Note27
SPIV P — Propulseur Inertiel Vectoriel Papier Technique
Titre : SPIV P (Disques Papillon) — conception, modélisation et optimisation pour application navette/canon en microgravité
Résumé
Ce document présente une description technique, une modélisation dynamique et des recommandations d'optimisation pour le SPIV P (Système de Propulsion Inertielle Vectorielle — Disques Papillon). Le système est conçu pour délivrer des impulsions inertielle contrôlées à une navette/canon en microgravité via des disques tournants opposés, masses latérales, bras de freinage (vérins), amortisseur transversal, anti retour et capture par tapis électromagnétique (TEM). Un mécanisme de désolidarisation du cœur des disques et l'ajout d'un volant d'inertie sont détaillés. Les conditions particulières d'un lâcher à courte distance du TEM pour éviter les forces d'amorçage et la phase d'accélération violente avec désolidarisation du SPIV P sont traitées.
1. Introduction Générale
Le SPIV-P est une variante avancée du système inertiel vectoriel, reposant sur des masses en configuration papillon (deux bras opposés, masses en contre-rotation).
La poussée est générée lors du freinage contrôlé des masses, lorsque le module est capturé par le TEM (Tapis Électromagnétique).
La nouveauté est l’introduction d’un ressort calibré pour le largage : ce dispositif assure une séparation douce du SPIV-P par rapport au châssis, évitant tout choc, et garantissant une synchronisation optimale avec la phase de capture électromagnétique.
2. Roulements Magnétiques Sans Contact
• Chaque papillon du SPIV-P tourne sur roulements magnétiques actifs.
• Pas de frottement mécanique → vitesses extrêmes possibles.
• Stabilité dynamique assurée par boucles de rétroaction à haute fréquence.
• Isolation vibratoire complète entre les rotors papillons et le châssis.
3. Séquence de Fonctionnement (Cycle Complet)
1. Rotation libre des papillons
o Les masses (20 kg typiques) sont accélérées à haute vitesse (ex. 10 000 RPM) à rayon r = 0,3 m.
o Énergie cinétique stockée dans chaque bras.
2. Largage par ressort calibré
o Le SPIV-P est désolidarisé en douceur grâce à un ressort axial.
o Ce ressort fournit une vitesse relative lente et contrôlée (ex. 0,2 m/s) vers le TEM.
3. Capture par le TEM
o Le tapis électromagnétique attire et stabilise le SPIV-P en phase d’interaction.
o Synchronisation parfaite grâce aux capteurs de position et de phase.
4. Freinage inertiel
o Le freinage des papillons intervient au moment de la capture.
o L’énergie de rotation est dissipée/convertie, produisant une impulsion inertielle nette transmise au châssis via le TEM.
5. Recyclage énergétique
o Énergie récupérée par alternateurs dynamiques et supercondensateurs.
o Excédent thermique évacué par micro-canaux pressurisés et nanofluide refroidissant.
4. Largage par Ressort Calibré
• Rôle : éviter un choc mécanique brutal lors de la désolidarisation.
• Formule :
v_a = \sqrt{\frac{k}{m_{SPIV}}} \cdot x_0
où :
• = masse du module,
• = raideur du ressort,
• = compression initiale.
• Exemple :
o
o vitesse d’approche cible
o ressort calibré , compression .
• Effets :
o Alignement stable avec le TEM.
o Suppression des rebonds et pertes.
o Robustesse accrue du système.
5. Analyse Énergétique (Exemple Numérique)
• Données :
o m = 20 kg par masse, r = 0,3 m, ω = 1047 rad/s (10 000 RPM).
o Énergie cinétique d’une masse :
E = \tfrac{1}{2} m (r \cdot \omega)^2 \approx 3,3 \, MJ
• Transmission au châssis via freinage Δt = 0,5 s → puissance instantanée ~13 MW.
• Impulsion inertielle transmise ≈ 6,6 × 10⁶ N·s.
• Pour une navette de 2 tonnes :
o Δv ≈ 3300 m/s par cycle (valeur théorique maximale, réduite par rendement η ~0,1–0,3).
o Δv pratique : 330–1000 m/s par cycle.
6. Contraintes et Dimensionnement
• Le rendement dépend :
o de la vitesse relative d’approche (gérée par le ressort),
o de la précision du TEM,
o de la durée de freinage Δt.
• Limites :
o échauffement des masses → nécessité d’un refroidissement avancé,
o stabilité du ressort et de la trajectoire,
o équilibrage dynamique strict à haute vitesse.
• Scalabilité :
o Un SPIV-P fournit une impulsion nette exploitable.
o Plusieurs unités en réseau (UPIA) augmentent la poussée totale proportionnellement.
7. Synthèse et Perspectives
Le SPIV-P + TEM avec ressort calibré réunit trois innovations majeures :
1. Masse en papillon → stockage énergétique efficace et symétrique.
2. Tapis électromagnétique → capture douce, freinage contrôlé et récupération d’énergie.
3. Ressort calibré → désolidarisation progressive, suppression des chocs, précision accrue.
Ce système permet :
• une propulsion autonome et scalable,
• une endurance prolongée grâce à la récupération énergétique,
• un contrôle fin du profil de poussée (Δv par cycle).
Freinage mécanique spiralé + amortisseur hydraulique compartimenté — version intégrée
1. Contexte et motivation
La solution proposée : freinage mécanique contrôlé combinant :
1. deux plaques (ou segments) qui s’engagent dans une cavité hélicoïdale/spirale jusqu’à blocage positif (effet « papillon-serré »),
2. les plaques se poussent l’une contre l’autre pour transférer l’énergie à un amortisseur hydraulique compartimenté dont les parois sont percées de tros coniques élastiques (orifices calibrés et déformables),
3. un anti-retour empêche tout mouvement inverse destructeur,
4. et un découplage du cœur (core) de l’anneau porteur réduit la masse à stopper ; l’énergie restante est récupérée par des volants centraux reliés à des générateurs.
2. Principe mécanique — description fonctionnelle
2.1 Composants clefs
• Plaques de frein (2) : segments rigides, profils adaptés pour s’insérer radialement et tangenter la face interne d’une cavité spirale usinée dans l’anneau porteur.
• Cavité spirale : gorge hélicoïdale usinée qui convertit un mouvement d’insertion radiale en verrouillage circumferentiel (verrouillage géométrique).
• Système de poussée : actuateurs linéaires courts (électro-pyro-ou électromécaniques) qui poussent les plaques l’une vers l’autre pour augmenter l’effort de contact.
• Amortisseur hydraulique compartimenté : deux chambres opposées reliées par orifices coniques élastiques (membranes calibrées) ; la compression repousse le fluide au travers d’orifices coniques élastiques générant une loi force-vitesse non linéaire.
• Anti-retour : clapets mécaniques ou crans unidirectionnels verrouillant la position de la cavité/plaque après engagement.
• Découplage du cœur : mécanisme de verrouillage qui sépare le cœur (volants centraux + arbre) de l’anneau périphérique avant l’opération ou pendant la phase critique afin de limiter la masse effective à stopper.
• Générateurs/convertisseurs : reliés au volant central pour récupérer l’énergie cinétique restante au lieu de tout dissiper.
2.2 Logique de verrouillage / blocage
• Les plaques s’engagent progressivement dans la spirale ; en tournant légèrement le disque ou en poussant radialement on convertit déplacement d’entrée en effort tangentiel (effet vis sans fin mais en sens court).
• L’engagement crée un serrage positif : la cavité spirale empêche la rotation libre (mécanisme auto-bloquant si l’angle de la spirale et le frottement sont choisis correctement).
• Pendant la compression, les deux plaques se rapprochent et compressent le fluide hydraulique dans les compartiments opposés → puissance absorbée.
3. Séquence opérationnelle détaillée (timing)
1. Préparation
o SPIV-P approche TEM ; AMB stabilisent le rotor. Le cœur est prêt au découplage.
2. Soft-lock TEM (pré-capture)
o TEM applique champ d’attraction faible ; position relative < δ.
3. Déclenchement du freinage mécanique (juste avant hard-lock complet)
o Actuateurs poussent les plaques vers la cavité spirale (insertion progressive).
4. Engagement + pousée mutuelle
o Les plaques se verrouillent et se poussent l’une contre l’autre ; l’amortisseur hydraulique absorbe l’énergie en forçant le fluide à travers les trous coniques élastiques.
5. Découplage du cœur (si prévu pendant freinage)
o S’active pour isoler la masse d’inertie centrale et réduire la charge à stopper ; si la stratégie est inverse (freinage sur anneau), le cœur peut être découplé avant pour éviter de freiner inutilement une masse supplémentaire.
6. Transition TEM hard-lock
o TEM augmente le champ ; la réaction résultante est supportée par la navette via TEM ; l’impulsion est transmise.
7. Anti-retour verrouillé
o Empêche toute décompression ou inversion pendant rétraction.
8. Récupération / reconfiguration
o Energie partiellement récupérée par volants → générateurs ; plaques rétractées et SPRIV repositionné pour re-spin.
4. Amortisseur hydraulique compartimenté — conception et fonctionnement
4.1 Principe
• Deux chambres (A et B) opposées autour du point de poussée. Quand les plaques se rapprochent, le fluide d’une chambre est poussé dans l’autre via un réseau d’orifices coniques et membranes élastiques.
• Les orifices coniques rendent la loi écoulement-pression non linéaire et limitent les vibrations (amortissement variable selon débit).
• Les membranes coniques élastiques fournissent une raideur non linéaire et empêchent les pics d’onde.
4.2 Modèle simplifié (formules traçables)
• Débit par orifice conique (approx.) : , où varie selon l’élasticité (ouverture effective).
• Force amortie (linéarisée) : , avec fonction croissante de la compression.
• Puissance absorbée : .
• Choix d’orifice : petits orifices coniques → grand c à haute vitesse, mais flexibilité au bas régime via la membrane.
4.3 Avantages
• Absorption d’énergie en continu, sans élévation extrême de pic de force.
• Contrôle passif et tolérance aux petites variations angulaires.
• Résilience thermique (fluide caloporteur).
5. Anti-retour et verrouillage de sécurité
• Anti-retour mécanique (crans, cliquets) se déclenche une fois la plaque engagée ; garantit qu’un flux d’énergie inverse (rebond) ne renvoie pas masse/empêche la recompression.
• Système d’éjection de secours : si AMB/TEM perd la capture, des ressorts de secours limitent la décélération pour protéger la structure.
6. Découplage du cœur — stratégie et bénéfices
• But : réduire la masse effective à arrêter (on ne stoppe que l’anneau/plaques, pas le volant central) → réduit Δp à absorber mécaniquement et baisse les contraintes sur plaques et amortisseurs.
• Implémentation : verrouillage électromécanique (actuateur rapide) entre anneau externe et arbre central ; libéré pour que le volant central tourne librement (ou soit raccordé à un générateur pour récupération).
• Récupération : l’énergie non évacuée par l’amortisseur est transmise au volant central, qui alimente un générateur (recharge supercaps / batteries).
7. Bilans physiques et équations utiles
7.1 Énergie disponible (référence)
• Moment d’inertie approximatif (point masses) : .
• Énergie rotative : .
7.2 Impulsion (quantité de mouvement)
• Impulsion disponible : (avec rendement mécanique de conversion impulsionnelle).
• Si on freine via plaques pour arrêter la rotation relative, la somme des impulsions transmises au châssis = intégrale des forces transmises lors de Δt.
7.3 Dimensionnement amortisseur
• On choisit Δt_opt via :
\Delta t_{\rm opt} = \max\!\left(\frac{\Delta p}{F_{\max,TEM}},\ \frac{E_{\rm rot}}{P_{\max,amm}}\right)
7.4 Contrainte centrifuge sur fixations
• Force centripète sur une masse : . Vérifier dimensionnement des attaches et plaques.
8. Matériaux et tolérances recommandés
Plaques & cavité spirale
• Matériaux : Inconel / Ti-6Al-4V ou composites haute-module (carbone-époxy) pour résistance dynamique.
• Traitement surface : nitruration / revêtements céramiques pour limiter usure.
• Tolérances d’usinage : sub-mm / µm pour l’ajustement hélicoïdal (selon taille).
Amortisseur hydraulique
• Fluide : huile spatiale haute-température ou fluide nanodopé (stabilité et conductivité thermique).
• Membranes : élastomères haute performance (FPM/HNBR) à trous coniques calibrés ; redondance en couches.
• Joints : joints labyrinthe redondants, prévus pour microgravité.
Anti-retour & verrous
• Acier trempé / inserts céramiques pour résistance aux chocs répétés.
9. Capteurs, commandes et sécurité
• Capteurs de position plaques (inductif/laser), capteurs de pression chambres, capteurs de couple sur arbre, tachymètres rotor, capteurs de force TEM.
• Logique temps réel (FPGA) pour séquencer : soft-lock → début insertion → confirmation verrou → passage TEM hard-lock → armement anti-retour → rétraction.
• Watchdog hardware et plan d’urgence (actuateurs fail-safe, touchdown bearings).
10. Tests et plan d’intégration
1. Banc statique : usinage spirale & plaques ; tester engagement / frottement / usure.
2. Banc dynamique air-bearing : simuler rotation et insertion sans gravité. Mesurer F(t), pression hydraulique, comportement anti-retour.
3. Tests thermiques : cycles répétés pour évaluer fatigue membranes/orifices.
4. Parabole / ISS : essais en microgravité pour capture TEM & séquence complète.
5. Campagne de qualification : N cycles à puissance nominale + marges.
11. Avantages & limites (synthèse)
Avantages
• Freinage contrôlé, réduction des pics magnétiques destructeurs.
• Meilleure prévisibilité mécanique ; amortissement progressif.
• Anti-retour évite annulations d’impulsions ; découplage cœur réduit charges.
• Récupération d’énergie via volants centraux efficace.
Limites / risques
• Complexité mécanique et maintenance (spirale + membranes).
• Conception des orifices coniques critique ; usure change la loi d’amortissement.
• Nécessité de paliers magnétiques fiables pour éviter contact en cas de défaillance.
• Masse & volume ajoutés pour amortisseur et volants.
12. Checklist d’ingénierie (pratique, exécutable)
• [ ] Calculer Δp et E_rot pour chaque configuration (m, R, RPM).
• [ ] Définir F_max_TEM et P_max_amm → déterminer Δt_opt.
• [ ] Dimensionner cavité spirale (angle, pas), plaques (surface de contact) et actionneurs.
• [ ] Déterminer orifices coniques et membranes (matériaux, géométrie d’ouverture).
• [ ] Spécifier AMB (radial/axial), capteurs µm, FPGA temps réel.
• [ ] Concevoir anti-retour mécanique redondant.
• [ ] Préparer bancs d’essais (air-bearing + parabolique) et plan de qualification.
13. Conclusion opérationnelle
La solution mécanique spiralée + amortisseur hydraulique compartimenté + anti-retour + découplage du cœur répond précisément aux problèmes relevés (arrêt trop brutal et recul destructeur). Elle impose une ingénierie plus lourde mais apporte contrôle, sécurité et récupération d’énergie. Pour un SPIV-P opérationnel et réutilisable, c’est la voie pragmatique la plus robuste.
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Système antiretour
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