Brevet FR2858294A1 — publié le 20050204

ROUE D'INERTIE POUR VEHICULE SPATIAL La présente invention concerne une roue destinée à être animée d'un mouvement de rotation autour de son axe, et à être utilisée comme roue 5 d'inertie, ou comme roue de réaction, pour l'équipement de véhicules spatiaux. Pour cette raison, dans le présent mémoire descriptif comme dans les revendications qui lui font suite, le terme roue d'inertie recouvre aussi bien les roues d'inertie utilisées pour créer un moment cinétique embarqué, ou les roues d'inertie montées sur cardan pour réaliser des actionneurs 10 gyroscopiques (ou gyrodynes ou CMG), ou les roues de réaction destinées à créer du couple en faisant varier leur vitesse de rotation, ou toute autre utilisation destinée à l'équipement de systèmes de contrôle d'attitude et d'orientation des satellites. Des exemples de roues de réaction et de gyrodynes sont donnés dans 15 les brevets US-3,968,352, US-6,135,392 et US-6,305,647, auxquels on se reportera pour davantage de précisions à leur sujet. On sait qu'une roue d'inertie, standard ou fabriquée sur mesure, de véhicule spatial est généralement constituée d'au moins un palier de roulement sur lequel est rapportée au moins une masse dite d'inertie , 20 permettant de créer l'inertie désirée, dont la mise en rotation à vitesse constante élevée permettra de créer un moment cinétique embarqué, ou dont la mise en accélération créera le couple de réaction désiré. A titre d'exemple, des roues d'inertie à masse d'inertie rapportée sur un ou deux paliers de roulements sont représentées sur les figures 1, 4 et 3 25 respectivement des trois brevets US précités. Cette masse rapportée est en général vissée sur une pièce d'interface destinée à la solidariser du ou des paliers de roulement. Elle doit être centrée de manière extrêmement précise par rapport au(x) palier(s) de roulement de façon à limiter les perturbations dynamiques (lors des rotations de la masse 30 d'inertie autour de l'axe du ou des roulements), et par conséquent les microvibrations, qui sont engendrées par la rotation de la masse d'inertie, et qui sont transmises à des équipements, embarqués sur les satellites, et dont les performances peuvent de ce fait être sensiblement réduites. Pour les mêmes raisons, cette masse d'inertie doit être équilibrée après report sur le palier de roulement. Un inconvénient majeur des réalisations connues de roues d'inertie pour véhicules spatiaux réside dans le fait que les défauts de centrage et d'équilibrage de l'organe tournant constitué du ou des paliers de roulement sur le(s)quel(s) est rapportée la masse d'inertie vont nécessairement être amplifiés typiquement d'un facteur dix par rapport aux réglages initiaux, lorsque la roue 10 sera soumise, lors d'essais au sol ou lors du lancement à des environnements mécaniques vibratoires très défavorables. Cette amplification résulte des déplacements non contrôlables entre les différentes parties qui constituent l'organe tournant, c'est-à-dire la masse d'inertie d'une part, et la pièce d'interface sur laquelle elle est vissée d'autre 15 part. Le but visé par la présente invention est de réduire les problèmes et inconvénients liés au défaut de centrage et d'équilibrage des masses d'inertie et à leur accroissement non contrôlable observé après des essais de vibration au sol ou après le lancement, afin d'en limiter les impacts en terme de micro20 vibrations, et d'en améliorer la stabilité. A cet effet, I'invention propose une roue d'inertie, pour véhicule spatial, la roue comprenant au moins une masse d'inertie montée en rotation par un palier à au moins un roulement dont la partie fixe est destinée à être fixée sur le véhicule spatial, et qui se caractérise en ce que ladite au moins une masse 25 d'inertie de la roue intègre au moins une bague tournante dudit un palier, ladite bague tournante étant rendue solidaire sans jeu de ladite masse d'inertie. Par ces termes, il faut comprendre que ladite bague tournante et ladite masse d'inertie sont constituées d'une seule pièce ou de plusieurs pièces frettées ensemble ou assemblées sans jeu par toute technique permettant de 30 supprimer tout jeu relatif entre les pièces. La réalisation proposée consiste donc à utiliser une partie de la structure du roulement ou de l'un au moins des roulements du palier, à savoir au moins une bague tournante de roulement, comme partie intégrée d'une seule pièce ou frettée ensemble ou assemblée sans jeu avec la masse d'inertie. Une telle réalisation présente les avantages suivants: - la masse d'inertie étant d'une seule pièce ou frettée ensemble ou assemblée sans jeu avec au moins une bague tournante d'au moins un roulement, des balourds peuvent être ainsi minimisés par fabrication; en particulier, les défauts de centrage, dûs à l'assemblage par vissage de la 10 masse d'inertie sur le ou les roulements correspondants, sont supprimés; - les assemblages de la ou des masses d'inertie sur le ou les roulements étant supprimés, les phénomènes de bougés dus aux vibrations aux interfaces entre masse(s) d'inertie et roulement(s) sont éliminés, ce qui permet de garantir une stabilité du balourd, et donc une stabilité des micro15 vibrations, malgré les fortes vibrations subies par la roue lors d'essais mécaniques ou lors du lancement du véhicule spatial. Pour ces raisons, et avantageusement du point de vue de l'inertie, en raison du plus grand rayon d'une bague externe par rapport à une bague interne de roulement, la roue d'inertie selon l'invention est telle que ladite 20 masse d'inertie est d'une seule pièce ou frettée ensemble ou assemblée sans jeu avec au moins une bague externe du palier de roulement, une autre configuration, généralement moins favorable, étant que la masse d'inertie est d'une seule pièce ou frettée ensemble ou assemblée sans jeu avec au moins une bague interne du palier de roulement. De préférence, la masse d'inertie est d'une seule pièce ou frettée ensemble ou assemblée sans jeu avec une unique bague externe, ou éventuellement interne, d'un palier comprenant deux roulements, donc deux rangées d'éléments roulants, à billes ou à rouleaux coniques, montés faceàface ou, de préférence, dos-à-dos. Lorsque ce palier est un palier de roulement comprenant une seule rangée d'éléments roulants, ces derniers ont quatre points de contact avec les bagues interne et externe du palier. Avantageusement en outre, pour obtenir une grande inertie, dans un 5 encombrement limité, et sans augmenter inconsidérément la masse concernée, ladite masse d'inertie comprend: - un voile plein ou avec rayonnage en bâtons, de préférence de forme conique ou de toute autre forme radiale, par rapport à l'axe du palier et qui est d'une seule pièce ou fretté ensemble ou assemblé sans jeu avec ladite bague 10 tournante d'au moins un des roulements du palier, et - une jante périphérique externe, d'une seule pièce ou frettée ensemble ou assemblée sans jeu avec ledit voile. Avantageusement de plus, et afin d'optimiser les centrages, la valeur de l'inertie pour une masse donnée, dans un encombrement donné, la jante et la 15 bague externes sont des corps de révolution autour de l'axe de la bague externe, et sont d'une seule pièce ou frettés ensemble ou assemblées sans jeu avec ledit voile, aux extrémités radiales respectivement externe et interne de ce dernier. Pour améliorer le guidage axial, il est avantageux que le palier de 20 roulement soit un palier pré-chargé par montage dos-à-dos de deux rangées d'éléments roulants, axialement espacées l'une de l'autre entre une unique bague tournante et deux bagues non-tournantes pouvant être séparées ou non l'une de l'autre par au moins une entretoise axiale. Dans le premier cas, à titre d'exemple de réalisation, le palier de 25 roulement peut être pré-chargé à deux rangées de billes, du type à contact oblique ou du type à gorges profondes, entre la bague tournante, de préférence externe et les deux bagues fixes, de préférence internes. L'utilisation de roues d'inertie selon l'invention permet de réduire de manière importante les balourds (typiquement d'un facteur 10), et par 30 conséquent les micro-vibrations, ce qui permet d'améliorer sensiblement les performances de pointage des satellites. La structure des roues d'inertie selon l'invention est d'autant mieux adaptée pour les roues tournant à vitesses élevées, pour lesquelles de faibles balourds peuvent entraîner des perturbations micro-dynamiques importantes, puisque l'effet de ces perturbations est proportionnel au carré de la vitesse de rotation de la roue. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront de la description, donnée ci-dessous à titre non limitatif, d'exemples de réalisation décrits en référence aux dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 représente une vue schématique en coupe axiale d'un 10 premier exemple d'une roue d'inertie selon l'invention, et - la figure 2 représente, sensiblement de manière analogue à la figure 1, un second exemple d'une roue d'inertie selon l'invention. La roue d'inertie représentée sur la figure I comprend une masse d'inertie I montée en rotation sur un palier de roulement 2, autour de l'axe X-X 15 de ce palier 2. La masse d'inertie 1 est constituée d'une jante 3, périphérique externe, ayant une symétrie de révolution autour de l'axe X-X, et de préférence d'une seule pièce avec un voile 4, mais pouvant être frettée ensemble, ou assemblée sans jeu et reliée, du côté de sa face interne, avec l'extrémité 20 radiale externe périphérique du voile 4, en forme de disque plein tronconique d'axe X-X, et lui-même d'une seule pièce ou fretté ensemble, ou assemblée sans jeu par son extrémité radiale interne, avec la bague externe tournante 5 du palier de roulement 2. Le voile 4 peut être plein, à symétrie de révolution autour de l'axe X-X, ou ajouré, avec un rayonnage en bâtons, dont les rayons 25 sont inclinés dans des plans axiaux. Le voile 4 est lié par ses extrémités radiales externe et interne respectivement au milieu, en direction axiale (selon l'axe X-X), de la face radiale interne de la jante 3, et à la face radiale externe d'une partie d'extrémité axiale 5a (supérieure sur la figure 1) de la bague externe tournante 5. Le voile 4 peut également être plan et radial, plein ou ajouré à rayons radiaux ou avoir toute autre forme permettant d'améliorer sa rigidité en minimisant sa masse. La masse d'inertie 1, constituée de préférence d'une seule pièce 5 formant la jante 3, le voile 4 et la bague externe 5, intègre donc cette dernière, dont la masse participe à procurer l'inertie nécessaire à la roue d'inertie. La jante 3, le voile 4 et la bague externe 5 sont donc avantageusement constitués d'une seule pièce constituant la masse d'inertie 1. Mais en variante cette dernière peut être constituée de plusieurs pièces frettées ensemble sans 10 jeu, ou assemblées sans jeu de toute autre manière. La masse d'inertie 1 ainsi constituée, en un métal ou alliage métallique, est équilibrée et centrée sur l'axe X-X du palier de roulement 2, et cette masse d'inertie 1 peut être avantageusement de révolution autour de l'axe X-X. Comme la jante 3, en position radiale externe sur la masse 1, la bague 15 externe 5, en position radiale interne sur la masse 1, est également un corps de forme générale cylindrique, et, dans l'exemple représenté, la jante 3 et la bague externe 5 présentent sensiblement la même dimension axiale (parallèlement à l'axe X-X) afin de minimiser l'encombrement de la roue. Dans l'exemple représenté sur la figure 1, le palier 2 est composé de 20 deux roulements préchargés et montés avantageusement dos-à-dos, comprenant deux rangées de billes 7a et 7b, qui sont décalées l'une de l'autre selon l'axe X-X, et chacune située entre une partie d'extrémité axiale 5a ou 5b de la bague externe tournante 5 commune, radialement vers l'extérieur, et respectivement l'une de deux bagues internes non tournantes ou fixes 6a et 25 6b, soit directement en contact l'une avec l'autre, soit espacées axialement l'une de l'autre par une entretoise tubulaire 8, radialement vers l'intérieur., et destinées à être fixées sur la structure du satellite. Dans ce montage, les bagues 5, 6a et 6b sont coaxiales autour de l'axe X-X du palier de roulement 2, et bien que la figure 1 représente un palier à deux roulements à rangées de 30 billes 7a et 7b à gorges profondes, le palier de roulement 2 peut avoir deux roulements à rangées de billes à contact oblique, comme indiqué schématiquement par les axes en traits pleins traversant les billes 7a et 7b entre leurs points de contact avec les deux bagues correspondantes, avec une orientation qui, sur la figure 1, indique une précharge des roulements montés dos-à-dos. L'utilisation d'une unique bague externe tournante 5 et de deux 5 bagues internes fixes 6a et 6b procure une meilleure stabilité et permet un montage plus facile. Pour faciliter le positionnement du palier de roulement 2, dont les deux bagues internes 6a et 6b doivent être supportées sur la plateforme du satellite ou sur un boîtier d'un équipement embarqué dans le satellite, il peut être 10 avantageux que, comme représenté sur la figure 1, la dimension axiale des deux bagues internes 6a et 6b ainsi que de l'entretoise tubulaire 8 qui les sépare soit sensiblement égale à la dimension axiale de l'unique bague externe 5. L'exemple de roue d'inertie de la figure 2 comprend également une 15 masse d'inertie 9, comprenant, sensiblement comme la masse d'inertie 1 de la figure 1, une jante périphérique externe 11, semblable à la jante 3, et d'une seule pièce avec un voile 12 tronconique, semblable au voile 4 de la figure 1, et lui-même d'une seule pièce avec une partie d'extrémité axiale d'une bague tournante d'un palier 10 à deux roulements à billes montés préchargés, de 20 préférence dos-à-dos, comme le palier 2 de la figure 1. Mais, dans ce deuxième exemple, le voile 12 est d'une seule pièce avec la bague tournante interne 14, qui est commune aux deux roulements à billes, dont les deux rangées de billes 15a et 15b sont décalées axialement et situées entre l'une respectivement de deux parties d'extrémité axiales 14a et 14b de 25 I'unique bague interne tournante commune 14 et l'une respectivement des deux bagues externes fixes 13a et 13b des roulements. Ces bagues externes fixes 13a et 13b peuvent être en appui axial l'une contre l'autre, ou, comme représenté sur la figure 2, maintenues espacées par une entretoise tubulaire axiale 16, à l'intérieur d'un manchon 13 de support tubulaire fixé à la structure 30 porteuse. En variante, la masse d'inertie 9 peut être réalisée par l'assemblage sans jeu de ses trois composants, la jante 11, le voile 12 et la bague tournante interne 14, ou de pièces constitutives de ces composants, par exemple par frettage ensemble et sans jeu de ces pièces ou composants. La masse 5 d'inertie 9, comme la masse d'inertie 1 de la figure 1, est équilibrée et centrée sur l'axe X-X du palier 10 à deux roulements, et peut être avantageusement de révolution autour de cet axe X-X. De telles roues d'inertie comportent donc une masse d'inertie 1 ou 9 qui peut être centrée de manière extrêmement précise par rapport au palier de 10 roulement 2 ou 10, car l'équilibrage et le centrage de la masse d'inertie 1 ou 9 qui intègre l'unique bague externe 5 ou interne 4 du palier de roulement 2 ou 10, ainsi que leur bonne tenue dans le temps après avoir subi de sévères environnements vibratoires, sont facilités par rapport aux réalisations de l'état de la technique. La fabrication d'une telle masse d'inertie 1 ou 9 permet de 15 réduire les balourds et de s'affranchir des problèmes de liaison entre la masse d'inertie et la bague tournante du ou des roulements, dont la masse d'inertie est solidaire en rotation. Une telle masse d'inertie I ou 9 est particulièrement adaptée à la réalisation de roues d'inertie tournant à vitesse élevée, comme celles utilisées 20 sur des petits satellites qui, du fait de leur faible masse et inertie, sont très sensibles aux micro-vibrations. REVENDICATIONS 1. Roue d'inertie, pour véhicule spatial, la roue comprenant au moins une masse d'inertie (1, 9) montée en rotation par un palier à au moins un 5 roulement (2, 10) dont la partie fixe est destinée à être fixée sur ledit véhicule spatial, caractérisée en ce que ladite au moins une masse d'inertie (1, 9) intègre au moins une bague tournante (5, 14) dudit palier (2, 10), ladite bague tournante (5, 14) étant rendue solidaire sans jeu de ladite masse d'inertie (1, 9). 2. Roue d'inertie selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite bague tournante (5, 14) et ladite masse d'inertie (1, 9) sont constituées d'une seule pièce, ou de plusieurs pièces frettées ensemble, ou assemblées par toute technique permettant de supprimer tout jeu relatif entre les pièces. 3. Roue d'inertie selon la revendication 2, caractérisée en ce que ladite 15 masse d'inertie (1) est d'une seule pièce ou frettée ensemble ou assemblée sans jeu avec au moins une bague externe (5) dudit palier (2). 4. Roue d'inertie selon la revendication 3, caractérisée en ce que ladite masse d'inertie (1) est d'une seule pièce ou frettée ensemble ou assemblée sans jeu avec une unique bague externe (5) dudit palier (2). 5. Roue d'inertie selon la revendication 2, caractérisée en ce que ladite masse d'inertie (9) est d'une seule pièce ou frettée ensemble ou assemblée sans jeu avec au moins une bague interne (14) dudit palier (10). 6. Roue d'inertie selon la revendication 5, caractérisée en ce que ladite masse d'inertie (9) est d'une seule pièce ou frettée ensemble ou assemblée 25 sans jeu avec une unique bague interne (14) dudit palier (10) . 7. Roue d'inertie selon l'une quelconque des revendication 1 à 6, caractérisée en ce que le palier est un palier à un roulement comprenant une seule rangée d'élément roulants à quatre points de contact avec les bagues interne et externe du palier. 8. Roue d'inertie selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que le palier est un palier de roulement à deux rangées d'éléments roulants (7a, 7b; 15a, 15b), à billes ou à rouleaux coniques, montés face-à-face ou de préférence dos-à-dos. 9. Roue d'inertie selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que ladite masse d'inertie (1 ou 9) comprend: - un voile (4, 12) plein ou avec rayonnage en bâtons, de préférence de forme conique ou de toute autre forme radiale, par rapport à l'axe (X-X) du palier (2, 10) et qui est d'une seule pièce ou fretté ensemble ou assemblé sans jeu avec ladite bague tournante d'au moins un des roulements du palier (5, 14), - une jante (3, 11) périphérique externe, d'une seule pièce ou frettée ensemble ou assemblée sans jeu avec ledit voile (4, 12). 10. Roue d'inertie selon la revendication 8, caractérisée en ce que le palier de roulement est un palier préchargé, de préférence dos-à-dos, ou face-àface, à deux rangées d'éléments roulants, billes ou rouleaux coniques 15 (7a/7b,15a/15b), axialement espacées l'une de l'autre entre une unique bague tournante (5, 14) et deux bagues fixes (6a/6b, 13a/13b) séparées ou non l'une de l'autre par au moins une entretoise axiale (8, 16). 11. Roue d'inertie selon la revendication 10, caractérisée en ce que ledit palier de roulement (2, 10) est un roulement à deux rangées de billes ou 20 rouleaux coniques (7a/7b,15a/15b), à contact oblique ou à gorges profondes, entre ladite bague externe tournante (5, 14) et les deux bagues internes fixes (6a/6b, 13a/ 13b).