Brevet FR2837580A1 — publié le 20030926

(11) G'il eel en mouvemenL. ACTION N EU R GYROSCOPIQUE DE PI LOTAGE DE L'ATTITU DE D'UN VEHICULE SPATIAL La présente invention concerne les gyrodynes ou actionneurs gyroscopiques (désignés souvent par le sigle anglo-saxon cmg pour control moment gyro); ils se différencient des roues de réaction couramment utilisées pour commander l'attitude d'un véhicule spatial et notamment d'un satellite par échange de moment cinétique, en ce que la roue est montée sur un support, appelé cardan, orientable par au moins un moteur autour d'au moins un axe qui est orthogonal à l'axe de rotation de la roue. Dans la plupart des cas la toupie de la roue tourne à vitesse constante ou du moins peu variable lors de sa mise en _uvre. L'orientation d'un trièdre de référence lié au corps d'un satellite peut être commandée autour de trois axes par une grappe d'au moins trois actionneurs gyroscopiqu es d ont le cardan ne présente q u ' u n seu l axe d 'orientation de l'axe de la roue; deux actionneurs gyroscopiques suffisent pour un pilotage 2 axes. En pratique on utilise en général au moins quatre actionneurs gyroscopiques en grappe pour assurer une redondance pour le pilotage 3D. Un exemple particu lièrement avantageux de système de commande d 'attitude par action neu rs gyroscopique est donné dans le brevet FR 98 14548 ou le brevet US 6 305 647 auxquels on pourra se reporter La plupart des actionneurs gyroscopiques existants ont une architecture du genre schématisée en figure 1. L'actionneur gyroscopique comporte une embase 10 destinée à être fixée au corps du satellite. Elle peut de plus définir, avec une enveloppe étanche non représentée, un volume dans lequel est placée la partie active de l'actionneur. Sur l'embase est monté un support de roue 12 qu'un moteur peut orienter sur l'embase autour d'un axe z. On désignera par la suite par le terme " roue >> 14 un ensemble qui comporte une partie solidarisée du support et une toupie pouvant tourner sur le support autour d'un axe x orthogonal à l'axe z de rotation du support. Un moteur électrique entrane la roue, généralement à vitesse constante et réqulée. Le support, qu'on qualifie généralement de cardan, bien qu'il ne puisse orienter l'axe de la roue qu'autour d'un seul axe, présente généralement une forme annulaire centrée sur l'axe z. Il entoure complètement la roue ou toupie. En conséquence, I'ensemble occupe un volume important et a une masse élevée à rigidité et pour un moment cinétique maximum donné. Or les contraintes rencontrées à bord d'un satellite obligent à réduire le plus possible l'encombrement et la masse des action neu rs gyroscop iques à capacité don n ée de moment cinétique. La présente invention vise notamment à fournir un actionneur gyroscopique ayant un encombrement et une masse réduites, une rigidité de structure globale élevée, pouvant être réalisé sous une forme facilitant la constitution des interfaces avec le corps du satellite et l'intogration de l'ensemble. L'invention propose notamment, dans ce but, un actionneur gyroscopique comprenant une structure support de roue montée sur une embase par des moyens permettant de la faire tourner autour d'un premier axe et portant une roue munie de moyens permettant d'entraner la toupie de la roue à vitesse élevée autour d'un second axe orthogonal au premier, caractérisé en ce que la structure support comporte une pièce tubulaire tournant sur l'embase et un flasque placé d'un seul côté de la roue et fixé d'une part à la roue, d'autre part sur la pièce tubulaire, le diamètre de la roue et l'emplacement de fixation de la roue sur le flasque étant proportionnés de façon que la roue pénètre axialement dans la pièce tubulaire et l'embase. Grâce à cette disposition, on peut réduire l'encombrement le long de l'axe de rotation du cardan puisque la roue peut pénétrer à l'intérieur de l'embase. On réduit également l'encombrement nécessaire au débattement et l'empreinte sur le satellite, puisque le diamètre de la structure support est égal au diamètre de la roue et le diamètre de l'embase peut être nettement inférieur au diamètre de la roue. Le flasque a avantageusement une forme générale de fraction angulaire de tronc de cône dont la partie terminale la plus large est fixée à la pièce tubulaire et la partie terminale la moins large porte la roue. Le flasque peut présenter une partie semi-cylindrique de fixation de la roue (du côté de la face terminale la moins large) et une bride de fixation sur la pièce tubulaire (du côté de la partie terminale la plus large). Le flasque présente avantageusement des nervures internes lui donnant une rigidité élevée, permettant d'amener le premier mode de vibration global de la structure à une valeur élevée, pour une masse donnée, notamment audelà de Hertz. Ces nervures peuvent comporter deux cloisons disposées à 90 degrés l'une de l'autre, I'une en face de la roue, I'autre perpendiculaire à la 1 0 première. La pièce tubulaire - qu'on qualifiera par la suite quelquefois de K cône ", présente une première fraction, avantageusement en forme de tronc de cône dont la grande base est fixée au flasque. Cette forme conique participe à la grande rigidité de la structure support. La partie de grand diamètre du cône porte avantageusement le rotor du moteur d'orientation de la structure support, c'est à dire du cardan. Le cône proprement dit est avantageusement prolongé par une partie tobulaire qui porte successivement la partie tournante d'un roulement de montage sur l'embase, la partie tournante d'un codeur angulaire et une partie de moyens de transfert de puissance et de signaux entre la structure support et I'embase. La partie tubulaire prolongeant le cône présente avantageusement plusieurs portions cylindriques de diamètres décroissant depuis le niveau du roulement jusqu'au niveau du transfert de puissance et de signaux. Les caractéristiques ci-dessus ainsi que d'autres appara^tront mieux à la lecture de la description qui suit d'un mode particulier de réalisation de I'invention, donné à titre non limitatif. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels: -la figure 1, déjà mentionnée, est une vue en coupe par l'axe du cardan d'un actionneur de type connu; -la figure 2 est une représentation de principe d'un actionneur gyroscopique suivant un mode de réalisation de l'invention, en coupe par un plan passant par l'axe du cardan; -la figure 3 est une vue en élévation d'un actionneur gyroscopique ayant la constitution de principe montrée en figure 2; -les figures 4A et 4B sont deux vues en perspective du flasque de l'actionneur de la figure 3. Sur la figure 2, qui montre l'architecture de principe d'un actionneur, on retrouve une embase 10 qui lors de l'utilisation peut être dans une orientation quelconque sur laquelle tourne une structure support 12 à laquelle est fixée la roue 14. La structure support est en plusieurs pièces assemblées. Ces pièces comprennent une pièce tubulaire 19 (en bas sur la figure 2) dont la partie haute est en forme de tronc de cône, portée sur l'embase 10 par un roulement 18, et un flasque 20 placé d'un seul côté de la roue et fixé d'une part à la partie non tournante de la roue, d'autre part à la pièce tubulaire. Le diamètre de la roue 14, les dimensions relatives de la structure support 12 et de l'embase 10 et l'emplacement de fixation de la roue sur le flasque sont proportionnés de façon que la roue soit en saillie dans la pièce tubulaire et que le volume balayé par la roue en fonctionnement (indiqué en traits interrompus)n'ait pas un diamètre autour de l'axe z supérieur à celui de la bride 21 de l'embase. On minimise ainsi l'encombrement du fait de la pénétration du montage en porte à faux et de la pénétration de la roue dans le cad ran. La pièce tubulaire 19 comporte, en plus d'une fraction en forme de tronc de cône dont la grande base est fixée au flasque, un prolongement tubulaire présentant une forme étagée, avec des diamètres progressivement décroissants depuis le tronc de cône jusqu'à l'extrémité basse. Un premier tronçon cylindrique 22 est solidaire de la partie tournante du roulement 18 dont la partie fixe est montée sur l'embase 10. Le second tronçon 24, de plus faible diamètre que le premier, porte la partie tournante d'un codeur angulaire non représenté. Enfin, un troisième tronçon 26 présente, dans le cas de la figure 2, un diamètre encore plus réduit de façon à laisser libre, entre ce tronçon et la partie basse de l'embase 10, une zone annulaire 28 de dimension suffisante pour y loger des moyens de transfert de signaux et de puissance à câble souple, enrouleur ou collecteur tournant. On décrira maintenant la constitution du mode particulier de réalisation illustré à titre d'exemple sur les figures 3 et suivantes, o les éléments correspondant à ceux de la figure 2 portent le même numéro de référence. L'embase 10 présente une partie cylindrique basse munie de la bride 21 et une partie évasée haute, qui porte le stator du moteur électrique 30 d'orientation du cardan. Ce moteur 30 est par exemple un moteur couple à aimants permanents, commandé par une boucle de commande dont l'entrée est reliée à un système extérieur. Ce moteur couple peut être remplacé par un moteur pas à pas. Dans un mode avantageux de réalisation le roulement 18 (figure 2) comporte un jeu de deux paliers alignés, montés dos à dos. Ces paliers peuvent notamment être constitués par des roulements à billes ou rouleaux. Dans ce dernier cas, la couronne de billes de chaque palier est prévue de façon à avoir un appui oblique sur les bagues, de sorte que les forces exercées sur les billes occupent les génératrices d'un cône. Grâce au montage de deux roulements dos à dos, les sommets des deux cônes peuvent être éloignés l'un de l'autre, par exemple, I'un au niveau du centre de la roue et l'autre à l'intérieur de la zone 26. Par un choix approprié du diamètre des roulements et de l'angle de contact (angle entre la direction d'appui des billes et les begues du roulement), on peut réaliser le meilleur compromis possible entre la reprise des efforts lors du lancement, la réduction des frottements au cours de l'utilisation en vol et le volume occupé par le roulement dans son ensemble. La position angulaire du cardan est donnée à tout instant par un codeur présentant une partie fixée rigidement à l'embase 10 et une partie rotorique relice à la structure support. On peut notamment utiliser un codeur optique, à sortie incrémentale sous forme de signaux en quadrature qui peuvent être traités par une électronique de proximité capable de fonctionner en pointage fin. Un codeur optique présente de nombreux avantages par rapport aux codeurs électriques tels que les résolveurs. Il permet d'obtenir une précision élevée. Il est possible d'obtenir une précision meilleure que plus ou moins trois secondes d'angle, largement suffisante pour un positionnement satisfaisant du moment cinétique. Les moyens de passage des signaux de mesure et de l'alimentation électrique, commandée depuis l'extérieur, doivent tolérer la rotation du cardan, du moins dans un domaine angulaire limité. Comme l'on a indiqué plus haut, on peut utiliser un connecteur tournant à bagues et balais. Il a l'avantage de n'apporter aucune limite à la rotation du cardan, mais l'inconvénient d'un couple de frottement qui peut devenir élevé lorsque le nombre de signaux à transférer est important. Un autre avantage de la transmission par bagues et balais est le fait que l'on peut laisser dériver librement en rotation la roue au cours de la phase de lancement. On peut également utiliser des moyens de passage de signaux à câble souple multi-conducteurs et enrouleur de câble. Les enrouleurs de câble habituels comprennent un câble souple contenant une nappe de conducteurs, reliant deux tambours pouvant tourner l'un par rapport à l'autre. Chaque extrémité du câble est fixée à un des tambours et le câble s'enroule et se déroule lorsque les tambours tournent l'un par rapport à l'autre. Le couple de frottements d'un tel enrouleur est beaucoup plus faible que celui d'un connocteur tournant et les contacts sont meilleurs. Le flasque 20 présente, dans le cas illustré, une forme complexe. Il est constitué en une seule pièce pour des questions de rigidité et de robustesse. Sa surface extérieure se présente comme un secteur angulaire d'une surface de révolution. Elle a, une fraction en forme de tronc de cône, terminée par la bride 23 de fixation sur la pièce tubulaire et une fraction semi cylindrique également munie d'une bride de renforcement 51. Pour donner au flasque 20 une grande rigidité sous un poids faible, la paroi latérale du flasque est renforcée par des nervures. Ces nervures comprennent une cloison 52, reliant les bords du flasque, et une cloison 54 orthogonale à la première, placée dans le plan médian du flasque. Le flasque est fixé à la pièce tubulaire par une rangée de vis 56, réqulièrement réparties. Le carter de la roue 40 est fixé au flasque par quatre vis 58 décalées par rapport au plan médian du flasque, de façon à être proche des nervures de raid issement. La roue peut avoir une constitution de type con nu. Par exemple, elle comporte un carter étanche et une toupie. Le carter est muni d'une plaque de support qui porte les roulements sur lesquels tourne la toupie, le stator du moteur d'entraînement de la toupie et un tachymètre. On ne décrira pas en détail la constitution interne de la roue car elle peut être de type connu. De façon générale, la toupie est entraînée en rotation à une vitesse élevée, généralement constante. Le moteur d'entraînement de la toupie comporte, par exemple, un moteur couple sans balais et sans fer, généralement à commutation électronique, dont le couple compense les dissipations d'énergie par frottement. Lors du fonctionnement, il est nécessaire d'évacuer la chaleur dissipée, notamment par les moteurs et dus aux frottements sans perte d'échauffement excessif et sans gradient thermique excessif dans des composants qui y sont sensibles. Il convient, au surplus, de rechercher une bonne compatibilité des coefficients de dilatation thermique des différents composants. Dans un satellite, la dissipation thermique ne peut s'effectuer que par conduction ou par rayonnement vers le mur froid du corps du satellite. Le flasque 20 est interposé entre la roue et le mur. On peut le constituer en un matériau bon conducteur de la chaleur, comme l'aluminium, et noircir sa face externe pour améliorer l'émission. Pour diminuer le gradient thermique dans les roulements du cadran, le cône est avantageusement en un matériau ayant une faible conductivité, tel que le titane. REVENDICATIONS 1. Actionneur gyroscopique comprenant une structure support de roue montée sur une embase par des moyens permettant de la faire tourner autour d'un premier axe et portant une roue munie de moyens permettant d'entraner la toupie de la roue (14) à vitesse élevée autour d'un second axe orthogonal au premier, caractérisé en ce que la structure support (12) comporte une pièce tubulaire tournant sur l'embase et un flasque (20) placé d'un seul côté de la roue et fixé d'une part à la roue, d'autre part sur la pièce tubulaire, le diamètre de la roue et l'emplacement de fixation de la roue sur le flasque étant proportionnés de façon que la roue pénètre axialement dans la pièce tubulaire et l'embase. 2. Actionneur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la pièce tubulaire présente une fraction en forme de tronc de cône dont la grande base est fixée au flasque et la partie de grand diamètre du cône porte le rotor du moteur d'orientation de la structure support. 3. Actionneur suivant la revendication 2, caractérisé en ce que le tronc de cône est prolongé par une partie tubulaire qui porte successivement la partie tournante d'un roulement de montage sur l'embase, la partie tournante d'un codeur angulaire et une partie de moyens de transfert de puissance et de signaux entre la structure support et l'embase. 4. Actionneur suivant la revendication 3, caractérisé en ce que la partie tubulaire prolongeant le cône présente des portions cylindriques de diamètres décroissant depuis le niveau du roulement 5. Actionneur suivant la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que le flasque présente une partie en forme générale de fraction angulaire de tronc de cône dont la partie terminale la plus large est fixée à la pièce tubulaire et la partie terminale la moins large porte la roue. 6. Actionneur suivant la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que le flasque présente, de part et d'autre d'une fraction ayant une forme extérieure en tronc de cône, une partie semi-cylindrique de fixation de la roue et une bride de 4. fixation sur la pièce tubulaire. 7. Actionneur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le flasque présente des neNures internes comportant deux cloisons disposées à 90 degrés l'une de l'autre, i'une en face de la roue, I'autre perpendiculaire à la première. 8. Actionneur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la pièce tubulaire tourne sur l'embase par l'intermédiaire d'un roulement comportant deux paliers en contact l'un avec l'autre, constitués par des roulements à billes ou à rouleaux ayant des angles de contact de direction 1 0 opposoe, 9, Actionneur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la pièce tobulaire est en matériau mauvais conducteur de la chaleur. 10. Actionneur suivant la revendication 9, dont la pièce tobulaire est en titane.