ES2311098T3 - Accionador giroscopico de control de la actitud de un vehiculo espacial. - Google Patents
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Abstract
Accionador giroscópico que comprende una estructura (12) de soporte de rueda (14) montada sobre un collar (10) por medios (12) que permiten hacerla girar alrededor de un primer eje (z) y que lleva una rueda (14) dotada de medios que permiten accionar el rotor de la rueda (14) a velocidad elevada alrededor de un segundo eje (X) ortogonal al primero, caracterizado porque la estructura (12) de soporte comprende una pieza (19) tubular que gira sobre el collar (10) y una carcasa (20) colocada por un único lado de la rueda (14) y fijada por una parte a la rueda (14), por otra parte sobre la pieza (19) tubular, estando previstos el diámetro de la rueda (14) y el emplazamiento de fijación de la rueda sobre la carcasa (20) de manera que la rueda (14) penetra axialmente en la pieza (19) tubular.
Description
Accionador giroscópico de control de la actitud
de un vehículo espacial.
La presente invención se refiere a girodinos o
accionadores giroscópicos (designados a menudo por las siglas
anglosajonas CMG para giróscopo de momento de control) (control
moment gyro); se diferencian de las ruedas de reacción normalmente
utilizadas para controlar la actitud de un vehículo espacial y
especialmente de un satélite por intercambio de momento cinético,
porque la rueda está montada sobre un soporte, denominado cardan,
orientable por al menos un motor alrededor de al menos un eje que
es ortogonal al eje de rotación de la rueda. En la mayoría de los
casos, el rotor de la rueda gira a velocidad constante o al menos
poco variable durante su aplicación.
La orientación de un triedro de referencia unido
al cuerpo de un satélite puede controlarse alrededor de tres ejes
mediante un grupo de al menos tres accionadores giroscópicos cuyo
cardan presenta un único eje de orientación del eje de la rueda;
dos accionadores giroscópicos bastan para un pilotaje de 2 ejes.
En la práctica se utilizan en general al menos cuatro accionadores
giroscópicos agrupados para garantizar una redundancia para el
pilotaje 3D. Un ejemplo particularmente ventajoso del sistema de
control de actitud mediante accionadores giroscópicos viene dado en
la patente FR 98 14548 o la patente US 6 305 647 a las que se podrá
hacer referencia.
La mayoría de los accionadores giroscópicos
existentes tienen una arquitectura del tipo esquematizada en la
figura 1. El accionador giroscópico comprende un collar (10)
destinado a fijarse al cuerpo del satélite. Puede además definir,
con una envuelta estanca no representada, un volumen en el que está
colocada la parte activa del accionador. Sobre el collar está
montado un soporte (12) de rueda que un motor puede orientar sobre
el collar alrededor de un eje (z). Se designará en lo sucesivo
mediante el término "rueda" (14) un conjunto que comprende una
parte solidarizada con el soporte y un rotor que puede girar sobre
el soporte alrededor de un eje (x) ortogonal al eje (z) de rotación
del soporte. Un motor eléctrico acciona la rueda, generalmente a
velocidad constante y regulada.
El soporte, que se califica generalmente como
cardan, aunque sólo pueda orientar el eje de la rueda alrededor de
un solo eje, presenta generalmente una forma anular centrada sobre
el eje (z). Rodea completamente la rueda o rotor. Por consiguiente,
el conjunto ocupa un volumen importante y para una masa elevada en
rigidez y para un momento cinético máximo dado. Ahora bien, las
limitaciones que se hallan a bordo de un satélite obligan a reducir
al máximo el volumen y la masa de los accionadores giroscópicos de
capacidad dada de momento cinético.
La presente invención va dirigida especialmente
a proporcionar un accionador giroscópico con un volumen y una masa
reducidos, una rigidez de estructura global elevada, que puede
realizarse bajo una forma que facilita la constitución de las
superficies de contacto con el cuerpo del satélite y la integración
del conjunto.
La invención propone especialmente, con este
fin, un accionador giroscópico que comprende una estructura de
soporte de rueda montada sobre un collar por medios que permiten
hacerla girar alrededor de un primer eje y que lleva una rueda
dotada de medios que permiten accionar el rotor de la rueda a
velocidad elevada alrededor de un segundo eje ortogonal al primero,
cuya la estructura de soporte comprende una pieza tubular que gira
sobre el collar y una carcasa colocada por un único lado de la
rueda y fijada por una parte a la rueda, por otra parte sobre la
pieza tubular, estando previstos el diámetro de la rueda y el
emplazamiento de fijación de la rueda sobre la carcasa de manera
que la rueda penetra axialmente en la pieza tubular, y
eventualmente en el collar.
Gracias a esta disposición, puede reducirse el
volumen a lo largo del eje de rotación del cardan debido a que la
rueda penetra en el interior de la pieza tubular y a menudo también
del collar. Se reduce también el volumen necesario para el
desplazamiento y el área de cobertura sobre el satélite, debido a
que el diámetro de la estructura de soporte es igual al diámetro
de la rueda y el diámetro del collar puede ser netamente inferior
al diámetro de la rueda.
La carcasa tiene ventajosamente una forma
general de fracción angular de tronco de cono cuya parte terminal
más grande está fijada a la pieza tubular y la parte terminal menos
grande lleva la rueda.
La carcasa puede presentar una parte
semicilindrica de fijación de la rueda (por el lado de la cara
terminal menos grande) y una brida de fijación sobre la pieza
tubular (por el lado de la parte terminal más grande).
La carcasa presenta ventajosamente nervaduras
internas que le aportan una rigidez elevada, que permite llevar el
primer modo de vibración global de la estructura a un valor
elevado, para una masa dada, especialmente más allá de 100 hercios.
Estas nervaduras pueden comprender dos tabiques dispuestos a 90º
grados entre sí, una enfrente de la rueda, la otra perpendicular a
la primera.
La pieza tubular, que se calificará en lo
sucesivo en ocasiones como "cono", presenta una primera
fracción, ventajosamente en forma de tronco de cono cuya base mayor
está fijada a la carcasa. Esta forma cónica contribuye a la gran
rigidez de la estructura de soporte. La parte de gran diámetro del
cono lleva ventajosamente el rotor del motor de orientación de la
estructura de soporte, es decir el cardan. El cono propiamente
dicho se prolonga ventajosamente mediante una parte tubular que
lleva sucesivamente la parte giratoria de un rodamiento de montaje
sobre el collar, la parte giratoria de un codificador angular y una
parte de medios de transferencia de potencia y de señales entre la
estructura de soporte y el collar. La parte tubular que prolonga el
cono presenta ventajosamente varias partes cilíndricas de diámetros
decrecientes desde el nivel de rodamiento hasta el nivel de
transferencia de potencia y de señales.
Las características anteriormente indicadas así
como otras se deducirán mejor tras la lectura de la descripción
siguiente de un modo particular de realización de la invención, dado
a modo no limitativo. La descripción se refiere a los diseños que
se adjuntan, en los que:
- la figura 1, ya mencionada, es una vista en
corte por el eje del cardan de un accionador de tipo conocido
- la figura 2 es una representación de principio
de un accionador giroscópico según un modo de realización de la
invención, en corte por un plano pasante por el eje del cardan;
- la figura 3 es una vista en alzado de un
accionador giroscópico con la constitución de principio mostrada en
la figura 2;
- las figuras 4A y 4B son dos vistas en
perspectiva de la carcasa del accionador de la figura 3;
- la figura 5 es una vista en alzado y en corte
parcial de un accionador según una variante de la realización;
En la figura 2, que muestra la arquitectura de
principio de un accionador, se encuentra un collar (10) que durante
su utilización puede estar en una orientación cualquiera sobre el
que gira una estructura (12) de soporte a la que está fijada la
rueda (14). La estructura de soporte es en varias piezas
ensambladas. Estas piezas comprenden una pieza (19) tubular (abajo
en la figura 2) cuya parte alta es en forma de tronco de cono,
llevada sobre el collar (10) mediante un rodamiento (18), y una
carcasa (20) colocada por un único lado de la rueda y fijada por
una parte a la parte no giratoria de la rueda, por otra parte a la
pieza tubular. El diámetro de la rueda (14), las dimensiones
relativas de la estructura (12) de soporte y del collar (10) y el
emplazamiento de fijación de la rueda sobre la carcasa se prevén de
manera que la rueda esté sobresaliente en la pieza tubular y que el
volumen barrido por la rueda en funcionamiento (indicado en trazos
discontinuos) no tenga un diámetro alrededor del eje (z) superior
al de la brida (21) del collar. Se minimiza así el volumen debido a
la penetración de montaje en voladizo y la penetración de la rueda
en el cardan.
La pieza (19) tubular comprende, además de una
fracción en forma de tronco de cono cuya base mayor está fijada a
la carcasa, una prolongación tubular que presenta una forma
escalonada, con diámetros decrecientes progresivamente desde el
tronco de cono hasta el extremo bajo. Un primer tramo (22)
cilíndrico es solidario con la parte giratoria del rodamiento (18)
cuya parte fija está montada sobre el collar (10). El segundo tramo
(24), de menor diámetro que el primero, lleva la parte giratoria de
un codificador angular no representado: finalmente, un tercer tramo
(26) presenta, en el caso de la figura 2, un diámetro aún mas
reducido para dejar libre, entre este tramo y la parte baja del
collar (10), una zona (28) anular de dimensión suficiente para
alojar en la misma medios de transferencia de señales y de potencia
de cable flexible, enrollador o colector giratorio.
A continuación se describirá la constitución del
modo particular de realización ilustrado a título de ejemplo en
las figuras 3 y siguientes, en las que los elementos
correspondientes a los de la figura 2 llevan el mismo número de
referencia.
El collar (10) presenta una parte cilíndrica
baja dotada de la brida (21) y una parte ensanchada alta, que
lleva el estator del motor (30) eléctrico de orientación del
cardan. Este motor (30) es por ejemplo un motor de par con imanes
permanentes, controlado por un bucle de control cuya entrada está
unida a un sistema exterior. Este motor de par puede sustituirse
por un motor paso a paso.
En un modo particular de realización, el
rodamiento (18) (figura 2) comprende un juego de dos cojinetes
alineados, montados de dos en dos. Estos cojinetes pueden estar
constituidos especialmente por rodamientos de bolas o rodillos. En
este último caso, la corona de bolas de cada cojinete está prevista
para tener un apoyo oblicuo sobre los anillos, de modo que las
fuerzas ejercidas sobre las bolas ocupan las generatrices de un
cono. Gracias al montaje de dos rodamientos de dos en dos, los
vértices de los dos conos pueden estar alejados entre sí, por
ejemplo, uno al nivel del centro de la rueda y el otro en el
interior de la zona (26). Mediante una elección apropiada del
diámetro de los rodamientos y del ángulo de contacto (ángulo entre
la dirección de apoyo de las bolas y los anillos de rodamiento),
puede realizarse el mejor equilibrio posible entre la recuperación
de los esfuerzos durante el lanzamiento, la reducción de la
fricción durante la utilización y el volumen ocupado por el
rodamiento en su conjunto.
La posición angular del cardan viene dada en
todo momento por el codificador que presenta una parte fijada
rígidamente al collar (10) y una parte rotórica unida a la
estructura de soporte.
Puede utilizarse especialmente un codificador
óptico, de salida incremental en forma de señales en cuadratura que
pueden tratarse mediante una electrónica de proximidad que puede
funcionar con puntería de precisión.
Un codificador óptico presenta numerosas
ventajas con respecto a los codificadores eléctricos tales como
los dispositivos de resolución. Permite obtener una precisión
elevada. Es posible obtener una precisión mejor que más o menos
tres segundos de ángulo, ampliamente suficiente para un
posicionamiento satisfactorio del momento cinético.
Los medios de pasado de las señales de medida y
de la alimentación eléctrica, controlados desde el exterior, deben
tolerar la rotación del cardan, al menos en un dominio angular
limitado.
Tal como se indicó anteriormente, puede
utilizarse un conector que gira con tapas de contacto y
escobillas. Tiene la ventaja de no aportar ninguna limitación a la
rotación del cardan, pero el inconveniente de un par de fricción
que puede resultar elevado cuando el número de señales que han de
transferirse es importante. Otra ventaja de la transmisión por
tapas de contacto y escobillas es el hecho de que puede dejarse
derivar libremente en rotación la rueda en el curso de la fase de
lanzamiento.
También pueden utilizarse medios de paso de
señales con cable flexible multiconductores y enrollador de cable.
Los enrolladores de cable habituales comprenden un cable flexible
que contiene una capa, de conductores, que une dos tambores que
pueden girar uno respecto al otro. Cada extremo del cable está
fijado a uno de los tambores y el cable se enrolla y se desenrolla
cuando los tambores giran uno respecto al otro. El par de fricción
de un enrollador de este tipo es mucho más pequeño que el de un
conector giratorio y los contactos son mejores.
La carcasa (20) presenta, en el caso ilustrado,
una forma compleja. Está constituido de una sola pieza por motivos
de rigidez y de robustez. Su superficie exterior se presenta como
un sector angular de una superficie de revolución. Tiene una
fracción en forma de tronco de cono, terminada por la brida (23) de
fijación sobre la pieza tubular y una fracción semicilíndrica
también dotada de una brida (51) de refuerzo.
Para dar a la carcasa (20) una gran rigidez con
poco peso, la pared lateral de la carcasa está reforzada por
nervaduras. Estas nervaduras comprenden un tabique (52), que une
los bordes de la carcasa, y un tabique (54) ortogonal al primero,
colocado en el plano medio de la carcasa. La carcasa está fijada a
la pieza tubular por una serie de tornillos (56), regularmente
repartidos.
La cubierta de la rueda (14) está fijada a la
carcasa mediante cuatro tornillos (58) desplazados con respecto al
plano medio de la carcasa, de manera que está próximo a las
nervaduras de rigidización. La rueda puede tener una constitución
de tipo conocido. Por ejemplo, comprendiendo una cubierta estanca y
un rotor. La cubierta está dotada de una placa de soporte que
lleva los rodamientos sobre los que gira el rotor, el estator del
motor de accionamiento del rotor y un tacómetro. No se describirá en
detalle la constitución interna de la rueda puesto que puede ser de
tipo conocido.
De manera general, el rotor se acciona en
rotación a una velocidad elevada, generalmente constante. El motor
de accionamiento del rotor comprende, por ejemplo, un motor de par
sin escobillas y sin chapa, generalmente de conmutación
electrónica, cuyo par compensa las disipaciones de energía por
fricción.
Durante el funcionamiento, es necesario evacuar
el calor disipado, especialmente por los motores, y el debido a la
fricción sin calentamiento excesivo y sin gradiente térmico
excesivo en componentes que son sensibles al mismo. Conviene, como
máximo, buscar una buena compatibilidad de los coeficientes de
dilatación térmica de los diferentes componentes.
En un satélite, la disipación térmica sólo puede
realizarse por conducción o por radiación hacia la pared fría del
cuerpo del satélite. La carcasa (20) está interpuesta entre la
rueda y el muro. Puede constituirse en un material buen conductor
del calor, como el aluminio y ennegrecer su cara externa para
mejorar la emisión. Para disminuir el gradiente térmico en los
rodamientos del cardan, el cono es ventajosamente de material con
una conductividad pequeña, tal como titanio.
La figura 5, en la que los componentes
correspondientes a los de las figuras 2 a 4B se designan mediante
el mismo número de referencia, muestra una variante de realización.
Esta variante se adapta mejor que el modo de realización anterior a
la utilización de una rueda de mayor espesor, es decir una rueda
cuya relación espesor/diámetro sea mayor.
En este caso, se reduce la penetración de la
rueda (14) en el cono de la pieza (19) tubular y no hay
penetración de la rueda en el collar (10).
La disposición mostrada en la figura 5 permite
además tener un volumen vertical inferior al de un accionador que
presente la constitución mostrada en la figura 2. El rodamiento
(18) y el motor (30) están colocados sensiblemente a la misma
altura, coaxialmente entre sí. Los medios de transferencia de
señales y de potencia hacia el exterior comprenden un colector que
gira en el anillo (34), colocado en el interior de los tramos (24 y
26) de la pieza (19) tubular. Un sensor óptico también está
colocado bajo el tramo (26).
\newpage
En otra variante, la disposición relativa del
motor (30) y del rodamiento (18) se invierte con respecto a la
mostrada en la figura 1. La disposición en la que un rodamiento de
gran diámetro está dispuesto radialmente en el exterior del motor,
es favorable desde el punto de vista mecánico. Pero en
contrapartida, esta disposición conduce a fricciones iniciales
elevadas al comienzo del funcionamiento, mientras que el accionador
está frío.
En otro modo de realización adicional, el
colector giratorio está colocado al mismo nivel axial que el motor
y el rodamiento, en el interior de estos últimos en el sentido
radial.
Son posibles también otros modos de realización.
Especialmente para satélites de relativamente poco tamaño y de poco
peso (varios centenares de kg), puede llevarse a utilizar ruedas
todavía de mayor espesor que en el caso de la figura 5, lo que
reduce la posibilidad de penetración.
De forma general, es deseable que el accionador
respete las condiciones siguientes:
- -
- el diámetro máximo del cardan, en la zona más próxima al eje de rotación de la rueda, debe ser inferior o igual al diámetro del cilindro barrido por la rueda durante la rotación del cardan, pero al mismo tiempo ser superior al espesor de la rueda,
- -
- el diámetro del collar, en el punto donde se fija a la plataforma del satélite, debe ser inferior o al menos igual al diámetro máximo de la estructura de soporte.
\vskip1.000000\baselineskip
Esta lista de referencias citadas por el
solicitante se dirige únicamente a ayudar al lector y no forma
parte del documento de patente europea. Incluso si se ha procurado
el mayor cuidado en su concepción, no se pueden excluir errores u
omisiones y el OEB declina toda responsabilidad a este
respecto.
- \bullet FR 9814548 (0002)
- \bullet US 6305647 B (0002)
Claims (8)
1. Accionador giroscópico que comprende una
estructura (12) de soporte de rueda (14) montada sobre un collar
(10) por medios (12) que permiten hacerla girar alrededor de un
primer eje (z) y que lleva una rueda (14) dotada de medios que
permiten accionar el rotor de la rueda (14) a velocidad elevada
alrededor de un segundo eje (X) ortogonal al primero,
caracterizado porque la estructura (12) de soporte comprende
una pieza (19) tubular que gira sobre el collar (10) y una carcasa
(20) colocada por un único lado de la rueda (14) y fijada por una
parte a la rueda (14), por otra parte sobre la pieza (19) tubular,
estando previstos el diámetro de la rueda (14) y el emplazamiento
de fijación de la rueda sobre la carcasa (20) de manera que la
rueda (14) penetra axialmente en la pieza (19) tubular.
2. Accionador según la reivindicación 1,
caracterizado porque la pieza (19) tubular presenta una
fracción en forma de tronco de cono cuya base mayor está fijada a
la carcasa y la parte de gran diámetro del cono lleva el rotor del
motor (30) de orientación de la estructura (12) de soporte.
3. Accionador según la reivindicación 2,
caracterizado porque el tronco de cono está prolongado por
una parte (22) tubular que lleva sucesivamente la parte giratoria
de un rodamiento (12) de montaje sobre el collar (10), la parte
giratoria de un codificador angular y una parte de medios de
transferencia de potencia y de señales entre la estructura (12) de
soporte y el collar (10).
4. Accionador según la reivindicación 3,
caracterizado porque la parte (19) tubular que prolonga el
cono presenta partes (24, 26) cilíndricas de diámetros decrecientes
desde el nivel (18) de rodamiento.
5. Accionador según la reivindicación 1, 2 ó 3,
caracterizado porque la carcasa (20) presenta una parte en
forma general de fracción angular de tronco de cono cuya parte
terminal más grande está fijada a la pieza (19) tubular y la parte
terminal menos grande lleva la rueda (14).
6. Accionador según la reivindicación 1, 2 ó 3,
caracterizado porque la carcasa (20) presenta, a una y otra
parte de una fracción con una forma exterior en tronco de cono, una
parte semicilíndrica de fijación de la rueda (14) y una brida (23)
de fijación sobre la pieza (19) tubular.
7. Accionador según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque la carcasa (20)
presenta nervaduras (52, 54) internas que comprenden al menos dos
tabiques dispuestos a 90º grados entre sí, una enfrente de la rueda
(14), la otra (54) perpendicular a la primera (52).
8. Accionador según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque la pieza (19)
tubular gira sobre el collar (10) por medio de un rodamiento (18)
que comprende dos cojinetes en contacto entre sí, constituidos por
rodamientos de bolas o de rodillos con ángulos de contacto de
sentido opuesto.
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|---|---|---|---|
| FR0203569 | 2002-03-21 | ||
| FR0203569A FR2837580B1 (fr) | 2002-03-21 | 2002-03-21 | Actionneur gyroscopique de pilotage de l'attitude d'un vehicule spatial |
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| ES2311098T3 true ES2311098T3 (es) | 2009-02-01 |
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|---|---|---|---|
| ES03727593T Expired - Lifetime ES2311098T3 (es) | 2002-03-21 | 2003-03-18 | Accionador giroscopico de control de la actitud de un vehiculo espacial. |
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