GIRODINO Y SU DISPOSITIVO DE MONTAJE.

Girodino (10) que comprende una rueda de inercia (50) montada,

por medio de un soporte de rueda (20), sobre la parte móvil o rotor (40) de un conjunto de cardán que comprende asimismo un estator (42) y unos medios de puesta en rotación del rotor (40) con respecto al estator (42) alrededor de un primer eje de rotación, pudiendo el cuerpo giratorio de dicha rueda de inercia (50) ser puesto en rotación alrededor de un segundo eje de rotación no alineado con dicho primer eje de rotación, estando dichos medios de puesta en rotación de dicho rotor (40) por lo menos parcialmente alojados en el volumen interior (31) de una cuña (30), caracterizado porque dicho estator (42) de dicho cardán está montado sobre dicha cuña (30) y fijado sobre dicha cuña (30) por medios de atenuación de vibraciones (70)

La presente invención se refiere a un accionador acoplado con efecto giroscópico, también denominado girodino, y a su dispositivo de montaje sobre una estructura portante.

Los inventores se han interesado en los girodinos constituidos por una rueda de inercia (también denominada rueda cinética) montada sobre un dispositivo de puesta en rotación según un eje, dispositivo denominado a veces “cardán” incluso aunque no exista más que un eje de rotación. La rueda de inercia comprende un cuerpo giratorio que es puesto en rotación y mantenido a velocidad sustancialmente constante por unos medios apropiados, de manera que se crea un momento cinético de valor sustancialmente constante. La rueda se fija rígidamente sobre la parte móvil (el rotor) del cardán por medio de una pieza estructural que se denominará “soporte de rueda”. La parte fija del cardán (habitualmente denominada estator) está destinada a ser fijada sobre una estructura portante. La puesta en rotación del rotor con respecto al estator del cardán se efectúa por medios apropiados (rodamientos, motor, etc.), de tal manera que el rotor gira alrededor de un eje fijo, denominado eje cardán, con respecto al estator. La disposición de la rueda, del soporte de rueda y del conjunto cardán es tal que el ángulo entre el eje cardán y el momento cinético de la rueda es constante, siempre no nulo, y en la mayoría de los casos igual a 90º. El giro del rotor del cardán permite hacer pivotar el momento cinético de la rueda, creando así un par giroscópico sobre la estructura portante igual al producto vectorial del vector de la velocidad instantánea de rotación del rotor del cardán y del vector del momento cinético de la rueda.

La alimentación eléctrica de los sensores y de los motores necesarios para el funcionamiento del girodino, así como los condicionamientos de la orientación del eje cardán, y de la velocidad del cuerpo giratorio se efectúan con la ayuda de un dispositivo electrónico de mando que, según el estado de la técnica, está parcial o totalmente separada y no está integrada en su totalidad en la parte mecánica del girodino. Los dispositivos electrónicos y los elementos eléctricos del girodino están entonces conectados con ayuda de cables eléctricos que pueden medir hasta varios metros de longitud. Por otro lado, debido a las radiaciones intensas que rodean el medio en el que evoluciona generalmente el satélite, estos dispositivos electrónicos deben ser protegidos por unas cajas lo más frecuentemente de aluminio, cuyo grosor debe ser suficiente para atenuar los efectos perjudiciales de dichas radiaciones.

Por otro lado, otro elemento a tomar en consideración es el hecho de que la rueda cinética no se encuentra idealmente equilibrada. El girodino en funcionamiento creará micro-vibraciones indeseables que serán transmitidas por medio de la estructura portante a elementos eventualmente sensibles de cargas útiles, como por ejemplo detectores ópticos, y perturbarán su funcionamiento.

Los girodinos tienen una aplicación importante en los sistemas de mandos de postura y de orientación, en particular en los sistemas de direccionado de satélites, véase el documento WO 03/080439. En efecto, se trata de un equipo que permite suministrar unos pares importantes necesarios, en particular para el basculamiento rápido de la línea de direccionado de instrumentos a bordo de en satélites.

De manera habitual, se utiliza un racimo de girodinos que comprenden por lo menos tres girodinos para permitir reorientar un triedro de referencia unido al satélite en todas las posiciones, y en ciertos casos, un racimo de girodinos que comprenden por lo menos dos girodinos para un basculamiento según dos ejes. Lo más frecuente, se utilizan por lo menos cuatro girodinos en racimo con el fin de asegurar una redundancia y simplificar la gestión para evitar las singularidades. Un ejemplo de realización de un procedimiento y de un dispositivo de control de la postura de un satélite con la ayuda de un racimo de girodinos se ha descrito en el documento FR 2 786 283 o en el documento FR 2 826 470.

Con el fin de poder crear pares en todas las direcciones, se dispone lo más frecuentemente de un racimo de cuatro girodinos, según el estado de la técnica, de tal manera que los ejes cardán de los cuatro girodinos estén perpendiculares respectivamente a las cuatro caras de una pirámide lo más frecuentemente regular (configuración denominada piramidal). Existen otras configuraciones para las cuales la disposición de los girodinos es diferente de ésta, pero en todos los casos es necesario, para poder crear eficazmente pares según todas las direcciones que los girodinos, en número por lo menos igual a tres, no tengan todos sus ejes cardán alineados según una dirección única. Se necesitan por lo menos dos inclinaciones diferentes para el conjunto de los ejes cardán del racimo.

El problema se plantea cuando se instala este racimo de girodinos en el satélite. A título ilustrativo, se puede considerar que se trata de disponer un racimo de cuatro girodinos en un plano de colocación constituido por la estructura portante del satélite, por ejemplo una de las paredes del satélite, de manera que se respeta la geometría deseada del racimo, por ejemplo, haciendo que los ejes cardán de los girodinos sean perpendiculares respectivamente a las cuatro caras de una pirámide regular con el ángulo del vértice especificado por el usuario.

Según el estado de la técnica, que se encuentra por ejemplo en la publicación “Practical Results on the development of a Control Moment Gyro based Attitude Control System for Agile Small Satellites”, V.J. Lappas, W.H. Steyn, C.I. Underwood, efectuada durante el evento «The Sixteenth Annual AIAA/USU Conférence on Small Satellites, 12-15 de agosto de 2002, Logan, Utah, USA”, cada girodino está fijado según el esquema ilustrativo de la figura 1a sobre una estructura intermedia -1- fijada a su vez sobre dicho plano de colocación -2-, de tal manera que el eje cardán -3- está inclinado con respecto al plano de colocación -2-, el rotor -4a-, -4b- del cardán está formado por dos partes separadas y soporta la rueda -6- por ambos lados en dos puntos opuestos, las dos partes del estator -5a-, -5b- del cardán están fijadas sobre la estructura intermedia -1- por ambos lados de la rueda -6-, o están integradas en dicha estructura intermedia -1-, y la estructura intermedia presenta un vaciado -7- que permite que la rueda gire 360º sobre su soporte. La geometría de la estructura intermedia, que se calificará esquemáticamente de estructura en cuna, es tal que el eje cardán del girodino está inclinado con respecto al plano de colocación, según un ángulo deseado.

A partir de esta configuración, existen variantes según el estado de la técnica, según las cuales las estructuras intermedias de los girodinos están montadas independientemente en el plano de colocación, o bien por el contrario forman una estructura única, por ejemplo de tipo piramidal, sobre la cual se fijan todos los girodinos del racimo según el principio indicado anteriormente. Esta alternativa se representa esquemáticamente en sección en la figura 1b.

Estos montajes, según el estado de la técnica, presentan ciertas limitaciones. En primer lugar, el volumen y la masa del dispositivo de montaje son importantes, debido a que el cardán soporta la rueda por los dos lados, lo cual aumenta el tamaño y la masa de la estructura intermedia para una dimensión y una masa de rueda dadas. Esta estructura intermedia es aún más compleja por cuanto que debe tener un rebaje para dejar pasar la rueda cuando ésta gira 360º. Por lo tanto, debe tener una forma denominada en cuna que rodea la rueda y soporta los ejes cardán por ambos lados de la rueda, fijando al mismo tiempo el conjunto del girodino en el plano de colocación inclinando el eje de cardán del girodino, según el ángulo deseado. La masa y la complejidad de esta estructura intermedia serán aún más importantes por cuanto que el conjunto del dispositivo debe ser dimensionado para soportar unos entornos dinámicos muy desfavorables sin deformación ni daño, en particular durante la fase de lanzamiento del satélite durante la cual el conjunto del dispositivo sufre unas aceleraciones estáticas que alcanzan hasta varios g, unas vibraciones típicamente de 20-100 g en el intervalo 10-100 Hz y unos choques típicamente de 1.000 g en el intervalo 100-1.000 Hz (choques).

En este dispositivo, según el estado de la técnica, una manera de limitar la masa y el volumen de las estructuras portantes de los girodinos es...

1. Girodino (10) que comprende una rueda de inercia

(50) montada, por medio de un soporte de rueda (20), sobre la parte móvil o rotor (40) de un conjunto de cardán que comprende asimismo un estator (42) y unos medios de puesta en rotación del rotor (40) con respecto al estator (42) alrededor de un primer eje de rotación, pudiendo el cuerpo giratorio de dicha rueda de inercia

(50) ser puesto en rotación alrededor de un segundo eje de rotación no alineado con dicho primer eje de rotación, estando dichos medios de puesta en rotación de dicho rotor (40) por lo menos parcialmente alojados en el volumen interior (31) de una cuña (30), caracterizado porque dicho estator (42) de dicho cardán está montado sobre dicha cuña (30) y fijado sobre dicha cuña (30) por medios de atenuación de vibraciones (70).

2. Girodino, según la reivindicación 1, caracterizado porque dicho primer eje de rotación está inclinado con respecto a una base inferior (32) de dicha cuña (30).

3. Girodino, según la reivindicación 1 o la reivindicación 2, caracterizado porque dicho estator (42) de dicho cardán está montado sobre una cuña (30) cuya base inferior (32) es plana, y porque dicha cuña (30) tiene una cara superior (37) inclinada con respecto a la base plana (32).

4. Girodino, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque dicho estator (42) de dicho cardán está montado mediante tornillos sobre dicha cuña (30) por medio de dichos medios de atenuación de vibraciones (70).

5. Girodino, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el ángulo de inclinación entre el eje de rotación del rotor con respecto al estator (42) de dicho cardán y la normal a dicha base plana (32) es inferior a 60º, y preferentemente es sustancialmente igual a 30º.

6. Girodino, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque unos medios electrónicos (60) de mando de dicho girodino están alojados en dicho volumen interior

(31) de dicha cuña (30).

7. Girodino, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dicha cuña (30) presenta un orificio (38) en el que son aptos para introducirse dichos medios de puesta en rotación del rotor (40) con respecto a dicho estator

(42) de dicho cardán.

8. Girodino, según la reivindicación anterior, caracterizado porque dicho orificio (38) está previsto en una cara superior (37) de dicha cuña (30).

9. Girodino, según cualquiera de las reivindicaciones 3 a 8, caracterizado porque dicho estator (42) de dicho cardán está fijado sobre una cara superior (37) de dicha cuña (30) por dichos medios de atenuación de vibraciones (70).

10. Girodino, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dichos medios de atenuación de vibraciones (70) están repartidos sobre la periferia de dicho estator (42) de dicho cardán.

11. Girodino, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dichos medios de atenuación de vibraciones (70) comprenden por lo menos una pieza (72) fijada sobre dicha cuña (30) y por lo menos otra pieza (74) está fijada sobre dicho estator (42) de dicho cardán.

12. Girodino, según la reivindicación 11, caracterizado porque por lo menos una pieza (72) fijada sobre dicha cuña (30) está unida a por lo menos otra pieza (74) fijada sobre dicho estator (42) de dicho cardán por medio de por lo menos un bloque

(76) de elastómero.

13. Girodino, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los puntos de fijación de dicho estator (42) de dicho cardán sobre dichos medios de atenuación de vibraciones (70) están situados aproximadamente en un mismo plano, y el centro de gravedad del conjunto constituido por la rueda (50), el soporte de rueda (20), el estator (42) y los medios de rotación del rotor (40) está alejado de dicho plano como máximo algunos centímetros.

14. Girodino, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque una base plana (32) presenta unos medios de fijación (80), preferentemente sobre una plataforma de un satélite o de un vehículo espacial.

15. Vehículo espacial, caracterizado porque se utiliza por lo menos un girodino, según una de las reivindicaciones 1 a 14, para el control de su postura.

16. Vehículo espacial, según la reivindicación 15, caracterizado porque se utilizan por lo menos dos girodinos, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14, para el control de su

postura, y las cuñas de por lo menos dos girodinos están unidas entre sí por medios de fijación.