Sélectionner Des Moteurs De Précision Pour La Défense Intelligente

À l'heure actuelle, les principaux sous-traitants de la défense s’appuient sur quelques fabricants pour fournir des solutions de commande et d’activation essentielles qui permettent d’atteindre la supériorité grâce au déploiement de diverses munitions connectées. La recherche d’un moteur de précision qui répond aux exigences de performances élevées d’un missile à guidage automatique ou d’un système d’imagerie électro-optique/infrarouge (EO/IR) se fait en fonction de plusieurs critères de performances, notamment la mécanique, l’électricité et l’environnement. La recherche d'un moteur le plus précis possible pour une application de défense intelligente présente des difficultés spécifiques. Ce document technique traite de trois domaines d’application spécifiques et des exigences précises qui ont une incidence sur le choix du moteur.

LES DÉFIS POSÉS PAR LES APPLICATIONS DE DÉFENSE INTELLIGENTE

Les applications de défense intelligente font référence à l’utilisation de technologies avancées et de systèmes intelligents pour renforcer les capacités de défense et les opérations militaires. Les moteurs miniatures jouent un rôle crucial dans plusieurs applications de défense intelligente.

Système d’actionnement de contrôle d'ailettes de missile

Un système d’actionnement de contrôle d'ailettes de missile (CAS) dirige avec précision la position des surfaces de contrôle (ailettes, canards) sur la base des informations du système de guidage des missiles pour exécuter la trajectoire de vol du missile. Les exigences du moteur pour un CAS incluent habituellement :

•	L'environnement - Les missiles sont soumis à des températures extrêmes et doivent résister à des niveaux élevés de chocs et de vibrations. Les exigences de température de fonctionnement s’étendent de -55 °C à plus de 100 °C.
•	La mécanique - Des conceptions uniques et sur mesure sont nécessaires pour répondre aux exigences d’espace et de poids du système dans son ensemble.
•	L'électromagnétique - Une efficacité élevée et une réponse dynamique sont essentielles pour réagir aux actualisations constantes de la trajectoire de vol provenant du système de guidage.
•	La qualité - Un contrôle précis des surfaces de vol est déterminant dans l'atteinte de la cible par le missile. Le moteur doit être conçu pour pouvoir être stocké pendant de longues périodes (plus de 20 ans) et fonctionner de manière fiable lorsqu’il est mis en service.

Systèmes de déploiement des ailes

Un système de déploiement des ailes (WDS - Wing Deployment System) est utilisé pour augmenter la plage tactique des munitions guidées comme les bombes à glissement. Le WDS permet aux ailes de passer d’une orientation compacte lorsqu’elles sont stockées à une position étendue, ce qui maximise le temps et la distance de glisse pendant le vol. Les exigences du moteur pour les systèmes de déploiement des ailes sont les suivantes :

•	L'environnement - Comme pour le CAS, les moteurs sont soumis à des températures extrêmes et doivent résister à des niveaux élevés de chocs et de vibrations. Les exigences de température de fonctionnement s’étendent de -55 °C à plus de 85 °C.
•	L'électromagnétique - La réponse dynamique d’un système de déploiement des ailes n’est pas aussi rigoureuse qu'elle ne l'est avec un vérin à ailettes ; cela est dû au déploiement des ailes et au maintien en position jusqu’à ce que la cible soit atteinte.
•	La qualité - Le déploiement réussi des ailes détermine si le missile atteindra la cible visée. Comme pour le CAS, le moteur doit être conçu pour pouvoir être stocké pendant de longues périodes (plus de 20 ans) et fonctionner de manière fiable lorsqu’il est mis en service.

Systèmes électro-optiques/infrarouge (EO/IR)

Les dispositifs EO/IR sont des systèmes d’imagerie utilisés dans les têtes chercheuses qui combinent des capteurs signatures visibles et thermiques pour permettre une navigation et un ciblage précis quelles que soient les conditions lumineuses et météorologiques. Ils sont utilisés dans les véhicules aériens, terrestres et maritimes, ainsi que sur les munitions guidées, pour identifier, acquérir et se verrouiller au-dessus des cibles. Les exigences relatives aux moteurs pour les systèmes EO/IR impliquent habituellement :

•	L'environnement - Les moteurs à axe azimut, d’élévation et de zoom doivent fonctionner de concert pour fournir un mouvement fluide et hautement réactif, quel que soit l’environnement.
•	La mécanique - L’espace limité et les exigences de faible poids d’un missile ou d’une bombe guidés exigent que le moteur soit aussi performant et le couple aussi dense que possible.
•	L'électromagnétique - Même si la durée d’utilisation globale est courte, le bilan de puissance embarquée limité exige un moteur à haut rendement pour minimiser la consommation d’énergie du système d'alimentation du véhicule.
•	La qualité - Les informations des capteurs d’imagerie sont un élément crucial de la mission. La robustesse et la fiabilité du moteur doivent être suffisantes pour fonctionner correctement, même après de longues périodes de stockage.

LES TECHNOLOGIES DE MOTEUR POUR LA DÉFENSE INTELLIGENTE

Les difficultés que présentent la plupart des applications de défense rendent indispensables les designs robustes et fiables capables de résister à des environnements extrêmes. Les applications de défense intelligente ajoutent des paramètres de performance et d’efficacité supplémentaires qui doivent être optimisés pour répondre aux exigences d’espace réduit. Diverses technologies de moteur CC avec différents formats conviennent parfaitement aux applications de défense intelligente, ce qui inclut les moteurs CC à balais sans fer, les moteurs CC sans balais cylindriques (avec et sans encoches) et les moteurs CC sans balais plats (à encoches).

Les moteurs CC à balais sans fer

Un moteur CC à balais sans fer se compose d’un rotor, constitué d’une bobine fixée à un arbre et d’un stator avec aimants fixes. Étant donné que l’assemblage de la bobine n’est pas constitué de laminages de fer, le moteur est considéré comme étant sans fer. Les moteurs sans fer présentent des avantages considérables, car les pertes typiques du noyau de fer sont éliminées. La commutation des moteurs s’effectue à l’aide de balais en métal précieux ou en graphite qui réduisent la résistance de contact et la friction, ainsi que l'électronique de commande.

Les moteurs CC sans balais cylindriques

Les moteurs CC sans balais cylindriques utilisent une bobine stationnaire avec un aimant permanent rotatif. Les enroulements de la bobine, qui font partie du stator, peuvent être mis sous tension et commutés électriquement. Cela rend le système de commutateur et de balais inutiles.

Les moteurs CC sans balais à encoches plats

Les bobines sont également introduites dans les encoches de laminage des moteurs CC sans balais à encoches plats, mais diffèrent de celles des moteurs cylindriques, car elles ont une configuration de rotor externe.

CRITÈRES DE SÉLECTION DU MOTEUR POUR LA DÉFENSE INTELLIGENTE

Il existe de nombreux compromis entre les différentes technologies de moteur en fonction des exigences spécifiques de chaque application de défense intelligente. Certaines exigences peuvent dépendre d’une technologie ou d'une autre, tandis que des combinaisons d’exigences peuvent exiger des compromis. La priorisation permet de choisir le moteur le mieux adapté. Les paramètres de mouvement clés à prendre en compte incluent :

•	La densité de couple. Les moteurs CC fournissent un couple très élevé dans des conceptions compactes grâce à l’intégration d’aimants à haute énergie qui génèrent une densité de flux élevée et une bobine sans noyau. En fonction du type de commutation, un moteur CC peut fournir jusqu’à 3 à 5 fois le couple continu maximal de manière transitoire. Les moteurs CC sans balais avec ou sans encoches sont conçus pour fournir un couple élevé et fournir jusqu’à 10 fois le couple continu maximal sans saturation magnétique. Par rapport aux moteurs cylindriques, les moteurs plats sans balais à rotor externe peuvent fournir une densité de couple très élevée avec un facteur de forme réduit, ce qui est pratique pour les petits espaces.
•	Les pertes dues à la friction. Les roulements et les balais des moteurs CC à balais ne génèrent aucune perte de charge ou perte statique due à la friction. Les moteurs à balais réduisent la friction grâce à des matériaux de balais et de commutateur à faible friction qui assurent un fonctionnement en douceur. Les roulements des moteurs CC de précision conçus pour la défense intelligente sont soigneusement étudiés afin de limiter au maximum les pertes.
•	Les pertes fer. Les moteurs CC avec noyaux en fer sont touchés par les pertes de courant de Foucault à des vitesses élevées, ce qui augmente les pertes du moteur. Les moteurs sans fer, quant à eux, ne perdent pas de fer et sont généralement privilégiés pour les applications à vitesse plus élevée. Les moteurs CC sans balais avec ou sans encoches et noyaux en fer peuvent être conçus pour minimiser les pertes fer grâce à un design magnétique et à une sélection stratégique des matériaux.
•	La vitesse maximale. Les petits moteurs CC sont généralement bien adaptés pour fonctionner en continu à des vitesses de 10 000 tr/min voire plus sur de courtes durées ; la conception CC sans balais plate avec un rotor externe permet également un fonctionnement à 10 000 tr/min. Les designs CC sans balais cylindriques avec et sans encoches peuvent atteindre des vitesses supérieures à 40 000 tr/min sans perte de fiabilité. Les moteurs fonctionnant à ces vitesses élevées sont équipés de roulements spécialement conçus pour répondre à ces exigences et sont équilibrés pour minimiser les vibrations. Pour améliorer davantage les performances à haute vitesse, les moteurs peuvent être équilibrés à un niveau supérieur.
•	Couple résiduel. Le couple résiduel est le résultat de la position aimantée privilégiée du rotor par rapport aux dents des laminations du stator. La technologie sans noyau élimine les laminations en fer, ce qui élimine le couple résiduel dans les moteurs CC à balais. De la même façon, les moteurs CC sans balais ni encoches n’ont pas de couple résiduel en raison de leur conception sans fer. Les moteurs à encoche présentent intrinsèquement un couple résiduel qui peut être minimisé en alignant de manière asymétrique les laminations de fer ou la bonne combinaison de pôles et de fentes/dents.
•	La durée de vie du moteur. Le principal facteur limitant la durée de vie des moteurs CC à balais est l’usure des balais et du commutateur. En fonction du cycle de fonctionnement et de la taille du moteur, les balais en métaux précieux et/ou en graphite de carbone peuvent réduire l’usure et prolonger la durée de vie du moteur de plusieurs milliers d’heures. Les moteurs CC sans balais ont une commutation électronique et ne sont limités que par la durée de vie des roulements.
•	L'inertie. Le moteur CC sans balais à encoche est le meilleur choix technologique en raison de son faible diamètre pour les applications qui exigent une faible inertie du rotor. À l’inverse, le moteur CC sans balais à encoches plat avec la configuration de rotation extérieure aura une inertie plus élevée en raison de la plus grande taille du rotor.
•	La robustesse. Une des principales exigences en matière de défense intelligente est la capacité des moteurs à supporter à des conditions environnementales extrêmes. Le moteur CC sans balais à encoches convient parfaitement aux environnements difficiles (chocs et secousses importants, humidité élevée et conditions salées) grâce à son stator et son rotor très résistants. Les moteurs CC sans balais ni encoches et sans noyau peuvent également être utilisés dans des applications qui doivent se conformer aux exigences de la norme MIL-STD-810. Les rotors externes des moteurs CC sans balais plats peuvent être conçus pour répondre aux exigences de la défense ; cependant, ils sont naturellement moins résistants que les moteurs à rotor interne.

DES MOTEURS MINIATURES PARFAITS POUR LA DÉFENSE INTELLIGENTE

JSelon les priorités de conception, les modèles CC sans balais avec et sans encoches et plats constituent tous des solutions de mouvement appropriées pour les systèmes d'actionnement d'ailettes de missile. Leur densité de puissance élevée et leur faible encombrement permettent de réduire le poids du système d’actionnement tout offrant une réponse dynamique aux sollicitations du système de guidage pour assurer un contrôle optimal du vol. Les technologies CC avec et sans balais sont parfaitement adaptées aux applications de déploiement d'ailes. Pour les systèmes de mouvement simples, les petits moteurs CC sont les solutions les plus économiques pour répondre à toutes les exigences des applications, notamment en matière de performance, de taille et de durée de vie. Pour des exigences plus strictes, un moteur CC sans balais entièrement sur mesure est probablement la meilleure solution. Les applications EO/IR sont généralement équipées de petits moteurs CC à balais et CC sans balais ni encoches. La densité de puissance élevée de cette technologie de moteur permet de réduire au maximum la taille globale du système. Les moteurs CC à balais contribuent également à réduire l’encombrement, car le moteur n’a besoin que de composants électroniques de commande simples pour fonctionner.

LES EXIGENCES DE DÉFENSE SPÉCIFIQUES QUI ONT UNE INCIDENCE SUR LA SÉLECTION DU MOTEUR

En règle générale, les applications de défense présentent de nombreuses exigences et spécifications qui vont au-delà des produits disponibles dans le commerce. Ces fonctionnalités uniques doivent être prises en compte dans le processus de sélection du moteur. La plupart des constructeurs peuvent personnaliser un moteur pour répondre aux spécifications environnementales les plus courantes (STD-MIL-810), ainsi qu’à d’autres exigences de performance spécifiques au client ou à l’application.

Pour des exigences élevées en matière de chocs et de vibrations, une sélection de composants spécifiques (roulements, dispositifs de retour, etc.) qui peut tolérer ces exigences est indispensable. Des processus de fabrication supplémentaires, tels que des bobinages d'isolation ou l’utilisation de la soudure au laser pour l’assemblage des boîtiers, peuvent aider à répondre à ces exigences.

Les personnalisations des températures pour répondre à la plage de -55 °C à 180 °C impliquent de choisir un dégazage faible et une lubrification pour températures extrêmes pour les roulements et les réducteurs. Des composants électroniques sur mesure peuvent également être conçus en utilisant des composants correctement calibrés ou d’autres options de contrôle de la température.

Les exigences de stockage à long terme imposent des matériaux et des lubrifiants spéciaux pour les roulements afin d’éviter la corrosion et le dessèchement des lubrifiants des roulements. Pour les moteurs CC à balais, des matériaux de commutation et des finitions spéciaux peuvent être nécessaires.

Pour tous les composants en métal et pour les composants électroniques, des matériaux résistants à la corrosion et des revêtements spéciaux pour circuits imprimés sont nécessaires en cas de forte humidité et de brouillard salin.

RÉSUMÉ

Il n’est pas toujours évident de choisir le bon moteur pour la défense intelligente, mais des constructeurs comme Portescap, qui comptent plus de 40 ans d’expérience dans de nombreuses applications liées à l’aérospatiale et à la défense, peuvent vous aider à choisir la solution la mieux adaptée. Ce ne sont là que quelques exemples d’applications de défense intelligente qui tirent parti des technologies avancées pour renforcer les capacités de défense. Alors que la technologie continue d’évoluer, la portée et l’impact des moteurs miniatures utilisés dans les applications de défense intelligente sont susceptibles de s’étendre, ce qui permettra aux militaires d’être plus agiles, flexibles et efficaces dans les scénarios de guerre modernes.

POURQUOI PORTESCAP

Avec plus de 40 ans d’expérience dans la mise au point et le déploiement de moteurs miniatures CC pour les applications de défense critiques, Portescap est un fournisseur clé du marché de l’aérospatiale et de la défense. La conception collaborative entre ingénieurs (E2E) de Portescap offre aux clients un moyen d’accélérer l’optimisation d’une solution de moteur, qu’il s’agisse d’une solution COTS ou entièrement sur mesure. De nombreuses technologies de moteur adaptées sont facilement disponibles sur les sites de production du monde entier.

CONTACTER UN INGÉNIEUR