible.
- the Z-Z axis meets the X-X roll axis perpendicularly.
- the internal frame 7 and the section 2 form a gimbal assembly with one freedom around the roll axis X-X and the other freedom around the axis Z-Z.
- a gyrostat or router 13 In the frame 7, is mounted a gyrostat or router 13.
- the router 13 is formed of an outer ring with rectangular section 14, connected to a cylindrical hub 15 by an intermediate ring 16 of small thickness.
- In the hub 15, passes an axis 17 carried in bearings which are located in the middle of the uprights 8 of the frame 7.
- the hub 15 is mounted on the axis 17 by means of bearings 18.
- the axis 17 is aligned along YY, Figure 3, YY being perpendicular to ZZ and passing through the meeting point of ZZ and XX.
- this means is for example a turbine 19 which couples to a motor means of the carrier aircraft for print a rotational movement with the router 13 in the direction, figure 3.
- the section 2 carries an operating member 20.
- the member 20 may be an impeller or an aerodynamic control surface. It lies in the plane defined by the roll axis X-X and the axis Z-Z. In the same plane, the section 2 may also include a target sensor, not shown. A conventional proximometric sensor will generally be chosen.
- the rocket is carried by an airplane or a helicopter with the router 13 directed along the longitudinal axis X-X of the projectile. It is held in this position by the turbine 19 coupled to the engine means of the aircraft. Therefore, the Y-Y axis is perpendicular to the X-X axis. The Z-Z axis is in the vertical plane passing through the X-X axis.
- the aircraft makes a resource towards the objective.
- the router 13 is rotated at high speed. Its axis of rotation is therefore perpendicular to the vertical plane of the trajectory which the rocket will follow.
- the router 13 is stabilized in this position and, consequently, the section 2 is also stabilized, the operating member being in the vertical plane of the trajectory. Any subsequent rolling movement of the front part 1 and of the head 3 then causes friction couples to appear at the bearings 5 and 6. These couples are translated into a precession of the internal frame 7 around the axis Z-Z.
- the drift in precession of the internal frame 7 does not become large enough to affect the operation of the device and, at the end of the trajectory, the operating member is still correctly positioned.
- the operating member When it enters service, it therefore acts in the right plane and bends the trajectory towards the ground, towards the objective.
- the rocket therefore arrives on the ground at a high angle of incidence and with all its kinetic energy. Its penetration capacities are important and allow its use against hard goals. On the other hand, the high angle of incidence makes it possible to increase the efficiency of the military charge, the shine of which is then horizontal. We benefit from the same advantage by equipping proximity rockets exploding the charge at altitude.
- a vertical reference makes it possible to fix a sensor and a load focused downwards.
- the sensor identifies its presence and triggers a charge thus attacking the target from above.
- the primary advantage is to attack the targets according to their attitude of maximum vulnerability.
- the advantage of the device of the invention is to get rid of the servos used to orient the load downward, in the plane of the vertical.
- This gyro-stabilized section method according to the invention is adaptable to infantry rockets, aeronautical rockets and missiles in general.
- the focused charge can be a hollow charge, a wafer charge or the like.
- Such ammunition will be particularly effective against targets like tanks, armored vehicles and, in general, point targets weakly protected on top.
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Description
- La présente invention concerne un dispositif de stabilisation gyroscopique servant à conserver une référence axiale pour un organe de manoeuvre d'un projectile, destiné à modifier la trajectoire de ce dernier. Elle concerne plus particulièrement un tel dispositif monté dans une roquette.
- Un tir de roquette, à partir d'un avion ou d'un hélicoptère, s'effectue à grande distance de l'objectif. L'aéronef prend comme repère un point initial et, par conséquent, sa position par rapport à l'objectif est bien déterminée. Ce mode de tir est pratiqué avec des bombes lisses. Il permet à l'avion d'effectuer une ressource devant l'objectif, où il est à l'abri des défenses adverses.
- Une roquette classique, arrive au sol suivant un angle d'incidence très faible par rapport à l'horizontale. Dans ces conditions, la sensibilité concernant le point d'impact est très mauvaise. Par conséquent, le tir est imprécis.
- La solution pour améliorer la précision du tir consiste à infléchir la fin de trajectoire de la roquette, de façon à ce qu'elle arrive vers l'objectif avec un angle d'incidence important. On applique donc une force latérale sur la roquette, ladite force étant obtenue au moyen d'un organe de manoeuvre. Ce dernier peut être un impulseur latéral ou une gouverne aérodynamique.
- Pour infléchir la trajectoire de la roquette dans le plan désiré, généralement le plan vertical, il est nécessaire que l'organe de manoeuvre soit positionné dans ce plan.
- Une solution consisterait à utiliser un gyroscope procurant des informations à un asservissement qui, en réponse, positionnerait l'organe de manoeuvre dans le bon plan. La roquette devrait alors emporter tout le mécanisme d'asservissement, ainsi qu'une source d'énergie pour l'alimenter. Un dispositif de ce genre est décrit dans le brevet FR-A- 2.418.922. Il est caractérisé en ce que le gyroscope possède une double boucle d'asservissement destiné à maintenir l'axe de rotation propre du gyroscope dans un plan de référence et une armature de la partie tournante dans un plan horizontal. Un tel dispositif est complexe et coûteux et on le réserve, de préférence, pour des engins plus sophistiqués, dont les trajectoires doivent être plus longues et les destinations encore plus précises.
- Pour s'affranchir de la nécessité d'un asservissement par rapport à un organe de référence il a été imaginé de disposer des organes de manoeuvre constitués par des impulseurs à jet de gaz tout autour d'un projectile que l'on ne cherche pas à stabiliser en roulis. La référence de verticale est fournie par un senseur et l'on mesure la position en roulis du projectile par rapport à la verticale pour allumer un impulseur donnant au projectile une inclinaison dans un plan vertical. Le brevet FR-A- 2.425.049 est un exemple de réalisation de ce type
- Il décrit un projectile dans lequel la référence de verticale est un senseur 11 constitué d'une masselote en matériau dense raccordée par fil aux deux extrêmités d'un diamètre d'une partie du projectile, libre en roulis par rapport au reste du projectile. La position de roulis du projectile est repérée par rapport à la position de la section libre en roulis par des senseurs de type magnétique électromagnétique, optiques photosensibles radiosensibles...
- La fonction de la section libre en roulis est d'assurer en coordination avec la masselotte 11 la référence de verticale, la fonction des senseurs est de connaître par rapport à cette verticale la position angulaire en roulis du reste du projectile.
- Un objet de la présente invention consiste à prévoir un dispositif de type gyroscopique pour conserver ledit organe de manoeuvre dans le bon plan, qui soit simple et spécialement adapté à des engins, tels que des roquettes, dont le trajet et, par conséquent, la durée de ce dernier, sont relativement courts.
- Selon l'invention, la stabilité gyroscopique est utilisée directement, c'est -à- dire qu'il existe une liaison mécanique rigide entre le gyroscope et l'organe de manoeuvre.
- Ledit dispositif est formé par un tronçon libre en rotation sur lui-même par rapport au projectile, un cadre interne couplé suivant un de ses axes médians audit tronçon, et libre en rotation autour dudit axe, lequel est radial par rapport au tronçon, et, monté dans ledit cadre, une toupie dont l'axe de rotation rencontre perpendiculairement l'axe de rotation dudit cadre, ledit organe de manoeuvre du projectile étant porté par ledit tronçon lui permettant ainsi de rester dans une position angulaire fixe par rapport à un repère fixe au sol. En bref, le tronçon et le cadre interne constituent un montage à la Cardan.
- La toupie étant mise en rotation à grande vitesse, dès le début de la trajectoire, son moment cinétique la stabilise dans sa position initiale. Le tronçon est lié à la toupie, autour de l'axe de symétrie, ou axe de roulis, du projectile, par l'axe dudit cadre interne. Le tronçon est donc lui aussi stabilisé en roulis dans sa position initiale et il est situé dans une position angulaire fixe par rapport à un repère fixe au sol.
- Tout mouvement d'ensemble du projectile autour de son axe de symétrie fait apparaître des couples de frottement au niveau des liaisons entre le tronçon et les parties avant et arrière. De préférence, lesdites liaisons sont des roulements pour réduire le plus possible les couples de frottement.
- Ceux-ci sont traduits, par l'effet gyroscopique, en une précession du cadre interne. Sa dérive en précession limite le fonctionnement du dispositif à une courte durée, cependant suffisante pour une telle munition.
- Ainsi, le tronçon du projectile conserve sa position en roulis tout au long de la trajectoire et la conservation d'une référence axiale permet, en fin de trajectoire, de faire agir l'organe de manoeuvre dans une direction prédéterminée. Généralement, ledit organe agira dans le plan vertical de la trajectoire et, par conséquent, il se trouvera dans le plan défini par l'axe de roulis du projectile et l'axe de rotation dudit cadre interne. Dans le même plan, pourra également être prévu un capteur de cible.
- Les caractéristiques de l'invention mentionnées ci-dessus, ainsi que d'autres, apparaîtront plus clairement à la lecture des revendications, et de la description suivante d'un exemple de réalisation, ladite description étant faite en relation avec les dessins joints, parmi lesquels :
- la figure 1 est un diagramme montrant la trajectoire d'une roquette pourvue d'un dispositif selon l'invention,
- la figure 2 est une vue en perspective d'une telle roquette, une partie de sa paroi externe étant montrée découpée pour laisser apparaître le dispositif selon l'invention, et
- la figure 3 est une vue agrandie, avec des coupes partielles de certains éléments, de la partie de la roquette de la figure 2, dans laquelle se trouve ledit dispositif.
- Dans le diagramme de la figure 1, sont portées, en mètres, l'altitude en ordonnées et la distance en abscisses. La courbe T représente la trajectoire d'une roquette pourvue d'un dispositif selon l'invention, lancée à partir d'un avion ou d'un hélicoptère. Comme on le voit, la longueur de la trajectoire est relativement courte, 5000 m dans le cas présent. L'intervalle de temps entre le lancement et l'impact est donc très court. D'autre part, afin d'être protégé des défenses adverses, l'aéronef effectue son tir à très faible altitude, de l'ordre de 100 m, et la trajectoire du projectile est très tendue et très peu inclinée par rapport à l'horizontale puisqu'elle culmine à environ 400 m, à une distance de 4200 m du point de départ. Il est donc essentiel, comme on l'a expliqué précédemment, d'infléchir la fin de trajectoire vers le sol pour avoir une bonne précision.
- La roquette représentée aux figures 2 et 3 comporte une partie arrière 1, un tronçon 2 et une partie avant ou tête 3, de révolution autour d'un axe longitudinal ou axe de roulis X-X.
- La queue de la partie arrière 1 comporte un empennage 4 composé, par exemple de quatre ailerons. La partie arrière 1 renferme le propulseur, la charge proprement dite du projectile pouvant se placer en avant ou en arrière du tronçon.
- Le tronçon 2 est un élément du dispositif de l'invention. Ses extrémités avant et arrière sont reliées respectivement à la tête 3 et à la partie 1, par l'intermédiaire de roulements 5 et 6 qui apparaissent clairement à la figure 3. Ainsi, le tronçon 2 est libre en rotation autour de l'axe de roulis X-X par rapport à la partie arrière 1 et à la tête 3 du projectile.
- Le tronçon 2 a été fixé de cette manière pour diminuer l'influence des efforts aérodynamiques sur le projectile. En effet, les efforts aérodynamiques s'exerçant en grande majorité, sur la partie avant du projectile, le positionnement du tronçon 2 sur la partie avant du projectile pourrait perturber la mise en oeuvre du dispositif selon l'invention mais cette réalisation peut être envisagée.
- A l'intérieur du tronçon 2, se trouve un cadre rectangulaire 7 dont les montants 8 et les traverses 9 sont des flasques qui lui confèrent une certaine profondeur. Les faces externes des traverses 9 portent en leur milieu des axes 10 alignés sur l'axe médian longitudinal Z-Z du cadre 7. Les axes 10 sont engagés dans des paliers 11 solidaires du tronçon 2. Entre les axes 10 et les paliers 11, sont prévus des roulements 12 pour réduire le plus possible les couples de frottement. L'axe Z-Z rencontre perpendiculairement l'axe de roulis X-X.
- Ainsi, le cadre interne 7 et le tronçon 2 forment un montage à la Cardan avec une liberté autour de l'axe de roulis X-X et l'autre liberté autour de l'axe Z-Z.
- Dans le cadre 7, est monté un gyrostat ou toupie 13. La toupie 13 est formée d'une couronne externe à section rectangulaire 14, reliée à un moyeu cylindrique 15 par une couronne intermédiaire 16 de faible épaisseur. Dans le moyeu 15, passe un axe 17 porté dans des paliers qui se trouvent au milieu des montants 8 du cadre 7. Le moyeu 15 est monté sur l'axe 17 au moyen de roulements 18. L'axe 17 est aligné selon Y-Y, figure 3, Y-Y étant perpendiculaire à Z-Z et passant par le point de rencontre de Z-Z et de X-X.
- D'un côté du cadre 7, il est prévu un moyen d'entraînement en rotation de la toupie 13. A la figure 3, ce moyen est par exemple une turbine 19 qui s'accouple à un moyen moteur de l'aéronef porteur pour imprimer un mouvement de rotation à la toupie 13 dans le sens, figure 3.
- D'autre part, le tronçon 2 porte un organe de manoeuvre 20. L'organe 20 peut être un impulseur ou une gouverne aérodynamique. Il se trouve dans le plan défini par l'axe de roulis X-X et l'axe Z-Z. Dans le même plan, le tronçon 2 pourra comporter également un capteur de cible, non représenté. On choisira généralement un capteur proximétrique classique.
- La roquette est portée par un avion ou un hélicoptère avec la toupie 13 dirigée selon l'axe longitudinal X-X du projectile. Elle est maintenue dans cette position par la turbine 19 accouplée au moyen moteur de l'aéronef. Par conséquent, l'axe Y-Y est perpendiculaire à l'axe X-X. L'axe Z-Z est dans le plan vertical passant par l'axe X-X.
- En opération, juste avant le tir, l'aéronef effectue une ressource vers l'objectif. La toupie 13 est mise en rotation à grande vitesse. Son axe de rotation est donc perpendiculaire au plan vertical de la trajectoire que va suivre la roquette. Ainsi, après le lancement, la toupie 13 est stabilisée dans cette position et, par conséquent, le tronçon 2 est également stabilisé, l'organe de manoeuvre se trouvant dans le plan vertical de la trajectoire. Tout mouvement ultérieur en roulis de la partie avant 1 et de la tête 3 font alors apparaître des couples de frottement au niveau des roulements 5 et 6. Ces couples sont traduits en une précession du cadre interne 7 autour de l'axe Z-Z. Comme la durée entre le lancement de la roquette et son impact est très courte, la dérive en précession du cadre interne 7 ne devient pas suffisamment importante pour affecter le fonctionnement du dispositif et, en fin de trajectoire, l'organe de manoeuvre est encore correctement positionné. Quand il entre en service, il agit donc dans le bon plan et infléchit la trajectoire vers le sol, en direction de l'objectif.
- La roquette arrive donc au sol selon un fort angle d'incidence et avec toute son énergie cinétique. Ses capacités de pénétration sont importantes et permettent son utilisation contre des objectifs durs. D'autre part, le fort angle d'incidence permet d'augmenter l'efficacité de la charge militaire dont la gerbe d'éclat est alors horizontale. On bénéficie du même avantage en équipant des fusées de proximité faisant exploser la charge en altitude.
- La conservation d'une référence de verticale permet de fixer un capteur et une charge focalisée vers le bas. Lorsque le projectile associé survole une cible prédéfinie, le capteur repère sa présence et déclenche une charge attaquant ainsi la cible par le dessus. L'avantage premier est d'attaquer les cibles suivant leur attitude de vulnérabilité maximale.
- On remarquera que ce principe d'attaque "par le toit" est déjà utilisé avec des missiles. L'avantage du dispositif de l'invention est de s'affranchir des asservissements utilisés pour orienter la charge vers le bas, dans le plan de la verticale. Ce procédé de tronçon gyrostabilisé selon l'invention est adaptable aux roquettes d'infanterie, aux roquettes aéronautiques et aux projectiles à tir tendu en général. La charge focalisée peut être une charge creuse, une charge galette ou autre.
- De telles munitions seront particulièrement efficaces contre des cibles comme des chars, des véhicules blindés et, d'une manière générale, des objectifs ponctuels faiblement protégés sur le dessus.
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