Brevet FR2526397A1 — publié le 19831110

Dispositif d'amortissement du mouvement de nutation pour engin ou véhicule spatial ". La présente invention concerne les dispositifs d'amortissement du mouvement de nutation pour engins ou véhicules spatiaux, du type à amortissement actif, c'est-àdire utilisé sur des engins ou véhicules dont le rapport du moment d'inertie lonqitudinal ( corresPondant à l'axe de spin au moment d'inertie latéral est inférieur à l'unité.Comme exemples de tels engins ou véhicules spatiaux, on peut citer les ensembles constitués de deux charges utiles ou segments arrimés en tandem et-lancés en rotation ( autour de leur axe de spin ou axe longitudinal, disposé suivant la plus grande dimension de l'ensemble ) avant la mise à feu du moteur d'apogée, ou encore les satellites d'application Européens de la dernière génération, entre autres du type L - SAT, lorsqu'ils doivent être lancés à partir d'une navette spatiale telle que celle de la National Aeronautics and Space Agency. I1 s'avère en effet que des projets d'étude industriels récents ont démontré que des amortisseurs de nutation du type considéré pourraient trouver de nombreuses applications pratiques telles que celles qui viennent dire rappelées. Ces amortisseurs ont pour fonction, entre autres, de permettre au moins de compenser les pertes d'énergie par dissipation, telles que celles qui résultent du " ballotement n de liquides, tels que des ergols, transportés par l'engin ou véhicule. Toutefois, les réalisations de tels dispositifs d'amortissement qui ont été proposées jusqu'ici utilisent des propulseurs de comnde d'orientation, de sorte que l'ensshle constitué par l'engin ou véhicule et l'amortisseur de nutation ne forme pas un.systdme fermé, ce qui a pour conséquence des variations du acteur moment angulaire au cours de l'amortissement. C'est pourquoi la présente invention a pour but de fournir un dispositif d'amortissement du mouvement de nutation, du type à amortissement actif précité, qui constitue un système fermé avec l'engin ou véhicule spatial qu'il doit équiper, tout en demeurant d'une conception structurelle simple. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif du type considéré, caractérisé en ce qu'il comprend un corps d'inertie solidaire d'un premier axe qui est entrainé en rotation par un premier moteur et est disposé dans ou-parållelement au plan équatorial de l'engin ou ntdhicule, cet axe étant monté dans des paliers qui, ainsi que ledit premier moteur, sont portés par un cadre intermédiaire solidaire d'un second axe qui est orienté paraX sws.t à l'axe de spin et est entraîné par un second moteur, ce second axe étant monté dans des paliers qui, avec ce second moteur, sont fixés sur la structure de l'engin ou véhicule, le dispositif comprçnant en outre des moyens de détection d'un paramètre physique lié à l'angle de nutation qui sont reliés d'une part aux moyens de rd- glage de la vitesse de rotation du premier moteur, et d'autre part, aux moyens de réglage de la vitesse de rotation du second moteur, lesdits réglages s'effectuant suivant une loi qui respecte l'équation de conservation du moment angulaire. Dans un mode de réalisation particulièrement avantageux de l'invention, ledit paramètre physique est l'amplitude de la vitesse angulaire latérale de l'engin ou véhicule. Suivant une autre disposition particulièrement avantageuse de l'invention, les moyens de réglage de la vitesse du premier moteur comprennent des moyens de multiplication par un coefficient qui est une fonction de transfert de l'amplitude de la vitesse angulaire latérale de l'engin ou véhicule. Suivant encore une autre disposition particulièrement avantageuse de l'invention, les moyens de réglage ge de la vitesse de rotation du second moteur comprennent des moyens de régulation tels que le couple appliqué par ce second moteur sur le second axe soit proportionnel au carré de l'amplitude de la vitesse angulaire latérale de l'engin ou véhicule, et que la fréquence fondamentale de cette vitesse de rotation du second moteur soit égale à celle de la nutation. Grâce à cette disposition, l'invention permet, avec un amortisseur de nutation qui constitue avec l'engin ou véhicule lui-m8me un système fermé, de respecter l'équation de conservation du moment angulaire, tout en compensant les pertes d'énergie par dissipation et même éventuellement en autorisant une accumulation d'énergie dans ledit système. Ceci est en effet le cas, si les moyens de réglage de la vitesse de rotation du corps d'inertie sont tels que soit vérifiée la relation ws = K#Ls (1) dans laquelle : 5 est le vecteur unitaire de l'axe du corps d'inertie w5 est le vecteur vitesse angulaire du corps d'inertie autour de son axe de rotation est le vecteur vitesse angulaire latérale de l'engin ou véhicule, c'est à dire la composante dans le plan équatorial de la vitesse angulaire de cet engins #L étant l'intensité de ce vecteur liée à l'angle de nutation y, et K représente une fonction de transfert appropriée qui peut être dans le cas présent considérée comme étant une constante > 0. En effet, à partir de cette relation, il est possible de vérifier que l'équation de conservation du moment angulaire : dJ = #J = - # xJ = O dt #t dans laquelle : J est le vecteur moment angulaire de l'ensemble constitué par l'engin et l'amortisseur de nutation, et est le vecteur vitesse angulaire de l'engin lui-même, présente une équation caractéristique ayant es racines à partie réelle négative si sin + > 0, 4, étant l'angle de déphasage entre s et w L Cette vérification peut se faire en admettant que l'on peut négliger l'un par rapport à autre les termes suivants #'s /# / #z# z(3) dans lesquels : es est le moment d'inertie de l'ensemble cadre s corps d'inertie autour de son axe parallèle à l'axe de spin, dit axe de pivotement, est l'intensité du vecteur vitesse angu laire de cet ensemble cadre-corps d'inertie autour de cet axe de pivotement, e est le moment d'inertie de l'engin ou véhicule spatial lui-même autour de son axe de spin, et est la composante le long de cet axe de spin du vecteur vitesse angulaire de engin. on doit souligner que, en raison du fait que, conformément à l'invention, la fréquence fondamentale de la vitesse de rotation du second moteur, c'est-d-dire de l'ensemble cadre et corps d'inertie, autour de l'axe de pivotement est égale à la fréquence fondamentale de la nutation, il en résulte que le vecteur unitaire s du premier axe de cet ensemble cadre-corps d'inertie, qui se déplace, du fait du montage prévu, dans un plan parallèle au plan équatorial de l'engin, suit constamment, dans ce plan, le vecteur vitesse angulaire latérale WL avec un angle de déphasage 9 constant. Bien entendu, pour assurer le maintien de la constance de cet angle de phase, il convient de vérifier que le couple de pivotement Tz, c'est à dire le couple appli- qué, conformément à l'invention, par le second moteur sur l'en- semble cadre-corps d'inertie, respecte la condition 8T > O (4) ## Ce couple de pivotement est la composante, suivant la direction de l'axe de spin, du vecteur T qui constitue le couple d'ensemble appliqué au satellite par l'utilisation du dispositif conforme à l'inyention. Ce couple T a dJ pour composantes les seuls termes de at considéré plus haut qui contiennent K, dans la mesure où, comme indiqué plus haut, l'utilisation du dispositif conforme à l'invention doit assurer la conservation du moment angulaire. On constate que la composante citée ci-dessus, suivant l'axe de spin, c'est-à-dire le couple de pivotement, a pour valeur Tz = R e5 wL sin # > O (5), de sorte que l'axe du corps d'inertie, c'est-à-dire s, trouve automatiquement sa position stable, avec l'angle de déphasage + derrière le vecteur wL, sous la condition (4) précitée, qui exige donc : cos + > O (6), c'est-à-dire Oc On notera que pour respecter cette condition, + ne doit par être supérieur à 900, alors que c'est entre 900 et 1800 que se trouve située la valeur optimum de + que l'on peut calculer à partir de L ITL étant la d4, constante de temps, par rapport au temps de Wx et wy , composantes de w suivant les deux axes principaux de l'engin autres que l'axe de spin. La relation (5) ci-dessus indique que le rendement maximal, correspondant à un couple de pivotement T le plus élevé possible, s'obtient pour un angle de déphasage de 900. Un accroissement du couple de pivotement au delà de cette valeur entrainerait une instabilité du mouvement de rotation de l'axe du corps d'inertie, s tournant alors autour de l'axe de spin avec une fréquence inférieure à w L Ce couple de pivotement Tz est toujours > O puisque l'on respecte impdrativement la condition sin.+ > O, de sorte que ce couple pointe toujours dans la même direction, qui est celle du vecteur spin wz, composante suivante l'axe de spin du vecteur vitesse angulaire w de l'engin. En conséquence, l'amortisseur de nutation remplit constamment sa fonction, même si le rapport des moments d'inertie (rapport du moment d'inertie longitudinal au moment d'inertie latéral) de l'ensemble engin-amortisseur passe d'une valeur inférieure à l'unité à une valeur supérieure à l'unité ; un tel changement peut en effet apparattre, par exemple, après la séparation du lanceur ou encore après la séparation du module moteur d'apo géie. il en résulte toutefois que le sens de rotation de w L autour de l'axe de spin, qui est un sens horaire pour un rapport de moments d'inertie 1, auquel cas le moteur fonctionne en générateur et sert à consommer une partie de l'é- nergie de rotation de l'engin.Toutefois, quoi qu'il en soit, c'est-d-dire dans les deux cas considérés (rapport 1, le passage de l'un à l'autre pouvant avoir lieu aussi bien dans un sens que dans l'autre dans les diverses applications envisageables), le dispositif içi utilisé permet, comme indiqué ci-dessus, de réduire constamment l'angle de nutation, ou tout du moins de l'empêcher de s'accrottre au-dessus d'une faible valeur donnée qui peut par exemple être de l'ordre de 50, et ceci en raison de la conservation du moment angulaire qui est obtenue à l'aide des deux conditions de régulation conformes à l'invention. Sur le plan du fonctionnement du dispositif conforme à l'invention, il est intéressant de noter que la puissance requise pour entratner ce dispositif dans le double mouvement de rotation voulu a pour valeur P =-T.O (73 dans laquelle : le signe - traduit le fait que le couple de réaction produit agit sur l'ensemble cadre-corps d'irartie, Q est le vecteur vitesse angulaire de cet ensemble cadre-corps d'inertie par rap port au système de coordonnées fixes de l'engin, vecteur qui a lui-memg pour valeur D = #s + # (8) de sorte que, dans la mesure où, conformément à l'invention, la fréquence fondamentale de # est égale à la fréquence de nutation, et en négligeant dans une première approximation, les termes de + qui contiennent K, il résulte que p # - K#s wL2 (KTL ~ ##z sin + ) (9) dans laquelle e S est le moment d'inertie du corps d'inertie autour du vecteur unitaire s de son axe de rotation, n est la fonction suivante des trois composan tes ex, #y et #z du moment d'inertie de l'engin par rapport au système de coordonnées fixes de celui-ci, utilisée dans l'dtablis- sement de l'équation caractéristique attachée à la relation (2) précitée On constate donc bien que le second terme de P, tel que donné dans (9), soit Pe =-K #s3L (-qwz sinus ), constitue bien la puissance effective qui correspond au couple appliqué pour faire tourner le cadre (y compris le corps d'inertie et le moteur d'entraînement de celui-ci, portés par ce cadre) autour de l'axe de ce cadre, parallèle à l'axe de spin de l'engin. La présence du double signe - confirme que, comme indiqué plus haut, cette puissance active est positive dans le cas où ex, ey > #z , le moteur fonctionnant bien en tant que tel, tandis qu'elle est négative dans le cas où, du fait de la modification d'agencement de l'ensemble de l'engin, ex, e Par ailleurs, le premier terme de P, soit Pm = ~ K w L K , constitue une puissance morte, par op m s L TL position à la puissance effective indiquée ci-dessus, et correspond à une énergie de rotation du corps d'inertie qui est emma gasinée au préalable dans celui-ci, à l'aide du premier moteur du dispositif, de manière que soit vérifiée la relation (1) ci-dessus . Pendant le fonctionnement du dispositif, cette énergie est restituée et peut alors être emmagasinée en dehors du dispositif, par exemple dans une batterie d'accumulateurs à laquelle est connecté le moteur considéré qui fonctionne à cet égard en générateur. En ce qui concerne les limites de perfo a nce du dispositif amortisseur conforme à l'invention, on remarquera que, dans les cas où la constante de tempsi prend des valeurs très élevées, le premier terme ci-dessus ou puissance morte a une valeur très faible, de sorte que les pertes d'nergie par dissipation que le dispositif a pour fonction de compenser, ne le sont en fait que par le second terme de la puissance ou puissance effective. Comme précité plus haut, la valeur de l'angle de déphasage + doit être impérativement comprise entre 0 et 900, le couple de pivotement maximal, c'est-à-dire le rendement maximal , correspondant à une valeur de + de 900, mais il est préférable., dans les modes de réalisation pratique de l'invention, de choisir une valeur de + notablement inférieur à 900, par exemple égale à environ 80 , afin d'éviter que w s ne l'emporte en permanence sur w L On notera enfin que, pour un angle de nutation y faible, la constante de temps Ty de ce dernier est pratiquement égale à celle T L de la vitesse angulaire laté- rale de l'engin. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, à titre d'exemple non limitatif, en regard des dessins annexés sur lesquels - la Fig. 1 représente une vue schématique en élévation d'un engin spatial pouvant être équipé d'un dispositif d'amortissement conforme à l'invention; - la Fig. 2 représente une vue de ce dispositif, lui-même - la Fig. 3 représente le circuit de régulation de ce dispositif. L'engin spatial schématisé sur la Fig. 1 est par exemple constitué par un satellite formé de deux charges utiles 1 et 2 qui présentent une symétrie de révolution autour d'un axe Z-Z et sont arrimées l'une à l'autre suivant cette direction Z - Z par l'intermédiaire de moyens d'arrimage 3, de façon à adopter une configuration dite en tandem. Cet axe Z - Z constitue l'Un des axes de référence d'un système de coordonnées fixe du satellite comprenant deux autres axes, orthogonaux à l'axe Z-Z et orthogonaux entre eux, ces axes X-X et Y - Y appartenant au plan équatorial P du satellite perpendiculaire de l'axe Z - Z qui est l'axe de spin du satellite. Celui-ci est en effet animé d'un mouvement de rotation ou spin autour de cet axe Z - Z, mais, en raison du phénomène de nutation qui apparat sous les différentes influences en la matière bien connues, le vecteur vitesse angulaire effectif w fait avec cet axe de spin Z - Z un certain angle y ou angle de. nu- tation tel que le montre plus précisément la Fig. 2, ce vecteur vitesse. angulaire de l'ensemble du satellite présentant une composante longitudinale W2 , le long de l'axe de spin Z - Z, et une composante latérale w L dans le plan équatorial P. Le vecteur w tourne autour de l'axe de spin avec une fréquence donnée , et il en est de même de sa composante w, autour de l'o- rigine O, cette composante présentant un angle de phase + par rapport à l'axe X - X pris comme axe initial. Concernant encore le satellite t - 2 lui-meme, il se trouve dans une configuration (arrimage de deux charges utiles 1 et 2) telle que les dimensions, la disposition relative et les masses des deux charges. correspondent à un moment d'inertie longitudinal e2 autour de l'axe spin Z-Z qui est inférieur aux deux autres moments d'inertie ex et ey autour des axes X-X et Y-Y, de même qu'au moment d'inertie t autour de l'axe du vecteur vitesse de rotation latérale WLI c est-à- dire que le rapport du moment d'inertie longitudinal au moment d'inertie latéral est inférieur à 1.Ce rapport est par exemple égal à 1/2 dans un cas particulier où ex = ey = 8000 kgm2 et e2 = 4000 kgm.2. Comme le montre plus précisément la Fig.2, le dispositif d'amortissement équipant ce satellite comprend, monté sur une partie de support fixe 4 de la structure d'ensemble 1-2 du satellite (sur l'une des deux charges utiles), un ensemble comprenant un corps d'inertie 5, un cadre 6 et deux moteurs électriques 7 et 8. Le corps d'inertie 5 est constitué par une pièce cylindrique ou roue solidaire d'un arbre ou axe 9 qui est disposé suivant son axe de révolution, de manière que celui-ci soit situé dans le plan équatorial P. Cet arbre ou axe 9 pourrait tout aussi bien être disposé dans un plan parallèle à ce plan dquato- rial, mais il est ici représenté et supposé être dans ce plan pour des raisons de clarté du dessin. Les deux extrémités de cet arbre ou axe 9 sont montées dans deux paliers 10 qui font partie du Ca- dre 6 qui est un cadre de support de forme rectangulaire disposé dans un plan perpendiculaire au plan équatorial P, et au centre duquel se trouve ainsi disposée la roue 5.Sur l'un des cOtés de ce cadre et à proximité de 1'un des paliers 10, se trouve monté, fixe, le -carter du premier moteur électrique 7, l'arbre de sortie de ce moteur se trouvant alignd avec l'arbre ou axe 9 de laroue et solidaire de celui-ci, de manière à entrainer cette roue en rotation. On a également représenté, suivant l'axe de l'arbre 9, le vecteur vitesse de rotation w6 de la roue dans ce mouvement de rotation imparti par le moteur 7. Au milieu de ses deux cOtés parallèles au plan équatorial P, le cadre 6 est solidaire de deux tronçons d'arbre ou d'axe 11 alignés entre eux et avec le centre de gravité 12 de la roue 5. Ces deux tronçons d'arbre ou axe 11 sont montés dans deux paliers 13 qui sont montés b demeure sur la partie du support fixe 4 de la structure du satellite. Sur cette même partie de support fixe 4 se trouve égale ment fixé à demeure le carter du second moteur électrique 8, l'arbre de sortie de ce moteur se trouvant aligné avec les tronçons d'arbre ou axe 11 et solidaire de l'un d'eux de mani*- re à entraîner ce cadre en rotation autour de l'axe géométrique A-A de ces tronçons d'arbre qui constitue un axe dit de pivotement pour le dispositif. On a également représenté suivant cet axe A-A, le vecteur vitesse de rotation + du cadre dans ce mouvement de pivotement imparti par le moteur 8. Du fait de cette disposition, l'ensemble constitué par le cadre 6, le moteur 7, l'arbre 9 et la roue 5 est entrainé dans le mouvement de pivotement indiqué autour de l'axe de pivotement A-A, tandis que cet axe de pivotement A-A recoupe le plan équatorial en un point 12 qui est le centre de la roue 5 et qui est disposé suivant un demiaxe OB du plan équatorial qui fait un angle de déphasage + avec le demi-axe OC qui porte le vecteur wL , cet angle étant mesuré positivement du demi-axe OB vers le demi-axe OC. Le dispositif est complété, comme le montre la fig.3, par un organe 14 de mesure de l'amplitude wL de la vitesse angulaire latérale du satellite, cet organe étant fixé sur la partie de support fixe 4 du satellite et étant relié électriquement d'une part par un circuit 15 comportant un organe multiplicateur 16, aux moyens de réglage 17 du premier moteur électrique 7, et d'autre part, par un circuit 18 comportant un organe d'élévation au carré 19, aux moyens de réglage 20 du second moteur électrique 8, une batterie d'accumulation 21 de stockage d'énergie de rotation étant en outre reliée au circuit d'alimentation 22 de ce second moteur 8. Dans le mode de réalisation préférentiel ici décrit, l'organe 16 est un organe multiplicateur par un coefficient K constant, de sorte que la vitesse angulaire de rotation du moteur 7, et donc de la roue d'inertie 5 autour de son axe est ws = Kws (1) tandis que ,du fait de la présence de l'organe élévateur au carré 19 et de moyes d'application d'un coefficient voulu faisant partie des moyens de réglage 20 du moteur 8, le couple appliqué par celui-ci sur l'ensemble du cadre 6 et de la roue 5 autour de l'axe de pivotement A-A est T = K&commat;;sW L z s Dans le cas plus particulier déjà indiqué plus haut où #x = #y = 8000 kgm2 et #z = 4000 kgm2, si l'on suppose que l'angle de nutation est y = 50 et que l'équipage cadre-roue de l'amortisseur se stabilise à une valeur de déphasage + = 800, tandis que les moments-d'inertie respectivement de la roue 5 autour de son axe OB et de l'ensemble cadre-roue autour de son axe A-A sont e5 = 0,01 kgm2 et Es = 0,08 kgm2, il en résulte que , si le satellite est initialement lancé en rotation autour de son axe de spin avec une vi tesse angulaire latérale WL = 0,1745 s 1 et une vitesse de spin #z= 4 s , on obtient T L (constante de temps = 80s K (fonction de transfert constante ) = 5088 Pm (puissance morte) =-98,6W Pe (puissance effective) = 3,1 W Cette dernière valeur correspond à l'énergie de dissipation, résultant par exemple d'un "ballo- tement" de liquides, tels que les ergols, qui peut être compensée grâce au dispositif amortisseur de nutation conforme à l'invention. REVENDICATIONS 10) Dispositif d'amortissement du mouvement de nutation pour engin ou véhicule spatial dont le rapport du moment d'inertie longitudinal, autour de l'axe de spin de cet engin ou véhicule, au moment d'inertie latéral est supérieur ou inférieur à l'unité, ou passe en vol de l'un à l'autre, caractérisé en ce qu'il comprend un corps d'inertie (5) solidaire d'un premier axe (9) qui est entraîné en rotation par un premier moteur (7) et est disposé dans ou parallèlement au plan équatorial (P) de l'engin ou véhicule, cet axe étant monté dans des paliers (10), qui, ainsi que ledit premier moteur (7), sont portés par un cadre intermédiaire (6) solidaire d'un second axe (11) qui est orienté parallèlement à l'axe de spin (Z-Z) et est entrainé par un second moteur (8) > ce second axe (11] étant monté dans des paliers (13) qui, avec ce second moteur (8 sont fixés sur la structure (4) de l'engin ou véhicule, le dispositif comprenant en outre des moyens (14) de détection d'un paramètre physique lié à l'angle de nutation ( y ) qui sont reliés d'une part aux moyens (17) de réglage de la vitesse de rotation du premier moteur (7), et d'autre part aux moyens (20) de réglage de la vitesse de rotation du second moteur (8), lesdits réglages s'effectuant suivant une loi qui respecte l'équation de conservation du moment angulaire. 20) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit paramètre physique est l'amplitude de la vitesse angulaire latérale (il) de l'engin ou véhicule. 30) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que lesdits moyens (17) de réglage de la vitesse du premier moteur (7) contiennent des moyens de multiplication par un coefficient qui est une fonction de transfert de l'amplitude de la vitesse angulaire latérale ( w L) de l'engin ou véhicule. 40) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que lesdits moyens (20) de réglage de la vitesse de rotation du second moteur (8) contiennent des moyens de régulation tels que le couple appliqué par ce second moteur sur ledit second axe (11) soit proportionnel au carré de ladite amplitude (WL) de la vitesse angulaire latérale et que la fréquence fondamentale de cette vitesse de rotation ( + ) du second moteur soit égale à celle de la nutation. 50) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit corps dli- inertie (5) présente une symétrie de rdoslution autour dudit premier axe. 60) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les moyens de régulation (18-19-20) sont tels que le couple de pivotement ap pliqué sur le second axe (11) par le second moteur (8) a pour valeur Tz = k # #s #L sin t