Brevet FR2803578A1 — publié le 20010713

L'invention concerne les véhicules spatiaux, et notamment les satellites. Plus précisément elle concerne le stockage d'énergie et le contrôle d'attitude par roues cinétiques dans des satellites. Les satellites sont couramment munis de panneaux solaires, qui assurent l'alimentation en énergie électrique des équipements du satellite. Du fait de l'éclipse solaire, sont aussi prévus des dispositifs de stockage d'énergie, qui permettent d'assurer l'alimentation en énergie électrique lorsque le satellite se trouve dans une position o le soleil n'est pas visible. Il a été proposé à cet effet d'utiliser des batteries, ou des dispositifs de stockage d'énergie utilisant des roues cinétiques. Ces roues stockent l'énergie sous forme d'énergie cinétique de rotation. L'avantage des dispositifs utilisant des roues cinétiques, outre les caractéristiques propres de stockage d'énergie, est qu'ils peuvent être utilisés pour modifier l'attitude du satellite, par action sur les vitesses de rotation des roues. Des variations des vitesses de rotation des roues engendrent des variations du moment cinétique qui génèrent des couples et permettent donc d'agir sur l'attitude du satellite. EP-A-0 922 636 propose un tel dispositif de stockage d'énergie à base de roues cinétiques; la partie introductive de ce document expose les avantages des roues cinétiques par rapport aux batteries, et le principe général de fonctionnement des roues cinétiques. Dans ce document, il est proposé un dispositif utilisant des paires de roues tournant en sens inverse; ainsi, lorsque les roues d'une paire tournent à la même vitesse et sont alignées, le moment cinétique résultant est nul. Le mécanisme comprend trois paires de roues alignées suivant les trois axes d'un repère orthogonal, et une quatrième paire de roues, positionnée de telles sorte à pouvoir remplacer une quelconque des autres paires, en cas de défaillance. Ce document propose donc un mécanisme à huit roues cinétiques. EP-A-0 849 170 décrit un autre dispositif de stockage d'énergie par roues cinétiques. Dans ce document, il est proposé d'utiliser une paire de roues cinétiques à axes alignés, trois paires de roues suivant trois directions orthogonales, ou encore une configuration pyramidale. US-A-5 611 505 décrit encore un autre dispositif de stockage d'énergie par roues cinétiques. Dans ce document, il est proposé d'utiliser une paire de roues cinétiques; chacune des roues est montée sur une suspension Cardan, avec des degrés de libertés suivant deux axes perpendiculaires à l'axe de rotation de la roue. Dans une présentation à NTIS, Flywheel Energy Storage Workshop, Oak Ridge, Décembre 1995, la société TRW a décrit diverses configurations de roues cinétiques, permettant d'obtenir quatre degrés de liberté dans un système de stockage d'énergie à roues cinétiques; ces quatre degrés de liberté correspondent à trois composantes du moment, qui est vectoriel, et à l'énergie stockée, qui est scalaire. Une première configuration utilise deux roues montées sur Cardan, I'axe de rotation de chacune des roues étant mobile avec un seul degré de liberté. Une deuxième configuration utilise deux roues alignées montées tête-bêche, montées sur une suspension assurant un mouvement à deux degrés de liberté à l'axe de rotation des roues. Une troisième configuration utilise quatre roues fixes disposées suivant quatre arêtes formant le sommet d'une pyramide. Dans une présentation au 1 7th Annual Space Power Workshop, Long Beach, CA, 19-22 avril 1999, la société The Charles Stark Draper Laboratory Inc. a proposé diverses configurations de roues cinétiques. Pour une paire de roues contra-rotatives, une première configuration est de prévoir une suspension à deux degrés de liberté pour chaque roue, avec des axes de suspension perpendiculaires à l'axe de rotation de chaque roue. Toujours pour deux roues, une deuxième configuration consiste à prévoir une suspension à un degré de liberté autour d'un axe perpendiculaire à l'axe de rotation pour chacune des roues, et une suspension à un degré de liberté autour de l'axe de rotation pour la paire de roues. Une troisième configuration utilise trois paires de roues contra-rotatives, suivant trois axes orthogonaux fixes. Dans une quatrième configuration, quatre roues sont disposées avec des axes de rotation perpendiculaires aux faces d'un tétraèdre. Une cinquième configuration utilise trois roues montées sur des suspensions à un degré de liberté. Les trois axes de rotation sont concourants et coplanaires au repos, et les suspensions permettent pour deux roues un mouvement de l'axe dans le plan de coplanéité et pour la troisième roue un mouvement perpendiculaire à ce plan. Le problème de l'invention est de proposer un système de stockage d'énergie à roues cinétiques, qui présente un nombre de roues minimal, qui assure quatre degrés de liberté, et qui supporte une défaillance d'au moins une roue tout en continuant à fonctionner de façon satisfaisante. En outre, I'invention résout le problème nouveau de la symétrie du dispositif, quelle que soit la roue défaillante. Les systèmes de l'art antérieur présentent en effet souvent une symétrie; il s'avère toutefois que cette symétrie est perdue en cas de défaillance d'une roue, et que certaines configurations après défaillances sont peu favorables pour le stockage de l'énergie; de fait, le stockage d'énergie dans une roue peut impliquer une vitesse de l'ordre de 100 000 tours par minute, ce qui génère un moment important; ce moment n'est compensé que par une rotation en sens inverse d'une autre roue. La défaillance d'une roue d'une paire limite la vitesse de rotation de I'autre roue de la paire, et donc l'énergie stockable. A l'inverse, I'invention, en cas de défaillance, assure un fonctionnement correct; notamment, la quantité d'énergie stockable ne diminue pas en cas de défaillance. L'invention permet ainsi de stocker l'énergie, dans un volume minimal et avec une masse minimale pour une quantité d'énergie donnée. L'invention permet aussi de conserver un fonctionnement satisfaisant même dans le cas de défaillance d'une roue, voire de deux roues. Plus précisément, I'invention propose un dispositif de stockage d'énergie à roues cinétiques présentant au moins cinq roues dont les axes de rotation sont sensiblement parallèles à des arêtes d'un tétraèdre. Avantageusement, le dispositif présente six roues. Le tétraèdre est de préférence un tétraèdre régulier. Dans un mode de réalisation, I'axe de rotation d'une roue forme avec l'arête correspondante du tétraèdre un angle inférieur à 30 , de préférence inférieur à 5 . Il est aussi avantageux que les roues soient fixes. L'invention propose encore un véhicule spatial, notamment un satellite, présentant un tel dispositif de stockage d'énergie. Elle concerne enfin un procédé de stockage d'énergie dans un tel dispositif, caractérisé en ce qu'il comprend l'entraînement en rotation de quatre roues. Ces quatre roues peuvent notamment être sensiblement parallèles à des arêtes du tétraèdre adjacentes deux à deux. De préférence, les sens de rotation des roues sont tels que les vecteurs de moment cinétique sont tous dans la même direction lorsque l'on parcourt une ligne brisée fermée formée des quatre arêtes. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit de modes de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemple et en référence aux dessins annexés, dont les figures montrent: - figure 1, une représentation schématique d'un système de stockage d'énergie selon l'invention; - figure 2, une représentation schématique des vecteurs de rotation des roues dans un mode de fonctionnement du dispositif de l'invention. L'invention propose, pour minimiser le nombre de roues cinétiques tout en assurant la symétrie du dispositif même en cas de défaillance, d'utiliser cinq ou six roues cinétiques fixes, dont les axes sont disposés sensiblement parallèlement à des i15 arêtes d'un tétraèdre. On peut dans une telle configuration utiliser en mode de fonctionnement normal quatre des six roues, et assurer ainsi quatre degrés de liberté, comme dans les systèmes de l'art antérieur. En cas de défaillance d'une roue, on peut conserver une configuration avec quatre roues, présentant une symétrie, et assurant ainsi un fonctionnement correct. L'invention fonctionne encore même dans le cas de deux défaillances, en mode éventuellement dégradé. La figure montre une représentation schématique d'un mode de réalisation de l'invention. Dans ce mode de réalisation, le dispositif de stockage présente six roues, et les axes de chacune des roues forment un tétraèdre régulier. Autrement dit, chacune des roues présente un axe de rotation parallèle à une arête respective du tétraèdre. Les roues sont référencées 1 à 6 dans la figure, et on utilise dans la suite pour les besoins de la description de l'invention les références 1 à 6 pour les roues, mais aussi pour les axes de rotation de ces roues. On a représenté sur la figure des roues situées sur les arêtes d'un tétraèdre: pour obtenir les avantages de l'invention, la position des roues est indifférente, les avantages dérivant de la direction des différentes roues. Le choix de la position exacte des roues dépend du volume disponible; la configuration de la figure 1 est très économique en terme de volume et permet de minimiser le volume occupé par le dispositif de stockage d'énergie. Il est aussi possible de disposer les roues dans des positions différentes, en notamment à diverses positions dans un véhicule spatial, en respectant les contraintes de l'invention sur les axes de rotation. Dans le mode de réalisation de la figure, les axes des roues sont exactement parallèles avec les arêtes du tétraèdre et sont même confondus avec ces arêtes. L'invention s'applique aussi si les axes de rotation des roues sont sensiblement parallèles aux arêtes du tétraèdre. On peut par exemple prévoir que l'angle entre l'axe d'une roue et l'arête correspondante du tétraèdre est inférieur ou égal à 30 , ou mieux encore, est inférieur ou égal à 5 . Le tétraèdre dans le mode de réalisation de la figure est un tétraèdre régulier; cette configuration est optimale lorsqu'il n'existe pas de direction privilégiée du moment cinétique engendré par la rotation des roues du dispositif. L'invention s'applique aussi au cas o le tétraèdre n'est pas régulier; une telle configuration peut être utile dans les cas o il existe une direction privilégiée du moment cinétique engendré par la rotation des roues du dispositif. On évitera de préférence un 1 5 tétraèdre dégénéré, c'est-à-dire contenu dans un plan, qui ne permettrait pas un contrôle des trois composantes du moment cinétique dans l'espace. Les roues du dispositif de la figure 1 sont des roues fixes, en ce sens que les axes ne sont pas munis de moyens type cardan pour leur permettre de se déplacer. Ceci assure une plus grande simplicité du dispositif de stockage, et limite son coût. Le dispositif est plus robuste mécaniquement et plus simple à aménager, puisqu'il n'implique pas de débattement des axes de rotation. Il est aussi avantageux que les roues soient toutes identiques. De fait, comme expliqué plus bas en référence au fonctionnement du dispositif, il n'existe pas de direction privilégiée, et la symétrie du dispositif est conservée si toutes les roues sont identiques. Pour réaliser l'invention, on peut utiliser tous les types de roues cinétiques connus en soi; I'invention est sans incidence sur le fonctionnement classique de chaque roue, prise indépendamment des autres; le fonctionnement d'une roue n'est donc pas décrit plus en détail. Le fonctionnement du dispositif de l'invention est le suivant. En mode de fonctionnement normal, on n'utilise que quatre des six roues; les deux dernières roues sont en réserve en cas de défaillance. Il est de ce point de vue optimal que les arêtes du tétraèdre correspondant à ces quatre roues en rotation soient deux à deux adjacentes - ou contiguës ou sécantes -. A titre d'exemple, avec les notations de la figure 1, on pourrait utiliser en fonctionnement normal les roues {1, 3, 4, 6}, {1, 2, , 6} ou {2, 3, 4, 5}. Autrement dit, les arêtes du tétraèdre correspondant aux deux roues en attente dans le dispositif sont de préférence des arêtes non coplanaires. Cette configuration permet facilement de générer un moment cinétique sensiblement nul, indépendamment des vitesses de rotation des roues. Ceci est avéré par la considération des moments cinétiques générés par les roues. De façon connue en soi, le moment cinétique H généré par une roue est un vecteur dont la direction est la direction de l'axe de rotation de la roue - en supposant la roue parfaitement équilibrée dynamiquement. Le sens du vecteur est donné par le sens de rotation, suivant la règle de définition du sens direct d'un trièdre orthogonal. Le module du vecteur est donné par la relation HI = '2.J.E, o J est l'inertie de rotation de la roue et E l'énergie stockée dans la roue. La figure 2 montre une représentation schématique des vecteurs de rotation des roues dans un mode de fonctionnement du dispositif de l'invention; on a considéré dans le cas de la figure que les roues 2, 3, 4 et 5 étaient entraînées en rotation. Les sens de rotation des roues sont portés sur la figure, et les directions des moments correspondants sont aussi indiquées. Pour des vitesses de rotation égales et des roues identiques, il est clair que la somme des moments dans la configuration de la figure 2 est nulle. Un tel choix des roues entraînées en rotation et des sens de rotation des roues permet d'obtenir un moment sensiblement nul, et ceci quelle que soit la vitesse de rotation égale ou sensiblement égale des roues. Ce choix peut s'exprimer par les relations suivantes: - les axes des roues sont des arêtes d'un tétraèdre adjacentes deux à deux, ou formant dans l'espace une ligne brisée fermée; - les sens de rotation des roues sont tels que les vecteurs de moment sont tous dans la même direction lorsque l'on parcourt cette ligne brisée. Ces contraintes permettent d'optimiser le stockage d'énergie dans le dispositif, tout en générant un moment cinétique quelconque et en utilisant les quatre roues pour le stockage d'énergie. Un moment quelconque peut être obtenu par différence entre les vitesses de rotation des roues. Le moment ne dépend dans cette configuration que des vitesses relatives des roues; il est donc possible de choisir de façon indépendante les trois composantes du moment cinétique et l'énergie stockée. Le fonctionnement du dispositif de l'invention en cas de défaillance est le suivant. Si une roue parmi les six roues du dispositif de stockage est défaillante, il reste possible d'utiliser quatre roues disposées suivant la configuration optimale mentionnée ci-dessus. Ainsi, si la roue 1 ou la roue 6 est défaillante, on utilise les roues 2, 3, 4 et 5 en fonctionnement normal. Le dispositif supporte aussi une deuxième défaillance. Il est possible que les deux roues défaillantes soient des roues dont les axes de rotation sont parallèles à des arêtes du tétraèdre non coplanaires ou non sécantes. Dans ce cas, les quatre roues restantes sont dans la configuration optimale décrite à la figure 2; par exemple, la défaillance peut concerner les roues 1 et 6, et l'on continue dans ce cas à utiliser les roues 2, 3, 4 et 5. Il est aussi possible que les deux roues défaillantes présentent des axes parallèles à des arêtes coplanaires du tétraèdre. Dans ce cas, il 1 5 reste dans le dispositif de stockage quatre roues utilisables. Trois d'entre elles ont des axes parallèles à des arêtes coplanaires du tétraèdre, et l'axe de la quatrième roue est sécant au plan formé par ces trois arêtes. Dans ce cas, on peut utiliser la quatrième roue pour générer le moment cinétique résultant nécessaire dans une direction perpendiculaire à ce plan; la composante dans le plan en cause est générée par les quatre roues; on règle à cet effet les vitesses relatives des trois autres roues. Dans ce cas, la vitesse de rotation de la quatrième roue est déterminée par le moment cinétique résultant; les vitesses de rotation des trois autres roues peuvent être importantes, le stockage de l'énergie s'effectuant principalement dans ces trois roues. Ainsi, dans cette configuration dégradée, la capacité du dispositif à stocker de l'énergie est limitée par rapport à la configuration de la figure 2. Par rapport aux dispositifs de l'art antérieur, l'invention assure un fonctionnement plus efficace en cas de défaillance, pour un nombre de roues inférieur. Le seul système de l'art antérieur assurant une redondance avec des roues fixes est le dispositif à huit roues décrit dans EP-A-0 922 636, avec trois paires de roues disposées suivant trois axes orthogonaux et une quatrième paire de roues disposée de sorte à pouvoir remplacer une quelconque des trois autres paires en cas de défaillance. Dans ce dispositif de l'art antérieur, en cas de défaillance d'une roue parmi les trois paires de roues, on arrête la paire de roues correspondante, et on utilise à la place la quatrième paire de roue. La capacité de stockage n'est pas affectée. Une deuxième défaillance provoque un fonctionnement en mode dégradé, avec une limitation de la capacité à stocker l'énergie. Du point de vue fonctionnel, l'invention assure les mêmes résultats, mais avec seulement six roues au lieu de huit. Le coût d'un système selon l'invention est au premier ordre de 25% plus faible qu'un tel système à huit roues. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux exemples et modes de réalisation décrits et représentés, mais elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art. Comme indiqué plus haut, les positions des roues dans le satellite ou dans le véhicule spatial peuvent varier. On peut aussi prévoir une configuration à cinq roues; cette configuration est moins avantageuse qu'une configuration à six roues. De fait, comme expliqué plus haut, en cas de défaillance, on peut obtenir une configuration du type de celle de la figure 2, mais aussi une configuration dégradée. Il reste néanmoins possible d'utiliser une telle configuration à cinq roues. Il reste aussi possible d'utiliser non seulement quatre roues en fonctionnement normal, mais cinq ou six roues. Ceci peut par exemple s'avérer utile en cas de besoin de stockage d'une quantité d'énergie importante. On peut encore prévoir plus de six roues, et dans ce cas, certaines des roues sont parallèles. Cette configuration permet une redondance accrue, particulièrement en cas de redondance "chaude "; par exemple, un dispositif à six paires de roues disposées parallèlement aux arêtes d'un tétraèdre supporte la défaillance d'au moins trois roues; dans ce cas, il reste possible d'assurer un fonctionnement avec des roues suivant quatre arêtes du tétraèdre. On pourrait aussi utiliser un dispositif à dix roues, avec des paires de roues suivant les quatre arêtes habituellement utilisées, et une roue unique suivant les deux autres arêtes; cette configuration réduit le nombre de roues et est intéressante si la probabilité de défaillance des roues est une fonction croissante du temps. Dans les exemples de réalisation de l'invention, les roues sont fixes. On peut bien entendu prévoir un débattement limité des axes de rotation, par exemple pour corriger des défauts des roues. REVENDICATIONS 1. Un dispositif de stockage d'énergie à roues cinétiques présentant au moins cinq roues (1-6) dont les axes de rotation sont sensiblement parallèles à des arêtes d'un tétraèdre. 2. Le dispositif de la revendication 1, caractérisé en ce qu'il présente six roues. 3. Le dispositif de la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le tétraèdre est un tétraèdre régulier. 4. Le dispositif de la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que l'axe de rotation d'une roue forme avec l'arête correspondante du tétraèdre un angle inférieur à 30 . 5. Le dispositif de l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'axe de rotation d'une roue forme avec l'arête correspondante du tétraèdre un angle inférieur à 5 . 1 5 6. Le dispositif de l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les roues sont fixes. 7. Un véhicule spatial, notamment un satellite, présentant un dispositif de stockage d'énergie selon l'une des revendications 1 à 6. 8. Un procédé de stockage d'énergie dans un dispositif selon l'une des revendications 1 à 6; caractérisé en ce qu'il comprend l'entraînement en rotation de quatre roues. 9. Le procédé de la revendication 8, caractérisé en ce que les quatre roues sont sensiblement parallèles à des arêtes du tétraèdre adjacentes deux à deux. 10. Le procédé de la revendication 9, caractérisé en ce que les sens de rotation des roues sont tels que les vecteurs de moment cinétique sont tous dans la même direction lorsque l'on parcourt une ligne brisée fermée formée des quatre arêtes.