MÉCANIQUE SPATIALE

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Le mouvement autour du centre de gravité

Le contrôle d'attitude

Vouloir assurer des missions spatiales nécessite non seulement de respecter les contraintes liées à la position du centre de gravité au cours du temps, mais aussi de tenir compte de celles qui influent sur le mouvement du satellite autour du centre de gravité : il s'agit du mouvement d'attitude.

Les satellites sont soumis à des perturbations d'origine externe – aérodynamiques, magnétiques, radiatives (pression de radiation solaire), gravitationnelles – et interne – mouvement de pièces mécaniques, d'ergols liquides... – qui tendent à modifier l'attitude (et aussi l'orbite).

Il convient donc tout d'abord de repérer l'attitude au cours du temps. Les capteurs d'attitude utilisés pour cela sont classés en trois catégories : les capteurs inertiels (gyroscopes et gyromètres intégrateurs flottants, anneaux lasers, accéléromètres), les capteurs optiques (terrestres, solaires ou stellaires, dont les domaines de fonctionnement sont le visible et l'infrarouge) et les capteurs électromagnétiques (capables de repérer la direction ou la polarisation d'une onde émise par une balise terrestre, ou l'orientation d'un champ magnétique). Le contrôle d'attitude, ou stabilisation, peut être effectué en mode passif ou en mode actif.

Le mode passif utilise les couples perturbateurs extérieurs existants. On peut citer parmi les modes passifs la stabilisation par gradient de gravité, la stabilisation magnétique, la stabilisation gyroscopique.

Dans la stabilisation par gradient de gravité, une masse pesante fixée à l'extrémité d'un mât télescopique tend à orienter cet axe suivant la verticale ; le phénomène est dû à la différence d'attraction de la Terre sur des parties différentes du satellite ; l'amortissement de l'oscillation pendulaire s'effectue par hystérésis magnétique. Il s'agit d'un système robuste, imprécis et peu coûteux, qui a été utilisé autrefois sur les premiers satellites (Péole, Éole).

Dans la stabilisation magnétique, un barreau aimanté solidaire du satellite s'oriente, comme l'aiguille d'une boussole, selon les lignes du champ magnétique terrestre. Ce système robuste est toujours utilisé de nos jours, pour des missions qui n'exigent pas une grande précision (de l'ordre d'un degré).

La stabilisation gyroscopique (dite par spin) est le mode passif le plus utilisé. Le satellite est mis en rotation comme une toupie dont l'axe doit demeurer fixe dans l'espace. Cet axe tend à décrire un mouvement conique que l'on peut annuler grâce à des systèmes d'amortissement de nutation actifs (boucle de commande utilisant un ou plusieurs accéléromètres pour détecter la nutation et des micropropulseurs comme actionneurs) ou passifs (par exemple, utilisation d'un liquide circulant dans un conduit annulaire pour dissiper l'énergie et donc annuler la nutation). Pour corriger l'orientation de l'axe qui dérive sous l'action de couples perturbateurs externes, il suffit d'imprimer des impulsions de couples grâce à de petits propulseurs. Ce système est utilisé durant la phase de mise à poste de certains satellites géostationnaires, et durant la phase de maintien à poste (exploitation effective de la charge utile des satellites ; exemple : Meteosat).

Le mode de stabilisation actif est plus sophistiqué et plus précis. Il correspond à des applications opérationnelles ou scientifiques plus exigeantes (exemple : S.P.O.T.). Il tend à s'affranchir des couples extérieurs et utilise des boucles d'asservissement pour ramener le satellite à l'attitude désirée. On distingue trois types de stabilisation active : la stabilisation par roue à réaction, la stabilisation par volant cinétique, la stabilisation par expulsion de masse.

Dans la stabilisation par roue à réaction (fig. 5), un disque massif, entraîné autour de son axe par un moteur, crée un couple de réaction en sens inverse du mouvement imprimé. Trois roues à réaction, disposées selon trois axes perpendiculaires et asservis, permettent un contrôle d'une extrême précision. Si un couple perturbateur possède une composante fixe, la roue à réaction tend à accélérer indéfiniment, ce qui oblige à la « désaturer » périodiquement, soit par l'action de petits propulseurs, soit par mise en œuvre de couples magnétiques compensateurs.

Contrôle d'attitude par roues à réaction

Dessin : Contrôle d'attitude par roues à réaction

Le contrôle d'attitude par roues à « réaction ». Une roue à réaction est constituée par un volant de fort moment d'inertie pouvant être entraîné autour de son axe par un moteur d'asservissement. Si, dans l'orientation du corps du satellite autour de cet axe, une erreur est détectée... 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Au lieu d'asservir la roue à réaction au voisinage d'une vitesse angulaire nulle, on peut au contraire lui imprimer un mouvement rapide et l'utiliser comme un gyroscope. Il s'agit de la stabilisation par volant cinétique (fig. 6). Le pri [...]

Contrôle d'attitude par volant cinétique

Dessin : Contrôle d'attitude par volant cinétique

Le contrôle d'attitude par volant cinétique. L'axe rotor d'un volant de forte inertie, mis en rotation à vitesse élevée (de 4 000 à 20 000 tr/min), conserve, en l'absence de couples perturbateurs, une direction fixe dans l'espace (nord-sud par exemple). Cette direction n'est que très... 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Écrit par :

  • : chef de la division mathématiques spatiales au Centre spatial de Toulouse

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Pour citer l’article

Jean-Pierre CARROU, « MÉCANIQUE SPATIALE », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 28 novembre 2022. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/mecanique-spatiale/