Contrôle d'attitude - Définition

Introduction

Le système de contrôle d'attitude est un des composants d'un vaisseau spatial : satellite artificiel, sonde spatiale, station spatiale ou vaisseau spatial habité. Son rôle est de contrôler l'orientation de l'engin spatial, des instruments et des panneaux solaires de manière à ce qu'elle soit conforme aux besoins de la mission. Le système de contrôle d'attitude est composé de plusieurs capteurs (pour déterminer sa position), actionneurs (pour modifier l'orientation) et d'un logiciel. Différentes technologies sont utilisées. Sur un satellite artificiel, le contrôle d'attitude fait partie du plate-forme d'un satellite artificiel.

Définition

Le système de contrôle d'attitude désigne l'ensemble des équipements et algorithmes mis en œuvre de manière autonome sur un vaisseau spatial : satellite artificiel, sonde spatiale, station spatiale ou vaisseau spatial habité afin de lui permettre de contrôler précisément son attitude, c'est-à-dire son orientation dans l'espace autour de son centre de gravité. Le contrôle d'attitude se distingue du contrôle d'orbite qui consiste à commander la position (et ses dérivées) du centre de gravité de l'engin spatial dans l'espace. Néanmoins, le contrôle d'attitude et d'orbite sont souvent étroitement liés et un satellite artificiel est généralement doté d'un « système de commande d'attitude et d'orbite » (SCAO).

Le contrôle d'attitude, de par la diversité et la complexité des disciplines de l'ingénierie qu'il met en œuvre, est devenu une discipline à part entière pratiquée par quelques spécialistes travaillant chez les acteurs majeurs du domaine spatial ou dans des milieux universitaires. Ce domaine fait appel à la mécanique, la physique, l'automatique et bien sûr aux mathématiques (algèbre principalement).

Contrôle d'attitude des satellites artificiels

Pour les satellites artificiels, on distingue plusieurs grandes méthodes de contrôle d'attitude:

• satellite stabilisé passivement par gradient de gravité
• satellite spinné : le satellite est lancé en rotation autour d'un de ses axes (cela permet de stabiliser un axe du satellite, en utilisant le phénomène de raideur gyroscopique) ; ce type de plate-forme permet de scanner rapidement une bande au sol (par exemple pour un satellite météo) ou l'espace environnant (par exemple pour un satellite scientifique analysant le plasma de l'ionosphère).
• satellite stabilisé 3 axes : pour ces satellites le SCA permet de rejoindre une attitude et de s'y stabiliser ; la plupart des satellites d'observation, utilisent ce type de plate-forme.

On trouve aussi des satellites dual-spin mélangeant les deux derniers concepts, qui se compose d'un corps stabilisé en attitude et d'un autre mis en rotation.

Objectif

Le contrôle d'attitude assure deux fonctions essentielles :

1. Il contribue à la survie de l'engin spatial :

   Un engin spatial doit en effet être en permanence capable d'orienter ses panneaux solaires vers le soleil afin de recharger ses batterie lorsque cela est nécessaire. Si le niveau des batteries descend en dessous d'un certain seuil, celles-ci deviennent inutilisables et, privé d'énergie, le satellite n'est plus qu'une masse inerte incapable d'assurer sa mission.

2. Dans le cas d'un satellite artificiel il contribue à la performance du satellite.

   Du fait de la distance généralement grande entre un satellite et la terre, celui-ci doit être capable de pointer sa charge utile (antenne, télescope, ...) de manière très précise vers des zones géographiques données. Par ex : pour un satellite de télécommunications, évoluant à 36000 km environ, une erreur de pointage de 0.1° correspond à une erreur au sol de 63 km.

Le Système de Contrôle d'Attitude (SCA) assure le pointage :

• des panneaux solaires
• des instruments: cela comprend les antennes, la charge utile, les instruments du système de contrôle d'attitude lui-même ; en particulier, il assure la survie des instruments en tenant garde à ce qu'aucun instrument ne pointe une direction qui pourrait le détruire du fait de sa forte sensibilité (généralement la Lune, la Terre et surtout le Soleil pour les satellites en orbite terrestre)
• des tuyères : lors des manœuvres de contrôle d'orbite, il est absolument nécessaire d'orienter convenablement le système propulsif.
• du sous-système de contrôle thermique : l'orientation des faces du satellite relativement à la direction du Soleil (et dans une moindre mesure de la Terre et de la Lune) affecte parfois considérablement le contrôle thermique du satellite.

En plus de contrôler l'orientation, le SCA est amené à orienter des éléments amovibles (panneaux solaires, plate-forme d'instruments...).