Contrôle d'attitude, gyroscope, roue de réaction et compagnie

J'ouvre ce sujet sur une idée de PZAWA, à la suite de questionnements dans le fil Rosetta autour de différents termes techniques tels que :

- contrôle d'attitude,

- gyroscope,

- roue inertielle,

- roue de réaction,

- volant d'inertie,

- les équivalents anglo-saxons,

- etc.

Le sujet est double. D'abord, d'un point de vue vocabulaire, lesquels de ces termes sont synonymes, lesquels incluent les autres ? (Par exemple, sauf erreur de ma part, "contrôle d'attitude" peut désigner tous les systèmes que j'ai listé en-dessous.) Ensuite, d'un point de vue technique, comment fonctionnent ces différents systèmes, quels sont leurs points communs, leurs différences, leurs avantages, leurs inconvénients ?

Bref, si vous avez des compétences dans ce domaine, n'hésitez pas à éclairer ma (nos) lanterne(s).

Bonjour.

Ce fil est bien venu,une bonne idée.

La moindre toupie d'enfant ,disque plat ou sphère avec un axe tournant est gyroscope...

Bonjour

Bonne idée d'avoir ouvert ce fil. Pour moi, malheureusement, les histoires de gyroscope ont toujours été assez mystérieuses

Pour Philae, les explications sur la fameuse roue d'inertie (le terme gyroscope convient aussi semble-t-il) sont très succinctes : visiblement, les scientifiques chargés de l'atterrisseur considèrent ça comme complètement évident...

Une page avec des schémas très parlants : http://tfo.rmki.kfki.hu/system/files/public/Missions/Rosetta/cdms/publications/Bibring-Philae-2006.pdf

le fabricant de la roue en est fier, à juste titre : http://www.open.ac.uk/science/research/rosetta/uk-contribution/industry/surrey-satellite-technology-ltd et http://www.sst-us.com/blog/january-2014/surrey-wheels-in-for-rosetta-comet-chaser-mission

A suivre...

Bonjour,

C'est très étonnant cette histoire de gyroscope. Cela doit pouvoir se mettre en équation. Je suis surpris qu'un grand physicien à plume n'ai jamais lu/compris cela (je taquine).

Chaque fois que j'ai eu roue de vélo entre les mains, je teste cette histoire de gyroscope. A l’arrêt, il est tres facile de manipuler la roue par son axe... elle est si légère.

Faites la tourner et elle semble doté d'une vie propre...vous voulez incliner son axe...elle résiste! La redresser? Elle résiste aussi! A essayer pour "ressentir" le comportement de Philae.

Ca marche aussi avec les toupies, les disques durs juste quand on les débranchent parfois et la Maison de l'Astronomie en vend qui tournent très longtemps : ca amuse les enfants (5 à 15 min l'amusement).

Bonjour,

Rouler à vélo sans les mains, pencher dans les virages à moto: c'est l'application naturelle de l'effet gyroscopique.

(...) Cela doit pouvoir se mettre en équation. Je suis surpris qu'un grand physicien à plume n'ai jamais lu/compris cela (je taquine)(...)

Tu es sympa, Ursus, mais je ne suis PAS un grand physicien j'ai vu et lu beaucoup d'équations sans avoir l'impression de comprendre davantage

Personnellement, je bosse un peu sur la fiabilité des systèmes de localisation ... ferroviaires (je sais c'est plus terre à terre comme application !).

Je suis confronté à une centrale inertielle qui comporte des gyromètres (vitesses de rotation selon les axes de roulis, tangage et lacet - un gyroscope c'est une position angulaire qui est mesurée ! - ) et des accéléromètres. On trouve une partie logiciel qui transforme les signaux de ces capteurs en : position, vitesse et attitude (roulis, tangage et cap).

Je m'intéresse plus particulièrement à l'hybridation de ces systèmes inertiels par des technos satellitaires. Les systèmes inertiels ont le gros d'inconvénient de dériver au cours du temps (ils sont de + en + imprécis avec le temps s'ils ne sont pas recalés - dans le ferroviaire, ce recalage se fait par les balises !).

Bref ! Je ne vais pas m'attarder sur ce que je fais ce n'est pas le sujet !

Dans Rosetta, il ne doit pas avoir qu'un seul système de localisation mais quelques uns en redondance. C'est cher de faire ça mais pour des systèmes uniques comme Rosetta je pense qu'il y a pas mal de choses mises en redondance en cas de panne pas seulement la localisation !

J'ai quelques documents avec pleins de formules sur la localisation (c'est + sur de la localisation inertielle/satellite hybride mais bon les intros posent les bases) : https://www.dropbox.com/s/mdvi19qjdt8ovg9/Integration_GPS_avec_systemes_nav_inertielle.pdf?dl=0

C'est tout bête, quand un truc tourne, si on veut le faire tourner sur un axe différent, il va vouloir tourner sur un troisième axe.

C'est ce qui permet aux avions de pas trop se perdre et à l'anticyclone des acores de nous amener le beau temps.

Une page avec des schémas très parlants : http://tfo.rmki.kfki.hu/system/files/public/Missions/Rosetta/cdms/publications/Bibring-Philae-2006.pdf

le fabricant de la roue en est fier, à juste titre : http://www.open.ac.uk/science/research/rosetta/uk-contribution/industry/surrey-satellite-technology-ltd et http://www.sst-us.com/blog/january-2014/surrey-wheels-in-for-rosetta-comet-chaser-mission

Le premier lien ne marche pas.

Dans le deuxième lien, je note un nouveau terme (encore un) : "momentum wheel", qui est équivalent à flywheel et à volant d'inertie, je suppose. Il est aussi dit : "It is similar in principle to a gyroscope" (le principe est similaire à celui d'un gyroscope). Ce qui veut dire que c'est la même idée... mais quand même pas exactement la même chose... Sinon, pourquoi utiliser deux mots différents ?

Je pense que le gyroscope est le capteur de position angulaire (un appareil) et le volant d'inertie (= "momentum wheel") est juste une masse liée à la partie animée d'un mouvement de rotation (une technique).

Salut Pionneer,

C'est vrai que les terminologie sont confuses. Pour moi "Momentum wheel", Flywheel, volant inertiel ou volant d'inertie sont équivalant. Mais peut-être existe t-il une subtilité

Merci à Cyrilounet pour les quelques précisions sur la terminologie française des "censeurs" inertiel (gyroscope,gyromètre et accéléromètre) que personnellement je désigne comme gyroscope sans doute par abus de langage

Je tenterai ce soir un petit résumé de ce que je sais sur le sujet.

Polissage et mesure de la spéricité d'un rotor de Gyroscope.

Du travail de précision.

https://einstein.stanford.edu/Media/Gyro-polishing-flash.html

J'ai trouvé cette page avec des définitions intéressantes et des équivalences des termes anglais :

http://www.culture.gouv.fr/culture/dglf/cogeter/18-04-01-lispat.htm

et en particulier ces trois paragraphes qui concernent cette discussion :

stabilisation d’orientation

Domaine : Sciences et techniques spatiales/Pilotage.

Synonyme : régulation d’orientation.

Définition : Maintien de l’orientation voulue d’un engin spatial autour de son centre de masse par la mise en œuvre de couples internes ou externes à l’engin.

Voir aussi : commande d’orientation.

Équivalent étranger : attitude control, stabilization.

roue de réaction

Domaine : Sciences et techniques spatiales/Pilotage.

Définition : Dispositif mécanique, constitué par une masse équilibrée pouvant être accélérée ou décélérée en rotation autour d’un axe, dans un sens ou dans l’autre, qui permet d’assurer la commande d’orientation fine d’un véhicule spatial par l’effet du couple d’action et de réaction créé entre la roue et le véhicule spatial.

Voir aussi : volant d’inertie.

Équivalent étranger : reaction wheel.

volant d’inertie

Domaine : Sciences et techniques spatiales/Stabilisation.

Synonyme : roue cinétique.

Définition : Dispositif mécanique constitué par une masse équilibrée maintenue en rotation continue autour d’un axe, utilisé soit pour stabiliser l’orientation d’un spationef par effet gyroscopique soit pour accumuler de l’énergie.

Voir aussi : roue de réaction.

Équivalent étranger : momentum wheel.

Flywheel est un terme générique qui veut dire un volant, donc il peut être synonyme de momentum wheel (et donc en français de volant d'inertie, roue cinétique, roue à inertie…)

Pour le fonctionnement, j'ai envie de faire trois catégories, selon le principe physique qui est mis en œuvre :

1°) l'effet gyroscopique

C'est la propriété qui fait qu'un solide en rotation conserve son axe de rotation dans une direction fixe. Il est utilisé :

-dans les gyroscopes (et gyromètres, à ce stade, je ne fais pas la différence). Un disque est en rotation rapide autour d'un axe sur une monture mobile:

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/d5/Gyroscope_operation.gif

Si le véhicule dans lequel est installé le gyroscope amorce une rotation, l'axe du gyroscope tourne en sens inverse par rapport au véhicule, ce qui permet de détecter ce mouvement.

-dans le volant d'inertie tel que celui installé dans Philae. Dans ce cas l'axe de rotation du disque est solidaire du véhicule. Un tel volant n'est pas là pour capter une rotation du véhicule, mais au contraire pour stabiliser le véhicule sur cet axe.

2°) le stockage d'énergie cinétique

Dans ce cas, la conservation de l'axe de rotation n'a aucune importance. Ce qu'on recherche, c'est à emmagasiner de l'énergie, dans un volant d'inertie. Le cas d'utilisation typique est le moteur à pistons. En effet, la force fournie par les pistons varie grandement en fonction du cycle du moteur, donc la puissance délivrée est oscillante. Un volant d'inertie permet de lisser cette puissance. Nos voitures sont équipées d'un tel volant en sortie de moteur, couplé à l'un des disques d'embrayage.

3°) la conservation du moment cinétique

Si on imagine une personne au bord d'un précipice en train de perdre l'équilibre, elle va instinctivement faire des grands mouvements de rotation avec ses bras pour tenter de se rétablir. C'est le principe de la roue de réaction. Si le véhicule spatial se met à tourner, on va actionner une roue de réaction qui va absorber la totalité du moment cinétique, de façon à maintenir le véhicule immobile.

J'espère que c'est un peu plus clair comme ça

Merci Wargentin !

(...)

 

stabilisation d’orientation

Domaine : Sciences et techniques spatiales/Pilotage.

Synonyme : régulation d’orientation.

Définition : Maintien de l’orientation voulue d’un engin spatial autour de son centre de masse par la mise en œuvre de couples internes ou externes à l’engin.

Voir aussi : commande d’orientation.

Équivalent étranger : attitude control, stabilization.

J'en déduis que "contrôle d'attitude" est une francisation du terme anglo-saxon, mais qu'il vaudrait mieux parler de "contrôle d'orientation" ?

(...)

 

1°) l'effet gyroscopique

 

C'est la propriété qui fait qu'un solide en rotation conserve son axe de rotation dans une direction fixe. Il est utilisé :

 

-dans les gyroscopes (et gyromètres, à ce stade, je ne fais pas la différence). Un disque est en rotation rapide autour d'un axe sur une monture mobile:

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/d5/Gyroscope_operation.gif

Si le véhicule dans lequel est installé le gyroscope amorce une rotation, l'axe du gyroscope tourne en sens inverse par rapport au véhicule, ce qui permet de détecter ce mouvement.

 

-dans le volant d'inertie tel que celui installé dans Philae. Dans ce cas l'axe de rotation du disque est solidaire du véhicule. Un tel volant n'est pas là pour capter une rotation du véhicule, mais au contraire pour stabiliser le véhicule sur cet axe.

Je comprends que c'est aussi l'effet gyroscopique qui permet de stabiliser un satellite par rotation sur lui-même ?

(...)

 

3°) la conservation du moment cinétique

 

Si on imagine une personne au bord d'un précipice en train de perdre l'équilibre, elle va instinctivement faire des grands mouvements de rotation avec ses bras pour tenter de se rétablir. C'est le principe de la roue de réaction. Si le véhicule spatial se met à tourner, on va actionner une roue de réaction qui va absorber la totalité du moment cinétique, de façon à maintenir le véhicule immobile.

 

 

J'espère que c'est un peu plus clair comme ça

Je ne vois pas trop la différence entre le point 1 et le point 3. Dans les deux cas, c'est le principe d'action-réaction qui permet soit d'absorber une rotation, soit de l'amorcer, ce qui est exactement la même chose.

Ah oui ! Merci Wargentin

Merci Wargentin !

 

J'en déduis que "contrôle d'attitude" est une francisation du terme anglo-saxon, mais qu'il vaudrait mieux parler de "contrôle d'orientation" ?

Salut Pioneer

Donc il faudra dire le système de contrôle d'orientation ou bien le contrôleur d'orientation au lieu du "contrôleur d'attitude". (Je ne sais pas si je vais y arriver )

Je comprends que c'est aussi l'effet gyroscopique qui permet de stabiliser un satellite par rotation sur lui-même ?

Comme lorsqu'on lance un ballon de foot americain/rugby on lui donne une rotation pour qu'il ne parte pas dans tout les sens.

Juno est stabilisée de cette façon.

Je ne vois pas trop la différence entre le point 1 et le point 3. Dans les deux cas, c'est le principe d'action-réaction qui permet soit d'absorber une rotation, soit de l'amorcer, ce qui est exactement la même chose.

Je pense qu'il y une différence: Une roue tournant constamment joue le rôle de stabilisateur sur l'axe dans lequel il tourne( effet gyroscopique). Mais cette stabilisation ne concerne pas la rotation sur cet axe.

C'est l’accélération/décélération de la roue qui par principe d'action/réaction amorce la rotation de la sonde et peut donc stabiliser la rotation proprement dite.

Le journal de Dawn de M.Rayman contient une foule de choses traitant en autre du sujet mais avec les termes anglais (qui ne différencie pas Gyromètre et Gyroscope)

et des fois melange roue de réaction avec gyroscope :/

Perso c'est grâce à ce blog que j'ai commencé a m'interresser techniquement plus en détail aux sondes interplanétaire.

Système de contrôle d'orientation avec (pour moi) confusion sur gyros et roue de réaction:

http://dawn.jpl.nasa.gov/mission/journal_09_06.asp

Roue de réaction et désaturation:

http://dawn.jpl.nasa.gov/mission/journal_1_27_09.asp

Référence sur le sujet:

http://www2.jpl.nasa.gov/basics/bsf11-2.php

Je ne sais pas combien de fois j'ai poste ce lien sur le forum

Mais je ne suis pas certain que cela va clarifier notre affaire:

reaction wheels, also called momentum wheels.

Don't Confuse Gyros and Reaction Wheels.

Gyros provide inertial reference inputs to AACS computers. If they have any moving parts, they are small and lightweight.

Reaction wheels are fairly massive attitude control devices at the output of AACS computers.

Je crois que je vais rester à la terminologie anglais-francais suivante:

- Attitude contrôle: Contrôleur d'orientation

- Gyros: Senseur gyroscopique

- Momentum Wheels: Volant d'inertie (stabilisateur gyroscopique) *

- Reaction wheels: Roue de réaction *

* même si il est vrai que Volant d'inertie et Roue de réaction c'est la même chose mécaniquement mais je les distingue pour leur rôle différent qu'ils jouent.

Quelqu'un qui bosse dans l'ingénierie spatiale ?

J'en déduis que "contrôle d'attitude" est une francisation du terme anglo-saxon, mais qu'il vaudrait mieux parler de "contrôle d'orientation" ?

Il semble bien en effet que le terme correct en français soit orientation :

http://www.wordreference.com/enfr/attitude

http://www.cnrtl.fr/lexicographie/orientation

Je ne vois pas trop la différence entre le point 1 et le point 3. Dans les deux cas, c'est le principe d'action-réaction qui permet soit d'absorber une rotation, soit de l'amorcer, ce qui est exactement la même chose.

Non, ce n'est pas la même chose. Dans le cas de l'effet gyroscopique, on s'intéresse à la position de l'axe du volant. La rotation du volant lui-même n'est là que pour générer l'effet gyroscopique. Dans le cas de la roue de réaction, qui est montée sur un axe fixe, c'est la rotation de la roue elle-même qui importe.

Peut-être qu'avec des vidéos c'est plus parlant :

Le gyroscope :

la roue de réaction :

Sauf que je viens de voir qu'on peut aussi contrôler l'orientation d'un satellite par l'effet gyroscopique. J'ignore dans ce cas comment se nomme le système :

Il semble bien en effet que le terme correct en français soit orientation :

http://www.wordreference.com/enfr/attitude

http://www.cnrtl.fr/lexicographie/orientation

Dans le document (en français d'une enseignante-chercheur à l'ENAC - École Nationale Aviation Civile) que j'ai partagé ici, elle indique à un moment : "Son orientation par rapport au trièdre N (trièdre de navigation défini par les axes n (nord), e (est) et d (normal au plan (n,e) orienté vers le bas) sur la figure en pièce jointe du post) est définie par les angles d’attitude ou angles d’Euler phi, theta, psi (roulis, tangage, cap, respectivement)"

Donc voilà le lien entre orientation et attitude !

Ps : c'est un bon site cnrtl.fr quand j'ai un doute sur une définition ! (Recommandé par une linguiste qui est passée dans mon labo)

J'ouvre ce sujet sur une idée de PZAWA, à la suite de questionnements dans le fil Rosetta autour de différents termes techniques tels que :

- contrôle d'attitude,

- gyroscope,

- roue inertielle,

- roue de réaction,

- volant d'inertie,

- les équivalents anglo-saxons,

- etc.

 

Le sujet est double. D'abord, d'un point de vue vocabulaire, lesquels de ces termes sont synonymes, lesquels incluent les autres ? (Par exemple, sauf erreur de ma part, "contrôle d'attitude" peut désigner tous les systèmes que j'ai listé en-dessous.) Ensuite, d'un point de vue technique, comment fonctionnent ces différents systèmes, quels sont leurs points communs, leurs différences, leurs avantages, leurs inconvénients ?

 

Bref, si vous avez des compétences dans ce domaine, n'hésitez pas à éclairer ma (nos) lanterne(s).

Je reviens ici à partir d'un fil WA (discut'.science) que j'ai lancé il y a quelques jours.

gyro prend énergie de la rotation terrestre.

J'avais compris qu'une quantité de mouvement, qui est toujours conservée, pouvait linéare ou rotative.

Ainsi, la terre ne peut pas s'arrêter de tourner sans réaction avec un objet extérieur, ou un objet qui la quitte.

Je pensais plus particulièrement au problème de la stabilisation des sondes comme Pioneer qui cumulent du mouvement angulaire dans des roues d'inertie... puis doit un jour allumer ses rétrofusées pour s'en débarrasser.

Du coup, je suis assez perplexe avec la vidéo ci dessous qui semble démontrer qu'on peut stopper un objet en rotation avec des roues en trois plans. En plus, le système semble gyroscopique. Donc on n'est pas en train d'accumuler une quantité de rotation qu'il faudrait débarrasser un jour !

On se plaint juste d'un problème d'oscillation. Et pourquoi pas créer trois paires de gyros en contre-rotation (plus de précession). La contre-rotation sert aussi à neutraliser des efforts lors de la mise en rotation.

C'est comme si on validait par l'expérience, une hypothèse utopique que je pensais fausse .

L'un des commentaires de la vidéo met en doute la validité de gyros sur trois plans. Mais comme dit Litobrit, c'est bien la plateforme qui sert dans les avions de ligne.

Je mets le cas d'un cd seul en rapport avec la réponse suivante ci dessus:

-dans le volant d'inertie tel que celui installé dans Philae. Dans ce cas l'axe de rotation du disque est solidaire du véhicule. Un tel volant n'est pas là pour capter une rotation du véhicule, mais au contraire pour stabiliser le véhicule sur cet axe.

J'ai l'impression que, en parlant de stabiliser le véhicule sur l'axe de rotation, on est bien dans le cas d'un gyroscope. Et cette même roue pouvait faire accessoirement, office de roue d'inertie (stockage) sur son plan de rotation. En plus, Philae a dû démontrer l’efficacité du principe car il a fait des rebonds sans culbuter.

L=2 034