Brevet FR2535479A1 — publié le 19840504

Dispositif d'orientation sans frottements solides, et appi- cation à un véhicule spatial La présente invention a pour objet un dispositif d'orientation à deux éléments, permettant de faire tourner l'un des eléments par rapport à l'autre autour d'un centre, c'est-àdire avec trois degrés de libers6. Elle présente une application particulièrement importante, bien que non exclusive, constituée par la liaison entre deux parties d'un véhicule spatial et, surtout, d'un satellite géosynchrone. On sait qu'un tel satellite, lorsqu'il est utilisé -pour les télécommunications ou la télévision, doit rayonner une puissance élevée vers une zone précise du globe terrestre, ce qui exige de maintenir une antenne orientée vers cette zone.La puissance nécessaire est généralement fournie par un jeu de panneaux solaires qui doivent être orientés en permanence vers le soleil. Une solution fréquemment utilisée consiste à constituer le satellite en deux parties en rotation relative à un degré de liberté, l'une qui est orientée vers la Terre et l'autre vers le Soleil. La partie orientée par rapport à la Terre est munie de moyens de stabilisation. Cette solution présente divers inconvénients. Le mécanisme de rotation des panneaux solaires présente des problèmes d'usure et de fiabilité peu compatibles avec les durées de vie sur orbite envisagées à l'heure actuelle. Le mécanisme de rotation des panneaux solaires présentant un seul degré de liberté, les panneaux ne peuvent être orientés face au Soleil lorsque ce dernier se trouve en dehors du plan de l'Equateur, c'est-à-dire à l'Epo- que des solstices, d'où une perte d'efficacité.Il est difficile de pointer les antennes de façon précise, à cause des frottements solides dans les roulements, frottements qui entratnent des vibrations au niveau des panneaux solaires. Et la transmission de puissance électrique d'une partie à l'autre doit s'effectuer par des moyens supplémentaires tolérant les déplacements relatifs. La présente invention vise a fournir un dispositif d'orientation répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'il est exempt de frottements solides et permet une transmission simple de puissance électrique. L'invention vise également à fournir un dispositif dans lequel il est possible de transmettre, par l'intermédiaire du dispositif, des signaux de commande ou de mesure. Enfin, l'invention vise à améliorer notablement la fiabilité du dispositif et sa durée de vie sans intervention, ce qui est particulièrement important dans le cas de satellites et, plus généralement, d'ensembles inaccessibles en vue de réparation. Dans ce but, l'invention propose notamment un dispositif d'orientation à transmission de puissance comprenant deux élé- ments concentriques sans liaison matérielle en fonctionnement, dont l'un porte plusieurs bobinages constituant primaires de transformateur prévus pour être alimentés en courant alternatif et l'autre plusieurs bobinages constituant des secondaires dont un au moins est couplé par voie électromagnétique à un primaire quelle que soit l'orientation relative des deux éléments dans la plage de variation d'orientation, et des moyens électromagnétiques actifs de centrage et de commande d'orientation d'un élément par-rapport à l'autre. Dans un mode avantageux de réalisation de l'invention, les moyens électromagnétiques de centrage font usage desdits bobinages, qu'ils incorporent. Les bobines secondaires sont associées à des commutateurs permettant de relier les bobines secondaires à une charge électrique suivant différentes configurations, correspondant à des forces et couples différents entre les deux éléments. Les secondaires laissés en circuit ouvert donnent naissance à des forces élémentaires d'attirance, tandis que les secondaires connectés sur la charge donnent naissance à des forces plus faibles. La répartition et le nombre de ces secondaires laissés en circuit ouvert peuvent être déter minés par un organe de calcul, suivant un algorithme prédéterminé. On peut transmettre des signaux d'un élément à l'autre, notamment pour commander les commutateurs, par modulation des signaux alimentant les primaires. La position angulaire de l'organe portant les éléments émetteurs et son décentrage éventuel peuvent être mesurés en utilisant certains des secondaires laissés en circuit ouvert. On peut aussi utiliser des moyens distincts de détection sans contact. En particulier, on peut utiliser deux jeux de fibres optiques, les extrémités d'un jeu étant réparties sur une première ligne' suer l'élément émetteur, celle de l'autre jeu sur une seconde ligne, croisant la pr-emière, sur le second élément. Ces mêmes fibres optiques peuvent être utilisées pour la transmission de signaux de commande. L'invention présente un intérêt tout particulier dans le domaine de l'espace ou l'absence de gravité réduit con sidérablement les forces de centrage à appliquer. Elle permet alors, en- constituant un satellite à plusieurs éléments orientables les uns par rapport aux autres avec deux degrés de liberté, de simplifier considérablement les systèmes de pilotage à volant, notamment en réduisant le nombre de volants à un seul. L'invention permet également dans ce cas de réduire la consommation en gaz des tuyères qui restent nécessaires pour assurer la- désaturation des moyens de pilotage passif. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de modes de réalisation particuliers de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels - la Figure 1 est un schéma de principe, en coupe suivant un plan passant par l'axe, d'un mode particulier de réalisation - la Figure 2, similaire à la Figure 1 mais montrant seulement une fraction de l'élément externe du dispositif, illustre une variante - la Figure 3 est un schéma de principe des connexions de bobines secondaires du dispositif de la Figure 2 ; - la Figure 4 est un schéma de principe d'un dispositif de transmission d'informations et de mesure de position angulaire utilisable dans le dispositif de la Figure 2 ; - la Figure 5 est un schéma de satellite mettant en oeuvre le dispositif suivant l'invention. La variété des modes de réalisation apparaîtra mieux si l'on résume tout d'abord les fonctions à remplir et les diverses approches qui peuvent être adoptées. Le dispositif doit remplir deux fonctions essentielles, une fonction de transmission de puissance électrique d'un élément à un autre et une fonction mécanique, qui elle-même se décompose en maintien du centrage d'un élément du dispositif par rapport à l'autre et en une commande d'orientation relative des éléments. La première fonction sera remplie par couplage électromagnétique d'au moins un primaire prévu sur un des éléments et d'un secondaire prévu sur l'autre élément, un au moins de ces éléments comportant plusieurs bobines primaires et/ou secondaires de façon que, quelle que soit leur orientation relative, deux d'entre elles soient couplées pan voie électromagnétique, à travers le jeu qui sépare les deux éléments pour éviter les frottements solides et qui constitue entrefer. Le céntrage sera également assuré par voie électromagnétique, par des moyens qui peuvent être de constitution classique et notamment du genre utilisé dans les paliers magnétiques actifs. Toutefois, il est de beaucoup préférable d'utiliser les mêmes moyens pour assurer le centrage et l'orientation. Cette orientation, qui n'implique que des déplacements à vitesse lente, peut être effectuée en prévoyant sur les éléments des pôles coopérants, les pôles d'un des éléments étant alimentés en permanence, tandis que les autres sont commutés par des moyens similaires à ceux prévus dans les moteurs à commutation électronique, dits aussi "moteurs sans balai", à contrôle de phase. Une solution plus avantageuse consiste toutefois à utiliser les primaires et les secondaires de transformateurs prévus pour la transmission de puissance, en profitant d'une propriété que présente tout transformateur à entrefer d'après les lois de l'électromagnétisme, le passage d'un courant alternatif dans le circuit primaire crée des forces s'exerçant entre le primaire et le secondaire et tendant à augmenter le flux magnétique, c'est-à-dire à annuler l'entre- fer et à aligner les circuits. La force ainsi exercée dépend de la charge électrique sur laquelle est fermé le secondaire. Pour une charge élevée au secondaire, c'est-à-dire une impédance faible, la force tend à s'annuler, La figure 1 montre un dispositif suivant un premier mode de réalisation, dans lequel la puissance électrique est transmise entre deux éléments 10 et 12 par des moyens différents de ceux qui assurent le centrage et l'orientation. Le dispositif étant prévu pour présenter trois degrés de liberté, les éléments 10 et 12 constituent une rotule dont l'élément interne 12, qui peut être creux, est susceptible de rotation et de débattement angulaire dans toutes les directions autour de la position d'alignement montrée en figure 1, dans un domaine qui sera typiquement de l'ordre de 30 pour les applications spatiales. On supposera que la puissance doit être transmise de l'élément externe 10 vers l'élément interne 12.L'élément externe porte alors une bobine primaire 14 appartenant à un circuit magnétique 16 qui se referme dans l'élément 12 par un circuit associé 18 portant plusieurs bobines secondaires 20, réparties angulairement de façon que, dans toute la plage d'orientation, un couplage étroit subsiste entre la bobine primaire 14 et l'une des bobines secondaires 20. Les secondaires sont reliés à la charge (non représentée), éventuellement par l'intermédiaire d'un réseau commutateur 22, tandis que le primaire 14 est relié à une source de tension alternative. Les moyens électromagnétiques actifs de centrage repré sentés sur la figure 1 comportent des électro-aimants de positionnement et d'orientation 24 tapissant la paroi interne de l'élément 10, suivant un réseau à deux dimensions. Ces électroaimants sont reliés à des moyens de commutation (non représentés) commandés par des moyens de calcul de façon à alimenter uniquement des électro-aimants dont le nombre et la répartition sont déterminés pour assurer tout à la fois le centrage de l'élément interne 12 et son maintien dans l'orientation requise.L'intensité et la direction de la force élémentaire exercée par chacun des électroaimants lorsqu'il est alime-nté étant connues, l-es moyens de calcul peuvent, par un algorithme simple, déterminer quels sont les électroaimants à alimenter pour rattraper un décentrage ou amener l'orientation de la valeur réelle, mesurée à l'aide de moyens qu'on décrira plus loin, à une valeur affichée. Le mode de réalisation montré en figure 2 se différencie notamment de celui de la figure 1 en ce que les mêmes moyens électromagnétiques transmettent la puissance et assurent le positionnement relatif des éléments du dispositif. Le dispositif montré en figure 2, où les organes correspondant à ceux de la figure 1 sont désignés par le même numéro de référence, comporte encore un élément externe 10 et un élément interne 12 constituant une rotule dont les éléments sont séparés par un jeu radial. L'élément externe 10 peut être en deux pièces assemblées pour permettre le montage du dispositif. Une zone équatoriale de l'élément externe 10, en forme d'anneau, comporte unecarcasse magnétique, qui sera généralement en ferrite, présentant sur la face interne sphérique des pôles de réception de bobines primaires 14.Une zone correspondante de l'élément interne 12 comporte également une carcasse de ferrite présentant, dirigés vers l'extérieur, des pôles de réception de bobines secondaires 20, dont le pas de répartition sera généralement différent de celui des bobines primaires 14, en vue d'assurer un positionnement précis. La forme des pôles est choisie pour maintenir les pertes magnétiques à une valeur faible quelle que soit la position relative des élé ments 10 et 12. En général, les bobines primaires sont toutes alimentées en parallèle par une source de tension à fréquence élevée, compatible avec la stabilité requise et avec la bande passante des signaux à transmettre (lorsque cette transmission s' ef- fectue par modulation du courant de puissance). Les bobines secondaires 20 sont reliées par des interrupteurs respectifs 24 (figure 3), qui seront en général constitués par des transistors,et éventuellement par une diode de redressement de courant 28,à la charge 26. Comme on l'a vu plus haut, la force d'attraction qui s'exerce entre un primaire alimenté et un secondaire connecté à une charge de faible impédance est faible. au contraire l'attirance entre un primaire et un secondaire non connectés est élevée. En réalisant des connexions dissymétriques des bobines secondaire on crée un couple qui tend à faire tourner les éléments 10 et 12 l'un par rapport à l'autre. Il suffit donc de connecter et de déconnecter des bobines secondaires pour modifier les cou ples d'orientation et pour modifier les forces afin de main tenir l'élément 12 en position centrée.La commande des inter rupteurs 24 pour atteindre ce résultat sera assurée par un calculateur 30 fonctionnant avec un algorithme qui p-eut être relativement simple. Deux conditions do-ivent cependant être remplies. La première est que le nombre de bobines secondaires soit-suffisant pour permettre de générer toute combinaison de forces et de couples requise par modification des connexions. La seconde est que le système ait une réponse suffisamment rapide pour compenser l'instabilité inhérente du centrage de l'élément 12. En règle générale, les vitesses de rotation relative à imprimer aux éléments resteront toujours faible et le mode de commande des bobinages secondaires pourra s'effectuer par des techniques classiques, telles que celles utilisées pour les moteurs à commutation électronique (dits aussi moteurs sans balai) à commande en position et non pas en vitesse. Lorsque, ce qu-i sera fréquemment le cas, le dispositif est intégré à un ensemble comportant un calculateur 30 unique, certains signaux de commande émis par ce calculateur doivent être transmis d'un élément à l'autre. Si par exemple il est solidaire de l'élément externe 1D, les signaux de commande des interrupteurs 24 doivent être transmis à l'élément 12. Cette transmission peut être assurée par modulation du courant alternatif appliqué aux bobines primaires 14. Mais cette solution limite considérablement la bande passante de transmission. Elle peut être complétée ou remplacée par une transmission sans contact mettant en oeuvre des moyens supple- mentaires.En particulier, on peut utiliser une transmission par l'intermédiaire de fibres optiques également utilisées pour la mesure de la position relative des deux éléments 10 et. 12, comme on le verra plus loin.- Le calculateur 30 doit évidemment recevoir des signaux d'entrée représentatifs d'une part de l'excentrement de l'élément 12, d'autre part de la position angulaire relative des éléments. Les signaux permettant de déterminer l'excentrement de l'élément 12 peuvent être des signaux de tension prélevés sur des bobines secondaires 20 particulières, alors que ces bobines ne sont pas connectées. La figure 3 montre schématiquement une bobine 20 équipée dans ce but d'un interrupteur supplémentaire 32 qui est fermé lorsque l'interrupteur correspondant 24 est ouvert et qui est relié à un détecteur de tension 34. La figure 5 montre une disposition possible de telles fibres optiques sur les faces en regard des éléments, dont seule la forme générale est indiquée. ün faisceau de fibres optiques 36 portées par l'élément 10 ont leurs extrémités réparties régulièrement suivant un cercle 38 dont le plan est perpendiculaire à l'axe 40 de ltélément 10. L'élément 12 porte de son côté deux jeux de fibres optiques, les extrémités des fibres d'un jeu donné étant réparties régulièrement sur une fraction d'un cercle méridien de la surface. Deux jeux sont nécessaires, disposés suivant des méridiens 42 et 44 -différents, avantageusement perpendiculaires, étant donné que l'élément 12 a deux degrés angulaires de liberté. Les fibres 36 sont associées à des émetteurs de lumière modulables, qui pourront notamment être des phototransistors. Une logique de commutation 48 permet d'appliquer à l'un quelconque des éléments 46 des signaux à transmettre 50. La logique de commutation permet également d'activer en succession et à cadence rapide les éléments 46, avec une périodicité fixée par le calculateur 30. De même, les fibres optiques 52 de chaque jeu de fibres portées par l'élément 12 sont couplées optiquement 0 des récepteurs 54, tels que des phototransistors, -qu'une logique programmable 56 permet de relier sélectivement à un amplificateur de sortie 58 et à des circuits d'utilisation non représentés. Le système montré en figure 4 doit être complété par des moyens permettant de déterminer les fibres dont les extrémités sont les plus voisines des points d'intersection du cercle 38, d'une part, des cercles 42 et 44, d'autre part. Pour cela, le calculateur est prévu pour exciter en séquence les sources 46 pendant des intervalles de temps où ne s'effectue pas de transmission. Pendant la durée d'excitation de chaque élément 46, un circuit 60 effectue une scrutation sur tous les récepteurs 54 afin de déterminer le couple émetteur 46récepteur 54 pour lequel le signal reçu est maximal.Les deux couples ainsi obtenus indiquent les points d'intersection; à partir desquels le calculateur peut déterminer les nouvelles positions relatives, donc sélectionner les couples par lesquels s'effectuera la transmission d'informations et, éventuellement, appliquer les corrections nécessaires par commutation des bobines secondaires. Le dispositif qui vient d'être décrit trouve une application particulièrement importante dans le domaine spatial, du fait notamment que l'absence de pesanteur réduit considérablement les forces et couples à appliquer. A titre d'exemple, la figure 5 montre une configuration-possible de satellite géostationnaire de télécommunication ou de télé vision incorporant un dispositif 62 suivant l'invention. Le dispositif 62 relie le corps 64 du satellite, muni de panneaux solaires 66 qui doivent être orientés vers le Soleil (dont la direction est indiquée par les flèches F) et l'antenne 68 qui doit être orientée vers la Terre. Le corps 64 porte les moyens de commande d'attitude, constitués par des volants ou des roues qui agissent par échange de moment avec le corps du satellite et des moyens actifs de désaturation, tels que des tuyères.Le dispositif 62 fonctionnant comme un double cardan, il est possible de faire varier le centre de pression de radiation s'exerçant sur les panneaux par rapport au centre de gravité du satellite, par exemple en amenant le corps de la position montrée en traits pleins à la position montrée en tirets sur la figure 5, ce qui fait apparaître des forces de faible intensité tendant à modifier l'attitude du satellite, évitant d'avoir à faire intervenir les moyens de désaturation actifs. L'invention ne se limite évidemment pas aux modes particuliers de réalisation qui ont été représentés et décrits à titre d'exemples. En particulier, on peut réaliser un dispositif à deux degrés de liberté en plaçant en série deux systèmes ayant chacun un seul degré de liberté, c'est-à-dire suivant une disposition comparable à celle d'un cardan. I1 doit être entendu que la porte du présent brevet s'étend à de telles variantes, ainsi plus généralement qu'à toutes autres restant dans le cadre des équivalences. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'orientation à transmission de puissance, caractérisé en ce qu'il comprend deux éléments sans liaison matérielle en fonctionnement, dont l'un (10) porte plusieurs bobinages constituant primaire de transformateur prévus pour être alimentés e-n courant alternatif et dont l'autre -(12) porte plusieurs bobinages (20) constituant des secondaires dont un au moins est couplé par voie électromagnétique à un primaire quelle que soit l'orientation relative des deux é1é- ments dans la plage de variation d'orientation prévue, etdes moyens électromagnétiques actifs de centrage et de commande d'orientation d'un élément par rapport à l'autre. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens électromagnétiques de centrage et de commande d'orientation comprennent des moyens commutateurs (24) permettant de relier lesdites bobines secondaires (20) à une charge (26) dans des configurations différentes. 3. Dispositif selon la revendication 1- ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (32,34) de mesure de la tension aux bornes de bobines secondaires non connectées à la charge, reliés à un calculateur (30) de détermination du décentrage des éléments l'un par rapport à l'autre. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par des moyens de mesure de l'orien- tation relative des éléments (10,12), comprenant des moyens émetteurs optiques répartis suivant une ligne (-38) sur un des éléments et des moyens récepteurs optiques répartis sur l'autre élément suivant deux lignes (42,44) au moins, croisant la première ligne, ainsi que des moyens (48,56) pour identifier les couples de moyens émetteurs et récepteurs se trouvant en cofncidence. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens récepteurs sont disposés suivant deux arcs de cercle orthogonaux l'un à l'autre et orthogonaux à la ligne de répartition des moyens émetteurs lorsqué les élé ments sont dans une disposition relative correspondant au milieu de la page de variation. 6. Dispositif selon la revendication 4 ou 5, caractérisée en ce que lesdits moyens sont constitués par des fibres optiques, les fibres optiques constituant les moyens émetteurs étant reliés à des émetteurs de lumière et les fibres optiques constituant récepteurs à des éléments photosensibles. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé par des moyens de transmission d'informations d'un élément à l'autre, comportant des moyens de sélection des moyens émetteurs et récepteurs en coïncidence et des moyens pour appliquer l'information et recevoir l'information à partir de ces moyens en coïncidence. 8. Dispositif selon la revendication 'on 1; 2 ou 3, carac- térisé par des moyens de transmission de données entre les éléments, par modulation du courant à fréquence élevée dans des bobines primaire et secondaire associées. 9. Satellite comportant deux parties destinées à être pointées dans des directions ayant des orientations relatives variables, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes entre les deux parties.