Minimiser les vibrations des satellites pour une performance de mission améliorée

Dans le domaine de la technologie spatiale, le Centre Suisse d'Électronique et de Microtechnique (CSEM) est partenaire de l'Agence Spatiale Européenne (ESA) depuis de nombreuses années. Un axe de leur recherche commune est l'élimination des 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 de missions d'imagerie) une détérioration de la qualité d'image.

Approches de mitigation des vibrations

Il existe différentes façons de contrer les vibrations indésirables soit à la source, soit sur la charge utile. Dans le cadre de son exploration de différentes approches, le CSEM a actuellement plusieurs projets se concentrant sur les modèles numériques, la mitigation active-passive et le cranage algorithmique. 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 à palier magnétique », a déclaré Leopoldo Rossini, qui dirige l'installation micro-vibration au CSEM. « Cette technologie de Celeroton, une entreprise suisse, offre de nombreux avantages tels que l'absence de frottement, une durée de vie virtuellement infinie, la possibilité de supprimer activement les vibrations indésirables par contrôle, et l'opportunité d'atteindre des performances plus élevées à des vitesses plus élevées », a ajouté Rossini.

Instrumentation de mesure haute précision

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 atteint 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.

Comme les micro-vibrations se produisent dans la gamme du millinewton, une chaîne de mesure hautement sensible avec un bruit très faible est requise. 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.

Résultats : suppression harmonique multiple

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 une caractérisation complète de l'efficacité d'un algorithme de rejet de force multi-harmonique capable de supprimer les principales vibrations générées pendant le fonctionnement. « L'absence de contact physique due 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 principal d'inertie pour supprimer toute vibration liée au déséquilibre du rotor, ce qui réduit ces émissions à près de zéro », a-t-il dit.

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

L'acquisition de 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 de signal analogique.

« Nous sommes ravis d'avoir la nouvelle technologie Kistler ici, car nos partenaires à l'ESA et en Allemagne l'utilisent aussi pour des fins de qualification », a ajouté Rossini. « Cet équipement est très robuste et n'a pas cédé même lorsqu'il a été sollicité 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 de réaction à palier magnétique sont évidents : elles peuvent générer des vibrations bien plus faibles et tourner plus vite que les roues conventionnelles — ce qui signifie une performance améliorée ainsi qu'une taille et un poids réduits. Et grâce à l'absence de frottement, il n'y a pas d'usure et la durée de vie de la roue est virtuellement illimitée », a déclaré Borque Gallego. « C'est un projet fascinant, et nous espérons passer aux prochaines étapes : utilisation pratique, tests, et peut-être même validation avec nos partenaires. »

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