Brevet FR2023313A1 — publié le 19700821

La présente invention couvre un dispositif régulateur de l'attitude d'un engin spatial. On connait bien l'utilisation du moment cinétique produit par le mouvement de giration appliqué à un engin spatial ou à une partie de celui-ci ou à un organe ou élément porté par cet engin en vue d'assurer sa stabilite en direction. Cet engin fonctionne alors à la manière d'un gyroscope de telle sorte que tout couple régulateur ou perturbateur donne à l'axe de rotation de l'engin un mouvement de précession La présente invention a pour objet le régalage de ltorienta- tion de l'axe de rotation d'un satellite ou autre engin spatial sur orbite, stabilisé par son mouvement de gyration.Elle s'applique aussi bien à un engin spatial dont le moment cinétique de stabilisation est produit par une rotation de l'ensemble de l'en- gin ou d'une partie de celui-ci qu'a un engin où ce couple est produit par un ou plusieurs volants On sait également utiliser un electro-aimant ou une bobine équivaLente que l'on appelle généralement générateur de couple géo magnétique, qui est monté de manière à présenter son axe paralLèlement A l'axe de rotation de L'engin spatial afin de réagir avec le champ magne tique au point où se trouve l'engin et de créer ainsi un couple réguLateur. Ce procéde de réglage présente l'inconvénient consistant en ce que la direction du couple régulateur est définie par la direction du champ géoma- gnétique local et ne peut être déterminée d'une manière instantanée Un couple régulateur ne peut être obtenu dans une direction déterminée qu'en attendant,si cela est possible, que les conditions autour de l'orbite de l'engin soient telles que le champ gemma gnétique présente la direction convenable susceptible d'engendrer le couple de réglage désiré. On a déjà prévu l'utilisation d'une bobine ou d'un électro- aimant présentant son axe perpendiculairement à l'axe de rotation de l'engin spatial et excité par des impulsions de courant ou par des ondes de forme appropriée dont la répétition se fait au rythme de la rotation de l'engin ou à une périodicité sous-harmonique de cette dernière, afin de réagir avec le champ magnétique local et de régler ainsi l'allure de la rotation de l'engin. use telle commande se référant à l'allure de la rotation utilise la composan- te du champ géomagnétique local dirigée perpendiculairement à l'axe de rotation dF L'engin spatial. Conformément à l'invention, il est prévu un dispositif comman- dant l'attitude de 11 engin spatial et comportant une ou plusieurs bobines ou bien un ou plusieurs électroaimants dont l'excitation peut entre réglée à volonté et qui sont montés de manière à présenter leurs axes perpendiculairement à l'axe de rotation de l'engin spatial afin d'agir sur ce dernier axe lorsqu'on veut le diriger suivant une orientation quelconque et cela par réaction avec la composante parallèle à l'axe de rotation du champ géomagnétique local. On a désigné par les expressions"axe de rotation de l'engin spatial't et"vitesse de rotation de l'engin spatial"l'axe de rotation et la vitesse de engin considéré dans son ensemble ou bien1dans le cas ou la totalité de l'engin ne tourne pas, l'axe et la vitesse de la partie de cet engin ou du volant qui tourne et forme le générateur du moment d'inertie cinétique de stabilisation. Au cas où le moment d'inertie cinétique stabilisateur est obtenu en faisant tourner le support de l'électroaimant ou de la bobine, l'excitation se fait au moyen d'impulsions de courant ou d'ondes équivalentes se répétant d'une marnière cyclique â la même périodicité que la durée de rotation de l'engin ou d'un sousharmonique de cette durée de telle sorte que l'on peut régler la direction du couple de régulation au cours d'une période de rotation en agissant sur le déclenchement des impulsions de courant ou sur la phase des ondes répétées par rapport à l'orientation momentanée de l'engin. On peut modifier l'amplitude du couple régulateur en réglant le courant sortant du générateur de couple magnétique. L'invention couvre également la cas où Le moment d'inertie cinétique stabilisateur est obtenu sans rotation du support des bobines ou électro-aimants ; dans ce dernier cas on peut régler instantanément la direction C1~Udu couple régulateur en utilisant deux bobines ou électroaimants dont les axes ne sont pas parallèles en théoriquement doivent être de préférence perpendiculaires l'un à l'autre. Les courants traversant ces deux bobines ou électroamants peuvent être réglés indépendamment pour que la précession régulatrice obtenue présente la direction désirée. :; peut aboutir à ce dernier résultat en réglant l'intensité relative des courants continus zizien valeur nominale traversant les des bobines, auquel cas la commande est implifiée si les moments magnétiques produits par as bobines ou électroaimants sont des fonctions linéaires des intensités qui leur sont appliqué Suivant une variante, les moments magnétiques moyens produits par les bobines ou électroalmants peuvent être réglés en faisant varier les cycles d'e citation et de désecitation des bobines, le même niveau d'ex citation étant maintenu pour chacuné des bobines pendant leurs périodes d'excitation.On peut d1ailleurs associer les deux procédés décrits. Une autre possibiLité consiste à utiliser une seule bobine ou un seul électroaimant que l'on Deut faire tourner mécaniquement par rapport à la partie non tournante de l'engin spatial Sur les dessins ci-joints faisant apparaître le principe de l'inventior: - La fig. la est un schéma représentant l'application de l'invention à un satellite ou autre engin spatial portant le support tournant de la bobine ou de l'électroaimant La fig. lb est un graphique représentant la forme de L'inten sité du courant parcourant la bobine dans le cas de la fig. la La fig. 2 représente l'application de l'invention à un satellite ou à un engin spatial non tournant. Revenant à la fig. la,l'engin spatial ou au moins une partie de celui-ci représentée en ll tourne autour de l'axe de giration 12. L'électroaimant 13 est monté de manière à tourner avec la partie tournante 11 de l'engin autour de cet axe 12. L'axe magnétique 14 de l'électroaimant 13 est perpendiculaire à l'axe de rotation 12.On applique à l'électro-aimant 13 un courant d'excitation qui est soumis à une pulsation périodique comme représenté en 15 sur la fig. lb ou qui présente la forme d'un courant alternatif comme représenté an 16, ane ou plusieurs périodes complètes de ce courant se produisant au cours de chaque tour complet de la partie 11 de l'engin portant l'électroaimant 13 autour de l'axe 12, et il s'ensuit que le champ de l'électro- aimant varie également périodiquerrent de telle sorte que le moment magnétique de l'électroaimant 13 vient réagir avec la composante verticale du champ géomagnétique local 17 de manière à produire un couple 18 commandant l'attitude de l'engin suivant une orientation déterminée maintenant en direction l'axe de rotation 12 de l'engin.La direction du couple régulateur 1 dépend de la phase des ondes 15 ou 16 définissant l'intensité r,excitation de ltélectroaimant par rapport à la position angulaire a cn rotation de l'engin, tandis que l'intensité du couple dépend de l'amplitu- de des ondes définissant l'intensité d'excitation. Sur la fig. 2 l'ensemble 19 de l'engin spatial ne tourne plus et le moment cinétique de la stabilisation est engendré par un volant 20 tournant autour de l'axe 21. Dans ce cas le couple commandant la direction de l'axe de rotation est obtenu àlçartir des deux électroaimants 22 portés par l'ensemble de lteng w qui ne tourne pas, les axes magnétiques 23 de ces électroaimants étant perpendiculaires à l'axe de rotation 21 et perpendiculaires l'un à l'autre. La direction du couple de commande est déterminée par un réglage de l'intensité ou bien du cycle d'excitation et de dwexcitation du courant d'excitation traversant un électroaimant par rapport à l'intensité ou un cycle du courant traversant l'autre électroaimant. Les dispositifs décrits écartent l'inconvénient des dispositifs magnétiques de commande de l'attitude de l'engin rappelés ci-dessus et où l'étendue du controle exercé sur la direction du couple régulateur appliqué à l'engin est extrêmement limitée. En fait les les du moment magnétique régulateur et la composante efficace du champ géomagnétique sont inversés de telle sorte qu'au lieu de faire réagir un moment magnétique régulateur parallèle à l'axe de rotation sur une composante radiale dti champ géomagnétique dont la direction ne peut être réglée, on fiait réagir un moment magnétique radial régulateur dont îa direction est réglable sur la composante axiale du champ géomagnétique. Ceci augmente considérablement les possibilités dtun dispositif régulateur magnétique de l'attitude d' un engin spatial. Comme on l'a déjà indiquéRun engin spatial stabilisé en rotation agit à la manière d'un gyroscope de telle sorte que le couple correcteur de l'attitude donne un mouvement de précession à l'are de rotation. Cette précession est d'ailleurs accompagnea dtune certaine nutation de l'axe de rotation de telle sorte que l'on superpose un mouvement oscillant à la précession constante de l'axe de rotation. Ce dernier effet est également bien connu. Lorsque la précession cesse, la nutation continue en général de telle sorte que l'axe de rotation n'est pas dirigé vers il point mais trace une circonférence ou plus geiiéralement une ellipse. En général un tel mouvement décroîtra très lentement en raison des pertes d'énergie liées au mouvement de l'engin ou de la partie tournante de celui-ci. L'amplitude de la nutation croît lorsque le rapport entre le moment d'inertie cinétique et le moment d'iner tie transversale décroît. Dans le cas d'un engin spatial nécessitant une mise en direction très précise de son axe, la présence d'une telle nutation peut limiter la précision en direction que l'on peut obtenir. De plus, la nécessité de maintenir une certaine valeur minima du moment d'inertie cinétique forme une contrainte très gênante. En réglant la durée du couple régulateur appliqué dont l'amplitude est constante , on peut réduire à zéro 11 amplitude de La nutation qui demeure après suppression du couple . I1 faut - alors que le couple soit appliqué pendant une durée égale à un nombre entier de périodes de nutation. Dans le cas d'une longue période de précession.le moment convenable pour supprimer le couple régulateur peut être défini comme le moment où le dépLacement ainsi que la vitesse de change ment du mouvement de nutation perpendiculairetnent au plan de la précession moyenne sont tous deux égaux à zéro. Dans les disposi tifs servant à la régulation de L' attitude décrit ci-dessus,le couple régulateur appliqué est engendré par le ou les éLectro- aimants portés par l'enginspatial. Suivant un autre aspect de L'inventlon,l' amplltude de la nutation déjà existante peut entre réduite à zéro en appliquant par pulsationsun couple-convenable. Par exemple un mouvement de nutation dO à un couple d'amplitude A appliqué pendant une durée égale à la moitié de la période de-nutation peut être réduit à zéro en appliquant un second couple de même amplitude appliqué pendant une durée également d'une demi-période de nutation avec un déphasage correct par rapport au mouvement de nutation. Enfin le couple correcteur peut être engendré par le courant ou les courants excitant les électroaimants de commande d'attitude montés sur l'engin. REVENDICATIONS 1 Dispositif régulateur de 11 attitude d'un satellite ou autre engin spatial sur orbite stabilisé par rotation caractérisé par le fait qu'un ou plusieurs électroaimantsou bobines dont l'excitation peut varier à volonté sont montés de manière à présenter leurs axes perpendiculairement à l'axe de rotation de l'en- gin afin de maintenir l'axe de rotation de l'engin suivant l'orientation voulue,qu'elle qu'elle soit,par réaction entre les champs de ces électroaimants ou bobines et la composante parallèle à l'axe de rotation du champ géomagnétique. 2 Dispositif suivant 1 caractérisé par le fait que la bobine ou l'éleètroaimant tourne autour de l'axe de rotation de l'engin et que son excitation esst assurée par des impulsions de courant à la même périodicité ou des ondes de forme équivalente se répétant cycîlqueinent Joue la durée du cycle derotation de la bobine ou de l'électroaimant ou 'un sous-harmonique de cette durée, la direction du couple contrôlant l'attitude et appliqué à l'engin étant définie par le moment du déclenchement ou la phase des impulsions ou des ondes d'excitation par rapport à l'orientation momentanée de l'engin en cours de rotation 3 Dispositif suivant la revendication 2 où l'intensité du couple regulateur peut entre réglée en faisant varier l'intensité du courant d'excitation de la bobine ou de l'électroaimant, 4 Dispositif suivant 2 ou 3 où le moment d'inertie cinétique de stabilisation est obtenu en faisant tourner le support de la bobine ou de l'électroaimant , les impulsions ou les ondes du courant d'excitation présentant une période de répétition cyli que définie d'après la vitesse de rotation de L'engin. pas 5 Dispositif suivant 1 comportant deux électroaimants ne tournant ou bobines présentant leurs axes magnétiques perpendiculairement l'un à l'autre et perpendiculairement à l'axe de rotation de l'engin, la direction du couple régulateur d'attitude étant déter- minée par une modification relative des courants d'excitation l'un par rapport à 17autre 6 Dispositif suivant 5 où l'on fait varier l'intensité relative des courants d'exitatlon, ies > ments magnétiques des bobines ou électroaimants étant des fonctions linéaires des courants d'excitation qui leur sont appliques. 7 Dispositif suivant 5 où l'on applique le même niveau de l'intensité excitatrice aux deux bobines ou électro-aimants tandis que la modification relative des excitations est assurée par une modification relative des durées d'excitation et de de ccitation des bobines ou électroaimants , Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes permettant la suppression de la nutation par rpplica- tion du couple régulateur pendant une durée égale à un nombre entier de périodes de nutation 9 Dispositif suivant 8 où la durée d'une période de précession est longue et où l'on supprime le couple régulateur à un moment correspondant au moment où le déplacement et la vitesse de changement du mouvement de nutation perpendiculairan-ent plan de la précession moyenne sont égaux à zéro 10 Dispositif suivant l'une des revendications 1 à 7 où l'on supprime le mouvement de nutation par application d'une impulsion appropriée formant un couple par l'intermédiaire d'un ou de plusieurs électroaimants ou d'une ou de plusieurs bobines assurant la régulation de l'attitude.