EP0725259A1

EP0725259A1 - ContrÔle d'un projectile par impulseur multi-chambre et mono-tuyère

Info

Publication number: EP0725259A1
Application number: EP96400194A
Authority: EP
Inventors: Bertrand Roucoux
Original assignee: TDA Armements SAS
Current assignee: TDA Armements SAS
Priority date: 1995-02-03
Filing date: 1996-01-26
Publication date: 1996-08-07
Anticipated expiration: 2016-01-26
Also published as: DE69605579T2; DE69605579D1; FR2730302B1; EP0725259B1; US5657948A; FR2730302A1

Abstract

L'invention est relative à un projectile guidé par jet successifs de gaz latéraux au moyen de paire d'impulseurs. Les impulseurs d'une paire sont allumés de façon à exercer des moments de rotation opposés. Selon l'invention les impulseurs sont réunis en deux groupes. Les impulseurs d'une paire se trouvent pour l'un dans un groupe et pour l'autre dans l'autre groupe. Les impulseurs de chacun des groupes sont séparés par des cloisons diodes qui résistent à la pression de l'impulseur se trouvant d'un côté de la cloison et que l'on allume en premier, mais qui ne résistent pas à l'allumage de l'impulseur qui se trouve de l'autre côté de la cloison et qui est allumé en second. Les impulseurs d'un groupe débouchent dans une seule et même tuyère. On simplifie ainsi la réalisation des impulseurs de guidage tout en améliorant le contrôle du guidage.

Description

L'invention se situe dans le domaine des projectiles à correction de trajectoire par jets latéraux de gaz.
Des dispositifs pour réaliser de telles corrections sont déjà connus dans l'art. Ils peuvent se classer en deux catégories. La première catégorie comprend ceux dont l'axe du jet latéral de gaz passe par le centre de gravité de l'engin. Ces correcteurs de trajectoire n'induisent, en principe pas de moment de force au projectile. Ils permettent la fonction de pilotage en force. La modification de trajectoire résulte de la composition de la vitesse axiale du projectile et de la vitesse latérale résultant du jet de gaz de guidage. La seule action sur l'orientation de l'axe du projectile provient de la prise d'incidence du projectile, consécutive à la variation du vecteur vitesse. L'axe du projectile se réoriente parallèlement au vecteur vitesse après une période d'oscillations qui dépend de la stabilité aérodynamique du projectile et de la durée de l'impulsion de guidage.
La seconde catégorie de correcteurs de trajectoire par jet de gaz comprend les projectiles dans lesquels les jets de gaz impriment un moment de rotation au projectile, rotation d'autant plus importante que le bras de levier des jets, que l'on peut assimiler à la distance entre le point d'application du jet latéral et le centre de gravité du projectile, est grand. Afin de faire cesser la rotation à la position voulue, un deuxième jet de gaz exerçant un moment opposé au premier est prévu. Les valeurs du bras de levier, de l'impulsion totale, et de l'instant d'allumage de chaque impulseur, établies à partir des caractéristiques de l'engin, permettent en principe de contrôler à la fois :

l'annulation de la vitesse angulaire du projectile :
la déviation de la vitesse ;
la position angulaire (lacet-tangage) du projectile.

Les impulseurs de chaque paire sont implantés de part et d'autre du centre de gravité G du projectile.
La condition d'annulation de la vitesse angulaire du projectile impose la relation suivante entre les paramètres de la même paire d'impulseurs ; $It1 L1 = It2 L2$
avec

It1, It2 :: Impulsion totale délivrée par chaque impulseur ;
L1, L2 :: Bras de levier de chaque impulseur.

Rappelons que l'impulsion totale est l'intégrale sur le temps, de la force délivrée par l'impulseur durant le fonctionnement de celui-ci. Dans le cas où les forces F1 et F2 des deux impulseurs sont sensiblement constantes on obtient : $It1 ≈ F1 t1$
$lt2 ≈ F2 t2$
où t1, t2 sont les temps de combustion des impulseurs.
Ainsi, à bras de levier égal, les impulseurs de la même paire peuvent être identiques, le cas le plus général étant que l'impulsion totale de chaque impulseur soit inversement proportionnelle au bras de levier.
La déviation de la vitesse pour une correction de guidage, impose une valeur à la somme des impulsions totales de chaque paire d'impulseurs ;
Soit It, la somme des impulsions totales. Nous avons : $It = It1 + It2$
Nous en déduisons, la valeur de l'impulsion totale de chaque impulseur (It1, It2) en fonction des bras de levier (L1, L2), et de It : $It1 = It (L1 / (L1 + L2))$
$It2 = It (L2 / (L1 + L2))$
La position angulaire, lacet-tangage, après correction, dépend des paramètres précédents (It, L1, L2), et de la séquence d'allumage des deux impulseurs utilisés pour cette correction.
On impose généralement que les deux impulseurs ne soient jamais en fonctionnement en même temps, afin d'éviter un surcroît de facteur de charge latéral et des couplages (interactions entre les jets) entre les effets des deux impulseurs.
La limite est donc que l'allumage du deuxième impulseur succède à l'extinction du premier.
Dans ce cas, il existe une valeur maximum du bras de levier, dépendant de l'angle (lacet-tangage) que doit prendre le projectile, de l'inertie, et de l'impulsion totale It.
Cette valeur maximum peut être atteinte pour des impulseurs se trouvant éloignés du centre de gravité G, ce qui rend cette solution impossible, ou oblige par exemple, à diminuer l'amplitude des corrections de guidage demandées, au détriment des performances.
Pour cette raison, les impulseurs éloignés du centre de gravité G, sont schématisés sur la figure 1, plus petits que les impulseurs proches.
Dans d'autres modes connus de réalisation des impulseurs exerçant sur le projectile un moment de rotation sont implantés radialement.
Ce mode d'implantation est représenté schématiquement figures 2 et 3. Ces figures comportent chacune une coupe longitudinale d'un tronçon de projectile (figures 2b et 3b) et une coupe transversale effectuée au niveau d'une galette d, comportant des impulseurs disposés de façon radiale (figure 2a et 3a).
Les galettes d, d' sont disposées de part et d'autre du centre de gravité G du projectile. Les bras de levier de chacun des impulseurs sont alors identiques et les impulseurs e, e' peuvent être identiques.
Ce type d'implantation présente plusieurs inconvénients. Le volume disponible pour chacun des impulseurs est limité à la portion de secteur angulaire consacrée dans chacune des galettes d, d' à chacun des impulseurs par exemple $\frac{π}{3}$
pour une galette de 6 impulseurs comme représenté figure 2 ou 3. On peut chercher à compenser cette contrainte en augmentant la longueur du chargement propulsif de chacun des impulseurs. On se heurte cependant rapidement à des contraintes imposées par la section de passage de gaz, qui doit être suffisante sur toute la longueur du chargement afin d'éviter la combustion érosive.
Notons que cette section minimale est croissante depuis le côté du chargement opposé à la tuyère, jusqu'au côté du chargement proche de la tuyère, donc dans le sens de l'évacuation des gaz de combustion. On pénalise alors le taux de remplissage (volume du chargement par rapport au volume de la chambre de combustion de l'impulseur).
De plus quelle que soit la forme des impulseurs, le volume de la galette ne peut pas être utilisé de façon optimum ce qui pénalise le bilan de masse. Si la section de la chambre de combustion est circulaire, comme représenté figure 2a, la pénalisation du bilan de masse provient des volumes inutilisés entre les impulseurs. Si la forme de la section des impulseurs est en pétale comme représenté figure 3a, la réalisation est plus délicate, en raison justement de la forme et il existe des concentrations de contraintes sur les parois, qui doivent être tenues par des apports locaux de matière qui pénalisent également le bilan de masse.
Face à cet état de la technique, la présente invention a pour objet un projectile guidé au moyen de jets de gaz qui présente à la fois les avantages de la disposition en galette, comme représenté figure 2 ou 3 et ceux de la disposition longitudinale telle que représentée figure 1 sans présenter les inconvénients de l'une ou de l'autre.
De façon avantageuse le projectile guidé selon l'invention ne comporte que deux tuyères, une de chaque côté du centre de gravité et une pluralité d'impulseurs répartis par paires. Pour chaque paire d'impulseurs, un impulseur émet ses gaz par l'une des tuyères et l'autre par la seconde tuyère.
Du fait que l'on n'a que deux tuyères, les bras de levier sont identiques pour chacune des corrections.
La réduction du nombre de tuyères est un avantage évident pour leur intégration dans le projectile.
Tout d'abord on dispose de toute la section disponible du projectile (généralement la section circulaire sauf le noyau central), pour réaliser l'impulseur. Les formes cylindriques qui en résultent sont des formes simples, facilement réalisables et assurant une bonne tenue mécanique. (résistance à la pression).
De plus, si la somme du volume des chambres de la réalisation selon l'invention reste voisin de la somme du volumes des chambres de plusieurs impulseurs, un gain important vient du nombre de tuyères. Celui-ci étant réduit à deux, il peut même être avantageux d'augmenter leur dimension pour accroître la poussée délivrée et améliorer ainsi les performances (ou diminuer la masse de chargement pyrotechnique).
Le bras de levier identique de chacun des groupes permet d'éviter les limitations imposées aux impulseurs situés loin du centre de gravité dans des réalisations du type "implantation longitudinale d'impulseurs".
Rappelons qu'à la valeur d'impulsion totale imposée par les performances de guidage (action sur la vitesse), il correspond une valeur maximum du bras de levier. Dans la solution proposée, la seule contrainte imposée sur la conception mécanique du projectile est donc la position longitudinale de deux tuyères. Cette contrainte semble pouvoir être facilement respectée.
De plus dans des applications à des engins animés d'une vitesse de roulis, la solution proposées est toujours bien adaptée.
En effet, si l'engin possède une vitesse de roulis, la durée de fonctionnement des impulseurs doit être faible afin de ne pas "moyenner" la correction sur un angle de roulis trop grand (une correction sur un tour est totalement inefficace). Dans ce cas, l'impulsion totale nécessaire au guidage devra être obtenue :

soit en augmentant la poussée ;
soit en fractionnant la poussée entre plusieurs corrections.

L'augmentation de la poussée (à impulsion totale conservée) a peu d'influence sur la quantité de chargement pyrotechnique, mais modifie surtout sa surface et sa vitesse de combustion. Par contre, elle nécessite l'augmentation des débits de gaz, donc l'augmentation de la dimension des tuyères. La solution proposée comportant uniquement deux tuyères est de ce fait bien adaptée.
Le fractionnement de la poussée est également plus facile avec la solution proposée qu'avec les solution antérieures : le fractionnement ne porte que sur deux impulseurs, contre deux fois le nombre de corrections de guidage dans les autres solutions.
L'invention est donc relative à un projectile ayant un axe longitudinal XX', un centre de gravité G, et muni d'impulseurs de guidage répartis en n paires, chaque paire comportant un premier et un second impulseur, chaque premier impulseur débouchant dans une tuyère située en avant du centre de gravité G du projectile et chaque second impulseur débouchant dans une tuyère située en arrière du centre de gravité du projectile, chacun des impulseurs ayant une chambre de combustion, projectile caractérisé en ce que l'ensemble des premiers impulseurs d'une paire constitue un premier groupe d'impulseurs auquel appartiennent les impulseurs, l'ensemble des seconds impulseurs d'une paire constitue un second groupe d'impulseurs auquel appartiennent les impulseurs, les chambres de combustion des impulseurs dans chacun des groupes étant séparées l'une de l'autre par une cloison diode ayant deux faces, une première et une seconde, cette cloison résistant lorsque sa première face est soumise à une pression sensiblement plus forte que celle exercée au même moment sur sa seconde face et cédant lorsque sa seconde face, est soumise à une pression sensiblement plus forte que celle exercée au même moment sur sa première face, les chambres de combustion de chacun des impulseurs d'un groupe étant en communication directe pour l'un des impulseurs, et par l'intermédiaire de une ou plusieurs cloisons diodes pour chacun des autres impulseurs du groupe avec une tuyère unique pour le groupe, la tuyère des impulseurs du premier groupe étant en avant du centre de gravité G et la tuyère des impulseurs des second groupe étant en arrière du centre de gravité G.
Un exemple de réalisation sera décrit en liaison avec les dessins annexés dans lesquels :

la figure 4 représente une coupe longitudinale d'un projectile comportant deux groupes d'impulseurs débouchant chacun dans une seule tuyère ;
la figure 5 représente une coupe transversale effectuée au niveau d'un allumeur d'un impulseur;
la figure 6 représente une coupe longitudinale axiale effectuée selon la ligne AA de la figure 5 ;
la figure 7 représente un coupe longitudinale effectuée au niveau de la ligne BB de la figure 5.

Les figures 1 à 3 utilisés ci-dessus pour expliquer l'état antérieur de l'art ne seront pas à nouveau commentées.
La figure 4 représente le mode préféré de réalisation. Il s'agit d'un projectile 10 dont seule la partie relative au guidage par impulseur sera ci-après décrite.
Le projectile comporte de part et d'autre du centre de gravité G deux groupe 29, 30 d'impulseurs de guidage.
Dans le cas représenté il s'agit d'impulseurs annulaires occupant toute la section du projectile à l'exception d'un canal central 20. Chaque groupe d'impulseurs 29, 30 comporte trois impulseurs 1, 3, 5 pour le groupe 29 et 2, 4, 6 pour le groupe 30. Les impulseurs 1 et 2 comportent chacun une tuyère 11, 12 respectivement. Les gaz produits par les impulseurs 1, 3, 5 du groupe 29 débouchent dans la tuyère 11 située en avant du centre de gravité G du projectile. Les gaz produits par les impulseurs 2, 4, 6 du groupe d'impulseurs 30 débouchent dans la tuyère 12 située en arrière du centre de gravité G du projectile 10. Les impulseurs 1 et 2 qui sont les plus proches des tuyères 11 et 12 respectivement ont été représentés un peu plus volumineux en raison de la présence de la tuyère et de la forme de la chambre de combustion prévue pour canaliser le jet de gaz vers la tuyère. La partie arrière d'un impulseur est la partie proche de la tuyère, la partie avant est celle qui est éloignée de la tuyère. Ainsi pour l'impulseur 11 la partie avant de l'impulseur est celle qui est en avant du projectile. Pour l'impulseur 12 disposé symétriquement à l'impulseur 11 par rapport à un plan transversal passant par le centre de gravité G la partie arrière se situe d'avantage en avant du projectile que la partie avant de l'impulseur. Cette dernière se situe d'avantage en arrière du projectile. Chaque impulseur comporte dans le cas représenté une double cloison latérale composée d'une paroi latérale interne entourant le canal central 20 et d'une paroi latérale externe proche de la paroi latérale extérieure du projectile. Ces deux parties de parois sont cylindriques et centrées sur l'axe XX' du projectile. Chaque impulseur comporte également une cloison arrière 13, 15, 17 pour les impulseurs 1, 2, 3 du groupe 29 et 14, 16, 18 pour les impulseurs 2, 4, 6 du groupe 30.
Les cloisons arrière 13, 15 et 14, 16 qui séparent les impulseurs 1 et 3, 3 et 5, 2 et 4, et 4 et 6 respectivement sont chacune munie d'un fond diode 21, 23 et 22, 24 respectivement. Les caractéristiques des fonds diodes sont identiques et seront commentées ci-après pour les fonds diodes équipant les cloisons 13 et 14. Les fonds diodes 21 et 22 ont chacun une face arrière 25, 26 respectivement, tournée vers l'arrière des impulseurs 1 et 2 respectivement et une face avant 27, 28 tournée vers l'avant des impulseurs 1 et 2 respectivement. Les cloisons arrière 13 et 15 séparent les impulseurs 1, 3 et 3, 5 respectivement. Les cloisons arrière 14, 16 séparent les impulseurs 2, 4 et 4, 6 respectivement. Les faces arrières 25, 26 des cloisons diodes 21, 22 sont tournées vers l'intérieur des impulseurs 1 et 2 respectivement. Les faces avant 27, 28 des cloisons 21, 22 sont tournées vers l'intérieur des chambres de combustion des impulseurs 3 et 4 respectivement. Les cloisons diode 21 et 22 résistent à une pression exercée sur leur face 25, 26 respectivement, c'est à dire lorsque cette pression est présente dans la chambre de combustion de chacun des impulseurs 1 et 2 respectivement.
Par contre de façon connue par exemple du brevet EP 0 312 139, ces cloisons diode ne résistent pas à une pression exercée sur leur face 27, 28 respectivement, c'est à dire à une pression présente à l'intérieur des chambres de combustion des impulseurs 3 et 4 respectivement. Il en est de même des cloisons diode 23 et 24 qui résistent à une pression exercée dans les chambres de combustion des impulseurs 3 et 4 respectivement mais cèdent à une pression exercée sur leur face opposée dans les chambres de combustion des impulseurs 5 et 6 respectivement.
Un exemple d'implantation d'une cloison diode par exemple entre les impulseurs 4 et 2 de la figure 4 sera maintenant exposée en liaison avec les figures 5 à 7.
La figure 5 représente une coupe transversale par exemple de l'impulseur 4, effectuée sur l'arrière de cet impulseur au niveau de la cloison diode 22, niveau matérialisé par la ligne CC de la figure 6.
La cloison diode 22 est située dans un secteur angulaire dont le volume n'est pas occupé par le propergol 31 d'un allumeur 32. Le propergol 31 de cet allumeur a une forme de couronne incomplète de façon à ménager un secteur angulaire 33 vide de propergol. La cloison diode 22 est installée dans ce secteur angulaire au niveau de la cloison arrière 14 de l'impulseur 4.
Le fonctionnement est le suivant. Lorsqu'une correction de trajectoire est nécessaire l'impulseur 1 par exemple est allumé. Il provoque une rotation sur lui-même du projectile. Pour stopper cette rotation l'impulseur 2 est allumé ensuite. Dans le projectile représenté figure 4 les tuyères 11 et 12 ont été représentées avec la même position angulaire de roulis. Cette disposition permet cependant de façon connue par exemple par le brevet US - A 4.408.735 de la Demanderesse de modifier l'orientation en tangage ou lacet en bénéficiant de la rotation résiduelle en roulis toujours présente sur un projectile. Les cloisons diode 21 et 22 résistent à la pression exercée dans la chambre de combustion des impulseurs 1 et 2, respectivement. Lorsqu'une nouvelle correction de guidage est nécessaire l'impulseur 4 par exemple est allumé, puis pour stopper la rotation l'impulseur 3. Les cloisons diodes cèdent au delà d'une pression prédéterminée. Cette pression est choisie supérieure à la pression nécessaire pour allumer l'impulseur, puisque du fait de l'allumage, des propulseurs 1 et 2 les opercules d'allumage des tuyères 11 et 12 ne sont plus présents. Lorsque les cloisons 21 et 22 ont cédé, les gaz de combustion des impulseurs 3 et 4 respectivement peuvent s'échapper par les tuyères 11 et 12 à travers la chambre de combustion des impulseurs 1 et 2 respectivement. Le fonctionnement est le même pour les impulseurs 5 et 6 respectivement qui seront utilisés pour la troisième correction.
Naturellement l'invention n'est pas limitée au mode représenté figure 4. Le nombre de paires d'impulseurs peut être différent. Le canal annulaire central 20 n'est pas obligatoire. Les formes à section circulaire ont été choisies en fonction de leur facilité de réalisation mais d'autres formes sont possible. Les tuyères ont été placées relativement proches du centre de gravité, avec des bras de leviers de même longueur mais l'on pourrait envisager des bras inégaux avec des impulsions totales différentes pour les impulseurs de chacun des groupes.
De même l'implantation de la cloison diode, telle que représentée figures 5 à 7 est adaptée pour un projectile dans lequel des équipements sont implantés dans un canal central 20. Avec une autre architecture d'impulseur, par exemple cylindrique, implantée le long de l'axe du projectile, la cloison diode pourrait occuper le centre de l'impulseur.

Claims

Projectile (10) ayant un axe longitudinal XX', un centre de gravité G, et muni d'impulseurs de guidage répartis en n paires, chaque paire comportant un premier (1, 3...2n-1) et un second (2, 4, 6...2n) impulseur, chaque premier impulseur (1, 3...(2n-1) débouchant dans une tuyère (11) située en avant du centre de gravité G du projectile et chaque second impulseur (2, 4, 6...2n) débouchant dans une tuyère située en arrière du centre de gravité du projectile, chacun des impulseurs ayant une chambre de combustion, projectile (10) caractérisé en ce que l'ensemble des premiers impulseurs (1, 3...2n-1 ;) d'une paire constitue un premier groupe (29) d'impulseurs auquel appartiennent les impulseurs (1, 3 ..., 2n-1 ;), l'ensemble des seconds impulseurs d'une paire constitue un second groupe (30) d'impulseurs auquel appartiennent les impulseurs (2, 4... 2n ;), les chambres de combustion des impulseurs dans chacun des groupes étant séparées l'une de l'autre par une cloison diode (21, 23 ; 22, 24) ayant deux faces (25, 27 ; 26, 28), une première (25, 26) et une seconde (27, 28), cette cloison résistant lorsque sa première face (25, 26) est soumise à une pression sensiblement plus forte que celle exercée au même moment sur sa seconde face (27; 28) et cédant lorsque sa seconde face (27, 28) est soumise à une pression sensiblement plus forte que celle exercée au même moment sur sa première face (25, 26), les chambres de combustion de chacun des impulseurs d'un groupe étant en communication, directe pour l'un des impulseurs (1, 2), et par l'intermédiaire de une ou plusieurs cloisons diodes pour chacun des autres impulseurs 3, 5 ... 2n-1 ; 4, 6...2n) du groupe avec une tuyère (11, 12) unique pour le groupe, la tuyère (11) des impulseurs (1, 3... 2n-1) du premier groupe (29) étant en avant du centre de gravité G et la tuyère (12) des impulseurs (2, 4, 6...2n) du second groupe (30) étant en arrière du centre de gravité G.