Guidage de lanceur et Grid Fins

Comment orienter un lanceur durant son vol ?

C'est une question simple mais inévitable : lors de son vol (et parfois de son retour), un lanceur doit être correctement pointé dans la bonne direction. Il doit suivre son plan de vol prévu, pouvoir se mettre dans la bonne position pour son atterissage ou encore pour la libération d'une charge utile qui ne s'oriente pas seule, comme les METEOSAT.

Mais alors, comment le guider ?

Détecter les mouvements, accélérations, et inclinaisons du lanceur

Avant de vouloir faire pivoter le lanceur, il faut repérer sa position dans l’espace et son orientation.

Pour ce faire, le lanceur possède plusieurs éléments majeurs :

  • Plusieurs gyroscopes et/ou gyrolasers. Ce sont des éléments mis en rotation, qui vont conserver leur axe de départ (la verticale, avant le décollage). Ainsi, en mesurant l’angle entre les gyroscopes et le lanceur, on connait son orientation.

  • Des accéléromètres, mesurant les forces que subit le lanceur.

  • Des senseurs stellaires. Ces caméras sont reliées à un programme de l'ordinateur de bord, qui reconnaît quelles étoiles le senseur filme, permettant de déduire son orientation et sa position relative.

  • Des antennes radio, visibles sur les Progress et l'ISS par exemple, et qui s'alignent sur leurs faisceaux pour connaître les axes et positions lors d'amarrages.

  • Des relais GPS, utilisables si le lanceur est en dessous des orbites de satellites GPS.

  • Des émetteurs/récepteurs radio, pour utiliser la triangulation des stations sol qui les captent.

Le faire pivoter en utilisant ses moteurs :

Dans la plupart des cas un moteur fusée peut s'orienter de plusieurs degrés dans certaines directions. Ce système permet de dévier le jet de gaz sortant de la tuyère, ce qui permet de diriger le vecteur de poussée du moteur.

Cette poussée, par exemple orientée vers la droite, va créer un mouvement de rotation autour du centre de gravité du lanceur, le faisant s'orienter vers la droite.

Petit rappel, il y a 3 axes de rotations d'un lanceur, ce sont les mêmes que ceux autour d'un avion.

Le lacet est le mouvement de rotation horizontal d'un mobile autour d'un axe vertical.

Le roulis est un mouvement de rotation d'un mobile autour de son axe longitudinal (axe de roulis). La vitesse angulaire de cette rotation est aussi appelée taux de roulis, on en parlera plus tard.

Le tangage est un mouvement de rotation autour de l'axe transversal d'un objet en mouvement.

Ainsi, le lanceur peut pivoter sur ces 3 axes, pour garder son orientation. Lors d’un lancement, ce ou ces moteurs vont le faire tourner sur lui même (bien visible sur les décollages de Navette Spatiale, qui montre son dos aux caméras très rapidement) et réaliser le « Pitch kick » c’est à dire pivoter de la verticale vers l’horizontale au fur et à mesure de l'ascension.

Prenons le cas d'une Falcon9 Full Thrust (sa version la plus puissante).

Chaque moteur Merlin M1d possède une partie nommée TVC actuator, qui est en fait un bras hydraulique utilisant une partie du carburant RP-1 de la fusée, qui permet à chacun des 9 moteurs de pivoter légèrement.

Si vous prêtez l'oeil à la prochaine photo, vous verrez cependant que le moteur central est légèrement plus bas que les 8 autours de lui...en effet, il est le moteur utilisé à l'atterissage. Situé plus bas, il à donc une capacité de "gimballing" plus élevée, pour orienter la Falcon plus efficacement.

Le faire pivoter en utilisant autre chose que ses moteurs :

Un lanceur doit parfois pivoter sans ses moteurs, pour cela on listera 3 systèmes, avant de se concentrer sur un système précis.

Premièrement, le plus connu est le Reactions Control System, ou RCS. Il s’agit de moteurs très simples généralement projetant un gaz sous pression sur un catalyseur.

L’éjection à haute vitesse de ce gaz repose sur le même principe que le moteur fusée principal, mais sa poussée, loin du centre de gravité et axée sur les 3 axes décrits précédemment, va créer un moment de rotation pour le faire pivoter.

Cependant, ce système n’est actif que dans l’espace, et pour annuler cette rotation, il faut le rallumer dans la direction opposée, car sans frottements de l’air, le mouvement sera permanent.

Il est donc important de concevoir des accéléromètres et gyroscopes précis, afin de ne pas s’aveugler lors de mouvements sur les 3 axes en même temps, auquel cas ils ne sauraient sortir de vrilles via ces micro propulseurs.

Voilà un exemple de ces jets sur un Soyuz en approche de l’ISS.

Dans d’autres cas, les lanceurs peuvent utiliser des « Internal Reaction Wheels », bien que plus utilisés sur les satellites. Ce sont des roues, qui, lorsque l’on les met en rotations, vont créer un mouvement dans le sens inverse. Avec 3 roues, on peut donc s’orienter sur 3axes.

Sur le même principe, l’effet gyroscopique permet de garder un étage de lanceur orienté comme il faut : certains étages sont mis en rotation rapide sur eux mêmes (l’axe de roulis, bien sur) et garde leur orientation durant tout leur vol, comme des gyroscopes géants. Par exemple, les satellites METEOSAT fonctionnent sur ce principe, tournant sur eux mêmes 100 fois par minute !

Enfin, nous abordons le sujet principal de cet article, que sont les Grid Fins. Nous allons voir ce qu’ils sont, leur utilité, et leur fonctionnement puis passer à leur utilisation réelle.

Plus de détails à propos des Grid Fins :

Description générale :

Les Grid Fins sont des surfaces de contrôle aérodynamique, comparables à des ailerons classiques d’avions, cependant, ils ne sont pas pleins mais creusés, formant des croisillons métalliques. Cela les rends plus légers mais aussi plus résistants, car causant moins de trainée aérodynamique.

Ils sont généralement repliés au lancement de missiles, bombes, ou fusées, puis dépliés en vol.

Voilà ceux de la Falcon9 :

Ils peuvent pivoter sur 1 axe chacun, leur axe de roulis.

Cependant, étant placés en haut de la fusée perpendiculairement à son axe de symétrie, agir sur leur roulis c’est agir sur le tangage, le lacet et le roulis de la fusée !

Aérodynamique et analyse technique des Grid Fins

Comme dit sur le site de SpaceX :

La Falcon 9 possède des grids fins hypersoniques sur son premier étage, disposés en X. Ils dirigent et manipulent la direction de la portance de l’étage pendant la rentrée atmosphérique.

(NB: Car dans l’atmosphère, les RCS sont inefficaces et le moteur n’est pas allumé en permanence. L’étage ayant une forme précise, il peut générer une petite portance, comme un avion ou une capsule Soyuz, pour se diriger finement. Les grids fins sont assez solides et creux pour résister au flux hypersonique, c’est à dire supérieur à Mach 5, soit 6150km/h ou encore 1710m.s^-1.)

Ils sont déployés au début de la entrée atmosphérique, après le Boostback burn. Ils ne mesurent que 1,2m par 1,5m, ce qui est relativement petit, mais permettent de faire pivoter le lanceur, haut de 14étages, de 20degrés dans chaque direction !

Les grids fins se comporte comme des gouvernes traditionnelles que l’on trouverait sur un avion. Orientés dans le même sens par paire (haut-bas et gauche-droite entre guillemets), ils permettent d’agir sur les axes de tanguage et de lacet. Cependant, orientés tous dans le même sens (comme sur le gif plus haut) ils donnent un excellent taux de roulis à la Falcon9.

Les grid fins de SpaceX sont contrôlés par un fluide dans un circuit non fermé, cela signifie que le fluide ne revient pas dans le réservoir via une pompe, et donc, en cas de dépense totale de ce fluide, les fins ne bougent plus, ce qui à déjà causé un crash lors des essais d’atterrissages.

Les grids fins doivent subir plusieurs flux ; hypersoniques et supersoniques, transsoniques et subsoniques.

Lors du passage dans un flux hypersonique, l’air passant entre les grilles à haute vitesse ne crée pas de gros problèmes, car les ondes de choc se rencontrent après la gouverne.

Cependant, aux régimes transsoniques, soit l’air va s’engouffrer dedans et rebondir lors d’ondes de choc, créant une trainée importante et un contrôle moyen. Encore pire lors du passage sous Mach1, l’onde de choc se crée avant le grid fin, et dévie l’air, le rendant presque inutile.

Cependant, le flux calme du régime subsonique redonne de la force de commande et des moments aérodynamiques aux gouvernes, qui peuvent à nouveau orienter le lanceur lors de la phase finale d’atterrissage, comme sur ce gif.

On y voit bien les fins bouger pour déplacer la fusée, le moteur central s’orientant aussi après son allumage.

Un de problèmes de ces grid fins est la rentrée atmosphérique. Même si le Entry Burn sert à diminuer la vitesse d’entrée, donc les frottements et l’échauffement, on à pu voir des grid fins littéralement bruler lors du retour!

Il est bon de noter que, même repliés, ces excroissances sur le corps de la fusée agissent comme de minuscules ailettes, et ajoute de la stabilité au lanceur. Ainsi, le corps tend à garder une orientation verticale, moteurs vers le bas, que les grids fins corrigent une fois déployés, déviant la portance engendrée.

Leur aérodynamique est donc essentielle pour un contrôle maximal de la trajectoire et de l’attitude de l’étage.

Utilisations

Les grids fins ne datent pas de SpaceX ! Ils ont été développés à la base en URSS dans les années 1950. A leur création, ils servent majoritairement dans le domaine militaire.

Niveau militaire:

La Mother of All Bombs, ou encore Massive Ordnance Air Blast bomb ou MOAB est là plus puissante bombe non nucléaire utilisée au combat. Cette bombe de 10tonnes, mesurant 10m par 1 mètre était larguée depuis un avion cargo, se détachait de son chariot et se guidait via grid fins pour exploser là où on le lui demandait.

De nombreux missiles utilisent les grids fins : une fois pliés, ils ne sont pas plus gros que le lanceur et permettent un rangement facile dans une soute ou un silo. En vol, ils résistent aux vitesse importantes des missiles. En voilà sur le missile air-air à guidage radar R-77, ou encore sur le missile balistique SS-20 ci dessous.

Niveau Aéronautique:

Certains avions ont des aérofreins semblables à des grid fins. Le but n’est ici pas de se diriger (les gouvernes sont là pour ca) mais de pouvoir se déployer à des très hautes vitesse pour ralentir via la trainée induite.

Niveau Spatial:

Les soviétiques ont beaucoup utilisé ces gouvernes spéciales : ils les ont mises sur le système d’éjection d’urgence des lanceurs Soyouz, et même sur les fusées lunaires N-1 !

Les voilà, pliés contre la coiffe du Soyouz.

Et ceux du 1er étage de la N1 ont été conservés… et utilisés comme murs pour hangar à Baïkonour !

Du côté de SpaceX, les Grid Fins ont été installés sur les Falcon9 dès que les tests d’atterrissages ont commencé.

Leur modernisation continue, avec des Grid Fins plus grands, de forme dentelée, en alliages différents et plus aérodynamique (suppression de maintiens en métal qui traversaient la grille par exemple).

Conclusion

Un lanceur se dirige par de nombreux moyens, qu’ils soient mécaniques ou par combustion.

Les Grids Fins sont très utiles, solides, simples d’utilisation et de conception. Ce sont donc de très bon paris sur l’avenir pour des retours d’étages ou des guidages de corps dans une atmosphère.

Merci,

Niels.

SOURCES :

SpaceX & Elon Musk (videos, pictures, datas…)

Thesis : DESIGN OF A GRID FIN AERODYNAMIC CONTROL DEVICE FOR TRANSONIC FLIGHT REGIME A THESIS SUBMITTED TO THE GRADUATE SCHOOL OF NATURAL AND APPLIED SCIENCES OF MIDDLE EAST TECHNICAL UNIVERSITY BY ERDEM DİKBAŞ

Thesis : AERODYNAMIC ANALYSIS OF LATTICE GRID FINS IN TRANSONIC FLOW by Karl S. Orthner, DEPARTMENT OF THE AIR FORCE

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