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Comment s'appuyer sur le vide?


"Donnez-moi un point d'appui, et je vais bouleverser la Terre" - ainsi, selon la légende, a déclaré Archimède, expliquant scientifiquement le principe intuitif du levier. Mais il n'y a aucun support dans le vide cosmique. Et les satellites ont besoin des panneaux solaires pour regarder le Soleil, les antennes vers la Terre, la caméra vers la partie intéressante de Mars et le moteur pour corriger l'orbite au point exact de l'espace. Vous devez trouver quelque chose pour vous appuyer sur le vide.

Moteurs d'orientation


L'option la plus évidente est d'installer des petits moteurs spéciaux qui contrôleront l'orientation de l'appareil: Moteurs d'


orientation du module lunaire Les

moteurs peuvent être rendus puissants pour faire tourner des véhicules lourds ou tourner plus rapidement, ou très faibles pour tourner très précisément. Ils sont relativement légers et ne nécessitent pas d'électricité lorsqu'ils ne fonctionnent pas. Tout irait bien, mais pour tourner, vous devez dépenser du carburant, et il y en a toujours une quantité limitée. Et les moteurs eux-mêmes ont des limitations sur le nombre de démarrages et la durée totale de fonctionnement.
Les moteurs d'orientation peuvent également être utilisés pour les manœuvres orbitales, surtout si l'amarrage est prévu. Le moteur principal ne peut pousser l'appareil que dans une seule direction, et à l'aide de moteurs d'orientation, il est possible de se déplacer sur tous les axes.

Avantages:
  • Simplicité.
  • Fournit une orientation sur les trois axes.
  • Masse relativement petite.
  • Flexibilité: des moteurs puissants ou très précis peuvent être réalisés.
  • Peut être utilisé pour manœuvrer en orbite.
  • Ils peuvent être éteints pendant longtemps.

Désavantages:
  • Consommation de carburant.
  • Limite du nombre de démarrages et de la durée totale de fonctionnement.
  • Contamination de l'environnement de l'appareil par du combustible brûlé (peut être pertinente pour les télescopes).

Les moteurs d'orientation sont généralement utilisés lorsqu'un changement d'orientation actif, relativement rare ou court dans le temps est requis. Par conséquent, ils se trouvent sur tous les véhicules habités et sont généralement préférés pour les stations interplanétaires, qui volent pendant des mois et des années en mode veille, tout en conservant l'orientation construite.


Moteurs d'amarrage et d'orientation pour le vaisseau spatial Soyouz au MAKS-2005. Rouge - housses de protection qui sont retirées avant le vol


Fonctionnement de l'engin spatial Soyouz lors de l'accostage avec l'ISS en reproduction accélérée

Stabilisation de la rotation


Depuis l'enfance, nous connaissons tous la capacité du haut à maintenir une position verticale. Si vous faites tourner le vaisseau spatial, il se comportera exactement de la même manière, tout en conservant la stabilisation le long de l'axe de rotation.



Si la stabilisation sur un axe nous convient, nous n'allons pas faire tourner l'appareil dans des directions différentes et prendre des photos à longue exposition, cette méthode peut être très économique.

Avantages:
  • Simplicité.
  • Rentabilité - nous nous détendons une fois et tournons pendant des siècles.

Désavantages:
  • Stabilisation sur un seul axe.
  • Ne faites pas tourner l'appareil.
  • La rotation peut interférer avec le fonctionnement de l'équipement.

Historiquement, la stabilisation par rotation est très populaire chez les Américains. Toutes les sondes du programme Pioneer ont été stabilisées par rotation. Sur les premiers appareils, cela a été fait en raison de la faible capacité de charge des missiles - il était impossible de stabiliser le Pioneer-4 de six kilogrammes d'autres manières en utilisant les technologies de 1959. La stabilisation par rotation des «Pionniers» -10 et -11 ressemble à une excellente solution - si le mouvement orbital de la Terre s’inscrit dans le diagramme de rayonnement de l’antenne, la sonde est constamment «en contact», sans dépenser un seul gramme de carburant dessus et sans avoir peur d’une défaillance du système d’orientation. Deux sondes Pioneer-Venus ont été stabilisées par rotation, probablement déjà par habitude - sur l'une d'entre elles, l'antenne a pivoté mécaniquement pour viser la Terre, qui n'a plus l'air très rationnelle.
En plus des stations interplanétaires, les Américains ont largement utilisé le spin des étages supérieurs. Dans ce cas, les blocs d'appoint à combustible solide n'avaient pas besoin d'un système d'orientation séparé.


Lancement d'un satellite avec un amplificateur PAM-D de la navette spatiale

Après l'accélération, il a été possible de simplement ralentir la rotation en utilisant la loi de conservation de la quantité de mouvement angulaire ( un exemple en apesanteur , un exemple sur les joints ) - de petites charges ont été déroulées sur les câbles et ont ralenti la rotation de l'appareil .

Volant (roue de réaction)


Tout comme un chat qui, à l'automne, tord sa queue dans la direction opposée au tour du corps, l'engin spatial peut contrôler l'orientation à l'aide du volant. Par exemple, si nous voulons faire pivoter l'appareil dans le sens horaire:
  1. Etat initial: l'appareil est immobile, le volant moteur est immobile.
  2. Nous faisons tourner le volant dans le sens antihoraire, l'appareil commence à tourner dans le sens horaire.
  3. Lorsqu'il est tourné à l'angle souhaité: on arrête la rotation du volant, l'appareil s'arrête.

Si le volant tourne déjà, alors en modifiant sa vitesse, nous pouvons créer une force qui fait tourner l'appareil. Ici, dans cette vidéo, vous pouvez déterminer par le pas de la rotation du volant que l'abaissement de la vitesse de rotation (son plus faible) crée une force qui tourne la plate-forme dans le sens des aiguilles d'une montre, l'augmentation de la vitesse (son plus élevé) est contre:



L'utilisation des volants vous permet de tourner avec une grande précision et de ne pas gaspiller de carburant précieux. Mais, comme tout autre système technique, les volants d'inertie ont leurs inconvénients. Tout d'abord, un volant d'inertie peut faire tourner l'appareil le long d'un seul axe. Pour contrôler complètement l'orientation de l'appareil, vous avez besoin de trois volants d'inertie. Et compte tenu du besoin de redondance, six ou plus. De plus, la vitesse de rotation est directement proportionnelle à la masse du volant et à sa vitesse de rotation et inversement proportionnelle à la masse de l'appareil. En termes simples, plus la masse de l'appareil est grande, plus les volants doivent être lourds. De plus, tout volant a une vitesse de rotation maximale et peut éclater s'il est déroulé davantage. Et si la force perturbatrice agit sur l'appareil dans une direction, le volant atteindra finalement la vitesse maximale,et vous devrez le décharger avec un autre système. Et enfin, comme tout mécanicien, le volant s'use avec le temps et peut tomber en panne.

Avantages:
  • Il ne nécessite pas de consommation de carburant.
  • Vous permet de viser très précisément l'appareil.

Désavantages:
  • Inadaptée aux manœuvres actives, la rotation est relativement lente.
  • Un autre système d'orientation est nécessaire pour décharger les volants d'inertie.
  • Au fil du temps, ils s'usent et échouent.
  • Chaque axe a besoin d'au moins un volant.

Les volants d'inertie sont très bénéfiques si nous devons souvent rediriger l'appareil sans changer son orbite. Par conséquent, les volants d'inertie sont sur des télescopes orbitaux. Par exemple, le Hubble a quatre volants d'inertie, offrant un contrôle redondant sur deux axes. Hubble n'a aucune tâche de tourner autour de son axe, donc les volants d'inertie sont utilisés pour faire tourner le télescope "haut / bas" et "gauche / droite".


L'un des volants d'inertie du télescope Hubble

Gyrodin (Gyroscope à moment de contrôle)


La propriété du sommet de maintenir une position verticale peut être utilisée d'une autre manière - vous pouvez vous y fier:



Si vous placez un tel toit dans un système de suspension, vous pouvez, "en vous appuyant", tourner dans la bonne direction. Ces conceptions sont appelées gyroscopes à force ou gyrodynamique. La principale différence entre un gyrodin et un volant est que le volant est monté rigidement sur un axe et contrôle l'orientation en modifiant la vitesse de sa rotation. Gyrodin est installé dans une suspension, qui peut tourner dans un ou plusieurs plans, et ne peut pas changer la vitesse de sa rotation. Dans cette vidéo, le mouvement de la suspension est clairement visible, malgré le fait que la hauteur du gyrodin ne change pas.



En termes de fonctionnalité, le gyrodin est un volant d'inertie «avancé». Les gyrodines sont plus efficaces que les volants conventionnels, mais aussi plus difficiles. Ils peuvent contrôler l'orientation d'appareils beaucoup plus lourds, mais partagent les avantages et les inconvénients des volants d'inertie. Cette vidéo montre que les gyrodines, comme les volants d'inertie, doivent être déchargées - lorsque l'axe de suspension ne peut plus tourner, le vélo commence à tomber:



Avantages:
  • Identique au volant.
  • Plus efficace qu'un volant d'inertie - un gyrodin de la même masse peut contrôler l'orientation d'un appareil beaucoup plus lourd.

Désavantages:
  • Identique au volant.
  • Plus dur que le volant.

Les gyrodines, en raison de leur efficacité, sont utilisées dans les stations orbitales. Par exemple, sur l'ISS, il y a quatre gyrodines de 300 kg chacune.


Remplacement de la gyrodine de l'ISS

Système d'orientation électromagnétique


Le champ magnétique terrestre est capable de faire tourner l'aiguille de la boussole, ce qui signifie que cette force peut être utilisée pour contrôler l'orientation de l'engin spatial. Si vous placez des aimants permanents sur le satellite, la force agissante sera incontrôlable. Et si vous mettez des bobines solénoïdes, en leur appliquant du courant, vous pouvez créer le moment de contrôle souhaité:



Trois solénoïdes montés dans des plans perpendiculaires vous permettent de contrôler l'orientation du satellite le long des trois axes. Plus précisément, ils offrent un bon contrôle sur deux axes, en essayant d'installer l'appareil comme une aiguille de boussole. Le contrôle le long du troisième axe est assuré en changeant la direction du champ magnétique terrestre lorsque le véhicule vole en orbite.



L’orientation électromagnétique peut ne pas être précise en raison de fluctuations aléatoires du champ magnétique terrestre et son efficacité diminue avec la hauteur. Et en général, les forces créées par les solénoïdes sont faibles. De plus, leur utilisation est limitée aux corps célestes avec un champ magnétique suffisamment fort, par exemple, dans l'orbite de Mars, ils sont pratiquement inutiles. Mais les solénoïdes ne contiennent pas de pièces mobiles, ne dépensent pas de carburant et sont économes en énergie.

Avantages:
  • Simplicité.
  • Ne nécessite pas de carburant.
  • Poids léger.
  • Ils ne contiennent pas de pièces mobiles et ne s'usent pratiquement pas.

Désavantages:
  • Petites forces de contrôle.
  • Précision faible.
  • Un champ magnétique est nécessaire pour le corps céleste, autour duquel l'appareil tourne.
  • L'efficacité dépend de la hauteur.

L'orientation électromagnétique est utilisée comme principale sur les cubsats et autres petits appareils. Il est également souvent utilisé pour décharger des volants d'inertie ou des gyrodines. Par exemple, le télescope Hubble utilise des volants d'inertie comme système d'orientation principal et les décharge avec un système électromagnétique.


Un exemple de solénoïde pour vaisseau spatial. Le site Web du fabricant affirme que plus de 80 solénoïdes sont déjà installés sur divers satellites.

Stabilisation par gravité


L'attraction de deux corps est inversement proportionnelle au carré de la distance entre eux. Par conséquent, si notre satellite met en avant un long pôle avec une charge, le "haltère" résultant aura tendance à occuper une position verticale lorsque sa partie inférieure sera attirée vers la Terre un peu plus que la partie supérieure. Voici une simulation informatique de 1963 (!) Montrant cet effet:



Dans la première partie de la vidéo, le satellite est dans une position stable le long de l'axe de la Terre. En réalité, les perturbations aléatoires perturberont l'équilibre parfait et le satellite oscillera autour de son axe, de sorte que ces systèmes sont généralement complétés par un amortisseur. Un petit récipient contenant du liquide transformera l'énergie vibratoire en chaleur et «calmera» le satellite.

Avantages:
  • Système très simple.
  • L'orientation se construit passivement, sans système de contrôle.

Désavantages:
  • L'orientation se construit lentement en raison de la faiblesse des forces agissant sur le corps.
  • Précision faible.
  • Un seul type d'orientation - axe vers le centre de la terre.
  • L'effet diminue avec la hauteur.
  • Le satellite peut rouler à l'envers par rapport à l'orientation souhaitée.

Le système d'orientation gravitationnelle est principalement utilisé sur les petits appareils qui ne nécessitent pas de stabilisation précise. Il est bien adapté à certains types de cubsats; également, par exemple, le satellite Yubileiny en était équipé:



Stabilisation aérodynamique


Des traces de l'atmosphère terrestre sont également visibles au-dessus d'une centaine de kilomètres, et la vitesse élevée des satellites signifie qu'ils seront plus inhibés. Habituellement, cette force est un gros obstacle, car les satellites ralentissent assez rapidement, descendent encore plus bas et brûlent dans les couches denses de l'atmosphère. Mais, néanmoins, c'est une force qui agit toujours contre le vecteur de vitesse orbitale, et elle peut être utilisée. Les premières expériences ont été menées dans les années 60. Voici, par exemple, le Cosmos-149 domestique, lancé en 1967:



orbite basse, où les forces aérodynamiques sont maximales, un lieu inhospitalier. Mais parfois il faut être là pour une plus grande précision des mesures. Une très belle solution a été utilisée dans le satellite GOCEqui a étudié le champ gravitationnel de la Terre. Une orbite basse (~ 260 km) a rendu le système de stabilisation aérodynamique efficace, et pour empêcher le satellite de brûler trop rapidement, il a été constamment accéléré par un petit moteur ionique. L'appareil qui en résulte ne ressemble pas beaucoup aux satellites habituels, quelqu'un l'a même appelé «satellite Ferrari»:



grâce au moteur ionique, GOCE a pu travailler de 2009 à 2013, réalisant la carte gravitationnelle la plus détaillée de la Terre.

Avantages:
  • La puissance aérodynamique est gratuite et ne nécessite pas de système de contrôle spécial.


Désavantages:
  • Il faut faire quelque chose pour que le satellite ne s'éteigne pas rapidement dans les couches denses de l'atmosphère.
  • La force dépend de la hauteur.
  • Une seule orientation d'axe est possible.


Voile solaire


Pour construire l'orientation, vous pouvez toujours utiliser la pression du soleil . La voile solaire est généralement considérée comme un moyen de déplacement, mais le Soleil agira également sur un satellite de forme complexe avec des antennes et des panneaux solaires. Cela peut être considéré comme un obstacle pour d'autres systèmes d'orientation, ou, si les développeurs ont calculé les moments de force à l'avance, cela peut être utilisé pour aider à construire l'orientation du satellite. Déjà en 1973, la sonde Mariner-10, qui est allée à Vénus et Mercure, a utilisé la pression solaire pour construire l'orientation de l'appareil. Inspire l'inventivité du Laboratoire de physique atmosphérique et spatiale- lorsque deux des quatre volants d'inertie sont tombés en panne sur le télescope Kepler, le laboratoire a développé une méthode pour construire l'orientation en utilisant les deux volants d'inertie restants et la pression solaire afin que le télescope examine séquentiellement quatre sections d'espace par an:



Le projet russe Regatta-Plasma , développé en 90 x ans. À l'aide d'une voile stabilisatrice solaire et de gouvernails rotatifs, l'appareil occupait une position en direction du Soleil et pouvait être tordu si nécessaire:



Même maintenant, un tel système serait unique et très intéressant, il est dommage que le projet soit fermé.

Avantages:
  • Pression solaire absolument gratuite.

Désavantages:
  • Vous ne pouvez pas construire une orientation arbitraire le long de trois axes.
  • Il ne fonctionne pas à l'ombre, ce qui est important, par exemple, pour une orbite terrestre basse.


Conclusion


Pour les forces qui dépendent de l'altitude de vol, il existe un graphique approximatif: une



autre vidéo avec des phoques et de vrais gyrodynes de la NASA.
Une vidéo plus complexe sur le même sujet est «Concevoir un système d'orientation et de stabilisation» de la communauté «Your Space Sector».

Par le tag «Difficultés invisibles», les publications sur les moteurs, le carburant, les réservoirs, les structures de démarrage et similaires sont intéressantes, mais peu visibles en raison de leur familiarité.

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