Éliminer les émissions de vibrations à bord des satellites

Dans le domaine des technologies spatiales, le Centre Suisse d'Electronique et de Microtechnique (CSEM) est partenaire de l'Agence Spatiale Européenne (ESA) depuis de nombreuses années. L'un des objectifs de leur recherche conjointe est d'éliminer les émissions de vibrations provenant des composants à bord des satellites. En plus de limiter la précision du contrôle d'attitude des satellites, ces micro-vibrations entraînent une consommation d'énergie plus élevée et (dans le cas des missions d'imagerie) entraînent une détérioration de la qualité des images.

Il existe différentes manières de contrer les vibrations indésirables, soit à la source, soit à la charge utile. Dans le cadre de son exploration de différentes approches, le CSEM a actuellement plusieurs projets axés sur les modèles numériques, l'atténuation active-passive et l'encoche basée sur des algorithmes. Dans l'un de ces projets, le CSEM et ses partenaires travaillent avec une technologie innovante basée sur la lévitation magnétique.

«Avec le soutien de la technologie de mesure Kistler, nous avons examiné un prototype de roue de réaction avec un palier magnétique», a déclaré Leopoldo Rossini, qui dirige l'installation de micro-vibration au CSEM. "Cette technologie de Celeroton, une société suisse, offre de nombreux avantages tels que l'absence de frottement, une durée de vie pratiquement infinie, la possibilité de supprimer activement les vibrations indésirables par contrôle et la possibilité d'obtenir des performances plus élevées à des vitesses plus élevées", a ajouté Rossini.

Les ingénieurs du CSEM utilisent une chaîne de mesure de Kistler pour examiner les vibrations du prototype de roue de réaction. Le dynamomètre personnalisé comprend quatre capteurs de force à trois composants montés en sandwich entre deux plaques d'acier - une conception qui permet d'obtenir une rigidité mécanique maximale. Cet instrument de mesure est monté sur un bloc de granit suspendu sur quatre isolateurs pneumatiques afin d'éliminer autant que possible les influences environnementales.

Étant donné que les micro-vibrations se produisent dans la gamme des millinewtons, une chaîne de mesure très sensible à très faible bruit est nécessaire. Des actionneurs tels qu'un moteur pas à pas et un cryo-refroidisseur peuvent être placés sur la table d'instrumentation pour effectuer les mesures souhaitées.

Pour le prototype de roue de réaction à lévitation magnétique, une plage de vitesse de -20 000 à 20 000 tr/min a été couverte. Cela a permis de caractériser complètement l'efficacité d'un algorithme de rejet de force multi-harmoniques capable de supprimer les principales vibrations générées pendant le fonctionnement. "Le manque de contact physique dû à la lévitation magnétique ouvre des opportunités très intéressantes", selon Guzmán Borque Gallego, ingénieur R&D au CSEM. "Cela nous laisse presque libre de positionner le rotor de manière à minimiser les vibrations - par exemple, en laissant le rotor tourner autour de son axe d'inertie principal pour supprimer toute vibration liée au déséquilibre du rotor, ce qui réduit ces émissions à près zéro », a-t-il dit.

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« L'équipement de Kistler est idéal et il nous a fourni des résultats de très haute qualité », a déclaré Borque Gallego. «Nous mesurons des forces plutôt petites dans la gamme des millinewtons – mais même en micronewtons, nous pouvons toujours voir des différences. Cela permet un jugement confortable de toutes les mesures, conduisant à des données de haute qualité dans le processus."

L'acquisition des données est gérée par un système de prototypage rapide à 20 kHz et grâce aux mesures précises, l'effet de l'algorithme de contrôle peut être clairement identifié.

Bien que les chercheurs aient initialement prévu d'utiliser le LabAmp 5167A moderne avec une sortie numérique, ils ont finalement opté pour l'amplificateur de charge 5080A de Kistler, qui permet des mesures encore plus précises et a une capacité en temps réel plus élevée grâce à la transmission du signal analogique.

"Nous sommes ravis d'avoir la nouvelle technologie Kistler ici, car nos partenaires à l'ESA et en Allemagne l'utilisent également à des fins de qualification", a ajouté Rossini. « Ces équipements sont très robustes et ne se sont pas cassés même lorsqu'ils ont été sollicités au-delà des contraintes données. Maintenant qu'il a prouvé ses capacités, nous l'utiliserons certainement pour de futurs projets dans le domaine de la caractérisation des vibrations - où nous exploitons déjà des accéléromètres de Kistler."

« Les avantages des roues à réaction à roulement magnétique sont évidents :elles peuvent générer des vibrations beaucoup plus faibles et tourner plus rapidement que les roues conventionnelles, ce qui signifie des performances améliorées ainsi qu'une taille et un poids réduits. Et grâce à l'absence de friction, il n'y a pas d'usure et la durée de vie de la roue est pratiquement illimitée », a déclaré Borque Gallego. "C'est un projet fascinant, et nous espérons passer aux étapes suivantes :utilisation pratique, tests et peut-être même validation avec nos partenaires."

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