Lorsque le contrôle actif est nécessaire, l'utilisation de tuyères commandées est un des moyens d'une stabilisation relativement simple.

Une tuyère est un actionneur "TOUT ou RIEN", donnant une poussée ou nulle ou constante et égale à sa valeur maximum.

Pour ne pas perturber la trajectoire du véhicule, il ne faut pas créer de résultante et donc générer uniquement un COUPLE PUR. Pour cela on associe les tuyères 2 par 2 en positions symétriques sur le satellite et donnant des poussées opposées.

Ce mode de stabilisation est particulièrement adapté aux stations spatiales nécessitant des couples importants.

Considérons une commande simple sur un paramètre angulaire noté F mesuré autour d'un axe D. Le couple G peut prendre 2 valeurs C_X ou - C_X.

1°) DETECTION ET MESURE:

a) En pointage inertiel :

Les missions interplanétaires se prêtent bien à ce type de mesure, car il n'y a pas de risque d'occultation des étoiles visées lorsque celles-ci sont bien choisies.

b) En pointage Terre :

Le repère de référence et le repère local tournant à la pulsation orbitale w_o ( pour une orbite circulaire).

Le senseur de lacet est le plus souvent un senseur solaire en mesure discontinue ou un senseur d'étoile polaire pour une orbite équatoriale.

2°) COMMANDE :

a) La méthode de la commande "TOUT OU RIEN A SEUIL" consiste, dans le plan de phase à utiliser une DROITE DE COMMUTATION d'équation :

Une électronique élabore la commande d'un couple > 0 ou < 0 suivant le signe de la quantité ci-dessus.

Le résultat du contrôle apparaît sur la figure, où l'on voit une suite d'arcs de parabole spiraler autour du point (0, 0) pour ramener la variable F à 0.

EXPLICATION : A gauche Cx = C, l'équation du mouvement est donnée, dans les 2 cas par :

Ce sont des morceaux de parabole qui se raccordent et qui entourent l'origine, ultime but dont il faut se rapprocher.

3°) LE CAS REEL :

En pratique les mesures sont bruitées ( surtout la vitesse angulaire ) et la technologie impose alors d'utiliser une zone morte où les tuyères sont désactivées. Deux droites de commutation sont alors nécessaires, ce qui ne complique pas outre mesure la logique de l'asservissement.

Le lecteur adaptera 2°) pour comprendre 3°).

Le résultat, dans le plan de phase, conduisant à un cycle limite, est visible ci-dessous :

b) Commande linéaire de type PD :

Classique et faisant l'objet de tout cours d'automatique, nous la rappelons pour mémoire:

qui introduit un rappel élastique et un amortissement visqueux qu'il faut optimiser par un bon choix des constantes K1 et K2, en fonction des caractéristiques mécaniques du véhicule.

Les calculs portent sur un cas réel avec application numérique.

Donnons un exemple .

1°) PROPULSEURS A GAZ FROID :

La tuyère fonctionne par détente au travers d'une tuyère, d'un gaz dit "froid" (butane, propane, azote,...) stocké sous pression sous forme liquide ou gazeuse.

2°) POUSSEE ET COMMANDE :

a) La poussée :

Les actionneurs à tuyères délivrent une force F convertie en impulsion après intégration, impulsion qui dépend du temps d'ouverture.

Le temps Tmin correspond au décollement des électrovannes. Il est recommandé d'éviter les faibles impulsions car la consommation est prohibitive pour un résultat trop faible.

b) Direction de la poussée :

Le plus souvent les tuyères sont implantées de manière rigide sur la structure du satellite et la poussée a alors une orientation fixe par rapport au satellite.

Il existe des systèmes à tuyères mobiles où naturellement la direction peut être pilotée à la demande. C'est de le cas de l'IUS.

c) Commande des électrovannes :

La commande peut être de 2 types :

MODULATION DE LARGEUR : Les temps d'ouverture d'une électrovanne est modulé, les séquences consécutives sont cadencées par un échantillonnage.

MODULATION DE FREQUENCE : Les durées d'ouvertures sont identiques, mais leur répartition est modulée dans le temps.

1° ) MOTEURS A GAZ FROID :

L'usage est réservé au contrôle d'attitude. Le problème capital en SCA est la durée de vie, qui atteint aujourd'hui 15 ans et demande outre une grande réserve d'ergols, une étanchéité parfaite des réservoirs ce qui est un point technologique très délicat .

Les poussées utilisées sont faibles 0.1 N à quelques N.

Ils sont utilisés en contrôle d'attitude et en mode initial d'acquisition.

2° ) MOTEURS MONOERGOL (Hydrazine) :

Ils comprennent de l'hydrazine et un catalyseur, la poussée s'obtenant par décomposition catalytique. Les poussées obtenues et les applications sont variées :

3° ) MOTEURS BI-ERGOLS :

4° ) MOTEURS A POUDRE :

5° ) MOTEURS IONIQUES :

Ils fonctionnant sur le principe d'extraction des ions d'un métal (Césium, Mercure, ..) ou gaz(Xénon..), par un champ électrique. L'expulsion est à très faible débit, mais la vitesse très grande. Une impulsion spécifique de l'ordre de 10000 s ( vitesse de 100 000 m/s) est obtenue.

La poussée faible de 0.01 N à 0.1 N est utilisée en contrôle d'attitude fin ou classique.

Dans le contrôle d'attitude des stellites spinnés, des tuyères fixées sur le satellite fonctionnent pendant le spin, ce qui étale la poussée.

Nous allons définir le facteur d'efficacité.

Le point de départ est le théorème du moment cinétique appliqué en axes inertiels:

Le signal de déclenchement des tuyères est donné d'après une référence soleil, de manière à ce que la variation de H soit bien positionnée.

Les tuyères sont aussi utilisées dans d'autres modes de stabilisation, comme celui par MOMENT CINETIQUE EMBARQUE. Elles sont alors sollicitées en mode impulsionnel de quelques ms (typiquement 50 à 100 ms), pour corriger un moment cinétique ou annuler une nutation.

Guiziou Robert 15 novembre 2000

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