Brevet FR3126403A1 — publié le 20230303

L’invention concerne un système d’orientation dans un engin spatial, pour l’orientation d’un dispositif électrique (1) alimenté par des câbles électriques, le système comprenant : - au moins deux actionneurs rotatifs (2a, 2b) d’axes (Δa, Δb) non parallèles, - une pièce de jonction (5) entre les deux actionneurs rotatifs, l’un des actionneurs (2a) étant relié au dispositif électrique (1) et à la pièce de jonction (5), l’autre actionneur (2b) étant relié à la pièce de jonction (5) et à un bâti (4) de l’engin spatial, - une ou plusieurs fourches de guidage (6,), fixées chacune à la pièce de jonction (5) et comprenant des doigts (9a, 9b, 9c) configurés pour supporter les câbles électriques et former un chemin de guidage pour lesdits câbles de façon à ce que les câbles électriques n’exercent jamais, sur les actionneurs rotatifs (2a, 2b), un couple supérieur à la capacité de couple desdits actionneur. Figure d’abrégé : fig. 1 Système d’orientation pour dispositif électrique d’un engin spatial. La présente invention concerne les systèmes spatiaux et en particulier l’aménagement des dispositifs alimentés en électricité tels que les moteurs ioniques sur des engins spatiaux. Etat de l’art Dans le domaine spatial, certains dispositifs électriques, tels que les moteurs ioniques, nécessitent l’utilisation de câbles électriques de diamètre important pouvant supporter un fort ampérage et/ou un fort voltage. Il peut être nécessaire de pouvoir orienter certains dispositifs électriques, en particulier les moteurs ioniques pour le réglage de la direction de leur force de propulsion. Une contrainte dans le domaine spatial est notamment que les parties constitutives d’un engin spatial doivent pouvoir résister à de fortes accélérations et vibrations pouvant apparaître aux phases de lancement ou de largage. De plus, dans le domaine spatial, les mouvements relatifs des parties constitutives d’un engin spatial doivent généralement permettre une répétitivité sur une durée de plusieurs années, sans qu’il ne soit possible d’effectuer des opérations de maintenance. Les systèmes spatiaux doivent ainsi présenter un haut niveau de fiabilité et de robustesse. On connaît le document US 6,025,815 intitulé « drive unit for adjusting satellite components requiring orientation » qui enseigne un système d’orientation grâce à des actionneurs linéaires agencés en parallèle et à des bielles. Présentation de l’invention La présente invention vise à fournir un système d’orientation amélioré, pour l’orientation d’un dispositif électrique tel qu’un moteur ionique. Pour ce faire, l’invention propose un système d’orientation pour l’orientation d’un dispositif électrique dans un engin spatial, lequel dispositif électrique est alimenté et/ou contrôlé par des câbles électriques. Le système d’orientation selon l’invention est caractérisé en ce qu’il comprend : - au moins deux actionneurs rotatifs pour l’orientation du dispositif électrique autour de deux axes de rotation non parallèles, - une pièce de jonction entre les deux actionneurs rotatifs, l’un des actionneurs rotatifs étant relié d’une part au dispositif électrique et d’autre part à la pièce de jonction, l’autre actionneur rotatif étant relié d’une part à la pièce de jonction et d’autre part à un bâti de l’engin spatial, et - une ou plusieurs fourches de guidage, chacune desdites fourches de guidage étant fixée à la pièce de jonction et comprenant des doigts configurés pour supporter les câbles électriques et délimiter entre les doigts un chemin de guidage pour lesdits câbles électriques ; de plus, chaque fourche de guidage est disposée de façon à ce que, quelles que soient les positions des actionneurs rotatifs, les câbles électriques exercent, sur chacun des actionneurs rotatifs, un couple qui est inférieur à une capacité de couple de l’actionneur rotatif. L’invention propose donc un système d’orientation dont l’architecture combine deux moteurs rotatifs (ou plus), montés en série par l’intermédiaire d’une pièce de jonction, et au moins une fourche de guidage. Le guidage des câbles électriques du dispositif à orienter par la ou les fourches de guidages permet de maintenir les câbles du dispositif électrique dans un espace restreint (le chemin de guidage), afin d’éviter que ceux-ci n’entrent en contact avec d’autres équipements de l’engin spatial agencés à proximité. Ce confinement (maintien dans un espace restreint) des câbles est en particulier très utile lors des phases de lancement et de largage de l’engin spatial, durant lesquelles les câbles du dispositif électrique subissent de fortes vibrations pouvant aller jusqu’à provoquer la rupture d’un câble ou endommager les équipements alentour. Cet aménagement des câbles selon l’invention rend le système résistant à des vibrations et efforts de poussée importants. Du fait de leur raideur (en particulier dans le cas de câbles de gros diamètre), les câbles exercent des couples résistifs sur les actionneurs rotatifs. S’il est utile durant les phases de lancement et de largage, le confinement des câbles pourrait au contraire être considéré comme négatif durant des phases de fonctionnement (lorsque les actionneurs sont activés) en ce qu’il risque d’amplifier les couples qu’exercent les câbles sur les actionneurs rotatifs. L’utilisation de fourches de guidage selon l’invention permet de pallier cet inconvénient d’une part en supportant les câbles, en maîtrisant leur position et leur courbure, et d’autre part en limitant les contraintes et notamment les efforts de frottement subis par les câbles ou les couples exercés par les câbles. L’utilisation d’une ou plusieurs fourches de guidage selon l’invention permet ainsi de conserver des couples résistifs réduits exercés par les câbles sur les actionneurs rotatifs. La puissance nécessaire pour les actionneurs rotatifs est ainsi optimisée. Il en résulte un gain de masse et une économie énergétique significatifs. De surcroît, un haut niveau de fiabilité et de robustesse du système est obtenu, de sorte que de nombreux mouvement répétitifs peuvent être exécutés sans opération de maintenance. Un autre avantage de l’invention est que le système d’orientation permet de faire varier à volonté la direction des axes du dispositif électrique et de placer le dispositif dans n’importe quelle position souhaitée. Il permet en effet de faire pivoter le dispositif autour de deux axes de rotation sur des angles importants, par exemple de +/- 25° (par rapport à une position initiale servant référence), et même jusqu’à 180° dans les deux sens, l’amplitude angulaire maximale n’étant pas limitée par l’architecture du système d’orientation. Le système d’orientation selon l’invention permet aussi de résoudre d’éventuels problèmes de conflits entre les câbles électriques du dispositif électrique et les équipements situés alentour et/ou de libérer des espaces pour l’aménagement d’autres équipements, en limitant le volume dans lequel lesdits câbles peuvent se mouvoir. Selon une caractéristique possible de l’invention, les câbles électriques sont libres de glisser par rapport aux doigts de chaque fourche de guidage. En particulier, aucun organe de maintien limitant le déplacement des câbles selon la direction longitudinale desdits doigts n’est prévu. De même, les câbles sont avantageusement laissés libres de glisser relativement aux doigts à travers la fourche, selon la direction de cheminement desdits câbles. Cette caractéristique permet de minimiser les couples résistifs qu’exercent les câbles sur les actionneurs rotatifs. Selon une caractéristique possible de l’invention, pour l’une ou chacune des fourches de guidage, les doigts de ladite fourche de guidage sont rectilignes et parallèles entre eux. En revanche, les doigts des fourches de guidage peuvent ne pas être parallèles d’une fourche à une autre. Par exemple, les doigts d’une première fourche s’étendent tous selon une première direction tandis que les doigts d’une deuxième fourche s’étendent tous selon une deuxième direction. Selon une caractéristique possible de l’invention, pour l’une ou chacune des fourches de guidage, les doigts de ladite fourche de guidage sont coplanaires. Tous les doigts de la fourche sont par exemple dans un plan transversal orthogonal à la direction axiale de la pièce de jonction à l’endroit où le plan de la fourche coupe la pièce de jonction. A noter la direction axiale de la pièce de jonction n’est de préférence pas rectiligne : elle suit une courbe qui passe de l’axe de rotation de l’un des actionneurs à l’axe de rotation de l’autre actionneur. Selon une caractéristique possible de l’invention, pour chacune des fourches de guidage, les doigts de ladite fourche de guidage dépassent par rapport aux câbles de façon à interdire auxdits câbles de sortir de leur chemin de guidage. En d’autres termes, si l’on considère l’ensemble que forment les câbles reçus entre deux doigts consécutifs d’une fourche et que l’on nomme « largeur » la dimension que présente cet ensemble de câbles selon la direction longitudinale des doigts de la fourche, la longueur des doigts est supérieure à la largeur de l’ensemble de câbles, avec une marge suffisante pour que, quelles que soient les positions des actionneurs rotatifs, tous les câbles restent positionnés entre les doigts de la fourche même si les câbles sont laissés libre de glisser par rapport aux doigts. Selon une caractéristique possible de l’invention, les axes de rotation des actionneurs rotatifs sont séquents ; ils se coupent en un point dit centre d’intersection. Cette architecture présente l’avantage de la compacité. On pourrait en variante avoir des axes de rotation non coplanaires et non séquents. Selon une caractéristique possible de l’invention, au moins l’une ou chacune des fourches de guidage présente un axe principal qui passe par le centre d’intersection des axes de rotation des actionneurs rotatifs. A l’utilisation, sous l’effet de la rotation des actionneurs activés pour ajuster la position du dispositif électrique, les câbles électriques du dispositif qui s’étendent entre le bâti et ledit dispositif sont déplacés ; au fur et à mesure de la rotation des actionneurs, l’amplitude de déplacement des câbles décrit une sorte de vague. L’agencement de la ou des fourches de façon à ce que leur axe principal passe par le centre d’intersection des axes de rotation des actionneurs permet de minimiser la hauteur de cette vague. De plus un tel agencement permet de minimiser les mouvements des câbles transversalement aux doigts. Selon une caractéristique possible de l’invention, la ou les fourches de guidage sont configurées pour recevoir au moins deux nappes superposées de câbles électriques, les câbles dans chacune des nappes étant disposés côte à côte. De préférence, lorsque les câbles sont ainsi organisés en deux nappes superposées, au moins l’une- ou de préférence chacune- des fourches comprend trois doigts, délimitant deux intervalles, chaque intervalle recevant l’une des deux nappes de câbles. Il n’est pas exclu de prévoir, en variante, que l’une (ou éventuellement plusieurs) des fourches ne comprenne que deux doigts, c’est-à-dire un seul intervalle recevant les deux nappes posées l’une sur l’autre. Le mode de réalisation utilisant des fourches à trois doigts est cependant préféré car la séparation des deux nappes dans deux intervalles distincts supprime les frottements entre les nappes au profit de frottements entre chaque nappe et les doigts qui l’entourent, lesquels frottements nappe contre doigts sont plus faciles à maîtriser (et donc à minimiser). Selon une caractéristique possible de l’invention, dans un mode réalisation qui comprend plusieurs fourches de guidage, celles-ci sont régulièrement le long de la direction axiale des câbles, de façon à avoir, pour chaque câble, des tronçons de câble sensiblement de même longueur entre deux points de support. Ceci permet de mieux répartir le poids des câbles sur la pièce de jonction et donc d’optimiser son design et son dimensionnement. Plus particulièrement, si le système ne comprend qu’une seule fourche, il est souhaitable que ladite fourche soit située sensiblement au milieu des câbles, c’est-à-dire en moyenne sensiblement à égale distance des deux extrémités des câbles (bien entendu, selon les positions des actionneurs, le milieu des câbles peut passer d’un côté ou de l’autre de la fourche, c’est pourquoi on parle de « moyenne »). Si le système comprend trois fourches ou plus, là encore, les fourches peuvent être agencées de façon à être régulièrement réparties sur toute la longueur des câbles. En variante, il peut être préféré que les fourches soient régulièrement réparties le long de la pièce de jonction, indépendamment des distances existant d’une part entre le dispositif électrique et la pièce de jonction et de d’autre part entre le bâti et la pièce de jonction. Dans cette variante, pour un même câble donné, les tronçons de câble situés entre deux fourches auront des longueurs similaires, mais on pourra avoir, du côté du dispositif électrique ou du côté du bâti, un premier tronçon de câble éventuellement plus grand ou plus petit que les tronçons de câbles entre deux fourches. De façon usuelle, chaque actionneur rotatif comprend un rotor et un stator, et chaque actionneur dispose d’un harnais d’alimentation et de contrôle relié à son stator. Selon une caractéristique possible de l’invention, la pièce de jonction est fixée d’une part au stator de l’actionneur qui est relié au dispositif électrique et d’autre part au rotor de l’actionneur rotatif qui est relié au bâti de l’engin spatial. Cette caractéristique permet avantageusement d’optimiser les positions des actionneurs par rapport à leur harnais d’alimentation. Ainsi cela permet de limiter le chemin parcouru et les efforts exercés par le harnais d’alimentation et de contrôle de l’actionneur qui est disposé entre le dispositif électrique et la pièce de jonction. Il est bien sûr possible d’agencer les actionneurs rotatifs différemment, c’est-à-dire par exemple de fixer chacun des deux actionneurs à la pièce de jonction par son stator, ou inversement par son rotor. L’invention s’étend à un engin spatial comprenant au moins un dispositif électrique à orienter, en particulier un moteur ionique, et au moins un système d’orientation tel que précédemment décrit pour l’orientation dudit moteur ionique. Brèves description des figures : L’invention, selon un exemple de réalisation, sera bien comprise et ses avantages apparaitront mieux à la lecture de la description détaillée qui suit, donnée à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels : La est une vue schématique en perspective d’un premier mode de réalisation d’un système d’orientation selon l’invention. La est une vue schématique de profil d’un second de mode de réalisation d’un système d’orientation selon l’invention. La est une vue schématique de dessus du second mode de réalisation de la . Les éléments identiques représentés sur les figures précitées sont identifiés par des références numériques identiques. Système d’orientation pour l’orientation d’un dispositif électrique (1) dans un engin spatial (100), lequel dispositif électrique (1) est alimenté et/ou contrôlé par des câbles électriques (7a-7e, 7f), caractérisé en ce qu’il comprend : - au moins deux actionneurs rotatifs (2a, 2b) pour l’orientation du dispositif électrique (1) autour de deux axes de rotation (Δa, Δb) non parallèles, - une pièce de jonction (5) entre les deux actionneurs rotatifs, l’un des actionneurs rotatifs (2a) étant relié d’une part au dispositif électrique (1) et d’autre part à la pièce de jonction (5), l’autre actionneur rotatif (2b) étant relié d’une part à la pièce de jonction (5) et d’autre part à un bâti (4) de l’engin spatial, et - une ou plusieurs fourches de guidage (6, 6a, 6b), chacune desdites fourches de guidage étant fixée à la pièce de jonction (5) et comprenant des doigts (9a, 9b, 9c ; 10a, 10b, 10c) configurés pour supporter les câbles électriques (7a-7f) et délimiter entre les doigts un chemin de guidage pour lesdits câbles électriques (7a-7f), et en ce que chaque fourche de guidage (6, 6a, 6b) est disposée de façon à ce que, quelles que soient les positions des actionneurs rotatifs (2a, 2b), les câbles électriques (7a-7f) exercent, sur chacun des actionneurs rotatifs (2a, 2b), un couple qui est inférieur à une capacité de couple de l’actionneur rotatif. Système d’orientation selon la revendication 1, dans lequel les câbles électriques (7a – 7f) sont libres de glisser par rapport aux doigts (9a, 9b, 9c ; 10a, 10b, 10c) de chaque fourche de guidage (6, 6a, 6b). Système d’orientation selon l’une des revendications 1 ou 2, dans lequel, pour chaque fourche de guidage (6, 6a, 6b), les doigts (9a, 9b, 9c ; 10a, 10b, 10c) de ladite fourche de guidage sont rectilignes et parallèles entre eux. Système d’orientation selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel, pour chaque fourche de guidage (6, 6a, 6b), les doigts (9a, 9b, 9c ; 10a, 10b, 10c) de ladite fourche de guidage dépassent par rapport aux câbles (7a – 7f) de façon à interdire auxdits câbles de sortir de leur chemin de guidage. Système d’orientation selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel les axes de rotation (Δa, Δb) des actionneurs rotatifs (2a, 2b) sont séquents en un centre d’intersection (16). Système d’orientation selon la revendication 5, dans lequel au moins l’une des fourches de guidage (6a, 6b, 6c) présente un axe principal qui passe par le centre d’intersection (16) des axes de rotation (Δa, Δb) des actionneurs rotatifs (2a, 2b). Système d’orientation selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel au moins l’une des fourches de guidage (6a, 6b) comprend trois doigts délimitant deux intervalles pour recevoir au moins deux nappes (8a, 8b) superposées de câbles électriques (7a-7f), les câbles dans chacune des nappes (8a, 8b) étant disposés côte à côte. Système d’orientation selon l’une des revendications 1 à 7, dans lequel les fourches de guidage (6a, 6b) sont régulièrement réparties le long d’une direction axiale des câbles de façon à avoir, pour chaque câble, des tronçons de câble sensiblement de même longueur entre deux points de support. Système d’orientation selon l’une des revendications 1 à 8, dans lequel chaque actionneur rotatif comprend un rotor et un stator et la pièce de jonction (5) est fixée d’une part au stator de l’actionneur (2a) qui est relié au dispositif électrique (1) et d’autre part au rotor de l’actionneur rotatif (2b) qui est relié au bâti (4) de l’engin spatial. Engin spatial (100) comprenant au moins un moteur ionique (1) et au moins un système d’orientation selon l’une des revendications 1 à 9 pour l’orientation dudit moteur ionique.