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FR2544919A1 - Guidance of large-size satellites with low density by electromagnetic effect - Google Patents

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FR2544919A1
FR2544919A1 FR8306527A FR8306527A FR2544919A1 FR 2544919 A1 FR2544919 A1 FR 2544919A1 FR 8306527 A FR8306527 A FR 8306527A FR 8306527 A FR8306527 A FR 8306527A FR 2544919 A1 FR2544919 A1 FR 2544919A1
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FR
France
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electromagnetic
loops
satellite
magnetic field
electrical conductors
Prior art date
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Withdrawn
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FR8306527A
Other languages
French (fr)
Inventor
Christian Marchal
Michel Ferronniere
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Individual
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Individual
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Publication of FR2544919A1 publication Critical patent/FR2544919A1/en
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/12Supports; Mounting means
    • H01Q1/125Means for positioning
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64GCOSMONAUTICS; VEHICLES OR EQUIPMENT THEREFOR
    • B64G1/00Cosmonautic vehicles
    • B64G1/22Parts of, or equipment specially adapted for fitting in or to, cosmonautic vehicles
    • B64G1/24Guiding or controlling apparatus, e.g. for attitude control
    • B64G1/32Guiding or controlling apparatus, e.g. for attitude control using earth's magnetic field
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
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    • H01Q1/28Adaptation for use in or on aircraft, missiles, satellites, or balloons
    • H01Q1/288Satellite antennas

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Abstract

Guidance system for large-size satellites of low density and for solar sails using the torque effect induced between the local magnetic field and a field created by an electromagnetic effect generated by loops of electrical conductors placed in different planes and traversed by currents whose direction, strength and duration are controlled as a function of the characteristics of the local magnetic field, the initial orientation of the satellite and the desired final orientation. This electromagnetic guidance torque can advantageously be strengthed by implanting along the conductors a material with high magnetic permeability.

Description

Pilotage de satellites de grandes dimensions et de faible masse spécifique par effet électromagnétique
L'invention est relative au pilotage de ltorientation des satellites dans ltespace, et notamment des satellites de faible masse spécifique et de-grandes dimensions.
Control of large satellites and low specific mass by electromagnetic effect
The invention relates to piloting the orientation of satellites in space, and in particular satellites of low specific mass and large dimensions.

Les satellites lancés depuis quelques années se caractérisent par
- Des dimensions petites ou moyennes (ordre de grandeur allant du mètre a une dizaine de mètres).
The satellites launched in recent years are characterized by
- Small or medium dimensions (order of magnitude ranging from one meter to ten meters).

- Une densité massique moyenne (autour de 1 Kg/litre)
Le dispositif de commande de l'orientation de ces satellites dans l'espace utilise en général une combinaison volants d'inertie, roues de réaction et petites tuyères latérales qui présente une grande souplesse d'emploie et permet des rotations rapides autour de tous les axes indépendamment de toute contrainte externe.
- An average mass density (around 1 Kg / liter)
The device for controlling the orientation of these satellites in space generally uses a combination of flywheels, reaction wheels and small side nozzles which have great flexibility of use and allow rapid rotations around all axes. regardless of any external constraints.

Le champ magnétique de la Terre a été utilisé dans les pre mières années de altère spatiale pour contrôler et commander les orientations de satellites. Des bobines magnétiques à noyaux de fer doux dont la longueur allait jusqu'à 80 cm et le nombre d'Ampères-tour jusqu'à 200, ont permis de créer des couples de quelques centièmes de Newton-metre.The Earth's magnetic field was used in the early years of space weathering to control and command the directions of satellites. Magnetic coils with soft iron cores, the length of which went up to 80 cm and the number of ampere-turns up to 200, made it possible to create couples of a few hundredths of a Newton-meter.

Cependant cette technologie n' est plus utilisée car elle crée des champs magnétique-s importants, perturbateurs pour les expériences du bord et entrainent une consommation importante d'électricité. L'utilisation la plus classique actuelle du champ magnétique est celle des barreaux magnétiques, barreaux passifs fixés en divers points du satellite et chargés de lui faire perdre par hystérésis son énergie cinétique en jouant le role d'amortisseur de rotation.However, this technology is no longer used because it creates large magnetic fields, disruptive for on-board experiences and cause significant consumption of electricity. The most conventional use of the magnetic field today is that of magnetic bars, passive bars fixed at various points on the satellite and responsible for causing it to lose its kinetic energy by hysteresis by playing the role of rotation damper.

Les satellites de grandes dimensions et de faible masse spécifique posent un problème de pilotage particulier tout en offrant des possibilités de couple de pilotage accrues du fait de leurs dimensions. Ils sont par définition beaucoup plus sensibles a l'action des forces de surface telles que le freinage atmosphérique et la pression de radiation. C'est la
raison pour laquelle le contrôle de leur orientation par rapport a ces flux est fondamental pour la maîtrise de leur orbite. Une voile solaire d'une densité surfacique de 50 g au m2 peut modifier du fait du flux solaire, son orbite a la vitesse de quelques kilometres par jour pour une orbite basse, et cette vitesse croit proportionnellement a la période orbitale.
Large satellites and low specific mass pose a particular piloting problem while offering increased possibilities of piloting torque due to their dimensions. They are by definition much more sensitive to the action of surface forces such as atmospheric braking and radiation pressure. It's here
this is why controlling their orientation with respect to these flows is fundamental for the control of their orbit. A solar sail with a surface density of 50 g per m2 can modify due to the solar flux, its orbit at the speed of a few kilometers per day for a low orbit, and this speed increases in proportion to the orbital period.

Deux principes peu' consommateurs d'énergie peuvent être utilisés pour générer ces couples de pilotage. Le premier en visagé par tous les auteurs de projets de voiles solaires s'appuie sur le couple engendré par l'action du flux radiatif sur une dissymetrie de surface crée volontairement au moyen de volets orientables. Le second proposé ici utilise le couple engendré par effet électromagnétique en réaction avec le champ magnétique local. Ce dernier est considérablement plus élevé
(facteur 100 a 10 000) et il en résulte une rapidité et une précision de manoeuvre bien supérieure.C'est ainsi que pour manoeuvrer une voile solaire de 200 m2 de surface et d'une densité surfacique moyenne de 50 g/m2, il est possible d'engendrer a partir d'une source de courant d'une puissance de
100 Watts au voisinage de la Terre, des couples de basculement de l'ordre du Newton-cm permettant des changements d'orientation de 900 en une dizaine de minutes environ. L'invention a pour but d'apporter une solution technologiquement simple et précise, adaptée au pilotage de tous les satellites de grandes dimensions et de faible masse spécifique, utilisés par exemple pour les applications suivantes
- Voiles solaires ou véhicules a propulsion photonique.
Two energy-efficient principles can be used to generate these steering torques. The first one, viewed by all the authors of solar sails projects, is based on the torque generated by the action of the radiative flux on a surface asymmetry created voluntarily by means of orientable flaps. The second proposed here uses the torque generated by the electromagnetic effect in reaction with the local magnetic field. The latter is considerably higher
(factor 100 to 10,000) and this results in much greater speed and precision of maneuver. This is how to maneuver a solar sail with a surface area of 200 m2 and an average surface density of 50 g / m2, is possible to generate from a current source with a power of
100 Watts in the vicinity of the Earth, tilting torques of the order of Newton-cm allowing changes of orientation of 900 in about ten minutes. The object of the invention is to provide a technologically simple and precise solution, suitable for controlling all large satellites and of low specific mass, used for example for the following applications
- Solar sails or photon powered vehicles.

- Maintien a poste d'un satellite par utilisation de la pression de radiation sur une voile manoeuvrable. - Maintaining a satellite station by using radiation pressure on a maneuverable sail.

- Satellite miroir renvoyant la lumiere solaire sur une
zone terrestre donnée.
- Satellite mirror reflecting sunlight on a
given land area.

- Antenne radio-électrique de grandes dimensions stabi
lisée sur un axe d'écoute. Etc...
- Large stable radio antenna
read on a listening axis. Etc ...

Le systeme objet de l'invention se compose de deux ou plusieurs boucles de conducteurs électriques formantchacune des spires de surface maximum et placées dans des plans différents de façon a pouvoir générer un vecteur champ magnétique de valeur donnée dans toutes les directions de l'espace. Pratiquement, dans l'exemple d'une voile solaire, une boucle sera placée en périphérie de la voile, et deux autres boucles seront placées dans deux plans orthogonaux à la voile et orthogonaux entre-eux. Les trois boucles de conducteurs ainsi constituées permettent d'orienter a volonté le couple magnétique du satellite en envoyant la puissance électrique disponible dans des proportions et des sens déterminés sur les trois boucles. The system object of the invention consists of two or more loops of electrical conductors forming each of the maximum surface turns and placed in different planes so as to be able to generate a magnetic field vector of given value in all directions of space. Practically, in the example of a solar sail, a loop will be placed on the periphery of the sail, and two other loops will be placed in two planes orthogonal to the sail and orthogonal to each other. The three conductor loops thus formed allow the magnetic torque of the satellite to be oriented at will by sending the available electrical power in the proportions and directions determined on the three loops.

Les conducteurs électriques pourront préférentiellement être constitués de fils ou clinquants d'aluminium, métal présentant le meilleur rapport résistivité-densité. Une amélioration importante du procédé consiste à utiliser des bandes de fer doux ou oxydes magnétiques présentant des caractéristiques de erméabilité magnétique élevées, disposées sur la structure du satellite a proximité des conducteurs électriques. Leur usage multiplie de façon considérable la valeur du couple de pilotage et permet de réduire les temps de manoeuvre. The electrical conductors may preferably consist of aluminum foils or foils, a metal having the best resistivity-density ratio. An important improvement of the process consists in using strips of soft iron or magnetic oxides having high magnetic sealing characteristics, placed on the structure of the satellite near the electrical conductors. Their use considerably increases the value of the steering torque and makes it possible to reduce maneuver times.

Par ailleurs, il convient lors de la conception de l'art chitecture globale du satellite, d'éliminer les sources parasites de couple, d'une part en construisant un satellite totalement symétrique de façon a éviter les couples dus à une action différentielle des pressions de radiation, et d'autre part en dotant le satellite d'un ellipsoïde d'inertie sphEri- que de façon a éviter le couple généré par le gradient de gravité. Furthermore, when designing the overall art of satellite architecture, it is necessary to eliminate parasitic sources of torque, on the one hand by constructing a completely symmetrical satellite so as to avoid couples due to differential pressure action radiation, and secondly by providing the satellite with a spherical inertia ellipsoid so as to avoid the torque generated by the gravity gradient.

La chaîne de pilotage par effet électromagnétique d'un tel satellite se composera en général
- D'un pointeur stellaire donnant au satellite la réfé- rence d'axe absolu.
The control chain by electromagnetic effect of such a satellite will generally consist
- A star pointer giving the satellite the absolute axis reference.

- D'un calculateur commandé par un programme de navigation, dont les entrées sont les suivantes
ta La trajectoire du satellite éventuellement recalée de façon périodique a partir d'observations effectuées du sol.
- A computer controlled by a navigation program, the inputs of which are as follows
ta The trajectory of the satellite possibly readjusted periodically from observations made on the ground.

La position du soleil par rapport a cette trajectoire dans le cas de voiles solaires. The position of the sun relative to this trajectory in the case of solar sails.

La direction et l'amplitude du champ magnétique local relevées par un magnétomètre installé a bord. The direction and amplitude of the local magnetic field recorded by a magnetometer installed on board.

La loi et les objectifs de pilotage donnés au satellite. The law and the steering objectives given to the satellite.

- D'une ou plusieurs sources de courant constituées
Soit par des panneaux solaires disposés statiquement sur le satellite suivant plusieurs orientations de façon à pouvoir alimenter l'installation dans toutes les configurations.
- One or more current sources
Or by solar panels statically arranged on the satellite in several directions so as to be able to supply the installation in all configurations.

. Soit par un ou plusieurs panneaux mobiles. . Either by one or more mobile panels.

. Soit par des générateurs électrochimiques. . Either by electrochemical generators.

. Soit par une combinaison de systèmes générateurs. . Or by a combination of generator systems.

- D'un dispositif multiplexeur permettant à partir des ordres reçus du calculateur, d'aiguiller dans les proportions et sens voulus la puissance électrique disponible sur les différentes boucles de génération du champ magnétique. - A multiplexer device allowing, from the orders received from the computer, to direct the electrical power available on the different magnetic field generation loops in the desired proportions and directions.

L'invention peut etre illustrée b l'aide des figures annexées et du complément de description qui suit, lesquels ne comportent bien entendu aucun caractère restrictif ou limitatif. The invention can be illustrated with the aid of the appended figures and the additional description which follows, which of course have no restrictive or limiting character.

La figure A presente une architecture possible pour une voile solaire. Figure A shows a possible architecture for a solar sail.

La figure B présente une architecture possible pour un radiotélescope. Figure B shows a possible architecture for a radio telescope.

Sur la figure A, la voile solaire de plan carré, rep 1, porte au croisement de ses diagonales un mât central, rep 2, la traversant de part en part. Une première boucle de conducteur, rep 3, est fixée le long du périmètre de la voile.  In FIG. A, the solar sail of square plan, rep 1, carries at the crossing of its diagonals a central mast, rep 2, crossing it right through. A first conductor loop, rep 3, is fixed along the perimeter of the sail.

Les deux autres boucles de conducteurs, rep 4 et rep 5, sont fixées entre les extrémités du mât et les sommets de la voile de façon à former trois boucles dans des repères orthonormés. The other two conductor loops, rep 4 and rep 5, are fixed between the ends of the mast and the tops of the sail so as to form three loops in orthonormal marks.

Ces conducteurs sont soit tendus, soit portés par des voiles transparentes fixées sur le miroir au niveau des diagonales ainsi que sur le mât, matérialisant le repere orthonormé men tionné ci-dessus.These conductors are either stretched or carried by transparent veils fixed on the mirror at the level of the diagonals as well as on the mast, materializing the orthonormal benchmark mentioned above.

Sur la figure B, le radiotélescope est composé d'un réflecteur passif, rep 6, sur lequel est fixé coaxialement à l'axe focal un mât, rep 7. Une première boucle de conducteur, rep 8, est fixée sur le périmètre extérieur du réflecteur. Les deux autres boucles de conducteurs, rep 9 et 10, sont fixées sur les intersections de deux plans orthogonaux entre-eux et passant par l'axe focal du réflecteur.  In FIG. B, the radio telescope is composed of a passive reflector, rep 6, on which is fixed coaxially to the focal axis a mast, rep 7. A first conductor loop, rep 8, is fixed on the outer perimeter of the reflector. The two other conductor loops, rep 9 and 10, are fixed on the intersections of two planes orthogonal to each other and passing through the focal axis of the reflector.

Claims (3)

RevendicationsClaims 1. Système de pilotage des satellites de grandes dimensions et de faible masse spécifique et plus particulièrement des voiles solaires utilisant l'effet du couple induit entre- le champ magnétique local et un champ engendré par effet électromagnétique, caractérisé par le fait que ce champ électromagnétique est généré par deux boucles au moins de conducteurs électriques placés dans des plans distincts orthogonaux ou non et parcourus par des courants électriques de sens, intensité et durée commandés en fonction des caractéristiques du champ magnétique local, de l'orientation initiale du satellite et de l'orientation finale désirée.1. Control system for large satellites and low specific mass and more particularly for solar sails using the effect of the induced torque between the local magnetic field and a field generated by electromagnetic effect, characterized by the fact that this electromagnetic field is generated by at least two loops of electrical conductors placed in different planes orthogonal or not and traversed by electric currents of direction, intensity and duration controlled according to the characteristics of the local magnetic field, the initial orientation of the satellite and the 'final orientation desired. 2. Système de pilotage pour voile solaire ou tout dispositif réflecteur de rayonnement photonique ou électromagnétique selon la revendication 1 caractérisé par le fait qu'une boucle de conducteurs électriques est fixée en bordure dans le plan de la voile ou du réflecteur et qu'une ou deux autres boucles sont placées dans un ou deux plans orthogonaux à ce premier plan et supportées par un mât au centre et sur l'axe focal du réflecteur. 2. Piloting system for a solar sail or any device reflecting photonic or electromagnetic radiation according to claim 1 characterized in that a loop of electrical conductors is fixed at the edge in the plane of the sail or the reflector and that one or two other loops are placed in one or two planes orthogonal to this first plane and supported by a mast in the center and on the focal axis of the reflector. 3. Systeme de pilotage selon les revendications 1 ou 2 caractérisé par le fait que des matériaux présentant des caractéristiques de perméabilité magnétique élevées tels que par exemple des oxydes de fer, sont fixés sur la structure du satellite a proximité des boucles de conducteurs électriques de façon à amplifier le couple électromagnétique résultant du passage du courant électrique dans la boucle correspondante. 3. Control system according to claims 1 or 2 characterized in that materials having high magnetic permeability characteristics such as for example iron oxides, are fixed to the structure of the satellite near the loops of electrical conductors amplifying the electromagnetic torque resulting from the passage of electric current through the corresponding loop.
FR8306527A 1983-04-21 1983-04-21 Guidance of large-size satellites with low density by electromagnetic effect Withdrawn FR2544919A1 (en)

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Citations (2)

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3533577A (en) * 1967-05-16 1970-10-13 Radiation Inc Spacecraft stabilization and rotation system
FR2177364A5 (en) * 1972-03-20 1973-11-02 Rca Corp

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Non-Patent Citations (1)

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WESTINGHOUSE ENGINEER, no. 26, mars 1966, pages 34-40 *

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