EP1767894B1 - Dispositif embarqué de génération de décharges plasma pour le pilotage d'un engin supersonique ou hypersonique - Google Patents
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Classifications
-
- 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
- F42B10/668—Injection of a fluid, e.g. a propellant, into the gas shear in a nozzle or in the boundary layer at the outer surface of a missile, e.g. to create a shock wave in a supersonic flow
Definitions
- the present invention relates in particular to the field of arrangements for guiding or piloting self-propelled or non-propelled projectiles or missiles, and relates to a method, as well as an associated device, for controlling a projectile, such as, for example, that a shell, bullet or missile, commonly known as a craft.
- thermosphere Steering a flying machine in the thermosphere, that is to say practically in the vacuum, can be done with a plasma accelerator (plasma thruster) as described in the patent US3151259 .
- plasma accelerator plasma thruster
- Steering a flying craft in the atmosphere, that is to say in the troposphere can be performed, for example, by the deployment of airfoils or by the operation of a pyrotechnic device.
- FR0212906 starting point for the preamble of claim 1 respectively 11 which describes a method for deflecting a hypervelocity projectile in a direction Y, such as, for example, a shell, bullet or missile, having a nose, generally cone-shaped having a more or less pointed end, characterized in that it consists of performing a plasma discharge on a limited sector of the outer surface of the nose and on the Y direction side.
- This patent application also describes a device for implementing this method comprising a triggered spark gap, two electrodes and a high voltage generator.
- the figure 1 presents the breakdown voltage Vd between two planar electrodes 1 cm apart (d) placed in an enclosure containing nitrogen, according to the pressure p.
- the breakdown voltage is the minimum voltage whose application causes a disruption between the electrodes; at the end of the disruption, an arc is formed which becomes a conductive medium joining the electrodes.
- Vd obeys Paschen's law, it is only a function of the product of pressure p of the middle by the inter-electrode distance d.
- the curve deviates from this law. Indeed, the voltages are high enough for the electric field on the surface of the electrodes to tear electrons.
- Part I corresponds to the vacuum in which the plasma thrusters work; in this part, Vd is practically independent of the product pd
- the aim of the invention is to solve these drawbacks by proposing a method of piloting a hypervelocity projectile, that is to say one whose speed is greater than the speed of sound, having no moving part, which can be implemented as many times as necessary and making it possible to generate a plasma for a sufficient duration without requiring an oversizing of the voltage generator.
- the maintenance or the increase of the plasma ionization on the second sector will be called plasma energy supply in the following.
- the supply of the energy plasma to the second sector is carried out for at least one millisecond.
- the first step consists in carrying out at least a first voltage discharge T1 between at least a first and a second electrode (A; B) delimiting the first limited sector of the surface of the projectile and on the directional side. Y, this discharge being able to break the dielectric barrier between the two electrodes (A; B), then to apply a voltage T3 between the same two electrodes (A; B) capable of generating a plasma, and to apply a voltage T2 between at least two electrodes (B; C) delimiting the second limited sector of the outer surface of the projectile and the Y direction side, this voltage being able to supply said plasma with energy.
- said at least one voltage discharge T2 applied between said at least two electrodes (B; C) delimiting the second sector and able to supply the plasma with energy is generated on a sector, at least in part, farther from the end of the nose than the first sector.
- said first voltage discharge T1 consists of a discharge of a high voltage level and low energy, ie less than the deciJoule.
- the low energy plasma generated on the first sector serves as a contactor on the second sector where a high energy plasma is obtained.
- a method according to the invention comprises an additional step consisting, after having generated said plasma on the first sector, to maintain this plasma on this first sector, preferably with at least one low voltage voltage discharge T3.
- said at least one second voltage discharge T2 consists of a discharge of a low voltage level and medium energy, namely greater than Joule.
- the first step consists in generating at least a first high-voltage discharge of at least 5kV capable of breaking the dielectric barrier present between said at least first and second electrodes (Paschen's law) to generate a plasma and the second step in at least a second low voltage discharge of less than 1000V able to supply said plasma with energy.
- a method according to the invention consists of a single first high voltage discharge and several successive discharges of low voltage.
- a method according to the invention consists in generating a plasma on a first limited sector of the nose of the projectile and in supplying this plasma with energy on a second limited sector of the nose of the projectile.
- the invention also relates to a device for controlling a hypervelocity projectile according to independent claim 11.
- these at least three electrodes are aligned longitudinally, preferably in the direction M parallel to the rectilinear movement of the projectile.
- the first and second means each comprise a low-voltage generator and at least one low-voltage capacitor.
- said first means are capable of generating, between said first and second electrodes, at least one high voltage T1 discharge and then, preferably, low voltage T3, these first means being preferentially able to store a low quantity of energy, know lower than the deciJoule for high voltage and the order of Joule for low voltage.
- said second means are capable of generating a low voltage discharge T2, these second means preferably being able to store a high amount of energy, namely at least equal to 5 Joule.
- the invention also relates to a projectile using a device according to the invention.
- a shock wave occurs upstream of its nose.
- the pressures distributed over its surface are balanced and the shock wave has symmetries depending on the shape of the vehicle.
- the wave is attached to the tip of the cone and is conical in shape.
- the figure 2 presents the result of a numerical simulation of a machine of longitudinal axis X flying at a supersonic speed in direction Z of the arrow. It shows integrally a machine 1 and half of two other surfaces 2 and 3.
- the machine comprises a front portion 4 conical and a rear portion 5 cylindrical. Said surfaces 2 and 3 characterize a constant pressure in the flow.
- the surface 2 attached to the tip of the machine represents the surface of the conical shock wave while the surface 3 attached to the discontinuity of the surface of the machine (cone-cylinder junction) characterizes a relaxation wave.
- the invention applied to such a projectile consists in unbalancing the flow around the nose of the machine by producing a plasma discharge, for example towards the end 29 of the nose as close as possible to the point, in order to realize an incidence of the machine.
- This plasma discharge carried out on a limited angular sector modifies the boundary layer which surrounds the surface of the machine.
- the objective is therefore to produce a discharge such that the imbalance of the thermodynamic quantities is large enough to cause the deviation of the machine relative to a straight path.
- the figure 3 shows the result of a numerical simulation of the same machine operating under the same supersonic flight conditions as a plasma discharge is applied near the tip.
- Each of the two surfaces 7 and 3 shown therein features a constant pressure in the flow.
- the figure 4 shows the dissymmetry of the density distribution of the surrounding air over half of the surface of the projectile and in the plane of symmetry of the flow for the chosen example.
- This density is substantially constant and equal to 1 kg / m 3 between the points A and B situated opposite the plasma discharge 6 and downstream, with respect to the Z direction of the projectile, from the plasma discharge (zone C ), while it is very low (of the order of 2.7 • 10 -2 kg / m 3 ) at the level of the skin E of the projectile upstream of the plasma discharge 6.
- it is maximal, of the order of 3kg / m 3 at point D at the plasma discharge 6.
- the figure 5 shows a diagram of a part of a device according to one embodiment of the invention.
- This part has a cone-shaped nose 4 of a hypervelocity projectile. Near the end 29 of the nose is shown a plasma discharge 6.
- a plasma discharge 6 is carried out in a first step on a limited sector 8 of the external surface of the nose and on the side of the direction Y and a second step of supplying this plasma with energy is then carried out.
- the figure 6 shows an exemplary embodiment of a device for generating a plasma according to the invention comprising two pairs of electrodes, namely A and B and B and C and first means 10 for generating a high voltage T1 and D a low voltage T3 between the electrodes A and B, and second means 20 for generating a low voltage T2 between the electrodes B and C.
- the voltage T1 generated by the first means 10 is able to break the barrier of the dielectric is located between the electrodes A and B or, in other words to ionize the gas present between these electrodes, then the voltage T3 is able to maintain this ionization between the said same two electrodes, while the voltage T2 is able to increase the ionizing said gas between the electrodes B and C.
- the first means generate a voltage T1 consisting of a level of 10kV with a low stored energy of the order of 3mJ followed by a voltage level T3 of 0.55kV with a stored energy of 12J, while that the second means 20 generate a voltage T2 of 0.55 kV with a high stored energy of the order of 50J by the use of a capacity of 330 ⁇ F.
- the plasma is generated by high voltage discharge (s). This (these) discharge (s) is (are) triggered (s) from a low level electrical or optical signal external to the present device (these) discharge (s) delivers (s) sufficient energy to the priming the plasma.
- the design optimizes the stored electrical energy prior to tripping and the voltage pulse appropriate to the conditions of the plasma discharge.
- This figure 6 shows the application of the device of generation of a plasma to a hyperveloce projectile of which only the front part, in this case the nose is represented.
- This projectile is supposed to move in direction M with a speed V.
- the device comprises three electrodes, one of which is common to the first and second means for generating a voltage. These three electrodes C, B and A are aligned along said direction M.
- the projectile is supposed to move in the air at a high speed in the direction M perpendicular to the Y direction.
- a plasma discharge is generated, which plasma is then supplied with energy. It consists of proceeding, on the side of the direction Y and with the aid of a device according to the invention, to a plasma discharge on a first limited sector 28 of the external surface of the nose, this sector 28 being delimited by the electrodes A and B and then supplying this plasma energy on a second limited sector 27 of the external surface of the nose, this sector 27 being delimited by the electrodes B and C.
- a high voltage discharge is applied by the first means 10 to the electrodes A and B, producing between them a voltage difference T1.
- This voltage difference is sufficient to break the dielectric barrier of the air and generate a microplasma. Then a low voltage supply is applied by the first means 10 to the electrodes A and B, producing between them a voltage difference T3 sufficient to ionize the air, thereby generating a plasma on the sector 28. Given its speed, the projectile moves relative to the generated plasma. When the plasma is found on the second sector 27 delimited by the electrodes B and C, successive low voltage discharges are applied by the second means 20 to the electrodes B and C, producing between them a voltage difference T2. These low voltage discharges are sufficient to maintain the plasma, that is to say maintain its existence for a period of several milliseconds, sufficient to allow the deflection of the projectile.
- three groups of electrodes each having three electrodes A, B and C, are distributed on the circumference of the nose of the projectile.
- the three pairs of electrodes A and B are each connected to their own first means 10 while the three pairs of electrodes B and C are each connected to their own second means 20.
- Such an arrangement makes it possible to deviate, possibly by combining said groups, the projectile in all directions.
- the figure 8 presents a diagram of a control circuit of the voltage applied to the electrodes arranged according to the implantation of the figure 7 .
- This circuit comprises a control device 40 controlling the voltage distributing trip units 41 and 42 which respectively control the first and second means 10 and 20 for generating a voltage.
- These generators 10 and 20 are each respectively connected to each of the electrodes A and B and the other to each of the electrodes B and C.
- control device 40 controls via the distributing trip units 41 and 42 and the first and second means 10 and 20 for generating a voltage, on the one hand the generation of the appropriate difference in voltage, namely high voltage and then low voltage for the first means for generating a voltage and low voltage for the second means, and secondly the delivery of these voltages to the group (30, 31, 32) of electrodes corresponding to the desired direction of deviation.
- the drag of the machine, the force and the moment of piloting can be determined by calculation. Even in the case where efforts are low, this device is interesting because by acting near the tip of the machine, a small dissymmetry of the flow destabilizes the projectile and allows its piloting.
- the use of the same device, or of another device according to the invention placed at another place on the projectile, can be used to stabilize the projectile again on its trajectory.
- this device can be associated with means allowing its control, such as, for example, a GPS system, a self-steering type system, a remote control system, or any other system for knowing the roll position of the machine.
- a plasma discharge whose temperature is about 15000K, is carried out on a surface of 9 mm 2 near the tip of the projectile which requires a momentum corresponding to a mass flow rate of an explosive substance of about 15 ⁇ 10 -4 kg / s corresponding to a power of about 3 kVA.
- the duration of the discharge being between 2 and 4 ms, the electrical energy is of the order of ten Joules.
- the intensity of the discharge can be modulated by acting on the thermodynamic parameters such as the temperature in the discharge and the associated momentum.
- the effect on the aerodynamic effects is interesting.
- the aerodynamic effects are first evaluated by numerical simulation in the case of the unmanned projectile moving on a straight trajectory at zero incidence.
- the aerodynamic coefficients are calculated only for the front body of the projectile, the wake is therefore not taken into account:
- the coefficient of lift Cz and the moment coefficient Cm calculated at the tip of the projectile are obviously zero.
- the shape of the nose can be any and not necessarily revolution.
- the invention can also be applied to sectors not located on the nose of the machine, and may be on the cylindrical surface, on empennages or bearing surfaces of the machine.
- several electrodes, preferably arranged in parallel can be used to generate a plasma and / or several electrodes, preferably arranged in parallel can be used to maintain one or more generated plasmas.
- many provisions of said first second, third and fourth electrodes are possible.
- the first and second electrodes may be aligned longitudinally or be arranged perpendicularly or even take an intermediate position between these two positions. It is the same for the third and fourth electrodes.
- At least a portion of the sector delimited by the third and fourth electrodes is further away from the end of the nose of the projectile than that delimited by the first and second electrodes.
- the angle formed by the longitudinal axis and these electrodes can reach ⁇ Rd if these electrodes are positioned at the nose of the projectile.
- each group of electrodes may be positioned at any other location of the projectile to be determined for each particular application depending on the mission assigned to it.
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Description
- La présente invention concerne notamment le domaine des dispositions pour le guidage ou le pilotage des projectiles autopropulsés ou non ou des missiles et a pour objet un procédé, ainsi qu'un dispositif associé, de pilotage d'un projectile tel, par exemple, qu'un obus, une balle ou un missile, communément appelé engin.
- Le pilotage d'un engin volant dans la thermosphère, c'est-à-dire pratiquement dans le vide, peut se faire avec un accélérateur à plasma (plasma thruster) comme décrit dans le brevet
US3151259 . - Le pilotage d'un engin volant dans l'atmosphère, c'est-à-dire dans la troposphère peut notamment être effectué, par exemple, par le déploiement de surfaces portantes ou par le fonctionnement d'un dispositif pyrotechnique.
- L'inconvénient principal des surfaces portantes se situe au niveau de leur déploiement qui nécessite des efforts importants, d'autant plus important que la vitesse de l'engin l'est aussi, et une résistance du dispositif à de très fortes pressions rencontrées à vitesses supersoniques. En outre, ce type de pilotage nécessite un temps long de réaction qui peut être un inconvénient majeur si l'engin est stabilisé par rotation et qui est pénalisant pour sa manoeuvrabilité.
- Pour un engin volant, le principal inconvénient du pilotage par le fonctionnement d'un dispositif pyrotechnique est qu'il ne peut fonctionner qu'une seule fois.
- Pour résoudre ces inconvénients, on connaît la demande de brevet
FR0212906 - Cette demande de brevet décrit aussi un dispositif de mise en oeuvre de ce procédé comportant un éclateur déclenché, deux électrodes et un générateur de haute tension.
- La
figure 1 présente la tension disruptive Vd entre deux électrodes planes distantes de 1 cm (d) placées dans une enceinte contenant de l'azote, en fonction de la pression p. La tension disruptive est la tension minimale dont l'application provoque une disruption entre les électrodes ; à l'issue de la disruption se forme un arc qui devient un milieu conducteur réunissant les électrodes. Dans la partie II de la courbe, Vd obéit à la loi de Paschen, elle n'est fonction que du produit de la pression p du milieu par la distance inter-électrodes d. Aux deux extrémités I et III, la courbe s'écarte de cette loi. En effet, les tensions y sont suffisamment élevées pour que le champ électrique à la surface des électrodes y arrache des électrons. La partie I correspond au vide dans lequel fonctionnent les accélérateurs à plasma (plasma thruster) ; dans cette partie, Vd est pratiquement indépendant du produit p.d. - L'analyse de cette figure montre que dans la troposphère, donc entre le sol et 16-17 km d'altitude, où la pression statique environnante P0 est supérieure à 104 Pa et où, compte-tenu de la vitesse V de l'engin, la pression P à la surface de sa pointe est supérieure à P0 , une haute-tension est nécessaire à la rupture de la barrière diélectrique présente entre deux électrodes alimentées en courant. Aussi, la partie III correspond aux pressions élevées, supérieures à la pression atmosphérique au niveau du sol et notamment à la pression P régnant au niveau de la pointe de l'engin en vol supersonique.
- Aussi, pour assurer une déviation importante du projectile avec un dispositif selon le brevet
FR0212906 - Le but de l'invention est de résoudre ces inconvénients en proposant un procédé de pilotage d'un projectile hypervéloce, c'est-à-dire dont la vitesse est supérieure à la vitesse du son, ne présentant aucune pièce en mouvement, pouvant être mis en oeuvre autant de fois que nécessaire et permettant de générer un plasma pendant une durée suffisante sans nécessiter un surdimensionnement du générateur de tension.
- La solution apportée est un procédé selon la revendication indépendante 1.
- L'entretien ou l'augmentation de l'ionisation du plasma sur le second secteur sera appelé alimentation du plasma en énergie dans la suite.
- Selon une caractéristique additionnelle, l'alimentation du plasma en énergie sur le second secteur est réalisée pendant au moins une milliseconde.
- Selon une caractéristique particulière, la première étape consiste à procéder à au moins une première décharge de tension T1 entre au moins une première et une seconde électrodes (A ; B) délimitant le premier secteur limité de la surface du projectile et du côté de la direction Y, cette décharge étant apte à rompre la barrière diélectrique entre les deux électrodes (A ; B), puis à appliquer une tension T3 entre les deux mêmes électrodes (A ; B) apte à générer un plasma, et à appliquer une tension T2 entre au moins deux électrodes (B ; C) délimitant le second secteur limité de la surface externe du projectile et du côté de la direction Y, cette tension étant apte à alimenter ledit plasma en énergie.
- Selon une caractéristique particulière, ladite au moins une décharge de tension T2, appliquée entre lesdites au moins deux électrodes (B ; C) délimitant le second secteur et apte à alimenter le plasma en énergie, est générée sur un secteur, au moins en partie, plus éloigné de l'extrémité du nez que le premier secteur.
- Selon une caractéristique particulière, ladite première décharge de tension T1 est constituée d'une décharge d'un niveau haute tension et de faible énergie, à savoir inférieure au déciJoule.
- Le plasma faiblement énergétique généré sur le premier secteur sert de contacteur sur le second secteur où un plasma fortement énergétique est obtenu.
- Selon une caractéristique particulière, un procédé selon l'invention comporte une étape supplémentaire consistant, après avoir généré ledit plasma sur le premier secteur, à entretenir ce plasma sur ce premier secteur, préférentiellement avec au moins une décharge de tension T3 basse tension.
- Selon une caractéristique particulière, ladite au moins une seconde décharge de tension T2 est constituée d'une décharge d'un niveau basse tension et de moyenne énergie, à savoir supérieure au Joule.
- Par haute et basse tension, il faut comprendre respectivement une tension supérieure à 1000V et une tension inférieure à 1000V.
- Selon une caractéristique particulière, la première étape consiste à générer au moins une première décharge de haute tension d'au moins 5kV apte à rompre la barrière diélectrique présente entre lesdites au moins une première et une seconde électrodes (loi de Paschen) pour générer un plasma et la deuxième étape en au moins une seconde décharge de basse tension de moins de 1000V apte à alimenter ledit plasma en énergie.
- Selon une caractéristique préférentielle, un procédé selon l'invention consiste en une seule première décharge haute tension et en plusieurs décharges successives de basse tension.
- Selon une autre caractéristique, un procédé selon l'invention consiste à générer un plasma sur un premier secteur limité du nez du projectile et à alimenter ce plasma en énergie sur un second secteur limité du nez du projectile.
- L'invention concerne aussi un dispositif de pilotage d'un projectile hypervéloce selon la revendication indépendante 11.
- Selon une caractéristique particulière, ces au moins trois électrodes sont alignées longitudinalement, préférablement selon la direction M parallèle au déplacement rectiligne du projectile.
- Selon une caractéristique particulière, les premier et second moyens comportent chacun un générateur basse tension et au moins un condensateur basse tension.
- Selon une caractéristique particulière, lesdits premiers moyens sont aptes à générer, entre lesdites première et seconde électrodes, au moins une décharge T1 haute tension puis, préférentiellement T3 basse tension, ces premiers moyens étant préférentiellement aptes à stocker une quantité faible d'énergie, à savoir inférieure au déciJoule pour la haute tension et de l'ordre du Joule pour la basse tension.
- Selon une autre caractéristique particulière, lesdits seconds moyens sont aptes à générer une décharge T2 basse tension, ces seconds moyens étant préférentiellement aptes à stocker une quantité élevée d'énergie, à savoir au moins égale à 5 Joule.
- L'invention concerne aussi un projectile utilisant un dispositif selon l'invention.
- D'autres avantages et caractéristiques apparaîtront dans la description de modes particuliers de réalisation de l'invention au regard des figures annexées parmi lesquelles:
- La
figure 2 montre un schéma de l'onde de choc au nez engendrée par un projectile supersonique et l'onde de détente due à la discontinuité de la surface du projectile. - La
figure 3 montre le résultat d'une simulation numérique du même engin évoluant dans les mêmes conditions de vol supersonique que précédemment auquel est appliquée une décharge plasma. - La
figure 4 montre la dissymétrie de la distribution de la masse volumique de l'air environnant sur la moitié de la surface du projectile et dans le plan de symétrie de l'écoulement pour l'exemple choisi. - La
figure 5 présente un schéma d'un dispositif selon un mode de réalisation de l'invention. - La
figure 6 montre un exemple de réalisation d'un dispositif de génération d'un plasma selon l'invention. - La
figure 7 montre un exemple d'implantation de trois groupes d'électrodes disposées à 2π/3 Radians les uns des autres. - La
figure 8 présente un schéma de commande des électrodes disposées selon l'implantation de lafigure 6 , - La
figure 9 montre un exemple d'un dispositif selon l'invention selon un mode particulier de réalisation - Les
figures 10a à 10f précisent les différentes étapes et sous-étapes de fonctionnement d'un dispositif selon lafigure 9 . - Dans le cas d'un engin hypervéloce, une onde de choc se produit à l'amont de son nez. Lorsque l'engin vole sur une trajectoire rectiligne les pressions réparties sur sa surface sont équilibrées et l'onde de choc présente des symétries suivant la forme de l'engin. Dans le cas d'un projectile constitué d'un nez conique, l'onde est attachée à la pointe du cône et elle est de forme conique.
- La
figure 2 présente le résultat d'une simulation numérique d'un engin d'axe longitudinal X volant à une vitesse supersonique dans le sens Z de la flèche. Elle montre intégralement un engin 1 et la moitié de deux autres surfaces 2 et 3. L'engin comporte une partie avant 4 conique et une partie arrière 5 cylindrique. Lesdites surfaces 2 et 3 caractérisent une pression constante dans l'écoulement. La surface 2 attachée à la pointe de l'engin représente la surface de l'onde de choc conique tandis que la surface 3 attachée à la discontinuité de la surface de l'engin (jonction cône-cylindre) caractérise une onde de détente. - L'invention appliquée à un tel projectile consiste à déséquilibrer l'écoulement autour du nez de l'engin en produisant une décharge plasma, par exemple vers l'extrémité 29 du nez au plus près de la pointe, afin de réaliser une mise en incidence de l'engin. Cette décharge plasma réalisée sur un secteur angulaire limité modifie la couche limite qui entoure la surface de l'engin. L'objectif consiste donc à produire une décharge telle que le déséquilibre des grandeurs thermodynamiques soit assez important pour provoquer la déviation de l'engin par rapport à une trajectoire rectiligne.
- L'absence de pièces en mouvement et la répétitivité des décharges constituent les principaux avantages de cette technique. En effet, le contrôle de l'engin sur sa trajectoire peut être réalisé par des décharges répétitives actionnées à la demande en fonction de la trajectoire désirée.
- La
figure 3 montre le résultat d'une simulation numérique du même engin évoluant dans les mêmes conditions de vol supersonique que précédemment auquel est appliquée une décharge plasma près de la pointe. Chacune des deux surfaces 7 et 3 qui y est représentée, caractérise une pression constante dans l'écoulement. - On constate qu'à la pointe de l'engin 1, l'onde de choc 7 est déviée sous l'action de la décharge plasma 6.
- La
figure 4 montre la dissymétrie de la distribution de la masse volumique de l'air environnant sur la moitié de la surface du projectile et dans le plan de symétrie de l'écoulement pour l'exemple choisi. Cette masse volumique est sensiblement constante et égale à 1 kg/m3 entre les points A et B situés à l'opposé de la décharge plasma 6 et en aval, par rapport à la direction Z du projectile, de la décharge plasma (zone C), tandis qu'elle est très faible (de l'ordre de 2,7•10-2kg /m3) au niveau de la peau E du projectile en amont de la décharge plasma 6. Par contre elle est maximale, de l'ordre de 3kg/m3, au point D au niveau de la décharge plasma 6. - La
figure 5 présente un schéma d'une partie d'un dispositif selon un mode de réalisation de l'invention. Cette partie comporte un nez 4 en forme de cône d'un projectile hypervéloce. A proximité de l'extrémité 29 du nez, est représentée une décharge plasma 6. - Pour dévier le projectile selon une direction Y perpendiculaire à l'axe longitudinal du projectile, il est procédé, selon une première étape, à une décharge plasma 6 sur un secteur limité 8 de la surface externe du nez et du côté de la direction Y et il est procédé alors à une seconde étape consistant à alimenter ce plasma en énergie.
- La
figure 6 montre un exemple de réalisation d'un dispositif de génération d'un plasma selon l'invention comportant deux couples d'électrodes, à savoir A et B et B et C et des premiers moyens 10 de génération d'une haute tension T1 et d'une basse tension T3 entre les électrodes A et B, et des seconds moyens 20 de génération d'une basse tension T2 entre les électrodes B et C. La tension T1 générée par les premiers moyens 10 est apte à rompre la barrière du diélectrique se trouvant entre les électrodes A et B ou, en d'autres termes à ioniser le gaz présent entre ces électrodes, puis la tension T3 est apte à entretenir cette ionisation entre les dites mêmes deux électrodes, tandis que la tension T2 est apte à augmenter l'ionisation dudit gaz entre les électrodes B et C. - Dans cet exemple de réalisation, les premiers moyens génèrent une tension T1 constituée d'un niveau de 10kV avec une énergie stockée faible de l'ordre de 3mJ suivi d'un niveau de tension T3 de 0,55kV avec une énergie stockée de 12J, tandis que les seconds moyens 20 génèrent une tension T2 de 0,55 kV avec une énergie stockée élevée de l'ordre de 50J par l'utilisation d'une capacité de 330µF. Le plasma est généré par décharge(s) à haute tension. Cette (ces) décharge(s) est (sont) déclenchée(s) à partir d'un signal électrique ou optique de faible niveau externe au présent dispositif cette (ces) décharge(s) délivre(nt) une énergie suffisante à l'amorçage du plasma. La conception permet d'optimiser l'énergie électrique stockée avant le déclenchement et l'impulsion de tension appropriée aux conditions de la décharge plasma.
- Cette
figure 6 montre l'application du dispositif de génération d'un plasma à un projectile hypervéloce dont seule la partie avant, en l'occurrence le nez est représenté. - Ce projectile est supposé se déplacer selon la direction M avec une vitesse V. Le dispositif comporte trois électrodes dont l'une est commune aux premiers et seconds moyens de génération d'une tension. Ces trois électrodes C, B et A sont alignées selon ladite direction M.
- Le fonctionnement de ce dispositif, pour faire dévier le projectile selon la direction Y, est le suivant :
- Le projectile est supposé se déplacer dans l'air à une vitesse élevée selon la direction M perpendiculaire à la direction Y. Pour dévier le projectile selon la direction Y, une décharge plasma est générée, ce plasma étant ensuite alimenté en énergie. Elle consiste à procéder, du côté de la direction Y et à l'aide d'un dispositif selon l'invention, à une décharge plasma sur un premier secteur 28 limité de la surface externe du nez, ce secteur 28 étant délimité par les électrodes A et B puis à alimenter ce plasma en énergie sur un second secteur 27 limité de la surface externe du nez, ce secteur 27 étant délimité par les électrodes B et C. Pour cela, une décharge haute tension est appliquée par les premiers moyens 10 aux électrodes A et B, produisant entre-elles une différence de tension T1. Cette différence de tension est suffisante pour rompre la barrière diélectrique de l'air et générer un microplasma. Puis une alimentation basse tension est appliquée par les premiers moyens 10 aux électrodes A et B, produisant entre-elles une différence de tension T3 suffisante à ioniser l'air, générant ainsi un plasma sur le secteur 28. Compte tenu de sa vitesse, le projectile se déplace par rapport au plasma généré. Lorsque le plasma se retrouve sur le second secteur 27 délimité par les électrodes B et C, des décharges basse tension successives sont appliquées par les seconds moyens 20 aux électrodes B et C, produisant entre-elles une différence de tension T2. Ces décharges basse tension sont suffisantes pour entretenir le plasma, c'est-à-dire maintenir son existence pendant une durée de plusieurs millisecondes, suffisante pour permettre la déviation du projectile.
- Comme montré sur la
figure 7 au titre d'un exemple, trois groupes d'électrodes comportant chacun trois électrodes A, B et C, sont répartis sur la circonférence du nez du projectile. Les trois couples d'électrodes A et B sont reliés chacun à leurs propres premiers moyens 10 tandis que les trois couples d'électrodes B et C sont reliés chacun à leurs propres seconds moyens 20. Un tel agencement permet de dévier, éventuellement par combinaison des dits groupes, le projectile dans toutes les directions. - La
figure 8 présente un schéma d'un circuit de commande de la tension appliquée aux électrodes disposées selon l'implantation de lafigure 7 . Ce circuit comporte un dispositif de commande 40 commandant les déclencheurs répartiteurs de tension 41 et 42 qui commandent respectivement les premiers et seconds moyens 10 et 20 de génération d'une tension. Ces générateurs 10 et 20 sont chacun connectés respectivement à chacune des électrodes A et B et l'autre à chacune des électrodes B et C. - Ainsi, le dispositif de commande 40 commande via les déclencheurs répartiteurs 41 et 42 et les premiers et seconds moyens 10 et 20 de génération d'une tension, d'une part la génération de la différence de tension adéquate, à savoir haute tension puis basse tension pour les premiers moyens de génération d'une tension et basse tension pour les seconds moyens, et d'autre part la délivrance de ces tensions au groupe (30, 31, 32) d'électrodes correspondant à la direction de déviation voulue.
- La traînée de l'engin, la force et le moment de pilotage peuvent être déterminés par le calcul. Même dans le cas où les efforts seraient faibles, ce dispositif est intéressant car en agissant près de la pointe de l'engin, une petite dissymétrie de l'écoulement déstabilise le projectile et permet son pilotage. L'utilisation du même dispositif, ou d'un autre dispositif selon l'invention placé à un autre endroit sur le projectile, peut servir à stabiliser à nouveau le projectile sur sa trajectoire.
- Par ailleurs ce dispositif peut être associé à des moyens permettant son contrôle, tel, par exemple, un système GPS, un système du type autodirecteur, un système de commande à distance, ou tout autre système permettant de connaître la position en roulis de l'engin.
- A titre d'exemple, pour un projectile de calibre 20 mm volant au ras du sol dans des conditions normales à une vitesse correspondant à un nombre de Mach de 3,2 et dont l'avant est constitué d'un cône de 20° d'angle au sommet et d'une partie cylindrique ne comportant pas de surface portante, une décharge de plasma, dont la température est d'environ 15000K, est réalisée sur une surface de 9 mm2 à proximité de la pointe du projectile ce qui nécessite une quantité de mouvement correspondant à un débit massique d'une substance explosible d'environ 15·10-4 kg/s correspondant à une puissance d'environ 3 kVA. La durée de la décharge étant comprise entre 2 et 4 ms, l'énergie électrique est de l'ordre d'une dizaine de Joules.
- L'intensité de la décharge peut être modulée en agissant sur les paramètres thermodynamiques tels que la température dans la décharge et la quantité de mouvement associée.
- L'incidence sur les effets aérodynamiques est intéressante. Les effets aérodynamiques sont d'abord évalués par la simulation numérique dans le cas du projectile non piloté évoluant sur une trajectoire rectiligne à incidence nulle. Les coefficients aérodynamiques sont calculés uniquement pour l'avant corps du projectile, le sillage n'étant donc pas pris en compte :
- Le coefficient de traînée vaut Cx = 0,1157. Le coefficient de portance Cz et le coefficient de moment Cm calculé à la pointe du projectile sont bien évidemment nuls.
- Les coefficients aérodynamiques sont maintenant déterminés pour le projectile évoluant sur la trajectoire rectiligne à incidence nulle et piloté par une décharge plasma modélisée dans les conditions énoncées auparavant :
- Le coefficient de traînée vaut Cx = 0,0949. Le coefficient de portance vaut Cz = 0,0268 ce qui correspond à une force de 6 N orientée dans la direction d'action de la décharge. Le coefficient de moment calculé à la pointe du projectile vaut Cm = -0,0356 ce qui correspond à un moment de -0,1609 mN orienté de manière à accompagner les effets de la force de portance.
- L'analyse des résultats de cette simulation montre :
- une réduction de la traînée du projectile lors de la décharge plasma d'environ 18 % ce qui est très important ;
- que la force de pilotage agit dans la direction de la décharge ;
- que le moment de tangage contribue d'une façon bénéfique à la force de pilotage pour rendre le projectile manoeuvrant.
- Bien évidemment de nombreuses modifications peuvent être réalisées sans sortir du cadre de l'invention. Ainsi, la forme du nez peut être quelconque et pas forcément de révolution. L'invention peut aussi être appliquée à des secteurs non situés sur le nez de l'engin, et peuvent être sur la surface cylindrique, sur des empennages ou des surfaces portantes de l'engin. Par ailleurs, plusieurs électrodes, préférentiellement disposées en parallèle, peuvent être utilisées pour générer un plasma et/ou plusieurs électrodes, préférentiellement disposées en parallèle peuvent être utilisées pour entretenir un ou plusieurs plasmas générés.
En outre, au sein d'un même groupe d'électrodes, de nombreuses dispositions des dites premières secondes, troisième et quatrième électrodes sont possibles. Ainsi, les premières et secondes électrodes peuvent être alignées longitudinalement ou être disposées perpendiculairement voire prendre une position intermédiaire entre ces deux positions.
Il en est de même pour les troisième et quatrième électrodes. Cependant, dans tous les cas, au moins une partie du secteur délimité par les troisième et quatrième électrodes est plus éloignée de l'extrémité du nez du projectile que celui délimité par les première et seconde électrodes. Dans le cas où les première et seconde électrodes sont disposées perpendiculairement à l'axe longitudinal du projectile, l'angle formé par l'axe longitudinal et ces électrodes peut atteindre π Rd si ces électrodes sont positionnées au niveau du nez du projectile. Cependant, chaque groupe d'électrodes peut être positionné en tout autre lieu du projectile à déterminer pour chaque application particulière dépendant de la mission qui lui est dévolue.
Ces moyens de génération de tension sont constitués par un générateur basse tension 52 connectés à deux ensembles 53, 54 l'un apte à produire une haute tension suffisante pour générer un plasma entre les électrodes A et B et l'autre apte à produire une basse tension entre les électrodes B et C, et apte à alimenter en énergie le plasma généré par la haute tension lorsque celui-ci, du fait du déplacement du projectile, se retrouve entre les électrodes B et C.
Dans le cadre du premier ensemble 53, le générateur basse tension 52 est connecté, d'une part, à un premier condensateur 55 dont la sortie 56 est connectée au circuit primaire 57 et au circuit secondaire 58 d'un transformateur BT/HT 59 et, d'autre part, à une résistance 60 elle-même connectée à l'entrée 61 d'un second condensateur 62 dont la sortie 63 est connectée au circuit primaire 57 dudit transformateur 59. Par ailleurs la sortie 64 du transformateur 59 est connectée à l'électrode A tandis que ladite entrée 61 du condensateur 62 est aussi reliée à la sortie 56 du condensateur 55 via un interrupteur 65.
Le second ensemble 54 est constitué par un troisième condensateur 66 dont la sortie 67 est connectée à l'électrode C. Par ailleurs, l'électrode B est connectée à la masse.
La
Le déclenchement d'une décharge plasma se fait par la fermeture de l'interrupteur 65. A cet instant, le circuit primaire 57 du transformateur élévateur 59 est soumis à la basse tension du condensateur 62. Il apparaît instantanément une haute tension aux bornes du circuit secondaire 58 du transformateur 59 et donc sur l'électrode A. Ce transformateur 59 est dimensionné de façon à ce que la haute tension aux bornes de son secondaire soit suffisante pour rompre la barrière diélectrique entre les électrodes A et B.
Lorsque la barrière diélectrique est rompue entre les électrodes A et B, le condensateur 55 se décharge à travers le circuit secondaire 58 du transformateur 59 et alimente sous une basse tension le plasma entre les électrodes A et B.
Etant donné que le projectile se déplace, le volume de gaz ionisé entre les électrodes A et B va atteindre l'électrode C tel un contact glissant. Lorsque l'électrode C est atteinte, il y a conduction entre C et B et génération d'un plasma puissant alimenté sous une basse tension par le condensateur 66.
Les
La
Les
Le gaz entourant l'engin est ionisé entre les électrodes A et B sur le secteur 28 pendant une très courte durée à l'aide d'un transformateur basse-tension/haute-tension comme montré sur la
Etant donné que l'engin se déplace dans le gaz, le volume, préalablement ionisé sur le secteur 28, se déplace vers l'électrode C ; ceci n'est possible que parce que l'engin est en mouvement par rapport au gaz environnant. Cet état est schématisé par l'instant t1 de la
Les
Claims (22)
- Procédé pour dévier un projectile (1) hypervéloce évoluant dans un gaz, tel, par exemple, qu'un obus, une balle ou un missile, selon une direction perpendiculaire à son axe longitudinal, ce projectile comportant un nez (4), généralement en forme de cône présentant une extrémité (29) plus ou moins pointue, procédé consistant à générer une première décharge de haute tension apte à produire un plasma sur un premier secteur (28) limité de la surface du projectile et du côté de ladite direction perpendiculaire, procédé caractérisé en ce qu'il consiste à, ensuite, entretenir ce plasma et à générer une autre décharge de basse tension apte à alimenter ledit plasma en énergie sur un second secteur (27) limité de la surface du projectile (1) et du côté de ladite direction perpendiculaire, ces secteurs étant différents et pouvant ou non avoir une partie commune.
- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'entretien du plasma sur le second secteur (27) est réalisé pendant au moins une milliseconde.
- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il consiste à procéder à au moins une première décharge de tension T1 entre au moins une première et une seconde électrodes (A ; B) délimitant le premier secteur (28) limité de la surface du projectile et du côté de ladite direction perpendiculaire, cette décharge étant apte à rompre la barrière diélectrique entre les deux électrodes (A ; B), puis à appliquer une tension T3 entre les deux mêmes électrodes (A ; B) apte à générer un plasma, et à appliquer une tension T2 entre au moins deux électrodes (B ; C) délimitant le second secteur (27) limité de la surface externe du projectile et du côté de ladite direction perpendiculaire, cette tension étant apte à alimenter ledit plasma en énergie.
- Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la tension T2, appliquée entre lesdites au moins deux électrodes (B ; C) délimitant le second et apte à alimenter le plasma en énergie, est générée sur un secteur (27) plus éloigné de l'extrémité du nez (29) que le premier secteur (28).
- Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que ladite première décharge de tension T1 est une décharge haute tension.
- Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que la tension T3, appliquée entre lesdites au moins deux électrodes (A ; B) et apte à générer le plasma, est une basse tension.
- Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que la tension T2, appliquée entre lesdites au moins deux électrodes (B ; C) délimitant le second secteur (28) et apte à entretenir le plasma, est une basse tension.
- Procédé selon la revendication l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il consiste à générer au moins une première décharge de haute tension d'au moins 5kV apte à rompre la barrière diélectrique entre les deux électrodes et au moins une seconde décharge de basse tension de moins de 1000V apte à alimenter ledit plasma en énergie.
- Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 à 8, caractérisé en ce qu'il consiste en une seule première décharge haute tension et en plusieurs décharges successives de basse tension.
- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il consiste à générer un plasma sur un premier secteur (28) limité du nez (4) du projectile et à entretenir ce plasma sur un second secteur limité (27) du nez (4) du projectile.
- Dispositif de pilotage d'un projectile hypervéloce, tel, par exemple, qu'un obus, une balle ou un missile, comportant un nez, généralement en forme de cône, présentant une extrémité plus ou moins pointue et des moyens aptes à émettre une décharge plasma sur un secteur limité de la surface externe du projectile, ces moyens étant aptes à dévier le projectile selon une direction perpendiculaire à son axe longitudinal et étant aptes à générer une décharge de haute tension apte à produire un plasma sur un premier secteur (28) limité de la surface du projectile, caractérisé en ce que ces moyens comportent au moins un groupe (30 ; 31 ; 32) d'au moins trois électrodes (A ; B ; C) et sont aptes à générer une décharge de basse tension apte à alimenter ledit plasma en énergie sur un second secteur (27) limité de la surface du projectile (1), ces secteurs étant différents et pouvant ou non avoir une partie commune.
- Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que ces moyens peuvent comporter au moins un groupe (30 ; 31 ; 32) d'au moins trois électrodes (A ; B ; C) alignées.
- Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que ces moyens peuvent comporter au moins un groupe (30 ; 31 ; 32) d'au moins trois électrodes (A ; B ; C) alignées selon la direction M parallèle au déplacement rectiligne du projectile.
- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 11 à 13, caractérisé en ce qu'il comporte des premiers moyens (10) aptes à amorcer un plasma et des seconds moyens (20) aptes à alimenter ce plasma en énergie.
- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 11 à 14, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une première et une seconde électrodes (A ; B) reliées à des premiers moyens (10, 52, 60, 55, 61, 65, 59) de génération d'une tension aptes à générer une haute tension.
- Dispositif selon la revendication 15, caractérisé en ce que les premiers moyens (10) de génération d'une haute tension comportent un générateur basse tension (52) et au moins un condensateur basse tension (55, 62).
- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 11 à 15, caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux électrodes reliées à des seconds moyens (20, 52, 66) de génération d'une tension aptes à générer une basse tension.
- Dispositif selon les revendications 16 et 17, caractérisé en ce que les seconds moyens (20) de génération d'une basse tension comportent ledit générateur basse tension (52) et au moins un condensateur basse tension (66).
- Dispositif selon la revendication 17, caractérisé en ce que l'une au moins des première et seconde électrodes (A ; B) reliées aux premiers moyens de génération (10) d'une tension est plus proche de l'extrémité (29) du nez (4) du projectile (1) que celles (B ; C) reliées aux seconds moyens (20) de génération d'une tension.
- Dispositif selon les revendications 15 et 17, caractérisé en ce que l'une des dites électrodes (A ; B ; C) est commune aux premiers et aux seconds moyens (10 ; 20) de génération d'une tension.
- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 11 à 19, caractérisé en ce que les dites électrodes (A ; B ; C) sont positionnées en tout autre lieu de l'engin à déterminer pour chaque application particulière dépendant de la mission qui est dévolue à l'engin.
- Projectile comportant un dispositif selon l'une quelconque des revendications 11 à 21.
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WO1995031691A1 (fr) | Dispositif de decharge d'energie a effet de pression et/ou thermique |
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