Brevet FR2619176A1 — publié le 19890210

L'invention concerne le verrouillage temporaire, sur un stator, d'un rotor normalement mobile en rotation, grâce à des paliers magnétiques, par rapport à ce stator. Elle a trait notamment, mais non exclusivement, au verrouillage en position d'une roue d'inertie pour satellite spatial. Lors du lancement d'un satellite et de sa mise en orbite, celui-ci est le siège de sollicitations mécaniques variées et importantes, qui se traduisent pour une roue d'inertie embarquée à bord de ce satellite, par des vibrations sinusoïdales et/ou aléatoires sur chaque axe (axe de rotation et deux axes transversaux complétant un triedre de référence). De par leur amplitude ces sollicitations ne peuvent être reprises de manière satisfaisante par les paliers magnétiques (donc sans contact mécanique), aussi est-il connu, pour la durée du lancement du satellite, de verrouiller temporairement, de manière mécanique, la roue d'inertie vis-à-vis du reste de la structure du satellite formant stator. Les systèmes de verrouillage conçus à cet effet doivent prévenir tous les problèmes de grippage par frottement et/ou coincement qui peuvent intervenir au moment de la libération, dans un environnement de type spatial pourtant sévère. Un premier système de verrouillage prévu à cet effet, proposé par l'ESTEC divulgué sous l'appellation "Experimental Caging Mechanism" (cf. Gen. Arrgt. Drg N 1.300 d'Octobre 1982) s'apparente à un frein à tambour avec deux mâchoires qui sont écartées radialement et plaquées contre une partie cylindrique interne, ménagée à la périphérie du rotor, sous l'action mécanique d'un câble circonférentiel dont la tension est renvoyée aux mâchoires par des jeux de biellettes. En configuration de verrouillage le rotor est immobilisé par le frottement tangentiel exercé par les machoires sur celui-ci; pour la libération du rotor, le câble de verrouillage est coupé 2 6 1 9 1 76 par un coupe-câble pyrotechnique et des ressorts de rappel ramènent les mâchoires en configuration radialement rétractée. En fait un tel verrouillage par frottement tangentiel nécessite, pour être efficace, que le câble de verrouillage soit très tendu, et le reste malgré les phénomènes de relaxation qui se produisent dans ce câble. D'autre part les efforts de verrouillage sont très mal répartis puisqu'ils sont localisés auprès des mâchoires diamétralement opposées. En outre le circuit suivi par ce câble est assez complexe, s'éloignant d'une simple trajectoire auprès des mâchoires en présentant des rayons de courbure très faibles; malgré le gainage que l'on peut prévoir dans ces zones de faible courbure il se produit immanquablement des frottements qui nuisent aussi bien à une bonne tension des câbles auprès des mâchoires lors de verrouillage qu'à une libération nette des mâchoires lors de la coupure du câble; enfin aucune redondance ne.st prévue quant aux moyens de déverrouillage. Selon un second type de verrouillage connu (cf. brevet français 2.549.598) mis au point par l'AEROSPATIALE, le rotor est conformé en cloche à sa périphérie et deux chanfreins annulaires sont ménagés sur le stator et sur le rotor auprès de la périphérie du rotor, qui sont adaptés à venir en appui axial sous l'action d'un câble central, disposé selon l'axe de rotation du rotor, mis en tension lors du verrouillage. Le déverrouillage s'effectue de même par coupure du câble par un dispositif pyrotechnique. Un tel système exerce les efforts de verrouillage au centre, c'est-à-dire en un endroit o les moments d'inertie sont les plus faibles, ce qui peut conduire en périphérie à des décollements du rotor par rapport au stator. Un bon verrouillage exige comme précédemment une grande tension du câble. Enfin ce système ne comporte pas de redondance mécanique des moyens de déverrouillage. 2 6 1 9 1 7 6 Selon un troisième type de dispositif de verrouillage également mis au point par l'AEROSPATIALE, un collier de serrage assujettit l'une à l'autre deux collerettes en regard axialement, solidaires respectivement du rotor et du stator. Ce collier est formé de deux mâchoires articulées chacune en une extrémité, autour d'axes parallèles à l' axe de rotation du rotor,- et s'étendant sur un peu moins de 180 autour des collerettes; leurs autres extrémités sont reliées par un câble sous tension qui tend à les rapprocher à l'encontre d'un ressort d'écartement entourant ce câble. Deux gorges sont ménagées sur la paroi radialement interne de ces mâchoires pour recevoir les collerettes précitées. Le déverrouillage est assuré par un coupe-câble pyrotechnique et l'écartement des mâchoires est assuré par le ressort comprimé. Une telle solution est très onéreuse en raison de la nécessité qu'il y a de conformer les gorges au profil exactement complémentaire de celui des collerettes. En outre le verrouillage suppose une très grande tension du câble, ce qui se traduit généralement par une déformation des mâchoires. Il n'y a pas non plus de redondance mécanique. Selon un quatrième type de verrouillage, également mis au point par l'AEROSPATIALE, divulgué par le brevet français 2.452.693 ou le brevet US 4.345.485, le verrouillage se fait selon seulement trois axes, c'est-àdire qu'il n'y a pas d'immobilisation en rotation du rotor par rapport au stator. Le verrouillage s'effectue en annulant temporairement le jeu axial qui existe, en temps normal, aux extrémités d'un arbre central du rotor entre des portées axiales ménagées sur le rotor et sur le stator. Cette suppression de jeu axial est effectué en rendant mobile axialement une portée axiale du stator vers la portée correspondante du rotor, par mouvement radial d'une cale formant rampe sous l'action d'un câble disposé 2 6 1 9 1 7 6 radialement à l'encontre d'un ressort de rappel. Un coupe-câble est prévu pour assurer le déverrouillage. Cette solution se révèle assez complexe car elle suppose la mise en oeuvre, sur-le rotor ou sur le stator auprès des butées axiales, pour permettre la rotation du rotor en configuration de verrouillage, de roulements adaptés à subir des charges axiales dynamiques élevées. D'autre part les divers coulissements qui interviennent introduisent des frottements qui conduisent à des risques de grippage. Enfin il n'y a pas de redondance mécanique des moyens de déverrouillage. Ces solutions connues donnent satisfaction mais 1 invention a pour objet de pallier à leurs inconvénients. Elle vise en particulier un dispositif de verrouillage à câble de serrage, adapté à agir efficacement et de façon homogène à la périphérie du rotor sans exiger que la tension du câble soit très importante ni parfaitement contrôlée, et qui ne fasse intervenir au déverrouillage qu'un minimum-de frottements, d'o une libération franche. 2O0 L'invention propose à cet effet un dispositif de verrouillage temporaire sur un stator d'un rotor normalement guidé en rotation par des paliers magnétiques, sur ce rotor étant ménagee, près de sa périphérie, une portée rotorique conique adaptée à être affrontée axialement à une portée statorique conique complémentaire ménagee sur le stator sous l'action d'un câble de serrage adapté à être détendu sous l'action d'un dispositif de déverrouillage, caractérisé en ce que le câble forme une boucle annulaire située dans un plan transversal adaptée à agir radialement sur une pluralité de portées élémentaires statoriques radialement mobiles liées au stator, en sorte de les amener, à l'encontre d'organes de rappel élastique, en affrontement axial sur une seconde portée également ménagee à la périphérie du rotor, dans un sens opposé à l'effort d'affrontement axial exercé par la portée statorique conique sur la portée rotorique conique. Une telle disposition assure un verrouillage à la périphérie, là o se trouve l'essentiel de la masse du rotor, ce qui est très favorable à une bonne tenue mécanique en vibration. En outre ce dispositif du fait de la conicité de l'une au moins des paires de butées axiales, assure un très bon verrouillage selon '1 axe de rotation et dans des plans transverses du fait de l'affrontement axial des deux paires de butées ménagees sur le rotor et sur le stator. La décomposition de l'une des butées axiales du stator en une pluralité de portées élémentaires radialement escamotables permet d'une part une bonne homogénéisation des efforts de verrouillage et d'autre part une libération aisée et franche. Le fait que le cable agisse radialement sur ces butées axiales élémentaires rend la qualité du verrouillage peu sensible à la tension exacte de ce câble et ne nécessite pas que cette tension soit très élevée. De manière préférée ces butées axiales élémentaires sont ménagées aux extrémités libres de lames élastiques orientées sensiblement parallèlement à l'axe de rotation du rotor en étant fixées au stator, en leurs autres extrémités, en sorte d'avoir une position de repos radialement écartée du rotor grâce à quoi ces lames constituent les organes de rappel élastique précités. Comme ces butées élémentaires sont portées par leurs - organes de rappel, il n'y a pas d'articulations susceptibles de gripper au déverrouillage. Ces lames ou pétales sont avantageusement réalisés en matière composite à fibres de carbone. Ces portées axiales élémentaires et la portée complémentaire du rotor sont avantageusement inclinées par rapport à un plan transversal en sorte d'assurer un verrouillage du rotor d'autant meilleur que la tensibn du cable est élevée. Une pluralité d'au moins deux coupe-cables sont avantageusement prévus de manière à assurer, par cette redondance, une sécurité renforcée au déverrouillage. Un tel coupe-câble est de préférence disposé prés d'une portée axiale élémentaire sur la lame flexible qui la supporte. Un'câble de dérivation est de préférence fixé de part et d'autre de la zone de coupe pour éviter qu'aprés sectionnement les brins des câbles ne s'échappent de manière aléatoire. Le câble est avantageusement une boucle circulaire ce qui facilite le déverrouillage compte tenu de la courbure uniforme de ce câble. Ce cible est avantageusement refermé sur lui-meme en ayant ses extrémités libres montées aux extrémités libres de deux bielles globalement parallèles à l'axe, articulées à leur base et formant ensemble un tendeur, leur écartement angulaire, tangentiellement au câble se faisant par un système vis-écrou qui permet, de manière manuelle, de tendre ou de détendre le câble. On appréciera qu'un dispositif selon l'invention est entièrement externe radialement au rotor, ce qui en permet un montage et un remplacement aisé sans avoir à intervenir à l'intérieur du rotor. Cela permet en outre une surveillance visuelle du verrouillage. L'invention concerne également l'application du dispositif au verrouillage temporaire d'une roue d'inertie embarquée à bord d'un satellite. Des objets, caractéristiques et avantages de l'invention ressortent de la description qui suit, donnée à titre d'exemple non limitatif, en regard des dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 est une vue schématique en coupe - axiale selon la ligne I-I de la figure 2 d'une roue d'inertie équipée d'un dispositif de verrouillage conforme à l'invention, en configuration non verrouillée; - la figure 2 en est une vue schématique de dessus, en configuration de verrouillage; dessus, en configuration de verrouillage; la figure 3 est une vue en élévation, selon les flèches III des figures 1 et 2, d'une lame élastique portant une portée axiale élémentaire radialement mobile; - les figures 4 et 5 sont des vues en élévation d'un tendeur de câble selon la flèche IV-IV de la figure 2, en configuration respectivement tendue et détendue; - la figure 6 est une vue en élévation selon la flèche VI de la figure 2 d'un dispositif coupe-cable; - la figure 7 est une vue à grande échelle de la partie gauche VII de la figure 1; et - la figure 8 est une vue à grande échelle de la partie droite VIII de la figure 2, inversée en sorte d'être comparable a la figure 7, mais en configuration verrouillée. La figure 1 représente en coupe axiale simplifiée une roue d'inertie 1 formée d'un rotor en forme de cloche monté sur paliers magnétiques classiques et comportant une couronne périphérique 1A de masse importante, adapté à tourner autour d'un axe de rotation Z-Z, par rapport à un stator 2 adapté à être fixé à la structure d'un satellite non représenté grâce à des boulons recus dans des alésages 3. Ce rotor 1 et ce stator 2 sont équipés de manière connue, de moyens de centrage axial passif 4, de moyens de centrage radial actif connectés à des détecteurs de vitesse radiale 5 et des moyens d'entraînement en rotation 6 de tous types appropriés. Ces moyens, ne faisant pas partie de l'invention, ne seront pas détaillés. Des portées tronconiques 10 et 11 sont ménagées auprès de la couronne péripherique 1A, respectivement sur le rotor et le stator; elles sont adaptées à venir axialement en appui en configuration verrouillée du rotor. De même une portée d'appui axial 12 est ménagée sur le rotor, sur laquelle des portées élémentaires d'appui axial 13, radialement mobiles, liées au stator, sont adaptées à venir en appui en configuration de verrouillage. Ces portées élémentaires d'appui axial sont à peu prés régulièrement réparties du point de vue angulaire; elles sont ici au nombre de 12 réparties en quatre groupes de trois portées. Ces jeux de portées 10 et 11, et 12 et 13 sont orientées en sorte d'assujettir le rotor au stator, axialement, dans les deux sens, et dans un plan transversal. En fonction de la pression d'affrontement de ces butées, le rotor est en outre plus ou moins bien immobilisé en rotation. La butée tronconique 12 du rotor, et les portées élémentaires 13 sont avantageusement tronconiques grâce à quoi l'effort d'affrontement axial des butées 10,11,12 et 13 est d'autant plus important que les portées élémentaires sont sollicitées puissamment dans le sens radial. Les portées élémentaires 13 sont ménagées sur la paroi externe de gouttières 14 ouvertes radialement vers l'extérieur en sorte de définir des gorges 15 disposées dans un plan transversal à l'axe Z-Z. Dans ces gorges est engagé un cable de verrouillage 15 formant globalement une boucle annulaire dans un plan transversal à l'axe Z-Z. Ces gouttières 14 sont ménagées aux extrémités libres de lames ou pétales flexibles 17 sensiblement orientées parallèlement à l'axe Z-Z en étant fixées à leurs autres extrémités 17A au stator 2. Les portées élémentaires 13 sont de préférence ménagées prés de la jonction des gouttières à ces lames 17. A l'état libre ces lames ont une orientation, par rapport à l'axe Z-Z dans des plans le contenant, telle que les gouttières sont normalement écartées radialement du rotor et que les portées élémentaires sont à l'écart radialement de la portée 12 du rotor. Dans cette configuration le rotor est mécaniquement libre par rapport au stator. En configuration de verrouillage ces lames sont fléchies radialement vers l'axe Z-Z, sous l'action du càble 16, -à l'encontre de leur propre élasticité. Ces lames constituent donc des organes élastiques de rappel des portées 13 en configuration de déverrouillage. De préférence, à l'état libre. ces lames sont inclinées d'un angle de l'ordre de quelques degrés (par exemple 5'), angle qui s'annule en configuration de verrouillage (voir les figures 7 et 8). Les lames flexibles 17 sont représentées en élévation à la figure 3. Au moins un fil 18 est prévu. dans le prolongement de la lame pour maintenir le câble 16 dans la gorge 15. Des perçages 19 sont avantageusement prévus dans ces lames, grace à quoi, ainsi qu'il apparaitra plus loin, certaines d'entre elles peuvent servir de support à un tendeur 20 ou à un dispositif de sectionnement de câble 21. Des trous 22 sont par ailleurs prévus pour la fixation des lames sur le stator par tous moyens appropriés. Ces lames 17 sont avantageusement réalisées en carbone, ce qui leur confère une grande légèreté et une très bonne élasticité. Ainsi, après un long séjour en flexion ces lames reprennent leur position d'équilibre à l'état libre, ce qui permet un déverrouillage fiable du rotor. De manière préférée, les portées élémentaires 13 sont revêtues d'une couche de protection de type 'KAPTON" pour éviter l'abrasion par frottement du carbone sous l'effet des vibrations apparaissant lors du lancement du satellite. 2 6 1 9 1 7 6 Sur la portée 12 en regard est avantageusement réalisé un traitement de surface de type microflonage. Le câble 16 est en fait ici formé de deux tronçons 16A et 16B représentant chacun, en longueur, un demi-périmètre, et terminés en leurs extrémités par des sphères serties 25. Ces deux tronçons sont raccordés bout à bout, grâce à ces sphères, par deux dispositifs 20 et 26 diamétralement opposés dont l'un au moins, 20, est un tendeur dont la structure est détaillée aux figures 4 et 5. Le tendeur 20 est supporté par une lame flexible 17. Il se compose d'un compas déformable formé de deux bielles 27 et 28 articulées sur la lame 17 perpendicu- lairement à l'axe Z-Z sur des doigts 27A et 27B engagés d-ans des trous 19 précités. L'angle d'ouverture de ce compas est ajusté par une vis 29 liée à l'une des branches coopérant avec un écrou 30 lié à l'autre branche. Cette vis et cet écrou sont solidaires de sphères 31 permettant un libre débattement angulaire de ceux-ci par rapport aux branches associées. Aux extrémités de ces branches sont prévus des logements de retenue 32 des sphères 25 serties aux extrémités des tronçons de câble 16A et 16B. Les branches sont avantageusement en titane pour des raison de poids. Le dispositif 26 est avantageusement un tendeur de même nature que l'élément 20. En variante non représentée c'est un simple organe d'attache lié au stator et muni de logements de retenue pour les sphères 25. Entre les dispositifs 20 et 26 diamétralement opposés sont situés deux dispositifs coupe-câble 21 et 33 également diamétralement opposés. Le dispositif 21 est fixé sur une lame flexible 17. Il comporte un berceau 34 en alliage léger muni d'une gorge 35 permettant le maintien du câble, de préférence munie de fils 36 de retenue de câble. A ce berceau 34 est fixé un coupe-câble 37 de tout type connu approprié, par exemple à commande pyrotechnique. 26 1 9.176 De manière préférée, pour éviter un échappement incontrôlé du câble après sectionnement, une boucle de retenue 38 est avantageusement sertie, par des bagues 39, de part et d'autre de la zone de coupure en présentant une surlongueur permettant la détente du tronçon de câble considéré nécessaire au déverrouillage. Le dispositif 33 est avantageusement de même nature. En fonctionnement, pour le verrouillage, le rotor 1 est mis axialement en appui contre le stator puis la (ou les) vis de serrage Z9 est (sont) serree(s) au couple nécessaire. Pour le déverrouillage, on peut de manière manuelle desserrer les vis 29. Toutefois, dans l'espace, on commande de façon redondante les deux dispositifs 21 et 33, ce qui détend le câble. Il va de soi que la description qui précède n a été proposée qu'à titre d'exemple non limitatif et que de nombreuses variantes peuvent etre proposées par l'homme de l'art sans sortir du cadre de l'invention. Ainsi le câble peut être' unique, le dispositif 26 servant de simple renvoi; de la sorte, même si l'un des dispositifs 21 ou 33 ne fonctionne pas la tension du câble est annulée de manière homogène sur toute sa longueur. Par ailleurs les dispositifs de sectionnement peuvent être remplacés par des dispositifs provoquant un échappement local du câble hors de sa gorge. - D'autre part dans ce cas les tendeurs peuvent être supprimés pour peu que le câble soit refermé sur lui-même par sertissage. 2 6 1 9 1 7 6 REVENDICATIONS 1. Dispositif de verrouillage temporaire sur un stator d'un rotor normalement guidé en rotation par des paliers magnétiques, sur ce rotor (1) étant ménagée, prés de sa périphérie (1A), une portée rotorique conique (10) adaptée à être affrontée axialement à une partie statorique conique complémentaire (11) ménagée sur le stator, sous l'action d'un câble de serrage (16) adapté à être détendu sous l'action d'un dispositif de déverrouillage (21,33), caractérisé en ce que le câble (16) forme une boucle annulaire située dans un plan transversal adaptée à agir radialement sur une pluralité de portées élémentaires radialement mobiles (13) liées au stator en sorte de les amener à l'encontre d'organes de rappel élastique (17),. en affrontement axial sur une seconde portée (12) également ménagée à la périphérie du rotor. dans un sens opposé à l'effort d affrontement axial exercé par la portée statorique conique (11) sur la portée rotorique conique (10). 2. Dispositif selon la revendication 1. caractérisé en ce que ces portées élémentaires sont ménagées aux extrémités libres de lames élastiques orientées sensiblement parallèlement à l'axe de rotation du rotor en étant fixées au stator. en leurs autres extrémités, en sorte d'avoir une position de repos radialement écartée du rotor grâce à quoi ces lames constituent les organes de rappel élastique précités. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que ces portées élémentaires (13) sont ménagées à la jonction de gouttières recevant le câble (16) avec ces lames flexibles (17). 4. Dispositif selon la revendication 2 ou la revendication 3. caractérisé en ce que ces lames (17)-sont en fibres de carbone. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ces portées axiales -élémentaires et la portée complémentaire du rotor sont avantageusement inclinées par rapport à un plan transversal en sorte d'assurer un verrouillage du rotor d'autant meilleur que la tension du câble est élevée. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le dispositif de déverrouillage comporte deux dispositifs (21,33) de sectionnement du câble (16). 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'une boucle de retenue (38) est sertie au câble (39) de part et d'autre de la zone de sectionnement du câble. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte un tendeur (20,26) associé au câble, formé de deux branches (27,28) articulées autour d'axes liés au stator, parallèles entre eux et perpendiculaires à l'axe de rotation du rotor, ces branches formant conjointement un compas globalement parallèle à cet axe de rotation ayant une ouverture angulaire ajustable sous l'action d'un système vis-écrou (29,30). deux extrémités du câble étant montées aux extrémités libres des branches de ce compas. 9. Application du dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à B au verrouillage temporaire d'une roue d'inertie embarquée à bord d'un satellite.