Brevet FR2544919A1 — publié le 19841026

Pilotage de satellites de grandes dimensions et de faible masse spécifique par effet électromagnétique L'invention est relative au pilotage de ltorientation des satellites dans ltespace, et notamment des satellites de faible masse spécifique et de-grandes dimensions. Les satellites lancés depuis quelques années se caractérisent par - Des dimensions petites ou moyennes (ordre de grandeur allant du mètre a une dizaine de mètres). - Une densité massique moyenne (autour de 1 Kg/litre) Le dispositif de commande de l'orientation de ces satellites dans l'espace utilise en général une combinaison volants d'inertie, roues de réaction et petites tuyères latérales qui présente une grande souplesse d'emploie et permet des rotations rapides autour de tous les axes indépendamment de toute contrainte externe. Le champ magnétique de la Terre a été utilisé dans les pre mières années de altère spatiale pour contrôler et commander les orientations de satellites. Des bobines magnétiques à noyaux de fer doux dont la longueur allait jusqu'à 80 cm et le nombre d'Ampères-tour jusqu'à 200, ont permis de créer des couples de quelques centièmes de Newton-metre. Cependant cette technologie n' est plus utilisée car elle crée des champs magnétique-s importants, perturbateurs pour les expériences du bord et entrainent une consommation importante d'électricité. L'utilisation la plus classique actuelle du champ magnétique est celle des barreaux magnétiques, barreaux passifs fixés en divers points du satellite et chargés de lui faire perdre par hystérésis son énergie cinétique en jouant le role d'amortisseur de rotation. Les satellites de grandes dimensions et de faible masse spécifique posent un problème de pilotage particulier tout en offrant des possibilités de couple de pilotage accrues du fait de leurs dimensions. Ils sont par définition beaucoup plus sensibles a l'action des forces de surface telles que le freinage atmosphérique et la pression de radiation. C'est la raison pour laquelle le contrôle de leur orientation par rapport a ces flux est fondamental pour la maîtrise de leur orbite. Une voile solaire d'une densité surfacique de 50 g au m2 peut modifier du fait du flux solaire, son orbite a la vitesse de quelques kilometres par jour pour une orbite basse, et cette vitesse croit proportionnellement a la période orbitale. Deux principes peu' consommateurs d'énergie peuvent être utilisés pour générer ces couples de pilotage. Le premier en visagé par tous les auteurs de projets de voiles solaires s'appuie sur le couple engendré par l'action du flux radiatif sur une dissymetrie de surface crée volontairement au moyen de volets orientables. Le second proposé ici utilise le couple engendré par effet électromagnétique en réaction avec le champ magnétique local. Ce dernier est considérablement plus élevé (facteur 100 a 10 000) et il en résulte une rapidité et une précision de manoeuvre bien supérieure.C'est ainsi que pour manoeuvrer une voile solaire de 200 m2 de surface et d'une densité surfacique moyenne de 50 g/m2, il est possible d'engendrer a partir d'une source de courant d'une puissance de 100 Watts au voisinage de la Terre, des couples de basculement de l'ordre du Newton-cm permettant des changements d'orientation de 900 en une dizaine de minutes environ. L'invention a pour but d'apporter une solution technologiquement simple et précise, adaptée au pilotage de tous les satellites de grandes dimensions et de faible masse spécifique, utilisés par exemple pour les applications suivantes - Voiles solaires ou véhicules a propulsion photonique. - Maintien a poste d'un satellite par utilisation de la pression de radiation sur une voile manoeuvrable. - Satellite miroir renvoyant la lumiere solaire sur une zone terrestre donnée. - Antenne radio-électrique de grandes dimensions stabi lisée sur un axe d'écoute. Etc... Le systeme objet de l'invention se compose de deux ou plusieurs boucles de conducteurs électriques formantchacune des spires de surface maximum et placées dans des plans différents de façon a pouvoir générer un vecteur champ magnétique de valeur donnée dans toutes les directions de l'espace. Pratiquement, dans l'exemple d'une voile solaire, une boucle sera placée en périphérie de la voile, et deux autres boucles seront placées dans deux plans orthogonaux à la voile et orthogonaux entre-eux. Les trois boucles de conducteurs ainsi constituées permettent d'orienter a volonté le couple magnétique du satellite en envoyant la puissance électrique disponible dans des proportions et des sens déterminés sur les trois boucles. Les conducteurs électriques pourront préférentiellement être constitués de fils ou clinquants d'aluminium, métal présentant le meilleur rapport résistivité-densité. Une amélioration importante du procédé consiste à utiliser des bandes de fer doux ou oxydes magnétiques présentant des caractéristiques de erméabilité magnétique élevées, disposées sur la structure du satellite a proximité des conducteurs électriques. Leur usage multiplie de façon considérable la valeur du couple de pilotage et permet de réduire les temps de manoeuvre. Par ailleurs, il convient lors de la conception de l'art chitecture globale du satellite, d'éliminer les sources parasites de couple, d'une part en construisant un satellite totalement symétrique de façon a éviter les couples dus à une action différentielle des pressions de radiation, et d'autre part en dotant le satellite d'un ellipsoïde d'inertie sphEri- que de façon a éviter le couple généré par le gradient de gravité. La chaîne de pilotage par effet électromagnétique d'un tel satellite se composera en général - D'un pointeur stellaire donnant au satellite la réfé- rence d'axe absolu. - D'un calculateur commandé par un programme de navigation, dont les entrées sont les suivantes ta La trajectoire du satellite éventuellement recalée de façon périodique a partir d'observations effectuées du sol. La position du soleil par rapport a cette trajectoire dans le cas de voiles solaires. La direction et l'amplitude du champ magnétique local relevées par un magnétomètre installé a bord. La loi et les objectifs de pilotage donnés au satellite. - D'une ou plusieurs sources de courant constituées Soit par des panneaux solaires disposés statiquement sur le satellite suivant plusieurs orientations de façon à pouvoir alimenter l'installation dans toutes les configurations. . Soit par un ou plusieurs panneaux mobiles. . Soit par des générateurs électrochimiques. . Soit par une combinaison de systèmes générateurs. - D'un dispositif multiplexeur permettant à partir des ordres reçus du calculateur, d'aiguiller dans les proportions et sens voulus la puissance électrique disponible sur les différentes boucles de génération du champ magnétique. L'invention peut etre illustrée b l'aide des figures annexées et du complément de description qui suit, lesquels ne comportent bien entendu aucun caractère restrictif ou limitatif. La figure A presente une architecture possible pour une voile solaire. La figure B présente une architecture possible pour un radiotélescope. Sur la figure A, la voile solaire de plan carré, rep 1, porte au croisement de ses diagonales un mât central, rep 2, la traversant de part en part. Une première boucle de conducteur, rep 3, est fixée le long du périmètre de la voile. Les deux autres boucles de conducteurs, rep 4 et rep 5, sont fixées entre les extrémités du mât et les sommets de la voile de façon à former trois boucles dans des repères orthonormés. Ces conducteurs sont soit tendus, soit portés par des voiles transparentes fixées sur le miroir au niveau des diagonales ainsi que sur le mât, matérialisant le repere orthonormé men tionné ci-dessus. Sur la figure B, le radiotélescope est composé d'un réflecteur passif, rep 6, sur lequel est fixé coaxialement à l'axe focal un mât, rep 7. Une première boucle de conducteur, rep 8, est fixée sur le périmètre extérieur du réflecteur. Les deux autres boucles de conducteurs, rep 9 et 10, sont fixées sur les intersections de deux plans orthogonaux entre-eux et passant par l'axe focal du réflecteur. Revendications 1. Système de pilotage des satellites de grandes dimensions et de faible masse spécifique et plus particulièrement des voiles solaires utilisant l'effet du couple induit entre- le champ magnétique local et un champ engendré par effet électromagnétique, caractérisé par le fait que ce champ électromagnétique est généré par deux boucles au moins de conducteurs électriques placés dans des plans distincts orthogonaux ou non et parcourus par des courants électriques de sens, intensité et durée commandés en fonction des caractéristiques du champ magnétique local, de l'orientation initiale du satellite et de l'orientation finale désirée. 2. Système de pilotage pour voile solaire ou tout dispositif réflecteur de rayonnement photonique ou électromagnétique selon la revendication 1 caractérisé par le fait qu'une boucle de conducteurs électriques est fixée en bordure dans le plan de la voile ou du réflecteur et qu'une ou deux autres boucles sont placées dans un ou deux plans orthogonaux à ce premier plan et supportées par un mât au centre et sur l'axe focal du réflecteur. 3. Systeme de pilotage selon les revendications 1 ou 2 caractérisé par le fait que des matériaux présentant des caractéristiques de perméabilité magnétique élevées tels que par exemple des oxydes de fer, sont fixés sur la structure du satellite a proximité des boucles de conducteurs électriques de façon à amplifier le couple électromagnétique résultant du passage du courant électrique dans la boucle correspondante.