FR3027587A1 - Manipulation d'un satellite dans l'espace - Google Patents

Abstract

Il est divulgué un système de manipulation d'un objet spatial dans l'espace, le système comprenant une structure articulée, caractérisé en ce que ladite structure articulée comprend un unique actuateur configuré pour contrôler à la fois le déploiement de ladite structure dans l'espace, la préhension de l'objet spatial et le repliement de ladite structure articulée. Des développements décrivent l'emploi d'une structure fixe porteuse, d'une tige filetée, d'une noix taraudée guidée par la tige filetée et un ensemble de barres articulées maintenues par des liaisons pivot à leurs interfaces sur la noix taraudée et sur la structure fixe porteuse. Diverses configurations mécaniques sont décrites, notamment des dispositifs de préhension comprenant des galets pour verrouiller et/ou déverrouiller l'objet spatial par écartement des barres articulées. Des aspects de méthode sont décrits, notamment de régulation, de contrôle et d'ajustement de la manipulation.

Description

MANIPULATION D'UN SATELLITE DANS L'ESPACE Domaine de l'invention L'invention concerne le domaine des satellites et en particulier celui de leur transport dans l'espace. Etat de la Technique De nombreuses manipulations de satellites se déroulent dans l'espace.

Par exemple, des satellites anciens peuvent être désorbités, des satellites peuvent être transférés vers de nouvelles orbites, d'autres encore peuvent être ravitaillés ou bien réparés. La conception et la fabrication effective de véhicules spécifiques, i.e. dédiés au transport de satellites, s'est développée très récemment. Les solutions envisagées connues à ce jour se fondent généralement sur l'utilisation de bras articulés. Ces solutions présentent de nombreux inconvénients. Un "bras articulé" selon l'état de la technique est un bras asservi, utilisant généralement de nombreux actuateurs aux articulations (afin de permettre autant de degrés de liberté). Chaque actuateur est associé à une probabilité de panne si bien que la fiabilité globale d'un bras articulé est problématique. Le stockage d'un bras (par exemple au lancement) implique un besoin de gerbage significatif, qui n'est pas toujours possible techniquement ou économiquement. Ce stockage est de plus associé à un point de panne unique, qui n'est pas toujours acceptable. Enfin, un bras articulé peut être difficile à piloter ou à tout le moins peut impliquer des efforts de programmation significatifs.

Il existe un besoin industriel pressant pour des méthodes et des systèmes améliorés, en particulier fiables, pour la manipulation de satellites dans l'espace.

Résumé de l'invention Il est divulgué un système de manipulation d'un objet spatial dans l'espace, le système comprenant une structure articulée, caractérisé en ce que ladite structure articulée comprend un unique actuateur configuré pour contrôler à la fois le déploiement de ladite structure dans l'espace, la préhension de l'objet spatial et le repliement de ladite structure articulée. Dans un développement, le système de manipulation comprend une structure fixe porteuse et une tige filetée, ladite tige filetée centrale possédant une première extrémité fixée à la sortie de l'actuateur et une seconde extrémité présentant une liaison pivot avec la structure fixe porteuse, le système de manipulation comprenant en outre une noix taraudée guidée par la tige filetée et un ensemble de barres articulées maintenues par des liaisons pivot à leurs interfaces sur la noix taraudée et sur la structure fixe porteuse. Dans un développement, le système de manipulation est stocké dans une configuration repliée dans un espace de stockage de type Adaptateur Charge Utile ou ACU.

Dans un développement, ledit ensemble de barres articulées comprend trois barres articulées. Dans un développement, ledit ensemble de barres articulées comprend deux barres articulées.

Dans un développement, ledit ensemble de barres articulées comprend au moins quatre barres articulées. Dans un développement, les barres articulées sont agencées sensiblement en parallélogrammes selon une configuration repliée et les barres articulées sont terminées par des dispositifs de préhension de manière à conserver une orientation de préhension sensiblement constante.

Dans un développement, une ou plusieurs des barres articulées présentent des portions courbées. Dans un développement, les barres articulées 115 sont terminées par des dispositifs de préhension (116, 340).

Dans un développement, au moins au dispositif de préhension comprend un plateau, au moins deux galets et un support articulé pour lesdits galets.

Dans un développement, le dispositif de préhension est agencé de manière à verrouiller et/ou à déverrouiller l'objet spatial par écartement des barres articulées. Dans un développement, le système comprend au moins un capteur pour déterminer la position de l'objet spatial. Dans un développement, le système comprend au moins un capteur pour déterminer un contact et/ou la pression de contact avec l'objet spatial.

Il est divulgué une méthode pour manipuler un objet spatial dans l'espace, la méthode comprenant les étapes consistant à déployer une structure articulée en procédant à la rotation d'un unique actuateur dans un premier sens de rotation; et saisir l'objet spatial en repliant la structure articulée en procédant à la rotation de l'actuateur dans un second sens de rotation; ladite structure articulée comprenant un unique actuateur configuré pour contrôler à la fois le déploiement de ladite structure dans l'espace, la préhension de l'objet spatial et le repliement de ladite structure articulée. De manière générale, des sens de rotation différents peuvent être utilisés (le premier sens de rotation étant contraire au second sens de rotation).

Dans un développement du procédé, correspondant à une mise en oeuvre particulière de l'invention, le premier sens de rotation et le second sens de rotation peuvent être identiques. En d'autres termes, selon un mode de réalisation particulier de l'invention, un même sens de rotation peut être utilisé pour déployer la structure et également pour saisir l'objet spatial (et éventuellement aussi verrouiller ledit objet). Ce mode de réalisation particulier est avantageux car il réduit notamment le risque de panne et permet d'effectuer la manipulation de manière continue. Cette variante de réalisation repose sur une configuration particulière des barres articulées.

Dans un développement, la méthode comprend en outre une étape consistant à ajuster la rotation de l'actuateur en fonction de données reçues d'un capteur de position et/ou de contact avec l'objet spatial.

II est divulgué un programme d'ordinateur comprenant des instructions qui lors qu'exécutées sur un ordinateur permettent de commander le système selon l'une quelconque des revendications précédentes. Selon un aspect de l'invention, il est divulgué un système pour la 30 manipulation d'un satellite dans l'espace qui comprend un mécanisme à cinématique d'ouverture, lequel permet avec un seul actuateur un stockage compact et la préhension d'un objet spatial. Dans un développement, l'objet spatial peut comprendre une interface de 5 type ACU (acronyme pour Adaptateur de Charge Utile) Avantageusement, le système de manipulation selon l'invention présente généralement une fiabilité accrue en comparaison des systèmes existants. Le faible nombre de pièces mécaniques amoindrit le risque de 10 pannes. Par exemple, la préhension de l'objet ciblé s'effectue avec le même actuateur que celui utilisé pour le déploiement proprement dit. Avantageusement, le système de manipulation selon l'invention est économique. Le faible nombre de pièces mécaniques réduit par ailleurs le 15 poids au lancement et les coûts de fabrication et diminue par suite le coût du système global. Avantageusement, certains modes de réalisation de l'invention permettent un stockage compact du système de manipulation. En particulier, le 20 stockage à l'intérieur d'un cône d'interface permet un mode de stockage compact. Toujours avantageusement, selon une variante de l'invention, l'ouverture des bras de préhension peut être plus large que l'interface de l'objet à 25 saisir ou manipuler. Le mouvement d'ouverture peut être plus large ou ample que les dimensions du cône d'interface. Le mouvement de fermeture peut également s'effectuer de manière fiable. Une variante du mode d'accrochage de l'objet spatial se révèle 30 particulièrement avantageuse. Un mécanisme de guidage par galets permet un verrouillage automatique. La libération de l'objet saisi peut s'effectuer par écartement. Les surfaces de contact entre le mécanisme de manipulation et l'interface du satellite peuvent rester limitées (réduisant d'autant les risques de collisions ou les contraintes mécaniques et donc les dommages).

Description des figures Différents aspects et avantages de l'invention vont apparaitre en appui de la description d'un mode préféré d'implémentation de l'invention mais non limitatif, avec référence aux figures ci-dessous : Les figures 1A et 1B illustrent schématiquement un des principes de l'invention; Les figures 2A, 2B et 2C illustrent un exemple de stockage du système de manipulation d'un satellite selon un mode de réalisation particulier; Les figures 3A, 3B et 3C illustrent des variantes de mises en oeuvre; Les figures 4A à 41 illustrent schématiquement le fonctionnement d'un sous-ensemble en détaillant les principales étapes de verrouillage et de déverrouillage d'un objet spatial; Les figures 5A et 5B illustrent certains aspects relatifs à la rotation de l'actionneur rotatif. Description détaillée de l'invention La description des modes de réalisation de l'invention se déroule généralement dans l'espace, i.e. à gravité nulle. Toutefois, la force de gravitation demeure négligeable par rapport aux forces mécaniques présentement mises en oeuvre, si bien que les diverses actions ou opérations ou manipulations décrites ici peuvent s'observer à terre (modulo quelques adaptations sans conséquence sur la nature de l'invention; par exemple l'objet spatial ne flotte pas mais est arrimé de quelque manière). Un objet spatial peut être un satellite ou une portion de satellite (artificiel ou naturel), un déchet, un outil, un élément ou portion de station spatiale, un instrument de mesure, un autre véhicule de transport de satellite, une portion de combinaison d'astronaute ou bien encore un étage lanceur. Les figures 1A et 1B illustrent schématiquement un des principes de l'invention. La figure 1A est une vue en coupe et la figure 1B est une vue en perspective. Les figures montrent un satellite 100 présentant une interface 101 au système de manipulation 110. Le système de manipulation est situé (e.g. replié ou déployé ou stocké) dans un espace de stockage 120.

De manière générale, l'espace de stockage 120 peut être tout type de logement, cavité, espace, cache, abri, protection ou environnement, convenant au stockage du mécanisme. Dans un cas particulier avantageux, l'espace de stockage peut être un cône (ou "cône d'interface"). Dans d'autres modes de réalisation, l'espace de stockage peut être un cylindre ou un logement parallélépipédique (ou de toute autre forme géométrique). L'espace de stockage peut être rigide ou bien déformable. Le système de manipulation 110 comprend une structure fixe porteuse 111, une tige filetée 112, une noix 113, plusieurs barres articulées (parties de plusieurs "bras") 114 et 115, plusieurs appendices ou terminaisons de préhension 116, un actionneur rotatif 117 (par exemple un moteur électrique) et une jonction articulée 118. Un "bras" au sens de l'invention ne comprend pas de motorisation ou de moyens d'actuation (un bras comprend des barres articulées, i.e. des barres plus ou moins rigides en interaction les unes avec les autres par l'entremise de jonctions ou articulations, généralement fixes). La géométrie (i.e. la forme) des bras ou barres peut-être très variable, le nombre aussi (deux ou trois ou plus). Les bras peuvent être rigides dans certains modes de réalisation mais des bras souples et/ou flexibles peuvent être utilisés dans d'autres modes de réalisation. L'actionneur 117 est généralement rotatif (e.g. moteur à révolution) mais certains modes de réalisation peuvent utiliser des actionneurs pneumatiques et/ou linéaires de type piston. Dans un mode de réalisation, l'actionneur rotatif peut comprendre (par exemple) un moteur en rotation qui entraîne une vis en rotation, qui elle-même entraîne un écrou. L'utilisation d'une "vis à rouleaux" (selon son nom usuel) peut être préconisée (ladite vis comprend une vis simple et un écrou à rouleaux).

Dans d'autres modes de réalisation, il est possible d'utiliser une vis et un écrou standard ou bien encore une vis à billes. Il est également possible d'utiliser un actionneur linéaire pour faire déplacer la noix dans un sens ou dans un autre; la liaison de type vis-écrou sera alors remplacée par une liaison glissière. L'invention peut utiliser de manière générale tout dispositif permettant d'entraîner la noix selon une direction verticale. Dans un mode de réalisation, la structure fixe porteuse 111 est arrimée au véhicule de transfert portant également le cône.

La structure fixe est généralement rigide mais peut être élastique dans certains modes de réalisation. Les matériaux qui peuvent être utilisés pour ces pièces de structures comprennent (mais ne sont pas limitées à) l'aluminium, le titane, l'acier ou des alliages. Des matériaux composites peuvent également être utilisés (e.g. composites carbones, etc).

La tige filetée centrale 112 possède une extrémité qui est fixée à la sortie de l'actionneur 117 et une autre extrémité qui présente une liaison pivot avec la structure fixe porteuse, une noix taraudée 113 guidée par la tige filetée et de plusieurs bras 114, lesquels peuvent être composés de barres articulées 114 et 115 également articulés à leurs interfaces sur la noix et sur la structure porteuse. Dans un mode de réalisation, le mécanisme comprend trois bras (114, 115). Un mécanisme à trois bras représente un compromis (actuellement) intéressant entre poids et stabilité de la préhension, compte tenu des exigences et contraintes industrielles actuelles (par exemple choix de matériaux, critères économiques). Un mécanisme à deux bras reste toutefois possible (par exemple si le mode de contact entre l'objet spatial et le système de manipulation le permet avec suffisamment de robustesse et/ou de fiabilité). Un mécanisme à plus de 3 bras est également possible, au prix d'un surcroît de pièces mécaniques et in fine de poids, bien que chaque bras puisse possiblement être redimensionné (par exemple allégé).

Les appendices ou terminaisons de préhension 116 peuvent utiliser une grande variété de moyens. Par exemple, les moyens de préhension peuvent utiliser (y compris en combinaison): des crochets (par exemple passifs et/ou motorisés), des pinces, des griffes, des appendices (par exemple magnétiques ou électromagnétiques), des systèmes d'aspiration, des systèmes à colle, etc.

La figure 2A illustre un exemple de stockage du système de manipulation d'un satellite selon un mode de réalisation particulier. La figure montre le système de manipulation de satellite dans une configuration stockée dans un cône d'interface 120.

Dans un mode de réalisation, l'espace de stockage ou cône d'interface 120 est de type ACU (Adaptateur Charge Utile). Au lancement, chaque satellite est fixé sur un support. Ce support est appelé Adaptateur Charge Utile (ACU, Upper adapter et Lower adapter). Un ACU comprend généralement deux parties: une partie qui reste sur le lanceur et une autre partie qui reste sur le satellite. Dans certains modes de réalisation, une seule partie est requise (i.e. un des deux éléments à connecter ne requiert pas de moyens d'attache spécifiques). La coiffe est larguée dès que le lanceur quitte l'atmosphère. Lors de la dernière phase du vol, la séparation de l'ensemble ACU-satellite se fait par découpe, généralement grâce à un cordon pyrotechnique. La figure 2B illustre le système de manipulation dans une configuration repliée ou stockée, tandis que la figure 2C représente ce même système 20 dans une configuration déployée ou dépliée. Les figures 3A, 3B et 3C illustrent des variantes de mises en oeuvre qui peuvent être complémentaires ou substituées aux caractéristiques précédemment décrites. 25 La figure 3A représente une configuration dans laquelle les bras sont arrangés en parallélogrammes et les bras sont terminés par des dispositifs ou appendices de préhensions 310 permettant de conserver une orientation sensiblement constante. 30 La figure 3B illustre une variante de réalisation comprenant des bras courbés 330 pour optimiser l'ouverture de préhension tout en évitant les collisions avec ou dans le cône de stockage.

La figure 3C illustre une variante de réalisation comprenant plusieurs sous-ensembles 340 (par exemple trois, répartis radialement à intervalles angulaires réguliers, de manière à venir "attraper" ou "capturer" i.e. saisir et maintenir l'interface de l'objet spatial ciblé. Les sous-ensembles 340 permettent notamment de "verrouiller" (et respectivement de "déverrouiller") l'objet spatial à manipuler. Chaque sous-ensemble 340 est composé d'un plateau 341, d'un support de galets articulé 342 et de au moins deux galets 343.

Les figures 4A à 41 illustrent schématiquement le fonctionnement d'un sous-ensemble en détaillant les principales étapes de verrouillage et de déverrouillage d'un objet spatial. Les étapes 4A à 4E illustrent le verrouillage ou la capture ou la saisie de l'objet spatial par une variante d'interface du système de manipulation selon l'invention. A l'étape 4A, l'interface 101 de l'objet spatial (100, 400) et l'appendice (116, 340) du système de manipulation 110 selon l'invention se rapprochent l'un de l'autre (le mouvement est relatif). A l'étape 4B, l'interface du satellite 101 est posée sur le plateau 341. A l'étape 4C, les deux éléments (interface et appendice) se rapprochent radialement. L'interface satellite se glisse alors sous le galet supérieur et le galet supérieur roule le long de la partie verticale (ou inclinée) de l'interface satellite ce qui fait pivoter le support de galet. Le galet inférieur entre alors en contact avec la face inférieure de l'interface satellite. A l'étape 4D, toujours sous l'effet du rapprochement radial de l'interface et de l'appendice, le galet inférieur soulève l'interface satellite tandis que le galet supérieur le guide verticalement. A l'étape 4E, le galet supérieur se cale dans l'angle formé par l'interface satellite. L'ensemble se stabilise à l'équilibre sous l'effet de l'actuation horizontale des deux éléments.

Les étapes 4F à 41 illustrent le déverrouillage ou le largage ou le lâchage ou la dessaisie ou la libération de l'objet spatial par ladite variante d'interface du système de manipulation selon l'invention. A l'étape 4F, les sous-ensembles s'éloignent radialement : l'objet spatial n'est plus "serré". L'interface du satellite descend alors guidée par les galets. A l'étape 4G, l'interface du satellite 400 se pose sur le plateau 341. A l'étape 4H, les sous-ensembles continuent de s'écarter, libérant petit à petit l'interface du satellite. A l'étape 41, l'interface satellite est entièrement libérée et le satellite peut alors évoluer librement.

Un programme (suite d'instructions) ou logiciel peut servir à asservir le système de manipulation selon l'invention. En particulier, le programme peut contrôler ou réguler la manipulation de l'objet spatial en asservissant l'actuateur unique (selon les deux sens de rotation). Dans certains modes de réalisation, des capteurs (ou "senseurs") peuvent être utilisés et permettre de localiser l'objet spatial, d'ajuster la vitesse d'approche, de déterminer un ou plusieurs points de contact avec l'objet spatial et éventuellement de mesurer les différentes pressions aux différents points de contact. Des moyens complémentaires (par exemple de vision par ordinateur) peuvent permettre de simuler la saisie de l'objet spatial, de prendre en compte ou d'anticiper les mouvements relatifs propres de l'objet spatial (ainsi que les manoeuvres ou mouvements relatifs propres au véhicule de transport) et ainsi d'ajuster ou d'optimiser les opérations de dépliement et de repliement de la structure articulée afin d'optimiser ou de réguler in fine la saisie de l'objet spatial.

Les figures 5A et 5B illustrent certains aspects relatifs à la rotation de l'actionneur rotatif. De manière générale, l'actionneur relatif peut fonctionner selon deux sens de rotation (i.e. sens trigonométrique et sens anti-trigonométrique). Avec certaines configurations de barres articulées, il est possible d'utiliser un seul et même sens de rotation pour déployer la structure et également pour saisir l'objet spatial (et éventuellement aussi verrouiller ledit objet). Cette configuration est illustrée aux figures 5A et 5B. La figure 5A montre le déploiement de la structure repliée lorsque l'actionneur rotatif se met à tourner dans le sens 500. Tenus par les barres 510, les barres 520 se déplient et se dégagent hors de l'espace de stockage 530. A la figure 5B, ultérieurement dans le temps, toujours selon le sens de rotation 500 de l'actionneur rotatif (i.e. selon un « même sens » ou un « sens identique »), contraints par les barres 510, les bras ou barres 520 se resserrent de manière à saisir l'objet spatial (non représenté). Ainsi un seul et même sens de rotation de l'actionneur rotatif est -il suffisant pour effectuer la manipulation désirée. Cette configuration particulière et avantageuse n'empêche pas d'autres types de configuration utilisant les deux sens de rotation de l'actionneur.

La présente invention peut s'implémenter à partir d'éléments matériel et/ou logiciel. En particulier, une méthode d'asservissement du mécanisme peut comprendre différentes étapes pour gérer ou réguler les opérations de déploiement/repliement de la structure articulée (i.e. de verrouillage/déverrouillage d'un objet spatial). Des instructions de code informatique peuvent permettre, par exemple lorsqu'exécutées sur un ordinateur, de réaliser lesdites opérations. Une ou plusieurs étapes de la méthode peuvent par suite être associées à un produit programme d'ordinateur et/ou à un support lisible par ordinateur. Ledit support peut être électronique, magnétique, optique ou électromagnétique.30

Claims (13)

1. REVENDICATIONS1. Système 110 de manipulation d'un objet spatial 100 dans l'espace, le système comprenant une structure articulée, caractérisé en ce que ladite structure articulée comprend un unique actuateur 117 configuré pour contrôler à la fois le déploiement de ladite structure dans l'espace, la préhension de l'objet spatial et le repliement de ladite structure articulée.
2. 2. Système selon la revendication 1 caractérisé en ce que le système de manipulation 110 comprend une structure fixe porteuse 111 et une tige filetée 112, ladite tige filetée centrale 112 possédant une première extrémité fixée à la sortie de l'actuateur 117 et une seconde extrémité présentant une liaison pivot avec la structure fixe porteuse 111, le système de manipulation comprenant en outre une noix taraudée 113 guidée par la tige filetée et un ensemble de barres articulées (114, 115) maintenues par des liaisons pivot à leurs interfaces sur la noix taraudée 113 et sur la structure fixe porteuse 111.
3. 3. Système selon la revendication 1, le système de manipulation étant 20 stocké dans une configuration repliée dans un espace de stockage 120 de type Adaptateur Charge Utile ou ACU.
4. 4. Système selon la revendication 2, ledit ensemble de barres articulées comprenant trois barres articulées (114,115). 25
5. 5. Système selon la revendication 2, ledit ensemble de barres articulées comprenant deux barres articulées (114,115).
6. 6. Système selon la revendication 2, ledit ensemble de barres articulées 30 comprenant au moins quatre barres articulées (114,115).
7. 7. Système selon la revendication 2 dans lequel les barres articulées 114 et 115 sont agencées sensiblement en parallélogrammes selon une configuration repliée et lesdites barres articulées 115 sont terminées par des dispositifs de préhension 310 de manière à conserver une orientation de préhension sensiblement constante.
8. 8. Système selon la revendication 2 dans lequel une ou plusieurs des barres articulées 115 présentent des portions courbées.
9. 9. Système selon la revendication 2, lesdites barres articulées 115 étant terminées par des dispositifs de préhension (116, 340).
10. 10. Système selon la revendication 9, au moins au dispositif de préhension (116, 340) comprenant un plateau 341, au moins deux galets 343 et un support articulé 342 pour lesdits galets.
11. 11. Système selon la revendication 10, le dispositif de préhension étant agencé de manière à verrouiller et/ou à déverrouiller l'objet spatial par écartement des barres articulées 115.
12. 12. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant au moins un capteur pour déterminer la position de l'objet spatial.
13. 13. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant au moins un capteur pour déterminer un contact et/ou la pression de contact avec l'objet spatial. 13. Méthode pour manipuler un objet spatial 100 dans l'espace, la 30 méthode comprenant les étapes consistant à:- déployer une structure articulée en procédant à la rotation d'un unique actuateur 117 dans un premier sens de rotation; et - saisir l'objet spatial en repliant la structure articulée en procédant à la rotation de l'actuateur dans un second sens de rotation ; ladite structure articulée comprenant un unique actuateur 117 configuré pour contrôler à la fois le déploiement de ladite structure dans l'espace, la préhension de l'objet spatial et le repliement de ladite structure articulée. 15. Méthode selon la revendication 14, le premier sens de rotation et le second sens de rotation étant identiques. 16. Méthode selon la revendication 14 ou 15, comprenant en outre une étape consistant à ajuster la rotation de l'actuateur en fonction de données reçues d'un capteur de position et/ou de contact avec l'objet spatial. 17. Un programme d'ordinateur comprenant des instructions qui lors qu'exécutées sur un ordinateur permettent de commander le système selon l'une quelconque des revendications précédentes.20