Commande des systèmes et dynamique du vol
Commande d'attitude des satellites par
gyrodynes
Quand les toupies ne sont plus des jouets...
Ce projet n'est plus d'actualité, mais ces pages peuvent présenter un intérêt.
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)
