Un nouveau dispositif d'amarrage pour les rendez-vous de l'espace

L'Agence spatiale européenne (ESA) travaille sur un nouveau dispositif qui doit permettre un amarrage facile de deux vaisseaux spatiaux. maxon a développé pour cela deux systèmes d'entraînement spécifiques.

SENER / maxon / Sierra Nevada Corp.
Pour le Hard Capture System, maxon a développé un moteur EC 32 plat à deux bobinages et à réducteur planétaire GPX 22 UP.
Douze systèmes d'entraînement maxon actionnent les crochets de verrouillage. Chacun d'eux consiste en deux moteurs sans balais EC 30 à 4 pôles et un réducteur GPX 42 UP.

Même si elle a déjà été réalisée à de nombreuses reprises, la manœuvre d'amarrage de deux objets dans l'espace demeure une procédure délicate et potentiellement dangereuse. La vitesse est extrêmement élevée (environ 28 000 km/h dans le cas de l'ISS) et toute correction est difficile. Par exemple, lorsque les deux objets sont sur le point de se rencontrer, les propulseurs de manœuvre sont hors-jeu en raison de la dangerosité éventuelle de leurs gaz d'échappement. Pour éviter tout dommage, les cargos spatiaux sont saisis par un bras robotisé installé dans la Station spatiale internationale (ISS) puis amarrés à la main. Quant aux vaisseaux spatiaux habités, ils s'amarrent directement en une opération pilotée par ordinateur.

Ce type de manœuvre d'amarrage est appelé à devenir plus facile et plus sûr. C'est pourquoi l'Agence spatiale européenne (ESA) a chargé ses partenaires industriels de concevoir un nouveau dispositif d'amarrage appelé IBDM (International Berthing and Docking Mechanism). Ce dispositif est conforme à la norme internationale IDSS (International Docking System Standard), une norme sur laquelle les principales agences spatiales du monde entier se sont mises d'accord. Il sera donc compatible avec l'ISS et la plupart des autres vaisseaux spatiaux. Les premières missions du mécanisme auront lieu avec le Dream Chaser, un vaisseau qui ressemble à une version compacte de la navette spatiale et qui effectuera bientôt des vols cargo vers l'ISS. Ce vaisseau est conçu par la société Sierra Nevada Corporation.

L'énergie d'amarrage est absorbée

L'IBDM est un système de couplage androgyne. Cela signifie que le dispositif de connexion est identique des deux côtés. Il est constitué d'un anneau intérieur dur (Hard Capture System) et d'un anneau extérieur souple (Soft Capture System), avec six degrés de liberté et des capteurs de force. L'anneau extérieur absorbe tout d'abord l'énergie d'amarrage. Puis la connexion finale étanche est réalisée et sécurisée par des crochets mécaniques, qui maintiennent les deux vaisseaux spatiaux solidement assemblés.

La société SENER est chargée de développer et d'installer le Hard Capture System. Elle travaille actuellement sur le modèle de qualification qui doit être testé en 2020. «Ensuite, l'IBDM devra être utilisé le plus rapidement possible lors d'un vol de ravitaillement de l'ISS», déclare Gabriel Ybarra, de SENER. L'une des prochaines étapes prévoit de l'utiliser dans la station spatiale lunaire que la NASA doit mettre en orbite autour de la lune, et qui pourrait servir à l'avenir de base de lancement pour des missions habitées vers Mars.

Des systèmes doubles pour la sécurité maximum

Il s'agit d'un projet ambitieux pour les ingénieurs de SENER: «Il nous a fallu, dans un premier temps, comprendre exactement toutes les exigences de l'ESA et de la NASA et trouver comment y satisfaire. Surtout en ce termes de sécurité, car le mécanisme d'amarrage sera également appelé à équiper des vols habités». En plus d'être légers et de fournir le couple requis, les entraînements électriques utilisés doivent aussi être extrêmement fiables. C'est pourquoi SENER coopère depuis plusieurs années avec le spécialiste de l'entraînement maxon.

Les ingénieurs de maxon ont développé pour SENER deux entraînements capables de réaliser des fonctions d'une extrême diversité. Le premier entraînement se compose de deux moteurs EC sans balais à 4 pôles et d'un réducteur GPX UP. Douze de ces actionneurs activent les crochets de verrouillage du mécanisme d'amarrage IBDM. Le second entraînement combine un moteur plat et un réducteur planétaire. Il agit à onze emplacements pour gérer les connexions plug-in et les œillets de maintien, et il assuré également d'autres fonctions auxiliaires.

Le mécanisme d'amarrage IBDM étant un élément essentiel des applications de vol, il implique obligatoirement d'utiliser des systèmes d'entraînement redondants. La sauvegarde doit fonctionner même si l'entraînement primaire est en panne. Ce problème est souvent résolu par un moteur de secours qui prend le relais en cas d'urgence. C'est l'approche utilisée dans l'actionneur du crochet de verrouillage. Mais les ingénieurs de maxon ont préféré une autre solution peu conventionnelle pour l'autre système d'entraînement: un stator additionnel utilisé à la place d'un moteur supplémentaire. Le moteur plat présente deux stators et donc deux bobinages, chacun d'eux étant capable d'entraîner le rotor - une solution aussi ingénieuse que compacte qui garantit la sécurité.

Gabriel Ybarra fait l'éloge de la collaboration avec maxon: «L'équipe comprend nos impératifs et réagit très rapidement aux modifications de conception». Et les deux partenaires sont passionnés par les systèmes mécatroniques. «C'est très motivant d'être associé à l'ensemble du cycle, depuis la conception jusqu'à la production et aux essais. Cela rend le travail extrêmement intéressant. Et quand le système se met en mouvement pour la première fois, c'est comme si vous assistiez aux premiers pas de votre enfant».