Vectorisation de poussée
Fusées et missiles balistiquesedit
Nominalement, la ligne d’action du moteur de fusée V-2
le vecteur de poussée d’une tuyère de fusée traverse le centre de masse du véhicule, générant un moment net nul autour du centre de masse. Il est possible de générer des moments de tangage et de lacet en déviant le vecteur de poussée de la fusée principale de sorte qu’il ne traverse pas le centre de masse. Étant donné que la ligne d’action est généralement orientée presque parallèlement à l’axe de roulis, le contrôle du roulis nécessite généralement l’utilisation de deux ou plusieurs buses articulées séparément ou d’un système séparé, tel que des ailettes ou des aubes dans le panache d’échappement du moteur-fusée, déviant la poussée principale. Le contrôle vectoriel de poussée (TVC) n’est possible que lorsque le système de propulsion crée une poussée; des mécanismes distincts sont nécessaires pour le contrôle de l’assiette et de la trajectoire de vol pendant les autres étapes du vol.
La vectorisation de poussée peut être réalisée par quatre moyens de base:
- Moteur(s) à cardan ou buse (s)
- Injection de fluide réactif
- Propulseurs auxiliaires « Vernier »
- Aubes d’échappement, également appelées aubes à réaction
Propulseur à cardan
La vectorisation de poussée pour de nombreuses fusées à liquide est obtenue par cardan de l’ensemble du moteur. Cela implique de déplacer toute la chambre de combustion et la cloche externe du moteur comme sur les deux moteurs du premier étage du Titan II, ou même l’ensemble du moteur, y compris les pompes à carburant et à comburant associées. La Saturn V et la navette spatiale utilisaient des moteurs à cardan.
Une méthode ultérieure développée pour les missiles balistiques à propergol solide permet de vectoriser la poussée en déviant uniquement la tuyère de la fusée à l’aide d’actionneurs électriques ou de vérins hydrauliques. La tuyère est fixée au missile par l’intermédiaire d’une rotule avec un trou au centre, ou d’un joint souple en matériau résistant à la chaleur, ce dernier nécessitant généralement plus de couple et un système d’actionnement de puissance plus élevé. Les systèmes Trident C4 et D5 sont commandés via une buse à commande hydraulique. Les SRB STS utilisaient des buses à cardan.
Injection de propulsemodifier
Une autre méthode de vectorisation de poussée utilisée sur les missiles balistiques à propergol solide est l’injection de liquide, dans laquelle la buse de fusée est fixée, mais un fluide est introduit dans le flux d’échappement à partir d’injecteurs montés autour de l’extrémité arrière du missile. Si le liquide est injecté d’un seul côté du missile, il modifie ce côté du panache d’échappement, ce qui entraîne une poussée différente de ce côté et une force nette asymétrique sur le missile. C’était le système de contrôle utilisé sur le Minuteman II et les premiers SLBM de la Marine américaine.
Propulseurs Verniersedit
Un effet similaire à la vectorisation de poussée peut être produit avec plusieurs propulseurs vernier, de petites chambres de combustion auxiliaires dépourvues de leurs propres turbopompes et pouvant s’enrouler sur un axe. Ceux-ci ont été utilisés sur les missiles Atlas et R-7 et sont toujours utilisés sur la fusée Soyouz, qui descend du R-7, mais sont rarement utilisés sur de nouveaux modèles en raison de leur complexité et de leur poids. Ceux-ci sont distincts des propulseurs du système de contrôle de réaction, qui sont des moteurs-fusées fixes et indépendants utilisés pour manœuvrer dans l’espace.
Aubes d’échappementmodifier
L’une des premières méthodes de vectorisation de la poussée dans les moteurs-fusées consistait à placer des aubes dans le flux d’échappement du moteur. Ces aubes d’échappement ou aubes à réaction permettent de dévier la poussée sans déplacer aucune partie du moteur, mais réduisent l’efficacité de la fusée. Ils ont l’avantage de permettre le contrôle du roulis avec un seul moteur, ce qui n’est pas le cas du cardans de buse. Le V-2 utilisait des aubes d’échappement en graphite et des aubes aérodynamiques, tout comme le Redstone, dérivé du V-2. Les fusées Sapphire et Nexo du groupe amateur Copenhagen Suborbitals fournissent un exemple moderne d’aubes à réaction. Les aubes à jet doivent être en matériau réfractaire ou refroidies activement pour éviter qu’elles ne fondent. Sapphire a utilisé des aubes en cuivre massif pour la capacité thermique et la conductivité thermique élevées du cuivre, et Nexo a utilisé du graphite pour son point de fusion élevé, mais à moins d’un refroidissement actif, les aubes à jet subiront une érosion importante. Ceci, combiné à l’inefficacité des aubes à réaction, empêche principalement leur utilisation dans de nouvelles fusées.
Missiles tactiques et petits projectionsmodifier
Certains missiles tactiques atmosphériques de plus petite taille, tels que le Sidewinder AIM-9X, évitent les gouvernes de vol et utilisent plutôt des aubes mécaniques pour dévier l’échappement du moteur d’un côté.
La vectorisation de poussée est un moyen de réduire la portée minimale d’un missile, devant laquelle il ne peut pas atteindre une vitesse suffisamment élevée pour que ses petites surfaces aérodynamiques produisent des manœuvres efficaces. Par exemple, les missiles antichars tels que l’ERYX et le PARS 3 LR utilisent la vectorisation de poussée pour cette raison.
Quelques autres projectiles qui utilisent la vectorisation de poussée:
- 9M330
- Strix mortar round utilise douze fusées à propulseur latéral à section médiane pour apporter des corrections de trajectoire terminales
- AAD utilise des aubes à réaction
- QRSAM utilise des aubes à réaction
- MPATGM utilise des aubes à réaction
- Barak 8 utilise des aubes à réaction
- A-Darter utilise des aubes à réaction
- ASRAAM utilise des aubes à réaction
- R-73 (missile) utilise des aubes à réaction
- HQ-9 utilise des aubes à réaction
- PL-10 (ASR) utilise des aubes à réaction
- MICA (missile) utilise des aubes à réaction
- PARS 3 LR utilise des aubes à réaction
- La famille de missiles Aster combine le contrôle aérodynamique et le vecteur de poussée directe le contrôle appelé « PIF-PAF »
- AIM-9X utilise quatre aubes à jet à l’intérieur de l’échappement, qui se déplacent au fur et à mesure que les ailettes bougent.
- Le 9M96E utilise un système de contrôle dynamique des gaz permettant des manœuvres à des altitudes allant jusqu’à 35 km à des forces supérieures à 20g, ce qui permet l’engagement de missiles balistiques non stratégiques.
- Le 9K720 Iskander est contrôlé pendant tout le vol avec des gouvernes dynamiques et aérodynamiques aux gaz.
Aviondit
La plupart des avions à poussée vectorielle actuellement opérationnels utilisent des turboréacteurs avec des buses ou des aubes rotatives pour dévier le flux d’échappement. Cette méthode peut dévier avec succès la poussée jusqu’à 90 degrés par rapport à l’axe central de l’avion. Cependant, le moteur doit être dimensionné pour la portance verticale, plutôt que pour un vol normal, ce qui entraîne une pénalité de poids. La postcombustion (ou combustion de la chambre plénière, PCB, dans le flux de dérivation) est difficile à intégrer et peu pratique pour la vectorisation de la poussée au décollage et à l’atterrissage, car les gaz d’échappement très chauds peuvent endommager les surfaces de piste. Sans postcombustion, il est difficile d’atteindre des vitesses de vol supersoniques. Un moteur à circuit imprimé, le Bristol Siddeley BS100, a été annulé en 1965.
Poussée vectorielle de l’avion tiltroteur via des nacelles de turbopropulseurs rotatifs. Les complexités mécaniques de cette conception sont assez gênantes, y compris la torsion des composants internes flexibles et le transfert de puissance de l’arbre de transmission entre les moteurs. La plupart des modèles de tiltroteurs actuels comportent deux rotors côte à côte. Si un tel engin est piloté d’une manière où il entre dans un état d’anneau de vortex, l’un des rotors entrera toujours légèrement avant l’autre, provoquant un roulis drastique et imprévu de l’avion.
La vectorisation de poussée est également utilisée comme mécanisme de commande pour les dirigeables. Une première application était le dirigeable Delta de l’armée britannique, qui a volé pour la première fois en 1912. Il a ensuite été utilisé sur le dirigeable HMA (His Majesty’s Airship) No. 9r, un dirigeable rigide britannique qui a volé pour la première fois en 1916 et le double américain des années 1930. Dirigeables rigides de la marine USS Akron et USS Macon qui ont été utilisés comme porte-avions aéroportés, et une forme similaire de vectorisation de poussée est également particulièrement précieuse aujourd’hui pour le contrôle des dirigeables non rigides modernes. Dans cette utilisation, la majeure partie de la charge est généralement supportée par la flottabilité et la poussée vectorielle est utilisée pour contrôler le mouvement de l’avion. Le premier dirigeable à utiliser un système de contrôle basé sur de l’air sous pression était Omnia Dir d’Enrico Forlanini dans les années 1930.
Un projet de jet intégrant la vectorisation de poussée a été soumis en 1949 au ministère de l’Air britannique par Percy Walwyn; Les dessins de Walwyn sont conservés à la National Aerospace Library à Farnborough. L’intérêt officiel a été réduit lorsqu’il a été réalisé que le concepteur était un patient dans un hôpital psychiatrique.
Actuellement en cours de recherche, la vectorisation de poussée fluidique (FTV) détourne la poussée via des injections fluidiques secondaires. Les tests montrent que l’air forcé dans un flux d’échappement de moteur à réaction peut dévier la poussée jusqu’à 15 degrés. De telles buses sont souhaitables pour leur masse et leur coût inférieurs (jusqu’à 50% de moins), leur inertie (pour une réponse de contrôle plus rapide et plus forte), leur complexité (mécaniquement plus simple, moins ou pas de pièces ou de surfaces mobiles, moins d’entretien) et leur section transversale radar pour la furtivité. Cela sera probablement utilisé dans de nombreux véhicules aériens sans pilote (UAV) et avions de chasse de 6e génération.