Brevet FR2081107A1 — publié le 19711203

On a déjà proposé d'équiper les satellites artificiels de générateurs solaires de puissance élevée (de l'ordre du kilowatt ou davantage), formés de panneaux de grande dimension s'étendant à l'extérieur du corps du satellite, mais stockés 5 à l'origine dans la coiffe de la fusée, leur déploiement n'intervenant que dans l'espace0 Certains de ces panneaux solaires qui sont souples, se trouvent à l'état initial de stockage sous un volume ramassé,' qu'ils soient pliés ou enroulés ; on les met en oeuvre au moyen d'armatures extensibles qui provoquent le 10 développement de leur surface utile„ De tels systèmes de panneaux solaires souples déployables sont bien connus des spécialistes de la technique aérospatiale et l'on pourra se référer à cet égard aux divers projets énumérés par Doreece D. Abboifct dans son article intitulé "Lightweight large area solar arrays", 15 pages 772 à 777 de la publication "4th Intersociety Energy Conversion Engineering Conférence - Washington, D«C. September 22-26, 1969" de l'American Institute of Chemical Engineers. Ces panneaux solaires déployables connus sont de forme rectangulaire, leur largeur étant limitée par les sujétions de 20 stockage et de manutention» Pour avoir les grandes surfaces propres à fournir les puissances élastiques désirées, ils doivent donc être de grande longueur, ce qui présente certains inconvénients : ils peuvent être le siège de flèches thermiques dues à l'échauffement non unixorme des armatures sous le rayon-25 nement .solaire j la grande dimension des armatures aggrave les problèmes de stabilisation et d'orientation et requiert des solutions plus complexes» Ces difficultés sont appelées à s'accentuer par suite du remplacement envisagé des piles solaires au silicium par des piles au sulfure de cadmium, bien plus intéres-30 santés à maints égards (incassables, souples, légères, peu onéreuses, façonnables sous toutes dimensions et sous forme de modules intégrés, résistantes aux irradiations particulaires de l'espace, etc0 ), mais d'un rendement inférie^lr à celui des piles au silicium courantes, ce défaut de rendement devant être 35 évidemment compensé par une augmentation de surface utile et donc par tin accroissement de dimension des panneaux solaires» A titre indicatif, pour une même énergie électrique produite, la surface d'un panneau solaire au sulfure de cadmium est double de celle d'un panneau au silicium et par conséquent, à largeur J 70 07954 2 208V107 égale, sa longueur sera doublée, la présente invention permet de réduire notablement la longueur des panneaux solaires du type considéré, tout' en conservant leurs performances, évitant ainsi les difficultés qui 5 viennent d'être signalées0 Ce résultat est atteint par une meilleure utilisation de l'espace environnant le corps de l'engin porteur des panneaux» Conformément à la présente invention, la surface active souple du panneau solaire est confectionnée d'une part et le 10 dispositif d'armature extensible est agencé d'autre part pour que le déploiement du panneau s'effectue non seulement dans le sens longitudinal en s'écartant de la base de départ mais aussi par étalement transversal. Le gain de surface ainsi réalisé latéralement permet une réduction d'encombrement en longueur» 15 La description qui va suivre en regard des dessins anne xés, donnée à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. La figure 1 est une vue schématique très simplifiée d'un appareil classique de déroulement de panneaux solaires,, 20 La figure 2 est une vue schématique en perspective d'une réalisation connue d'un tel appareil. La figure 3 montre également en perspective un exemple de mât déroulable» Les figures 4a et 4b sont des illustrations en perspec-25 tive d'un satellite à agencement connu de panneaux solaires déployables. La figure 5 est un schéma comparatif d'un tel agencement connu et d'un agencement conforme à la présente invention» Les figures 6 à 10 illustrent des phases successives de 30 l'opération de pliage d'un panneau selon l'invention» La figure 11 est une vue analogue à la figure 1 mais relative à un mode de réalisation de la présente invention en cours de déploiement» La figure 12 représente schématiquement ce mode de réa-35 lisation en fin de déploiement» La figure 13 montre un détail de construction dans deux positions différentes„ La figure 14 est une vue analogue à la figure 12 mais représentant une variante de réalisation de la présente inven-40_ tion» 70 07954 3 2081107 La figure 15 montre un détail de construction d'une telle variante» Les figures 16 et 17 sont des vues analogues à celles des figures 5 et 12 respectivement, représentant une autre varian-5 te de réalisation de la présente invention» L'appareil connu représenté sur les figures 1 et 2, comprend essentiellement un carter 1 dans lequel est stockée de façon compacte une masse 2 convenablement pliée ou roulée d'une "peau" rectangulaire ou bande souple portant une multitude de 10 piles solaires interconnectées» Lors de l'opération de déploiement, cette bande 3 sort d'une fente 4 pratiquée le long d'une génératrice du carter 1 sous l'action de deux mâts déroulables latéraux 5 issus de boîtiers respectifs 6 et réunis en bout par une entretoise fixe 7 à laquelle est attelée l'extrémité libre 15 de la bande 3 par un certain nombre de points d'attache 8» L'entraînement se fait par un moteur électrique 9 en prise avec un tambour denté 10, la synchronisation de l'extension des mâts déroulables 5 étant assurée par un arbre de transmission 11» Les systèmes de déroulement des panneaux solaires rec-20 tangulaires de ce genre étant connus, il paraît inutile de rentrer dans les détails constructifs de réalisation» A toutes fins utiles, on pourra se reporter à cet égard aux références bibliographiques données à la fin de l'article sus-mentionné de D.D. Abbott, par exemple au projet de la Ryan Aeronautical Company 25 soumis en vertu du contrat Jet Propulsion Laboratory 951 107 du 21 Juin 1968. A titre purement indicatif et simplement pour fixer les idées, on a représenté sur la figure 3 un mât déroulable fabriqué par la De Havilland of Canada Ltd. Des mâts déroulables de ce 30 genre sont d'ailleurs bien connus des spécialistes sous le sigle "STEM" (Storable Tubular Extendible Member). Les figures 4a et 4b montrent l'aspect d'un satellite, respectivement avant et après déploiement de panneaux solaires rectangulaires connus 3 à répartition cruciforme autour du corps 35 de satellite 12. Cette répartition est reproduite en pointillés sur la vue en plan de la figure 5 et l'on y a superposé en trait plein quatre panneaux trapézoïdaux 13 conformes à la présente invention et ayant sensiblement même surface que les panneaux rectangulaires 40 3. On remarque aisément qu'à la forme générale en croix grecque 70 07954 4 2081107 de la disposition antérieure a été substituée une forme généra*-le en croix de Malte de longueur de branche beaucoup plus réduite bien que de surface équivalente» Le déploiement des panneaux solaires 13 sous forme tra-5 pézoïdale requiert divers aménagements de la "peau" et de son dispositif d'armature et la présente invention s'étend à ces aménagements qui seront décrits ci-après. La "peau" est comme précédemment stockée dans le carter 1 en une masse compacte (par exemple tin rouleau) ayant une lar-10 geur légèrement inférieure à la longueur de la fente 4 pour pouvoir en sortir sous forme d'une" bande rectangulaire. Mais à la différence des réalisations antérieures, cette bande ne constitue pas une nappe unique î elle présente en effet des pans repliés. Bien entendu, la largeur de la fente 4 de sortie du 15 carter 1 devra tenir compte de la surépaisseur due à la superposition des parties repliées» La figure 6 montre la "peau" 13 entièrement déployée à plat. Elle est subdivisée, dans l'exemple illustré', en une partie centrale rectangulaire A de longueur L et de largeur 1, en 20 deux parties intermédiaires B-B' de part et d'autre de la partie centrale A et en forme de trapèzes rectangles de hauteur 1, et en deux parties extrêmes C-C* au-delà des parties intermédiaires B-B' et en forme de triangles rectangles de hauteur 1. L'ensemble a donc la forme d'un trapèze isocèle à bases de lar-25 geur 1 et 51 respectivement et dont la hauteur est L0 On voit qùs la surface du'panneau trapézoïdal 13 est 3IL et que le panneau'rectangulaire 3 de même largeur 1 et de même surface aurait une longueur égale à 3L» Pour une occupation optimale de l'espace, il est avan-30 tageux de choisir un aigle voisin de 45° o La longueur L sera dans ce cas voisine du double de la largeur 1» ^ Pour la mise en place de la "peau" dans le carter 1, on fait pivoter les parties intermédiaires B-B1 et les parties extrêmes C-C® le long des côtés parallèles adjacents faisant 35 office de lignes de plis, comme montré sur la figure 7. On rabat ensuite l'une des parties intermédiaires B sur la partie' centrale A, puis la partie extrême correspondante C sur la partie B, comme représenté sur la figure 80 On répète la même opération avec l'autre partie intermédiaire B' et sa partie extrê-40- me correspondante G8, pour aboutir finalement à la pièce repliée 70 07954 5 2081107 rectangulaire 14 illustrée sur la figure 9, ayant cinq couches superposées et une largeur 1. On peut alors enrouler cette pièce 14 dans le carter 1 en l'introduisant par la fente 4» comme montré sur la figure 10, 5 et fixer ainsi le carter rempli sur le corps du satellite. Le déploiement dans l'espace du panneau solaire s'effectuera de façon inverse à l'opération de repliage décrite ci-dessus : la pièce rectangulaire 14 sera déroulée du carter 1 par extraction à travers la fente 4 (voir figure 11) et déployée à 10 la forme trapézoïdale du panneau 13 (voir figure 12). Si la première des opérations, c'est-à-dire le déroulement de la pièce rectangulaire 14, est exécutée à la manière usuelle appliquée aux panneaux rectangulaires classiques : par extension de mâts déroulables 15 hors de leur boîtier 16 et 15 traction exercée par une traverse 17 sur la"peau" par l'entremise d'attaches 18, la seconde opération, c'est-à-dire le déploiement trapézoïdal, fait appel à des innovations apportées au système d'armatures. Les boîtiers 16 des mâts déroulables 15 sont montés de 20 façon à pouvoir pivoter de l'angle envers l'extérieur (cet angle 0^, de préférence de 45° environ, est sensiblement le demi—angle d'ouverture du panneau trapézoïdal 13) autour d'un axe 16a perpendiculaire au plan du panneau 13, Cette inclinaison peut être assurée par rupture d'une attache 19 (voir figure 13) et action 25 d'un ressort de traction 20, la course angulaire du boîtier étant limitée à l'angle par une butée 21. Les dash-pots (non représentés) ou autres amortisseurs peuvent être avantageusement prévus pour freiner le mouvement des mâts 15 à la rupture des attaches de retenue 19. 30 on pourrait évidemment utiliser d'autres moyens tech niques équivalents pour déterminer le pivotement des boîtiers 19, par exemple des servo-moteurs. Le pivotement vers l'extérieur des mâts 15 s'accompagne évidemment d'un allongement de la traverse 17 qui ne saurait donc 35 être une simple entretoise rigide comme dans les réalisations antérieures, mais devra être extensible comme le sont les mâts 15. ' A titre d'exemple, une telle traverse extensible 17 peut être constituée par un dispositif télescopique du genre des 40 antennes escamotables de radio, de préférence à auto-verrouillagp 70 07954 6 2081107 des brins 17a en extension, les extrémités des mâts 15 étant articulées en 22 sur celles des brins terminaux 17a» Un moteur localisé sur la traverse 17 et synchronisé avec les moyens de pivotement des boîtiers 19 sera avantageusement utilisé pour 5 participer au déploiement latéral,, En variante, on peut utiliser comme traverse extensible 17 un dispositif à spirale préforutée connu des spécialistes sous le sigle "STACER" (Spiral Tube and Actuator for Controlled Extension and Retraction) et fabriqué par la Division Hunter Spring de la Société AMETEK Inc. Bien en-10 tendu, ces deux exemples ne sont nullement limitatifs et d'autres types d'armature extensible comme les armatures gonflables ou du type à pantographe peuvent fort bien convenir. D'ailleurs il n'est pas indispensable d'avoir, recours à une traverse qui s'allonge obligatoirement le long de son axe 15 et l'on peut envisager, comme le montre la figure 14, l'utilisation d'une poutrelle articulée et pliable autour de charnières, ou bien de systèmes rappelant certains modèles de mâts de tentes. Un tel système est illustré en figure 15. Il- est à noter à ce propos que, si la solution du dispo-20 sitif télescopique ou du "STACER" permet l'adjonction d'attaches supplémentaires 23 vers les pointes du panneau trapézoïdal 13 en sus des attaches 18 prévues dans sa région centrale, la solution de la poutrelle articulée dépliable permet de multiplier ces attaches supplémentaires 23 comme on. le voit sur la figure 14. En 25 effet, la poutrelle peut être composée d'autant d'éléments 17A, 17B, 17B», 17C, 17C! que le panneau 13 a de pans dépliables A, B, B', C, C', les jointures 24 des éléments successifs de la poutrelle étant au droit des lignes de plis des pans0 Rien ne s'oppose par conséquent à ce que la poutrelle soit repliée en cor-30 respondance exacte avec les pans et dépliée de même, chaque élément pouvant être rattaché en permanence au pan qui lui est associé o On remarquera, sur la vâriante de la figure 149 que la poutrelle est reliée, par son élément central 17A, à un seul 35 mât extensible 15A occupant, de même que son carter 16A, une position médiane sans pivotement. Dans tous ces modes de réalisation à panneaux trapézoïdaux, il peut être prévu aux pointes extrêmes de chacun des panneaux, des systèmes d'accrochage permettant la solidarisation des 70 07954 7 2081107 quatre panneaux et la formation d'une "voile" de forme générale carrée» La variante de la figure 16 permet d'obtenir une surface active puisqu'aussi importante que celle du mode de réalisa-5 tion précédent (dont l'allure générale est représentée en figure 5)» en utilisant seulement deux panneaux 1^, donc deux systèmes de déploiement systématiquement disposés autour du corps de satellite 12® la figure 17 montre en détail l'un des deux panneaux 13* î 10 les parties B, 0, B', C' de la "peau" du panneau, sont fixées non seulement par leur bord éloigné du boîtier 1 aux mâts 17-17a comme précédemment, mais également, par leur bord adjacent, à des mâts extensibles 26. Avant déploiement, ceux-ci sont stockés dans cLes boîtiers 25 analogues aux boîtiers 6 de la figure 1, 15 mais orientés dans un sens tangentiel et non pas radial par rapport au corps de satellite 12o Il est évidemment toujours possible, pour améliorer l'occupation de l'espace, d'ajouter de part et d'autre du corps de satellite 12, dans les intervalles restés libres entre les 20 panneaux déployés de grande surface 13', les deux panneaux rectangulaires classiques 3 représentés en pointillés sur la figure 16o Il va de soi que les modes de réalisation décrits ne sont que des exemples et l'on peut les modifier, notamment par 25 substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour cela du cadre de l'invention» Les mâts extensibles peuvent être par exemple des systèmes à pantographe, mâts gonflables ou des dispositifs "STACER", En outre, la "peau" peut être, non plus enroulée sur 30 un mandrin, mais repliée en accordéon dans un boîtier parallé-lépipèdique situé au même endroit que le mandrin par rapport au satellite « Enfin, au lieu de localiser la force motrice de déploiement latéral du panneau au niveau des boîtiers pivotants 16 du mode de réalisation des figures 11 à 13 (force fournie 35 dans l'exemple considéré par les ressorts 20), on peut l'engendrer au niveau de la traverse extensible 17 en y intégrant des ressorts, des servomoteurs ou autres organes moteurs propres à provoquer directement l'extension de la traverse 17 et par contrecoup le pivotement des mâts 15. 70 07954 8 2081107 ESVEKDIOATIOHS 1 « Générateur solaire dont la surface active, repliée dans un corps de stockage, est conçue pour en être déployée à pied d'oeuvre, caractérisé en ce que ladite surface active est 5 souple et son déploiement s'effectue sous l'action motrice d'un dispositif d'armature relativement rigide agencé pour provoquer ledit déploiement tant dans le sens longitudinal d'écarternent depuis ledit corps de stockage que dans le sens transversal d'étalement• 10 2. Générateur solaire selon la revendication 1, carac térisé en ce que ladite surface active souple constitue, après déploiement, un panneau homogène sans solution de continuité, les plis de ladite surface souple continue en position de stockage dans ledit corps étant déterminés pour s'y présenter sous 15 forme d'une pièce d'allure rectangulaire à couches multiples» 3. Générateur solaire selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit dispositif d'armature comprend une traverse extensible rattachée à celui des bords dudit panneau qui est éloigné dudit corps de stockage et mue par un ou des 20 mâts extensibles dans ledit sens longitudinal. 4. Générateur solaire selon la revendication 3» caractérisé en ce que lesdits mâts extensibles sont montés de façon à pouvoir pivoter à l'occasion du déploiement dans ledit sens transversal 0 25 5o Générateur solaire selon la revendication 4» carac térisé en ce que lesdits mâts extensibles pivotants sont articulés par leur extrémité sur celle de ladite traverse extensible. 6. Générateur solaire selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit panneau a, en position 30 déployée, une géométrie qui, s'écartant de la forme rectangulaire classique, se rapproche d'une forme trapézoïdale à grand angle d ' ouverture «> 7. Générateur solaire selon la revendication 3» caractérisé en ce que ledit dispositif d'armature comprend également 35 un ou plusieurs mâts extensibles rattachés à celui des bords dudit panneau qui est adjacent audit corps de stockage et extensibles dans ledit sens transversal» 8»u1î}?6 8. Satellite ou/engin spatial équipé de générateur so- J précédentes, lair® à déploiement selon l'une quelconque des revendications /