Brevet FR2322400A1 — publié le 19770325

La présente invention concerne les systèmes de commande des couples propulsifs appliqués à un spationef, et concerne plus particulierement des systèmes convenant à un spationef stabilisé par double rotation et servant à éliminer la nutation du spationef produite par les forces et les couples externes utilisés pour modifier 11 orientation, l'orbite ou la vitesse du spationef. Lorsqu'on utilise des propulseurs pour appliquer des forces de poussée à un spationef stabilisé par rotation ou par double rotation, dans le but de commander l'orientation, l'orbite ou la vitesse de ce spationef, il apparat fréquemment une nutation parasite du spationef, se traduisant par un mouvement analogue à celui d'une toupie. La nutation du spationef est produite par un couple du à une force de poussée dirigée selon un axe ne passant pas par le centre de gravité du spationef. On dit d'une telle force de poussée qu'elle présente un défaut d'alignement. Le couple engendrant un mouvement de nutation et résultant d'une force de poussée possédant un défaut d'alignement présente une composante perpendiculaire au vecteur correspondant à la quantité de mouvement totaledu spationef.De nombreux systèmes ont été proposés dans l'art antérieur pour éliminer une telle nutation parasite d'un spationef. Dans certains systèmes de commande d'orientation et/ou d'orbite, selon l'art antérieur, on utilise une combinaison d'éléments passifs disposés de façon à dissiper l'énergie correspondant à la nutation indésirable du spationef. Dans d'autres systèmes de commande d'orientation et d'orbite selon l'art antérieur, on s'oppose à la nutation du spationef à l'aide d'une ou de plusieurs forces extérieures engendrées par des propulseurs spéciaux du spationef, actionnés par des signaux électriques fournis par des capteurs détectant la nutation du spationef. L'utilisation de propulseurs et de capteurs, ou ments passifs, servant uniquement à l'amqrtissement du mouvement de nutation du spationef produit par des forces de poussées présentant un défaut d'alignement conduit à une augmentation de la complexité du système de commande du spationef. En conséquence, il est souhaitable de minimiser la nutation du spationef produite par les poussées présentant des défauts d'alignement, sans augmenter de façon notable la complexité des systemes de commande d'orientation et d'orbite du spationef. Selon l'invention, la nutation d'un spationef produite par une force de poussée présentant un défaut d'alignement est éliminée å l'aide d'un système de commande du spationef. Comme indiqué précédemment, le spationef est stabilisé par double rotation, et comporte une plateforme désolidarisée en rotation, ou "dégirée" , par rapport à une pièce en rotation. Le système comporte un dispositif engendrant-une force, monté sur la plate-forme et fonctionnant sous la commande de signaux, ce dispositif servant- à manoeuvrer le spationef. Selon un premier aspect de l'invention, des signaux d'information transmis au spationef sont reçus et traités par un récepteur. Ce récepteur est conçu de façon à transmettre au dispositif engendrant une force un signal de sortie déterminant une durée de fonctionnement de ce dispositif, cette durée étant égale à un multiple de l'inverse de la fré quence de nutation qJn /27Y Selon un autre aspect de l'invention, le système comporte : un détecteur incorporé dans ledit spationef de façon à détecter un écart par rapport à l'orientation désirée du spationef, ce détecteur engendrant un signal de sortie en réponse à un écart; un dispositif logique couplé audit détecteur et engendrant un signal de sortie logique en réponse au signal de sortie dudit détecteur; et un dispositif engendrant une force, actionné pendant une durée I sous l'action dudit signal de sortie logique, la durée de fonctionnement dudit dispositif engendrant une force étant égale à un multiple de l'inverse de la fréquence de nutation çJn/2 7E D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'un exemple de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels - la figure la représente de façon schématique un spationef stabilisé par rotation avec "dégiration", comportant le système d'élimination de nutation selon l'invention, et - la figure lb est une représentation graphique des trajectoiresparcouruesau cours du temps par la composante transversale h (t) d'un vecteur correspondant à une quantité de mouvement de rotax-y tion, et par un vecteur H représentant la quantité de mouvement de rotation du spationef, ces trajectoires étant représentées dans un système de coordonnées liées au spationef, au cours d'un cycle de nutation de ce dernier. D'une manière ou d'une autre, un spationef en orbite nécessite souvent des changements d'orientation ou de vitesse pour accomplir une mission déterminée. Un tel spationef peut ventre stabilisé par rotation, par double rotation.. ou comporter un dispositif de "dégiration". Dans le premier cas, la totalité du spationef est miseen rotation, tandis que dans les deux autres cas le spationef comporte un volant d'inertie en rotation désolidarisé du reste du spationef. Dans tous les cas, le spationef est stabilisé par un effet gyroscopique, de façon connue.Les spationefs à stabilisation par rotation, par double rotation, ou avec > 'dégiration" possedent une quantité de mouvement totale représentée par un vecteur H, dirigé de préférence selonunaxe d'inertie principal (x, y ou z) du spationef. Le vecteur correspondant à la quantité de mouvement de rotation d'un spationef "dégivré" est proportionnel à la vitesse de rotation du volant d'inertie et (en l'absence de nutation) est dirigé selon l'axe principal autour duquel tourne le voyant d'inertie. Lorsque le vecteur H représentant la quantité de mouvement de rotation totale est dirigé selon l'axe z, les axes x et y se trouvent dans un plan perpendiculaire à l'axe z. Le plan x-y sera appelé ci-apres "plan transversal". Des propulseurs capables dtengendrer une force sont montés de façon appropriée sur le spationef. Ces propulseurs sont déclenchés à un instant prédéterminé de façon à produire la force ou le couple résultant nécessaires pour effectuer la modification désirée d'orientation ou de vitesse du spationef. L'orientation du spationef peut également oestre commandée sous l'effet d'un couple appliqué par l'intermédiaire d'un volant de réaction possédant un axe de rotation perpendiculaire à celui du volant d'inertie principal. Si l'axe de poussée, ou axe selon lequel est dirigée la force de poussée ou la force produisant un couple1 ne passe pas par le centre de gravité du spationef, le couple résultant T auquel est soumis le spationef présente une composante orthogonale au vecteur correspondant à la quantité de mouvement de rotation totale du spationef, ce qui communique à celui-ci un mouvement parasite de nutation, ou d'oscillation, à une fréquence #n. La pulsation de nutation du spationef, o; ; , exprimée en radianspar seconde, est donnée par la relation Dans cette relation H représente la quantité de mouvement de rotation totale du spationef, I représente le moment d'inertie du spationef par rapport à l'axe x qui est un axe d'inertie principal dans le plan transversal, et I y représente le moment d'inertie du spationef par rapport à ltaxe y, qui est un axe d'inertie principal perpendiculaire à l'axe x et se trouvant également dans le plan transversal. En l'absence de nutation, le vecteur de quantité de mouvement de rotation, t correspondant soit à un spationef stabilisé par rotation soit à un spationef "dégiré", est dirigé de préférence selon un axe d'inertie principal du spationef, par exemple l'axe z. Lorsqu'un spationef est soumis à un couple produisant une nutation, le vecteur de quantité de mouvement du spationef, H n'est plus aligné avec l'axe z, mais présente une direction variant dans le système de coordonnées x, y, z, en fonction du temps, du vecteur correspondant au couple-appliqué, et de la durée de poussée. Un spationef soumis à une nutation possède un vecteur de quantité de mouvement de rotation totale, H, présentant des composantes situées dans un plan perpendiculaire par rapport à l'axe de rotation.En d'autres termes, l'extrémité du vecteur de quantité de mouvement spationef soumis à un mouvement de nutation sé déplace à partir d'un point de départ selon une trajectoire fermée et prévisible dans le système de coordonnées x, y et z lié au spationef. Simultanément, l'extrémité du vec teur de vitesse de rotation z du spationef (aligné avec l'axe de rotation z z du spationef) décrit un cercle de faible diamètre autour du vecteur de quantité de mouvement de rotation H, en retournant au point de départ à la fin d'une période de nutation prédéterminée.La période de nutation, X, an cours de laquelle le vecteur de vitesse de rotation du spationef, z décrit une boucle complète en retournant à son point de départ, est donnée par la relation (2) w n dans laquelle #n est défini par la relation (1). Si le couple perturbateur cesse à la fin de la période # , ou au bout d'un multiple entier de cette période, la nutation résiduelle du spationef est réduite au minimum. En conséquence, connaissant la période #, on peut réaliser un système actionnant un propulseur ou un dispositif engendrant un couple, pendant une durée correspondant à une seule période de nutation, ou à un multiple entier de cette période, de façon à éliminer la nutation de spationef .Un système de ce type est décrit ci-dessous. La figure la représente un spationef "dégiré", 10, comportant un volant d'inertie 11 tournant en sens inverse des aiguilles d'une montre autour d'un axe principal du spationef (axe z) avec une vitesse angulaire tti Le fonctionnement du spationef 10 sera décrit ultérieurement. La figure lb est une représentation graphique du vecteur de quantité de mouvement de rotation, H, du spationef, lorsque celui-ci est soumis à un couple T engendrant un mouvement de nutation. L'axe z du spationef sera x appelé ci-après axe de rotation, du fait que c'est l'axe autour duquel tourne le volant d'inertie 11. En l'absence de couples perturbateurs appliqués à partir de l'extérieur, le vecteur de quantité de mouvement E-+du spationef est pratiquement égal au vecteur h , et est aligné avec l'axe z. z En l'absence de nutation, le module de la quantité de mouvement de rotation du spationef, h , est donné par la relation z h = 4of If (3) dans laquelle #f représente la vitesse angulaire du volant d'inertie 11, et If représente le moment d'inertie du volant 11. On notera que le module du vecteur de quantité de mouvement totale du spationef, H, est pratiquement égal au module du vecteur de quantité de mouvement lorsque les composantes z z tranversales de la quantité de mouvement totale H possèdent un module relativement faible. Dans le cas où une force F produite par un propulseur 12 est appliquée au spationef 10, il apparat un couple perturbateur T (défini x comme étant une composante d'un vecteur de couple total, F x d > dirigéeselon l'axe x > F étant le vecteur correspondant à la force F, et d étant le vecteur correspondant à la distance entre le centre de gravité O du spationef et la ligne d'application de la force F) dirigé selon l'axe x du spationef, ou un axe perpendiculaire à l'axe de rotation, ou axe z.Le couple T engendre x dans le plan transversal x-y du spationef une quantité de mouvement de rotation variant au cours du temps, représentée sur la figure lb par un vecteur de quantité de mouvement de rotation transversale, hx-y(t) possédant une composante selon l'axe x, h (t), variant au cours du temps, et une composante selon l'axe y, hy(t), variant au cours du temps. Ainsi, le vecteur de quantité de mouvement de rotation transversale,h (t) correspond à -la x-y somme vectorielle : h (t) + h > (t). Le vecteur de quantité de mouvement de x y rotation totale du spationef, H, correspond à. la somme vectorielle hx(t) + hy(t) + hz(t).Le module hx(t) de la composante selon l'axe x de la quantité de mouvement de rotation est donné par la relation T hx(t) = x sin #nt (4) #n n dans laquelle T représente le module du couple appliqué relativement à x l'axe x, t représente la durée en secondes à partir de l'instant d'application du couple Tx, et #n représente la pulsation de nutation du spationef définie par la relation (1).Le module h (t) de la composante selon l'axe y y de la quantité de mouvement de rotation est donné par la relation dans laquelle I représente le moment d'inertie du spationef par rapport y à l'axe y, I représente le moment d'inertie du spationef par rapport à x l'axe x, T représente le module du couple appliqué, t représente la durée x en secondes à partir de l'instant d'application du couple Tx, et #n repré- sente la pulsation de nutation du spationef définie par la relation (1). Dans un spationef "dégiré", l'extrémité du vecteur de quantité de mouvement transversale, h (t) > se déplace au cours du temps x-y selon une trajectoire elliptique située dans le plan transversal x-y, lorsque le moment d'inertie par rapport à 11 axe x, I , est différent du moment d'inertie par rapport à l'axe y, I . Les relations (4) (5) montrent y que l'extrémité du vecteur de quantité de mouvement transversale, h (t) x-y se déplace au cours du temps selon une trajectoire circulaire située dans le plan transversal x-y, lorsque le moment d'inertie par rapport à l'axe x, @x, est égal au moment d'inertie par rapport à l'axe y, Iy. L'ellipse D de la figure lb représente graphiquement une trajectoire elliptique correspondant au mouvement du vecteur de quantité de mouvement transversale, h (t), sous l'effet de l'application du x-y couple T , présentant un module et une durée d'application déterminés. L'ellipse D montre ainsi qu'en choisissant égale à t la durée d'application de la force F ou du couple résultant Tx, le module du vecteur de quantité de mouvement transversale, h (t) peut être réduit au minimum, du fait que x-y le module du vecteur de quantité de mouvement transversale, hx-y(t), est minimal au point de départ 0, comme le montre la figure lb. Le mouvement de nutation d'un spationef est souvent défini par le demi angle au sommet, O, du cne engendré par le vecteur L'angle O est defini par la relation suivante h (t) O x-Y (6) z dans laquelle hx-y(t) représente le module de la quantité de mouvement de rotation transversale précédemment définie, et dans laquelle h est définie z par la relation (3). La figure lb montre que le module du vecteur de quantité de mouvement transversale hx-y(t) et le demi angle au sommet O prennent une valeur minimale à l'origine 0. En considérera maintenant à nouveau la figure la. Un signal de télécommande, émis par une station au sol (non représentée) est reçu par l'pantenne 13 et le récepteur de télécommande 14. Ce signal est utilisé pour déclencher un propulseur 12 et alimenter ce propulseur avec un combustible, comme par exemple un gaz comprimé, prélevé dans le réservoir 17, pendant une durée connue > définie par la relation 2. La station terrestre peut émettre le signal de télécommande en réponse à un signal provenant d'un capteur d'orientation approprié, 19, monté sur le spationef 10. Le signal transmis par ladite station terrestre peut etre un signal codé possédant une valeur donnée déterminant la durée de fonctionnement du propulseur, ou bien le propulseur 12 peut ne fonctionner que pendant une durée déterminée par la largeur d'impulsion du signal émis par la station terrestre. Le récepteur de télécommande 14 est un appareil classique trai tant un signal reçu à partir d'une station terrestre et transmettant au circuit logique 15 le signal traité.Les moments d'inertie I et I du x y spationef et le module de la quantité de mouvement de rotation du spationef selon l'axe z (déterminé par la relation (3))sont des informations enre gistréesdans une mémoire appartenant au circuit logique 15. Le circuit 15 est un circuit classique conçu-de façon à résoudre l'équation (1) et à engendrer un signal logique de sortie en réponse à un signal de sortie du récepteur 14. Le signal logique de sortie émis par le circuit 15 est transmis à un circuit électronique de déclenchement 16, comportant un tempori sateur, non représenté. Le circuit 16 est conçu de façon à répondre au signal de sortie du circuit logique 15 et à actionner le propulseur 12 pendant une durée sG déterminée par la relation (2).Le fonctionnement du propulseur 12 est automatiquement arrêté par le circuit électronique de déclenchement 16 à la fin de la durée 12. On notera que le circuit électronique de déclenchement 16 peut comporter un dispositif de réglage classique, 18, fonctionnant en réponse à un signal, servant à commander la valeur de la force de poussée exercée par le propulseur 12. Ainsi, une manoeuvre du spationef nécessitant une modification d'orientation ou d'orbite peut être réalisée à l'aide d'une fusée à poussée réglable, ou dlun propulseur, fonctionnant pendant au moins une période de nutation. On notera également que tous les signaux de commande déterminant la durée de fonctionnement du propulseur et le module de la force de poussée peuvent etre engendrés par des circuits logiques se trouvant à la station terrestre d'émission. Dans un autre mode de réalisation, le circuit logique 15 peut posséder une structure classique lui permettant de calculer la durée de fonctionnement du propulseur,2, à partir d'un signal fourni par le capteur d'orientation 19. Ce mode de réalisation correspond à un système de commande eniboucle fermée. En résumé, l'invention permet de disposer d'un système de commande servant à réduire au minimum la mutation d'un spationef apparaissant sous l'effet du fonctionnement d'un propulseur de ce spationef. Le propulseur du spationef ne fonctionne que pendant une durée égale à un mul tiple de la période de rotation 2 v , ce qui réduit au minimum la nutation du spationef. Bien que l'invention ait été décrite dans le cas d'un spationef "dégiré", les principes généraux du système d'élimination de nutation décrit ci-dessus sont applicables à des spationefs stabilisés par rotation ou par double rotation. Bien entendu diverses modifications peuvent autre apportées par l'home de l'art aux dispositifs ou procédés qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs sanssortir du cadre de l'invention. REVEND ICAT ION S 1. Procédé d'élimination de la nutation d'un spationef, produite par une force de poussée ne passant pas par le centre de gravité dudit spationef, ce spationef possédant un axe de rotation et une fréquence de nutation caractéristique, et étant en outre stabilisé par double rotation, avec une plate-forme desolidarisée en rotation par rapport à une pièce en rotation; caractérisé en ce que . on transmet des signaux à un récepteur du spationef, de façon à engendrer un signal de sortie de récepteur; on actionne pendant une durée t un dispositif engendrant une force, monté sur ledit spationef en réponse audit signal de sortie de récepteur; et on fait cesser le fonctionnement dudit dispositif engendrant une force à la fin de ladite durée f ; cette durée t étant donnéepar la relation : 15= 2 tn , dans laquelle n est un nombre entier et Lô 12'T! est ladite fréquence de nuiation. n 2. Dispositif de commande d'un spationef, faisant application du procédé selon la revendication 1, ce dispositif étant appliqué à un spationef présentant un axe de rotation et une fréquence de nutation caractéristique, et servant à éliminer la nutation produite par une force de poussée ne passant pas par le centre de gravité dudit spationef, caractérisé en ce que ledit spationef est stabilisé par double rotation et possède une plate-forme désolidarisée en rotation par rapport à une pièce en rotation; et en ce qu'il comporte un organe de commande appartenant audit spationef et engendrant un signal de sortie d'organe de commande ,et un dispositif engendrant une force, monté sur ladite plate-forme et couplé audit organe de commande, ce dispositif fonctionnantpendant une durée # en réponse audit signal de sortie d'organe de commande, ladite duréetétoent donnée 2 #n par la relation : T = #n , = dans laquelle n est un nombre entier et 'n12 est ladite fréquence de nutation caractéristique. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit organe de commande est constitué par un récepteur recevant des signaux transmis audit spationef, et engendrant ledit signal de sortie d'organe de commande en réponse à ces signaux. 4. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit organe de commande comprend un détecteur appartenant audit spationef, servant à detecter un écart par rapport à 11 orientation désirée pour ledit spationef, et engendrant en réponse à cet écart un signal de sortie de détecteur; et un circuit logique couplé audit détecteur et engendrant ledit signal de sortie d'organe de commande en réponse audit signal de sortie de détecteur. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendu cations 2 à 4, caractérisé en ce que ledit dispositif engendrant une force comporte un dispositif de réglage sensible à un signal, servant à commander le module de ladite force de poussée. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que ledit dispositif engendrant une force comporte au moins un propulseur.