FR2686858A1

FR2686858A1 - Procede pour commander la position relative entre deux engins se deplacant au voisinage l'un de l'autre, en particulier entre deux satellites, et systeme de mise en óoeuvre.

Info

Publication number: FR2686858A1
Application number: FR9201209A
Authority: FR
Inventors: Tomaschek Gerd
Original assignee: Agence Spatiale Europeenne
Current assignee: Agence Spatiale Europeenne
Priority date: 1992-02-04
Filing date: 1992-02-04
Publication date: 1993-08-06

Abstract

L'Invention concerne un procédé et un système pour commander la position relative entre deux engins se déplaçant au voisinage l'un de l'autre en particulier entre deux satellites. Selon le procédé, on engendre un champ magnétique au niveau de chaque engin (1, 2), et on fait varier au moins l'intensité de l'un des champs magnétiques pour que la résultante des forces magnétiques, produites par interaction entre les deux champs, provoque une modification de la position relative entre les deux engins. (1, 2). Un aimant permanent (3) engendre un champ magnétique au niveau de l'un des engins, alors qu'au moins un bobinage (4) engendre un champ magnétique au niveau de l'autre engin, ce bobinage (4), dans lequel est avantageusement placé un barreau en fer doux (8), étant parcouru par un courant d'intensité variable.

Description

La présente Invention concerne un procédé pour commander la position relative entre deux engins se déplaçant au voisinage l'un de l'autre, en particulier entre deux satellites dénommés respectivement mère et fille.

Dans le domaine de l'espace, il est connu d'apporter des corrections à la trajectoire d'un engin spatial, tel qu'un satellite, un vaisseau ou une station, à partir des informations recueillies par un système de guidage et traitées par un calculateur embarqué à bord et/ou situé dans une station au sol. Un système de guidage est par exemple constitué à partir de gyroscopes et d'accéléromètres qui déterminent avec précision la localisation de l'engin dans l'espace et qui mesurent toute variation de vitesse ou d'accélération positive ou négative selon trois axes orthogonaux.

Ces corrections ont pour but de modifier l'orbite de l'engin, en particulier pour le rapprocher d'un autre engin par exemple, afin de l'observer, d'effectuer une intervention particulière au moyen d'un bras d'amarrage par exemple ou une opération d'accostage, dans le cadre d'une mission à remplir. Toutes ces corrections, ainsi que celles relatives à la stabilisation de l'engin, sont en général effectuées à partir de petits moteurs à réaction ou de petites fusées qui équipent l'engin.

Depuis que l'espace est considéré comme un excellent terrain d'expérimentation, de nombreuses missions sont mises sur pied avec deux satellites respectivement mère et fille qui naviguent à proximité l'un de l'autre, par exemple, tout en étant relié l'un à l'autre au moyen d'un bras d'amarrage. Ce bras qui relie mécaniquement les deux engins est également utilisé pour assurer un ensemble de liaisons, notamment électriques, pour coordonner des expériences scientifiques réalisées à bord de chacun des satellites, par exemple.

Dans un article de TRISKA et al., intitulé "A subsatellite for mother-daughter active space experi ments", paru en 1990 dans la revue "ADV. SPACE Res., Vol.

10, N 7, page 165-168", il est décrit un ensemble de deux satellites mère et fille dans lequel la mission du satellite fille, non mécaniquement reliée au satellite mère, est d'étudier l'environnement de ce dernier.

Concrètement la distance qui sépare les deux satellites tend à augmenter avec le temps, et on indique seulement dans cet article que l'on joue sur des moyens propres au satellite fille pour contrôler et modifier la distance le séparant du satellite mère, selon des ordres de grandeur allant du kilomètre à plusieurs milliers de kilomètres.

Le but de l'invention est d'envisager des missions où un satellite mère et un satellite fille par exemple, sans liaison mécanique entre eux, peuvent naviguer à proximité l'un de l'autre, avec la possibilité de modifier la position relative entre les deux satellites.

A cet effet, l'invention propose un procédé de commande de la position relative entre deux engins se déplaçant au voisinage l'un de l'autre, en particulier entre deux satellites, caractérisé en ce qu'il consiste - à engendrer un champ magnétique au niveau de chaque en
gin, - et à faire varier au moins l'intensité de l'un des
champs magnétiques pour que la résultante des forces
magnétiques produites par l'interaction entre les deux
champs, provoque une modification de la position rela
tive entre les deux engins.

D'une manière générale, pour déplacer un satellite par rapport à l'autre, on engendre un champ magnétique d'une intensité déterminée au niveau de l'un des engins, alors que l'on fait varier par tout ou rien l'intensité du champ magnétique engendré par l'autre engin.

L'Invention concerne également un système pour la mise en oeuvre du procédé et qui est caractérisé en ce qu'il comprend - des moyens pour engendrer un champ magnétique au niveau
de chaque engin, - et des moyens de commande des moyens de génération des
champs magnétiques pour modifier la position relative
entre les deux engins par suite de l'interaction entre
les champs magnétiques.

D'une manière générale, les moyens pour engendrer un champ magnétique sont constitués soit par un aimant permanent, soit par un bobinage parcouru par un courant.

Selon une autre caractéristique de 1'Invention, un aimant permanent est embarqué dans l'un des engins pour engendrer un champ magnétique fixe, et au moins un bobinage est embarqué dans l'autre engin pour engendrer un champ magnétique variable en fonction du courant circulant dans le bobinage.

Selon un mode de réalisation de l'invention, le champ magnétique variable est engendré par au moins l'un de trois bobinages fixes disposés suivant trois axes orthogonaux.

Selon un autre mode de réalisation de l'invention, le champ magnétique variable est engendré au moyen d'un seul bobinage orientable suivant l'un quelconque des trois axes orthogonaux.

Selon un mode de réalisation préférentiel de l'invention, un noyau en fer doux est logé à l'intérieur de chaque bobinage pour obtenir une meilleure concentration du champ magnétique autour de la bobine.

Selon cette dernière disposition, il est possible d'obtenir des forces d'interaction plus importantes au voisinage des deux engins pour une même énergie, ce qui permet de diminuer les dimensions et le poids des bobinages embarqués dans l'engin.

D'une manière générale, toute manoeuvre visant un déplacement relatif entre les deux engins est programmée par un calculateur embarqué à bord ou situé à terre, une telle manoeuvre se décomposant en plusieurs phases successives au cours desquelles on fait varier par tout ou rien l'intensité du champ magnétique engendré par les bobinages, chaque phase correspondant à un mouvement d'accélération ou de décélération (passage d'un courant dans les bobinages suivant un sens déterminé) et à un mouvement à vitesse constante (absence de courant dans les bobinages).

L'invention s'applique notamment à deux engins, mais on peut envisager également un engin virtuel composé de plusieurs engins se déplaçant au voisinage les uns des autres, avec la possibilité de modifier la position relative de l'un des engins par rapport à un autre.

Dans ce cas, on peut prévoir des champs magnétiques engendrés uniquement par des bobinages parcourus par un courant pour éviter, dans la mesure du possible, toute interaction parasite avec des champs magnétiques engendrés par des aimants.

Le procédé selon l'invention et son système de mise en oeuvre peuvent être utilisés dans de nombreuses applications spatiales dont certaines seront données à titre d'exemple plus loin.

D'autres avantages, caractéristiques et détails de l'invention ressortiront de la description explicative qui va suivre faite en référence aux Dessins annexés donnés uniquement à titre d'exemple et dans lesquels - la figure 1 est une vue schématique illustrant deux en
gins navigant au voisinage l'un de l'autre et auxquels
est appliqué le procédé selon l'invention, - la figure 2 est un graphique qui illustre plusieurs
courbes montrant les variations de la résultante des
forces magnétiques engendrées par l'interaction des
champs magnétiques d'un aimant permanent et d'un bobi
nage parcouru par un courant, - les figures 3 à 5 représentent schématiquement trois
exemples de déplacement relatif d'un engin par rapport
un autre engin, - la figure 6 représente de façon schématique un ensemble
de plusieurs engins navigant à proximité les uns des
autres, ensemble auquel est appliqué le procédé selon
1'Invention, - et la figure 7 est une vue schématique pour illustrer
une application de l'invention dans le cas d'une ma
noeuvre de l'accostage entre deux engins.

En se reportant à la figure 1, il a été schématiquement représenté deux engins spatiaux, respectivement dénommés satellite mère 1 et satellite fille 2.

Selon l'invention, ces deux satellites sont équipés de moyens capables d'engendrer des champs magnétiques dont l'interaction va être utilisée pour modifier la position relative entre le satellite mère 1 et le satellite fille 2.

Dans cet exemple, les moyens embarqués à bord du satellite fille 2 pour engendrer un champ magnétique, sont constitués par un aimant permanent 3 sous la forme d'un barreau.

Les moyens embarqués à bord du satellite mère 1 pour engendrer un champ magnétique destiné à interagir avec celui engendré au niveau du satellite fille 2, sont constitués par trois bobinages 4 disposés respectivement suivant trois axes orthogonaux et parcourus par un courant électrique. La disposition de ces bobinages 4 sur la figure 1 permet de distinguer un bobinage vertical 4a et deux bobinages horizontaux 4b.

Chacun des bobinages 4 est donc relié à une source d'alimentation 5 en continu destinée à faire circuler, dans un sens déterminé, un courant dont l'intensité est déterminée à partir de moyens de calculs, tels qu'un calculateur embarqué 6 qui traite des informations provenant d'un système de guidage 7 qui contrôle en permanence les positions respectives du satellite mère et du satellite fille. Un tel système de guidage 7, embarqué dans le satellite mère 1, peut par exemple être constitué par trois gyroscopes et trois accéléromètres respectivement associés à trois axes de référence orthogonaux, et par des moyens de détection de la position du satellite fille 2 par rapport au satellite mère 1.A partir de ces informations, le calculateur 6 peut calculer les positions exactes des satellites mère 1 et fille 2 dans l'espace, et par conséquent déterminer la position relative entre ces deux satellites.

D'une manière avantageuse, un noyau en fer doux 8 est logé à l'intérieur de chaque bobinage 4. Un tel noyau 8 permet d'augmenter l'intensité du champ magnétique engendré par le bobinage pour un même courant d'alimentation, comme cela est illustré à la figure 2.

Sur cette figure 2, il est représenté graphiquement la force résultante de l'interaction des champs magnétiques générés par l'aimant permanent 3 et le bobinage vertical 4a, par exemple, en fonction de la distance les séparant, l'aimant permanent et le bobinage étant et restant alignés suivant un même axe vertical.

Les courbes C1 et C2 correspondent respectivement au bobinage vertical 4a sans et avec présence du noyau 8. La comparaison de ces courbes C1 et C2, montre que la force résultante de l'interaction des champs magnétiques générés par le bobinage vertical 4a et l'aimant permanent 3 est nettement plus importante en présence du noyau 8.

Cependant, lorsque le bobinage 4a n'est pas alimenté, il y a une interaction entre le champ magnétique engendré par l'aimant permanent 3 et le champ rémanent engendré par le noyau 8 du bobinage vertical 4a.

Cette interaction , se traduit par une force d'attraction qui varie en fonction de la distance séparant l'aimant permanent 3 et le bobinage vertical 4a. Cette variation est illustrée par la courbe C3 de la figure 2, qui montre que cette interaction n'est sensible que lorsque la distance séparant l'aimant permanent 3 du bobinage vertical 4a est faible.

A titre d'exemple, ces courbes C1 à C3 résultent de calculs qui ont été effectués dans les conditions expérimentales suivantes : un aimant permanent de 20 cm de long, de 3 cm de diamètre et engendrant un champ magnétique de 1,2 T, et un bobinage de 50 cm de long, de 5 cm de diamètre et parcouru par un courant de 104 ampères.

Selon l'invention, on fait interagir les champs magnétiques respectivement engendrés par le satellite mère 1 et le satellite fille 2 pour modifier la position relative des deux satellites, cette position relative pouvant concerner soit la distance entre les deux satellites, soit la modification de l'orientation d'un satellite par rapport à l'autre.

En se reportant à la figure 3, il a été schématiquement illustré le déplacement du satellite fille 2, dont la représentation a été limitée à l'aimant 3, par rapport au satellite mère 1, dont la représentation a été limitée au bobinage vertical 4a, en supposant l'aimant permanent 3 et le bobinage vertical 4a alignés suivant un même axe.Pour exécuter une manoeuvre consistant à éloigner le satellite fille 2 du satellite mère 1 par exemple, on procède de la façon suivante - dans une première phase, on alimente le bobinage verti
cal 4a avec un courant d'une intensité déterminée et
suivant un sens de circulation donné, pour soumettre le
satellite fille 2 à une accélération, jusqu'à ce qu'il
acquiert une certaine vitesse relative par rapport au
satellite mère 1 (le satellite fille 2 se déplace de la
position initiale P1 à la position intermédiaire P2), - dans une deuxième phase lorsque cette vitesse relative
a atteint une valeur déterminée, on cesse d'alimenter
le bobinage vertical 4a, de sorte que le satellite
fille 2 s'éloigne, à vitesse constante, du satellite
mère 1, (le satellite fille 2 se déplace de la position
intermédiaire P2 à la position intermédiaire P3), - et dans une troisième phase, on alimente à nouveau le
bobinage vertical 4a avec un courant d'une intensité
déterminée, mais ayant un sens de circulation inversé,
de manière à soumettre le satellite fille 2 à un mouve
ment de décélération, et lorsque la vitesse relative du
satellite fille 2 est ramenée à 0, on cesse d'alimenter
en courant le bobinage vertical 4a (le satellite fille
2 atteint alors la position finale P4).

Pendant cette manoeuvre, seul les champs magnétiques générés par l'aimant permanent 3 et le bobinage vertical 4a ont été pris en considération. D'une manière générale, il faudrait tenir compte des interactions de la traînée aérodynamique, de la pression des radiations so- laires et de la variation de la force de gravité terrestre sur les champs magnétiques engendrés par les satellites mère et fille.A titre d'exemple, la traînée aérodynamique sur un satellite d'une dizaine de kilos et de forme cubique de 0,5 mètre de côté, est de l'ordre de 0,9.10 4N à 300 kilomètres d'altitude avec un couple de l'ordre de 0,9.10-5N, et de 1,4.10-5N à 400 kilomètres d'altitude avec un couple de l'ordre de 1,4.10-6N. La pression des radiations provenant du soleil peut être estimée à 0,5.10-6N, avec un couple correspondant de l'ordre de 0,5.10-7Nm. La variation de la force de gravité terrestre sur une distance radiale d'un mètre environ est égale à 4.10-5N à 300 kilomètres, donnant un couple inférieur à 2.10-7Nm. Globalement, l'interaction de ces éléments extérieurs peut être négligée.

Un autre type de manoeuvre est schématiquement illustré à la figure 4, en considérant toujours le bobi nage vertical 4a et l'aimant permanent 3 globalement dans un même plan vertical. La position initiale P1 de l'aimant permanent 3 est décalée d'une distance R de l'axe du bobinage 4a, et on désire amener l'aimant permanent 3 dans une position finale P4 symétrique de la position initiale par rapport à l'axe du bobinage 4a.

Pour effectuer cette manoeuvre, on procède de la façon suivante - dans une première phase, on alimente le bobinage verti
cal 4a avec un courant d'une intensité déterminée et
suivant un sens de circulation donné pour soumettre le
satellite fille 2 à une accélération pendant un temps
nécessaire pour lui communiquer une vitesse relative
déterminée, - dans une deuxième phase, on cesse d'alimenter en cou
rant le bobinage vertical 4a, et le satellite fille 2
s'éloigne à vitesse constante jusqu'à la position P2, - dans une troisième phase, on provoque un changement de
direction du satellite fille 2 en alimentant à nouveau
le bobinage vertical 4a, de manière à communiquer au
satellite fille 2 une vitesse lui permettant de se dé
placer suivant une trajectoire sensiblement perpendi
culaire à l'axe du bobinage 4a, - dans une quatrième phase, on cesse d'alimenter le bobi
nage vertical 4a pour que le satellite fille 2 se dé
place à vitesse constante jusqu'à atteindre la position
P3, - dans une cinquième phase, on procède à nouveau à un
changement de direction en alimentant le bobinage ver
tical 4a, - dans une sixième phase, on cesse d'alimenter le bobina
ge vertical 4a pour que le satellite fille 2 se déplace
à vitesse constante, - et dans une dernière phase, on alimente le bobinage
vertical 4a pour communiquer au satellite fille 2 un
mouvement de décélération jusqu'à ce que sa vitesse re
lative par rapport au satellite mère 1 soit nulle, et
lorsqu'il a atteint permanent atteint la position fi
nale P4, le bobinage vertical 4a n'est alors plus ali
menté.

Un dernier type de manoeuvre est schématiquement illustré à la figure 5, où le satellite fille 2 se déplace autour du satellite mère 1. Dans ce cas, le satellite mère 1 peut comporter plusieurs bobinages 4, par exemple régulièrement répartis vers la périphérie externe du satellite mère 1. Ces bobinages 4 sont successivement alimentés en courant pour déplacer le satellite fille 2 autour du satellite mère 1, dans le cadre d'une mission concernant l'étude du milieu environnant le satellite mère 1 par exemple.

Tous les paramètres nécessaires aux manoeuvres schématiquement illustrées sur les figures 3 à 5, sont pris en compte par un programme exécuté par le calculateur 6 embarqué à bord du satellite mère 1, avec des liaisons éventuelles avec une station centrale située à terre, pour déterminer l'intensité du courant et les temps d'alimentation et de non alimentation du bobinage 4a.

Au niveau du satellite mère 1, il est possible de remplacer les trois bobinages 4 disposés respectivement suivant trois axes orthogonaux, par un seul bobinage orientable par l'intermédiaire d'un dispositif de commande piloté à partir du calculateur 6.

Selon un autre mode de réalisation illustré à la figure 6, il est possible d'associer à un satellite mère 1, plusieurs satellites filles 2, 2' et 2''. Un tel ensemble forme un satellite virtuel, et par application du procédé selon l'invention, il est possible de pouvoir positionner les différents satellites filles 2, 2' et 2'' par rapport au satellite mère 1. Dans ce cas, il est par exemple souhaitable d'embarquer à bord de chaque satellite fille 2, 2' et 2'' des bobinages 4 pour engendrer les champs magnétiques, à la place d'un aimant 3 pour éviter son interaction permanente sur les champs magnétiques engendrés par les bobinages.

Un tel satellite virtuel peut permettre par exemple de mettre en place un capteur de haute résolution. Dans ce cas, les satellites 2, 2' et 2'' comportent par exemple des antennes 10 de radio-télescope permettant de former une antenne réseau de grande dimension, ce qui permet d'augmenter la résolution obtenue.

D'une manière générale, les forces magnétiques sont très intenses à courte distance. Ainsi, comme cela est illustré à la figure 7, elles peuvent être également avantageusement mises en oeuvre lors d'une manoeuvre d'accostage de deux satellites ou lors de la récupération d'un satellite par un autre satellite. Les deux satellites 1 et 2 de la figure 7 réduisent leur distance grâce à des manoeuvres effectuées avec des moteurs fusées 12 par exemple. Les moyens de génération de champ magnétique des deux satellites 1 et 2, tels des bobinages 4, sont situés par exemple au niveau de leur sas 13 qui assurent la communication entre les deux satellites. Au moment de l'approche finale, les différentes bobines 4 sont alimentées en courant, suivant des sens de circulation appropriés, pour engendrer des forces d'attraction relativement intenses.Ces forces permettent d'une part une plus grande précision de l'approche, et d'autre part, un centrage automatique des deux sas 13. Un système de guidage (non représenté) assure le contrôle de ces différentes manoeuvres.

Le procédé selon l'invention et son système de mise en oeuvre peuvent être utilisés pour réaliser l'inspection ou la maintenance d'un satellite mère de grande dimension, par l'intermédiaire d'un satellite fille déplaçable autour du satellite mère pour détecter un problème éventuel de déploiement d'antennes ou de panneaux solaires.

De même, l'utilisation d'un satellite fille peut être mise à profit pour réaliser certains types d'expériences, comme des expériences en microgravité, comme par exemple la croissance de cristaux ou des expé- riences biologiques.

Il est bien entendu que la présente Invention n'est pas limitée aux engins spatiaux, mais elle peut mise en oeuvre chaque fois que les forces générées par l'interaction de champs magnétiques produits à bord de deux engins quelconques sont suffisantes pour provoquer un déplacement relatif entre les deux engins. En particulier, des applications dans le milieu sous-marin peuvent être envisagées, comme par exemple le positionnement d'une plate-forme sous-marine mobile par rapport à une plate-forme sous-marine fixe. Dans ce cas, il est possible de générer des champs magnétiques très intenses en utilisant des bobines de grandes dimensions, sachant que les problèmes de dimension et de masse sont moins critiques que dans l'espace.

Claims

REVENDICATIONS

1. Procédé pour commander la position relative entre au moins deux engins se déplaçant au voisinage l'un de l'autre, caractérisé en ce qu'il consiste à engendrer un champ magnétique au niveau de chaque engin, et à faire varier au moins l'intensité de l'un des champs magnétiques pour que la résultante des forces magnétiques produites par l'interaction entre les deux champs, provoque une modification de la position relative entre les deux engins.

2. Procédé selon la Revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste, pour déplacer un engin par rapport à un autre engin, à engendrer un champ magnétique d'une intensité déterminée au niveau de l'un des engins, et à faire varier par tout ou rien l'intensité du champ magnétique engendré par l'autre engin.

3. Système de mise en oeuvre du procédé selon la Revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (3,4) pour engendrer un champ magnétique au niveau de chaque engin (1,2) et des moyens de commande (5,6,7) des moyens de génération (3,4) des champs magnétiques pour modifier la position relative des deux engins (1,2) par suite de l'interaction entre les champs magnétiques.

4. Système selon la Revendication 3, caractérisé en ce que les moyens (3) pour engendrer un champ magnétique au niveau de l'un des engins, sont constitués par un aimant permanent.

5. Système selon la Revendication 4, caractérisé en ce que l'aimant permanent est sous la forme d'un barreau.

6. Système selon la Revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que les moyens (4) pour engendrer un champ magnétique au niveau de l'autre engin, sont constitués par au moins un bobinage (4) alimenté par un courant variable délivré par les moyens de commande (5,6,7).

7. Système selon la Revendication 6, caractérisé en ce qu'un barreau (8) en fer doux est logé à l'intérieur du bobinage (4).

8. Système selon la Revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que les moyens (4) pour engendrer un champ magnétique au niveau de l'autre engin, sont constitués par trois bobinages (4a,4b) orientés suivant trois axes orthogonaux.

9. Système selon la Revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que le bobinage (4) est orientable suivant trois axes orthogonaux.

10. Système selon l'une quelconque des Revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de commande précités comprennent une source d'alimentation (5) en courant continu, un calculateur (6) pour calculer l'intensité du courant et le temps d'application de ce courant, et un dispositif de contrôle (7), tel un dispositif de guidage, pour contrôler les mouvements relatifs entre les deux engins (1,2).