FR2813923A1 - Methode de gestion d'impulsion de generateur de gaz a poudre propulsive pour rapport inflechi a debit massique eleve - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne une chaîne de pilotage et de dérivation de poudre propulsive à employer sur un véhicule ou un missile de destruction. La chaîne de pilotage et de dérivation de poudre propulsive comprend un générateur de gaz à poudre propulsive possédant une poudre propulsive, une vanne de régulation pour moduler la section réelle de sortie du générateur de gaz à poudre propulsive et un régulateur pour calculer l'intégrale du taux de combustion de la poudre propulsive et pour piloter le fonctionnement de la vanne de régulation en réponse au calcul de l'intégralE du taux de combustion de la poudre propulsive. Le générateur de gaz à poudre propulsive possède de préférence une poudre propulsive avec une section de combustion non-constante et un profil de bloc de poudre qui comprend une première poudre en phase de propulsion, un propergol de croisière en phase intermédiaire et une seconde poudre en phase de propulsion.
Description
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MÉTHODE DE GESTION D'IMPULSION DE GÉNÉRATEUR DE GAZ À POUDRE PROPULSIVE POUR RAPPORT INFLÉCHI À DÉBIT MASSIQUE ÉLEVÉ DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne une méthode de gestion d'impulsion de générateur de gaz à poudre propulsive pour rapport infléchi à débit massique élevé. Plus spécifiquement, la présente invention aborde une chaîne de pilotage et de dérivation de poudre qui possède une utilité particulière sur les armes cinétiques à impact destructeur et autres types de missiles.
Les chaînes de pilotage et de dérivation (DACS) sont nécessaires à la man#uvre d'armes cinétiques à impact destructeur. Les véhicules ou missiles cinétiques à impact destructeur sont utilisés pour détruire les missiles ou autres objets embarqués à bord d'avions ou d'engins spatiaux tels que les satellites. La souplesse d'impulsion (gestion énergétique) est un paramètre essentiel de performance pour ces systèmes car une plus grande souplesse signifie un véhicule plus performant. Les systèmes à propulsion liquide offrent actuellement la plus grande souplesse car ils possèdent une gestion d'impulsion inhérente grâce à un fonctionnement en marche-arrêt ; c'est à dire que la propulsion n'est utilisée que lorsqu'elle est nécessaire. Cependant, la production courante de systèmes liquides est toxique et présente des dangers pour la sécurité et l'environnement. Les systèmes à propulsion hybride, comme les systèmes liquides, sont souples en matière de gestion énergétique et peuvent être rendus non-toxiques pour une sécurité améliorée ; cependant l'impulsion volumique est fortement
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réduite. D'un autre coté, les systèmes à propulsion solide possèdent l'impulsion volumique la plus élevée et peuvent répondre à toutes les exigences de sécurité et relatives à l'insensibilité des munitions mais ne possèdent pas la souplesse désirée en matière de gestion énergétique.
Diverses méthodes ont été testées pour offrir aux chaînes de pilotage et de dérivation de poudre une capacité améliorée en matière de gestion énergétique telles que : un fonctionnement à impulsion à partir de blocs de poudre pouvant être allumés indépendamment, des extinctions dP/dT, un ré-allumage avec des allumeurs multiples et une commande de la pression grâce à une modulation de la section de sortie soit proportionnelle, soit par modulation par impulsions de durée variable (PWM). Chacune de ces méthodes possèdent des limites de fonctionnement (par exemple une souplesse d'impulsion limitée et un faible rapport infléchi) et d'autres attributs indésirables (comme l'augmentation des composants, de la complexité, du coût et du poids).
La méthode de gestion et le système de la présente invention surmontent ces inconvénients. RESUME DE L'INVENTION Un objet de la présente invention est de fournir une chaîne de pilotage et de dérivation de poudre qui peut atteindre un rapport infléchi supérieur à trente et un.
Un autre objet de la présente invention est de fournir une chaîne de pilotage et de dérivation de poudre telle que ci-dessus qui possède une réaction de poussée (taux de changement de poussée) supérieure à celle d'un système hypergolique.
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Les objets qui précèdent sont atteints grâce à la chaîne de pilotage et de dérivation de poudre de la présente invention.
Conformément à la présente invention, la chaîne de pilotage et de dérivation de poudre comprend un générateur à poudre possédant un bloc de poudre avec un profil pour produire différents niveaux de poussée au cours des différentes parties d'un vol, un dispositif de vanne de régulation pour moduler la section de sortie réelle du générateur à poudre et un régulateur pour calculer le taux de combustion de la poudre propulsive et piloter le fonctionnement du dispositif de vanne de régulation afin de modifier la pression produite par le générateur à poudre pendant une phase balistique de vol du véhicule. Dans un mode de réalisation préféré de la présente invention, le profil du générateur à poudre propulsive comprend une première poudre à poussée élevée ou poudre en phase de propulsion, une poudre à poussée intermédiaire faible ou propergol de croisière et une seconde poudre à poussée élevée ou poudre en phase de propulsion le long du noyau.
La chaîne de pilotage et de dérivation de poudre de la présente invention possède un nombre d'avantages dont un rapport infléchi supérieur à 30 : 1. De plus, le système permet une large variété d'opportunités de missions à installer en raison du fonctionnement du régulateur. En outre, le système de la présente invention possède une capacité de correction intermédiaire de poussée modérée de 40 à 50 % de poussée en phase de propulsion selon le rapport infléchi et permet au système de propulsion de poudre d'avoir pratiquement la même
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souplesse d'impulsion qu'un système de propulsion liquide.
D'autres détails de la chaîne de pilotage et de dérivation de poudre de la présente invention, de même que d'autres objets et avantages s'y afférant, sont indiqués dans la description détaillée suivante et les dessins joints où les mêmes numéros de référence dépeignent les mêmes éléments.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS La Figure 1 est une représentation schématique d'une chaîne de pilotage et de dérivation de poudre conformément à la présente invention ; La Figure 2 est une représentation schématique d'un profil de bloc de poudre avec une section de combustion constante ; La Figure 3 est une représentation schématique d'un profil de bloc de poudre conformément à un mode de réalisation préféré de la présente invention ; et La Figure 4 est un graphique représentant un profil de gestion d'impulsion employant la chaîne de pilotage et de dérivation de poudre de la présente invention.
DESCRIPTION DETAILLEE DU (DES) MODE (S) DE REALISATION PRE FERE (S ) Lorsque le véhicule cinétique se sépare du lanceur, une première phase de propulsion (ou poussée élevée) est générée. A l'issue de cette première phase de propulsion, le véhicule cinétique entre dans une phase balistique. Juste avant l'impact, le véhicule cinétique entre dans une phase de propulsion. Afin que le véhicule cinétique exécute sa mission, cette seconde phase de propulsion
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doit survenir à un point précis au cours de la mission. Si elle survient trop tôt, le véhicule cinétique peut manquer de combustible avant l'impact et ne pas exécuter sa mission. Si la seconde phase de propulsion survient trop tard, le véhicule cinétique peut manquer sa cible.
En référence maintenant aux dessins, la Figure 1 représente une chaîne de pilotage et de dérivation de poudre 10 conformément à la présente invention. Le système 10 peut être employé dans un véhicule cinétique et d'autres types de missiles et applications de missiles. D'une manière générale, le système 10 comprend un générateur de gaz à poudre propulsive 12 avec une poudre possédant un profil de grain pour produire différents niveaux de poussée au cours des différentes parties d'un vol, une vanne de régulation 14 pour moduler la section de sortie réelle du générateur de gaz à poudre propulsive et un régulateur 16 pour piloter le fonctionnement de la vanne de régulation 14 afin d'affecter la commande de pression du générateur et de s'assurer que la seconde phase de propulsion survient lorsque la phase terminale du vol du véhicule cinétique ou du missile débute.
La vanne de régulation 14 peut comprendre tout type approprié de vanne de régulation connue dans l'art qui peut résister à l'érosion pouvant être provoquée par les générateurs de gaz chaud. Le régulateur 16 peut comprendre tout régulateur approprié connu dans l'art.
Le générateur de gaz à poudre propulsive comprend un bloc de poudre 18 qui possède un profil le long du noyau (la distance entre le point ou surface de combustion initiale 40 et le point de combustion finale) ayant une première poudre en phase de propulsion 20, un propergol
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de croisière en phase intermédiaire 22 et une seconde poudre en phase de propulsion 24. Un tel système, possédant une section de combustion constante, qui peut être employée dans le système de la présente invention, est représenté sur la Figure 2. Généralement, dans ce type de système de poudre propulsive, la gamme de pression de fonctionnement s'échelonne entre environ 100 et 2 500 psi. Si l'on devait utiliser ce type de profil de bloc de poudre propulsive et ne commander que la section de la vanne, on pourrait obtenir, selon le type de poudre choisie, un rapport infléchi maximum (le rapport de la poussée la plus élevée sur la plus faible) de 14 : 1.
Un mode de réalisation préféré d'un bloc de poudre propulsive 18 devant être employé dans le système de la présente invention est représenté sur la Figure 3. Comme précédemment, le bloc de poudre propulsive 18' possède un profil qui comprend, à partir d'une surface de combustion initiale 40', une première poudre en phase de propulsion 20', un propergol de croisière en phase intermédiaire 22' et une seconde poudre en phase de propulsion finale 24', à travers le noyau. Comme précédemment, la poudre propulsive possède une gamme de pression de fonctionnement s'échelonnant entre environ 100 et 2 500 psi. La poudre propulsive 18' représentée sur la Figure 3 diffère de celle représentée sur la Figure 2 en ce qu'elle possède une section de combustion non-constante où la section totale de chacune des poudres en première et seconde phases de propulsion 20' et 24' est supérieure à la section totale du propergol de croisière en phase intermédiaire 22'. Dans un mode de réalisation préféré, la section totale de chacune des poudres en première et
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seconde phases de propulsion 20' et 24' représente au moins deux fois, et de préférence, trois fois et demi la section de propergol de croisière en phase intermédiaire 22' . Sans vanne pilotant la section de sortie, il a été démontré qu'un tel profil de bloc de poudre propulsive résulte en un rapport infléchi maximum d'environ 24 : 1.
I1 a été cependant démontré que si l'on veut inclure la configuration de bloc de poudre propulsive de la Figure 3 dans le système de commande de la présente invention et atteindre des rapports infléchis supérieurs à 30 : 1, l'on doit gérer, grâce à des changements de section de vanne, l'impulsion créée par le générateur à poudre propulsive au cours de la partie intermédiaire du vol du missile ou du véhicule cinétique.
Conformément à la présente invention, le régulateur 16 est employé pour piloter la pression du générateur et calculer l'intégrale du taux de combustion de la poudre propulsive. Le régulateur 16 peut comprendre tout processeur approprié ou tout régulateur connu dans l'art pour exécuter ces fonctions. De plus, si nécessaire, le régulateur 16 peut être programmé pour exécuter les fonctions susmentionnées à l'aide de tout langage de programmation approprié connu dans l'art.
Afin de fournir au régulateur 16 les informations qu'il requiert pour calculer le taux de combustion de la poudre propulsive, des capteurs 26 et 28 sont délivrés. Le capteur 26 mesure la température moyenne à l'intérieur de la poudre propulsive dans le générateur 12 et transmet la température mesurée au régulateur 16. Le capteur 28 mesure la pression en temps réel du gaz produit par le générateur 12 et transmet la pression mesurée au
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régulateur 16. Les capteurs 26 et 28 peuvent comprendre tout capteur approprié connu dans l'art.
Comme indiqué sur la Figure 1, le régulateur 16 reçoit également des informations en temps réel sur le temps jusqu'à la cible et la télécommande du niveau de poussée ou télécommande de mode à partir d'un ordinateur de guidage embarqué (non indiqué). Tel qu'employée dans la présente invention, la télécommande de niveau de poussée désigne une quantification de la poussée à fournir et la télécommande de mode désigne une télécommande pour poussée à niveau élevé ou faible.
Le régulateur 16 utilise ces informations pour effectuer des changements de pression du générateur pour des corrections intermédiaires de poussée inférieure durant la phase balistique du vol. Les corrections sont effectuées en réduisant la section du col de la tuyère du générateur à l'aide de la vanne de régulation 14, augmentant ainsi le taux de combustion et donc la poussée. La poussée disponible est inférieure, environ 40 à 50 % de dérivation maximum (phase de propulsion) car la section de combustion du propergol de croisière est inférieure. A l'aide du système de la présente invention, en variant la section de la vanne, une poussée de croisière de 10 libres pourrait être augmentée à 150 libres pour des corrections intermédiaires.
Pour que le véhicule exécute sa mission avec réussite, le changement de la section de combustion finale, la création d'une seconde phase de propulsion doit survenir dans une durée spécifique avant l'interception. Le régulateur 16 calcule ce point spécifique dans le temps en connaissant le temps de combustion de la poudre en seconde phase de propulsion et
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le temps jusqu'à la cible. En calculant l'intégrale du taux de combustion de la poudre propulsive, le régulateur peut calculer le montant de poudre en phase de croisière restant. Pendant la phase balistique du vol, le niveau de pression de croisière est modifié par le régulateur 16 grâce au pilotage de la vanne 14. En pilotant la vanne 14 de cette manière, le régulateur 16 s'assure que la poudre en phase de propulsion finale est exposée au point correct dans le temps lorsque la phase terminale du vol doit débuter. La Figure 4 présente un exemple de gestion d'impulsion notionnelle. Sur ce dessin, la ligne pleine indique le temps maximum entre les phases de propulsion et le rapport infléchi maximum alors que la ligne en pointillés représente un temps minimum entre les propulsions et un niveau beaucoup plus élevé de poussée intermédiaire.
Si le calcul de l'intégrale du taux de combustion de la poudre propulsive est initié à la transition vers la phase de croisière, on peut obtenir une précision améliorée.
Tel que mentionné précédemment, le système de la présente invention permet au véhicule cinétique ou au missile de loger une large gamme d'opportunités de missions. Le système offre également une capacité de correction intermédiaire modérée de poussée (40 à 50 % de poussée maximum). De plus, en modifiant la section de la vanne, une poussée de croisière de 10 libres peut passer à 150 libres pour des corrections intermédiaires.
Le système de la présente invention élimine un inconvénient majeur des chaînes de pilotage et de dérivation de poudre et permet au générateur de gaz à poudre propulsive de posséder pratiquement la même
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souplesse d'impulsion qu'un système de propulsion liquide. De plus, le système a la capacité de rendre élastique le profil d'impulsion afin de répondre aux temps variables des missions grâce au calcul de l'intégrale du taux de combustion et au temps jusqu'aux informations cibles. En outre, le système de la présente invention évite les problèmes de commande de pression (sensibilité) associés aux poudres propulsives à fort exposant et réduit la gamme requise de la vanne régulatrice à papillon à moins de 3 : 1.
I1 est évident que conformément à la présente invention a été fourni une méthode de gestion d'impulsion de générateur de gaz à poudre propulsive pour rapport infléchi à débit massique élevé qui satisfait pleinement les moyens, les objets et les avantages établis dans la présente. Alors que la présente invention a été décrite dans le contexte de modes de réalisation spécifiques s'y afférant, d'autres alternatives, variations et modifications apparaîtront immédiatement hommes de l'art après lecture de la description qui précède. L'intention est donc d'embrasser toutes lesdites alternatives, variations et modifications qui se trouvent dans la portée des revendications jointes en annexe.
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Claims (12)
1. Chaîne de pilotage et de dérivation de poudre propulsive pour véhicule comprenant Un générateur de gaz à poudre propulsive possédant un bloc de poudre propulsive avec un profil permettant la production de différents niveaux de poussée ; Une vanne de régulation pour moduler la section réelle de sortie du générateur de gaz à poudre propulsive ; et Un régulateur pour calculer l'intégrale du taux de combustion de ladite poudre propulsive et pour piloter le fonctionnement de ladite vanne de régulation en réponse au dit calcul de l'intégrale du taux de combustion de ladite poudre propulsive et un signal représentant le temps pour atteindre la cible.
2. Chaîne de pilotage et de dérivation de poudre propulsive selon la revendication 1, dans laquelle ledit bloc de poudre propulsive dans ledit générateur possède une section de combustion non-constante.
3. Chaîne de pilotage et de dérivation de poudre propulsive selon la revendication 2, dans laquelle ledit profil comprend une poudre en première phase de propulsion, un propergol de croisière en phase intermédiaire et une poudre en seconde phase de propulsion.
4. Chaîne de pilotage et de dérivation de poudre propulsive selon la revendication 3, dans laquelle ladite poudre du générateur formant ladite poudre de première
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phase de propulsion possède une première section, ladite poudre de seconde phase de propulsion possède une seconde section et ladite poudre formant ladite phase de croisière possède une troisième section qui est inférieure à chacune des dites première et deuxième phases.
5. Chaîne de pilotage et de dérivation de poudre propulsive selon la revendication 4, dans laquelle ladite section représente la moitié de chacune des dites première et seconde sections.
6. Chaîne de pilotage et de dérivation de poudre propulsive selon la revendication 4, dans laquelle ladite troisième section est inférieure à la moitié de chacune des dites première et seconde sections.
7. Chaîne de pilotage et de dérivation de poudre propulsive selon la revendication 1, comprenant également Des moyens pour capter la température moyenne à l'intérieur de la poudre propulsive dans le générateur de gaz ; Des moyens pour capter la pression produite par le générateur de gaz à poudre propulsive et Ledit régulateur recevant des signaux des dits moyens de saisie de température et de pression représentant la température captée et la pression captée.
8. Chaîne de pilotage et de dérivation de poudre propulsive selon la revendication 1, comprenant également
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des moyens de réception d'un signal représentant la télécommande du niveau de poussée vers le régulateur.
9. Chaîne de pilotage et de dérivation de poudre propulsive selon la revendication 1, comprenant également des moyens de réception d'un signal représentant une télécommande de mode vers le régulateur.
10. Chaîne de pilotage et de dérivation de poudre propulsive selon la revendication 1, dans laquelle ladite poudre propulsive est brûlée à un premier niveau durant la première phase de propulsion, à un second niveau au cours de la phase balistique et à un troisième niveau durant la seconde phase et ledit régulateur est utilisé pour piloter la pression produite par ledit générateur à poudre propulsive au cours de ladite phase balistique afin d'assurer que ladite seconde phase de propulsion débute à un point particulier dans le temps.
11. Méthode de commande d'un véhicule comprenant La fourniture d'un générateur de gaz à poudre propulsive possédant un bloc de poudre propulsive avec un profil pour produire différents niveaux de poussée et une vanne de régulation pour moduler la section réelle de sortie du générateur de gaz à poudre propulsive ; La saisie d'informations relatives au temps jusqu'à la cible dans le régulateur ; Le calcul de l'intégrale du taux de combustion de ladite poudre propulsive dans ledit régulateur ; et En réponse aux dites informations relatives au temps jusqu'à la cible et au calcul de ladite intégrale du taux de combustion, la transmission d'au moins un signal de la
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part dudit régulateur vers ladite vanne de régulation afin de piloter ladite vanne de régulation durant au moins une partie d'un vol du véhicule.
12. Méthode selon la revendication 11 dans laquelle au moins l'un des dits signaux est transmis à ladite vanne de régulation durant la partie de phase balistique dudit vol afin d'assurer la bonne initiation d'une partie de la phase de propulsion.
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