FR2924095A1 - Actionneur a transfert de moment cinetique pour le controle d'attitude d'un engin spatial - Google Patents

Abstract

Un actionneur pour le contrôle d'attitude d'un engin spatial comporte une première roue cinétique (1) entraînée en rotation par un moteur (5) et une seconde roue cinétique (2).Les deux roues cinétiques (1, 2) sont mobiles en rotation autour d'un axe (61) et sont couplées mécaniquement par des moyens de couplage (4) mécaniques imposant entre une vitesse de rotation omega1 de la première roue cinétique (1) et une vitesse de rotation omega2 de la seconde roue cinétique (2) un rapport R = omega2 / omega1 négatif d'une part et modifiable continûment par les moyens de couplage (4) en réponse à une commande d'autre part afin de modifier le moment cinétique total de l'actionneur à énergie cinétique totale constante des roues.Dans un mode réalisation, les deux roues cinétiques ont la même inertie et sont couplées au moyen d'un variateur toroïdal dont le rapport R varie entre -3 et -1/3.Pour stocker et restituer de l'énergie à moment cinétique constant le moteur (5) entraîne les roues cinétiques (1, 2) en rotation et fonctionne en générateur pour freiner les dites roues cinétiques.

Description

Actionneur à transfert de moment cinétique pour le contrôle d'attitude d'un engin spatial

La présente invention appartient aux domaines du contrôle d'attitude des engins spatiaux et notamment des satellites devant être orientés suivant des directions variables en opération. En particulier l'invention concerne des actionneurs pour contrôle d'attitude 5 utilisant des moyens d'accumulation d'énergie cinétique. Accessoirement ou principalement, l'énergie cinétique de l'actionneur est utilisable comme source d'énergie stockée.

En fonction de ses missions un engin spatial, en particulier d'un satellite tel 10 qu'un satellite d'observation, doit être en mesure d'être orienté et stabilisé dans des directions particulières précises. Ce problème général est particulièrement critique pour les satellites d'observation pour lesquels la ligne de visée optique d'un instrument d'observation doit être en mesure de basculer rapidement en fonction des 15 directions des centres d'intérêt. Aujourd'hui pour ce type de contrôle d'attitude et de stabilisation deux familles principales d'actionneurs sont utilisées.

Une première famille correspond aux roues de réaction. 20 Une roue de réaction comporte généralement un disque entraîné en rotation à la demande autour d'un axe fixe dans un référentiel lié à l'engin spatial à bord duquel il est installé. Lorsque le disque, couplé à un moteur d'entraînement, est accéléré ou freiné la variation de moment cinétique du disque est transmise à l'engin spatial 25 qui pivote alors autour de l'axe correspondant à la variation du moment cinétique du disque. En couplant trois ou plus roues de réaction dont les axes de rotation ont des directions différentes dans le repère de l'engin spatial, il est possible d'orienter l'engin spatial dans toutes les directions.

Un tel dispositif connu est réputé pour sa robustesse en raison en particulier du faible nombre de parties mobiles. D'autre part, il génère des couples suivant une direction fixe par rapport à l'engin spatial, ce qui simplifie les lois de contrôle d'attitude. Cependant, il présente l'inconvénient d'être consommateur d'énergie chaque fois que des vitesses de rotation de disques doivent être accélérées pour créer du moment cinétique, l'énergie étant en général dissipée lors des périodes de diminution des vitesses de rotation de disques pour détruire du moment cinétique. D'autre part, il est très limité en couple maximum réalisable, tout au plus quelques Nm pour des applications spatiales, du fait que son efficacité est dans le rapport des inerties roue / satellite et que la puissance nécessaire augmente avec la vitesse de la roue.

Une autre famille correspond aux actionneurs gyroscopiques. Suivant le principe général, un actionneur gyroscopique comporte une roue cinétique en rotation à vitesse constante autour d'un axe dont l'orientation est en mesure d'être modifiée par rapport à un référentiel de l'engin spatial. Pour cela la roue cinétique est portée par un dispositif à cardans asservi en position, la vitesse de rotation de la roue étant maintenue constante. Lorsque l'orientation de l'axe de rotation de la roue, donc l'orientation du moment cinétique correspondant, est modifiée dans un référentiel de l'engin spatial par une action sur le dispositif à cardans, un couple est généré qui est transmis à l'engin spatial par les supports de l'actionneur. En couplant plusieurs actionneurs gyroscopiques, il est possible d'orienter l'engin spatial dans toutes les directions.

Ce type d'actionneur est avantageux car la création de couple se fait par transfert de moment cinétique, sans perte d'énergie mécanique de la roue (en dehors des frottements). Pour une puissance électrique donnée, l'actionneur gyroscopique pourra réaliser des couples beaucoup plus importants (typiquement une centaine de fois plus importants) qu'une roue de réaction.

Cependant les systèmes utilisant des actionneurs gyroscopiques sont relativement complexes en raison de la complexité même des actionneurs pourvus des dispositifs à cardans et en raison du fait que les couples gyroscopiques générés par ce type d'actionneur sont tournants en axe satellite, ce qui nécessitent des lois de guidage et de contrôle complexes pour les mettre en oeuvre. De tels dispositifs de contrôle d'attitude à actionneurs gyroscopiques ont également le défaut de présenter des points singuliers pour lesquels le contrôle de l'attitude ne peut plus être assuré normalement, ce qui conduit à surdimensionner le système d'actionneurs, par exemple en utilisant quatre actionneurs au lieu de trois pour le contrôle d'attitude de l'engin suivant ses trois axes.

En réponse à ces différents inconvénients, l'actionneur de l'invention combine les avantages des actionneurs connus de l'art antérieur, actionneur à roue de réaction et actionneur gyroscopique, c'est à dire réaliser des couples importants par transfert de moment cinétique à énergie cinétique constante comme dans le cas des actionneurs gyroscopiques, mais en axe fixe par rapport à l'engin spatial, comme dans le cas des roues de réaction.

Afin de pouvoir modifier rapidement le moment cinétique total Ht de l'actionneur sans apport ou prélèvement d'énergie, l'actionneur de contrôle d'attitude d'un engin spatial comporte une première roue cinétique entraînée en rotation par au moins un moteur autour d'un axe de rotation, fixe par rapport à un référentiel lié à l'engin spatial, et comporte une seconde roue de réaction : mobile en rotation autour d'un axe parallèle ou confondu avec l'axe de rotation de la première roue cinétique ; couplée mécaniquement à la première roue cinétique par des 25 moyens de couplage mécaniques ; les dits moyens de couplage mécaniques imposant entre une vitesse de rotation w1 de la première roue cinétique et une vitesse de rotation w2 de la seconde roue cinétique un rapport R = w2 / w1 . Le rapport R est négatif d'une part et modifiable par les moyens de 30 couplage en réponse à une commande d'autre part. Avantageusement pour travailler de manière symétrique autour d'une position neutre dans laquelle le moment cinétique total de l'actionneur est nul, la première roue cinétique et la seconde roue cinétique ont la même inertie.

De préférence, pour disposer d'un point de fonctionnement de l'actionneur pour lequel un moment cinétique total Ht de l'actionneur est nul, le rapport R est modifiable de manière sensiblement continue entre une première valeur, ou valeur minimale, inférieure à -1 et une seconde valeur, ou valeur maximale, supérieure à -1. Dans un exemple particulier de réalisation qui permet de limiter les situations de saturation de l'actionneur sans induire de complexité excessive de l'actionneur, le rapport R des moyens de couplage est compris entre -3 et -1/3 Dans une forme de réalisation, particulièrement avantageuse pour sa compacité, les moyens de couplage comportent un variateur toroïdal de vitesses de rotation dans lequel au moins un galet, solidaire d'une structure fixe de l'actionneur, est en appui sur des surfaces de roulement des roues de réactions. Pour assurer un contact du ou des galets avec les surfaces de roulement pour les différentes positions du galet ou des galets, les surfaces de roulement dans un tel variateur sont déterminées par la surface d'un tore circulaire de même axe que l'axe de rotation des roues de réaction et de section droite circulaire. Pour modifier les vitesses de rotation relatives des deux roues de réaction avantageusement une inclinaison 5 du galet, inclinaison déterminant le rapport R du variateur toroïdal, est commandée par un moto-réducteur.

Afin de permettre le contrôle du fonctionnement de l'actionneur et son asservissement sur des valeurs de consigne, l'actionneur comporte : un dispositif de mesure qui délivre au moins un signal caractéristique de la vitesse de rotation d'au moins une des roues cinétiques. Un tel dispositif de mesure comporte par exemple au moins un tachymètre de mesure de la vitesse de rotation d'une des roues cinétiques ; un dispositif de mesure qui délivre au moins un signal caractéristique du rapport R, ou d'une dérivée dR/dt par rapport au temps dudit rapport R, des moyens de couplage. Un tel dispositif de mesure comporte par exemple des moyens de mesure de l'inclinaison 5 du galet lorsque les moyens de couplage comporte un variateur toroïdal pourvu d'un galet de contrôle du rapport R ; un dispositif d'asservissement du moteur d'entraînement des roues cinétiques qui génère une commande en couple, ou bien une commande en courant, permettant de réaliser un couple de consigne entre un stator et un rotor du moteur ; un dispositif d'asservissement des moyens de couplage, pour modifier la valeur du rapport R, qui génère une commande en couple d'un moto-réducteur agissant sur les moyens de couplage pour modifier le rapport R, ou en inclinaison 5 d'un galet d'un réducteur toroïdal, ou en vitesse de variation d'un angle d'inclinaison 5 d'un galet d'un réducteur toroïdal.

Compte tenu des exigences d'un asservissement pour un contrôle de l'énergie accumulée dans les roues cinétiques, le dispositif d'asservissement du moteur a de préférence une bande passante comprise entre un dixième et une fois une bande passante d'un système d'attitude de l'engin spatial. Dans un mode préféré de réalisation de l'actionneur, la commande générée par le dispositif d'asservissement des moyens de couplage est calculée à partir d'une consigne Rc ou dRc/dt et de mesures permettant d'élaborer une valeur mesurée de Rm, respectivement dRm/dt, du rapport R, respectivement dR/dt dérivée par rapport au temps dudit rapport R. Afin d'assurer un contrôle satisfaisant de l'attitude de l'engin spatial, le dispositif d'asservissement des moyens de couplage a une bande passante égale au moins à deux fois une bande passante d'un système de contrôle d'attitude de l'engin spatial, et de préférence comprise entre cinq fois et vingt fois une bande passante du système de contrôle d'attitude de l'engin spatial. De préférence pour assurer une séparation des commandes de fonctions de stockage d'énergie et de couple de contrôle d'attitude de l'engin spatial, l'actionneur comporte, de préférence intégrés à l'actionneur, des moyens de calculs qui élaborent des valeurs de consignes destinées au dispositif d'asservissement du moteur et au dispositif d'asservissement des moyens de couplage en fonction de valeurs de consignes d'un couple Cc et ou d'un moment cinétique total Htc et ou d'une énergie totale Etc. Dans un mode préféré de réalisation de l'actionneur, l'énergie cinétique totale Et des deux roues cinétiques est asservie à la valeur de consigne d'énergie totale Etc à partir d'une mesure des vitesses w1, w2 de rotation des deux roues cinétiques et de la consigne Etc, au moyen d'une commande en couple ou en courant envoyée au moteur. Dans un mode de réalisation de l'actionneur dans lequel l'actionneur est commandé en couple de consigne, le couple de sortie C de l'actionneur est asservi à une valeur de consigne Cc à partir d'une mesure des vitesses w1, w2 de rotation des deux roues cinétiques et de la consigne Cc, au moyen d'une commande Rc ou dRc/dt envoyée à des actionneurs des moyens de couplage agissant sur le rapport R . Dans un mode alternatif de réalisation de l'actionneur dans lequel l'actionneur est commandé en moment cinétique de consigne, le moment cinétique total Ht des deux roues cinétiques est asservi à une valeur de consigne Htc à partir d'une mesure des vitesses de rotation w1, w2 des deux roues cinétiques et de la consigne Htc, au moyen d'une commande Rc envoyée à des actionneurs des moyens de couplage agissant sur le rapport R.

Afin d'être en mesure de restituer sous forme électrique une partie de l'énergie stockée sous forme cinétique dans les roues cinétiques, au moins une des roues cinétiques de l'actionneur est couplée à un générateur apte à délivrer une énergie par freinage des roues cinétiques. Dans un mode préféré de réalisation le moteur mis en oeuvre pour 20 entraîner en rotation les roues cinétiques fonctionne en générateur pour freiner les dites roues cinétiques dans le mode de restitution d'énergie.

L'invention concerne également un système de contrôle d'attitude d'un engin spatial comportant au moins un actionneur suivant l'invention pour réaliser 25 des couples suivant l'axe des roues cinétiques dudit actionneur. Avantageusement dans un tel système de contrôle d'attitude d'un engin spatial le ou des actionneurs suivant l'invention sont mis en oeuvre pour réaliser des couples suivant l'axe des roues cinétiques des actionneurs et pour stocker ou restituer de l'énergie électrique stockée sous forme cinétique. 30 Dans un mode de réalisation d'un tel système de contrôle d'attitude d'un engin spatial, un système de régulation et distribution de puissance d'une alimentation électrique réalise la gestion de transferts d'énergie entre des sources d'énergie embarquées et l'actionneur d'une part et entre des consommateurs d'énergie et l'actionneur d'autre part. De préférence, pour les besoins de contrôle d'un engin spatial, au moins trois actionneurs suivant l'invention sont agencés fixes dans un référentiel de l'engin spatial de sorte que des directions définies par les axes de rotation des roues cinétiques de chacun des actionneurs correspondent à des directions indépendantes de contrôle en attitude de l'engin spatial.

La présentation détaillée d'un mode de réalisation de l'invention est faite en référence aux figures qui représentent schématiquement : - Figure 1 : une section d'un actionneur dans une première position ; - Figure 2 : une section de l'actionneur de la figure 1 dans une seconde position ; -Figure 3 : un schéma-bloc d'un exemple de système de contrôle pour un actionneur.

Suivant l'invention, comme illustré sur la figure 1, un actionneur 9 à roues cinétiques comporte : ù une première roue cinétique 1 ; ù une seconde roue cinétique 2 ; 20 ù des moyens de couplage 4 entre les roues cinétiques 1 et 2. Les roues cinétiques 1, 2 sont montées tournantes sur un arbre 6 d'axe 61 confondu avec des axes de rotation de chacune des dites roues cinétiques. De façon connue chaque roue cinétique 1, 2 a une forme générale de 25 disque et est réalisée dans un matériau dont la densité et la répartition sur le disque procurent au disque autour de son axe de rotation 61 une inertie en rotation, respectivement JI, J2, ainsi que la résistance et la rigidité mécaniques nécessaires au domaine d'application envisagé. Les roues cinétiques 1, 2 sont également montées sur l'arbre 6 pour limiter 30 les frottements sources de pertes d'énergie et d'usures, par exemple au moyen de roulements à billes 63 adaptés aux vitesses et forces en jeu lors de la rotation des dites roues.

Les deux roues cinétiques 1, 2 de l'actionneur 9 sont indépendantes en rotation au niveau de l'arbre 6 et, du fait de l'alignement de leurs axes de rotation, des moments cinétiques, respectivement H1, H2, des dites deux roues en rotation sont également alignés.

Les moyens de couplage 4 entre les roues cinétiques 1, 2 sont des moyens de couplage mécanique agencés de sorte que des vitesses de rotations w1, w2 respectives des dites deux roues cinétiques ne sont pas indépendantes mais sont à tout instant dans un rapport déterminé w2 / w1 = R . Le rapport R est d'une part négatif, c'est à dire que w1 et w2 sont de signes contraires, c'est à dire que les deux roues cinétiques 1, 2 tournent autour de l'axe 61 dans des sens opposés, et est d'autre part modifiable de manière continue, ou par pas inférieurs à une résolution recherchée, par les moyens de couplage 4 en réponse à une commande. Les moyens de couplage 4 comportent essentiellement un variateur mécanique d'un rapport de rotation entre deux arbres tournants, par exemple un variateur toroïdal, un variateur à courroies, ou un variateur à train épicycloïdal. Dans l'exemple de réalisation décrit et illustré sur les figures, un variateur toroïdal est utilisé en raison de la compacité que ce type de variateur permet d'obtenir pour l'actionneur de l'invention.

Pour réaliser le variateur toroïdal, chaque roue cinétique 1, 2 comporte une empreinte en creux partielle 11, 21, sur des faces en vis à vis des dites roues cinétiques, d'un même volume en forme de tore de section circulaire, section matérialisée sur la figure 1 par un trait discontinu 62, le tore étant lui-même circulaire et d'axe confondu avec l'axe 61 de rotation des roues cinétiques 1, 2.

Les empreintes en creux 11, 21 forment des surfaces de roulement pour au moins un galet d'entraînement 41. Le galet d'entraînement 41 correspond à un disque, en pratique sensiblement une section de faible épaisseur par rapport au diamètre d'une sphère suivant un plan équatorial 43 de ladite sphère ou plan du galet, comportant un axe 42 de rotation perpendiculaire au plan 43 du galet, et maintenu entre les roues cinétiques 1, 2 de telle sorte que : - le bord du galet d'entraînement 41 formant une bande de roulement est simultanément en contact 44a, 44b avec les surfaces de roulement 11, 21 ; l'axe 42 du galet d'entraînement 41 est perpendiculaire à une tangente locale d'un cercle défini par les centres des cercles 62 correspondant aux sections droites du tore.

Le plan 43 du galet d'entraînement 41 est en outre, comme illustré sur la figure 2, apte à être incliné dans un plan axial des roues cinétiques 1, 2 de sorte que l'axe 42 du galet forme un angle d'inclinaison 5 par rapport à un plan 64 normal à l'axe 61 de rotation des roues cinétiques. Les moyens de couplage 4 sont maintenus fixes entre les roues cinétiques 10 1, 2 par exemple fixé à l'arbre 6 et ou à une cage 3 formant une structure dans laquelle est intégré l'actionneur 1. Un actionneur des moyens de couplage 4, par exemple un moto-réducteur, non représenté, permet de modifier l'angle d'inclinaison 5. Au moins une des deux roues cinétiques, la première roue 1 sur le dessin, 15 est en outre entraînée en rotation par un moteur 5 tel qu'un moteur électrique dont un stator 51 est solidaire de la cage 3 de l'actionneur 9 et un rotor 52 est solidaire de la roue entraînée. En raison du moyen de couplage 4, la vitesse de rotation de l'autre roue, la deuxième roue 2 sur les dessins, est asservie mécaniquement à la vitesse de la 20 première roue.

On comprend à la description qui vient d'être faite de l'actionneur 9 suivant l'invention que les deux roues cinétiques 1, 2 sont entraînées en rotation dans des sens de rotation contraires et de manière dépendante par les moyens de 25 couplage 4 qui relient les dites deux roues cinétiques. Lorsqu'une première roue 1 tourne avec une première vitesse w1, la seconde roue 2 tourne avec une seconde vitesse w2, les vitesses de rotation étant dans le rapport w2 / wl = R, qui est déterminé dans le cas du variateur toroïdal par l'angle 5 du galet d'entraînement 41. 30 Lorsque l'angle 5 est modifié, des distances dl et d2 des points de contact 44a, 44b du galet d'entraînement 41 à l'axe 61 de rotation des roues cinétiques sont également modifiées ce qui a pour effet de modifier, en absence de glissement du galet par rapport aux surfaces des empreintes en creux 11, 21, le rapport R des vitesses de rotation des roues cinétiques 1, 2 dans le rapport des distances d1/d2. Les caractéristiques géométriques de l'actionneur 9, en particulier des roues 1, 2, du galet 41 et des valeurs possibles de l'inclinaison 5 , déterminent les valeurs extrêmes qui peuvent être atteintes pour les distances dl et d2 et donc pour le rapport R entre les vitesses de rotation des deux roues cinétiques. Avantageusement ces caractéristiques de l'actionneur sont déterminées pour répondre à des performances opérationnelles déterminées, y compris en terme de saturation d'actionneur, par exemple pour que le rapport R puisse varier entre des valeurs extrêmes de Rmax = -3 à Rmin = -1/3 Pour un angle 5 = 0, les distances dl et d2 sont égales et le rapport R est égal à -1. Dans cette situation les vitesses de rotation des roues sont égales en valeur absolue et de signes opposés : w1 = - w2 = wO. Pour un angle b # 0 les distances dl et d2 sont différentes et le rapport R 15 n'est plus égal à -1. Dans cette situation les vitesses de rotation des roues sont différentes en valeur absolue et w1 # - w2 .

Le moment cinétique de la première roue 1 s'exprime : H1 = JI x w1 20 le moment cinétique de la seconde roue 2 s'exprime : H2 = J2 x w2 et le moment cinétique total de l'actionneur 1 est donc : Ht=H1+H2=J1 xwl+J2xw2 Ht=w1 x (JI +J2xR) 25 R étant négatif, il existe une valeur de R, la valeur - JI / J2 , pour laquelle Ht = O. En particulier dans un mode de réalisation préféré de l'actionneur, les deux roues cinétiques 1, 2 ont le même moment d'inertie : JI = J2 = JO 30 et l'expression du moment cinétique total de l'actionneur est Ht=JOx(w1+w2) Dans ce cas Ht = 0 lorsque w1 = - w2 = wO, c'est à dire pour 5 = 0, quelle que soit la vitesse de rotation des roues cinétiques Cette expression du moment cinétique total de l'actionneur 9 montre que, les roues cinétiques 1, 2 étant en rotation, le moment cinétique total Ht dépend du rapport de réduction R et qu'il est possible de faire varier ledit moment cinétique total Ht sans aucun apport d'énergie ni prélèvement d'énergie sur les roues cinétiques 2, 3. La variation du moment cinétique total Ht est obtenue en transférant de l'énergie cinétique d'une roue sur une autre par la modification du rapport de réduction R des moyens de couplage 4. On comprend que pour fonctionner par variation du moment cinétique total 10 Ht, un tel actionneur nécessite que les roues cinétiques soient maintenues en rotation.

Un tel transfert est réalisé en théorie à énergie totale Et constante : Et=E1 +E2='/2xJ1 xw12+'/2xJ2xw22=JOxw02 15 El et E2 étant les énergies cinétiques de rotation des roues, respectivement 1, 2. En pratique la rotation des roues cinétiques 1, 2 et les moyens de couplage 4 introduisent des frottements qui ne peuvent pas être totalement évités et qui ont pour effet de ralentir les rotations des dites roues cinétiques. 20 Le moteur 5 permet de compenser ces pertes mais ne nécessite que peu de puissance, comparativement aux puissances nécessaires pour accélérer des roues de réaction conventionnelles lorsqu'une variation significative du moment cinétique est recherchée. Le moteur 5 permet également de mettre les roues en rotation à partir 25 d'une position de repos dans laquelle les roues ne tournent pas, par exemple pendant une phase de lancement de l'engin spatial. Dans ce cas il est possible de réaliser cette mise en rotation sans création de couple puisque l'action sur les moyens de couplage 4 permettent, par exemple en maintenant l'angle 5 à zéro si les deux roues ont la même inertie en rotation JO, de conserver à tout instant le 30 moment cinétique total à zéro pendant cette opération.

Du point de vue d'un système de contrôle d'attitude d'un engin spatial, le fonctionnement et l'utilisation d'un tel actionneur sont similaires à ceux d'un actionneur conventionnel à roue de réaction. Des variations de moments cinétiques, obtenues dans le cas de l'actionneur 9 de l'invention par action sur les moyens de couplage 4, induisent un couple C aligné avec l'axe 6 des roues cinétiques 1, 2, couple C qui est repris par des interfaces de la structure 3 de l'actionneur et transmis à une structure de l'engin spatial. De façon connue C (t) = dHt (t) / dt expression dans laquelle la variable t représente le temps. Dans le cas de l'actionneur 9 suivant l'invention, le couple C est réalisé 10 pratiquement sans consommation d'énergie (aux frottements prés). La rapidité avec laquelle un tel actionneur génère un moment cinétique commandé dépend des performances des moyens de couplage 4, en particulier de l'actionneur des moyens de couplage inclinant le galet 41 dans le cas du variateur toroïdal. 15 Ledit actionneur inclinant le galet 41 est choisi afin que la bande passante des moyens de couplage 4 soit supérieure à au moins deux fois la bande passante du système de contrôle d'attitude de l'engin spatial et de préférence comprise entre 5 et 20 fois la bande passante du système de contrôle d'attitude de l'engin spatial. 20 La commande de l'inclinaison 5 du galet 41 est réalisée par exemple en position ou en vitesse ou en couple. Des variations de moment cinétique total Ht rapides et d'amplitudes importantes sont ainsi réalisables par la seule action sur les moyens de couplage 4, c'est à dire sans consommation significative d'énergie, alors que l'accélération 25 d'une roue de réaction conventionnelle aurait exigé, pour obtenir une variation du moment cinétique équivalente, d'une part une énergie importante et d'autre part un moteur de puissance, et donc d'une taille et d'un poids, beaucoup plus importante que le moteur 5 de l'actionneur 9 de l'invention. Pour son fonctionnement l'actionneur 9 de l'invention dispose notamment 30 de capteurs, non représentés, qui permettent d'assurer son contrôle et d'organes de commande, non représentés sur les figures. En particulier au moins une roue, et de préférence chaque roue 1, 2, est avantageusement équipée de capteurs de vitesses de rotation, par exemple de tachymètres (au moins un), et les moyens de couplage 4 de capteurs de position des éléments mobiles, par exemple de capteurs (au moins un) de l'inclinaison du galet d'entraînement 41.

D'autres formes de réalisation de l'actionneur suivant l'invention sont 5 possibles. Par exemple dans une variante de réalisation de l'actionneur 9 chaque roue cinétique 1, 2 est équipée d'un moteur électrique 5 d'entraînement en rotation. Dans ce cas l'action conjuguée des moteurs permet de réaliser une mise en rotation initiale des roues plus rapide et ou assure une redondance en cas de 10 défaillance d'un moteur. Par exemple les moyens de couplage 4 comportent deux ou plusieurs galets de couplage répartis autour de l'axe de rotation 61 des roues ce qui permet le cas échéant d'assurer un meilleur contact des galets sur les surfaces de roulement 11, 21 sans introduire d'efforts axiaux dissymétriques dans les 15 roues.

Avantageusement un tel actionneur 9 est utilisé également à bord d'un engin spatial comme accumulateur cinétique d'énergie. Alors qu'une roue de réaction conventionnelle n'est mise en rotation que 20 pour les besoins de variation du moment cinétique dans le cadre du contrôle de l'attitude de l'engin spatial et qu'une rotation rapide permanente d'une telle roue aurait pour conséquence de générer des couples gyroscopiques perturbateurs lors des manoeuvres de changement d'attitude de l'engin spatial, il est possible avec l'actionneur 9 de l'invention d'accélérer ou de ralentir les vitesses de rotation 25 des roues cinétiques 1, 2, jusqu'aux limites acceptables pour ces vitesses de rotation des roues et dans des limites imposées par les moyens de couplage 4 utilisés, sans créer de variation du moment cinétique de l'actionneur. Il est donc possible et avantageux de stocker et de prélever de l'énergie en agissant sur les vitesses de rotation des roues 1, 2 et, contrairement au cas des 30 actionneurs à roues cinétiques conventionnels, ce prélèvement est en mesure d'être réalisé sans variation du moment cinétique total Ht de l'actionneur 9 et donc sans créer de couple non voulu susceptible de modifier l'orientation du satellite.

Dans ce mode de fonctionnement les roues cinétiques 1, 2 sont accélérées en rotation par le ou les moteurs 5 commandés par exemple en couple ou en courant et au moins un générateur couplé à l'une des roues cinétiques est mis en oeuvre lorsque de l'énergie accumulée doit être prélevée en freinant lesdites roues cinétiques. De préférence les roues cinétiques sont freinées par le ou les mêmes moteurs 5 fonctionnant en générateurs lorsque de l'énergie est prélevée sur les dites roues. Les moyens moteurs-générateurs utilisés déterminent la dynamique du 10 fonctionnement de l'actionneur dans un mode de stockage et de restitution d'énergie. Les exigences d'un engin spatial sont généralement sur ce point peu contraignantes en comparaison d'un système de contrôle d'attitude et avantageusement la bande passante de la commande en énergie de l'actionneur 15 est comprise entre 0,1 et 1 fois la bande passante du système de contrôle d'attitude mettant en oeuvre l'actionneur 9.

Dans un actionneur 9 suivant l'invention la gestion de l'énergie est avantageusement assurée au premier ordre au moyen du ou des moteurs- 20 générateurs 5 et la gestion des couples de pilotage de l'orientation de l'engin spatial est avantageusement assurée au premier ordre au moyen des moyens de couplage 4.

De préférence des moyens, internes ou externes à l'actionneur, élaborent 25 des ordres envoyés aux moteurs-générateurs 5 et aux moyens de couplage 4 à partir de consignes de haut niveau, telles qu'une consigne de couple Cc et ou une consigne de moment cinétique total Htc à générer par l'actionneur 9 et ou une consigne d'énergie totale Etc à accumuler dans l'actionneur, et à partir de signaux reçus de capteurs internes de l'actionneur. 30 De tels capteurs internes de l'actionneur sont déterminés pour calculer le moment cinétique totale Ht et l'énergie totale Et de l'actionneur, par exemple la mesure des vitesses de rotation w1, w2 des deux roues cinétiques 1, 2, par exemple au moyen de tachymètres, ou la mesure de la vitesse de rotation w1 ou w2 d'une des roues cinétiques et d'une valeur caractéristique du rapport R. Avantageusement l'actionneur est équipé de systèmes de contrôle intégrés qui compensent les effets croisés d'une fonction, contrôle d'attitude ou énergie , sur l'autre, respectivement énergie ou contrôle d'attitude , de sorte qu'une commande de haut niveau ne produise pour l'engin spatial que l'effet attendu. La figure 3 illustre par un schéma-bloc un exemple d'un système de contrôle 100 pour un actionneur selon l'invention. Pour des besoins en énergie électrique de l'engin spatial, une consigne en énergie Etc de l'actionneur est élaborée à partir d'une tension d'alimentation Ub et d'une tension de consigne Uc par exemple par un système 102 de régulation et de distribution de puissance d'une alimentation électrique de l'engin spatial. Pour des besoins d'orientation et de contrôle d'attitude de l'engin spatial, une consigne de couple Cc, ou de manière équivalente une consigne de moment cinétique total Htc, à délivrer par l'actionneur est élaborée par un calculateur de contrôle d'attitude 103 à partir d'un vecteur d'état de consigne Xc et d'un vecteur d'état mesuré Xm de l'attitude de l'engin spatial. Des moyens de calculs 101 du système de contrôle 100, à partir des informations d'état de l'actionneur, c'est à dire essentiellement des vitesses mesurées wml et wm2 de rotation des deux roues cinétiques de l'actionneur, ou de manière équivalente des vitesses wml ou wm2 et d'un rapport de réduction des moyens de couplage mesuré Rm, élabore à partir d'un modèle de comportement de l'actionneur implémenté dans les moyens de calculs 101 d'une part des valeurs de consigne wc d'une vitesse de rotation d'une roue, par exemple une vitesse de consigne wcl de la première roue 1 et d'autre part une consigne dRcldt de dérivée par rapport au temps du rapport de réduction R. La valeur de la vitesse de consigne wcl est comparée à une vitesse de rotation wml mesurée par un dispositif de mesure 108 de la vitesse de rotation w1 de la roue 1 pour générer un signal d'erreur wcl - wml reçu par un dispositif 104 d'asservissement de la vitesse de rotation des roues, par exemple un dispositif délivrant une commande en couple ou en courant permettant de réaliser un couple de consigne entre le stator 51 et le rotor 52 du moteur 5. De manière similaire la valeur de la consigne dRcldt est comparée à une valeur dRm/dt de la dérivée par rapport au temps du rapport de réduction mesuré Rm, mesurée par un dispositif de mesure 109, pour générer un signal d'erreur de dérivée du rapport de réduction dRc/dt û dRm/dt. Dans une forme voisine de réalisation les moyens de calculs 101 élaborent 5 un rapport de réduction de consigne Rc lequel est utilisé pour asservir une valeur mesurée du rapport Rm en fonction d'un signal d'erreur Rc û Rm. Le dit signal d'erreur est reçu par un dispositif 105 d'asservissement des moyens de couplage 4 de l'actionneur. Le dispositif 105 d'asservissement des moyens de couplage génère par 10 exemple une commande en couple d'un moto-réducteur agissant sur les moyens de couplage pour modifier le rapport R, ou une commande en inclinaison du galet 41 dans le cas d'un variateur toroïdal ou encore en vitesse de variation de l'angle d'inclinaison du galet 41. La réponse dynamique 111 de l'engin spatial au fonctionnement de 15 l'actionneur modifie le vecteur d'état de l'attitude de l'engin spatial dont la mesure Xm est fournie par un dispositif 112 de mesure des attitudes de l'engin spatial. Les moyens internes de mesures et systèmes de contrôle intégrés de l'actionneur selon l'invention permettent avantageusement d'utiliser ledit actionneur de la même façon qu'une roue de réaction conventionnelle en ce qui 20 concerne le contrôle d'attitude d'un engin spatial, au sens où le couple de consigne envoyé à l'asservissement dudit actionneur selon l'invention est le même que celui envoyé à une roue de réaction, à la différence près que la plage de fonctionnement dudit actionneur selon l'invention va bien au-delà de celle d'une roue de réaction conventionnelle, en ce qui concerne le couple réalisable. 25 En particulier, le contrôle et la gestion d'une grappe d'actionneurs selon l'invention peuvent s'effectuer suivant les mêmes principes que pour une grappe conventionnelle de roues de réaction suivant l'état de l'art du domaine spatial, non seulement pour réaliser le pointage fin du satellite, mais également pour réaliser des basculements rapides de celui-ci, ou pour gérer la désaturation de la 30 grappe d'actionneurs.

Dans un exemple de réalisation d'un actionneur 9 suivant l'invention, adapté au contrôle d'attitude d'un satellite d'environ 1000 Kg, des roues d'inertie de 4 à 8 Kg pour un diamètre de 500 à 350 mm, soit en pratique un moment cinétique de 50 à 120 Nms, sont entraînées par un moteur délivrant 20 à 50W en régime permanent et délivre un couple C de contrôle d'attitude pouvant atteindre 50 Nm.

Avantageusement un engin spatial est équipé avec au moins trois actionneurs 9 suivant l'invention dont les axes 61 sont orientés dans des directions indépendantes dans le référentiel de l'engin spatial afin de permettre l'orientation dudit engin spatial dans toutes les directions. D'autres actionneurs 9 sont au besoin agencés pour assurer des redondances en cas de panne d'un actionneur, les directions des dits autres actionneurs étant déterminées pour que chaque grappe de 3 actionneurs permette d'orienter l'engin spatial dans toutes les directions.

L'actionneur suivant l'invention permet donc de réaliser un actionneur qui, dans une fonction d'actionneur agit directement sur les axes contrôlés sans consommation significative d'énergie, combinant ainsi les avantages des roues de réaction pour la direction des axes et contrôlé et des actionneurs gyroscopiques pour la consommation d'énergie, et qui en outre assure une fonction d'accumulateur cinétique d'énergie sans effet perturbateur de l'attitude de l'engin spatial.

Claims (5)

REVENDICATIONS

1 û Actionneur (9) de contrôle d'attitude d'un engin spatial comportant une première roue cinétique (1) entraînée en rotation et maintenue à une vitesse de rotation non nulle par au moins un moteur (5) autour d'un axe de rotation (61), fixe par rapport à un référentiel lié à l'engin spatial, caractérisé en ce qu'il comporte une seconde roue cinétique (2), ladite seconde roue étant : mobile en rotation autour d'un axe parallèle ou confondu avec l'axe (61) ; couplée mécaniquement à la première roue cinétique (1) par des moyens de couplage (4) mécaniques ; les dits moyens de couplage mécaniques imposant entre une vitesse de rotation w1 de la première roue cinétique (1) et une vitesse de rotation w2 de la seconde roue cinétique (2) un rapport R = w2 / w1 , ledit rapport R étant négatif d'une part et modifiable par les moyens de couplage (4) en réponse à une commande d'autre part.

2 û Actionneur suivant la revendication 1 dans lequel la première roue cinétique (1) et la seconde roue cinétique (2) ont la même inertie.

3 - Actionneur suivant la revendication 1 ou la revendication 2 dans lequel le rapport R est modifiable de manière sensiblement continue entre une première valeur, ou valeur minimale, inférieure à -1 et une seconde valeur, ou valeur maximale, supérieure à -1.

4 û Actionneur suivant la revendication 3 dans lequel le rapport R des moyens de couplage est compris entre -3 et -1/3.

5 û Actionneur suivant l'une des revendications précédentes dans lequel les moyens de couplage (4) comportent un variateur toroïdal de vitesses de rotation.306 -Actionneur suivant la revendication 5 dans lequel le variateur toroïdal comporte au moins un galet (41), solidaire d'une structure fixe (3) dudit actionneur, en appui sur des surfaces de roulement (11, 21) des roues cinétiques (1,

2), lesdites surfaces de roulement étant déterminées par la surface d'un tore circulaire de même axe que l'axe de rotation (61) des roues cinétiques et de section droite (62) circulaire. 7 û Actionneur suivant la revendication 6 dans lequel une inclinaison 5 du au moins un galet (41) déterminant le rapport R du variateur toroïdal est commandée par un moto-réducteur. 8 û Actionneur suivant l'une des revendications précédentes dans lequel un dispositif (108) de mesure délivre au moins un signal caractéristique de la vitesse de rotation d'au moins une des roues cinétiques. 9 û Actionneur suivant la revendication 8 dans lequel le dispositif (108) de mesure délivrant un signal caractéristique de la vitesse de rotation d'une roue cinétique comporte au moins un tachymètre de mesure de la vitesse de rotation d'une des roues cinétiques. 10 û Actionneur suivant l'une des revendications précédentes dans lequel un dispositif (109) de mesure délivrent au moins un signal caractéristique du rapport R, ou d'une dérivée dRldt par rapport au temps dudit rapport R, des moyens de couplage (4). 25 11 - Actionneur suivant la revendication 10 dans lequel le dispositif de mesure (109) élaborant le rapport R, ou la dérivée dRldt dudit rapport R, comporte des moyens de mesure de l'inclinaison 5 du au moins un galet (41) lorsque les moyens de couplage (4) comporte un variateur toroïdal pourvu d'un galet 30 (41) de contrôle du rapport R. 12 û Actionneur suivant l'une des revendications précédentes dans lequel un dispositif (104) d'asservissement du moteur (5) d'entraînement des roues 20cinétiques génère une commande en couple, ou une commande en courant, permettant de réaliser un couple de consigne entre un stator (51) et un rotor (52) dudit moteur. 13 û Actionneur suivant la revendication 12 dans lequel le dispositif (104) de commande d'asservissement du moteur (5) d'entraînement des roues cinétiques (1, 2) a une bande passante comprise entre un dixième et une fois une bande passante d'un système d'attitude de l'engin spatial. 14 û Actionneur suivant l'une des revendications précédentes dans lequel un dispositif (105) d'asservissement des moyens de couplage (4) génère une commande en couple d'un moto-réducteur agissant sur les dits moyens de couplage pour modifier le rapport R, ou en inclinaison 5 d'un galet (41) d'un réducteur toroïdal, ou en vitesse de variation d'un angle d'inclinaison 5 d'un galet (41) d'un réducteur toroïdal. 15 û Actionneur suivant la revendication 13 dans lequel la commande générée par le dispositif (105) d'asservissement des moyens de couplage (4) est calculée à partir d'une consigne Rc ou dRc/dt et de mesures permettant d'élaborer une valeur mesurée de Rm, respectivement dRm/dt, du rapport R, respectivement dR/dt dérivée par rapport au temps dudit rapport R. 16 û Actionneur suivant la revendication 14 ou la revendication 15 dans lequel le dispositif (105) d'asservissement des moyens de couplage (4) agissant sur le rapport R a une bande passante égale au moins à deux fois une bande passante d'un système de contrôle d'attitude de l'engin spatial. 17 û Actionneur suivant la revendication 16 dans lequel le dispositif (105) d'asservissement des moyens de couplage (4) agissant sur le rapport R a une bande passante comprise entre cinq fois et vingt fois une bande passante du système de contrôle d'attitude de l'engin spatial.18 û Actionneur suivant l'une des revendications précédentes dans lequel des moyens de calculs (101) élaborent des valeurs de consignes destinées au dispositif (104) d'asservissement du moteur (5) et au dispositif (105) d'asservissement des moyens de couplage (4) en fonction de valeurs de consignes d'un couple Cc et ou d'un moment cinétique total Htc et ou d'une énergie totale Etc. 19 û Actionneur suivant la revendication 18 dans lequel une énergie cinétique totale Et des deux roues cinétiques (1, 2) est asservie à la valeur de consigne d'énergie totale Etc à partir d'une mesure des vitesses w1, w2 de rotation des deux roues cinétiques (1, 2) et de ladite consigne Etc, au moyen d'une commande en couple ou en courant envoyée au moteur (5). 20 - Actionneur suivant la revendication 18 ou la revendication 19 dans lequel un couple de sortie C de l'actionneur est asservi à une valeur de consigne Cc à partir d'une mesure des vitesses w1, w2 de rotation des deux roues cinétiques (1, 2) et de ladite consigne Cc, au moyen d'une commande Rc ou dRc/dt envoyée à des actionneurs des moyens de couplage (4) agissant sur le rapport R . 21 - Actionneur suivant la revendication 18 ou la revendication 19 dans lequel un moment cinétique total Ht des deux roues cinétiques (1, 2) est asservi à une valeur de consigne Htc à partir d'une mesure des vitesses de rotation w1, w2 des deux roues cinétiques (1, 2) et de ladite consigne Htc, au moyen d'une commande Rc envoyée à des actionneurs des moyens de couplage (4) agissant sur le rapport R . 22 û Actionneur suivant l'une des revendications précédentes dans lequel au moins une des roues cinétiques (1, 2) est couplée à un générateur apte à délivrer une énergie par freinage des roues cinétiques. 23 û Actionneur suivant la revendication 22 dans lequel le moteur (5) mis en oeuvre pour entraîner en rotation les roues cinétiques (1, 2) fonctionne engénérateur pour freiner les dites roues cinétiques. 24 ù Système de contrôle d'attitude d'un engin spatial comportant au moins un actionneur conforme à l'une des revendications précédentes pour réaliser des couples suivant l'axe des roues cinétiques dudit actionneur. 25 ù Système de contrôle d'attitude d'un engin spatial suivant la revendication 24 dans lequel le au moins un actionneur conforme à l'une des revendications précédentes est mis en oeuvre pour réaliser des couples suivant l'axe des roues cinétiques dudit actionneur et pour stocker ou restituer de l'énergie électrique stockée sous forme cinétique. 26 ù Système de contrôle d'attitude d'un engin spatial suivant la revendication 25 comportant un système (102) de régulation et distribution de puissance d'une alimentation électrique réalisant la gestion de transferts d'énergie entre des sources d'énergie embarquées et l'actionneur d'une part et entre des consommateurs d'énergie et l'actionneur d'autre part. 27 ù Système de contrôle d'attitude d'un engin spatial suivant la revendication 25 ou la revendication 26 dans lequel au moins trois actionneurs conformes à l'une des revendications précédentes sont agencés fixes dans un référentiel de l'engin spatial de sorte que des directions définies par les axes de rotation (61) des roues cinétiques de chacun des dits au moins trois actionneurs correspondent à des directions indépendantes de contrôle en attitude de l'engin spatial.