Brevet FR2530046A1 — publié le 19840113

Procédé et dispositif de commande d'attitude pour satellite géosynchrone La présente invention concerne la commande d'attitude des satellites géosynchrones prévus pour être placés sur une orbite située dans un plan proche de celui de l'Equa- teur et à une altitude telle qu'ils restent à poste à la verticale du même lieu Elle trouve une application particulièrement importante dans le cas des satellites stabilisés suivant trois axes, ayant un moment cinétique fourni soit par la rotation d'une fraction du corps du satellite, soit par des volants d'inertie. Les satellites de ce type destinés aux télécommunni- cations comportent en règle générale deux ailes munies de panneaux solaires destinés à fournir l'énergie élec- trique nécessaire au fonctionnement de la charge utile du satellite On a déjà proposé de commander l'attitude de tels satellites, munis de panneaux solaires placés de part et d'autre du corps du satellite et orientables indépendamment autour d'un axe nord-sud, d'une part, en dépointant en sens opposé les deux ailes par rapport à leur position nominale (face au soleil) de façon à créer un effet de moulin à vent, d'autre part, en donnant aux deux ailes un écart de dépointage qui, se traduit par un déséquilibre entre les forces de pression solaire exercées sur les ailes et donc par un couple de bascule- ment perpendiculaire à celui qui est produit dans le pre- mier cas Mais le calcul montre que cette disposition est peu satisfaisante, du fait du couplage important qui existe entre les deux effets et de la difficulté corrélative de réaliser un asservissement en position indépendant autour de deux axes par un système fonction- nant en boucle fermée, utilisant les-données fournies par les senseurs portés par le satellite et/ou des données provenant du sol. La présente invention vise à fournir un procédé et un dispositif de commande d'attitude de satellite utili- sant l'orientation des ailes portant les panneaux solaires -,530046 2 - et répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'il permet de découpler, du moins au premier ordre, les commandes d'orientation autour de deux axes orthogonaux. Dans ce but, l'invention propose notamment un procédé de commande d'attitude pour satellites du genre ci-dessus défini suivant lequel on provoque l'apparition d'un couple sur le satellite en donnant aux deux ailes des écarts de pointage différents par rapport à l'orientation nominale vers le soleil, procédé caractérisé en ce qu'on munit chaque aile d'au moins une ailette latérale faisant avec elle un angle prédéterminé fixe et en ce qu'on provoque l'apparition d'un couple autour d'une direction différente de celle du premier couple par rotation simultanée des deux ailes d'une amplitude égale et faible par rapport à la position nominale de façon à découpler les effets dûs à la rotation simultanée et à la différence d'écart de pointage. Dans un premier mode de réalisation, qui permet, par de faibles rotations, de créer un couple important autour d'un axe situé dans le plan roulis-lacet du satel- -lite et perpendiculaire à la direction du soleil, on munit chaque aile d'une ailette faisant un angle proche de 90 avec l'aile correspondante, les deux ailettes étant symé- triques l'une de l'autre par rapport au centre du satellite. Ces deux ailettes sont avantageusement dirigées vers l'arrière, de façon à ne pas projeter une ombre portée sur les panneaux solaires Lorsque les ailes occupent leur position nominale, les ailettes ne sont soumises qu'à une très faible force de pression solaire, du fait de leur grande obliquité On voit que cette force augmente très vite lorsqu'on dépointe les ailes, puisqu'elle augmente comme le sinus de l'angle par rapport à la direction du soleil L'obliquité des ailettes sera choisie en fonction de l'angle maximum de dépointage par rapport à la position nominale des ailes qu'on envisage, de façon que les ailettes ne soient pas masquées par les ailes lors des manoeuvres. Dans la pratique, l'angle entre l'ailette et la perpen- 3- diculaire à l'aile correspondante ne dépassera-guère Dans un autre mode de réalisation, destiné à permettre le pilotage en tangage, chaque aile porte deux ailettes symétriques disposées symétriquement par rapport au plan médian de l'aile L'angle entre chaque ailette et l'aile correspondante sera généralement compris entre 400 et 500. -L'invention vise également à fournir un dispositif permettant de mettre en oeuvre le procédé ci-dessus défini. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de modes particuliers de réalisation 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 montrant la disposition d'un satellite géosynchrone sur sa trajectoire et les paramètres qui interviennent dans la mise en oeuvre de l'invention la figure 2 montre l'effet d'un dépointage simultané et de même sens des deux ailes,-dans un premier mode-de réalisation de l'invention la figure 3 montre comment, par dépointages égaux et de sens inverse des deux ailes à partir de la position moyenne de la figure 2, un effet de moulin à vent peut être superposé pour réaliser un couple quelconque dans le plan roulis-lacet; la figure 4 est un diagramme montrant les couples qui apparaissent pour diverses valeurs de l'écart de pointage entre les ailes et pour le dépointage moyen, pour un dimensionnement particulier des ailes et des ailettes du mode de réalisation des figures 1 à 3 la figure 5, similaire à la figure 2, montre un- autre mode de réalisation de l'invention; la figure 6, similaire à la figure 2, montre l'effet d'un dépointage égal et de même sens des deux ailes du mode de réalisation de la figure 5 la-figure 7, similaire à la figure 4, est un dia- gramme donnant la valeur des couples en tangage obtènus pour différentes valeurs du dépointage dans le cas d'un -n 4 dimensionnement particulier du mode de réalisation de la figure 5. Le satellite 10 montré sur la figure 1 circule sur une orbite 12 qu'on supposera être équatoriale et géo- stationnaire Les axes x, y et z liés au satellite constituent respectivement axe de roulis tangent à la trajectoire 12, axe de tangage orthogonal au plan de la trajectoire et axe de lacet dirigé vers la Terre Sur la figure 1, Js désigne la projection de la direction 14 du Soleil sur le plan des axes x et z tandis que Is indique l'axe perpendiculaire à Js dans le plan xz. Le satellite représenté en figure 1 porte deux ailes 16 a et 16 b portées par des axes qui, lorsque le satellite est à poste, sont orientées nordsud Des moteurs non représentés (moteurs couples commandés par impulsions en général) permettent de faire tourner les ailes 16 a et 16 b indépendamment l'une de l'autre autour de leurs axes, sous l'action de commandes provenant d'un système intégré au satellite ou provenant du sol. La stabilisation du satellite est assurée essentielle- ment par des moyens présentant un moment cinétique, tels que volant ou fraction du satellite en rotation Dans le cas du satellite OTS par exemple, cette stabilisation est assurée par un volant d'inertie qui permet de commander l'attitude du satellite simultanément en roulis et en lacet. Dans des satellites plus récents, cette stabilisation est assurée par échange des moments cinétiques entre plusieurs roues ayant des axes d'orientation différente. A l'altitude géosynchrone, la source principale de perturbation agissant sur le satellite est la pression solaire, qui est cependant très faible, de l'ordre de 4,6 10 i 6 N/m 2 Comme cela a déjà été indiqué plus haut, on a déjà proposé de compenser les déséquilibres d'action de la pression solaire sur les différents éléments du satellite par modification de l'orientation des ailes (Udo RENNER: Attitude Control by Solar Sai ling A promising experiment with OTS 2, ESA Journal, 1979, Voî 3). Mais les effets dûs à un dépointage relatif des ailes et à un dépointage global ne sont pas découplés suffi- samment pour permettre d'exercer un couple résultant réglable de façon simple en valeur et en orientation et, au surplus-, un dépointage global important est nécessaire pour obtenir un couple appréciable. Le dispositif suivant-l'invention écarte ces inconvé- nients. Dans le mode de réalisation montré en figure 1, chaque aile 16 a et 16 b est munie d'une ailette 18 a ou 18 b,. pouvant être fractionnée en plusieurs éléments, les deux ailettes étant symétriques par rapport au centre du satel- lite lorsque les ailes sont en position nominale Ces ailettes seront placées à une distance aussi élevée que possible du centre de façon que le moment des forces de pression de radiation solaire qui s'exerce sur les ailettes soit maximum pour une valeur donnée de la force. Ces ailettes sont fixées aux ailes dans une orienta- tion invariable en service; l'angle et entre le plan de l'aile et la normale à l'aile sera faible, de quelques degrés, l'ailette étant tournée vers l'arrière de façon à être soumise au rayonnement solaire en incidence rasante lorsque l'aile est dans son orientation nominale. Le calcul permet de déterminer l'effet de faibles dépointages des ailes par rapport à l'orientation nominale. Effet d'un dépointage Xsimultané de même sens et de même amplitude des deux ailes (figure 2) Lorsque les deux ailes ont un même dépointage X par rapport au soleil, la surface apparente de l'une des ailettes ( 18 b sur la figure 2) augmente suivant une loi en sin ( a+Y) tandis que celle de l'autre ailette 18 a diminue Un couple C Is dirigé suivant Is est alors appli- qué au satellite et peut s'écrire, si on s'arrête au premier ordre en Y, et à condition qu'on ait y 49530 046 -6- p = pression de radiation A' = surface d'une ailette VI coefficient de réflexivité des ailettes d' = bras de levier d'une ailette. La formule ( 1) reste valable si les ailes présentent l'une par rapport à l'autre un décalage angulaire à,, T désignant alors le dépointage moyen des deux ailes 16 a et 16 b (figure 3) et on constate qu'elle ne contient pas de terme en A-, donc que le couple C Is reste inchangé lors des variations de Ay lorsque Y reste constant. Il est très important de remarquer que C Is est une fonction linéaire de T, donc prend des valeurs importantes pour des angles faibles, à condition de constituer les ailettes en matériau peu réflectif et de les placer à une distance d' aussi élevée que possible du centre du satellite. Effet d'un dépointage Ay des ailes l'une par rapport à l'autre (figure 3) L'effet de moulin à vent autour de l'axe Js par dépointage de deux ailes démunies d'ailettes, l'une par rapport à l'autre, a déjà été utilisé Cet effet est évidemment conservé dans le cas d'ailes munies d'ailettes. Mais le calcul montre qu'au second ordre près, le couple C Js autour de Js ne fait pas intervenir Y CJ = 2 p A d v Ay ( 2) Dans cette formule A est la surface d'une aile d est le bras de levier d'une aile Ay est le dépointage entre les ailes. En résumé, on voit que, lorsque Y et Ay sont faibles, il y a découplage complet entre l'effet d'un dépointage relatif As et celui d'un dépointage d'ensemble X des deux ailes. On peut en conséquence créer sur le satellite un couple orienté suivant n'importe quelle direction dans le plan (Is, Js), c'est-à-dire dans le plan roulis-lacet, et effec- tuer un pilotage en boucle fermée et/ou une compensation 7 - directe en boucle ouverte à partir des signaux fournis par les senseurs du satellite. A titre d'exemple, on peut citer les valeurs numériques suivantes d'un dispositif destiné à un satellite géosyn chrone. Ailes 16 a et 16 b: A = 7,86 m 2, d = 5 m, v = 0,2 Ailettes 18 a et 18 b: A'= 2 m 2, d'= 7 m, v'= 0,1, a= 5 . La variation des couples C Is et Cjs en fonction des angles yet A est alors celle montrée en figure 4 Les angles de dépointage des ailes nécessaires au pilotage et à la compensation des couples perturbateurs sont de l'ordre de 6 au maximum, ce qui ne se traduit que par une perte maximum de rendement des ailes de 0,5 % On peut toutefois remarquer que le maintien des ailes en position nominale se traduirait par un effet de moulin à vent; mais il est de très faible intensité et peut être compensé par un dépointage relatif &Ay /2 des deux ailes par rapport à la position nominale dont l'effet sur le rendement est négli- geable. Contrairement au mode de réalisation précédent, destiné à permettre le pilotage dans le plan (x, z), c'est-à-dire roulis-lacet, celui montré en figures 5 et 6 est-destiné au pilotage dans le plan (Js, Y) A chaque aile 16 a ou 16 b sont fixées symétriquement deux ailettes 20 a ou 20 b, obliquement par rapport à l'aile Ces ailettes sont pla- cées sur les côtés des ailes de façon à être à distance de l'axe de tangage et aussi près que possible du centre du satellite pour réduire les couples en roulis et lacet dûs aux ailettes La présence des ailettes permet alors de créer, par faible rotation en bloc des deux ailes 16 a et 16 b, un couple important dans la direction de l'axe de tangage y, découplé de l'effet de moulin à vent obtenu par écart de dépointage des ailes. De façon plus précise, le calcul montre qu'un même dépointage y des deux ailes (figure 6) fait appa- raître un couple Cy dirigé suivant l'axe de tangage: Cy = p A' sin 2 y cosyl 1 sinc+ 1 ' ( 1 +v') sin 2 + Iv' sin 3 al ( 3) Cette formule reste valable au second ordre près en cas de dépointage relatif a% entre les deux ailes, y dési- gnant alors le dépointage moyen Les notations sont les suivantes: A' = surface d'une ailette 20 a ou 20 b v' = coefficient de réflexivité des ailettes 1 et 1 ' = largeurs des ailes et des ailettes (figure 6) p = pression de radiation solaire = angle des ailettes par rapport aux ailes On voit alors que l'on obtient une variation maximale du couple Cy en fonction du dépointage Y pour un angle a optimal qui ne dépend pas de T La valeur de cet angle optimal se calcule facilement; il est de l'ordre de 42 pour 1 = 1,26 m; 1 ' = 1,2 m; v' = 0,6. Comme dans le cas des figures 1-3, ce dépointage relatif ay se traduit par un couple suivant Js qui est donné, au premier ordre près, par: Cj 5 = 2 p lA d v A' d' v' 2 cos 3 al AY ( 4) Dans cette formule, les notations sont: A, A' = surface d'une aile et d'une ailette d, d' = bras de levier d'une aile et d'une ailette v, v' = coefficient de réflexivité des ailes et des ailettes A titre d'exemple, on peut indiquer qu'on a: C = AT, 10 -6 N m (AT étant en degrés) Js pour: A = 7,86 m; d 5 m; v = 0,2; 1 1,26 m A' = 1 2; d' = 2,5 m; v' = 0,6; 1 ' = 1,2 m : = 420 La variation du couple en tangage en fonction de " pour ces valeurs des autres paramètres est donnée en figure 7, o on voit que l'on atteint des couples élevés même pour des valeurs de T très modérées. 9 - Le découplage, total au second ordre près, ainsi réalisé, permet de compenser directement les couples per- turbateurs solaires dans les directions Js et y Le dispo- sitif peut être complété par des moyens permettant de créer un couple suivant la direction Is, constitués par exemple par une bobine magnétique de façon à rendre possible un pilotage suivant trois axes. Le pilotage lui-même peut être commandé par des moyens classiques à partir des signaux fournis par les senseurs. La constitution même des circuits de pilotage, n'étant pas concernée par l'invention, ne sera pas décrite. Comme cela a déjà-été indiqué plus haut, la pression de radiation solaire agissant sur les ailettes est très faible Les ailettes pourront donc être de masse très faible Elles pourront par exemple être constituées par un cadre en cordes à piano sur lequel est tendue une voile en matériau très fin, ayant une masse de quelques g/m On peut notamment utiliser du papier d'aluminium Toutefois, il sera souhaitable de donner à la voile un état de surface tel qu'elle présente un coefficient de réflexivité aussi faible que possible pour la première configuration, aussi élevé que possible pour la deuxième. Lors du lancement du satellite, les ailes sont généra- lement repliées en accordéon Les ailettes pourront elles aussi être repliées et venir dans leur position de service, fixée par des butées, lors du déploiement des ailes Le déploiement élastique peut aisément être réalisé du fait de l'élasticité de la corde à piano lorsque la constitution adoptée est celle mentionnée plus haut. _ 10 - REVENDICATIONS 1 Procédé de commande d'attitude pour satellite sur orbite géosynchrone, muni de deux ailes ( 16 a, 16 b) munies de panneaux solaires, placées de part et d'autre du corps du satellite et orientables indépendamment autour d'un axe nord-sud, procédé selon lequel on provoque l'apparition d'un couple sur le satellite en donnant aux deux ailes des écarts de pointage différents par rapport à leur orientation nominale vers le Soleil, caractérisé en ce qu'on munit chaque aile d'au moins une ailette latérale ( 18 a, 18 b ou 20 a, 20 b) faisant avec l'aile un angle prédé- terminé fixe compris entre O et 900 et en ce qu'on provoque l'apparition d'un couple dans une direction différente de celle du premier par rotation simultanée des deux ailes d'amplitude égale, suffisamment faible de façon à découpler les effets dûs à la 'rotation simultanée et à la différence d'écart de pointage. 2 Dispositif de commande d'attitude pour satellite géosynchrone muni de deux ailes placées de part et d'autre du corps du satellite et équipées de moyens permettant de les orienter indépendamment de sorte qu'un couple peut être appliqué au satellite en donnant aux deux ailes des écarts de pointage différents par rapport à l'orientation nomi- nale vers le soleil, caractérisé en ce qu'à chaque aile ( 16 a, 16 b) est fixée au moins une ailette latérale faisant avec l'aile un angle prédéterminé fixe, de sorte qu'on peut faire apparaître un couple autour d'une direction différente de celle du premier couple par rotation simulta- née des deux ailes ( 16 a, 16 b) d'amplitude égale à partir de la position nominale, l'angle restant faible de façon à découpler les effets dûs à la rotation simultanée et à la différence d'écart de pointage. 3 Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que chaque aile est munie d'une ailette latérale faisant un angle proche de 900 avec l'aile correspondante, les deux ailettes ( 18 a, 18 b) étant syxré- triques l'une de l'autre par rapport à l'axe parallèle à la direction satellite-soleil et passant par le centre du satellite et reliées aux parties terminales des ailes de façon à pouvoir créer un couple important autour d'un axe situé dans le plan roulis-lacet du satellite et perpendiculaire à la direction du soleil. 4 Dispositif suivant la revendication 1, caracté- risé en ce que chaque aile est munie de deux ailettes laté- rales ( 20 a, 20 b) faisant un angle proche de 4-5 avec l'aile correspondante de façon à pouvoir créer un couple important autour de l'axe tangage du satellite (y), chaque paire d'ailettes étant symétrique l'une de l'autre par rapport au plan roulis-lacet passant par le centre du satellite, chaque ailette étant reliée près de la base des ailes de façon à réduire les couples en roulis et lacet dus aux ailettes.