GYROMETRES

Le gyromètre apparaît comme l'élément fondamental de tout système de commande d'attitude, soit en SCAO satellite soit dans les centrales inertielles de lanceur, d'avions, de sous-marins ou de satellites.

I PRINCIPE DU GYROSCOPE 1-AXE:

1°) DESCRIPTION :

Un gyromètre est un capteur électromécanique, dont le carter ( élément sensible ) S2 possède un degré de liberté en rotation (autour de l'axe X de sortie), par rapport à un boîtier dont on veut mesurer l'angle de rotation autour d'un axe dit d'entrée Y.

Nous avons déjà souligné à maintes reprises, le rôle néfaste des couples parasites de frottement dans les paliers ( voir notion de paliers parfaits ). Le gyroscope ci-dessus baigne dans un liquide très visqueux, à une température de l'ordre de 60 à 80 °C, dont le rôle est double :

1- La viscosité importante sert d'amortissement

2- La densité est telle que ce liquide de flottaison donne une poussée d'Archimède qui équilibre le poids apparent. Ce qui réduit les efforts d'appui sur les paliers et donc les couples de frottement.

Un tel dispositif porte bien son de GYROSCOPE FLOTTANT.

2°) EQUIPEMENTS ANNEXES :

Le carter S2 est "surveillé" par un asservissement constitué de capteurs angulaires ( qs autour de X), commandant un moteur couple exerçant un couple de rappel G = -Kqs autour de l'axe X, proportionnel à l'angle de rotation qs.

3°) RELATION FONCTIONNELLE EXACTE :

Appelons w_e la rotation instantanée absolue du boîtier S1, autour de l'AXE D'ENTREE Y.

Faisons l'hypothèse que ce système travaille sur de petits angles et des vitesses angulaires faibles.

Nous pouvons donc parfaitement utiliser le résultat de l'approximation gyroscopique de niveau 1.

Si I désigne le moment d'inertie de S2 autour de X, nous aurons en projection sur l'axe X, pour éliminer le moment des efforts de liaison des paliers :

Suivant le type d'asservissement, nous allons en tirer 2 applications capitales : Le gyromètre capteur de vitesse angulaire ou le gyroscope capteur d'écart angulaire

II LE GYROSCOPE INTEGRATEUR 1-AXE:

Supposons cet appareil dédié à la surveillance d'une plate forme, ce qui rappelons le signifie des écarts angulaires faibles et des vitesses angulaires encore plus faibles (w_x donc<<1 ).

L'amortissement est choisi très fort et le rappel élastique nul ( K = 0 ).

L' équation de fonctionnement devient alors:

Le passage en transformée de Laplace conduit aisément à :

Lorsque le système est stabilisé, il vient la relation caractéristique du capteur:

Cette relation permet de considérer le gyroscope comme un capteur d'angle, et explique pourquoi une centrale peut être surveillée par 3 capteurs de ce type, fonctionnant autour d'angles nul.

VALEURS NUMERIQUES HABITUELLES :

Gain : G = 1 à 7

Constante de temps : t = 1.5 à 6

Dérives autorisant le classement des gyros en classe aéronautique et marine, avec des dérives de l'ordre de 0.01°/h à 0.001°/h.

III LE GYROMETRE:

Autre usage et autre asservissement :

On suppose maintenant une raideur K du couple de rappel très grande :

Si de plus on choisit un rappel très fort tel que e << 1 on obtient

relation qui caractérise un gyromètre, appareil de mesure ou l'angle de sortie est proportionnel à la vitesse angulaire d'entrée. Voilà qui confirme une des affirmations d'Einstein, nous sommes capables de mesurer une vitesse de rotation sans référence extérieure.

IV LE GYROMETRE LASER:

Ce système ne relève pas de la gyroscopie. On ne peut cependant pas le passer sous silence. Les explications que je donne ne sont qu'une "certaine vision simplifiée" du phénomène utilisé. Le lecteur averti et désireus d'en savoir plus contactera la SAGEM ou les ouvrages spécialisés de M RADIX.

Essayons tout de même.

Un système d'électrodes ionise un milieu gazeux, dans un tube capillaire très rigide, souvent triangulaire.

L'ensemble optique avec des miroirs à chaque changement de direction oriente un système d'ondes de résonance qui se propage dans le gaz.

En sortie il se produit des franges d'interférences et un codeur optoélectronique analyse le système des franges.

La théorie montre que ce système est directement relié à la vitesse angulaire du triangle autour d'un axe normal à son plan.

Le dispositif peut servir comme gyromètre ou comme gyroscope intégrateur détecteur d'angle.

QUALITES ESSENTIELLES :

Domaine de mesure très grand

Linéarité et stabilité remarquables

Totale insensibilité aux accélérations du véhicule porteur

Erreur de mesure < 0.01 °/heure.

DEFAUT :

Encombrement important

USAGE :

Centrales inertielles et composants montés en STRAPDOWN ( directement sur la struvture d'un véhicule )

Guiziou Robert décembre 2000, sept 2011

Version Word 97 disponible sous gyrometres.doc