Brevet FR2486493A1 — publié le 19820115

La présente invention est relative à un nouveau système de repliement de panneaux solaires, ainsi qu'à des moyens de stabilisation de ces derniers. L'une des principales conditions qui seront exigées des panneaux solaires de grandes dimensions de l'avenir, est représentée par leur aptitude à être repliés avant le re- tour sur terre ou avant une importante opération en orbite. Cette exigence est principalement commandée: - soit par le prix élevé du panneau solaire qui conduit à les récupérés au sol plutôt qu'à les délester dans l'espace; - soit,en raison des conséquences sur la masse, la dynamique et le volume que ferait peser un panneau non récupérable sur la mission et sur le système du satellite dans le cas o des opérations orbitales importantes, telles qu'un couplage entre deux satellites, devraient être effectuées. Conformément à l'Art antérieur, on a utilisé jus- qu'à présent deux types de panneaux solaires flexibles - les panneaux du type enroulé et - les panneaux du type en accordéon. Les panneaux solaires du type enroulé sont enroulés autour d'un tambour qui ne peut être fixé qu'au véhicule de lancement en deux points différents, c'est-à-dire aux deux extrémités de l'axe du tambour, ce qui lui donne de l'insta- bilité. En raison de l'absence d'autres points de fixation, la taille de ce panneau solaire flexible est limitée et, par suite, la puissance engendrée par un tel panneau est géné- ralement inférieure à 5 KW. En ce qui concerne les panneaux solaires en accor- déon, ils peuvent être stockés dans un caisson qui peut aisé- ment être fixé au véhicule de lancement. Ce type de panneau solaire en accordéon peut compor- ter trois sortes de systèmes de repliement: - le système de repliement peut utiliser un panneau non con- tinu à charnières piano - le système de repliement peut utiliser un panneau continu plié à intervalles réguliers - le système de repliement peut étre constitué par la combi- naison des deux premiers; il est connu sous le nom de "système hybride" Dans.le système de repliement qui utilise des char- nières piano, le p a n n e a u n'est pas continu; il est divisé en plusieurs sous-panneaux dont chacun est pourvu d'une charnière piano. Ce système de repliement présente de nombreux inconvénients, qui sont inhérents à sa construction: il ne fonctionne efficacement qu'en combinaison avec des câ- bles de guidage car aucune des articulations n'a de mémoire; la surface du panneau qui porte les cellules solaires proprement dit est petite en sorte que le système prend beaucoup de place et a une masse importante; ce système n'est pas très fiable car il requiert un nombre très important de mécanismes actifs; il est difficile à réparer car chaque sous-panneau introduit une discontinuité dans le câblage électrique; l'épaisseur des charnières est difficile à adapter à celle du panneau de sup- port, qui n'est que de quelques >m, ce qui entraîne la mise en place d'une installation électrique complexe et fait courir des risques à l'utilisation de cellules ultra-minces. Dans les systèmes de repliement qui utilisent un p a n n e a u continu, celui-ci est continu mais replié à des intervalles réguliers à des emplacements dépourvus de cellules solaires. En principe, le p a n n e a u devrait se replier en réponse à la mémoire de repliement, sur les li- gnes de pliage d'origine. Ce système est celui qui a été le plus souvent uti- lisé, mais l'expérience a montré qu'il était difficile de re- plier le panneau. Ces difficultés sont essentiellement dues au fait que: - le pli perd sa mémoire en conséquence des nom- breuses contraintes qu'il subit dans la pratique; - le pli n'est pas stable lorsqu'on met le panneau de support en com- pression, ce qui signifie que le panneau de support présente localement une tendance à se replier en sens inverse decelui dans lequel il devrait se plier: une telle tendance soumet les cellules qui se trouvent au voisinage du pli, à des con- traintes très élevées qui peuvent entraîner la rupture des cellules; l'environnement provoque des ondulations permanentes le long de la ligne de pliage, ce qui. augmente encore l'ins- tabilité du repliement. Ni le p: a n n e a u continu, ni le panneau d i s c o nt i n u ne sont capables de répondre à la demande croissante de puissances élevées. C'est la raison pour laquel- le il a été proposé un système hybride constitué par un p a n n e a u noncontinu comportant des charnières piano qui relient différents souspanneaux entre eux et dont chacun des sous-panneaux est plié à intervalles réguliers. En dépit du fait qu'il facilite la fabrication et l'intégration du p a n n e a u, le système hybride additionne, quand on veut qu'il puisse se replier, les inconvénients des deux systèmes précédents, c'est-à-dire:qu'il requiert, tout comme les sys- tèmes à p a n n e a u discontinu, un mécanisme de gui- dage complexe par câbles; - les cellules solaires sont sou- mises à une contrainte due au guidage par câbles; - les cel- lules peuvent subir des contraintes en cas de repliement dé- fectueux. La présente invention a en conséquence pour but de pourvoir à un système de repliement de panneaux solaires qui répond mieux aux nécessités de la pratique que les systèmes de repliement proposés conformément à l'Art antérieur, notam- ment en ce qu'il s'agit d'un système de repliement simple, qui présente une fiabilité élevée car il ne requiert pas de pièces mécaniques, en ce que ce système de repliement permet de construire des panneaux solaires sans limitation de dimen- sions, permettant ainsi d'atteindre les puissances de 25 KW- 50 KW qui seront nécessaires pour les applications spatiales futures et en ce que les panneaux solaires flexibles, pourvusdu système de repliement conforme à l'invention, sont adaptables aux panneaux s o 1 a i r e s f 1 e x i b 1 e s conçus conformément aux dispositions de l'Art antérieur. La présente invention a pour objet de nouveaux systèmes de repliement et de stabilisation de panneaux solai- res, appliqués à des p a n n e a u x flexibles, continus, de panneaux solaires, comportant des lignes de pliage formées à i n t e r v a 1 1 e s r é g u 1 i e r s, 1 e s q u e 1 s systèmes de repliement sont caractérisés en ce qu'ils compor- tent un élément en forme de V dont la rigidité hors du plan est supérieure à celle du p a n n e a u plié, lequel élément en forme de V est fixé par l'une de ses extrémités à un côté de la ligne de pliage du p a n n e a u et par son autre extrémité, de l'autre côté de la ligne de pliage, la pointe du V étant reliée à la ligne de pliage elle-même à l'aide d'une feuille spéciale dite "tendeur", lesdits systèmes de repliement étant éventuellement associés à des syàtèmes de stabilisation appropriés desdits panneaux. Une telle structure, combinant un élément en forme de V, dont les extrémités sont fixées au panneau solaire de part et d'autre de la ligne de pliage, avec une feuille jouant le rôle de tendeur qui relie le sommet intérieur du V directe- ment à la ligne de pliage, procure un système à mémoire posi- tive, ou active. Selon un mode de réalisation avantageux du système de repliement conforme à la présente invention, les branches de l'élément en forme de V présentent une flèche, de manière à pouvoir exercer une force de traction sur la ligne de plia- ge. Suivant une disposition avantageuse de l'invention, chacune des branches de l'élément en forme de V est fixée par son extrémité libre au p a n n e a u à une distance b prédéterminée de la ligne de pliage, la largeur de la feuil- le jouant le rôle de tendeur - calculée du sommet intérieur du V à la ligne de pliage - est égale à B et la longueur de cha- cune desdites branches est égale à b + B, conférant ainsi des propriétés de déformation à l'élément en forme de V. En effet, dans un triangle rectangle, la somme des longueurs des côtés de l'angle droit est supérieure à la longueur de l'hypoténuse, soit b + B > c (1) et comme c = Vb2 +B2 (2) d'o b + B > Vb2 + B2 (3) dans le cas de l'invention b + B = c' (4) donc c' > (5) et c' > c (6) procurant ainsi la déformation recherchée à l'élément en for- me de V, laquelle déformation introduit une force de traction F qui est appliquée à la ligne de pliage, par l'intermédiaire du tendeur, pour obliger le panneau solaire à ne se replier que dans une seule et même direction à chaque opération de repliement. Selon un mode de réalisation avantageux de l'objet de l'invention, le câblage électrique est placé en totalité sur la face arrière du panneau solaire. Selon une disposition avantageuse de ce mode de réalisation, le câblage électrique forme l'un des principaux constituants de l'élément en forme de V ou l'élément en for- me de V lui-même. Selon un mode de réalisation avantageux de l'objet de l'invention, l'élément en forme de V et le tendeur sont continus sur toute la longueur de la ligne de pliage. Selon un autre mode de réalisation avantageux de l'objet de l'invention, l'élément en forme de V est dis- continu en ce qu'il est constitué par une pluralité de petits éléments en forme de V, tandis que le tendeur est continu sur toute la longueur de la ligne de pliage et relie les petits éléments en V entre eux. Conformément à une disposition avantageuse de ce mode de réalisation, le tendeur affecte la forme d'une feuil- le présentant une concavité externe entre deux éléments en V adjacents. Conformément à une autre disposition avantageuse de ce mode de réalisation, le câblage électrique est concen- tré dans les éléments en forme de V. Selon un mode de réalisation particulier de l'inven- tion le p a n n e a u comportant des lignes de pliage formées à intervalles réguliers et pourvu du système de re- pliement défini dans ce qui précède, est en outre pourvu, en- tre deux lignes de pliage consécutives, d'un oeillet dans le- quel passe un câble. Uoe telle disposition a pour effet d'améliorer enco- re la stabilité hors du plan du système, notamment pendant les manoeuvres en orbite alors que le panneau solaire est déployé ou pendant une accélération en orbite. Cette combinaison de moyens améliore la stabilité hors du plan, sans interférer dans les opérations de pliage/repliement, contrairement aux systèmes de guidage par cables décrits dans l'Art antérieur. Outre les dispositions qui précèdent, l'invention comprend encore d'autres dispositions, qui ressortiront de la description qui va suivre. La présente invention vise plus particulièrement les systèmes de repliement et de stabilisation de panneaux solaires conformes aux dispositions qui précèdent, ainsi que les moyens mis en oeuvre pour leur réalisation, les panneaux solaires équipés de ces systèmes et les satellites porteurs de panneaux solaires pourvus des systèmes de repliement et de stabilisation conformes à la présente invention. L'invention sera mieux comprise à l'aide du complé- ment de description qui va suivre, qui se réfère aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une représentation schématique en coupe d'un panneau solaire déployé pourvu d'un système de repliement conforme aux dispositions de l'invention, - les figures 2 et 3 représentent schématiquement, également en coupe, deux opérations de repliement d'un panneau solaire autour d'une ligne de pliage, réalisées grâce au système de repliement conforme à l'invention; - la figure 4 est une vue schématique en perspective d'un pan- neau solaire replié à l'aide du système de repliement con- forme à l'invention; - la figure 5 est une représentation schématique d'un autre mode de réalisation du système de repliement conforme à l'invention, et - la figure 6 représente schématiquement un mode de réalisa- tion d'un système de stabilisation d'un panneau solaire qui coopère avec le système de repliement conforme à l'invention. Il doit être bien entendu, toutefois, que ces des- sins et les parties descriptives correspondantes, sont donnés uniquement à titre d'illustration de l'objet de l'invention, dont ils ne constituent en aucune manière une limitation. Comme le montre la figure 4, le panneau solaire 1 est plié le long d'une ligne de pliage XX'. Le panneau solai- re 1 peut être un panneau solaire connu dans l'Art antérieur, qui comprend une couche de "KAPI^ON" (Marque déposée par DU PONT DE NEMOJURS désignant une résine polyimide),une couche de fibres de verre,des cellules solaires et un câblage électrique. Un élément en forme de V, désigné d'une façon globale par la référence 2, est fixé de part et d'autre de la ligne de pliage XX', à une distance b de cette dernière. La ligne de pliage XX' est re- liée au sommet du V par une feuille 3 qui joue le rôle de tendeur et qui sera dénommée ci-après "le tendeur". Ce ten- deur peut avantageusement mais non limitativement, être réa- lisé en "KAPTON". La largeur de ce tendeur est égale à B. Chacune des branches 4 de l'élément 2 en forme de V a une longueur égale à b + B, conférant ainsi une courbure à chacune des branches 4. La déformation ainsi conférée aux branches 4 du V, qui est faible et élastique,exerce une force de traction F sur la ligne de pliage XX'. L'élément 2 en forme de V, du fait de sa structure, ne perd pas sa mémoire et du fait de la force de tension F in- duite dans le tendeur, 1 e p a n n e a u s o - laire 1 ne peut se replier que dans une seule direction. Cette déformation résulte des équations (1) à (6) ci-dessus, c', qui est la longueur de chacune des branches de l'élément en forme de V étant supérieure à c ou égaleà c + L, la valeur IE étant petite, la déformation de chacune des bran- ches 4 se fait donc dans le domaine élastique et cette défor- mation est réversible. Alors que la figure 1 montre le positionnement d'un système de repliement conforme à l'invention sur la face ar- rière du p a n n e a u s o 1 a i r e à 1 ' é t a t déployé, les figures 2, 3 et 4, montrent différentes confi- gurations de repliement dudit panneau autour de la ligne de pliage XX'. Conformément à l'invention, le panneau solaire pour- vu d'un système de repliement conforme à la présente invention, peut également avantageusement être pourvu d'un système de stabilisation dudit panneau en dehors du plan, constitué par un oeillet 6 fixé a u le p a n n e a u entre deux lignes de pliage Xx' consécutives, avantageusement à mi- distance entre celles-ci, et par un câble 7 qui passe dans ledit oeillet. Un tel système de stabilisation a pour rôle d'amélio- rer la stabilité du panneau solaire en dehors du plan, pour éviter que celui-ci ne se déplace de façon erratique lorsqu'il est déployé, pendant des manoeuvres en orbite ou pendant une accélération en orbite. Il peut également être appliqué avec avantage aux tests au sol réalisés avec un panneau solaire déploy'é. Lé fait que le repliement ne peut se faire que dans une seule direction, la ligne de pliage non seulement conservant sa mémoire, mais étant, en outre, pourvue d'une mémoire "active", élimine les risques de rupture que faisaient courir aux cellules solaires voisines des lignes de pliage, les re- pliements effectués en sens inverse du sens de pliage correct; par suite, le nombre de cellules solaires opérationnelles n'est pas réduit en cours de fonctionnement, au voisinage des lignes de pliage. De plus, les systèmes de repliement et de stabilisation proposés conformément à l'invention, n'entraînent aucune limitation de la dimension des panneaux solaires aux- quels ils sont associés,en sorte que ces derniers peuvent être réalisés en toutes dimensions désirées. Il en résulte que les puissances élevées nécessaires requises pour les applications futures des panneaux solaires peuvent aisément être atteintes sans difficulté grâce aux dispositions de l'invention. Selon un mode de réalisation avantageux de l'inven- tion, le câblage électrique placé sur la face arrière du pan- neau13 peut être l'un des principaux constituants de l'élé- ment en forme de V ou constituer à lui seul ledit élément. L'élément en forme de V peut être un élément conti- nu ou discontinu. Selon une disposition avantageuse de l'invention, l'élément en forme de V 2 et le tendeur 3 sont continus tout le long de la ligne de pliage XX'. Ce mode de réalisation est le plus lourd, mais présente cependant deux avantages essen- tiels, à savoir que la réalisation du système de repliement conforme à l'invention en tant que système continu permet son utilisation même dans le cas o la rigidité en dehors du plan, du p a n n e a u est élevée et permet de prévoir un ca- blage électrique continu tout le long de la ligne de pliage, sur la face arrière du panneau. L'élément en forme de V peut, suivant une autre va- riante de réalisation, être réalisé sous forme discontinue, comme le montre le schéma de la figure 6, dans lequel l'élé- ment continu en forme de V est remplacé par une pluralité de petits éléments 8 distincts en forme de V, tandis que le ten- deur 9 est continu tout le long de la ligne de pliage. A noter la forme particulière du tendeur 7 continu, qui relie les éléments distincts 8 en forme de V entre eux et qui est cons- titué par une feuille dont l'arête supérieure 10 présente une flèche pour réduire la masse de l'ensemble du système de re- pliement et pour éliminer les efforts de compression qui pourraient lui être appliqués. Le nombre d'éléments distincts 8 en forme de V est dicté par les caractéristiques du pan- neau. Conformément à l'invention, il est avantageux de concentrer le câblage électrique il exclusivement dans les éléments distincts 8. Il résulte de ce qui précède que, quels que soient les modes de réalisation et d'application adoptés, l'on ob- tient des systèmes de repliement et de stabilisation de pan- neaux solaires en dehors du plan qui présentent par rapport aux systèmes visant aux mêmes buts antérieurement connus, un grand nombre d'avantages au nombre desquels il y a lieu de citer: - le fait qu'il n'y a pas à démanteler le système de repliement pendant le processus d'intégration des cellules solaires; - le fait qu'il ne faut tenir compte, pendant la fabrication et l'intégration, que d'un seul point critique re- présenté par la nécessité de maintenir la ligne de pliage bien :-droite; - le fait que l'ensemble du système est très léger. Les systèmes de r e p 1 i e m e n t et rie stabi- lisation conformes à la présente invention permettent de ré- soudre un certain nombre de problèmes que n'avaient pas permis de résoudre les systèmes de repliement proposés dans l'Art antérieur. En effet, le problème posé était de pouvoir plier et replier une mince feuille, à savoir u n p a n n e a u s o 1 a i r. e, le long d'une ligne déterminée, la li- gne de pliage, sachant que ladite feuille présentait une ins- tabilité marquée sous l'effet des charges de compression et des charges de cisaillement et qu'elle n'avait pas de mémoire en dehors du plan.La solution proposée conformément à la pré- 3ente invention, est représentée par un système à mémoire ac- tive comportant un élément en forme de V dont la rigidité en dehors du plan est supérieure à celle du panneau solaire plié et qui procure, en association avec le tendeur précité, la mémoire active requise pour des opérations répétées de re- pliement consécutives à des opérations de déploiementsans que le système conforme à l'invention perde sa mémoire, en raison de sa structure. Ainsi que cela ressort de ce qui précède, l'inven- tion ne se limite nullement à ceux de ses modes de réalisa- tion et d'application qui viennent d'être décrits de façon plus explicite; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes qui peuvent venir à l'esprit du technicien en la matière, sans s'écarter du cadre, ni de la portée, de la pré- sente invention. REVENDICATIONS 1 ) Systèmesde repliement et de stabilisation de panneaux solaires, appliqués.à.des panneaux solaires flexi- bles e t c *o n t i n u s, comportant des lignes de pliage formées sur le p a n n e a u à intervalles régu- liers, lesquels systèmes de repliement sont caractérisés en ce qu'ils comportent un élément en forme de V (2 ou 8) dont la rigidité hors du plan est supérieure à celle du panneau (5) p 1 i é, lequel élément en forme de V est fixé par l'une de ses extrémités à un côté de la ligne de pliage (XX') du p a n n e a u (5) et par son autre extrémité, de l'autre côté de la ligne de pliage, la pointe du V étant reliée à la ligne de pliage elle-même à l'aide d'une feuille spéciale dite "tendeur" (3), lesdits systèmes de-repliement étant éventuel- lement associés à des systèmes de stabilisation appropriés desdits panneaux. ) Système de repliement selon la Revendication 1, caractérisé en ce que les branches (4) de l'élément en forme de V présentent un cambrure lorsque le panneau est déplié, de manière à exercer une force de traction sur la ligne de pliage (XX"). ) Système selon l'une quelconque des Revendica- tions 1 et 2, caractérisé en ce que chacune des branches (4) de l'élément en forme de V est fixée par son extrémité libre a u p a n n e a u (5), à une distance b prédéterminée de la ligne de pliage, la largeur de la feuille (3) jouant le -vAo de tendeur - calculée du sommet intérieur du V à la li- gne de pliage - est égale à B et la longueur de chacune des- dites branches est égale à b + B, conférant ainsi des pro- pr.étés de déformation à l'élément en forme de V. 40) Système selon l'une quelconque des Revendica- tions 1 à 3, caractérisé en ce que le câblage électrique est placé en totalité sur la face arrière du panneau solaire. ) Système selon l'une quelconque des Revendica- tions 1 à 4, caractérisé en ce que le câblage électrique for- me l'un des principaux constituants de l'élément en forme de V ou l'élément en forme de V lui-même. ) Système selon l'une quelconque des Revendica- tions 1 à 5,caractérisé en ce que l'élément en forme de V (2) et le tendeur (3) sont continus sur toute la longueur de la ligne de pliage. 70) Système selon l'une quelconque des Revendica- tions 1 à 5, caractérisé en ce que l'élément en forme de V est discontinu en ce qu'il est constitué par une pluralité de petits éléments en forme de V (8), tandis que le tendeur (9) est continu sur toute la longueur de la ligne de pliage et relie les petits éléments en V entre eux. 8) S y s t è m e s e 1 o n 1 a Revendi- cation 7, caractérisé en ce que le câblage électrique (11) est concentré dans les éléments en forme de V (8). 9 ) Système de repliement et de stabilisation se- lon la Revendication 1, caractérisé en ce que le panneau so- laire comprend, en association avec le système de repliement selon l'une quelconque des Revendications 1 à8, un système de stabilisation du panneau en dehors du plan,qui comprend une pluralité d'oeillets disposés sur le panneau de support, entre deux lignes de pliage consécutives, dans lesquels passe un câble en matériau approprié. ) Système selon la Revendication 9, caractérisé en ce que les oeillets sont placés à mi-distance entre deux lignes de pliage consécutives. 110) Panneau solaire caractérisé en ce qu'il porte sur sa face arrière au moins un système de repliement selon l'une quelconque des Revendications 1 à 8.