Commande des systèmes et dynamique du vol

Commande d'attitude des satellites par gyrodynes

Quand les toupies ne sont plus des jouets...

Pendule gyroscopique inversé
(grand format : 120 Ko)

Principe de fonctionnement 

Les actionneurs gyroscopiques également appelés gyrodynes (CMG : Control Moment Gyro) constituent un nouveau système d'actionneurs qui permettent de générer des couples dynamiques de commande de basculement d'attitude d'un satellite. Ces couples de nature gyroscopique sont produits par une commande des vitesses de précession d'une famille de toupies gyroscopiques montées sur le véhicule.

Examinons le pendule gyroscopique présenté ci-dessus: il est constitué d'une toupie enclose dans un carter en aluminium (partie centrale) et d'une commande de précession (moteur d'entraînement situé à droite). Le tout peut tourner autour d'un axe horizontal. Dans la position actuelle, l'équipage mobile est en appui sur des supports. L'expérience consiste à le rappeler vers la position d'équilibre (instable) en mettant la toupie en rotation et en créant un couple autour de l'axe horizontal de support grâce à la commande du moteur de précession. On remarquera que ceci n'est possible que si, initialement, l'axe de rotation de la toupie n'est pas aligné avec l'axe horizontal: le couple de commande disponible est proportionnel à la vitesse de précession et au sinus de l'angle relatif entre l'axe de la toupie et l'axe horizontal. Ainsi la photographie montre le pendule dans la configuration où le couple de rappel vers l'équilibre est maximum.

Utilisation comme actionneurs de contrôle d'attitude

On distingue les gyrodynes 1-axe (une seule vitesse cardan commandée par toupie, en précession) dont le couple moteur est directement transmis au satellite par les bâtis et les gyrodynes 2-axes montés sur un double cardan avec vitesses de précession et nutation commandées. Dans ce cas, l'effet d'amplification de couple - le fait qu'un faible couple autour de l'axe de précession produise un fort couple autour de l'axe perpendiculaire - est moins important car le moteur de précession autour d'un des axes doit surpasser les couple de précession produit par l'autre. Les études menées au DCSD portent principalement sur les "grappes" : ensemble de gyrodynes 1-axe commandés simultanément.

Une architecture typique pyramidale à quatre gyrodynes a été de développée dans un but pédagogique (visualisation des mouvements des gyrodynes), avec le soutien de la DGA/Spoti et du Conseil Régional Midi-Pyrénées : une photo de ce banc expérimental dénommé TETRAGYRE est présentée ci-après, et deux animations sont proposées ici. 

L'utilisation de ces actionneurs suppose la maîtrise de nombreuses difficultés : 

• non linéarité variable de la relation entre vitesses de précessions commandées et couple gyroscopique résultant produit

• tendance naturelle à l'annulation de la capacité motrice du système (le principe érecteur des "grappes" gyroscopiques amène naturellement les toupies en configuration singulière)

• utilisation d'une grappe redondante d'au moins 4 toupies pour permettre la reconfiguration du système sans provoquer de basculement du satellite (trajectoire à motricité nulle)

Les grappes redondantes de gyrodynes 1-axe devraient apporter un progrès très net dans la commande d'attitude des satellites volumineux et manoeuvrants pour lesquels les roues d'inertie arrivent en limite de performance (masse et consommation trop importantes). Les études sont financées par la DGA-SPOTI et le CNES.

Banc pédagogique expérimental TETRAGYRE :
plate-forme 3 axes + grappe pyramidale de 4 gyrodynes
(grand format : 120 Ko)

Mis à jour le 30 avril 2004 - © ONERA 2009 - Crédits et conditions d'utilisation