Brevet FR2487133A1 — publié le 19820122

- 1 - La présente invention est relative à un mat déplia- ble et repliable de grande rigidité et de grande longueur -desti- né notamment, mais non limitativement, à être utilisé dans le domaine spatial, sur des véhicules légers en vue de permettre l'érection d'antennes de télécommunications, etc... Dans le domaine spatial, les exigences des missions n'ont porté jusqu'à présent que sur des mats présentant soit une grande rigidité et une faible longueur, soit une grande longueur et une faible rigidité. A quelques rares exceptions près, représentées notamment par les bras des véhicules lunaires automatiques, aucune condition de repliage des mats n'a été exigée jusqu'à présent. En conséquence, des mécanismes de conception rudimentaire ont- pu être utilisés tels que pantographes et autres. Les missions futures utiliseront des générateurs de grande puissance constitués de panneaux solaires. Afin de pouvoir les réutiliser ou éventuellement les réparer sur terre, ces panneaux devront être dépliables et repliables. Ces panneaux seront déployés et repliés à l'aide d'un mat dépliable et repliable. La grande surface des panneaux implique l'utilisation de mâts de grande longueur, de grande rigidité et ayant un faible volume sous coiffe. Ces nouvelles exigences demandent donc de nouveaux concepts. Bien que la description de l'invention se rapporte principalement aux applications spatialescelle-ci n'est cependant pas limitée à ces applications; elle pourrait par exemple également être utilisée pour d'autres applications telles que mâts transportables sur véhicules légers permettant l'érection d'antennes de télécommunications ayant des hauteurs de quelques mètres à quelques dizaines de mètres. Des mâts dépliables et repliables ont été proposésdans l'Art antérieur, notamment dans le Brevet des Etats-Unis d'Ameriaue NI 3 486 279. Ces mâts> qui peuvent être déployés rapidement à partir d'un état replié de faible volume, comprennent une pluralité de segments de section triangulaire repliables individuellement, constitués par des membrures, qui sont -2reliés entre eux en tandem et qui comportent trois faces rectangulaires longitudinales maintenues par deux câbles fixés en diagonale à des angles opposés du rectangle, par l'intermédiaire de ressorts. Les surfaces rectangulaires de ces segments sont reliées entre elles de façon pivotante ou bien par l'intermédiaire-de longerons flexibles qui forment des côtés des rectangles qui sont incurvés en cercles lorsque la structure est repliée et qui tendent à se redresser pour prendre une position rectiligne lors du déploiement du mat. Les mâts dépliables et repliables décrits dans ce Brevet présentent toutefois un certain nombre d'inconvénients: ils requièrent une grande dépense d'énergie en raison des frottements importants induits dans le mécanisme de déploie- ment, énergie qui, en général, doit être fournie par des batteries ou d'autres générateurs du même type; un système de grande précision qui s'oppose à la rotation doit être prévu dans le cas d'une application du type des générateurs solaires; par ailleurs, ils sont peu flexibles, ne permettent pas de variantes et limitent, par conséquent, toute possibilité d'optimisation. La présente invention a pour but de pourvoir à un mat dépliable et repliable, présentant une structure légère, et néanmoins une grande rigidité, dans lequel les frottements induits par les opérations de déploiement sont très faibles, dont la stabilité est très grande du fait d'une répartition des efforts suivant les trois axes et dont la facilité de stockage est améliorée par rapport aux structures de l'Art antérieur en lui donnant un encombrement très réduit par réduction du nombre d'éléments empilés les uns sur les autres. La présente invention a pour objet un mât dépliable et repliable caractérisé en ce qu'il est essentiellement constitué par: -une pluralité de parties élémentaires dont chacune comprend une première base à n côtés commune à une partie élémentaire précédente, une seconde base à n côtés commune à une partie élémentaire suivante, un nombre de 2487 133 -3- longerons reliant les angles desbases, égal au nombre de côtés desdites bases, lesquels longerons comportent en leur milieu et à leurs extrémités des charnières possédant un degré de liberté, destines à rendre lesdits longerons pliables, lesquelles charnières sont équipées de butées -des câbles en croisillonset -un mécanisme de déploiement. Selon un mode de réalisation avantageux du mât dépliable et repliable conforme à la présente invention, les axes de rotation des charnières se trouvent dans différents plans et sont inclinés d'un angle prédéterminé. Selon une disposition avantageuse de ce mode de réalisation, les axes de rotation des charnières sont inclinés suivant des angles différents. Suivant une autre disposition avantageuse de ce mode de réalisation, les axes de rotation des charnières d'un mêm longeron, compris entre deux structures élémentaires consécu tives,sont inclinés d'un même angle. - Conformément à l'invention, la fixation des câbles aux angles opposés d'une structure élémentaire est réalisée par l'intermédiaire de systèmes à mémoire tels que ressorts plats par exemple. Egalement conformément à l'invention, afin de rendre l'encombrement du mât minimal lors du-stockage, les longeron compris entre deux structures élémentaires consécutives ont une longueur inférieure à deux fois le plus petit côté de la base. Selon un mode de réalisation avantageux du mat confo me à l'invention, pour minimiser au maximum une déflection possible du mât, due notamment à un gradient thermique engen dré par un flux unidirectionnel appliqué au mât, ce dernier est légèrement torsadé en pourvoyant ses charnières de butée dissymétriques et en mettant en place entre deux membrures conséçutives, des câbles de longueurs différentes. Selon un autre mode de réalisation avantageux du mât conforme à la présente invention celui-ci est pourvu d'un mécanisme de déploiement qui comprend des jeux de cames fixé -4 - à une première couronne dentée, actionnée par un ou plusieurs moteurs, chaque jeu du cames étant composé de deux cames et le nombre des jeux de cames étant égal au nombre de côtés que comporte la base. Selon une disposition avantageuse de ce mode de réalisation, une deuxième couronne associée à la première couronne entraîne des vis qui sont solidaires d'une plaque de base qui supporte le mat stocké, en vue de la mise à niveau progressive de la partie stockée du mât, laquelle deuxième couronne ne porte des dents que sur certaines parties de sa périphérie afin que les vis ne soient action- nées par ladite couronne que pendant les intervalles au cours desquels les cames des jeux de cames susdits ne sont pas en prise avec les éléments du mat stocké à déployer. Selon une autre disposition avantageuse de ce mode de réalisation, pendant l'action de déploiement des cames, la partie stockée, non déployée, du mât est retenue sur la plaque de base par un système de doigts escamotables actionnés par la première couronne. Selon encore une autre disposition avantageuse de ce mode de réalisation, la base porte une première protubérance sur laquelle se déplace une première came du jeu de cames correspondant>pour provoquer un premier déploiement du longe- ron. Selon une autre disposition avantageuse de ce mode de réalisation, chacune des charnières milieu des longerons porte une seconde protubérance sur laquelle se déplace la deuxième came du jeu de cames correspondant pour provoquer le déploiement total dudit longeron. Selon encore une autre disposition avantageuse de ce mode de réalisation, la première couronne porte en outre des cames de repliement décalées par rapport aux cames d'extrac- tion progressive de la structure du mat. Outre les dispositions qui précèdent, l'invention comprend encore d'autres dispositions, qui ressortiront de la description qui va suivre. -5- La présente invention vise plus particulièrement les mats repliables et dépliables conforme aux dispositions qui précèdent, ainsi que les moyens propres à leur réalisa- tion et les applications utilisant de tels mâts. L'invention sera mieux comprise à l'aide du complé- ment de description qui va suivre, qui se réfère aux dessins annexés dans lesquels.: - les figures 1, 2 et 3 représentent de façon schéma- tique une structure classique de mât rigide, non pliable, conforme à l'Art antérieur; - la figure 4 représente schématiquement les phases successives de déploiement d'un mât conforme à la présente invention (figures 4 à à 4 d); - la figure 5 représente un exemple de structure de mât conforme à l'invention, à base triangulaire; - les figures 6 et 7 représentent schématiquement des modes de réalisation des charnières dans lesquels les axes de rotation de ces dernières sont inclinés d'un angle prédéterminé par rapport à la normale (figures 6 a - 6 b), l'inclinaison pouvant être différente selon les charnières considérées (figures 7 a - 7 b); - la figure 8 est une représentation schématique d'un mécanisoe -dé déploiement du mât conforme à la présente invention, dc - la figure 9 illustre (figures 9 a à 9 f) le mode de fonctionnement; - la figure 10 illustre schématiquement la disposition d'une came de repliement décalée par rapport à ur- came de dé- ploiement correspondante, et - la figure Il illustre de façon schématique les différentes phases de maintien et de libération pas à pas des éléments successifs de la structure du mât stockée,à l'aide d'un système de doigts. Il doit être bien entendu, toutefois, que ces dessins 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. - 6- Pour faciliter la compréhension de l'invention, nous nous référons tout d'abord à une structure classique de mât rigide telle que représentée schématiquement aux figures 1 à 3. La figure 1 représente un mât à base triangulaire non pliable. Ce mât comporte trois longerons (1, 2, 3) et deux bases formées de trois membrures chacune (4, 5, 6, 4', ', 6'). Ce mât élémentaire peut être rigidifié à l'aide de membrures supplémentaires (4", 5", 6") placées à des distan- ces définies, comme le montre la figure 2. Ces membrures remplissent le rôle de l'âme en transportant les efforts de cisaillement d'un longeron à l'autre et en contraignant les déplacements et rotations relatifs entre les longerons. La rigidité d'un tel mât est fonction de la distance entre les membrures; elle est inférieure à celle d'un mât à âme continue mais supérieure à la rigidité du mât élémentaire. La rigidité peut encore être augmentée en pourvoyant chacune des structures élémentaires (7, 7') du mâtde croi- sillons (C1, C2, C3), qui relient en diagonale les angles opposés des deux bases de chacune desdites structures et dont la disposition augmente l'hyperstaticité du système en accroissant les contraintes entre les noeuds: cf figure 3. Ces croisillons peuvent être des éléments continus tels que des poutres ou des éléments "discontinus" tels que des câbles. Dans ce dernier cas, les applications sont limi- tées parce que les câbles n'acceptent aucune contrainte de compression. L'utilisation de câbles pré-tendus peut cependant augmenter les possibilités d'application. En effet, dans ce cas, l'instabilité n'apparaît que lorsque la contrainte totale dans le câble s'annule. Bien entendu la pré-contrainte du câble doit être compatible avec la stabilité (flambage) locale du reste de la structure. Le mât qui fait l'objet de la présente invention se compose également de longerons L,L', de nmabrures M, M' et de croi- sillons tels que des câbles C,C'.Toutefois, la conception de ! -7 - ces différents éléments est telle que contrairement au mat rigide de type classique représenté aux figures 1 à 3, elle permet d'obtenir un mât pliable. Le mât pliable sera décrit ci-après dans son princi] en se référant aux figures 4 a à 4 d. Ces figures représente les différentes phases de déploiement d'un mât bi-dimension- nel. Ce mât comprend deux membrures (M', M), deux câbles (C', C) et deux longerons (L', L) qui sont rendus pliables en leur milieu et à leurs extrémités à l'aide de charnières (respectivement H1, H2 et Hl, Hi, Hj, Hi). La figure 4 a montre le début du déploiement: les longerons (L'L) sont déplacés de façon continue dans le sene des flèches, à l'aide d'un mécanisme de déploiement, non représenté sur cette figure. Lors du déploiement, les câbleî (C', C) se tendent petit à petit (figure 4 b). La figure 4 représente une position dans laquelle les câbles sont tout- à-fait tendus; la position finale n'a pourtant pas encore été atteinte. Le déplacement des longerons est poursuivi, ce qui entraîne une déformation élastique des câbles. Cette déformation est maximale lorsque les deux parties des longe- rons forment une droite. Un nouveau déplacement des longeroi détend légèrement les câbles. La position finale est atteini lorsqu'un déplacement-supplémentaire est rendu impossible pi des butées (B1, Bi, Bj', B2' B, Be) intégrées aux charnières (H1, H2, Hi, H, Hj', H') (cf Figure 4 d). La position des butées est choisie de façon à ce qu'une contrainte subsiste dans les câbles. La stabilité de la structure ainsi obtenue est tota En effet le déplacement des longerons (L, L') vers l'extéri( est rendu impossible par la présence des butées et un déplac ment vers 1' intérieur est rendu difficile par la présence d câbles pré-contraints (C', C). A partir du "concept plan" du mât tel que représent{ aux figures 4 a à 4 d, il est possible de créer une structu: tridimensionnelle en juxtaposant côte à côte plusieurs élém 8it?7 1 3 - 8 - La Figure 5 représente un mât à base triangulaire. Ce mât n'est nullement limité à une structure à base triangulaire. Il est possible de créer à partir du "concept plan", une structure tridimensionnelle à base de n côtés, par exemple: triangle, carré, rectangle, pentagone, hexagone. La base du mat ne doit pas nécessairement être régulière et ceci contrairement à l'état de la technique, ce qui représente un avantage supplémentaire non négligeable. La stabilité du mat peut être améliorée par rotation des axes des charnières. En effet, au lieu d'être perpendicu- laires au plan de la feuille comme montré sur les figures 4 a - 4 d, les axes des charnières sont inclinés d'un angle prédéterminé par rapport à la normale (Figures 6 a - 6 b). Il n'est pas non plus nécessaire que tous les axes de rotation des charnières soient inclinés du même angle; seuls les axes d'un même longeron et compris entre deux membrures consécutives doivent être inclinés d'un même angle (par exemple H1, Hi, HI' H2, Hg, H1). Cette variante de réalisation, en détruisant les symétries, permet une distribution des efforts dans les trois axes au niveau des charnières d'o une plus grande stabilité de l'ensemble. Les Figures 7 a et 7 b illustrent cette variante de réalisation: dans la Figure 7 a,l'axe de rotation des charnières H1,, Hi, Hj' est perpendiculaire au plan de la feuille tandis que l'axe de rotation des charnières H2, H, H', se trouve dans le plan de cette dernière. La Figure 7 b montre une vue en perspective, les flèches indiquant les rotations possibles. Cette construction est nettement.plus stable que celle représentée à la Figure 4. En effet, considérons l'application d'une force F agissant au niveau du point C. Si une telle-force était appliquée au même endroit dans le cas de la Figure 4,ceci aurait pour effet de déterminer une légère déformation de la structure (à condition pourtant que la force soit assez grande). Dans le cas de la construction - 9- de la Figure 7, cette force serait en grande partie absorbée par les longerons portant les charnières H H2 et H" Cette absorption est due au fait que la force est dans le sens de l'axe de rotation des charnières; la structure ne subirait donc aucune déformation notable. L'amélioration ainsi obtenue est d'autant plus grande que les jeux de charnières de chaque longeron sont inclinés d'un angle différent sur la normale au plan de la face. Un autre avantage est la facilité de stockage: en effet les longerons ne sont plus dans le même plan que les membruresd'o une réduction du nombre d'éléments empilés les uns sur les autres. Il est également clair qu'en introduisant une incli- naison des axes de rotation des charnières, la structure ne présente plus aucun axe préférentiel d'effondrement. Le stockage peut être facilité en employant un système à mémoire, par exemple un ressort plat (non représen- té) monté aux attaches des câbles. Un tel système permet le repliement à l'intérieur de la base et évite toute interfé- rence avec les articulations ou le système de déploiement. De cette manière, les câbles sont, en position stockée, entièrement piégés à l'intérieur de la base. Afin de rendre l'encombrement minimal, les longerons compris entre deux membrures consécutives doivent avoir une longueur inférieure à deux fois le plus petit côté de la base. Dans le cas o le mat est exposé à un flux unidirec- tionnel engendrant un gradiant thermique, une déflection du mat est à craindre. De tels problèmes peuvent être minimisés en torsadant légèrement le mat. Il suffit pour cela que les butées MB1, Bj, Bjf, B2, B2, B") soient dissymétriques et que les cables (C', C) entre deux membrures M, M' consécutives, soient de longueurs différentes. Le sens de torsadage peut, si nécessaire, être inversé à intervalles réguliers. La Figure 8 montre le mécanisme d'extraction et de déploiement associé au mat conforme à l'invention. Ce méca- nisme est constitué par des jeux de cames fixés à une première couronne 8. Cette couronne 8 est actionnée par un 2 487 133 - 10 - ou plusieurs moteurs 9. Chaque jeu de cames est composé de deux cames 10 et Il. Il y a autant de jeux de cames que la base comporte de cotés (par exemple trois jeux de cames dans le cadre de la structure à base triangulaire représen- tée à titre d'exemple non limitatif à la Figure 5). Afin de pouvoir mettre à niveau la partie stockée du mat,on a prévu plusieurs vis 12, trois par exemple, actionnant une plaque de base 13 qui supporte la partie stockée du mât,16. Les vis 12 sont entraînées par l'inter- médiaire d'une seconde couronne 14. Cette seconde couronne ne porte des dents que sur certaines parties de sa périphé- rie de façon à ce que les vis 12 ne soient actionnées que pendant les intervalles o les cames 10-11 ne sont pas en prise avec des éléments à déployer. Durant l'action des cames 10-1l,un système de doigts 15 (cf Figures 11 a à 11 d) retient le paquet non déployé 16, ces doigts étant escamotables et activés par la première couronne 8. Les Figures 9 a à 9 f illustrent le fonctionnement du système de déploiement. Une première came 10 en s'appuyant sur une première protubérance 17 spécialement prévue à cet effet au niveau des membrures, permet un premier déploiement des longerons L, L' etc.... La hauteur de ce premier déploie- ment est à peu près égale à la moitié de la longueur d'un longeron. Après avoir atteint cette première position, une seconde came Il en s'appuyant sur une seconde protubérance 18 prévue cette fois-ci au niveau de la charnière milieu (H1, H2) des longerons permet le déploiement total du longeron. L'interférence entre la deuxième came Il et le mouve- ment de l'axe milieu du longeron au moment du blocage en position 2déployée (léger mouvement de retrait en passant de la position de la Figure 4 c à -celle de la figure 4 d) est limitée d'une part par la forme de la deuxième came et d'autre part par les.mouvements naturels des charnières (linéaires) et les mouvements des cames (circulaires). - 11 - Le repliement du mât se fait à l'aide de cames 19, décalées par rapport aux cames d'extraction. Une simple inversion de rotation des moteurs permet le repliement (Figure 10). Les avantages du mécanisme de déploiement conforme à la présente invention par rapport à l'état de la technique sont essentiellement les suivants la hauteur des cames est égale à la demi-longueur entre deux membrures,soit plus que la moitié moins que dans le cas du mat décrit dans le Brevet des Etats-Unis d'Amérique 3 486 - Les frottements sont très faibles car les actions sont effectuées directement au niveau des charnières en soulevant la structure. Il en résulte un système structurel- lement léger. Ainsi que cela ressort de ce qui précède, l'inventio: ne se limite nullement à ceux de ses modes de réalisation et d'application gui viennent d'être décrits de façon plus explicite; elle en embrasse au contraire tout les variantes qui peuvent venir à l'esprit du technicien en la matière, sans s'écarter du cadre, ni de la portée, de la présente invention. _ 12 - REVENDICATIONS 1) Mat dépliable et repliable caractérisé en ce qu'il est essentiellement constitué par une pluralité de parties élémentaires dont chacune comprend une première base (M) à n côtés commune à une partie élémentaire précédente, une secon- de base (M') à n côtés commune à une partie élémentaire suivante, un nombre de longerons (L, L'...) reliant les angles des bases, égal au nombre de côtés des dites bases, lesquels longerons comportent en leur milieu et à leurs extrémités des charnières (H1, Hi, H!j, H2, H2, H"...) possédant un degré de liberté, destinéesà rendre lesdits longerons pliables, les- quelles charnières sont équipées de butées (B1, Bi, B"j, B2, Bu B2-..); des cables en croisillons (C', C) et un mécanis- me de déploiement. 2) Mat dépliable et repliable selon la Revendication 1, caractérisé en ce que la première et la seconde base susdites présenteatune forme quelconque symétrique ou dissymétrique telle que triangle, carré, rectangle, pentagone, hexagone, notamment. 3) Mat dépliable et repliable selon l'une quelconque des Revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les axes de rotation des charnières se trouvent dans différents plans et sont inclinés d'un angle prédéterminé. 4) Mat dépliable et repliable selon la Revendication 3, caractérisé en ce que les axes de rotation des charnières sont inclinés suivant des angles différents. ) Mat dépliable et repliable selon la Revendication 3, caractérisé en ce que les axes de rotation des charnières d'un même longeron, compris entre deux structures élémentaires consécutives sont inclinés d'un même angle. 6) Mât dépliable et repliable selon l'une quelconque des Revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la fixation des cibles aux angles opposés d'une structure élémentaire est réalisée par l'intermédiaire de systèmes à mémoire tels que ressorts plats notamment. - 13 - 7) Mât dépliable et repliable selon l'une quelconque des Revendications 1 à 6, caractérisé en ce que,afin de rendre l'encombrement du mât minimal lors du stockage, les longerons compris entre deux structures élémentaires consé- cutives ont une longueur inférieure à deux fois le plus petit côté de la base. 8) Mât dépliable et repliable selon l'une quelconque des Revendications 1 à 7, caractérisé en ce que,pour minimi- ser au maximum une déflection possible du mât, due notamment à un gradiant thermique engendré par un flux unidirectionnel appliqué au mat, ce dernier est légèrement torsadé en pour- voyant ses charnières de butées dissymétriques et en mettant en place entre deux membrures consécutives, des câbles de longueurs différentes. 9) Mât dépliable et repliable selon l'une quelconque des Revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il est pourvu d'un mécanisme de déploiement qui comprend des jeux de cames fixés à une première couronne dentée (8), actionnée par un ou plusieurs moteurs (9). - 10) Mât dépliable et repliable selon la Revendication 9, caractérisé en ce que chaque jeu de cames est composé de deux cames (10, 11). 11) Mât dépliable et repliable selon l'une quelconquE des Revendication 9 et 10, caractérisé en ce que le nombre dE jeux de cames est égal au nombre de côtés que comporte la baE 12) Mât dépliable et repliable selon l'une quelconque des Revendications 9 à 11, caractérisé en ce qu'une deuxième couronne (14) associée à la première couronne (8) entraîne de vis (12) qui sont-solidaires d'une plaque de base (13) qui supporte le mât stocké (16),en vue de la mise à niveau progr( sive de la partie stockée du mât, laquelle deuxième couronne (14) ne porte des dents que sur certaines parties de sa péri. phérie afin que les vis (12) ne soient actionnées par ladite couronne que pendant les intervalles au cours desquels les cames (10 - 11) des jeux de cames susdits ne sont pas en pri: avec les éléments du mât stocké à déployer. - 14 - 13) Mat dépliable et repliable selon l'une quelcon- que des Revendications 9 à 12, caractérisé en ce que pendant l'action de déploiement des cames, la partie stockée (16), non déployée, du mat est retenue sur la plaque de base (13) par un système de doigts (15) escamotables actionnés par la première couronne (8). 14) Mat dépliable et repliable selon l'une quelconque des Revendications 1 à 13, caractérisé en ce que la base porte une première protubérance (17)sur laquelle se déplace une O10 première came (10) du jeu de cames correspondant,pour provo- quer un premier déploiement du longeron. ) Mat dépliable et repliable selon l'une quelconque des Revendications I à 14, caractérisé en ce que chacune des charnières milieu des longerons porte une seconde protubérance (18) sur laquelle se déplace la deuxième came (11) du jeu de cames correspondant, pour provoquer le déploiement total dudit longeron. 16) Mat dépliable selon l'une quelconque des Reven- dications 9 à 15, caractérisé en ce que la première couronne porte en outre des cames de repliement (19) décalées par rapport aux cames (10 11) d'extraction progressive de la structure du mat.