Brevet FR2605135A1 — publié le 19880415

La présente invention concerne un dispositif pour relier deux corps ayant des coefficients de dilatation thermique différents en vue de réduire au minimum des forces contraignantes résultant de contraintes produites thermiquement, ainsi qu'un procédé pour déterminer des points de fixation sur un tel dispositif. Les dispositifs connus jusqu'à maintenant pour assurer la fixation de deux corps ayant des coefficients de dilatation thermique différents, dans lesquels les tensions engendrées thermiquement doivent être réduites au minimum, utilisent en majeure partie des éléments de liaison ayant une flexibilité radiale et qui établissent par ailleurs une liaison rigide. Comme cela est décrit pour un radiotélescope dans EP-B1-0063063, un point de liaison est alors maintenu en position fixe tandis que les autres points de fixation permettent chacun une variation dans une direction radiale.A cet effet, on utilise des éléments de fixation ayant une flexibilité radiale et opérant comme des lames é-lastiques. Egalement d'après "Proceedings of SPIE"(volume 250 (1980) aux pages 24-26 et volume 450 (1983) aux pages 34-38), il est connu de fixer un miroir en verre ayant un coefficient de dilatation comparativement faible sur la structure portante métallique par l'intermédiaire d'éléments radialement flexibles. En outre il est connu d'après DE-C2 3119299 une fixation au moyen d'une liaison collée élastique. I1 faudrait également citer en cet endroit la liaison par serrage qui est généralement connue. Tous les modes de fixation connus jusqu'à maintenant présentent cependant l'inconvénient que, dans le cas de variations thermiques par décalage des points de fixation, ou bien des forces contraignantes sont transmises par la structure du support à l'élément de construction ou bien la rigidité de la liaison est très faible. Egalement dans le cas de forces contraignantes relativement faibles, il peut se produire déjà des déformations inadmissibles du corps à fixer, de sorte que celui-ci ne possède plus sa possibilité d'utilisation ou qu'au moins celle-ci est très fortement limitée.Notamment quand le corps à fixer est un élément optique comme par exemple un miroir de télescope, dont la forme de surface est soumise à des tolérances extrêmement sévères qui sont de l'ordre de quelques nanomètres, déjà de faibles forces produisent des déformations décelables de la surface, qui réduisent fortement les possibilités d'utilisation de l'élément. Dans de nombreux cas, comme par exemple des transmissions spatiales, des impératifs encore accrus concernant la rigidité et la résistance sont imposés. Avec les procédés connus de fixation, il n'est pas possible de satisfaire d'une manière correcte aux deux impératifs cités L'invention a pour objet de créer entre deux corps de coefficients de dilatation thermique différents une liaison qui exerce, avec une rigidité suffisante; des forces contraignantes aussi faibles que possible sur un corps à fixer. Le problème est résolu conformément à l'invention en ce que le corps à fixer est fixé indirectement, au moyen d'un corps intermédiaire déformable, sur le corps porteur. La condition imposée à un système d'équilibrage thermique consiste en ce que les forces contraignantes doivent être réduites au minimum dans les endroits de liaison à cause des coefficients de dilatation thermique différents. L'invention utilise maintenant la connaissance consistant en ce qu'un corps déformable ( par exemple de forme cylindrique creuse ) comporte des points dont la position ne varie pas, ou seulement très faiblement, pendant la aéfor- mation.Cela permet de relier deux corps ayant des coefficierts de dilatation thermique très différents ( par exemple de -6 1 l'acier ayant un coefficient de 11-16,10 6 1/oK ou bien de l'aluminium ayant un coefficient de 20-24,10 6 1/'K et du 'Zerodur" ayant un coefficient de 0,1.10 6 1/-K) au moyen d'un corps intermédiaire constitué d'un matériau ayant un troisième coefficient de dilatation qui est différent de ceux des autres matériaux ( par exemple de l'Invar ayant un coefficient de 2,8-2,4.10-6 1/ e K ou du CFK ). Du fait de la fixation du corps intermédiaire déformable sur le composant porteur en N Points, il se produit sous l'effet de sollicitations thermiques, des forces contraignantes qui font en sorte que le corps intermédiaire se déforme de façon ondulée. Le corps se déformant de façon ondulée coupe respectivement en 2 N points la force du corps initial, non sollicité thermiquement, ayant par exemple la forme d'un cylindre creux. On obtient ainsi sur le corps intermédiaire N points définis dont les positions relatives ne varient pas. I1 est par conséquent possible d'adapter mutuellement les comportements à la dilatation du corps intermédiaire et du composant.Le mode de fixation peut alors être choisi librement et indépendamment ( par exemple un collage dans le cas de miroirs ) et pour la même raison le corps intermédiaire n'a pas besoin d'avoir une forme circulaire. Le choix du matériau du corps intermédiaire doit alors être effectué en fonction du matériau du-composant porteur afin que cela intervienne pour l'établissement des " pointszéro ", c'est-à-dire des endroits où il ne se produit aucune variation de position sous une influence thermique. Le mode de fixation est important notamment pour des éléments optiques, par exemple un miroir astronomique, car dans ce cas même de faibles forces contraignantes produisent aussitôt une déformation perturbatrice de la surface agissant optiquement. Précisément dans ce cas d'utilisation, il est souvent souhaitable de maintenir le corps à fixer dans un trou central ou sur son bord. Le dispositif conforme à l'invention est utilisable aussi bien pour des fixations sur des trous centraux que pour des fixations extérieures. La possibilité d'utilisation universelle des deux modes de fixation est avantageusement assistée par un mode de construction particulièrement simple et compact du système. Le nombre des ondulations sur le corps intermédiaire peut être librement choisi, auquel cas le nombre des points de fixation qu'il est possible d'utiliser simultanément après la fixation du corps de déformation sur le corps porteur correspond au nombre d'ondulations. Cependant également dans un cas inverse, lorsqu'on désire transmettre par effet thermique des forces d'un corps à un autre, cette solution faisant intervenir le corps intermédiaire établit des conditions idéales car les forces à transmettre peuvent être librement choisies en ce qui concerne leur direction. Le corps intermédiaire n'a pas besoin d'avoir une forme circulaire mais il peut être adapté de façon optimale, par un profil particulier, au problème correspondant à résoudre. Les avantages du mode de fixation conforme à l'invention résultent notamment du fait qu'il s'agit à cet égard d'un système simple et compact comportant un nombre d'ondulations pouvant être librement choisi et dans le fait que le nombre de points de liaison en résultat permet d'obtenir un très bon comportement à long terme en ce qui concerne la fatigue des matériaux aux points de fixation ( par exemple un fluage de zones de collage ) et une liberté contrôlée des points de fixation également lors d'une sollicitation par une température qui convient notamment pour la fixation de miroirs ayant-un faible coefficient de dilatation thermique. Avant de pouvoir fixer le corps à maintenir sur son support, on doit déterminer ses points de fixation sur le corps intermédiaire. Cela peut être réalisé par un calcul ou par un procédé optique. Dans le cas du calcul, il faut tenir compte du fait que, dans l'essentiel, la forme géométrique du corps intermédiaire, les propriétés de sa matière comme le coefficient de dilatation thermique, l'élasticité, l'homogénéité, etc., exercent uné influence sur les pcsitions des points de fixation. I1 intervient également les propriétés de la liaison entre l'objet et le corps intermédiaire, et de la même manière les propriétés correspondant à la matière de l'objet, de sorte que de nombreux facteurs exercent une influence sur l'angle optimal q entre un point de maintien et un point de fixation. La possibilité de calcul est cependant limitée dans son exactitude par la complexité et les tolérances des matériaux. On obtient des résultats très précis avec une mesure optique de déformation, par exemple d'un miroir. A cet égard, on détermine initi-alement grossièrement par le calcul l'emplacement des points de fixation. A l'aide d'un interféromètre, il est possible de mesurer maintenant le corps à fixer à deux températures différentes du système global. Par des décalages des points de maintien, on effectue des mesures.en trois points et, à partir deux, on trace par interpolation une parabole, la position optimale du point de maintien se trouvant alors au voisinage du sommet de la parabole. Par une mesure du corps à fixer à la température de montage et en augmentant ou en réduisant la température, on réalise une autre optimisation.Une condition pour la mise en oeuvre de ce procédé par itération consiste en ce que la liaison entre le support et le corps intermédiaire doit être déplaçable, et à tous moments séparable. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mis en évidence dans la suite de la description, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels les figures la et lb représentent des schémas de principe de la déformation d'un corps intermédiaire, fixé en des points discrets, lors d'un échauffement (figure la) ou d'un refroidissement (figure lb), ce corps étant représenté de façon simplifiée sous forme d'un cercle les figures 2a et 2b représentent des schémas de principe pour expliquer l'optimisation de choix des matériaux pour un corps intermédiaire ; les figures 3a et 3b montrent en détail les variations localisées, conditionnées thermiquement, d'un point de fixation placé sur la périphérie extérieure d'un corps intermédiaire, à l'aide d'un schéma de principe ( figure 3a) et d'une vue en coupe partielle agrandie ( figure 3b) la figure 4 est une vue en coupe d'une fixation extérieure d'un composant optique la figure 5 est une vue en coupe d'un miroir comportant un trou central perpendiculaire à la surface optiquement active, avec une fixation réalisée dans le trou les figures 6a et 6b représentent en vue en coupe un miroir comportant un trou central et une fixation réalisée sur le côté arrière du miroir les figures 7a et 7b représentent un dispositif de réglage pour optimiser les points de maintien avec contrôle optique. Sur la figure 1 sont mises en évidence les relations obtenues pour un corps intermédiaire(l)maintenu en quatre points (3) sur son support dans le cas d'un refroidissement ( figure la) et d'un échaufrement (figure lb). Dans une condition non sollicitée thermiquement, il a une forme circulaire qui est symbolisée par la ligne (la).Lors d'un refroidissement d'un support assurant son maintien et qui a un coefficient de dilatation thermique plus grand que celui du corps intermédiaire (1), le corps intermédiaire (1) est soumis aux points de maintien (3) par une force contraignante (5) qui déplace les points de maintien (3) en direction du centre (6) (a- > b) et qui fait en sorte que la zone (2) située entre deux noeuds (4) soit refoulée vers l'extérieur, par rapport à la condition de non-sollicitation thermique (la). I1 se produit un décalage du fait que la matière prévue pour le corps intermédiaire est trop importante pour le diamètre établi par la force contraignante (5), de sorte qu'on obtient le profil déformé qui est désigné par (lb).Le corps intermédiaire (1) subirait également une réduction de son diamètre dans une condition exempte de contrainte mais cette réduction serait cependant très petite car son coefficient de dilatation thermique est plus petit que celui du support. Ainsi la matière superflue pour ce diamètre de cercle doit être refoulée et il en résulte la formation d'ondulations. Le corps intermédiaire déformé a maintenant une forme ondulée ayant une longueur d'onde J = 2Trd 1 d désignant le diamètre du corps N intermédiaire et N le nombre des points de maintien, c'est-àdire qu'une ondulation permanente est créée sur le corps intermédiaire (1). Le corps intermédiaire (lb) déformé par ondulations coupe la forme initiale (la) de ce corps intermédiaire en 2N noeuds (4). Cela signifie qu'il existe sur le corps intermédiaire (1) au maximum deux fois N points de fixation possibles pour un corps à fixer, par exemple un miroir astronomique, ces points étant espacés d'une distance constante du centre (6), indépendamment des coefficients de dilatation thermique du support et du corps intermédiaire. Tous les autres points du corps intermédiaire modifient, lors d'un refroidissement, leurs éloignements par rapport au centre (6), ces éloignements prenant des valeurs supérieures ou inférieures.Si on place maintenant les points de maintien (3) sur le corps intermédiaire (1) en relation avec le corps à fixer de telle sorte que, pour le corps à fixer pour le corps intermédiaire (1), il se produise aux points de fixation, lors d'un refroidissement ou d'un échauffement, la même dilatation ou la même contraction, alors aucune contrainte engendrée thermiquement n'est exercée aux points de fixation sur le corps à fixer , la liaison est exempte de forces. Les conditions correspondant à un échauffement conformément à la figure lb correspondent à celles de la figure la, seulement par le fait qu'ici les forces et les directions de mouvement ont un signe inversé.Les points de maintien (3a), où le corps intermédiaire (la) est fixé sur le support, sont décalés vers l'extérieur ( dans la position 3c) par la force contraignante (8) engendrée thermiquement et la zone située au milieu entre deux noeuds (4) est déplacée par la force (7) en direction du centre (6). Le mouvement localisé des points de maintien (3a -33c) entre deux noeuds (4) donne lieu cependant à une autre forme d'équilibrage de l'anneau intermédiaire déformé (lc) par rapport au refroidissement de la figure la. Les figures 2a et 2b mettent en évidence de façon détaillée un autre facteur à prendre en considération pour la détermination de lieu, auquel cas, à la différence des figures la, lb, il est prévu ici trois points de maintien (12) sur lesquels la force contraignante (11) agit. Sous l'effet de la déformation, il se produit notamment une certaine rotation des points (15), qui sont considérés de façon thermiquement optimale comme des points de fixation. Chacun des six noeuds (15) entre le corps intermédiaire déformé t9b) et le corps intermédiaire thermiquement non sollicité (9a) se déplace, lorsque la déformation augmente, en direction d'un point de maintien adjacent (12), qui est situé entre le support et le corps intermédiaire (9). Ce mouvement localisé est évidemment faible mais il produit cependant, dans le cas d'une non-observation, des forces contraignantes ou bien des difficultés dans le cas d'objets dans lesquels la fixation doit être angulairement parfaite. Sous l'effet de l'application de forces contraignan tes (11) du support au corps intermédiaire (9), celui-ci passe dans un état déformé (9b). Les points de maintien (12) s'éloignent alors du centre (13) du cercle. Cette déformation a pour conséquence que le noeud optimal se déplace de la position (15a) jusque dans la position (15b). La distance (17) entre le noeud (15a) et le point de maintien (12a) du corps intermédiaire (9) sur le support avant la déformation et la distance (10) entre le noeud (15b) et le point de maintien (12b) après la déformation ont pratiquement la même longueur mais cependant le noeud (15b) a, après la déforma-. tion, un éloignement différent (18) par rapport au point de maintien précédent (12a). Ce mouvement localisé sur le corps intermédiaire initial (9a) peut être défini par l'angle K et il correspond à une certaine longueur d'arc (16) par rapport au corps intermédiaire non déformé (9a). I1 en résulte une rotation axiale définie ( 14) en fonction de la température. Du fait que ce mouvement est effectué par chaque noeud (15) entre deux points de maintien (12), on obtient évidemment, lors de l'utilisation des noeuds correspondants (15), aucune force contraignante mais cependant, lors d'un choix représenté et défavorable des matériaux du support et du corps intermédiaire, qui se traduit par une déformation trop grande, une petite rotation doit être prise en considération. Par contre lorsqu'on utilise pour le support et le corps intermédiaire (9) des matériaux qui sont compatibles l'un avec l'autre, on obtient les conditions mises en évidence sur la figure 2b. Dans ce cas le noeud (15) correspondant à la position du composant à fixer sur le corps intermédiaire (9) reste au même endroit. La déformation du corps intermédiaire (9b), produite par les forces contraignantes (11) s'exerçant sur le corps intermédiaire (9a), ne provoque alors pas un mouvement de rotation du noeud (15) lorsque la déformation est précisément suffisamment grande pour que les deux noeuds possibles (15) viennent se placer exactement en coïncidence mutuelle entre deux points de maintien (12). Ce résultat peut être obtenu par choix approprié du matériau du corps intermédiaire (9). Lorsqu'on connaît les coefficients de dilatation thermique existants, la forme géométrique du corps intermédiaire et la qualité nécessaire pour la localisation des points de fixation, il est alors possible de déterminer par le calcul et/ou optiquement les points idéaux de fixation. A cet effet, on doit tenir compte du fait que, en ce qui concerne la déformation, il se produit non seulement une déformation dans le plan du cercle mais également, en fonction de la forme géométrique du corps intermédiaire, il se produit également une déformation dans la direction des normales à la surface du corps intermédiaire, cette déformation étant influencée par la rigidité du matériau constituant le corps intermédiaire. Les variations locales qui en résultent pour les points possibles de fixation (22) sur le corps intermédiaire (20) consistent, comme indiqué sur les figures 3a et 3b, en une combinaison de mouvements dans le plan du cercle, comme cela a été décrit en relation avec les figures la et lb, ainsi que dans la direction, perpendiculaire au plan du cercle, du corps intermédiaire (20), avec des zones correspondant à des grandeurs différentes de déplacement en relation avec la température. Seulement la position des points de fixation (22), mutuellement associés, sur le corps intermédiaire (20) est constante. En principe on obtient seulement au maximum deux combinaisons de N points (22) sur la distance , dont la position sur le corps intermédiaire (20) reste à tout moment non influencée par des variations thermiques. Les zones qui sont désignées sur la figure 3b par + correspondent à des zones dans lesquelles se produisent des mouvements localisés de grandeurs différentes (variations angulairesa,c X ) d'un point de fixation défini par le calcul pour un corps intermédiaire (20) ayant une forme géometrique prédéfinie et bien déterminée. La grandeur du mouvement sur le corps intermédiaire (20) dépend en outre de la position et du mode de réalisation des points de maintien (21). La figure 4 représente à titre d'exemple d'application une fixation extérieure d'un objet (28) sur un support (27) au moyen d'un corps intermédiaire maintenu (26) avec des organes d'espacement (24) servant à produire un volume inter médiaire (29) en vue d'une création non perturbée des ondulations de déformation sur le corps intermédiaire (26). Des parties de maintien (23) entre le support (27) et le corps intermédiaire (26) sont réalisées dans ce cas sous la forme de saignées ; ce mode de maintien garantit la création de la déformation par le fait qu'il se produit une certaine pré-déformation dans une condition de non sollicitation thermique.-La liaison (25) entre l'objet (28) et les organes d'espacement (24) est réalisée par collage dans cet exemple. Sur la figure 5 est représentée une autre variante de fixation d'un miroir (37) sur un support (36). Le corps intermédiaire (33) comporte ici également des organes d'espacement (35) pour fixer le miroir (37) en des points de fixation (34) du corps intermédiaire (33). Ces organes d'espacement (35) prévus sur le corps intermédiaire (33) sont nécessaires afin qu'il existe un volume intermédiaire (32) servant à la création de la déformation entre le corps intermédiaire (33) et le miroir (37). Après le choix du matériau du corps intermédiaire et du nombre des points de maintien (30) aux points d'intersection des lignes (31) avec le corps intermédiaire (33), on détermine l'angle q entre les points de maintien (30) et les points de fixation (34) à partir des propriétés des matériaux des composants utilisés. Du fait que les forces du support maintenu sont transmises au corps intermédiaire (33), il faut utiliser pour les parties de maintien une liaison pouvant être sollicitée en correspondance. Du fait que les forces agissant aux points de fixation (34) du miroir (37) restent dans une large mesure constantes, on obtient ici des conditions idéales pour tous les modes de fixation ( par exemple également des liaisons collées ). Sur les figures 6a et 6b est représentée une fixation d'un miroir astronomique (38) par un corps intermédiaire (39) sur un support (40), sans que le trou intérieur du miroir soit utilisé pour la fixation. Du fait que le corps intermédiaire (39) est fixé sur le support (40) par l'intermédiaire des vis (41) en des points (43), on obtient les noeuds des ondulations aux points (42), qui représentent les points idéaux de fixation pour un miroir (38) sans faire intervenir de coefficients de dilatation thermique ( cela est applicable d'une façon pratiquement exacte à un miroir constitué de "Zerodur"). Les points de maintien (43) du corps intermédiaire (39) sont respectivement décalés de l'angle . L'angle * entre un point de maintien (43) ( liaison supportcorps intermédiaire ) et un point de fixation (42) ( liaison corps intermédiaire - composant ) est déterminé.en relation avec la compensation de température nécessaire. Pour tenir compte d'une déformation possible du corps intermédiaire (39) dans une direction axiale du miroir (38), il est prévu un un organe d'espacement (56) entre le miroir (38) et le corps intermédiaire (39). Les figures 7a et 7b montrent le processus de détermination locale optique des points de maintien optimaux (55) du corps intermédiaire (53) sur un support (49) en vue d'empêcher l'application de forces contraignantes, engendrées thermiquement, aux points de fixation (47) du miroir (46) sur le corps intermédiaire (53). A cet effet, on détermine initialement par le calcul combien de points de fixation (47) (ici trois ) sont nécessaires pour le mode de fixation sélectionné ( ici un collage ). Le corps intermédiaire utilisé (53) permet une fixation réglable dans une certaine zone (44),par exemple par le fraisage de trous oblongs (52), qui permettent, avec le mode de fixation en trois points représenté, un réglage graduel dans une plage angulaire de + p par point de maintien (55). La plage + p résulte de l'insécurité de la méthode de calcul utilisée pour la détermination de la position locale des points de maintien (55). Après que le corps intermédiaire (53) a été fixé par collage sur le miroir (46), éventuellement avec prémontage d'un support ( corps central (49)), on effectue une mesure du miroir (46), à la température de montage et en augmentant ou en réduisant la température, dans le cas d'une liaison solide du corps intermédi-aire (53) sur le support (49) aux points (55). Cela peut être réalisé par des moyens optiques, par exemple à l'aide d'un interféromètre. Après un traitement des déformations observées, on effectue un décalage des points de maintien (55) du support (49) sur le corps intermédiaire (53). Par-un procédé d'itération, on effectue maintenant une optimisation du réglage de telle sorte que l'angle optimal q entre le point de maintien (55) et le point de fixation (47) puisse être réglé. Grâce à la liaison de serrage établie-par l'intermédiaire d'un boulon (51) pourvu d'un écrou (54), on obtient d'une manière sûre une fixation réglable. Le volume nécessaire pour la création de la déformation (45) doit être établi d'une manière sûre en fonction du cas d'application concrète. Dans la réalisation décrite ici, ce résultat est obtenu au moyen d'organes d'espacement (50) qui sont disposés entre le support (49) et le corps intermédiaire (53) et également au moyen d'organes d'espacement (48) qui sont disposés entre le corps intermédiaire (53) et le miroir (46). REVENDICATIONS 1. Dispositif pour relier deux corps ayant des coefficients de dilatation thermique différents en vue de réduire au minimum des forces contraignantes résultant de tensions engendrées thermiquement, caractérisé en ce que le corps à fixer (28, 37, 38, 46 ) est fixé indirectement, au moyen d'un corps intermédiaire déformable (1, 9, 20, 26, 33, 39, 53 ), sur le corps porteur (27, 36, 40, 49 ). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est prévu un corps intermédiaire déformable qui a un coefficient de dilatation thermique compris entre celui du corps porteur et celui du corps à fixer. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les points de fixation (4, 15, 22, 24, 34, 42, 47 ont des emplacements fixes entre les points de maintien (3, 12, 21, 23, 30, 43, 55 ) sur le corps intermédiaire non déformé. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le corps à fixer (28, 37, 46), le corps intermédiaire (26, 33, 53) et le support (27, 36, 49 ) sont disposés coaxialement l'un dans l'autre. 5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le corps à fixer (38),'le corps intermédiaire (39) et le support (40) sont disposés l'un derrière l'autre. 6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le corps intermédiaire (20, 25, 33, 39, 53 ) a une forme circulaire. 7. Dispositif selon une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le corps à fixer est un élément optique (miroir (28, 38, 38, 46 )). 8. Procédé de détermination des points de fixation sur un dispositif servant à relier deux corps ayant des coefficients de dilatation thermique différents afin de réduire au minimum des forces contraignantes résultant de tensions engendrées thermiquement, caractérisé en ce que la détermination des points de maintien (55) sur le corps intermédiaire (59) relié au corps (46) est effectuée d'une manière optique. 9. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'optimisation des positions des points de fixation (47) est réalisée au moyen d'un interféromètre.