Brevet FR2118948A1 — publié le 19720804

La présente invention concerne des engins spatiaux et plus particulièrement des engins spatiaux utiles dans les systèmes de communication dans lesquels de grandes puissances peuvent être fournies par des moyens de conversion d'énergie 5 solaire auto-portés.- Les engins spatiaux utilisés dans les systèmes de communication exigent d'importantes sources d'énergie pour alimenter les divers systèmes de commande tels que ceux que l'on utilise pour la commande de l'attitude ainsi que pour satisfaire aux 10 besoins des éléments du système de communication dans son ensemble. Les cellules solaires ou photo-piles, qu'elles soient montées en arrangements fixes ou en arrangements déployables, sont utilisées pour convertir directement l'énergie solaire en électricité. L'emploi de panneaux de cellules solaires sou-15 pies, permet à l'arrangement ou réseau de cellules solaires d'être emporté dans l'engin, c'est-à-dire à l'intérieur même du corps de l'engin spatial ou près de celui-ci pendant le lance-' ment du véhicule, tandis que les panneaux souples sont déployés radialement vers l'extérieur de l'engin spatial lorsqu'il est 20 en orbite et qu'il a pris son attitude ou son orientation, lorsqu'il est utilisé comme système de communication par satellites. L'un des concepts de déroulement les plus intéressants pour un arrangement de cellules solairês sur des panneaux souples déployables , fait intervenir 1'emmagasinement du pan-25 neau souple sur un tambour fixé à l'engin spatial, le transfert de l'énergie élëctrique se faisant par le mécanisme d'enroulement à l'aide de bagues de collecteur ou de moyens analogues. Des dispositifs de déroulement de ce genre ne sont pas seulement compliqués par la nécessité d'avoir des bagues de collec-50 teur pour faire passer l'énergie de l'arrangement, mais encore, ils augmentent beaucoup les dimensions de l'engin spatial,son poids, et ils exigent des moyens positifs pour déployer et rétracter l'arrangement suivant les besoins. Ils gênent la stabilisation de l'engin spatial et augmentent considérablement le 35 coût de fabrication de celui-ci. La présente invention vise un arrangement de cellules solaires en panneaux souples, déployables et rétractables, 71 45723 2118948 compact, léger, peu ooûteux, que l'on puisse utiliser avec un engin spatial ou avec un dispositif analogue.L'arrangement déployable et rétractable comprend plusieurs panneaux souples de cellules solaires, dont les extrémités intérieures sont main-5 tenues rigidement fixées en juxtaposition avec la paroi latérale de l'engin spatial, le long d'une ligne parallèle.à son axe de pivotement. Des vergues à rouleaux sont prévues aux extrémités opposées de chaque panneau. Un élément extensible mobile dans le sens radial vers l'extérieur du corps de l'engin 10 spatial est couplé à rotation à la vergue à rouleau de façon à en permettre la rotation autour de l'axe de la vergue. Un moteur antagoniste ou moteur de rappel, à ressort, est fixé par une extrémité à l'enveloppe cylindrique et par l'autre extrémité à la périphérie de la vergue à rouleau de telle façon que, 15 pendant le déploiement des panneaux à cellules solaires , qui sont enroulés autour des vergues à rouleaux, le ressort antagoniste s'enroule et se tende. Le mouvement des vergues à rouleaux, dirigé radialement, de la position déployée vers le corps de l'engin spatial, s'obtient aux dépens de l'énergie accumu-20 lée dans le moteur à ressort enroulé. En outre, le moteur à ressort enroulé assure une tension constante de l'arrangement de cellules solaires dont l'extrémité intérieure est maintenue solidement attachée à l'engin spatial, et fournit' ainsi la force de rappel . Des broches à détente portées par le corps de l'en-25 gin spatial du côté intérieur de la fente de la paroi latérale que traverse l'arrangement à panneaux souples, s'engagent dans des trous appropriés de localisation automatique dans les extrémités des vergues à rouleaux pour maintenir le panneau à cellules solaires enroulé dans la position convenable pendant 30 le lancement de l'engin spatial ou pendant d'autres manoeuvres de cet engin après sa mise sur orbite. Sur les dessins s - La figure 1 est une vue en perspective d'un engin spatial de communication suivant la présente invention, où l'arran- 35 gement de cellules solaires -en panneaux souples est en position de déploiement;. - la figure 2 est une vue en coupe partielle.d'une partie 71 45723 3 2118948 de l'arrangement représenté à la figure 1, montrant l'ensemble de vergues à rouleaux et du moteur antagoniste pour rappeler cet ensemble; - la figure 3 est une vue en coupe de l'ensemble de la 5 figure 2, considérée suivant la ligne 3-3 ; - la figure 4 est une vue en coupe de la vergue à rouleau de droite de la figure 2, suivant la ligne 4-4 ; - la figure 5 est une vue en coupe partielle d'un ensemble de vergues à rouleaux, dans la seconde forme de réalisa- 10 tion de l'invention. L'arrangement de cellules solaires déployable de la pré- -sente invention, qui peut être rétractable à la demande, est utilisé à la figure 1 avec un engin spatial cylindrique 10 à axe de pivotement orienté, ayant un corps cylindrique 12 avec 15 des éléments de système de communication 14 placés au-dessus et autour de l'axe longitudinal de l'engin spatial. L'arrangement de cellules solaires comprend trois ensembles de panneaux de cellules solaires, souples, identiques, 18, 18' et 18" qui sont extensibles, c'est-à-dire déployables, depuis l'intérieur de 20 l'engin spatial en traversant des fentes longitudinales 20 qui s'étendent le long du corps cylindrique 12 et parallèles à l'axe de l'engin spatial. Chaque ensemble comprend un élément 22 extensible radialement, en forme de mât ou de bras ou d'arbre creux extensible, qui peut être fait par exemple d'un tube de 25 métal léger ou d'une série de tubes à mouvement télescopique, portant à son extrémité extérieure une enveloppe métallique cylindrique 24 qui porte à son tour, en lui permettant de tourner, un ensemble de vergues à rouleaux 26. L'ensemble 26 comprend des vergues à rouleaux 28 et 30 appariées, sfétendant 30 vers l'extérieur à partir de l'enveloppe métallique cylindrique 24, de chaque côté de celle-cir pour tourner autour d'un axe passant par l'enveloppe métallique cylindrique et perpendiculaire au bras ou tube 22. Chaque ensemble de cellules solaires comprend encore des panneaux d'arrangement de cellules solaires 35 de gauche et de droite, 32 et 34.Les bords extérieurs des panneaux 32 et 34 sont attachés directement à la périphérie des vergues à rouleaux respectives 28 et 30 par des moyens d'atta 71 45723 2118948 che convenables ,tels qu'un adhésif, par exemple. Les bords intérieurs des panneaux rectangulaires souples de cellules solaires, 32 et 34, sont attachés de façon rigide à l'engin spatial à l'intérieur de la paroi latérale cylindri-5 que 12 ( par des moyens non montrés). Les panneaux à cellules solaires, souples, peuvent utiliser par exemple une base ou substrat en pellicule de matière plastique souple, qui porte des cellules solaires en pellicules minces, comprenant des jonctions de type P/IT déposées sur la pellicule en phase vapeur 10 ou par d'autres techniques analogues. Les cellules solaires à pellicules minces peuvent être formées de sulfure de cadmium polycristallin qui possède des avantages importants du point de vue du poids et du coût, de sorte qu'il en résulte un rapport de puissance à poids meilleur que celui des matières pour 15 cellules solaires, connues antérieurement. Les cellules solaires à sulfure de cadmium à pellicules minces ne font pas partie de la présente invention et sont du genre décrit dans une demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique No. 681.127 , déposée le 2 novembre 1967 au nom de Wilfred J. Billerbeck et cédée à 20 la demanderesse. L'aspect principal de la présente invention réside dans le système de déploiement rétractable qui utilise l'élément support en forme de bras extensible 22 pour porter la paire de vergues à rouleaux 28 et 30 en vue de leur rotation autour de 25 leur axe. Ceci facilite l'enroulement des panneaux à cellules solaires, à pellicules minces, 32 et 34, autour des périphéries des vergues respectives pendant la rétraction des ensembles à panneaux, et facilite le déroulement des panneaux pendant leur déploiement. La tige ou bras extensible 22 est projetée radia-30 lement hors du corps cylindrique 12 et à travers les fentes 20 qui la reçoivent. A ce propos, l'enveloppe de métal 24 est liée au bras 22 par une liaison à bride double 38, l'une des brides étant portée par le bras et l'autre par l'adaptateur 40 des vergues à rouleaux. En se reportant à la figure 3, on voit que 35 l'adaptateur de vergues 40 comprend deux plaques 42 qui s'étendent vers le haut et qui sont soudées par une extrémité à la bride supérieure de l'ensemble de brides 38, et par l'extrémité 71 45723 2118948 opposée, à la périphérie de l'enveloppe métallique 24, comme indiqué en 44. Dans la forme de réalisation de la figure 2, l'enveloppe cylindrique de métal 24 est alésée et munie de filets en 46 à chaque extrémité, et elle reçoit des douilles mé-5 talliques cylindriques filetées 48 qui portent une "bride radiale 50 à leur extrémité extérieure. La bride 50 sert de butée à la portée extérieure 52 de chaque palier à billes en métal léger, 54. La portée intérieure 56 de chaque palier à billes reçoit un tube ou arbre 58 qui s'étend à travers l'enveloppe 10 de métal 24 , de part en'part. Le tube 58 est muni d'une paire d'épaulements 60 contre lesquels butent les portées intérieures 56 des paliers à billes pour situer le tube 58 par rapport à l'enveloppe 24. D'autre part, des chapeaux d'extrémité en Teflon 62, fixés aux manchons extérieurs concentriques 64, 15 s'associent aux chapeaux d'extrémité extérieurs en Teflon, 66, pour compléter l'ensemble de vergues à rouleaux 26. Les bords extérieurs des panneaux à cellules solaires ,32 et 34, sont attachés en 36 à la périphérie du tube extérieur 64 des vergues à rouleaux de gauche et de droite, 28 et 30. Les vergues à rou-20 leaux peuvent ainsi tourner librement perpendiculairement au bras-support 22 qui s'étend radialement, le bras-support 22 et l'enveloppe de métal 24 étant maintenus stationnaires» Des moyens positifs tels qu'un moteur électrique convenable (non montré), situés à l'intérieur du corps cylindrique 12, 25 sont couplés mécaniquement au bras 22 pour étendre ce dernier et déployer l'ensemble 26 de vergues à rouleaux. Pendant le déploiement et l'extension radiale du bras tubulaire 22, l'ensemble de vergues 26 tourne autour de l'axe 68 (figure 3) dans le sens des aiguilles d'une montre, indiqué par la flèche, et en 30 raison de la fixation imposée aux bords intérieurs des panneaux 32 et 34, les panneaux se déroulent simplement de la périphérie des tubes extérieurs 64 qui forment des éléments de chacun des rouleaux de vergues de gauche et d^droite, 28 et 30. On a prévu des moyens pour rendre rétractable le dis-35 positif de déroulement, en utilisant un moteur antagoniste à ressort enroulé, indiqué dans son ensemble par 70. Ce moteur comprend un ressort en spirale 72 dont une extrémité 74 s'étend 71 45723 6 2118948 à travers une fente 76 de l'enveloppe cylindrique métallique 24, tandis que l'extrémité opposée 78 passe à travers une fente 80 dans l'arbre 58 de l'ensemble de vergues à rouleaux 26. Pour maintenir le ressort antagoniste 72 en position 5 convenable, des Joues 73 de forme annulaire et dont les diamètres correspondent à l'arbre 58 et à l'intérieur de l'enveloppe de métal 24, sont maintenues en position convenable par des bagues à déclic 75 qui s'engagent dans des rainures périphériques appropriées 77 à la périphérie extérieure de l'arbre 58. 10 Les bords périphériques extérieurs des Joues de leflon sont attachés directement à l'intérieur de l'enveloppe cylindrique de métal 24. Le fonctionnement du moteur antagoniste à ressort en spirale, 70, est très semblable à celui d'un volet mécanique, en 15 ce sens que pendant le déploiement positif du panneau, le ressort antagoniste s'enroule dans le sens des aiguilles d'une montre sur les vergues à rouleaux de gauche et de droite, 28 et 30, définies par le tube extérieur 64, tandis que les panneaux se déroulent de la périphérie du tube extérieur 64. De préfé-20 rence, le tube intérieur ou arbre 58 est perforé, comme indiqué en 82, pour en réduire le poids. Une fois étendue, la vergue peut être bloquée dans sa position la plus extérieure par des moyens (non montrés) associés au bras extensible 22. Comme le moteur antagoniste s'enroule et emmagasine de l'énergie autour 25 de l'arbre à rouleaux 58 lorsque la vergue déploie le panneau, la tension qui agit sur le ressort en spirale est transférée "à l'arrangement de cellules solaires dont le bord intérieur est solidement attaché à l'engin spatial en assurant ainsi l'existence d'une force de rappel ou de rétraction une fois que la 30 retenue qui agit sur le bras extensible est relâchée. Lorsqu'on commande la rétraction de la vergue, l'énergie accumulée dans le moteur à ressort en spirale fait tourner l'arbre à rouleaux 58, enroulant les panneaux flexibles à la périphérie des vergues à rouleaux 28 et 30. Les trois ensembles 18, 181 et 18" 35 se meuvent ensemble aussi bien en position de rétraction qu'en position de déploiement. Comme la vergue et l'arbre tournent ensemble, comme montré à la figure 4, on peut prévoir des es- 71 45723 2118948 paceurs en mousse, 82, pour obtenir une certaine rigidité entre le tube de vergue extérieur 64 et l'arbre à rouleaux intérieur 58. Dans une construction plus compliquée, le moteur à ressort peut être remplacé par un moteur électrique si ceci est 5 plus convenable, bien qu'indiscutablement, cela ajoute du poids à l'ensemble. l'ensemble représenté, moins la vergue et moins le panneau solaire, pèse moins de 500 grammes, et puisque le poids est un facteur de première importance avec les moments d'iner-10 tie, la construction légère à positions alternées est très pratique. le système permet un déploiement facile et une rétraction sur ordre lors des changements de position de l'engin spatial, ce qui facilite le lancement de l'engin spatial. A ce propos, chaque arbre tubulaire 54 est muni de bouchons d'ex-15 trémité 84 à l'intérieur des chapeaux d'extrémité en Teflon, 66, et chaque bouchon 84 comporte un trou conique 88. Des broches rétractables (non montrées) montées à l'intérieur de l'engin spatial, recherchent les trous de localisation automatique 88 pendant le mouvement de l'ensemble à vergues 26 dans le 20 corps cylindrique 12 de l'engin spatial, les vergues s'alignant longitudinalement avec les broches. Ainsi, pendant la rétraction, la force constante du moteur, exercée sur l'arrangement maintient un rouleau compact, serré, de panneaux souples sur les vergues à rouleaux respectives, et lorsque chacun des en-25 sembles 18, 18' et 18" vient se loger dans l'engin spatial, les dispositifs de retenue qui comprennent des broches rétractables s'engagent dans les trous de localisation des chapeaux d'extrémité 86 des vergues pour maintenir celles-ci en attendant un ordre suivant de déploiement. Au début, les dispositifs 50 de retenue sont nécessaires pour assurer la stabilité pendant le lancement. Des garnitures de mousse dans l'enceinte de l'engin assurent un état de charge préalable commode mais sûr pour le lancement ou après le déploiement et la rétraction initiaux dans les manoeuvres ultérieures de l'engin spatial. 0e concept 55 inventif n'est pas limité quant à ses dimensions ni quant à sa construction spécifique. Avec l'importance des cellules solaires à pellicules minces, de grands réseaux utilisant des ver 71 45723 8 2118948 gues doubles, des dispositifs antagonistes doubles ou des arbres chargés par ressort, avec un faible rapport du poids aux dimensions, trouveront des applications faciles. A la figure 5» on a représenté une variante de forme de 5 réalisation de l'invention. Les notations de référence des figures 2, 3 et 4 ont été conservées là où. c'était possible. Ici, les panneaux individuels 32 et 34 sont attachés directement à la périphérie de l'arbre à rouleaux creux 58'. L'enveloppe métallique 24 est fixée dans ce cas à des 10 bagues de retenue en aluminium poli, annulaires, 90, à l'aide de vis de blocage appropriées 92. Dans ce cas, au lieu d'utiliser des paliers à billes, des paliers annulaires de "Rulon" 94 sont reçus dans des évidements circulaires 96 des bagues de retenue en aluminium poli, 90, le diamètre intérieur des portées 15 cylindriques 94 étant de 1(ordre de celui de l'arbre à rouleaux métallique 58'. Des fentes périphériques 97 sont formées dans le rouleau 58' et reçoivent des bagues à déclic 98 pour situer convenablement l'enveloppe fixe 24 par rapport au rouleau intérieur 58'. Les joues de Teflon 73 sont maintenues en position 20 convenable dans ce cas par une paire de bagues à déclic 100 reçues dans des fentes circonférentielles appropriées à l'intérieur de l'enveloppe de métal 24'. Le moteur antagoniste à ressort 70 est ici identique à tous points de vue à celui de la forme de réalisation de la figure 2. Les fonctionnements pour 25 le déploiement et la rétraction de chacune des vergues à rouleaux sont identiques aussi. Comme il est souhaitable de maintenir l'ensemble aussi léger que possible, les éléments métalliques seront formés d'aluminium ou d'un alliage d'aluminium et de magnésium, de 30 grande résistance et de faible poids. Dans la forme de réalisation de la figure 5, le remplacement des paliers à billes métalliques par des paliers à manchons unitaires de "Rulon" a encore pour effet de réduire le poids de l'ensemble, tout en éliminant le tube-rouleau extérieur 64 dans cette forme de 35 réalisation. 71 "45723 2118948 REVENDICATIONS 1.- Arrangement de cellules solaires, déployable, pour un engin spatial, comprenant un élément-support extensible porté par l'engin spatial et mobile radialement vers l'exté- 5 rieur du corps de l'engin spatial, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens à vergues à rouleaux portés par l'extrémité extérieure de l'élément-support pour tourner autour d'un axe parallèle à l'axe longitudinal du corps, au moins un panneau à cellules solaires, souple, dont le bord intérieur est fixé au 10 corps et dont le bord extérieur est fixé à la périphérie des moyens à vergues à rouleaux, et des moyens à moteur antagoniste portés par les moyens à vergues à rouleaux pour appliquer une tension au panneau souple pendant son déploiement et pour réaliser ,pendant la rétraction de l'élément-support, l'enroulement 15 du panneau autour de la périphérie du rouleau sous la tension appliquée. 2.- Arrangement de cellules solaires suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément-support extensible comprend un tube de métal léger, une enveloppe cylindrique fixée à l'extrémité extérieure du tube, avec son axe perpendiculaire 20 à l'axe du tube, des paliers annulaires portés par l'enveloppe métallique en son intérieur, un arbre pouvant tourner, monté coaxialement dans l'enveloppe métallique sur les paliers annulaires et avec ses extrémités s'étendant vers l'extérieur depuis kes deux côtés de l'enveloppe métallique cylindrique, et 25 des moyens pour attacher le bord extérieur des panneaux à cellules solaires à l'arbre capable de tourner, de l'un et l'autre côté de l'enveloppe métallique centrale. 3.- Arrangement de cellules solaires suivant la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens à moteur antagoniste 30 comprennent un ressort antagoniste d'acier enroulé autour de l'arbre capable de tourner, une extrémité du ressort étant fixée à l'enveloppe de métal, et l'autre à l'arbre capable de tourner, en sorte que l'extension du support entraîne le déroulement du panneau à cellules solaires, souple, de la périphérie de l'arbre^ 35 et l'enroulement du ressort antagoniste en acier. 4.- Arrangement de cellules solaires suivant la revendication 3, caractérisé en ce que l'enveloppe cylindrique com- 71 45723 10 2118948 prend des douilles métalliques taraudées à leurs extrémités, tandis que l'arbre capable de tourner comprend une paire d'épaulements formés à sa périphérie extérieure et dirigés axialement vers l'intérieur des douilles métalliques à filets, 5 des paliers à billes de métal léger étant pris en sandwich entre les épaulements et les douilles pour le montage à rotation de l'arbre dans l'enveloppe fixe par rapport à lui. 5.- Arrangement de cellules solaires suivant la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend une paire de joues 10 de Teflon placées de part et d'autre du ressort antagoniste en acier,et des bagues à déclic portées par des rainures périphériques de l'arbre capable de tourner pour localiser axialement le ressort par rapport à l'arbre qui peut tourner. 6.- Arrangement de cellules solaires suivant la revendi-15 cation 1, caractérisé en ce que les moyens à vergues à rouleaux comprennent un arbre pouvant tourner, s'étendant à travers une enveloppe fixe, des chapeaux d'extrémité en Teflon montés sur l'arbre pouvant tourner près des extrémités de l'enveloppe métallique cylindrique et aux extrémités de l'arbre pouvant 20 tourner, un élément formant manchon qui s'étend entre les chapeaux d'extrémité respectifs, de chaque côté de l'enveloppe métallique fixe, pour définir des vergues à rouleaux individuelles pour chacun des panneaux à cellules solaires, et des moyens pour fixer le bord extérieur des panneaux à cellules solaires 25 à la périphérie d'un manchon respectif- 7.- Arrangement de cellules solaires suivant la revendication 6, caractérisé en ce que les chapeaux d'extrémité situés le plus à l'extérieur comprennent en leur centre un trou de réception d'une broche de retenue conique,pour faciliter la rete- 30 nue positive du panneau enroulé dans le corps de l'engin spatial ,pendant le lancement de l'engin spatial et avant son mouvement en orbite.