FR2492093A1

FR2492093A1 - Dispositif de stabilisation d'un appareil a effet gyroscopique, tel qu'un engin ou un vehicule spatial, notamment en vue de l'amortissement de son mouvement de nutation

Info

Publication number: FR2492093A1
Application number: FR8021707A
Authority: FR
Inventors: Uwe Engelking
Original assignee: Agence Spatiale Europeenne
Current assignee: Agence Spatiale Europeenne
Priority date: 1980-10-10
Filing date: 1980-10-10
Publication date: 1982-04-16
Also published as: FR2492093B1; US4504033A

Abstract

LE DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION EST CELUI DES DISPOSITIFS DE STABILISATION D'UN APPAREIL A EFFET GYROSCOPIQUE PRESENTANT TROIS AXES DE REFERENCE ORTHOGONAUX 1, 2, 3 DONT L'UN EST UN AXE DE PSIN OU DE ROTATION 3. LE PROBLEME TECHNIQUE POSE CONSISTE A FOURNIR UN TEL DISPOSITIF FONCTIONNANT AVEC UN RAPPORT DES MOMENTS D'INERTIE INFERIEUR OU SUPERIEUR A 1. SUIVANT L'INVENTION, IL COMPREND UNE CAPACITE 5A POUR UN FLUIDE DENSE L ET DES MOYENS D'APPLICATION DE PRESSION 13A SOUMETTANT CE FLUIDE A DES OSCILLATIONS FORCEES, ET COMMANDES PAR UN ORGANE 18A DETECTEUR D'UN PARAMETRE PHYSIQUE LIE A L'ANGLE DE NUTATION G SUIVANT UNE LOI QUI RESPECTE L'EQUATION DE CONSERVATION DU MOMENT ANGULAIRE. L'INVENTION EST PRINCIPALEMENT UTILISEE SUR LES SATELLITES ARTIFICIELS.

Description

Dispositif de stabilisation d'un appareil à effet gyroscopique, tel qu'un

engin ou un véhicule spatial, notamment en vue de l'amortissement

de son mouvement de nutation.

La présente invention concerne les dispositifs de stabilisation des appareils à effet gyroscopique, tels que les engins ou véhicules spatiaux, en particulier les satellites artificiels ou les fusées à étages et plus particulièrement les engins à rotation propre,

notamment en vue de l'amortissement de leur mouvement de nutation.

On sait que la nutation est le mouvement de l'axe de rotation de l'appareil (qui correspond à la direction de son vecteur vitesse angulaire) suivant un cône autour du vecteur moment

angulaire. On sait également que, dans de très nombreux cas, la stabi-

lisation des engins spatiaux tels que les satellites, est assurée par un mouvement de rotation autour de leur axe de symétrie, qui constitue dans ce cas l'axe de rotation ou axe de spin, ce mouvement créant un effet gyroscopique qui stabilise cet axe par rapport àux étoiles, la valeur initiale du spin stabilisateur étant en général maintenue par des

impulsions accélératrices périodiques données par de petites fusées.

D'une manière plus générale, en vue d'une mission donnée, c'est un autre

axe, différent, de l'engin qui doit conserver une orientation déterminée.

Il se trouve toutefois que, même si dans des conditions initiales, le vecteur moment angulaire coïncide avec l'axe dont l'orientation doit être maintenue, ce vecteur ne reste inchangé que si aucun couple extérieur n'est appliqué à l'appareil, ce qui n'est plus le cas dans diverses circonstances telles que l'ajustement d'orientation, la séparation de l'appareil par rapport à sa fusée porteuse ou encore un déplacement brusque d'une masse importante de propergol liquide. Les dispositifs de stabilisation ici considérés ont pour fonction d'annuler

le mouvement de nutation qui apparaît dans de tels cas, ou même d'empê-

cher l'accroissement de l'angle de nutation dés que cette nutation a tendance à apparaître, et ceci en tenant compte <lu fait que cet angle

de nutation varie avec l'énergie de rotation de ?'engin.

On connaît déjà, par exemple par le brevet des Etats-Unis d'Amérique 3 728 900, de tels dispositifs de stabilisation qui comprennent des moyens de dissipation de l'énergie de rotation, par exemple constitués par une bille qui peut se déplacer dans un tube

courbe contenant un gaz.

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Il s'agit toutefois là de dispositifs

amiiortisseurs de nutation de type passif, puisqu'utilisant la dissipa-

tion d'énergie de rotation due au frottement du gaz lors du mouvement de la bille, et de tels dispositifs ne sont utilisables que dans les cas o le rapport du moment d'inertie autour de l'axe de spin au moment d'inertie latéral est supérieur à l'unité, puisque ce n'est que dans

ces cas que l'angle de nutation peut décroître par dissipation d'éner-

gie. Par contre, dans les cas o ledit rapport est inférieur à l'unité, cet angle de nutation ne peut décroître que par accroissement de

l'énergie de rotation.

On connaît par ailleurs déjà d'autres dis-

positifs de stabilisation permettant d'accroître l'énergie de rotation, les uns utilisant des fusées de réglage de l'orientation qui permettent de réduire la composante latérale du vecteur moment angulaire (étant entendu qu'ici comme par la suite on se réfère à un système d'axes de référence orthogonaux liés à l'engin considéré), tandis que d'autres

utilisent des roues de réaction.

Or, les dispositifs à fusées de poussée ne permettent plus de considérer l'ensemble de l'engin ainsi équipé comme constituant un ensemble fermé (le vecteur moment angulaire peut changer

en intensité et direction), tandis que les dispositifs à roue de réac-

tion n'offrent qu'un rendement médiocre en ce qui concerne l'amortisse-

ment de la nutation, et ceci en raison de leurs moments d'inertie rela-

tivement faibles (de l'ordre de 0,1 kgm2) qui exigent beaucoup trop de

puissance "cachée" (puissance stockée dans la roue du fait de son mouve-

ment cyclique) par *rapport à la puissance effective (puissance qui est

effectivement fournie au cours d'un cycle de mouvement).

C'est pourquoi l'invention a pour but de

fournir un dispositif de stabilisation d'un appareil à effet gyrosco-

pique qui puisse être utilisé de telle manière que le rapport des moments

d'inertie (autour de l'axe de spin et latéral) puisse être indifférem-

ment supérieur ou inférieur à l'unité, et ceci tout en constituant avec l'appareil un ensemble fermé et en offrant un rendement considérablement amélioré (sous entendu à encombrement égal ou tout du moins à dimension

transversale égale).

-3- A cet effet, l'invention a pour objet un

dispositif de stabilisation d'un appareil à effet gyroscopique présen-

tant trois axes de référence orthogonaux dont l'un est un axe de spin

ou de rotation, caractérisé en ce qu'il comprend, d'une part, une capa-

cité qui peut être remplie au moins partiellement par un fluide dense et, d'autre part, des moyens d'application de pression, ou de création d'un potentiel de pression, qui sont en relation avec ce fluide, de manière à pouvoir le soumettre à des oscillations forcées ou le faire

circuler dans ladite capacité suivant une direction ou l'autre du tra-

- jet de circulation, ces moyens d'application de pression étant reliés à, et commandés par, un organe détecteur d'un paramètre physique lié à l'angle de nutation, de manière à pouvoir agir sur l'amplitude et la phase desdites oscillations, ladite commande s'effectuant suivant une loi qui respecte l'équation de conservation du moment angulaire. De préférence, le fluide dense utilisé est un liquide, et avantageusement

un liquide dont la densité est de l'ordre de 1000 kg/m3.

Grâce à cette disposition, et du fait que l'appareil en rotation libre et le dispositif de circulation du fluide forment, sur le plan mécanique, un ensemble fermé présentant un vecteur

moment angulaire constant, l'énergie de rotation de cet ensemble cons-

titue le seul paramètre permettant d'influer sur l'angle de nutation,

de sorte que le respect de l'équation de conservation du moment angu-

laire pe 1let de maintenir ou dû ramener l'angle de i'r'ation à sa valeur la plus réduite possible. Le résultat s'obtient avantageusement que le rapport des moments d'inertie (par rapport à l'axe de spin et latéral)

soit supérieur ou inférieur à l'unité, ce qui est d'autant plus impor-

tant dans les cas o cette double éventualité peut se présenter dans le

cadre de l'utilisation d'un engin spatial, par exemple lors de la sépa-

ration d'un train de satellites, pour lequel le rapport est inférieur

à l'unité avant la séparation et supérieur (pour chacun des deux satel-

lites) après celle-ci; en effet, ce sont le même dispositif de circula-

tion de fluide et la même loi de commande que l'on utilise sans aucune modification. En outre, il est possible, avec la disposition prévue,

de s'opposer, et ceci moyennant une puissance relativement faible de-

mandée aux moyens d'application de pression, à des mouvements d'insta-

bilité provoquant un effet de nutation, qui présentent même de très - 4 faibles constantes de temps (de l'ordre de 1 minute), par exemple dans le cas de déplacements brusques du propergol et de rapports de moments

d'inertie inférieurs à l'unité.

Très avantageusement, la capacité de circu-

lation peut présenter un plan général de symétrie qui est parallèle à, ou passe par, l'axe de rotation de l'appareil, le détecteur de paramètre physique lié à l'angle de nutation peut être un détecteur de vitesse angulaire, et la loi de commande des moyens d'application de pression peut être telle que le débit du fluide provoqué par ces moyens est à peu près directement proportionnel à l'une des composantes de la vitesse angulaire, de sorte que cette loi de commande particulièrement simple peut être mise en oeuvre par des moyens également peu complexes. De

préférence, la loi de commande peut être telle que le débit soit propor-

tionnel à là composante de la vitesse angulaire suivant l'axe orthogonal à l'axe de spin qui détermine avec celui-ci un plan parallèle au, ou coïncidant avec le, plan de symétrie moyen de la capacité de circulation,

et l'organe détecteur peut être un accélérométre angulaire.

Le fait d'utiliser la vitesse de rotation

comme paramètre est particulièrement avantageux sur le plan de l'effica-

cité, étant donné que dans ce cas la plus grande partie de la puissance

fournie par les moyens d'application de pression est utilisée pour mo-

difier l'énergie de rotation de l'appareil, tandis que seule une faible fractio'n de cette puissance (puissance "cachée") est conservée dans le liquide de circulation (celle-ci pouvant par exemple être de l'ordre de

50 fois moindre que celle existant dans le cas d'une roue de réaction).

Il est hautement souhaitable que le retard, ou temps de réponse, existant entre l'émission du signal donné par le

détecteur et la mise en circulation du liquide soit le plus faible pos-

sible, ce retard ne devant en aucun cas excéder environ 10 % de la période de nutation; des circuits compensateurs de phase permettent de

réduire considérablement ce retard.

De manière particulièrement avantageuse, dans le cas o l'apoareil à effet gyroscopique est un engin ou véhicule spatial propulsé à 'aide d'un propergol liquide, ledit fluide circulant peut être constitué par ce propergol ou l'un de ses constituants et la -5-

capacité de circulation être associée à au moins un réservoir de pro-

pergol ou de constituant. Cet agencement permet ainsi de disposer, pour la circulation prévue, d'une quantité de liquide très importante et

donc d'accroître d'autant l'effet d'amortissement. La capacité de cir-

culation peut être fixée sur le réservoir, à l'intérieur ou à l'extérieur de celui-ci ou elle peut encore, lorsqu'il est prévu au moins

deux réservoirs pour le même liquide, relier ces deux réservoirs.

Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, cette même capacité de circulation peut être constituée par une capacité annulaire qui est fermée sur elle-même, de manière à

constituer une boucleet sur laquelle sont interposés les moyens d'ap-

plication de pression. De préférence, la capacité annulaire de circula-

tion peut comprendre un tube pratiquement fermé disposé à l'intérieur dudit réservoir et dont les extrémités sont reliées par une tuyauterie qui traverse, en deux emplacements voisins, la paroi de réservoir, de manière qu'elle se referme à l'extérieur du réservoir et qu'y soient interposés les moyens d'application de pression. En outre, dans le cas o la réserve de liquide est de révolution, le tube pratiquement fermé est également de préférence à-ligne centrale circulaire et disposé dans un plan perpendiculaire à un axe de révolution du réservoir, en venant

à proximité de la paroi de celui-ci. Cette disposition circulaire per-

met d'obtenir une surface circonscrite par la capacité angulaire qui est maximiale et qui rébust donc d'autant la puissante "cachée" étant donné que celle-ci est inversement proportionnelle non seulement à la

masse de liquide mise en circulation, mais encore à cette surface cir-

conscrite. Il peut aussi être prévu des moyens de séparation de la capacité annulaire en plusieurs tronçons, ce qui permet de ne remplir que certains des tronçons (par exemple, dans le cas o la réserve est constituée par un réservoir de propergol qui se trouve presque vide de sorte qu'il convient de récupérer une partie du liquide contenu dans la capacité) tout en assurant une certaine possibilité d'amortissement.

Dans un autre mode de réalisation particu-

lier de l'invention, le dispositif peut comprendre une réserve ce liquide et la capacité de circulation peut comprendre une tuyauterie extérieure 6 - à la réserve, dont les deux extrémités sont reliées à cette réserve, de manière à communiquer avec le volume intérieur de celle-ci, en deux

emplacements distants 1 'un de l'autre, cette tuyauterie étant complé-

tée par ledit volume intérieur de la réserve, pour constituer la capacité de circulation. De la sorte, sur le plan fonctionnement, une grande partie du liquide contenu dans la réserve est soumise à la circulation créée par les moyens d'applications de pression, ce qui favorise de manière considérable l'effet d'amortissement. Par ailleurs, ce même agencement constitue en outre une simplification du dispositif sur le plan fabrication. La tuyauterie extérieure à la réserve peut, d'une manière particulièrement avantageuse, déboucher.à l'intérieur de

cette réserve par au moins un couple d'éléments diffuseurs, de préfé-

rence constitués par des pièces en forme d'entonnoirs, ce qui limite à

ces seuls éléments la structure du dispositif intérieure à la réserve.

Dans ce même second mode de réalisation, afin d'éviter qu'un flux de liquide qui vient de pénétrer dans la réserve par l'un des emplacements de communication, n'y retourne au lieu de se diriger vers l'autre emplacement de manière à suivre le trajet complet de circulation, il peut être prévu d'utiliser plusieurs couples d'emplacements de communication associés (avec éventuellement autant de diffuseurs) qui coopèrent deux par deux en n'utilisant que

des parties ou zones distinctes du volume intérieur de la réserve, ré-

duisant ainsi le risque précité. Ces couples d'emplacements de commu-

nications sont avantageusement disposés de manière symétrique par rap-

port à un centre de symétrie de la réserve et, dans le cas o il est prévu des diffuseurs, ceux-ci peuvent être reliés par des portions de

tubes montés en parallèle. Dans le même but, et de manière particuliè-

rement plus avantageuse, parce que plus simple, si ce n'est plus effi-

cace, il peut être prévu un élément séparateur qui divise le réservoir en deux parties dans lesquelles sont respectivement situés les deux

emplacements de communication avecla tuyauterie extérieure et qui com-

porte un passage ce communication entre ces deux parties de la réserve.

De préférence, cet élément séparateur est constitué par une membrane qui s'étend suivant une section complète de la réserve et présente, comme passage de communication, un orifice disposé de préférence à

l'opposé des deux emplacements de communication de la tuyauterie.

- 7 - Les moyens d'application de pression sont, de la manière la plus simple, constitués soit par une pompe réversible (à engrenages, à hélices, etc...), soit par une pompe non réversible

(pompe centrifuge) associée à un distributeur-de régulation de la di-

rection de circulation et du débit. D'autres caractéristiques et avantages

de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, à titre

d'exemples non limitatifs, et en regard des dessins annexés sur les-

quels:

- la Fig. 1 illustre le mouvement de rota-

tion d'un appareil gyroscopique tel qu'un engin spatial; - la Fig. 2 illustre schématiquement l'orientation particulière, par rapport à un tel engin, d'un dispositif

de stabilisation conforme à l'invention présentant une disposition par-

ticulièrement avantageuse; - la Fig. 3 'représente schématiquement, pris en coupe suivant son plan moyen de symétrie, un tel dispositif suivant un premier mode de réalisation particulier;

- la Fig. 4 représente également schéma-

tiquement, mais en perspective, un dispositif correspondant à un second

mode de réalisation particulier conforme à l'invention.

La Fig. 1 représente un appareil gyrosco-

piqua tel qu'un véhicule spatial 4, schématisé sous une forme g-néiele cylindrique, mais qui pourrait tout aussi bien être sphérique, cet engin présentant un axe de rotation propre 3 ou axe de spin, ainsi que deux autres axes 1 et 2 qui sont orthogonaux entre eux et avec l'axe 3 et constituent avec ce dernier un trièdre de référence fixe par rapport à l'engin. Lorsque cet engin est animé d'un mouvement de nutation, le vecteur moment angulaire J de l'engin ne coïncide pas avec l'axe de spin

3, ce dernier décrivant un mouvement conique autour du vecteur T, sui-

vant un angle qui constitue l'angle de nutation Y. Comme le montre schématiquement la Fig. 2, sur laquelle le trièdre de référence 1-2-3 lié à l'engin a été redressé par rapport à la position de la Fig. 1, de manière que son axe de spin 3 soit vertical, il est avantageusement prévu pour la mise en oeuvre du dispositif conforme à l'invention, une capacité annulaire fermée 5, -8- ici représentée schématiquement. Cette capacité 5 est, bien entendu, solidaire de l'engin 4, mais pour des raisons de clarté, ce dernier n'a pas été représenté. La capacité 5 considérée est prévue pour présenter un plan de symétrie moyen, et ce dernier est constitué par un plan qui, dans les réalisations avantageuses ici décrites, est un plan 2'-3',

parallèle au plan 2-3. La raison de cette disposition particulière appa-

raitra au cours des indications théoriques qui seront données à la suite

de cette description.

Le dispositif suivant le premier mode de réalisation particulier, illustré à la Fig. 3, est directement associé au réservoir 6a de propergol liquide (ou d'un constituant de celui-ci)

qui équipe l'engin spatial 4, ce réservoir présentant dans ce cas par-

ticulier une forme sphérique dont le centre 0 correspond au centre du trièdre de référence 1-2-3 (étant bien entendu que ce centre 0 pourrait

être décalé suivant l'axe 1, de manière que le plan de symétrie de l'en-

semble reste parallèle au plan 2-3).

Le dispositif de stabilisation ou d'amor--

tissement de nutation, prévu dans cette réalisation, comprend une capa-

cité de circulation annulaire 5a qui comprend, tout d'abord, un tube 7 pratiquement fermé sur lui-même et ayant une forme analogue à celle d'un tore, ce tube étant disposé à l'intérieur du réservoir, de manière que le cercle directeur du tore soit disposé dans le plan 2-3 et centré au

point Ci en venant par:il'eurs à prox-i ité de la paîti du reservcir 6a.

Ce tube en forme de tore, non entièrement fermé, présente deux extrémités 8 et 9, situées au voisinage l'une de l'autre. A titre d'exemple, ce tube peut présenter une section circulaire de 10 cm de diamètre, tandis que le rayon du cercle directeur est lui-même de l'ordre de 50 cm, de sorte que la surface circonscrite par ce tube est d'environ 0,8 m2, et

la section de passage à l'intérieur du tube d'environ 0,8 dm2.

Pour compléter la capacité 5a, cette der-

nière comprend par ailleurs une tuyauterie 10 qui relie les extrémités 8 et 9 du tube 7 et traverse, en deux emplacements voisins 11 et 12, la

paroi du réservoir 5a, de manière à se refermer à l'extérieur de celui-

ci. Sur cette tuyauterie 10, sont interposées, d'une part, une pompe à engrenage 13 et une vanne à quatre voies 14 dont deux des voies 14a et 14b sont reliées par des tronçons de tuyauterie respectivement à des -9orifices 15 et 16, débouchant dans le volume intérieur du réservoir 6a, tandis que ses deux autres voies 14c et 14d sont en communication avec la tuyauterie 10. Il est également prévu trois vannes 17 d'évacuation de liquide, insérées sur des tuyauteries secondaires reliant le tube 7 au volume intérieur du réservoir 6a en trois emplacements disposés pra-

tiquement à angle droit, par rapport à celui de la tuyauterie 10.

Le dispositif est complété par un détec-

teur 18 de la composante co2 de la vitesse angulaire de l'engin suivant l'axe 2, ce détecteur étant par exemple constitué par un accéléromètre angulaire, et étant relié à un organe 19 d'entraînement en rotation de la pompe 13, par l'intermédiaire d'une jonction comportant un circuit 20

inverseur et démultiplicateur permettant d'appliquer, au signal prove-

nant du détecteur 18, la loi

ZF W 2 (E)

dans laquelle m est la quantité de liquide par unité de temps qui tra-

verse chaque section transversale de la capacité 5a, W2 est la compo-

sante de la vitesse angulaire de l'engin suivant l'axe 2, K est une

constante et F est la surface circonscrite par le tube 7.

Le fonctionnement du dispositif ainsi dé-

crit est le suivant: La capacité 5a est tout d'abord remplie à

terre, le réservoir 6a étant rempli dé propergol liquide ou d'un conc-

tituant de celui-ci. A cet effet, on ouvre la vanne 14 de manière que communiquent respectivement les voies 14a-14d et 14b-14c de cette vanne, le liquide étant ainsi aspiré à partir du réservoir, à l'intérieur de la capacité 5a, par l'intermédiaire des voies 14a-14d, tandis que 'l'air ou gaz situé dans cette même capacité est évacue par l'intermédiaire des voies 14b-14c. Une fois le tube rempli, on manoeuvre la vanne de manière que seules les voies 14c et 14d communiquent, les deux autres voies étant fermées. Il en résulte que le dispositif est prêt à être

utilisé, une fois l'engin lancé dans l'espace.

L'engin étant sur sa trajectoire et étant animé d'un mouvement de rotation propre autour de son axe de spin 3, le détecteur 18 relève à chaque instant la valeur de la composante W2 et provoque 1'entrainement de la pompe 13, de man.ère à respecter l'équation (F)citée. La pompe 13 met ainsi en mouvement dans le tube 7

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le liquide L qui y est contenu, ce mouvement de circulation étant oscil-

latoire du fait que l'entraînement de la pompe 13 est réversible (com-

mande 19), ce qui permet de suivre la variation également oscillatoire de la composante C2 (ce qui est dû au fait que le mouvement de nutation que l'engin 4 et son axe de spin 3 suivent autour du vecteur I est un

mouvement périodique).

La description théorique suivante de l'amor-

tissement de la nutation considéré peut être donnée à titre indicatif: Les axes de référence 1,2,3 coïncidant avec les axes principaux de l'engin 4, le tenseur du moment d'inertie peut s'écrire:

I1 0 '

I = 0 I2 0 (1)

0 0 I3

ce moment d'inertie tenant déjà compte du dispositif de stabilisation à

capacité annulaire décrit plus haut.

La vitesse angulaire de l'engin étant Co(1' 2' 21 a3')' le moment angulaire de l'ensemble engin et capacité de circulation a ipour valeur, lorsque le liquide n'est pas mis en mouvement par la pompe:

J= I2 '02 |(2)

I3 3

Lorsqu'une masse élémentaire de liquide dm, telle que schématisée sur la Fig. 2, se trouve déplacée avec l'ensemble du liquide L par la pompe 13, il lui correspond un moment angulaire élémentaire, r étant le vecteur distance de cette masse élémentaire par rapport à l'origine du trièdre dJL = r x 6r. dm (3) 6t 6 étant la dérivée par rapport au temps relatif ne prenant pas en

considration le mouvement de l'engin.

considération le mouvement de l'engin.

- 11 -

Etant donné que la vitesse relative de la masse élémentaire dm est: 6__ = 6. s (4) 6t 6s s étant l'abcisse curviligne de la masse élémentaire dm sur la boucle de circulation que constitue la capacité annulaire 5a, s étant la va- leur scalaire de la vitesse relative de masse élémentaire de liquide dm, et 6r étant un vecteur unitaire tangent à ladite boucle (voir Fig.2), 6s il en résulte que: -dJL = r x 6rdm = À dm =rds (5) dJ L rs xs dt En raison de la loi de continuité qui prévoit que le fluide de liquide à travers toute section transversale de la boucle de circulation est identique, mi est indépendant de r, de sorte que l'intégration de l'équation (5) donne: JL = dm _ rx aT ds = m. 2.F ()

t kdt(s) os-

F étant ia surface circonscrite par la boucle de ciry:lation (tube 7) suivant la direction de l'axe 1. C'est très précisément parce que l'on

a choisi de disposer le plan de la boucle 5 (Fig. 2) dans un plan pa-

rallèle au plan des axes 2-3, ou plus précisément que l'on a choisi cet axe de référence 2 de manière que le plan 2'-3' de la boucle 5 soit parallèle au plan 2-3, que F se trouve orienté suivant l'axe 1, de sorte qu'il en est de même pour la composante JL du moment angulaire qui

correspond au mouvement du liquide dans la boucle 5.

Il en résulte que le moment angulaire total de l'ensemble engin et capacité de circulation, avec circulation du liquide, a pour valeur: I + -12 2 Fm\ Jt = J + JL = I2 32 (7)

I3 (03

- 12 - 2492093

Etant donné que l'ensemble engin et boucle de circulation est fermé, la conservation du moment angulaire entraîne: dJ = + L - - -Jt dût X + 6 + Xox (J + JL) O 0 (8) dt 6t 6t (8) La troisième composante de cette équation suivant l'axe 3 s'écrit: 13 3- (I1 - I2) 001 02 - 2 F m,2 = 0 (9) Dans la mesure o par ailleurs l'ensemble de l'engin présente pratiquement une symétrie suivant la direction des axes 1 et 2, le terme I1 - 12 est faible, si ce n'est nul, de sorte que l'équation précédente devient: I3 o3 = 2 Fm c2

Si l'on tient compte de la loi de régula-

tion qui est imposée à l'entraînement de la pompe 13 et qui est donnée par l'équation (E), il en résulte que: I3 (3 = Kco 2 On peut ainsi en conclure que la dérivée de la vitesse de spin wo 3 prend une valeur constamment positive, ce qui signifie que la vitesse de spin c.ó a constamment tendance à cro!tre lorsque le liquide est mis en circulation parleispositif considéré et

qu'en conséquence, le moment angulaire étant constant, l'angle de nuta-

tion Y devra décroître de façon correspondante.

On constate donc bien que l'on obtient le résultat recherché, à savoir une réduction ou amortissement de l'angle de nutation en imposant à la boucle de liquide contenu dans la capacité de circulation 5a, un mouvement dont le flux respecte l'équation (E)

donnée plus haut, sous réserve d'avoir disposé ladite capacité de cir-

culation 5a de manière que son plan moyen soit parallèle au plan des

axes de référence 2 et 3.

Si l'on combinait l'équation (E) avec les deux premières composantes de l'équation (8) en vue de déterminer la stabilité de l'ensemble, on en déduirait une équation caractéristique

- 13 -

qui, en tenant compte des conditions de stabilité do:Fbuth, et en

réduisant à une valeur très faible si ce n'est nulle, à l'aide de cir-

cuits compensateurs de phase, le décalage de phase existant entre W2 et m, permet de conclure que les conditions de stabilité sont bien remplies, c'est-à-dire que les amplitudes w1 et <.2 sont bien amor-

ties et que le mouvement est stable.

Si l'on détermine par ailleurs la puissance de pompage requise pour faire circuler le liquide sous le flux m délivré, et en tenant compte de la différence de pression nécessaire pour couvrir le frottement du liquide, on parvient à établir que: - la puissance "cachée", c'est-à-dire qui est accumulée dans le liquide, a, du fait que la section transversale de la capacité de circulation a est constante, une valeur qui est d'autant plus faible que la masse m du liquide et la surface F de la boucle de circulation constituée par le tube 7 sont élevées. C'est ainsi qu'avec un dispositif présen-

tant les dimensions données plus haut à titre d'exemple, et utilisant comme liquide de circulation l'hydrazine, cette puissance est environ fois plus faible que celle qui apparaîtrait dans l'utilisation d'une roue de réaction; - d'autre part, en supposant un angle de nutation relativement-faible, et en tenant compte des pertes hydrauliques dues au frottement du liquide, et calculées pour la vitesse maximale de circulation prévue peur ce liquide, la pu1is'ante totele à fournir à la pompe, c'est-à-dire consommée par celle-ci, est cinq fois plus faible que dans le cas d'utilisation d'une roue de réaction présentant un encombrement extérieur analogue et bien que le rendement de la pompe ne soit que de l'ordre de 0,5 alors que le rendement mécanique d'une roue de réaction est de

l'ordre de 0,9.

Si, en orbite, le tube 7 doit être partielle-

ment ou totalement évacué, que ce soit que parce que l'on ne désire obtenir qu'une performance réduite, ou parce que l'engin est stabilisé suivant les trois axes, on ouvre les vannes d'évacuation 17, ainsi que

la vanne 14, de manière à faire communiquer les voies 14b-14c et 14d-.

14a de celles-ci.

Le second mode de réalisation, illustré par Fig. 4,est une réalisation dans laquelle le liquide L ne se déplace pas à l'intérieur d'un tube, comme dans la réalisation de la Fig. 3,

étant donné que la seule condition nécessaire pour obtenir la stabilisa-

tion recherchée est l'existence d'une circulation du liquide suivant une boucle fermée5b.A cet effet, le dispositif de la Fig. 4 qui est associé à un réservoir de propergol 6b qui, à titre de variante est

cylindrique, comprend une tuyauterie 10b qui est disposée extérieure-

ment au réservoir 6b, d'une manière analogue à la tuyauterie 10a de la réalisation de la Fig. 3, de manière que les deux extrémités de cette tuyauterie soient reliées au réservoir 6b, de façon- à communiquer avec le volume intérieur de celui-ci en deux emplacements Ilb et 12b qui sont tous deux situés dans le plan des axes 2 et 3 de l'engin, mais

sont disposés de manière symétrique de part et d'autre du plan de symé-

trie 1-2 de celui-ci. Suivant ce même plan de symétrie 1-2, il est prévu un élément séparateur ou membrane 21 qui est fixé sur la paroi du réservoir et qui divise celui-ci en deux parties comportant les emplacements de communication Ilb et 12b. Au-delà de ces emplacements

llb et 12b, la tuyauterie 10b se prolonge, à l'intérieur des deux par-

ties du réservoir, par deux éléments diffuseurs 22 qui s'évasent avec une direction moyenne, orientée légèrement vers l'axe du cylindre et vers les deux bases de celui-ci. Il est enfin prévu, dans la membrane 21, un passage de communication ou orifice Za qui est disposé sur

elle, à proximité de la paroi du réservoir 6b et de manière diamétrale-

ment opposée aux emplacements de cominunication-llb et 12b.

Ce dispositif est bien entendu complété-par une pompe 13b disposée sur la tuyauterie 10b, et par un détecteur 18b qui est disposé et relié à la pompe 13b de la mêrime manière que dans la

réalisation de la Fig. 3.

Le dispositif ainsi décrit fonctionne de la manière suivante: Lorsque la pompe 13 met en circulation le liquide L, celui-ci sort de l'un des deux diffuseurs 22 dans l'une des

deux parties du réservoir 6b pour suivre un écoulement qui est parfai-

tement étalé dans la masse du liquide qui remplit entièrement le ré-

servoir, cet élément suivant un trajet 23 qui est étalé, mais est ramené

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progressivement en direction de l'orifice de communication 21a, pour à nouveau suivre un écoulement étalé 24 analogue dans l'autre partie du réservoir et revenir converger vers le second diffuseur 22, fermant ainsi la boucle par la tuyauterie lOb. L'entraînement de la pompe 13b, dans un sens ou dans l'autre, s'obtient à partir du détecteur 18b, de

la même manière que dans réalisation de la Fig. 3, en respectant l'équa-

tion (E).

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Claims

REVENDICATION5 ) - Dispositif de stabilisation d'un appa- reil à effet gyroscopique présentant trois axes de référence orthogo- naux (1,2,3) dont l'un est un axe de spin ou de rotation (3), caracté- risé en ce qu'il comprend, d'une part, une capacité (5a, 5b) qui peut être remplie au moins partiellement par un fluide dense (L) et, d'au- tre part, des moyens d'application de pression ou de création d'un poten- tiel de pression (13a, 13b) qui sont en relation avec ce fluide de manière à pouvoir le soumettre à des oscillations forcées, ou le faire circuler dans ladite capacité (5a, 5b) suivant une direction ou l'autre du trajet de circulation, ces moyens d'application de pression (13a, 13b) étant reliés à, et commandés par un organe (18a, 18b) détec- teur d'un paramètre physique lié à l'angle de nutation (y), de manière à pouvoir agir sur l'amplitude et la phase desdites oscillations, ladite commande s'effectuant suivant une loi qui respecte l'équation de conservation du moment angulaire.

2 ) - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le fluide dense (L) est un liquide dont la densité est de l'ordre de 1000 kg/ M. ) Dispositif selon l'une quelconque des

revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la capacité de circulation

(5a, 5b) présente un plan général de symétrie (2-3, 2'-3') qui est paral-

lèle à, ou passe par l'axe de rotation (3) de l'aopareil (4).

) - Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la loi (E) de commande est telle que le débit (m) soit proportionnel à la composante (c'2) de la vitesse angulaire suivant l'axe (2) orthogonal à l'axe de spin (3) qui détermine avec celui-ci un plan parallèle au, ou coïncidant avec le plan de symétrie

(2-3, 2'-3') moyen de la capacité de circulation.

) - Dispositif selon l'une quelconque des

revendications 3 et 4, caractérisé en ce que l'organe détecteur

(18a, 18b) est un accéléromètre angulaire.

) Dispositif selon l'une quelconque des

revendications 1 à 5, caractérisé en ce que, dans le cas o l'appareil à

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effet gyroscopique (4) est un engin ou véhicule spatial propulsé à

l'aide d'un propergol liquide, ledit fluide (L) circulant est consti-

tué par ce propergol ou l'un de ses constituants et la capacité de circulation (Sa, 5b) est associée à au moins un réservoir (6a, 6b) de propergol ou de constituant. 7 ) - Dispositif selon l'une quelconque des

revendications i à 6, caractérisé en ce que la capacité de circulation

(5a, 5b) est constituée par une capacité annulaire (5a) qui est fermée sur elle-même, de manière à constituer une boucle, et sur laquelle sont

interposés les moyens d'application de pression (13a).
8 ) - Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend une réserve de liquide (6a) et en ce

qu'une vanne de remplissage (4) est interposée entre la capacité annu-

laire fermée (Sa) et cette réserve (6a) de liquide.
9 ) - Dispositif suivant la revendication 8, caractérisé en ce qu'au moins une vanne (17) d'évacuation d'air ou d'évacuation de liquide est interposée entre la capacité (Sa) et la

réserve (6a).

) - Dispositif selon l'une quelconque des

revendications 8 et 9, caractérisé en ce que la capacité annulaire de

circulation (Sa) comprend un tube pratiquement fermé (7) disposé à l'intérieur dudit réservoir (6a) et dont les extrémités (8, 9) sont

reliées par une tuyauterie (10) qui traverse, en deux emplacements voi-

sins (11a, 12a), la paroi du réservoir (6a) de manière qu'elle se re-

ferme à l'extérieur du réservoir et qu'y soient interposés les moyens

d'application de pression (13a).
11 ) - Dispositif selon la revendication 10 lorsqu'elle dépend de la revendication 9, caractérisé en ce que la vanne de remplissage et la vanne d'évacuation d'air sont constituées par une même vanne à quatre voies (14) interposée également sur la tuyauterie

(10Oa) extérieure au réservoir (6a).
12 ) - Dispositif selon la revendication 11,

caractérisé en ce qu'il est prévu plusieurs vannes d'évacuation de li-

quide (17) régulièrement réparties le long de la capacité annulaire

(5a).

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13 ) - Dispositif selon l'une quelconque des

revendications 10 à 12, caractérisé en ce que, dans le cas o la ré-

serve de liquide (6a) est de révolution, le tube pratiquement fermé (7)

est à ligne centrale circulaire et disposé dans un plan (2-3) perpen-

diculaire à un axe de révolution (1) du réservoir (6a), en venant à proxi-

mité de la paroi de celui-ci.
14 ) - Dispositif selon l'une quelconque des

revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend une réserve de

liquide (6b) et en ce que la capacité de circulation (5b) comprend une tuyauterie (lOb) extérieure à la réserve, dont les deux extrémités sont reliées à cette réserve (6b), de manière à communiquer avec le volume intérieur de celui-ci en deux emplacements (11b, 12b) distants 1 'un de

l'autre, cette tuyauterie (lOb) étant complétée par ledit volume inté-

rieur de la réserve (6b) pour constituer la capacité de circulation (5b).
15 ) - Dispositif selon la revendication 14, caractérisé en ce que la tuyauterie (lOb) extérieure à la réserve (6b) débouche à l'intérieur de cette réserve par au moins un couple d'éléments

diffuseurs (22).
16 ) - Dispositif selon l'une quelconque des

revendications 14 et 15, caractérisé en ce qu'il est prévu un élément

séparateur (21) qui divise la réserve.(6b) en deux parties dans les-

quelles sont respectivement situés les deux emplacements (11b, 12b) de communication avec la tuyauterie extérieure (lOb) et qui comporte

un passage (21a) de communication entre ces deux parties de ia réserve.
17 ) - Dispositif selon la revendication 16, caractérisé en ce que l'élément séparateur (21) est constitué par une

membrane qui s'étend suivant une section complète de la réserve (6b).
18 ) - Dispositif selon la revendication 17,

caractérisé en ce que la membrane présente comme passage de communica-

tion (21a) un orifice disposé à l'opposé des deux emplacements (11b,

12b) de communication de la tuyauterie (lob).
19 ) - Dispositif selon l'une quelconque des

revendications 1 à 18, caractérisé en ce que les moyens d'application

de pression (13a, 13b) sont constitués par une pompe à engrenages.