PT108847A - Esferoide de reação - Google Patents
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Abstract
A PRESENTE INVENÇÃO, ESFEROIDE DE REAÇÃO, REFERE-SE A UM DISPOSITIVO COMPOSTO POR UM ESFEROIDE OCO (1) UM SISTEMA DE ATUAÇÃO (7) E UMA ESTRUTURA ENVOLVENTE (5). O DITO SISTEMA DE ATUAÇÃO (7) É CONSTITUÍDO POR QUATRO OU MAIS CONJUNTOS DE TRÊS ELEMENTOS, CONJUNTOS ESSES, COMPOSTOS POR UM MOTOR (2) QUE CONFERE MOVIMENTOS DE ROTAÇÃO A UM ATUADOR (4) MEDIANTE UM MEIO DE LIGAÇÃO (3). O SISTEMA DE ATUAÇÃO (7) ESTÁ ACOPLADO A UM SISTEMA DE SUSPENSÃO/SUPORTE (8) QUE POR SUA VEZ ESTÁ ACOPLADO À ESTRUTURA ENVOLVENTE (5) MEDIANTE UMA LIGAÇÃO RÍGIDA (9). O SISTEMA DE ATUAÇÃO (7) GARANTE NÃO SÓ O EQUILÍBRIO ESTÁTICO DO ESFEROIDE OCO (1), COMO TAMBÉM A POSSIBILIDADE DE INDUZIR AO ESFEROIDE OCO (1) MOVIMENTOS ATÉ TRÊS GRAUS DE LIBERDADE DE ROTAÇÃO INDEPENDENTES.A PRESENTE INVENÇÃO PODE SER UTILIZADA, POR EXEMPLO, COMO UM DISPOSITIVO DE TRANSFERÊNCIA DE MOMENTO ANGULAR PARA CONTROLAR A ORIENTAÇÃO DE SATÉLITES NO ESPAÇO.
Description
DESCRIÇÃO "Esferoide de Reação"
Campo da invenção A presente invenção, esferoide de reação, refere-se a um dispositivo destinado à produção de binários de reação. 0 acoplamento do esferoide de reação a corpos com liberdade de rotação, e.g. satélites, possibilita o controlo da sua orientação mediante binários de reação obtidos através do movimento do esferoide oco (1).
Estado da técnica
Existem vários dispositivos que possibilitam o controlo da orientação de satélites no espaço. Estes baseiam-se essencialmente em duas formas distintas de produção de binários: • Binários devidos a efeitos externos ao satélite, tais como, o campo magnético terrestre, radiação solar e forças de reação devido à propulsão de gases. • Binários de reação internos ao satélite, ou seja, corpos em rotação dentro de um satélite. 0 dispositivo, volante de inércia, ou roda de reação, conhecido em inglês por "reaction wheel", pertence ao grupo de dispositivos baseados na produção de binários de reação internos ao satélite.
Existem várias formas de construção e otimização do referido volante de inércia [1] . Sendo por norma composto por um motor elétrico acoplado a um disco de inércia, que gira segundo o eixo de rotação do respetivo motor. Ao variar a velocidade angular do disco de inércia, obtém-se uma variação do seu momento angular. Consequentemente acoplando o referido volante de inércia a um dado corpo (e.g. satélite), o momento angular do corpo varia de forma oposta à do volante de inércia. Verificando-se a conservação do momento angular.
Visto que o vetor do momento angular produzido por um volante de inércia está definido segundo o eixo de rotação do disco de inércia, um volante de inércia permite somente variações do momento angular segundo o referido eixo. 0 controlo da orientação de satélites segundo três eixos utilizando sistemas de volantes de inércia requer no mínimo conjuntos de três volantes de inércia com eixos de rotação não colineares entre si. Desta forma, conseguem-se binários de reação segundo qualquer vetor do espaço. Na literatura descrevem-se não só métodos de controlo de orientação de satélites mas também os resultados obtidos para diferentes disposições geométricas dos ditos conjuntos de volantes de inércia, [2] e [3].
Utilizando conjuntos redundantes de quatro ou mais volantes de inércia consegue-se aumentar a tolerância a falhas destes sistemas [3] que têm várias combinações possíveis dos binários de reação dos volantes de inércia para um dado binário de reação total. 0 binário de reação total gerado por um conjunto de volantes de inércia corresponde à soma dos binários de cada volante de inércia ou roda de reação. A esfera de reação magnética, conhecida em inglês por "magnetic reaction sphere" também pertence ao grupo de dispositivos baseados na produção de binários de reação internos ao satélite. É composta por um rotor esférico contendo imanes permanentes. 0 rotor esférico está envolvido por um estator que tem o objetivo de controlar o movimento do rotor, [4] e [6]. A partir das correntes elétricas fornecidas aos eletroimanes do estator, é gerado um campo magnético capaz de levitar e controlar a orientação do rotor, [5] . Variações no referido campo magnético possibilitam a movimentação do rotor com três graus de liberdade de rotação, mantendo o seu centro geométrico imóvel face a um referencial fixo no estator.
As referidas rotações do rotor, e por conseguinte, variações do momento angular do mesmo, permitem controlar a orientação de um dado corpo (e.g. satélite), verificando-se a conservação do momento angular.
Este dispositivo apresenta inconvenientes devido à complexidade de construção do rotor. Nomeadamente, a inclusão de imanes permanentes no corpo esférico dificulta a obtenção de uma distribuição de massa do rotor equilibrada. Para além deste inconveniente, a complexidade do modelo magnético do dispositivo tem implicações na continuidade do movimento de rotação rotor.
Comparando os tensores de inércia de um corpo esférico e um disco cilíndrico, verificam-se quais as vantagens do corpo esférico. De facto, um conjunto de três volantes de inércia, ou rodas de reação requer mais energia cinética de rotação face a um corpo esférico (com massa e volumes equivalentes) para a produção do mesmo binário de reação.
Este aspeto evidencia as vantagens da utilização de um corpo esférico face a um conjunto de volantes de inércia. Caso se considere um disco cilíndrico com massa distribuída radialmente no limite da sua secção transversal e um corpo esférico oco (com massa e volume equivalentes), obtém-se um resultado semelhante.
Sumário da invenção A presente invenção, esferoide de reação, refere-se a um dispositivo composto por um esferoide oco (1) um sistema de atuação (7) e uma estrutura envolvente (5). 0 sistema de atuação (7) está acoplado a um sistema de suspensão/suporte (8) que por sua vez está acoplado à estrutura envolvente (5) mediante uma ligação rigida (9) . 0 referido sistema de atuação (7) é constituído por quatro ou mais conjuntos de múltiplos elementos, entre os quais: • Um motor (2) que confere movimentos de rotação a um corpo acoplado ao seu eixo de rotação. • Um meio de ligação (3) acoplando o motor (2) a um atuador (4), transferindo o movimento de rotação do motor (2) ao atuador (4). • Um atuador (4) em contacto mecânico com a superfície do esferoide oco (1).
Adicionalmente, o sistema de suspensão/suporte (8) está acoplado ao sistema de atuação (7) mediante um acoplamento ao motor (2) e atuador (4). 0 atuador (4), possui três graus de liberdade independentes: a) Um grau de rotação em torno de um eixo de rotação do atuador (4). b) Um grau de translação, entre o atuador (4) e o esferoide oco (1), segundo uma direção não colinear com a velocidade tangencial definida por a) no ponto de contacto do respetivo atuador (4) . c) Um grau de translação segundo a direção normal à superfície do esferoide oco (1) definida no ponto de contacto do respetivo atuador (4).
Visto o sistema de suspensão/suporte (8) conferir liberdade de movimento ao atuador (4) somente segundo c) , os graus de liberdade definidos por a) e b) não alteram a posição do atuador (4) em relação à estrutura envolvente (5) . Consequentemente devido ao contacto mecânico do atuador (4) com a superfície do esferoide oco (1), os graus de liberdade definidos por a) e b) influenciam a orientação do esferoide oco (1). 0 contacto mecânico do atuador (4) com a superfície do esferoide oco (1) verifica o equilíbrio estático do esferoide oco (1) em relação em relação à estrutura envolvente (5). 0 sistema de atuação (7) induz até três graus de liberdade de rotação ao esferoide oco (1) . Simultaneamente o sistema de suspensão/suporte (8) assegura o contacto mecânico do atuador (4) com a superfície do esferoide oco (D .
Por fim, o acoplamento do sistema de atuação (7) ao sistema de suspensão/suporte (8) que por sua vez está acoplado à estrutura envolvente (5) mediante uma ligação rígida (9) garante a transferência do momento angular do esferoide oco (1) para a estrutura envolvente (5), e por conseguinte, para qualquer corpo acoplado ao esferoide de reação.
Descrição detalhada da invenção A presente invenção, esferoide de reação, refere-se a um dispositivo com o intuito de produção de binários de reação. 0 acoplamento do esferoide de reação a corpos com liberdade de rotação, e.g. satélites, possibilita o controlo da sua orientação mediante binários de reação obtidos através da rotação do esferoide oco (1). 0 esferoide de reação é composto por um esferoide oco (1), uma estrutura envolvente (5) e um sistema atuação (7). 0 sistema de atuação (7) está acoplado a um sistema de suspensão/suporte (8) que por sua vez está acoplado à estrutura envolvente (5) mediante uma ligação rígida (9). 0 referido sistema de atuação (7) é constituído por quatro ou mais conjuntos de múltiplos elementos, entre os quais: • Um motor (2) que confere movimentos de rotação a um corpo acoplado ao seu eixo de rotação. • Um meio de ligação (3) acoplando o motor (2) a um atuador (4), transferindo o movimento de rotação do motor (2) ao atuador (4). • Um atuador (4) em contacto mecânico com a superfície do esferoide oco (1).
Adicionalmente, o sistema de suspensão/suporte (8) está acoplado ao sistema de atuação (7) mediante um acoplamento ao motor (2) e atuador (4). 0 atuador (4), possui três graus de liberdade independentes: a) Um grau de rotação em torno de um eixo de rotação do atuador (4). b) Um grau de translação, entre o atuador (4) e o esferoide oco (1), segundo uma direção não colinear com a velocidade tangencial definida por a) no ponto de contacto do respetivo atuador (4) . c) Um grau de translação segundo a direção normal à superfície do esferoide oco (1) definida no ponto de contacto do respetivo atuador (4).
Dado o sistema de suspensão/suporte (8) conferir liberdade de movimento ao atuador (4) somente segundo c), os graus de liberdade definidos por a) e b) não alteram a posição do atuador (4) em relação à estrutura envolvente (5) . Consequentemente devido ao contacto mecânico do atuador (4) com a superfície do esferoide oco (1), os graus de liberdade definidos por a) e b) influenciam a orientação do esferoide oco (1).
Considera-se que os movimentos induzidos pelo sistema de suspensão/suporte (8) são concordantes tanto no motor (2) como no atuador (4). 0 contacto mecânico do atuador (4) com a superfície do esferoide oco (1) verifica o equilíbrio estático do esferoide oco (1) em relação em relação à estrutura envolvente (5).
Dado que a verificação do referido equilíbrio estático varia consoante a disposição dos pontos de contacto dos atuadores (4). 0 sistema de atuação (7) garante até três graus de liberdade de rotação ao esferoide oco (1) . Simultaneamente o sistema de suspensão/suporte (8) assegura o contacto mecânico permanente do atuador (4) com a superfície do esferoide oco (1).
Por fim, o acoplamento do sistema de atuação (7) ao sistema de suspensão/suporte (8) que por sua vez está acoplado ao sistema envolvente (5) mediante uma ligação rigida (9) garante a transferência do momento angular do esferoide oco (1) para o sistema envolvente (5), e por conseguinte, para qualquer corpo acoplado ao esferoide de reação.
Um sistema de atuação (7) tem a capacidade de induzir movimentos até três graus de liberdade de rotação ao esferoide oco (1) atuando pelo menos dois atuadores (4), dado que os restantes atuadores (4) operam em regime livre, ou seja, rodam livremente sobre a superfície do esferoide oco (1) . São requeridos no minimo quatro pontos de contacto de atuadores (4) com a superfície do esferoide oco (1) de forma a possibilitar o equilíbrio estático do sistema.
Uma forma de realização de um esferoide de reação considera um esferoide oco (1) de simetria esférica e um sistema de atuação (7) com quatro atuadores (4) em contacto mecânico com a superfície do esferoide oco (1) de simetria esférica. Os pontos de contacto dos atuadores (4) estão concordantes com uma geometria tetraédrica regular de vértices circunscritos na superfície do esferoide oco (1) de simetria esférica. Ou seja, o centro geométrico do tetraedro regular (6) de referência é concordante com o centro geométrico do esferoide oco (1) e a distância do centro geométrico do tetraedro regular (6) de referência aos vértices é equivalente ao raio do esferoide oco (1) de simetria esférica.
Considere-se ainda, a titulo de exemplo, os meios de ligação (2) definidos por veios rigidos e os atuadores (4) holonómicos, rodas Suecas.
Outra forma de realização do esferoide de reação considera um esferoide oco (1) prolato. Devido aos graus de liberdade do sistema de suspensão/suporte (8), este verifica o equilíbrio estático do esferoide oco (1) prolato e em simultâneo, o sistema de atuação (7) garante até três graus de liberdade de rotação ao esferoide oco (1) prolato.
Ainda a titulo de exemplo, considere-se a expressão do momento de inércia de um esferoide oco (1) de simetria esférica comparativamente à de um esferoide sólido de simetria esférica, verifica-se que os valores dos momentos de inércia de um esferoide oco (1) de simetria esférica são superiores. Assim sendo, existem vantagens em utilizar esferoides ocos maximizando o valor dos binários de reação para uma massa e volume equivalentes.
Possíveis inconvenientes da presente invenção podem advir da qualidade dos atuadores (4), de escorregamentos entre os atuadores (4) e a superfície do esferoide oco (1) e do não sincronismo da rotação dos motores (2) e por conseguinte atuadores (4).
Em suma, este dispositivo é válido para o controlo da orientação de satélites no espaço. 0 esferoide oco (1) possui uma distribuição de massa eficiente comparativamente a um conjunto de volantes de inércia (de massa e volume equivalentes). Adicionalmente na ocorrência da falha de um motor (2), assumindo que o respetivo atuador (4) fica em regime livre, o esferoide oco (1) é ainda passivel de ser atuado pelos restantes atuadores (4). Comparativamente, num conjunto de volantes de inércia, a falha de um motor resulta na existência de um disco não passivel de ser atuado. A presente invenção é candidata a concorrer com os sistemas atuais de controlo da orientação de satélites empregues no dominio da engenharia aeroespacial.
Descrição das figuras
As FIG.l, FIG.2 e FIG.3 descrevem uma forma de realização da construção de um esferoide de reação, considerando um esferoide oco (1) de simetria esférica, rodas holonómicas Suecas para os atuadores (4), veios rigidos de secção transversal cilíndrica para os meios de ligação (3) , um sistema de massa-mola para o sistema de suspensão/suporte (8) e a utilização de quatro atuadores (4) segundo uma geometria tetraédrica regular. A FIG. 1 ilustra um esferoide oco (1) de simetria esférica, um sistema de atuação (7) e uma estrutura envolvente (5). 0 sistema de atuação (7) está acoplado a um sistema de suspensão/suporte (8) que por sua vez está acoplado à estrutura envolvente (5) mediante uma ligação rigida (9) . Adicionalmente o sistema de atuação (7) adota uma geometria tetraédrica regular e é constituído por quatro conjuntos de três elementos, conjuntos esses, compostos por um motor (2) que confere movimentos de rotação a um atuador (4) mediante um meio de ligação (3). A produção de binários de reação do dispositivo assume a rotação do esferoide oco (1) de simetria esférica em relação à estrutura envolvente (5) . Sendo que o sistema de atuação (7), o respetivo sistema de suspensão/suporte (8) e a ligação rigida (9) se mantêm imóveis em relação à estrutura envolvente (5). A FIG. 2 ilustra em maior detalhe o sistema de atuação (7) . Nomeadamente é possivel identificar o esferoide oco (1) de simetria esférica, o sistema de atuação (7) e o tetraedro regular (6) de referência. 0 sistema de atuação (7) está acoplado a um sistema de suspensão/suporte (8) que por sua vez está acoplado à estrutura envolvente (5) (não ilustrada na FIG. 2) mediante uma ligação rigida (9) . Os vértices do tetraedro regular (6) de referência estão circunscritos na superfície do esferoide oco (1) de simetria esférica definindo os pontos de contacto do sistema de atuação (7) com a superfície do esferoide oco (1) de simetria esférica. De notar que o tetraedro regular (6) de referência não consiste num corpo fisico do dispositivo mas sim, numa referência. A FIG.3 ilustra um corte de secção ilustrando não só o acoplamento do sistema de atuação (7) ao sistema de suspensão/suporte (8), que por sua vez está acoplado à estrutura envolvente (5) mediante uma ligação rigida (9), mas também o contacto mecânico do atuador (4) com a superfície do esferoide oco (1) de simetria esférica.
Adicionalmente, estão ilustrados os componentes do sistema de atuação (7): • Um motor (2) que confere movimentos de rotação a um corpo acoplado ao seu eixo de rotação. • Um meio de ligação (3) acoplando o motor (2) a um atuador (4), garantindo a transferência do movimento de rotação do motor (2) ao atuador (4). • Um atuador (4) em contacto mecânico com a superfície do esferoide oco (1) de simetria esférica. É também visivel o acoplamento do sistema de suspensão/suporte (8) ao sistema de atuação (7) mediante um acoplamento ao motor (2) e atuador (4). A FIG.4 descreve uma outra forma de realização do esferoide de reação, considerando um esferoide oco (1) prolato. 0 sistema de atuação (7) está acoplado a um sistema de suspensão/suporte (8) que por sua vez está acoplado à estrutura envolvente (5) mediante uma ligação rigida (9). A produção de binários de reação do dispositivo assume a rotação do esferoide oco (1). Sendo que o ponto de contacto dos atuadores (4) varia em relação à estrutura envolvente graças ao sistema de suspensão/suporte (8) e à ligação rigida (9).
Adicionalmente, estão ilustrados os componentes do sistema de atuação (7): • Um motor (2) que confere movimentos de rotação a um corpo acoplado ao seu eixo de rotação. • Um meio de ligação (3) acoplando o motor (2) a um atuador (4), garantindo a transferência do movimento de rotação do motor (2) ao atuador (4). • Um atuador (4) em contacto mecânico com a superfície esferoide oco (1) prolato.
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[2] Ludwig Muhlfelder, Edward Keigler, Brian Stewart.
Momentum biased active three-axis satellite attitude control system. Patent. US4071211A. Sept. 1976.
[3] Zuliana Ismail, Renuganth Varatharajoo, A study of reaction wheel configurations for a 3-axis satellite attitude control. Advances in space Research 45 (2010) 750-759.
[4] Chételat Olivier, Torque apparatus. Patent. WO 2007/113666. March 2007 [5] Leopoldo Rossini, Olivier Chételat, Emmanuel Onillon, and Yves Perriard, Force and torque analytical models of a reaction sphere atuator based on spherical harmonic rotation and decomposition. IEEE/ASME Transactions on mechatronics, Vol. 18, No. 3, June 2013.
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Banaszkiewicz, Alexis Boletis, M. Ciesielska, Stefan
Mingard, E. Onillon, L. Rossini, European Levitated
Spherical Atuator ELSA. Sept. 2013, 64th International Astronautical Congress, FP7/2007-2013 No. 283223
Claims (6)
1. Esferoide de reação caracterizado por ser constituído por: a) um esferoide oco (1) com três graus de liberdade de rotação independentes; b) um sistema de atuação (7) constituído por quatro ou mais conjuntos de múltiplos elementos, entre os quais: i) um motor (2) que confere movimentos de rotação a um corpo acoplado ao seu eixo de rotação; ii) um meio de ligação (3) acoplando o motor (2) e o atuador (4) transferindo o movimento de rotação do motor (2) ao atuador (4); iii) um atuador (4) em contato mecânico com a superfície do esferoide oco (1), onde o referido atuador (4), possui três graus de liberdade; c) um sistema de suspensão/suporte (8) que realiza a ligação do sistema de atuação (7) à estrutura envolvente (5); d) uma estrutura envolvente (5) para a qual é transferido o momento angular produzido pela rotação do esferoide oco (1).
2. Esferoide de reação de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por, os atuadores (4) possuírem três graus de liberdade independentes: a) um grau de rotação em torno de um eixo de rotação do atuador (4); b) um grau de translação, entre o atuador (4) e o esferoide oco (1), segundo uma direção não colinear com a velocidade tangencial definida por a) no ponto de contacto; c) um grau de translação segundo a direção normal à superfície do esferoide oco (1) definida no ponto de contacto do respetivo atuador (4).
3. Esferoide de reação de acordo com a reivindicação 1 a 2, caracterizado por conter os pontos de contacto mecânico dos atuadores (4) sobre a superfície do esferoide oco (1) de acordo com uma disposição geométrica que verifica o equilíbrio estático do esferoide oco (1) em relação à estrutura envolvente (5).
4. Esferoide de reação de acordo com as reivindicações 1 a 3, caracterizado por conter atuadores (4) atuados por motores (2) segundo o eixo de rotação dos referidos atuadores (4).
5. Esferoide de reação de acordo com as reivindicações 1 a 4, caracterizado por conter um sistema de atuação (7) que induz movimentos até três graus de liberdade de rotação independentes ao esferoide oco (1), utilizando pelo menos dois atuadores (4).
6. Esferoide de reação de acordo com as reivindicações 1 a 5, caracterizado por transferir o momento angular obtido da rotação do esferoide oco (1) à estrutura envolvente (5) através do acoplamento do sistema de atuação (7) a um sistema de suspensão/suporte (8), que por sua vez está acoplado à estrutura envolvente (5) mediante uma ligação rígida (9) .
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Patent Citations (2)
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Non-Patent Citations (1)
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| BB1A | Laying open of patent application |
Effective date: 20151124 |
|
| FG3A | Patent granted, date of granting |
Effective date: 20180706 |