Brevet FR2737998A1 — publié le 19970228

Engin spatial avec commande améliorée des propulseurs de modification de la vitesse et de commande de l'orientation. La présente invention concerne des systèmes de commande des propulseurs d'un engin spatial et, plus particulièrement, des systèmes de commande pour des propulseurs utilisés dans les manoeuvres de modification de la vitesse. Il faut souvent impartir une modification de vitesse (AV)à un engin spatial pour le maintenir à poste ou autre. Cette modification de la vitesse est souvent réalisée par la mise à feu de multiples propulseurs pendant un intervalle de temps fixé ou pour un nombre fixé d'impulsions. Le fonctionnement des propulseurs peut cependant créer des moments ou forces de rotation qui perturbent l'orientation de l'engin spatial. Les perturbations d'orientation demandent à leur tour de faire fonctionner des propulseurs supplémentaires si on veut pouvoir conserver l'orientation voulue. Les propulseurs qui doivent être mis en marche pour corriger l'orientation peuvent faire partie de ceux qui ont été mis en marche pour effectuer la modification de vitesse souhaitée. Dans ce cas, l'orientation est commandée soit par une impulsion d'arrêt soit par une impulsion de fonctionnement des propulseurs. On utilise une impulsion d'arrêt lorsque les propulseurs doivent être constamment allumés pour produire le AV souhaité. Si AV est produit par des propulseurs fonctionnant en continu, une commande par impulsion d'arrêt implique la production des moments par une extinction brève, suivie d'un rallumage, d'un sous-ensemble de propulseurs fonctionnant en continu.Si au contraire AV est fourni par des propulseurs fonctionnant de façon pulsée, on produit des moments de commande par impulsion d'arrêt en raccourcissant les impulsions d'un sous-ensemble de propulseurs fonctionnant de façon pulsée. On utilise une impulsion de marche lorsque le AV est obtenu grâce à un certain nombre d'impulsions d'une durée nominalement fixée. Quand on utilise des impulsions de marche, les impulsions de commande d'orientation sont entrelacées avec les impulsions de modification de la vitesse, de sorte qu'un sous-ensemble de propulseurs, qui sont périodiquement mis en marche pour assurer la modification de la vitesse, sont aussi mis en marche brièvement pour fournir le moment de correction d'orientation. Cela peut se faire par des impulsions supplémentaires discontinues ou par un allongement des impulsions de commande de AV de certains des propulseurs.La commande par une impulsion d'arrêt ne peut pas fournir des moments de commande selon trois axes mais, au mieux, selon deux axes seulement, car une impulsion d'arrêt ne peut produire un moment que par rapport à des axes perpendiculaires au vecteur AV. Par conséquent, la commande suivant le troisième axe doit être assurée par la mise en marche d'un ensemble séparé de propulseurs. La précision d'une manoeuvre de modification de la vitesse dépend de la précision de l'impulsion totale des propulseurs. Pour chaque propulseur individuel, l'impulsion est la force du propulseur multipliée par son temps total de mise à feu, sachant que le temps total de mise à feu est la somme des durées de toutes les impulsions produites par le propulseur. L'impulsion totale des propulseurs pour une manoeuvre donnée est la somme des impulsions appliquées par tous les propulseurs qui sont actifs pendant cette manoeuvre. Des impulsions de marche et d'arrêt résultent toutes en une déviation par rapport à l'impulsion nominale du propulseur et donc en une déviation par rapport au AV nominal. Une impulsion de marche allonge nécessairement la durée de fonctionnement des propulseurs et tend à augmenter le AV résultant. Une impulsion d'arrêt diminue le AV en-dessous de la valeur nominale.Malheureusement, la modification de AV qui pourrait corriger les impulsions produites par la commande d'orientation ne peut pas être facilement prédite car elle dépend de paramètres de l'engin spatial que l'on ne connaît pas avec exactitude, comme la position du centre d'inertie, les moments dus au choc d'échos des propul seurs sur les panneaux solaires tournants et autre. Après la manoeuvre, des techniciens basés à terre peuvent facilement déterminer l'importance de l'impulsion de commande d'orientation qui s'est produite en examinant les données de télémétrie. Mais une précision de manoeuvre plus importante demande la connaissance préalable de l'effet des poussées de commande d'orientation. Des structures améliorées de commande des propulseurs sont souhaitées. Un engin spatial de l'invention comprend un corps présentant ou définissant un centre d'inertie et un système de commande d'orientation couplé à ce corps pour produire et répondre à des signaux d'erreur d'orientation représentatifs d'un écart du corps par rapport à une orientation particulière. Une pluralité de propulseurs sont montés sur le corps, en ayant des composantes de poussée nominalement parallèles entre elles dans une direction particulière. Les propulseurs sont disposés par paires qui, quand elles sont mises à feu, produisent des moments sensiblement opposés par rapport au centre d'inertie.Un système de commande de la modification de vitesse (AV) est couplé aux propulseurs pour produire des signaux commandant la mise à feu pulsée de certains des propulseurs (en fonction de la direction de la modification de vitesse) pour une durée totale particulière, afin d'effectuer la modification souhaitée de la vitesse dans la direction particulière. Les propulseurs sont nominalement allumés simultanément par paires.Le système de commande des propulseurs est couplé au système de commande d'orientation et aux propulseurs pour faire varier de façon différentielle la durée des impulsions de poussée appliquées aux propulseurs, un premier propulseur de chaque paire étant allumé pendant un temps légèrement plus long que la durée nominale pendant chaque cycle d'impulsion de propulseur, et un second propulseur de chaque paire étant allumé pendant un temps légèrement plus court que la durée nominale pour chaque cycle d'impulsion de propulseur, si bien que les largeurs relatives des impulsions de la partie marche de chaque cycle d'impulsion sont commandées en réponse aux signaux d'erreur d'orientation pour faire varier le moment par rapport au centre d'inertie afin de tendre à maintenir l'orientation particulière tout en maintenant inchangée l'impulsion de poussée totale fournie par chacune des paires de propulseurs. Donc, l'invention résout le problème de la technique antérieure relié à la poussée de commande d'orientation en faisant que l'activité de commande d'orientation a un effet neutre sur le AV, de sorte que AV n'est pas affecté. La présente invention propose donc un engin spatial qui comprend : un corps définissant un centre d'inertie (CM), un moyen de détection d'orientation couplé au corps pour produire des signaux d'erreur d'orientation représentatifs d'une déviation du corps par rapport à une orientation particulière, une pluralité de propulseurs montés sur le corps, ayant des composantes de poussée parallèles entre elles dans une direction particulière, ces propulseurs étant disposés par paires, les propulseurs de chaque paire produisant des moments sensiblement opposés par rapport au centre d'inertie, un moyen de commande de la modification de vitesse couplé à la pluralité de propulseurs pour produire des signaux commandant l'allumage des propulseurs de l'une au moins des paires de propulseurs, cet allumage étant réalisé par des impulsions ayant une durée nominale pendant chaque cycle d'allumage pour une durée totale d'allumage particulière, afin d'effectuer ainsi une modification souhaitée de la vitesse dans cette direction particulière, et un moyen de commande des propulseurs couplé au moyen de commande d'orientation et à la paire de propulseurs pour commander de façon différentielle les durées de fonctionnement des propulseurs de la paire que l'on est en train de commander, un premier propulseur de cette paire étant allumé pendant un temps plus long que la durée nominale d'une valeur sélectionnée pendant chaque cycle d'allumage et le second propulseur de cette paire étant allumé pendant un temps plus court que la durée nominale d'une valeur sélectionnée pendant le cycle d'allumage correspondant, cette valeur sélectionnée de commande différentielle pendant chaque cycle d'allumage répondant aux signaux d'erreur d'orientation pour faire varier le moment par rapport au centre d'inertie tout en maintenant AV constante. Le moyen de commande des propulseurs comprend un moyen de production de signaux complémentaires qui produit des premier et second signaux de marche des propulseurs complémentaires entre eux pendant chacun des cycles d'impulsions pour application respective aux premier et second propulseurs. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée suivante, prise en liaison avec les dessins d'accompagnement, dans lesquels la figure 1 est un schéma simplifié qui représente une paire de propulseurs ayant des lignes d'action parallèles et qui produisent des moments opposés sur un corps lorsqu'ils sont mis à feu, la figure 2 est un schéma synoptique simplifié d'un système qui combine des signaux de commande d'orientation et de modification de la vitesse de manière à ce que l'impulsion totale par cycle d'impulsion soit indépendante de l'activité de commande d'orientation. Sur la figure 1, un corps 10 porte un premier propulseur 12 et un second propulseur 14 qui ont des lignes d'action parallèles entre elles, 12a et 14a, lesquelles lignes passent de chaque côté du centre d'inertie CM. Les amplitudes de leurs poussées sont nominalement égales. Quand le propulseur 12 fonctionne, un moment anti-horaire (par rapport à la figure 1) est appliqué au corps et un moment horaire est appliqué lorsque c'est le propulseur 14 qui fonctionne.En supposant que le moment d'inertie du corps 10 est important, de sorte que les modifications de l'orientation se font doucement, il est facile de voir que la mise à feu de l'un ou l'autre des propulseurs 12 ou 14 produit une force vers le bas qui tend à accélérer le corps 10 vers le bas pour produire une modification de la vitesse (AV) ainsi qu'une modification de son orientation par rotation. I1 est clair que le AV souhaité peut être obtenu sans aucun moment de changement d'orientation dans la mesure où les propulseurs 12 et 14 restent allumés pendant le temps approprié à leurs poussées et leurs bras de levier. La figure 2 est un schéma synoptique simplifié d'un dispositif de commande de propulseurs selon un aspect de l'invention, qui comprend un détecteur d'orientation 210, un circuit logique d'impulsions de commande qui produit des commandes d'impulsion des propulseurs en réponse à des écarts d'orientation, un circuit logique d'impulsions de AV qui produit des impulsions de commande des propulseurs pour effectuer une modification de vitesse recherchée et des jonctions de sommation qui combinent les impulsions de commande et les impulsions de AV pour fournir des commandes d'impulsions nettes aux propulseurs individuels. Sur la figure 2, le détecteur d'orientation 210 produit des signaux représentatifs de l'orientation qui sont appliqués à un circuit logique 212 d'impulsions de commande d'orientation.Le circuit logique 212 produit des impulsions différentielles de commande d'orientation, désignées globalement par 214, qui sont respectivement appliquées aux bornes d'entrée non-inverseuse (+) et inverseuse (-) de circuits de sommation 218 et 220. Un générateur d'impulsions de vitesse, représenté sous la forme du bloc 222, produit des impulsions de vitesse périodiques, illustrées en 224, qui représentent par leur durée nominale l'impulsion souhaitée, nécessaire pour produire le AV voulu. Les impulsions de vitesse 224 sont appliquées aux bornes d'entrée non-inverseuses des circuits de sommation 218 et 222. Le circuit de sommation 218 fait la somme de ses impulsions d'entrée tandis que le circuit de sommation 220 en fait la différence. La somme des impulsions est envoyée pour commander les propulseurs d'une paire de propulseurs. De ce fait, pour une direction particulière de commande d'orientation, la durée totale des impulsions appliquées au premier propulseur de la paire que l'on est en train de commander devient plus longue que la valeur nominale, d'une quantité qui dépend de la commande d'orientation souhaitée, et les impulsions appliquées à l'autre propulseur de la paire deviennent plus courte de la même quantité. Ainsi, l'impulsion commandée totale requise pour produire le AV souhaité reste la même, quelque soit la quantité de moment de commande d'orientation mise en jeu. L'invention sera mieux illustrée par un exemple simple utilisant la configuration à deux propulseurs montrée à la figure 1. Une manoeuvre de modification de la vitesse doit être effectuée en allumant N fois les deux propulseurs 12 et 14 de façon simultanée. Chaque propulseur a une largeur d'impulsion nominale, de P1 secondes pour le propulseur 1 et de P2 secondes pour le propulseur 2. P1 et P2 sont égales pour la plupart des configurations de l'engin spatial. Si les deux propulseurs appliquent la même force Fg, alors la poussée du propulseur par impulsion et la poussée cumulée pour la manoeuvre valent 1impulsion = Fo (P1 + P2) 1manoeuvre = NFo (P1 + P2) (1) On applique un moment de commande en apportant des modifications égales et opposées aux impulsions des propulseurs individuels.Par exemple, on peut augmenter la largeur d'impulsion du propulseur 12 à (P1 + 6) et diminuer la largeur d'impulsion du propulseur 14 à (P2 - 6). La poussée cumulative reste donc inchangée Iimpulsion = F0 {(P1+8)+(P2-8)} = Fo (Pl + P2) (2) Comme la poussée par impulsion ne dépend pas de l'activité de commande d'orientation (c'est-à-dire ne dépend pas de la valeur de 6), le AV par impulsion ne dépend pas de l'activité de commande d'orientation. Donc, on peut avoir une connaissance préalable précise de AV. Bien que le concept soit illustré dans ce qui précède à l'aide d'une seule paire de propulseurs de dimensions identiques, l'invention ne se limite pas à ce cas. On peut utiliser n'importe quel nombre et n'importe quelle combinaison de propulseurs. Par exemple, considérons une configuration comprenant quatre propulseurs de dimensions identiques ayant des largeurs nominales d'impulsions P1, P2, P3 et P4. Dans ce cas, l'orientation est commandée par application de variations #1 82, 63 et 64 de la largeur d'impulsion avec pour condition: 8î +82+83+84=0 (3) Cette condition étant satisfaite, la poussée par impulsion ne dépend pas de l'activité de commande d'orientation car Iimpulsion {(P1+81)+(P2+82)+(P3+83)+(P4+84)} =F0(P1+P2+P3 +P4) (4) Cette technique pourrait être également utilisée si les quatre propulseurs appliquaient quatre forces différentes (F1, F2, F3 et F4).La condition à satisfaire s'écrirait alors F181 +F262+F363 + F484= 0 (5) et la poussée par impulsion serait impulsion = F1 (P1+ 61) + F2 (P2 + 62) + F3 (P3 + ,53) + F4 (P4 + 64) = Plf F1 P1 +F2P2+F3P3 +F4P4 (6) Comme précédemment, la poussée par impulsion et le AV par impulsion ne dépendent pas de l'activité de commande d'orientation. D'autres formes de réalisation apparaîtront à l'homme du métier. Par exemple, alors que l'on a décrit une commande suivant un seul axe, une commande suivant plusieurs axes s'effectue sensiblement de la même manière suivant chaque axe de commande. La commande d'orientation selon l'invention peut aussi être utilisée en liaison avec une paire de propulseurs dans lesquels les axes de poussée sont inclinés dans des directions opposées par rapport à la direction du AV souhaité et sera neutre dans la direction AV mais pourra ajouter une certaine valeur de AV indésirable dans un plan orthogonal. Lorsqu'un maintien en poste est-ouest est impliqué, le AV non désiré est habituellement dans une direction radiale et n'a que peut d'effet sur l'orbite. Il est bien entendu que la description qui précède n'a été donnée qu'à titre purement illustratif et non limitatif et que des variantes ou des modifications peuvent y être apportées dans le cadre de la présente invention. REVENDICATIONS 1. Engin spatial caractérisé en ce qu'il comprend - un corps (10) définissant un centre d'inertie (CM), - un moyen (210) de détection d'orientation couplé audit corps pour produire des signaux d'erreur d'orientation représentatifs d'une déviation dudit corps par rapport à une orientation particulière, - une pluralité de propulseurs (12, 14) montés sur ledit corps, ayant des composantes de poussée parallèles entre elles dans une direction particulière, lesdits propulseurs étant disposés par paires, les propulseurs de chaque paire produisant des moments sensiblement opposés par rapport audit centre d'inertie, - un moyen de commande de la modification de vitesse couplé à ladite pluralité de propulseurs pour produire des signaux commandant l'allumage des propulseurs de l'une au moins desdites paires de propulseurs, ledit allumage étant réalisé par des impulsions ayant une durée nominale pendant chaque cycle d'allumage pour une durée totale d'allumage particulière, afin d'effectuer ainsi une modification souhaitée (AV) de la vitesse dans ladite direction particulière, et - un moyen de commande des propulseurs couplé audit moyen de commande d'orientation et à ladite paire de propulseurs pour commander de façon différentielle les durées de fonctionnement desdits propulseurs de ladite paire que l'on est en train de commander, un premier propulseur de ladite paire étant allumé pendant un temps plus long que la durée nominale d'une valeur sélectionnée pendant chaque cycle d'allumage et le second propulseur de ladite paire étant allumé pendant un temps plus court que la durée nominale d'une valeur sélectionnée pendant le cycle d'allumage correspondant, ladite valeur sélectionnée de commande différentielle pendant chaque cycle d'allumage répondant auxdits signaux d'erreur d'orientation pour faire varier ledit moment par rapport audit centre d'inertie tout en maintenant AV constante. 2. engin spatial selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit moyen de commande des propulseurs comprend un moyen de production de signaux complémentaires qui produit des premier et second signaux de marche des propulseurs complémentaires entre eux pendant chacun desdits cycles d'impulsions pour application respective auxdits premier et second propulseurs.