WO2011055061A1 - Engin volant, spatial ou aérien, pourvu d'un système propulsif à tuyère orientable - Google Patents

Engin volant, spatial ou aérien, pourvu d'un système propulsif à tuyère orientable Download PDF

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Definitions

  • Spacecraft or aerial vehicle provided with a propulsion system with steerable nozzle.
  • the present invention relates to a flying machine, which is provided with a propulsion system comprising at least one motor provided with a steerable nozzle.
  • said flying machine can in particular be:
  • an air vehicle such as an airplane
  • a space vehicle such as a rocket, for example.
  • the balancing of the vehicle can be obtained:
  • orientation of the propulsion force (static deflection of a nozzle for a launcher or action on the vector thrust for an aircraft);
  • the present invention aims to provide means, reduced mass and easily adaptable, which stabilize in flight a flying machine of space or air type.
  • Stabilizing a flying machine means stabilizing it (at a particular value of incidence or slippage) if it is unstable and / or reject disturbances as specified below.
  • the present invention relates more particularly to a flying machine, namely a space vehicle or an air vehicle, which is provided with a propulsion system comprising at least one motor provided with a movable nozzle, as well as first control means able to move (Statically) said nozzle, during a propulsion, for the purpose of orienting the propulsive force generated by the engine.
  • said flying machine is remarkable in that it comprises, in addition, second control means which are activatable in the absence of propulsion generated by the engine and which are able to (dynamically) move said nozzle, in the absence of propulsion, to generate inertial forces for stabilizing said flying machine.
  • the invention controls the mobility of the nozzle (by subjecting it to acceleration), in the absence of gas ejection by this nozzle, to generate inertial forces that act on the flying machine.
  • control is carried out so as to obtain inertial forces for stabilizing said flying machine, that is to say either to make it stable if it is unstable, or to damp disturbances such as oscillations of Dutch incidence or roll for example.
  • said second control means comprise:
  • At least one actuator which receives said acceleration commands and moves said nozzle according to these received acceleration instructions.
  • said second control means comprise two actuators which act along two different axes, in particular orthogonal axes.
  • said first and second control means comprise the same actuator (s), which facilitates the implementation of the present invention and does not lead to an increase in mass, since no specific mechanical device 'is necessary.
  • the present invention can be applied to any type of flying machine equipped with a propulsion system comprising at least one motor provided with a steerable nozzle. It is, however, more particularly suitable for vehicles whose flight range has low dynamic pressure phases, during which the control by aerodynamic surfaces is impossible.
  • Figure 1 shows schematically a nozzle of a flying machine, provided with means for controlling its orientation.
  • Figure 2 is a block diagram of means used in accordance with the invention for controlling the orientation of a nozzle.
  • the present invention applies to a flying machine, space or air, that we want to stabilize.
  • This flying machine is provided with a propulsion system 2 comprising at least one engine (not shown) provided with a nozzle 1 which is orientable. More specifically, as shown in FIG. 1, this nozzle 1 can rotate about axes that are orthogonal to a longitudinal axis L, which is the longitudinal axis L0 of the nozzle 1 in the neutral position and which can correspond to the axis longitudinal axis of the flying machine if the latter is provided with a single nozzle arranged longitudinally.
  • FIG. 1 there is shown a nozzle 1 which is rotatable about a universal cardan 1 1 in all directions.
  • This nozzle 1 is controlled by an actuating system 3 provided with actuators 4 and 5 customary.
  • this actuating system 3 comprises, as represented in FIG. 2, two actuators 4 and 5 which act along two different axes, preferably offset by 90 °.
  • the nozzle 1 and the actuator 4 (which is the only actuator represented in this FIG. 1) are provided with conventional connecting means 6, 7, 8, 9 and 10, implementing the functions of FIG. damping and elastic connection.
  • the actuator 4 makes it possible to rotate the nozzle 1 by an angle ⁇ with respect to the neutral position.
  • actuators 4 and 5 are controlled by a control system 12 which comprises, in particular, means 13 for generating displacement orders of the nozzle 1 when the engine generates a flow which is ejected by said nozzle 1, that is to say say in propulsion mode.
  • the rotation of the nozzle 1 is used to orient the propulsive force.
  • the transverse component of the thrust allows the steering of the flying machine.
  • Said means 13 generate and transmit positional instructions to the actuators 4 and 5 via an electrical connection 14, to guide the thrust and therefore its transverse component in a given direction.
  • said control system 12 further comprises means 15 capable of generating acceleration instructions which are transmitted to the actuators 4 and 5 via an electrical connection 16, in order to act on the nozzle 1 (as illustrated by arrows 17 and 18 in phantom in Figure 2), to move it in rotation.
  • Said means 15 are only activatable in the absence of propulsion (that is to say in the absence of gas ejection by the nozzle 1), and are formed so as to generate an acceleration in rotation of the nozzle 1 which generates a force in the plane perpendicular to the motor axis (longitudinal axis L), in a direction orthogonal to the axis of rotation of the nozzle 1, for example in the direction T for a rotation generated by the actuator 4 of the Figure 1.
  • the present invention makes it possible to control the mobility of the nozzle 1 (by subjecting it to acceleration), in the absence of gas ejection by this nozzle 1, to generate inertial forces which act on the flying machine ( space or air).
  • this control is performed so as to obtain inertial forces to stabilize said flying machine, that is to say to make it stable if it is unstable, and / or to damp disturbances such as oscillations incidence or Dutch roll.
  • the present invention is installed on a flying machine whose nozzle 1 is already steerable (in order to orient the propulsive force generated by the engine during a propulsion), its arrangement is facilitated and results, at most, in a reduced increase in mass.
  • control system 12 can be in particular:
  • the present invention may be applied to a flying vehicle representing a spacecraft that performs a suborbital flight and performs its ascension phase with a rocket engine, the nozzle 1 is driven by two actuators 4 and 5. If in the descent phase, engine off, it is desired to control the incidence oscillations and Dutch roll (or any controllable direction), we can use the acceleration of the nozzle 1, according to the present invention.
  • the nozzle 1 subjected to an acceleration ⁇ exerts a transverse force F transverse to the gimbal of the engine, which verifies the expression:
  • F M.aO. ⁇ , with M the mass of the nozzle 1, and aO the distance between the center of rotation and the center of gravity of the nozzle 1.
  • the resulting moment M is the product of this force F by the lever arm BdL (distance between the gimbal of the engine and the center of gravity of the spacecraft).
  • This moment M can be used to control oscillations in all controllable directions.
  • it has the advantage of not being affected by any non-linearity.
  • the present invention offers an efficiency in terms of peak momentum, a 500 N nozzle with a 10 m lever arm; in the phases where the dynamic pressure is not sufficient to ensure control with aerodynamic surfaces, the invention can make it possible to eliminate the RCS system or to limit the thrust requirement;
  • the available pulse depends solely on the energy of the batteries supplying actuators 4 and 5 for controlling the nozzle 1.

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Abstract

L'engin volant comporte des moyens (4) qui sont aptes à déplacer la tuyère (1), en l'absence de propulsion, pour engendrer des forces inertielles destinées à le stabiliser.

Description

Engin volant spatial ou aérien, pourvu d'un système propulsif à tuyère orientable.
La présente invention concerne un engin volant, qui est muni d'un système propulsif comprenant au moins un moteur pourvu d'une tuyère orientable.
Dans le cadre de la présente invention, ledit engin volant peut notamment être :
- un véhicule aérien tel qu'un avion ; ou
- un véhicule spatial tel qu'une fusée par exemple.
On sait que pour maintenir en vol un véhicule (spatial ou aérien) dans un état stabilisé, il convient :
- d'équilibrer le véhicule avec l'incidence et le dérapage souhaités ;
- dans le cas d'un véhicule instable, de le rendre stable à cette valeur d'incidence ou de dérapage ; et
- de rejeter les perturbations (en particulier éviter des mouvements trop importants du véhicule face à une perturbation telle qu'un vent violent par exemple).
L'équilibrage du véhicule, peut être obtenu :
- par action sur la position du foyer aérodynamique (braquage statique de surfaces aérodynamiques pour un avion) ; et/ou
- par orientation de la force de propulsion (braquage statique d'une tuyère pour un lanceur ou action sur la poussée vectorielle pour un avion) ; et/ou
- par action sur la position du centre de gravité (positionnement statique d'une masse mobile qui peut être le kérosène pour un avion).
Quant à la stabilisation et au rejet de perturbations, ils peuvent être obtenus de la même façon, mais à condition que les actions ne soient plus statiques mais dynamiques avec une bande passante suffisante. On peut également utiliser des jets de gaz (système à réaction de commande d'assiette de type « RCS » pour « Reaction Control System » en anglais), des roues de réaction ou des gyroscopes de type « CMG » (« Control Momentum Gyros » en anglais).
La présente invention a pour objet de fournir des moyens, de masse réduite et facilement aménageables, qui permettent de stabiliser en vol un engin volant de type spatial ou aérien. On entend par stabiliser un engin volant le fait de le rendre stable (à une valeur particulière d'incidence ou de dérapage) s'il est instable et/ou de rejeter des perturbations telles que précisées ci-dessous.
La présente invention concerne plus particulièrement un engin volant, à savoir un véhicule spatial ou un véhicule aérien, qui est muni d'un système propulsif comprenant au moins un moteur pourvu d'une tuyère mobile, ainsi que des premiers moyens de commande aptes à déplacer (statiquement) ladite tuyère, lors d'une propulsion, dans le but d'orienter la force propulsive engendrée par le moteur.
Selon l'invention, ledit engin volant est remarquable en ce qu'il comporte, de plus, des seconds moyens de commande qui sont activables en l'absence de propulsion générée par le moteur et qui sont aptes à déplacer (dynamiquement) ladite tuyère, en l'absence de propulsion, pour engendrer des forces inertielles destinées à stabiliser ledit engin volant.
Ainsi, grâce à l'invention, on commande la mobilité de la tuyère (en la soumettant à une accélération), en l'absence d'éjection de gaz par cette tuyère, pour engendrer des forces inertielles qui agissent sur l'engin volant.
De plus, on réalise la commande de manière à obtenir des forces inertielles permettant de stabiliser ledit engin volant, c'est-à-dire soit de le rendre stable s'il est instable, soit d'amortir des perturbations telles que des oscillations d'incidence ou de roulis hollandais par exemple.
Comme l'invention est installée sur un engin volant dont la tuyère est déjà mobile (dans le but d'orienter la force propulsive engendrée par le moteur lors d'une propulsion), l'agencement de l'invention est facilité et entraîne tout au plus une augmentation réduite de masse. De façon avantageuse, lesdits seconds moyens de commande comportent :
- des moyens pour engendrer des consignes d'accélération ; et
- au moins un actionneur qui reçoit lesdites consignes d'accélération et qui déplace ladite tuyère en fonction de ces consignes d'accélération reçues.
De préférence, lesdits seconds moyens de commande comportent deux actionneurs qui agissent selon deux axes différents, notamment orthogonaux.
Dans un mode de réalisation préféré, lesdits premiers et seconds moyens de commande comprennent le ou les mêmes actionneurs, ce qui facilite la mise en place de la présente invention et n'entraîne pas d'augmentation de masse, puisqu'aucun dispositif mécanique spécifique n'est nécessaire.
La présente invention peut être appliquée à tout type d'engin volant muni d'un système propulsif comprenant au moins un moteur pourvu d'une tuyère orientable. Elle est, toutefois, plus particulièrement adaptée aux véhicules dont le domaine de vol présente des phases à faible pression dynamique, pendant lesquelles le contrôle par surfaces aérodynamiques est impossible.
La présente invention présente ainsi de nombreux avantages :
- un coût pratiquement nul, car elle utilise de préférence des moyens existant déjà sur l'engin volant ;
- pour la même raison, une masse et un encombrement négligeables, le seul besoin étant une augmentation de l'énergie de la source de puissance (électrique ou hydraulique) ;
- une linéarité du moment généré ; et
- une suppression de dispositifs usuels complexes, comme des systèmes à réception de commande d'assiette de type RCS.
Les figures du dessin annexé feront bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Sur ces figures, des références identiques désignent des éléments semblables. La figure 1 montre schématiquement une tuyère d'un engin volant, munie de moyens permettant de commander son orientation.
La figure 2 est le schéma synoptique de moyens utilisés conformément à l'invention pour commander l'orientation d'une tuyère.
La présente invention s'applique à un engin volant, spatial ou aérien, que l'on veut stabiliser. Cet engin volant est muni d'un système propulsif 2 comprenant au moins un moteur (non représenté) pourvu d'une tuyère 1 qui est orientable. Plus précisément, comme représenté sur la figure 1 , cette tuyère 1 peut tourner autour d'axes qui sont orthogonaux à un axe longitudinal L, qui est l'axe longitudinal L0 de la tuyère 1 en position neutre et qui peut correspondre à l'axe longitudinal de l'engin volant si ce dernier est pourvu d'une seule tuyère agencée longitudinalement.
Sur la figure 1 , on a représenté une tuyère 1 qui est apte à tourner autour d'un cardan 1 1 usuel dans toutes les directions. Cette tuyère 1 est commandée par un système d'actionnement 3 muni d'actionneurs 4 et 5 usuels. Dans un mode de réalisation préféré, ce système d'actionnement 3 comporte, comme représenté sur la figure 2, deux actionneurs 4 et 5 qui agissent selon deux axes différents, décalés de préférence de 90°.
Comme montré sur la figure 1 , la tuyère 1 et l'actionneur 4 (qui est le seul actionneur représenté sur cette figure 1 ) sont pourvus de moyens de liaison 6, 7, 8, 9 et 10 usuels, mettant en œuvre des fonctions d'amortissement et de liaison élastique. L'actionneur 4 permet de faire tourner la tuyère 1 d'un angle β par rapport à la position neutre.
Ces actionneurs 4 et 5 sont commandés par un système de commande 12 qui comporte, notamment, des moyens 13 pour engendrer des ordres de déplacement de la tuyère 1 lorsque le moteur génère un flux qui est éjecté par ladite tuyère 1 , c'est-à-dire en mode de propulsion.
Dans ce cas, la rotation de la tuyère 1 est utilisée pour orienter la force propulsive. La composante transverse de la poussée permet le pilotage de l'engin volant. Lesdits moyens 13 engendrent et transmettent des consignes de position aux actionneurs 4 et 5, via une liaison électrique 14, pour orienter la poussée et donc sa composante transverse dans une direction donnée.
Selon l'invention, ledit système de commande 12 comporte, de plus, des moyens 15 aptes à engendrer des consignes d'accélération qui sont transmises aux actionneurs 4 et 5 par l'intermédiaire d'une liaison électrique 16, afin d'agir sur la tuyère 1 (comme illustré par des flèches 17 et 18 en traits mixtes sur la figure 2), pour la déplacer en rotation.
Lesdits moyens 15 sont uniquement activables en l'absence de propulsion (c'est-à-dire en l'absence d'éjection de gaz par la tuyère 1 ), et sont formés de manière à engendrer une accélération en rotation de la tuyère 1 qui génère un effort dans le plan perpendiculaire à l'axe moteur (axe longitudinal L), dans une direction orthogonale à l'axe de rotation de la tuyère 1 , par exemple dans la direction T pour une rotation engendrée par l'actionneur 4 de la figure 1 .
Ainsi, la présente invention permet de commander la mobilité de la tuyère 1 (en la soumettant à une accélération), en l'absence d'éjection de gaz par cette tuyère 1 , pour engendrer des forces inertielles qui agissent sur l'engin volant (spatial ou aérien). De plus, cette commande est réalisée de manière à obtenir des forces inertielles permettant de stabiliser ledit engin volant, c'est-à-dire de le rendre stable s'il est instable, et/ou d'amortir des perturbations telles que des oscillations d'incidence ou de roulis hollandais.
Comme la présente invention est installée sur un engin volant dont la tuyère 1 est déjà orientable (dans le but d'orienter la force propulsive engendrée par le moteur lors d'une propulsion), son agencement est facilité et entraîne, tout au plus, une augmentation réduite de masse.
Par ailleurs, ledit système de commande 12 peut être notamment :
- un système qui calcule automatiquement les consignes en fonction de paramètres mesurés, calculés et/ou reçus ; ou
- des moyens d'actionnement ou d'entrée de données qui permettent, dans le cas d'un engin volant habité, à un pilote d'entrer lesdites consignes qui sont ensuite transmises aux actionneurs 4 et 5 ; ou - des moyens de réception de données qui reçoivent des consignes d'un poste de contrôle non embarqué.
A titre d'illustration, la présente invention peut être appliquée à un engin volant représentant un véhicule spatial qui effectue un vol suborbital et réalise sa phase ascensionnelle avec un moteur fusée, dont la tuyère 1 est pilotée par deux actionneurs 4 et 5. Si dans la phase de descente, moteur éteint, on souhaite contrôler les oscillations d'incidence et de roulis hollandais (ou de toute direction commandable), on peut utiliser l'accélération de la tuyère 1 , conformément à la présente invention. La tuyère 1 soumise à une accélération βθ exerce une force F transverse au niveau du cardan du moteur, qui vérifie l'expression :
F=M.aO. βθ, avec M la masse de la tuyère 1 , et aO la distance entre le centre de rotation et le centre de gravité de la tuyère 1 .
Le moment résultant M est le produit de cette force F par le bras de levier BdL (distance entre le cardan du moteur et le centre de gravité du véhicule spatial).
En prenant les valeurs numériques suivantes :
- M=800 kg ;
- a0=0,86 m ;
- BdL=6 m ; et
- β0=1 ,2 rad/sec2, ce qui correspond à une amplitude de 1 ,8° à 1 Hz, on obtient le moment M suivant :
M=F.BdL=5000 Nm.
Ce moment M peut être utilisé pour contrôler les oscillations dans toutes les directions commandables. A l'inverse d'un système usuel de type RCS, il présente l'avantage de n'être affecté d'aucune non linéarité.
Dans cette application, on obtient les avantages suivants :
- pour amortir des oscillations à la fréquence de 1 Hz, la présente invention offre une efficacité en termes de moment crête, d'une tuyère de 500 N avec un bras de levier de 10 m ; - dans les phases où la pression dynamique n'est pas suffisante pour assurer le contrôle avec des surfaces aérodynamiques, l'invention peut permettre de supprimer le système RCS ou de limiter le besoin en poussée ;
- l'invention ne nécessite aucun matériel supplémentaire ; et
- l'impulsion disponible dépend uniquement de l'énergie des batteries alimentant les actionneurs 4 et 5 de pilotage de la tuyère 1 .

Claims

REVENDICATIONS
1 . Engin volant muni d'un système propulsif (2) comprenant au moins un moteur pourvu d'une tuyère mobile (1 ) et des premiers moyens de commande (13, 4, 5) aptes à déplacer ladite tuyère (1 ), lors d'une propulsion, dans le but d'orienter la force propulsive engendrée par le moteur,
caractérisé en ce qu'il comporte, de plus, des seconds moyens de commande (15, 4, 5) qui sont activables en l'absence de propulsion générée par le moteur et qui sont aptes à déplacer ladite tuyère (1 ), en l'absence de propulsion, pour engendrer des forces inertielles destinées à stabiliser ledit engin volant.
2. Engin volant selon la revendication 1 ,
caractérisé en ce que lesdits seconds moyens de commande comportent :
- des moyens (15) pour engendrer des consignes d'accélération ; et
- au moins un actionneur (4, 5) qui reçoit lesdites consignes d'accélération et qui déplace ladite tuyère (1 ) en fonction de ces consignes d'accélération reçues.
3. Engin volant selon l'une des revendications 1 et 2,
caractérisé en ce que lesdits seconds moyens de commande comportent deux actionneurs (4, 5) qui agissent selon deux axes différents.
4. Engin volant selon l'une des revendications 1 à 3,
caractérisé en ce que lesdits premiers et seconds moyens de commande comprennent les mêmes actionneurs (4, 5).
PCT/FR2010/052287 2009-11-05 2010-10-26 Engin volant, spatial ou aérien, pourvu d'un système propulsif à tuyère orientable Ceased WO2011055061A1 (fr)

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