FR2782790A1 - Systeme de commande d'un dispositif largue en chute libre - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un dispositif en chute libre (10) qui a un système de correction de trajectoire embarqué autonome. Une paire de faisceaux (16, 17) espacés de 90degre sont transmis depuis l'avant du dispositif à un angle de 450 par rapport à l'axe longitudinal (z) du dispositif. Les particules d'air dans le plan transversal devant le dispositif rediffusent le faisceau incident et renvoient un faisceau en suivant le même trajet que le faisceau incident, ce faisceau étant utilisé pour dériver des valeurs de vitesse de l'air et la direction dans ce plan. En fonction de ces valeurs, le profil aérodynamique du dispositif est modifié de manière à corriger l'effet des vents de travers. En variante, un seul faisceau oblique (16) est utilisé, le dispositif étant mis en rotation de sorte que le faisceau décrit un cône. Une attitude non-verticale du dispositif peut alors être compensée.

Description

La présente invention concerne un système de commande

pour commander le vol d'un dispositif en chute libre.

Des équipements sont déjà connus pour améliorer la

précision d'impact d'un dispositif en chute libre, en par-

ticulier une bombe, lâché par un avion. Un de ces équipe- ments consiste simplement à utiliser un avion spécialisé qui ne transporte pas lui-même la bombe pour mesurer le profil du vent dans le trajet o on a programmé de larguer

la cargaison, une manière commune d'effectuer ceci consis-

tant à utiliser un laser pulsé très puissant dirigé vers le bas en direction de la terre, le laser étant utilisé dans un système de sélection de distance. Les données de vitesse du vent pour les diverses tranches transversales le long du trajet nominal de la bombe sont transmises dans le

porte-bombes qui ajuste alors le point de largage transver-

sal réel de la bombe pour compenser les effets du vent.

Un second système utilise un récepteur GPS (Système global de positionnement) embarqué sur la bombe elle-même,

qui donne au circuit de commande de la bombe des informa-

tions concernant la trajectoire souhaitée. Tout écart par rapport à la trajectoire prédéterminée provoque une action

correctrice à effectuer en faisant varier le profil aérody-

namique de la bombe.

Un autre schéma est basé sur un système de guidage laser fonctionnant depuis le sol, de sorte que le circuit de commande embarqué sur la bombe oblige la bombe à suivre un ou plusieurs faisceaux laser réfléchis, transmis depuis

le sol de manière à garantir un point d'impact précis.

Tous ces systèmes ont des inconvénients d'un certain type. Ainsi, le premier équipement implique le coût d'un

avion spécialisé qui n'est pas impliqué dans le bombarde-

ment lui-même; le deuxième est de manière critique dépen-

dant du fonctionnement des satellites, de sorte que si les

satellites sont détériorés par une action ennemie, le sys-

tème de guidage échoue automatiquement; le troisième sys-

tème, tout en étant précis, implique à nouveau un coût con-

sidérable en termes d'équipement laser basé sur le sol et est également susceptible d'une attaque centrale sur cet équipement. Conformément à la présente invention, on a fourni un système de commande pour commander le vol d'un dispositif en chute libre après largage par un objet volant, compor- tant des moyens de détermination de vitesse pour déterminer la vitesse de l'air par rapport audit dispositif dans un

plan pratiquement parallèle au sol, des moyens de modifica-

tion de trajectoire pour modifier la trajectoire dudit dis-

positif dans ledit plan et des moyens de commande associés auxdits moyens de détermination de vitesse et auxdits moyens de modification de trajectoire destinés à commander

ladite trajectoire en fonction de la vitesse de l'air dé-

terminée.

Le plan est de préférence situé devant ledit disposi-

tif dans sa direction de vol. Les moyens de détermination de vitesse comportent une

source d'énergie rayonnante, ladite source étant opération-

nelle pour projeter au moins un faisceau d'énergie rayon-

nante devant le dispositif, la vitesse étant déterminée en utilisant ledit faisceau. Le au moins un faisceau peut être projeté le long d'un trajet qui forme un certain angle avec

l'axe longitudinal du dispositif, ledit angle étant infé-

rieur à 90 , et est de préférence de 45 .

Une paire de faisceaux peut être projetée, lesdits

faisceaux formant tous deux ledit angle avec ledit axe lon-

gitudinal et se trouvant perpendiculaires l'un à l'autre dans un plan commun. En variante, un faisceau unique peut être projeté lorsque le dispositif est agencé pour tourner en vol, de sorte que le faisceau unique trace un cône ayant

un sommet au niveau d'un point de sortie dudit faisceau.

Des informations de vitesse peuvent être dérivées de-

puis ledit faisceau unique par un échantillonnage des don-

nées de renvoi provenant dudit faisceau à deux positions

rotationnelles mutuellement orthogonales de celui-ci.

Les moyens de détermination de vitesse peuvent com-

porter des moyens pour annuler une composante longitudinale des données de vitesse dérivées. Les moyens d'annulation

peuvent comporter un quelconque élément d'un groupe consti-

tué: de moyens pour fournir un calcul théorique basé sur le temps de la chute gravitationnelle du dispositif, un élément de Pitot statique dirigé vers l'avant du disposi- tif, un faisceau dirigé le long dudit axe longitudinal et

un accéléromètre monté sur ledit axe longitudinal.

La source d'énergie rayonnante comporte de préférence

un lidar, bien qu'elle puisse comporter un équipement à ul-

trasons.

Des moyens de compensation d'attitude peuvent être fournis pour compenser l'effet d'une attitude non-verticale

dudit dispositif pendant la chute libre. Les moyens de com-

pensation d'attitude peuvent comporter un détecteur d'atti-

tude monté sur le dispositif, ledit détecteur d'attitude étant opérationnel pour délivrer un signal représentatif d'un angle d'attitude dudit dispositif dans lesdits moyens

de détermination de vitesse, lesdits moyens de détermina-

tion de vitesse étant configurés pour modifier une valeur de la vitesse relative déterminée en fonction dudit signal représentatif de l'angle. Le détecteur d'attitude peut être

un inclinomètre.

Le dispositif en chute libre peut être une bombe.

Un mode de réalisation de la présente invention va maintenant être décrit, à titre d'exemple uniquement, en référence aux dessins, sur lesquels: la figure 1 est un schéma fonctionnel représentant des éléments augmentant la précision de trajectoire dans un dispositif en chute libre selon la présente invention; les figures 2a et 2b sont des vues latérale et de

dessus, respectivement, d'un dispositif en chute libre se-

lon un premier mode de réalisation de la présente inven-

tion; la figure 3 est une représentation schématique d'un lidar adapté pour être utilisé dans un dispositif en chute libre selon la présente invention;

la figure 4 est une vue d'un dispositif en chute li-

bre selon un second mode de réalisation de la présente in-

vention, et la figure 5 est une vue latérale d'un dispositif en chute libre selon la présente invention incliné selon un

certain angle par rapport à la verticale.

Contrairement aux trois agencements d'amélioration de

précision connus mentionnés précédemment, la présente in-

vention est un système complètement autonome dans lequel

une source d'énergie rayonnante embarquée émet un ou plu-

sieurs faisceaux devant le dispositif en chute libre lors-

qu'il tombe depuis l'avion porteur et utilise ceux-ci pour

déterminer des informations concernant la vitesse des par-

ticules d'air dans un plan parallèle au sol. Alors, en se reportant à la figure 1, un dispositif en chute libre 10,

dans ce cas une bombe, contient une source d'énergie rayon-

nante 11, qui transmet un faisceau (de préférence une lu-

mière) depuis l'avant de la bombe, cette énergie frappant des particules dans l'air à travers lesquelles la bombe doit passer. Une petite proportion de la lumière incidente

est rediffusée par les particules et renvoyée vers un dé-

tecteur 13 qui effectue une mesure de fréquence Doppler de la vitesse des particules d'air par rapport à la bombe dans la direction du faisceau lumineux. Un signal concernant une quelconque force du vent de travers qui est rencontrée est émis par le détecteur et envoyé dans un circuit de commande

14 qui à son tour commande l'attitude d'ailettes, ou d'au-

tres éléments modifiant la trajectoire, agencées sur la bombe par l'intermédiaire d'actionneurs correspondants 15, de manière à ramener la bombe dans une trajectoire voulue

par rapport à une cible terrestre. Des informations concer-

nant l'attitude du dispositif lui-même peuvent également

être délivrées en tant qu'entrée dans le circuit de com-

mande, pour des raisons que l'on va expliquer plus tard.

La configuration du faisceau lumineux est représentée sur la figure 2. Sur la figure 2, on suppose que là bombe

est en vol, ayant été lâchée par un avion porte-bombes.

Dans le mode préféré de réalisation de la présente inven-

tion, la bombe émet une paire de faisceaux lumineux 16 et 17 qui sont dirigés en faisant un angle a par rapport à l'axe longitudinal z de la bombe dans un plan (figure 2a) et un angle 1 par rapport au même axe dans un autre plan, orthogonal (figure 2b). De manière avantageuse, les deux

angles sont de 45 .

A l'aide d'un angle P à 45 , les faisceaux sont à an-

gle droit lorsqu'on les regarde dans la direction y, de sorte que, en supposant que le détecteur 13 embarqué sur la

bombe peut déterminer la direction de déplacement des par-

ticules d'air le long des axes x et y, les informations de rediffusion reçues par le détecteur peuvent être utilisées

pour déterminer la vitesse sur la totalité du plan x-y.

L'angle a est délibérément rendu inférieur à 900 de sorte que la bombe peut déterminer la vitesse des particule dans un plan x-y à une certaine distance de la bombe et dans sa

direction de vol. Une distance appropriée peut être ap-

proximativement de 10 m.

Une source d'énergie rayonnante adaptée est représen-

tée sur la figure 3. Celle-ci représente un lidar ("détec-

tion et réglage par la lumière") qui est le sujet de la de-

mande de brevet britannique codépendante GB 9 806 876.0 dé-

posée au nom des présents demandeurs le 31 mars 1998. Cet agencement, qui peut être rendu suffisamment compact pour être logé à l'intérieur d'une bombe, est basé sur un laser

qui dirige un faisceau de lumière laser 21 vers un divi-

seur de faisceau polarisant 22 qui réfléchit la grande ma-

jorité d'énergie incidente sous la forme d'un faisceaU di-

rect 23 vers une plaque quart-d'onde 24 et donc à travers

un télescope 25 vers l'extérieur de la bombe. Des particu-

les d'air 26, ou aérosols, présentes dans l'atmosphère vont rediffuser une petite partie de la lumière incidente 27 qui va revenir sous forme d'un faisceau de renvoi 28 le long du même trajet, pour passer à travers le diviseur de faisceau 22 en sortant sous la forme d'un faisceau 29 et par la suite à travers une autre plaque quart-d'onde 30. Le signal de renvoi sortant de la plaque 30 est passé à travers un diviseur de faisceau non-polarisant 31 sous la forme d'un faisceau 32, o il entre dans un autre diviseur de faisceau polarisant 33, en étant ainsi divisé en deux branches: un faisceau de signal 34 et un faisceau de signal 35, espacés de 90 Néanmoins, une très petite proportion (par exemple 2 %) de la lumière 21 émise par le laser 20 est passée à

travers le diviseur de faisceau 22 et extraite par l'inter-

médiaire de composants optiques adaptés et d'une plaque quart-d'onde 38 en tant que faisceau de référence dans le diviseur de faisceau nonpolarisant 31, o il est émis sous

la forme d'un faisceau de référence 39. Le faisceau 39 en-

tre dans le diviseur de faisceau 33 avec le faisceau de si-

gnal 32 et est extrait avec les faisceaux de signal respec-

tifs 34 et 35 pour frapper les photodétecteurs respectifs 36 et 37. Deux parties d'informations peuvent alors être

dérivées à partir des sorties de courant des photodétec-

teurs, c'est-à-dire des informations de différence de phase, qui sont dérivées à partir d'un détecteur de phase

couplé aux sorties des photodétecteurs, et des informa-

tions d'amplitude, dérivées d'un additionneur 41 couplé à ces mêmes sorties. Les valeurs de différence de phase et de l'additionneur représentent, respectivement, la direction du mouvement et la vitesse des particules par rapport à la bombe.

Comme déjà mentionné, l'équipement de mesure de vi-

tesse (le lidar dans le mode préféré de réalisation) est

agencé de manière à déterminer la vitesse relative des par-

ticules et la direction dans un plan transversal situé à une petite distance devant la bombe. Ceci est mis en oeuvre afin que le système puisse prévoir tout effet de vent de travers en aval de la bombe, de manière à donner à la bombe

le temps nécessaire pour calculer tout facteur de correc-

tion qui doit être appliqué aux éléments de modification de trajectoire (par exemple des ailettes) pour ramener la bombe pratiquement en ligne avec sa trajectoire voulue. La distance nécessaire entre le plan x-y et la bombe peut être obtenue, par exemple, par une sélection de distance adaptée

des signaux 28 renvoyés depuis l'extérieur.

L'équipement présenté jusqu'à présent a négligé une incohérence importante: bien qu'on ne se soit uniquement

intéressé aux informations de vitesse dans le plan trans-

versal, néanmoins, du fait qu'il a été nécessaire de diri-

ger les faisceaux laser 16 et 17 vers l'avant afin de s'as-

surer que le plan transversal est devant la bombe, les in-

formations prélevées par le lidar ne contiennent pas seule-

ment une composante transversale, mais également une compo-

sante longitudinale. Cette composante longitudinale doit

être corrigée dans les calculs finaux, et de nombreuses me-

sures différentes peuvent être prises pour obtenir ceci.

Une première mesure consiste à effectuer un calcul purement théoriquement de la vitesse longitudinale à des moments successifs dans le temps pendant la descente de la bombe sur la base de la masse et des propriétés aérodynamiques de la bombe connues. En variante, la vitesse longitudinale peut être mesurée au lieu d'être calculée en utilisant un accéléromètre monté dans la direction de l'axe longitudinal de la bombe, la sortie de l'accéléromètre étant intégrée dans le temps pour dériver des informations de vitesse. Un

troisième procédé consiste à installer un dispositif de Pi-

tot statique standard devant la bombe et de le diriger pa-

rallèlement à l'axe longitudinal; ceci va, par définition, mesurer la vitesse relative de l'air par rapport à la bombe dans un sens longitudinal. Une quatrième approche consiste à incorporer un faisceau de lidar supplémentaire, cette fois dirigée parallèlement à l'axe longitudinal au lieu de

former un angle avec celui-ci.

Pour réduire le nombre de faisceaux nécessaires, il

est possible d'utiliser un seul faisceau oblique (en igno-

rant pour le moment l'option d'utiliser un faisceau axial supplémentaire pour déterminer la vitesse longitudinale, comme décrit à l'instant), pourvu qu'on puisse s'arranger

pour que la bombe tourne pendant la descente. Ceci est re-

présenté sur la figure 4, o le faisceau oblique unique 16 tourne avec la bombe 10 pour décrire un cône 50. La base du cône 51 est un plan parallèle au plan transversal devant la

bombe dans lequel un mouvement d'air est à mesurer. Le cir-

cuit dans les moyens de détermination de vitesse échan-

tillonne alors les données de renvoi à deux positions angu-

laires distinctes du faisceau sur ce cône, ces positions

étant séparées de 900. Les inconvénients potentiels princi-

paux de ce procédé sont le fait de devoir savoir la fré-

quence exacte de rotation de la bombe et devoir fournir un temps "de séjour" suffisant au niveau des deux points d'échantillonnage afin que l'échantillonnage produise des

lectures fiables. En ce qui concerne le premier inconvé-

nient, si la rotation est imposée sur la bombe par un équi-

pement spécialisé, alors il ne doit pas être difficile de

définir précisément la fréquence de rotation dans la con-

ception de cet équipement. En ce qui concerne le dernier inconvénient, un temps de séjour est nécessaire au vu du

signal de renvoi faible qui est obtenu depuis les particu-

les aéroportées (par opposition aux objets solides), ce si-

gnal faible impliquant une intégration afin de l'augmenter jusqu'à des niveaux pouvant être gérés. Cette intégration prend du temps, pendant lequel la bombe va continuer à tourner et le faisceau va occuper une série de positions différentes. En pratique, il va y avoir un compromis entre le temps de séjour et la puissance du laser. Ainsi, d'une part, une puissance de laser inférieure peut être tolérée si un temps de séjour suffisant peut être garanti, mais un

trop long temps de séjour va entraîner le risque de lectu-

res erronées obtenues du fait d'une position de faisceau

angulaire non-statique; et, d'autre part, un temps de sé-

jour plus court peut être toléré si une puissance de laser

suffisante peut être garantie, mais une puissance trop éle-

vée va augmenter le coût, la dimension et le poids de l'équipement laser au-delà de ce qui acceptable dans des

applications liées à une bombe.

Un autre facteur qui a été jusqu'à présent ignoré est le fait que, en pratique, un dispositif en chute libre peut bien adopter une attitude comme représenté sur la figure 5 pendant une descente, du fait du mouvement horizontal de l'avion. Dans cette situation, le plan d'échantillonnage 18 est incliné selon un angle par rapport à l'horizontal, alors que l'on souhaite que le plan soit parallèle au sol, comme sur les figures 2 et 4. Dans ces circonstances, la vitesse des particules dans les directions x' et y' doit être transformée dynamiquement pour obtenir les composantes appropriées x et y parallèlement au sol. Pour obtenir ceci, un détecteur d'attitude 12 (voir figure 1), par exemple un

inclinomètre, est incorporé dans le dispositif en chute li-

bre pour dériver l'angle mentionné ci-dessus. Les données

angulaires sont alors incluses dans l'algorithme de correc-

tion du mouvement d'ailettes utilisé par le dispositif,

l'algorithme étant modifié pour prendre en compte ces don-

nées. Bien qu'on ait supposé jusqu'à présent que la source

d'énergie soit un lidar, d'autres formes d'énergie sont en-

visageables, par exemple des ultrasons. Le critère princi-

pal est que le faisceau ne doit pas être soumis à une dis-

persion excessive sur la distance envisagée (par exemple

m, comme mentionné précédemment). Un faisceau bien foca-

lise va assurer une précision élevée de mesure.

Egalement, lorsqu'un lidar est utilisé, il peut fonc-

tionner sur des principes différents de celui décrit précé-

demment. Ainsi, un lidar à onde continue modulée en fré-

quence peut être utilisé, dans lequel la diode laser a une fonction rampe afin de moduler la fréquence de sortie sous

une forme d'onde en dents de scie. En comparant les spec-

tres pour les parties en haut et en bas de la rampe du si-

gnal, il est possible de déterminer la direction du diffu-

seur produisant le signal. En variante, dans un agencement hétérodyne, un modulateur acousto-optique est utilisé pour introduire un décalage de fréquence entre le faisceau de référence et les faisceaux transmis. Ceci introduit une sortie prédéfinie positive à une vitesse d'air nulle et donc des vitesses négatives sont représentées à une valeur inférieure à celle prédéfinie. Ce type de système peut

s'appliquer à la fois à des configurations pulsée et à on-

des continues, bien qu'il soit vraisemblable que la confi-

guration à ondes continues soit plus préférée pour une rai-

son de coût.

Alors que la description ci-dessus s'est concentrée

sur l'application de la présente invention à une bombe, elle peut être appliquée à tout dispositif en chute libre

dont la trajectoire doit être soumise à des vents de tra-

vers, et qui va nécessiter par conséquent une correction

jusqu'à un certain degré.

Claims (16)

REVENDICATIONS

1. Système de commande pour commander le vol d'un dispositif en chute libre (10) après largage par un objet

volant, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de dé-

termination de vitesse pour déterminer la vitesse de l'air

par rapport audit dispositif dans un plan pratiquement pa-

rallèle au sol, des moyens de modification de trajectoire pour modifier une trajectoire dudit dispositif dans ledit plan et des moyens de commande associés auxdits moyens de détermination de vitesse et auxdits moyens de modification de trajectoire pour commander la trajectoire en fonction de

la vitesse de l'air déterminée.

2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit plan est situé devant ledit dispositif (10) dans sa direction de vol.

3. Système selon la revendication 2, caractérisé en

ce que lesdits moyens de détermination de vitesse compor-

tent une source d'énergie rayonnante (11), ladite source étant opérationnelle pour projeter au moins un faisceau d'énergie rayonnante devant le dispositif, la vitesse étant

déterminée par l'intermédiaire dudit faisceau.

4. Système selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit au moins un faisceau (16, 17) est projeté le

long d'un trajet faisant un certain angle avec l'axe longi-

tudinal (z) du dispositif (10), ledit angle étant inférieur

à 90 .

5. Système selon la revendication 4, caractérisé en

ce que ledit angle est de 45 .

6. Système selon la revendication 4 ou 5, caractérisé

en ce qu'une paire de faisceaux (16, 17) est projetée, les-

dits faisceaux faisant tous deux ledit angle avec ledit axe longitudinal (z) et se trouvant perpendiculaires l'un par

rapport à l'autre dans un plan commun.

7. Système selon la revendication 4 ou 5, caractérisé

en ce qu'un faisceau unique (16) est projeté et ledit dis-

positif (10) est arrangé pour tourner en vol, de sorte que

ledit faisceau unique trace un cône ayant un sommet au ni-

veau d'un point de sortie dudit faisceau (16).

8. Système selon la revendication 7, caractérisé en ce que des informations de vitesse sont dérivées à partir dudit faisceau unique (16) par un échantillonnage de don- nées de renvoi provenant dudit faisceau à deux positions

rotationnelles mutuellement orthogonales de celui-ci.

9. Système selon l'une quelconque des revendications

4 à 8, caractérisé en ce que lesdits moyens de détermina-

tion de vitesse comportent des moyens pour annuler une com-

posante longitudinale de données de vitesse dérivées.

10. Système selon la revendication 9, caractérisé en ce que lesdits moyens d'annulation comportent un quelconque élément parmi un groupe constitué de: des moyens pour fournir un calcul théorique basé sur le temps de la chute

gravitationnelle du dispositif, un élément de Pitot stati-

que dirigé vers l'avant du dispositif, un faisceau dirigé le long dudit axe longitudinal et un accéléromètre monté

sur ledit axe longitudinal.

11. Système selon l'une quelconque des revendications

3 à 10, caractérisé en ce que ladite source d'énergie

rayonnante comporte un lidar.

12. Système selon l'une quelconque des revendications

3 à 10, caractérisé en ce que ladite source d'énergie

rayonnante comporte un agencement à ultrasons.

13. Système selon l'une quelconque des revendications

précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de

compensation d'attitude pour compenser l'effet d'une atti-

tude non-verticale dudit dispositif pendant la chute libre.

14. Système selon la revendication 13, caractérisé en ce que lesdits moyens de compensation d'attitude comportent

un détecteur d'attitude monté sur le dispositif, ledit dé-

tecteur d'attitude étant opérationnel pour délivrer un si-

gnal représentatif d'un angle d'attitude dudit dispositif dans lesdits moyens de détermination de vitesse, lesdits moyens de détermination de vitesse étant configurés pour modifier une valeur de la vitesse relative déterminée en

fonction dudit signal représentatif de l'angle.

15. Système selon la revendication 14, caractérisé en

ce que ledit détecteur d'attitude est un inclinomètre.

16. Système selon l'une quelconque des revendications

précédentes, caractérisé en ce que ledit dispositif est une bombe.