Allez au contenu, Allez à la navigation

RSS

DCSD - Commande des systèmes et dynamique du vol

Commande d'attitude de satellites par gyrodynes

Présentation

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)

 

Expression de l'effet gyroscopique
 

  • appliquer un couple sur une roue en rotation produit une vitesse de rotation autour d'un axe perpendiculaire à l'axe de rotation de la toupie et à l'axe du couple (effet direct);
  • imposer une vitesse angulaire à une roue en rotation autour d'un axe perpendiculiare à l'axe de la toupie produit un couple autour de l'axe normal aux deux premiers (effet inverse, utilisé dans les démonstrations qui suivent);
  • au cours de cette utilisation productrice de couple de l'effet gyroscopique, trois axes expriment le produit vectoriel entre le moment cinétique et la vitesse angulaire: l'axe de rotation de la toupie (« spin »), l'axe d'entrée ou axe de précession et l'axe de sortie ou axe de couple, qui ne restent pas fixes du fait du mouvement de la suspension de la toupie;
  • l'effet gyroscopique est proportionnel au moment cinétique, produit de l'inertie de la roue autour de l'axe de spin par la vitesse de la roue.
     

Pendule gyroscopique
 

Pendule libre

La toupie gyroscopique est entraînée à vitesse constante. Le moteur de précession qui est dans le plan de symétrie du berceau n'est pas commandé. Quand on lâche le berceau, le couple de gravité fait tourner le berceau autour de son axe horizontal perpendiculaire à son plan de symétrie jusqu'à tomber sur la butée. Cette vitesse de rotation induit un couple gyroscopique qui fait basculer la toupie autour de son axe de précession malgré la résistance du réducteur du moteur de précession.


Cliquer sur l'image pour animer la séquence 


Pendule asservi

La toupie gyroscopique est entraînée à vitesse constante. Le moteur de précession qui est dans le plan de symétrie du berceau est commandé pour produire une vitesse de basculement de la toupie. La mesure de l'angle de rotation autour de l'axe horizontal perpendiculaire au plan de symétrie du berceau est utilisée pour réaliser la commande du moteur de précession. Cette commande à pour but de maintenir le centre de gravité de l'ensemble à la verticale de l'axe de rotation horizontal. La vitesse de précession commandée est telle que le couple gyroscopique produit contre-balance le couple de gravité et les couples perturbateurs (comme le montre l'opérateur).


Cliquer sur l'image pour animer la séquence 

Banc gyrodynes
 

Banc libre

La plate-forme est suspendue par trois axes de rotation concourants. Les 4 toupies gyroscopiques sont entraînées à vitesse constante. Les 4 moteurs de précession qui commandent le basculement des toupies autour d'un diamètre sont arrêtées dans une configuration telle que le moment cinétique total des toupies (somme vectorielle des 4 moments cinétiques) est nul. Dans ces conditions on peut basculer la plate-forme sans ressentir de résistance car il n'y aucun moment gyroscopique résultant. Les mouvements de la plate-forme ne sont arrêtés que par les butées.


Cliquer sur l'image pour animer la séquence 


Banc asservi

La plate-forme est suspendue par trois axes de rotation concourants. Ces axes sont équipés de capteurs qui permettent de mesurer l'attitude de la plate-forme. Les 4 toupies gyroscopiques sont entraînées à vitesse constante. Les 4 moteurs de précession qui basculent les toupies autour d'un diamètre sont commandés de telle manière que la plate-forme réalise un mouvement d'attitude désiré. Le film montre l'enchaînement de 3 rotations élémentaires, autour d'un axe horizontal, autour d'un autre axe horizontal perpendiculaire au premier et finalement autour d'un axe vertical. Des mouvement très complexes, très rapides ou très précis peuvent être réalisés.


Cliquer sur l'image pour animer la séquence 

Autres Départements Scientifiques