Résoudre 4 défis liés aux moteurs pas à pas pour les vols spatiaux

L’environnement rigoureux du vide et de la microgravité représente un défi pour les composants, exigeant des capacités rarement rencontrées sur Terre. Cela est particulièrement vrai pour les systèmes de contrôle de mouvement dont le mouvement est leur fonction principale. Les moteurs nécessitent une puissance considérable pour fonctionner, peuvent générer une chaleur excessive, introduire des vibrations indésirables et créer des contaminants.

La lutte contre ces problèmes a un coût. Des besoins en énergie plus élevés nécessitent des systèmes électriques plus grands générant plus de chaleur, ce qui nécessite des systèmes de refroidissement plus grands. Cela peut entraîner des vibrations indésirables, nécessitant des systèmes d'amortissement plus robustes, et les contaminants peuvent causer des ravages sur les instruments et autres composants embarqués. Une complexité accrue peut se traduire par des pannes de composants ou de systèmes, inacceptables dans les applications spatiales. Il est important de travailler avec une entreprise expérimentée dans les exigences des vols spatiaux, comme Lin Engineering, avec des moteurs pas à pas hybrides conçus pour fonctionner dans des environnements difficiles et les problèmes inhérents au contrôle de mouvement dans l'espace. Les moteurs sont assemblés conformément aux normes AS9100, retraçant l'origine de chaque composant pour maintenir un contrôle strict depuis la fabrication jusqu'au produit final.

Pour relever les défis :

Dans les applications spatiales, la puissance a un prix : chaque watt gaspillé par un système non optimisé coûte des ressources précieuses. L'optimisation de la consommation électrique comprend la personnalisation des enroulements du moteur pour fournir un couple dynamique maximal à la vitesse de fonctionnement souhaitée. Cela nécessite une intégration appropriée de composants de haute précision, tels que des rotors à faible inertie et à haut rendement. En fonction de l'application, les ingénieurs adaptent chaque moteur pour fournir les performances nécessaires tout en tenant compte des contraintes de puissance du système. À l'aide d'algorithmes propriétaires et éprouvés, Lin Engineering optimise le couple et la vitesse, la réduction du bruit, la génération ou la perte de chaleur et l'optimisation de la puissance.

Deux problèmes critiques de température affectant les moteurs pas à pas hybrides dans l’espace sont la plage de température et la quantité de chaleur générée. Les satellites et autres engins spatiaux fonctionnent à des températures extrêmes, ce qui nécessite des conceptions robustes pour les systèmes montés à l'extérieur.

Par exemple, la chaleur affecte la force des aimants intégrés dans le rotor. À mesure que la chaleur augmente, les performances du moteur diminuent. Une solution : les aimants permanents. Construits à partir d'alliages de terres rares samarium-cobalt ou néodyme, ils fournissent une plus grande puissance magnétique à des températures plus élevées et plus basses.

La chaleur a également un impact sur la durée de vie des roulements utilisés dans les moteurs, raccourcissant ainsi la durée de vie de l'ensemble du système. L'utilisation de roulements avec de la graisse pouvant résister à des températures de -80 °C à 200 °C, y compris avec lubrification sèche ou sans lubrification, est nécessaire. Des roulements à haute température et sans dégazage peuvent également être conçus.

La chaleur excessive générée par le moteur peut être préoccupante, car dans un environnement sous vide, il n’y a pas d’atmosphère pour dissiper la chaleur du moteur ou du véhicule. Sur Terre, l'air éloigne la chaleur générée du vaisseau, mais dans l'espace, la dissipation de la chaleur nécessite d'autres méthodes qui ajoutent souvent un poids indésirable, une masse accrue et une complexité de construction inutile dans l'engin ou le satellite. De plus, la chaleur générée par un moteur pas à pas peut affecter les instruments et composants à proximité, en particulier dans les zones isolées. Pour réduire la chaleur, optimisez le bobinage du moteur pas à pas. L'intégration de chemins conducteurs avec des matériaux thermoconducteurs assure la dissipation de la chaleur entre l'isolant (colle) et les cloches d'extrémité du moteur, facilitant ainsi la gestion de la température.

Le lancement d’un vaisseau spatial en orbite est violent, car les composants sont exposés à des vibrations de forte amplitude, des vibrations de faible amplitude et à des chocs provenant de plusieurs directions. De plus, les moteurs pas à pas génèrent des vibrations lors des opérations normales.

L'optimisation des enroulements du moteur minimise la fréquence de résonance qui se développe à des vitesses de fonctionnement spécifiques. L'utilisation de composants usinés avec une concentricité et une précision dimensionnelle élevées permet de garantir que les rotors ou les arbres n'introduisent pas de vibrations indésirables dans le système.

Dans l’espace, les vibrations doivent être évitées car elles peuvent affecter les capteurs et instruments embarqués ; les oscillations de faible niveau peuvent affecter la qualité des capteurs de mesure et des appareils d’imagerie. Étant donné que l’engin ou le satellite se trouve dans l’espace, où aucune énergie ne peut être transférée, il est difficile d’amortir les vibrations. Chaque moteur pas à pas conçu pour l'espace nécessite une intégrité structurelle matérielle pour gérer les forces attendues sans altérer la précision dimensionnelle ou l'intégrité mécanique.