EP0385878A1 - Système de guidage d'un vecteur par jets de gaz continus - Google Patents

Système de guidage d'un vecteur par jets de gaz continus Download PDF

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EP0385878A1
EP0385878A1 EP90400587A EP90400587A EP0385878A1 EP 0385878 A1 EP0385878 A1 EP 0385878A1 EP 90400587 A EP90400587 A EP 90400587A EP 90400587 A EP90400587 A EP 90400587A EP 0385878 A1 EP0385878 A1 EP 0385878A1
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vector
nozzle
thrust
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Marc Bernard
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Thomson Brandt Armements SA
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Thomson Brandt Armements SA
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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
    • F42B10/66—Steering by varying intensity or direction of thrust
    • F42B10/666—Steering by varying intensity or direction of thrust characterised by using a nozzle rotatable about an axis transverse to the axis of the projectile

Definitions

  • the subject of the present invention is a system for guiding a vector using orientable nozzles, supplied continuously by a gas generator.
  • vector is understood here to mean any guided flying machine, whether powered or not.
  • Guidance is also understood to mean, by extension, both guidance of the vector's center of gravity and its steering around its center of gravity.
  • Aerodynamic systems have different limitations due in particular to their complexity, their response time and their variability as a function of the speed of the vector.
  • the first system (impellers) consists of having a set of impellers, each capable of delivering a pulse of pre-established intensity and the duration of which is either continuous or also predefined. This implies that the vector is constantly in rotation around its roll axis or else controlled by a complementary roll system; an alternative solution consists in controlling the block of impellers itself in roll; this need is of course a drawback. In addition, whatever the arrangement and the number of impellers, the number of possible corrections is limited.
  • the switching of jets is in principle discontinuous; the average value of the guiding force is obtained by time modulation, which implies high switching speeds relative to the response time of the vector; these switching speeds are difficult to achieve mechanically.
  • a switch is always a source of mechanical excitations of the structure of the vector.
  • the minimum number of nozzles which allows pitch, yaw and roll to be obtained simultaneously is six, which is high and involves complexity and weight.
  • the last system which consists in orienting the jet of the main propellant of the vector, uses either one or more control surfaces in the flow of hot gas at the level of the diverging part of the nozzle, or means for turning the nozzle (s) themselves.
  • the main limitation of this system is that it requires the presence of a main motor in operation for the duration of the guided phase.
  • the subject of the present invention is a guidance system which makes it possible to avoid the above drawbacks and limitations by the use of a reduced number (three) of continuous gas jets and orientable around an axis substantially parallel to that of the vector. , in one embodiment, and the travel of which can be limited to ⁇ 60 °.
  • the subject of the invention is a system for guiding a vector as defined by claim 1.
  • Figure 1 is therefore an explanatory diagram of the guidance system according to the invention.
  • the outer envelope V of the vector is shown, seen in radial, or transverse section (that is to say section made perpendicular to the longitudinal axis of the vector), and for example in the form of a circle, the trace of the longitudinal axis of the vector being the center O of the circle.
  • the vector is guided by three and only three orientable nozzles, arranged substantially at 120 ° in the same transverse plane (that of the figure), at the periphery of the vector.
  • nozzles are orientable around an axis substantially parallel to the longitudinal axis of the vector, that is to say that, supplied by a gas generator, they are capable of providing a continuous jet of gas substantially in the plane of the figure, in any direction within predefined limits forming the deflection angle of the nozzle.
  • the thrust of each of the nozzles results in forces applied to the vector, marked F1, F2 and F3; the points of application of these forces on the envelope of the vector are marked T1, T2, T3.
  • the force (F1-F3) produced by each of the nozzles makes with the radii OT1, OT2 and OT3 an angle ⁇ 1, ⁇ 2 and ⁇ 3, respectively, which is a function of the orientation of the nozzles.
  • These three forces have a resultant R F which forms an angle ⁇ with a reference radius OX.
  • the value of the maximum roll torque is ⁇ 3 FR for a deflection of ⁇ 90 °.
  • the maximum value of the guide maneuvering force is close to 2.7 F for an angle ⁇ equal to: 1 ⁇ 3 + for an angular displacement of the nozzles of ⁇ 90 °.
  • this force is close to 2F for an angular deflection of the nozzles limited to ⁇ 60 ° and for an angle ⁇ equal to: 1 ⁇ 3 +
  • FIG. 2 schematically represents an embodiment of a steerable nozzle capable of being used in the system according to the invention.
  • a nozzle block 1 terminated by the diverging part 2 of the nozzle; the assembly is capable of a rotational movement about its longitudinal axis ZZ relative to a fixed part 52 using a motor 3, for example electric, via an axis 4; the assembly is held between bearings 50 and 51.
  • the axis of rotation ZZ is preferably arranged as close as possible to the center of thrust, so as to minimize the parasitic torque resulting from a distance between center of thrust and axis of rotation.
  • the gases pass through the nozzle block longitudinally (arrow 10) and are ejected by the divergent (arrow 11), thus giving rise to the thrust F directed along the axis YY of the divergent, that is to say, on the figure, normally at the ZZ axis.
  • each nozzle is not necessarily parallel to the longitudinal axis of the vector. It can make an angle with the latter, from a few degrees up to 45 ° for example, so that the nozzles provide a constant thrust component on the axis of the vector; this allows, for example, to compensate for the aerodynamic drag of the vector or the terrestrial attraction.
  • the axis YY may not be normal to the axis ZZ or the nozzle may not be movable in rotation around its axis ZZ but around a second axis, making an angle with the previous one.
  • the nozzles then provide, in addition to the components useful for guiding in a transverse plane described above, a constant thrust component in the axis of the vector.
  • this system of three nozzles can be arranged in a plane containing or not the center of gravity.
  • the guldage system according to the invention can also be used for a vector in autorotation (roll).
  • all three nozzles are mounted on a more or less free part in rotation relative to the vector, allowing the control of the coupling in roll of the system with the vector.

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Abstract

L'invention a pour objet un système de guidage en lacet, tangage et roulis, qui permet d'utiliser un nombre réduit (trois) de tuyères (T1, T2, T3), fournissant chacune un jet de gaz continu et orientable autour d'un axe sensiblement parallèle à l'axe du vecteur (V) qui les porte, le débattement de chacune des tuyères étant limité de préférence à ± 60°.

Description

  • La présente invention a pour objet un système de guidage d'un vecteur à l'aide de tuyères orientables, alimentées en continu par un générateur de gaz.
  • On entend ici par vecteur tout engin volant guidé, propulsé ou non. On entend par ailleurs par guidage, par extension, aussi bien un guidage du centre de gravité du vecteur que son pilotage autour de son centre de gravité.
  • On connaît différents systèmes de guidage, aérodyna­miques ou pyrotechniques.
  • Les systèmes aérodynamiques présentent différentes limitations tenant notamment à leur complexité, leur temps de réponse et leur variabilité en fonction de la vitesse du vecteur.
  • Les systèmes pyrotechniques sont de plusieurs types : les impulseurs discrets ou continus, les barreaux explosifs, les systèmes utilisant une commutation des jets de tuyères multiples et, enfin, les systèmes utilisant l'orientation du jet de la tuyère du propulseur principal.
  • Le premier système (impulseurs) consiste à disposer d'un ensemble d'impulseurs, chacun étant susceptible de délivrer une impulsion d'intensité pré-établie et dont la durée est soit continue, soit également prédéfinie. Ceci implique que le vecteur soit constamment en rotation autour de son axe de roulis ou bien piloté par un système complémentaire en roulis ; une solution alternative consiste à piloter le bloc d'impulseurs lui-même en roulis ; cette nécessité constitue bien entendu un inconvénient. De plus, quels que soient la disposition et le nombre des impulseurs, le nombre de corrections possibles est limité.
  • La solution consistant à utiliser des barreaux explosifs présente des inconvénients et limitations du même type que ceux des impulseurs précédents. De plus, ce genre de dispo­sitif fournit des impulsions très intenses et très brèves, du type choc, qui peuvent ne pas convenir à tous les types de vecteurs.
  • La commutation de jets est par principe discontinue ; la valeur moyenne de la force de guidage est obtenue par modulation dans le temps, ce qui implique des vitesses de commutation élevées par rapport au temps de réponse du vecteur ; ces vitesses de commutation sont difficiles à réaliser mécaniquement. De plus, un commutateur est toujours une source d'excitations mécaniques de la structure du vecteur. Enfin, le nombre minimum de tuyères qui permet d'obtenir simultanément tangage, lacet et roulis est de six, ce qui est élevé et implique complexité et poids.
  • La dernier système, qui consiste à orienter le jet du propulseur principal du vecteur, utilise soit une ou plusieurs gouvernes dans le flux de gaz chaud au niveau du divergent de la tuyère, soit des moyens de braquage de la ou des tuyères elles-mêmes. La principale limitation de ce système est qu'il nécessite la présence d'un moteur principal en fonctionnement pendant toute la durée de la phase guidée.
  • La présente invention a pour objet un système de guidage qui permette d'éviter les inconvénients et limitations précédents par l'utilisation d'un nombre réduit (trois) de jets de gaz continus et orientables autour d'un axe sensiblement parallèle à celui du vecteur, dans un mode de réalisation, et dont le débattement peut être limité à ± 60°.
  • Plus précisément, l'invention a pour objet un système de guidage d'un vecteur tel que défini par la revendication 1.
  • D'autres objets, particularités et résultats de l'invention ressortiront de la description suivante, donnée à titre d'exemple non limitatif et illustrée par les figures annexées, qui représentent :
    • - la figure 1, un schéma explicatif du système de guidage selon l'invention ;
    • - la figure 2, le schéma d'un mode de réalisation d'une tuyère utilisée dans le système de guidage selon l'invention.
  • Sur ces différentes figures, les mêmes références se rapportent aux mêmes éléments.
  • La figure 1 est donc un schéma explicatif du système de guidage selon l'invention.
  • Sur cette figure, on a représenté l'enveloppe exté­rieure V du vecteur, vue en coupe radiale, ou transversale (c'est-à-dire coupe réalisée perpendiculairement à l'axe longitudinal du vecteur), et par exemple en forme de cercle, la trace de l'axe longitudinal du vecteur étant le centre O du cercle. Selon l'invention, le vecteur est guidé par trois et seulement trois tuyères orientables, disposées sensiblement à 120° dans un même plan transversal (celui de la figure), à la périphérie du vecteur. Ces tuyères sont orientables autour d'un axe sensiblement parallèle à l'axe longitudinal du vecteur, c'est-à-dire que, alimentées par un générateur de gaz, elles sont susceptibles de fournir un jet de gaz continu sensiblement dans le plan de la figure, dans une direction quelconque à l'intérieur de limites prédéfinies formant l'angle de débattement de la tuyère. La poussée de chacune des tuyères résulte en forces appliquées sur le vecteur, repérées F₁, F₂ et F₃ ; les points d'application de ces forces sur l'enveloppe du vecteur sont repérés T₁, T₂, T₃. La force (F₁-­F₃) produite par chacune des tuyères fait avec les rayons OT₁, OT₂ et OT₃ un angle ϑ₁, ϑ₂ et ϑ₃, respectivement, qui est fonction de l'orientation des tuyères. Ces trois forces ont une résultante RF qui fait un angle φ avec un rayon de référence OX.
  • La résultante de ces trois forces dans les plans tangage, lacet et roulis s'écrivent de la façon suivante :
    Figure imgb0001
    avec : a = RF/F
    b = C/R.F
    F = F₁ = F₂ = F₃
    R étant la distance des points d'application des poussées des tuyères à l'axe longitudinal du vecteur, c'est-à-dire le rayon du vecteur, et C le couple de roulis.
  • La résolution de ce système d'équations montre que, quelle que soit la valeur de φ comprise entre 0 et 2¶, la force résultante RF a une valeur égale à F pour un débattement limité pour chacune des tuyères à ± 60°. Il apparaît donc que la commande couplée de trois tuyères permet de réali­ser simultanément tangage, lacet et roulis avec l'intensité et le sens désirés.
  • Plus précisément, on montre que lorsque le guidage en tangage et lacet est nul, la valeur du couple maximum en roulis est de ± 3 FR pour un débattement de ± 90°. Lorsque le pilotage en roulis est nul, la valeur maximum de la force de manoeuvre de guidage est voisine de 2,7 F pour un angle φ égal à :
    ⅓ +
    Figure imgb0002


    pour un débattement angulaire des tuyères de ± 90°. Enfin, cette force est voisine de 2F pour un débattement angulaire des tuyères limité à ± 60° et pour un angle φ égal à :
    ⅓ +
    Figure imgb0003


  • Ce dernier cas est particulièrement intéressant sur le plan technologique, du fait de la limitation de l'angle de débattement des tuyères à ± 60° : en effet, un angle allant jusqu'à ± 90° oblige à prendre certaines précautions pour que le jet de la tuyère n'endommage pas le vecteur.
  • La figure 2 représente schématiquement un mode de réalisation d'une tuyère orientable susceptible d'être utilisée dans le système selon l'invention.
  • Sur cette figure, on a représenté, vu en coupe longitu­dinale, un bloc tuyère 1 terminé par le divergent 2 de la tuyère ; l'ensemble est susceptible d'un mouvement de rotation autour de son axe longitudinal ZZ par rapport à une partie fixe 52 à l'aide d'un moteur 3, par exemple électrique, par l'intermédiaire d'un axe 4 ; l'ensemble est tenu entre des paliers 50 et 51. L'axe de rotation ZZ est disposé de préférence aussi près que possible du centre de poussée, de façon à minimiser le couple parasite résultant d'une distance entre centre de poussée et axe de rotation.
  • En fonctionnement, les gaz parcourent le bloc tuyère longitudinalement (flèche 10) et sont éjectés par le divergent (flèche 11), donnant ainsi naissance à la poussée F dirigée selon l'axe YY du divergent, c'est-à-dire, sur la figure, normalement à l'axe ZZ.
  • Il est à noter que l'axe de rotation (ZZ) de chaque tuyère n'est pas nécessairement parallèle à l'axe longitudinal du vecteur. Il peut faire un angle avec ce dernier, de quelques degrés jusqu'à 45° par exemple, de façon à ce que les tuyères fournissent une composante de poussée constante sur l'axe du vecteur ; cela permet, par exemple, de compenser la traînée aérodynamique du vecteur ou l'attraction terrestre.
  • Plus généralement, l'axe YY peut ne pas être normal à l'axe ZZ ou la tuyère ne pas être mobile en rotation autour de son axe ZZ mais autour d'un deuxième axe, faisant un angle avec le précédent. Dans tous ces cas, les tuyères fournissent alors, outre les composants utiles au guidage dans un plan transversal décrites ci-dessus, une composante de poussée constante dans l'axe du vecteur.
  • Par ailleurs, ce système de trois tuyères peut être disposé dans un plan contenant ou non le centre de gravité.
  • En outre, le système de guldage selon l'invention est utilisable également pour un vecteur en autorotation (roulis). A cet effet, l'ensemble des trois tuyères est monté sur une partie plus ou moins libre en rotation par rapport au vecteur, permettant le contrôle du couplage en roulis du système avec le vecteur.
  • On a décrit ci-dessus un système de guidage utilisant trois tuyères orientables, qui présente notamment les avantages suivants :
    - la rusticité : ce système nécessite trois moteurs et trois blocs tuyères dont les tolérances de fabrication n'ont pas à être rigoureuses ;
    - une masse réduite : les moteurs utilisés peuvent être petits, contrairement au cas d'un guidage aérodynamique, d'où gain de poids, d'encombrement et de coût ;
    - une continuité du guidage : on évite ainsi les chocs, les difficultés de temps de commutation et la limitation du nombre de corrections des systèmes pyrotechniques discrets ou commutés ;
    - la simplicité : les moteurs assurent une orientation des tuyères en continu ; leur réalisation et leur utilisation ne posent pas de problème particulier.

Claims (7)

1. Système de guidage d'un vecteur en tangage, lacet et roulis à l'aide de jets de gaz continus, caractérisé par le fait qu'il comporte un générateur de gaz et trois tuyères susceptibles d'être alimentées en continu par le générateur de gaz, les tuyères étant disposées sensiblement à 120° dans un même plan transversal du vecteur, à la périphérie du vecteur, chacune des tuyères étant mobile en rotation autour d'un premier axe de sorte que la poussée qu'elle fournit ait au moins une composante dans le plan transversal, dans une direction contenue dans un angle de débattement prédéfini de la tuyère.
2. Système selon la revendication 1, caractérisé par le fait que chacune des tuyères est disposée et est mobile de sorte que la poussée qu'elle fournit est sensiblement située dans le plan transversal.
3. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les tuyères comportent chacune un bloc tuyère ayant un deuxième axe de révolution et un divergent ayant un troisième axe de révolution, sensiblement normal au deuxième axe.
4. Système selon la revendication 3, caractérisé par le fait que le centre de poussée de chacune des tuyères est sensiblement sur le premier axe.
5. Système selon la revendication 3, caractérisé par le fait que les troisièmes axes des trois tuyères sont sensible­ment contenus dans le plan transversal.
6. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le premier axe est sensiblement parallèle à l'axe longitudinal du vecteur.
7. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'angle de débattement de chacune des tuyères est sensiblement limité à ± 60°.
EP90400587A 1989-03-03 1990-03-02 Système de guidage d'un vecteur par jets de gaz continus Withdrawn EP0385878A1 (fr)

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