Le nouvel assemblage de bagues collectrices répond à la haute

L'environnement hostile de l'espace exige que les ingénieurs spatiaux se procurent des composants et des matériaux spécialisés pour des satellites robustes et fiables. Parmi ces nombreux composants spécialisés, l'un d'un intérêt particulier est l'assemblage de bagues collectrices, qui annule les pannes de câblage dans un satellite en rotation.

Récemment, des chercheurs du Swiss Plasma Center (SPC) de l'Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) ont annoncé un nouvel assemblage de bagues collectrices capable de résister aux tensions plus élevées des satellites solaires. Dans cet article, nous aborderons les assemblages de bagues collectrices, leur rôle dans les satellites et les nouvelles recherches de SPC.

Dans de nombreux dispositifs électromécaniques, en particulier ceux qui tournent, un défi de fiabilité important est le câblage. Par exemple, dans un appareil avec des capteurs fixes montés sur une surface rotative, les fils qui alimentent les capteurs et lisent les E/S sont susceptibles de se tordre et éventuellement de se casser dans une configuration normale. Les assemblages de bagues collectrices sont des composants importants pour résoudre ce problème.

Un assemblage de bagues collectrices est un dispositif électromécanique conçu spécifiquement pour fournir de l'énergie et des signaux d'une structure immobile à un dispositif rotatif. Un assemblage de bagues collectrices standard se compose d'une série de bagues métalliques solides autour d'un arbre rotatif. Lorsque les anneaux tournent, une série de contacts à balai, qui sont connectés aux fils d'entrée du dispositif fixe, maintiennent une connexion constante avec les anneaux, permettant la conduction des signaux électriques. Chaque anneau est ensuite connecté à des fils de sortie qui peuvent également tourner sur l'arbre.

Pour que les satellites fonctionnent et communiquent correctement avec la Terre, ils doivent conserver la même orientation par rapport à la Terre. Puisque les satellites sont en orbite, leur orientation changera naturellement avec le temps. Pour résoudre ce problème, la plupart des satellites tournent à intervalles réguliers pour rester alignés.

Les ensembles de bagues collectrices permettent à un satellite de tourner librement sans risque de défaillance des câbles internes. Dans un satellite, une bague collectrice est largement utilisée pour fournir de l'énergie entre le panneau solaire embarqué du système et d'autres composants tels que l'ordinateur de bord, les capteurs ou les systèmes de propulseurs.

Les ensembles de bagues collectrices fonctionnent à des tensions relativement basses ; une fois qu'une bague collectrice atteint 200 V, les risques d'arc augmentent considérablement. Aujourd'hui, alors que les satellites deviennent de plus en plus puissants et nécessitent des tensions plus élevées, l'Agence spatiale européenne a lancé le programme APRIOM (Advanced sliP Ring for high vOltage Mechanism) pour mettre les ingénieurs au défi de trouver une meilleure solution de bague collectrice.

Cette semaine, des chercheurs de la CPS, en collaboration avec Beyond Gravity et avec le soutien de l'Agence spatiale européenne, ont conçu avec succès un nouvel assemblage de bagues collectrices capable de résister aux tensions plus élevées nécessaires aux satellites. On dit que le nouvel anneau augmente la plage de tension des assemblages de bagues collectrices satellites de leur état actuel de 28 à 100 V jusqu'à 300 à 600 V. L'anneau a déjà fonctionné entre 400 et 500 V et 8 A.

Au-delà de la haute tension, l'ensemble de bagues collectrices de SPC présentait également des performances élevées à basse pression, ce qui se traduisait par une puissance transférée allant jusqu'à 40 kW. SPC n'a pas encore publié de détails sur les techniques de conception spécifiques utilisées dans la nouvelle technologie des bagues collectrices.

En plus de répondre au besoin croissant de tension plus élevée dans les satellites, les travaux de l'équipe SPC sur cet assemblage de bagues collectrices visent à surmonter le risque de panne électrique dans l'espace, un événement qui pourrait générer un plasma qui endommagerait gravement le satellite.

Les satellites subissent d'immenses changements de pression du lancement au vide profond de l'espace, ce qui affecte intégralement les composants électriques qui dépendent des conditions de vide. Alors que les solutions passées reposaient sur des configurations complexes de circuits électriques pour gérer cette pression, ces circuits peuvent interférer avec le fonctionnement du satellite. Le nouvel ensemble de bagues collectrices peut fonctionner à partir de pressions extrêmement basses (10-5 mbar) jusqu'à des valeurs de pression critiques (~1 mbar), ce qui résout ce problème.

Un anneau doit également faire un certain nombre de tours chaque jour, soit 11 000 tours après 30 ans de fonctionnement, ce qui peut user le composant avec le temps. Pourtant, le nouveau composant a démontré une grande fiabilité mécanique, maintenant le fonctionnement après 25 000 tours, soit l'équivalent de plus de 60 ans de fonctionnement standard dans un satellite géostationnaire.