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STABILISATION 3-AXES |
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CONTENU : Mis à jour 17 août 2000I DOMAINES D'APPLICATION
II CONCEPTS ADOPTES
III LES ROUES DE REACTION
IV EXEMPLES DE DESATURATION |
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NB 1: Le lecteur se reportera au cours sur le
mouvement de Poinsot, pour revoir les définitions et conventions d'écriture éventuellement utilisées dans cette page.Nous profitons du sujet pour exposer le principe des roues de réaction.
Ce type de SCAO n'utilise pas le principe de raideur gyroscopique qui ne pourrait convenir, notamment dans les rcas suivants :
Satellites devant manœuvrer aux grands angles, soit en phase d'acquisition soit devant opérer pour les besoins de la mission, des basculements importants.
Présence de couples perturbateurs externes importants
Présence de couples perturbateurs internes notables(enregistreurs, gradient de gravité,...)
En cas de moments d'inertie élevés, entraînant un gradient de gravité important ou des manoeuvres à couples élevés.
Missions demandant de très grandes précisions de pointage ( télescopes, imagerie spatiale,...)
Le contrôle d'attitude impose alors une détection sur tous les axes et donc une MESURE 3 AXES par gyros et/ou senseurs externes, généralement les 2 c'est à dire OPTICO-INERTIELLE, pour des raisons déjà exposées et que nous rappelons :
1°) MESURE 3-AXES :
Les gyros ont une estimation court terme à faible bruit et grande bande passante. Le long terme voit cependant les performances se dégrader par le phénomène classique et inévitable des dérives.
Les senseurs externes fournissent constamment une mesure fiable, mais bruitée et à bande passante étroite.
La MESURE OPTICO-INERTIELLE dite HYBRIDATION GYROS-SENSEURS permet de rassembler toutes les qualités des deux systèmes tout en éliminant leurs défauts. Voir OBSERVATEUR DE MESURE
Donc mesure peu bruitée, à grande bande passante, fiable à long terme.
2°) CONTRÔLE 3-AXES :
Le contrôle peut alors utiliser soit:
Des ACTIONNEURS INTERNES 3 AXES : roues de réaction, CMG.
Des actionneurs externes tuyères, magnétocoupleurs,...
Le principe est toujours le même et consiste à utiliser des corps tournants pouvant échanger "du moment cinétique" avec le corps principal à stabiliser, le satellite. Les roues contrairement aux volants n'ont au départ pas de spin et fonctionnent donc autour de zéro.
Si les couples par leur action continues arrivent à saturer les roues( vitesse angulaire qui croît en moyenne), une désaturation est alors nécessaire qui utilise alors d'autres actionneurs.
1°) EQUATIONS EN POINTAGE INERTIEL FAIBLES VITESSES :
Les notations sont les mêmes que pour la
stabilisation par moment, le lecteur s'y rendra et adaptera les équations pour obtenir :
Imaginons par exemple que la perturbation Cx contiennent une petite composante constante en axes satellite, alors le moment cinétique de la roue va croître en moyenne :
C'est la SATURATION qui oblige à utiliser pendant un temps assez bref, les tuyères en continu pour désenrouler la roue qui réagit pour "contrer" le couple tuyère. C'est la DESATURATION.
2°) EQUATIONS EN POINTAGE TERRE FAIBLES VITESSES ET PETITS ANGLES :
Le lecteur ira consulter la notion de
pointage terre. La dynamique est régie par les équations :
Il apparaît le couple perturbateur, les couples de commande des roues et des termes de couplage de type gyroscopique entre les moments roues et le mouvement orbital.
a) Comment se comportent les roues ?
La stabilisation étant supposée réalisée, p, q, r sont donc petits et de moyenne nulle. Les équations peuvent donc s'écrire plus simplement :
En mouvement libre l'intégration donne sans difficulté le résultat et une trajectoire circulaire du point (HZ, HX):
En présence de couples constants en axes satellite
:Il est clair que le système donnant l'évolution des moments, possède une solution constante qui ne fait que décaler le centre du cercle solution du mouvement libre.
b) CORRECTION PAR BIAIS ROUES :
Pour les couples constants en axes satellites, bien identifiés, la correction de ces couples est réalisée par une vitesse angulaire prédéfinie de chaque roue, roues qui ne travaillent plus autour de zéro, mais autour de vitesses petites vérifiant :
Naturellement les roues et leur vitesse sont prédimensionnées pour que le point choisi soit dans le domaine d'utilisation des roues.
c) CAS DES COUPLES SINUSOÏDAUX EN AXES SATELLITES :
C'est le cas de couples inertiels constants qui vont fournir des composantes sinusoïdales en axes satellites. Il s'établit donc une résonance, parfaitement démontrée par les mathématiques, pour ce genre de système admettant
wo pour pulsation propre. VOIR RESOLUTIONLe résultat est une divergence du moment cinétique des roues, ce qui entraîne nécessairement des périodes de désaturation, soit par tuyères soit par bobines magnétiques.
1°) DEFINITION DE LA DESATURATION :
Une roue ou un volant cinétique ou un gyroscope d'un CMG, sont caractérisés par :
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- un axe - une inertie - une vitesse angulaire |
Ou encore un vecteur moment cinétique H |
L'effet des couples perturbateurs est de modifier les vitesses angulaires, jusqu'à atteindre une valeur interdite. Il faut alors ramener la vitesse angulaire à sa valeur initiale de fonctionnement de début de stabilisation. C'est cette opération qui porte le nom de DESATURATION.
2°) COMMENT DESATURER ?
Comme le contrôle ne supporte pas de rester longtemps inactif, la désaturation doit être rapide. On exerce donc des couples volontaires de niveau élevé, choisis de telle façon que sous le contrôle des roues, celles-ci se "désenroulent" pour contrer cet effet volontaire perturbateur.
Des tuyères peuvent être utilisées, présentant l'inconvénient d'une consommation d'ergols qui peut nuire à la durée de vie du satellite.
Pour SPOT c'est avec des bobines magnétiques que l'opération est réalisée.
3°) EXEMPLE DE SPOT :
Nous savons que SPOT,
satellite héliosynchrone, est quasiment en orbite polaire et "voit" le champ magnétique terrestre presque uniquement sur les axes X et Z. VOIR DETAILS CHAMP TERRESTRE
En simplifié le champ terrestre apparaît comme suit :
Le satellite est équipé de bobines commandées dites
magnéto coupleurs . La commande permet de faire varier le moment magnétique M = [MX MY MZ ]L'interaction avec le champ magnétique terrestre génère un couple
Gmagn qui peut être utilisé en commande ou en désaturation.
NB : Les couples
G1 et G3 visiblement ne peuvent fonctionner ensemble et seront utilisés de manière alternée, au passage pôle pour G1 ( désaturation roue lacet ) et passage équateur pour G3 ( désaturation roue roulis ).Une bobine d'axe roulis, de moment MX, désature donc au passage équateur la roue de tangage.
CONCLUSION :
La technique ne demande en réalité que 2 bobines:
Sur l'axe de tangage, de moment MY, pour désaturer alternativement les roues lacet et roulis.
Sur l'axe de roulis, de moment MX, pour désaturer la roue tangage.
Guiziou Robert août 2000
