Brevet FR2129956A1 — publié le 19721103

-1- 2129956 L'invention a pour objet un dispositif de compensation pour détecteurs de rayonnement thermique, plus particulièrement adapté à un senseur d'horizon poux le contrôle d'attitude d'un satellite, comportant une source de rayonnement thermique placée dans le champ optique des détecteurs et en dehors de leur axe et m dispositif électronique de commande de ladite source» Il est connu des senseurs d'horizon conçus de manière telle que la visée d'une étoile ou d'une planète donne, par l'intermédiaire d'un système optique, une image sur un ou plusieurs détecteurs de rayonnements. Un senseur d'horizon est constitué de deux dispositifs de visée suivant deux directions perpendiculaires Nord-Sud et Est-Ouest. Chaque dispositif de visée comprend, soit deux systèmes optiques et au moins un détecteur thermique, soit un système optique et au moins deux détecteurs thermiques. La comparaison des flux de rayonnements reçus par les différents détecteurs provenant d'une même étoile ou planète prise comme repère, permet de déterminer l'orientation du véhicule. Si l'on convient que la fonction "réponse" provenant des détecteurs de chaque dispositif de visée, prend la valeur zéro lorsque le véhicule est orienté selon l'attitude voulue, il convient que lorsque l'attitude est effectivement correcte, la réponse obtenue des détecteurs soit nulle et ne soit pas modifiée par des variations de température du senseur ou des différences de sensibilité des détecteurs. Lorsque l'engin spatial est convenablement orienté, chaque détecteur reçoit exactement la même intensité de rayonnement. Un très léger dépointage provoque une différence d'irradiation de ces détecteurs. Les signaux fournis par les détecteurs sont envoyés, par l'intermédiaire d'une chaîne électronique, plus ou moins complexe, aux dispositifs chargés de rétablir l'attitude de l'engin» Si par suite de dissymétries optiques dûes à des tolérances d'usinage et de dissymétries thermiques dûes à des inhomogénéités de la matière ou surtout de la distribution des flux de chaleur ou de la non uniformité de la distribution des températures autour du senseur,le rayonnement reçu par les détecteurs thermiques, lorsque la direction de l'engin est exacte, est légèrement différent, il s'ensuit un déplacement de zéro provoquant une erreur de direction. 10179 -2- 2129956 Le "brevet français N° 2 040 612 proposait un. procédé de compensation de systèmes optiques jumelés, les systèmes comprenant deux optiques d'entrée associées à un détecteur de rayonnement. La source de compensation est placée en un point situé entre les optiques et le détecteur, un dioptre non traité de chaque optique d'entrée constitue avec les autres éléments de l'optique un système cata-dioptrique qui conjugue optiquement la source de compensation et l'élément sensible. La source de compensation est constituée par des sources thermiques quasi ponctuelles rayonnant vers le dioptre le plus proche de la source, recevant d'un dispositif régulateur une puissance électrique fonction des conditions thermiques du moment. La compensation ainsi obtenue est très bonne mais présente l'inconvénient de nécessiter une puissance électrique qui bien que faible ne peut quand même être négligée. L'invention a pour but de réduire sinon d'éliminer les erreurs de zéro dûes à l'effet conjugué du rayonnement des détecteurs thermiques vers l'espace et de leur différence de sensibilité aux éclairements, et utiliser pour la source de compensation la quasi totalité de la puissance nécessaire au dispositif de régulation. Le dispositif de compensation pour détecteurs thermiques,selon l'invention, comportant une source de rayonnement thermique placée dans le champ optique du ou des détecteurs et en dehors de l'axe du système et un dispositif électronique de commande de ladite source, est remarquable en ce que ladite source de rayonnement est constituée par des composants électroniques appartenant au dispositif électronique de commande et dissipant de l'énergie calorifique. Lesdits composants sont noyés dans une masse d'un matériau bon conducteur thermique. Ladite masse a une forme annulaire de diamètre intérieur proche du diamètre du système optique d'entrée. Ladite masse annulaire comporte des logements pour les composants électroniques, lesdits logements sont remplis d'un matériau de conductibilité thermique sensiblement égale à celle constituant la masse annulaire. Ladite masse annulaire est limitée par des surfaces de révolution autour de l'axe du système optique, la surface'dirigée vers le détecteur thermique présentant un facteur d'émission élevé,les autres surfaces présentant un facteur d'émission faible. 10179 -3- 2129956 les explications et dessins donnés ci-après à titre d'exemple permettront de bien comprendre l'invention. La fig. 1 est le schéma électronique du dispositif de compensation. La fig. 2 est une coupe d'un dispositif de visée. La fig» 3 représente une vue de face de l'anneau constituant la source de compensation. Le senseur d'attitude selon l'invention est constitué de deux voies optiques disposées selon deux axes de coordonnées rectangulaires. Chaque voie optique matérialisant un des axes de coordonnée est formée de deux groupes de deux thermopiles. Les thermo-piles constituant un groupe sont montées en opposition de manière que lorsqu'elles sont soumises au même flux de rayonnement, la résultante des tensions fournies par chacune d'elle soit nulle. Ceci serait obtenu aisément si les deux thermopiles étaient situées dans un même boîtier opaque présentant une surface interne ayant une température parfaitement uniforme» Or tel n'est pas le cas dans un senseur d'attitude, une des parois du boîtier étant constituée par une fenêtre optique; les thermopiles se trouvent dans un boîtier dont la température est d'environ 300° E et voient l'Espace à 4° K , à travers un filtre optique transparent dans une bande spectrale plus ou moins large. Les thermopiles rayonnent donc vers l'Espace et dans ces conditions les jonctions froides sont plus chaudes que les jonctions chaudes. Si les deux thermopiles n'ont pas la même sensibilité la différence des deux tensions fournies n'est pas nulle. Afin d'éviter cette tension parasite on remplace le rayonnement de la paroi manquante c'est-à-dire de la fenêtre par celui émis par une source auxiliaire et on règle le régime de la source pour que la différence des tensions soit nulle. Le circuit, représenté figure 1, comporte la voie normale d'exploitation du signal pour le senseur, qui mesure la différence des différences de potentiel (d.d.p.) aux bornes des thermopiles. A cet effet, les deux transistors T1 et T2 sont alimentés au niveau des portes G-l et G-2 par deux tensions alternatives faibles» de même fréquence et de même amplitude, mais en opposition de phase ,fournies par le générateur G. L'entrée de l'amplificateur As se trouve donc connectée tantôt avec la thermopile Thl, tantôt 10179 21299?6 avec la thermopile Th.2 et reçoit une tension alternative à la fréquence de G dont l'amplitude et la phase sont liées à la différence des tensions fournies par Ihl et Th2 et au signe de cette différence. Le signal amplifié est redressé en phase par le circuit de détection synchrone Dsd qui reçoit sa référence de G; il en sort une tension continue proportionnelle à la différence des tensions fournies par ïhl et Th2. Ce signal est utilisé pour le contrôle d'attitude du satellite. La source de rayonnement, objet de l'invention, constituée par des composants électroniques appartenant au dispositif de commande et dissipant de l'énergie calorifique fait partie du reste du circuito Les deux résistances Rs dont la valeur est élevée (par exemple dix fois) par rapport à la résistance interne des thermopiles Thl et Th2 (représentées par leur équivalent électrique constitué d'un générateur et d'une résistance) dorment au point M une différence de potentiel par rapport à la masse qui eôt proportionnelle à la d.d.p. moyenne aux bornes des thermopiles ( la f.é. m due au rayonnement vers l'Espace est de l'ordre de 100 à 300 ja Y pour le domaine de température de -20 à + 60°C si les forces électro-motrices de signal correspondant à un dépointage de 0,1° sont de l'ordre de 2 yu. V). Les transistors T3 et T4 mettent l'entrée de l'amplificateur alternatif As en relation tantôt avec le potentiel de M ( moyenne des thermopiles),tantôt avec celui de M, M' (masse potentiel 0 ; R's simulant la résistance vue par As vers la masse à travers T3 Es et Th pour des raisons de symétrie). Le signal est détecté en phase et il sort une tension nulle si la f.é.m moyenne des thermopiles est nulle 4ce qui caractérise l'état normal d'asservissement). Alors la tension sur les bases des transistors bipolaires T'1 T'2 T'3 et T'4 ( qui sont incorporés à la pièce annulaire décrite plus haut, avec R'1 R'2 R'3 et R'4,pour former la source de compensation), est au potentiel moyen entre les deux tensions d'alimentation du collecteur ( + 15 V) et de l'émetteur ( - 15 V),on obtient une certaine dissipation (par exemple pour les composants utilisés 17,5 mW dans chacun des composants soit au total 140 mW). Si l'on suppose que le senseur se réchauffe, la f,é»m continue des thermopiles devient négative, la valeur moyenne de la d 71 10179 -5- 2129956 transistors augmente , donc la puissance dissipée dans T'I T'2 T'3 T'4 R*1 R'2 H'3 R'4 et la température de la source de compensation augmentent , ce qui a pour effet de diminuer le signal parasite négatif infra-rouge, donc de tendre à annuler la f.é. 5 m. moyenne des thermopiles, et par suite aussi l'erreur due aux différences de sensibilité existant entre les deux thermopiles.» le calcul, en soi connu, montre qu'une amplification de tension entre M et la sortie de Dss de l'ordre de 500 000 permet de tolérer l'emploi de thermopiles dont la sensibilité diffère de 10 10$ dans le domaine -20° à + 60°C. l'utilisation de composants actifs et passifs constituant une partie du circuit électronique de régulation et de contrôle d'attitude ayant été expliqué, il est compréhensible que la répartition sur le pourtour de la fenêtre, de tels composants, pour com-15 penser l'effet de l'espace froid que voient les thermopiles, ne peut être réalisée qu'avec l'aide d'un support sur lequel seront câblés les divers éléments et suivant l'exemple traité : quatre transistors et quatre résistances, la répartition de cette énergie thermique devra être assurée de la façon la plus régulière possi-20 ble, aussi est-il souhaitable d'incorporer les éléments chauffants à un corps bon conducteur thermique mais présentant toutefois une inertie thermique pas trop élevée pour permettre la régulation. la figure 2 montre la source de compensation 1 constituée d'un anneau métallique (représenté de face sur la fig. 3) disposée dans 25 le corps du boîtier 2 contenant les thermopiles 3 et 4 montées en opposition.la fenêtre optique 5 en un matériau transparent à 1'infra-rouge dans la bande de 14 à 16 Jx , a un diamètre très proche du diamètre intérieur de l'anneau 1„ l'anneau 1 (représenté fig. 3) comporte huit logements 6 régu-30 lièrement répartis sur la circonférence et dont les ouvertures sont, dans la figure 2, tournées vers les thermopiles .Des tiges de fixation au nombre de 8 sont implantées entre les logements et à 45° les unes des autres, quatre de ces tiges .indiquées par le repère 7 sont disposées radialement par rapport à l'axe de 35 l'anneau, les quatre autres indiquées par 8 sont parallèles audit axe. Ces tiges ont pour fonction de maintenir l'anneau tant dans son plan parallèle que dans son plan perpendiculaire, dans le boîtier 2, les tiges repérées 8 venant se fixer sur la paroi maintenant la fenêtre optique 5. Le choix du diamètre de ces tiges et 10179 -6- 2129956 du matériau les constituant permet de fixer la valeur de la con-ductance thermique par conduction avec le boîtier. Suivant un èxemple de réalisation la matière constituant l'anneau est de l'aluminium et si l'on se fixe une variation de température possible de l'ordre de l°C/mn, l'épaisseur de l'anneau ne devra pas excéder 3 mm, pour permettre la compensation, l'espace vide des logements non occupé par les composants étant rempli d'une résine synthétique de conductibilité thermique peu inférieure à celle de l'aluminium. Afin que la compensation thermique ait son maximum d'efficacité la surface de l'anneau en regard des thermopiles devra avoir un très bon coefficient d'émission. A cette fin, on recouvrira cette surface d'un produit à facteur d'émission élevé dans 1'infra-rouge les autres surfaces (ici cylindres et plan ) sont par contre parfaitement usinées (usinage miroir) afin d'obtenir un facteur d'émission très faible» Les puissances dissipées au niveau des composants constituant la source de compensation étant relativement faibles, il est possible d'utiliser des conducteurs électriques de très faible section et quirfapportent pas de perturbation à l'équilibre thermique de l'anneau. La compensation sera donc assurée par le dispositif électronique lui-même et ne nécessitera pas de puissance électrique supplémentaire à celle normalement employée pour le fonctionnement du dispositif électronique. Le dispositif selon l'invention permet donc d'assurer la fonction requise avec le minimum de consommation d'énergie - ce qui est une condition importante pour les équipements embarqués sur véhicules spatiaux - compatible avec des spécifications d'environnement thermique données. 71 10179 -7- 2129956 -revendications^ 1.- Dispositif de compensation pour détecteurs thermiques comportant une source de rayonnement thermique placée dans le ohamp optique du détecteur et en dehors de son axe et un dispositif électronique de commande de ladite source, caractérisé en ce que les 5 composants électroniques appartenant au dispositif électronique de commande et dissipant de l'énergie sont incorporés à ladite source de rayonnement « 2.- Dispositif de compensation pour détecteurs thermiques, selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits composants 10 sont noyés dans une masse d'un matériau bon conducteur thermique. 3.- Dispositif de compensation pour détecteurs thermiques,selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite masse a une forme annulaire de diamètre intérieur proche du diamètre du système optique d'entrée. 15 4.- Dispositif de compensation pour détecteurs thermiques, selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite masse annulaire comporte des logements pour les composants électroniques, lesdits logements sont remplis d'un matériau de conductibilité thermique élevée, si possible égale à celle constituant 20 la masse annulaire, 5.- Dispositif de compensation pour détecteurs thermiques,selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite masse annulaire est limitée par des surfaces de révolution autour de l'axe optique du système, la surface dirigée vers le détecteur 25 thermique présentant m facteur d'émission élevé, les autres surfaces présentant un facteur d'émission faible»