Brevet FR2679515A1 — publié le 19930129

i VOILURE SOLAIRE DESCRIPTION L'invention se rapporte à une voilure solaire. Les photons ont la propriété de repousser très légèrement les objets qu'ils atteignent C'est Kepler qui découvrit cette propriété au dix-septième siècle en s'intéressant à la déviation des queues de comètes La valeur des poussées produites fut calculée par Maxwell en 1873 et l'utilisation de ces poussées pour propulser les véhicules spatiaux fut imaginée d'abord par Tsiolkovski en 1921 L'essor de la propulsion solaire a cependant été freiné par la valeur, minime par rapport aux ordres de grandeur courants, des forces de poussée. La pression qu'on peut recueillir à une unité astronomique du Soleil, au rayon moyen de l'orbite terrestre, est de quatre grammes-force par hectare. Même s'il est possible de doubler cette valeur en utilisant une voile réfléchissante à la place d'une voile absorbante, les temps d'accélération jusqu'à une vitesse significative sont extrêmement longs et on a donc préféré jusqu'à présent les moyens de propulsion chimique classiques pour les applications courantes. Cependant un mode de propulsion qui évite de consumer du carburant peut présenter de l'intérêt, et les principaux constructeurs continuent de s'intéresser à cette technologie C'est ce que démontre le succès que rencontrent les courses vers la Lune et vers Mars qui doivent se dérouler d'ici peu d'années Plusieurs voiliers concurrents sont attendus pour ces compétitions dont l'enjeu immédiat est la démonstration technologique de ce mode de propulsion. Des problèmes délicats doivent être surmontés pour assurer un déploiement correct d'une voile solaire Les voiliers sont en effet emmagasinés dans la coiffe d'une fusée de lancement pour quitter la Terre et leurs voiles ne peuvent être déployées qu'après la séparation de la fusée, car leur envergure, qui peut atteindre jusqu'à une centaine de mètres, est beaucoup trop importante. Il faut donc concevoir des mâts, entre lesquels la voile est tendue, qui peuvent être déployés à partir d'un état o ils sont repliés en même temps que la voile, sans que ce déploiement risque d'endommager la voile qui est une feuille extrêmement mince et fragile. Dans presque toutes les conceptions, la voile doit être pliée pour être emmagasinée, et on ne peut exclure des difficultés de dépliage provenant de collage locaux ou de mauvaises transmissions à la voile des forces produites lors du déploiement des mâts Des déchirures ou des déploiements incomplets sont concevables et il est évidemment impossible d'y remédier dans l'espace. De plus, les plis sont généralement si nombreux que des patrons de pliage spéciaux et compliqués ont été proposes. Une autre conception consiste à ne pas utiliser de mât et à tendre la voile par la force centrifuge produite en la faisant tournoyer, mais de telles voiles ne peuvent que difficilement être manoeuvrées On rencontre le même inconvénient parmi les voiles tendues sur un mât en cerceau. Une voile solaire dont la physionomie ressemble à l'état déployé à celle de l'invention est proposée par la Société italienne Aeritalia La voile est carrée quand elle est déployée et tendue par quatre mâts concourants, situés aux diagonales du carré et attachés au voilier par des emplantures à l'extrémité o ils concourent La voile est formée à partir d'une bande de Mylar (marque déposée) qui est ensuite coupée en bandes de longueur plus petite qu'on soude entre elles par leurs bords latéraux Le carré obtenu est ensuite plié à l'endroit des soudures pour obtenir finalement deux empilements parallèles et semblables de plis séparés par une partie de faible largeur qui n'est pas pliée et qui est fixée au voilier par son milieu. Les mâts sont en réalité des tubes gonflables raccordés au voilier par une extrémité ouvertes de gonflage et qui sont posés sur les faces supérieures des empilements de plis Comme les mâts sont diagonaux et donc plus longs que les plis de la voile, leur extrémité libre en dépasse, doit être pliée plusieurs fois, et les bouts sont glissés sous les empilements des plis pour être soudés aux emplacements qui formeront les coins de la voile Les empilements de plis sont ensuite enroulés et aplatis. Le déploiement de cette voile est illustré sur les figures 1 A à 1 F Le voilier 1 spatial comporte (figure 1 A) une plate-forme 2 de laquelle dépasse une tige de vérin 3 portant une plaque en nid d'abeilles 4. La tige de vérin 3 dissimule également les tubes de gonflage qui aboutissent à quatre embouchures 5 auxquelles les mâts sont emmanchés Les deux rouleaux 6 constituant la voile repliée sont protégés entre la plate-forme 2 et la plaque en nid d'abeilles 4. Quand le voilier 1 est dans l'espace, le déploiement de la voile commence (figure l B) par l'extension de la tige de vérin 3 qui soulève les rouleaux 6 et les libère de cavaliers 7 sous lesquels leurs extrémités étaient glissées et qui les maintenaient aplatis De l'air est ensuite insufflé dans les embouchures 5 Comme le montre la figure 1 C, les rouleaux 6 sont déroulés suivant un plan au fur et à mesure que les mâts 8 se gonflent et se redressent. La figure 1 D représente l'état o les rouleaux 6 ont disparu mais o les mâts 8 ne sont pas entièrement gonflés; la suite du déploiement est illustrée sur la figure 1 E et consiste en un dépliage progressif des empilements de plis 9 qui formaient les bords des rouleaux 6 de part et d'autres d'une partie centrale Les mats 8 se déploient alors en pivotant. La figure 1 F représente l'état final de la voile: les mats 8 sont disposés aux diagonales du carré et la voile 11 est déployée suivant un plan; les plis ont disparu. Des incertitudes subsistent au sujet du dépliage de la voile 11 et du déploiement des mats 8 dans les conditions réelles. Le risque d'avaries ne peut être écarté On peut aussi craindre que le gonflage ne soit pas une technique sûre pour maintenir les mâts 8 déployés Il est prévu d'ajouter au gaz de gonflage un durcissant gazeux qui doit les raidir ensuite, mais cela complique le système Enfin, aucun moyen n'est suggéré pour modifier le déploiement de la voile et infléchir ainsi le trajet du voilier: il est usuel d'ajouter des voiles supplémentaires de gouverne, normalement placées au bout des mâts pour dépasser de la voile 11 principale et dont les orientations ou les déploiements peuvent être commandés séparément pour déplacer le centre de poussée de la voilure; on ne voit cependant pas comment cela serait possible ici, puisque les extrémités des mâts 8 sont au départ au milieu des rouleaux 6 et que des mats gonflables ne semblent guère aptes à porter des charges Il faudrait donc employer des tuyères ou des moyens analogues pour gouverner le voilier, ce qui ferait perdre une partie de l'intérêt de la propulsion à voile et ne sera pas forcément admis dans une compétition sportive. Des améliorations sont proposées à ce dispositif de voilure, et aussi à d'autres, grâce à l'invention Elle consiste en une voilure solaire composée de mâts sensiblement concourants et reliés à un voilier par des emplantures, les mâts pouvant être déployés à partir d'un état o ils sont repliés et emmagasinés sur le voilier par des dispositifs de déploiement situés aux emplantures Les portions de voile sont de manière caractéristique composées de bandes séparées et tendues entre deux mâts consécutifs à des endroits différents des mats, les bandes étant enroulées quand les mâts sont repliés. L'avantage de cette réalisation est d'éviter de plier d'aucune manière la voile Concrètement les bandes de chaque portion de voile, tendues entre deux mâts voisins, peuvent être reliées aux mâts par des attaches coulissantes sur les mâts et qui consistent, d'après une réalisation avantageuse, en des cordes terminées par des anneaux enfilés sur des mâts et reliés entre eux par d'autres cordes On assure ainsi l'extraction échelonnée des bandes de l'endroit o elles sont emmagasinées en rouleaux, c'est-à-dire une bonne maîtrise du processus de déploiement. Il est avantageux que les emplantures soient constituées de manière à tourner entre une position o les mâts sont sensiblement parallèles et contigus et une position de déploiement de la voile o les mâts sont sensiblement rayonnants et la voile appartient sensiblement à un plan. Cette disposition permet de séparer l'étape de déploiement des bras de l'étape de déroulement des bandes La voile prend une forme de pyramide de plus en plus aplatie en se déployant; elle s'ouvre en fait comme les pétales d'une fleur Pour peu qu'elle soit réversible, cette disposition permet de modifier à volonté le déploiement de la voile et la forme de sa surface projetée vers le Soleil, c'est-à-dire de participer à l'orientation du voilier. Une voile de gouverne fixée à un support mobile peut être ajoutée de façon qu'elle puisse prendre des inclinaisons différentes sur le plan de voile Le support mobile consiste avantageusement en l'un des mâts, qui est alors constitué de façon à pouvoir pivoter dans son emplanture Cette voile de gouverne a pour but de régler la vitesse de rotation autour de l'axe perpendiculaire au plan principal de la voile. Une réalisation plus avantageuse que des mâts gonflables consiste à utiliser des profilés élastiques pouvant être aplatis et enroulés autour de treuils faisant partie des dispositifs de déploiement. L'invention va maintenant être décrite à l'aide des figures suivantes annexées à titre illustratif et non limitatif qui représentent une réalisation de l'invention: les figures 1 A à 1 F déjà décrites représentent le déploiement d'une voile déjà connue, la figure 2 représente la physionomie de la voilure conforme à l'invention quand la voile est déployée, la figure 3 représente la répartition de la voilure à l'état replié sur une plate-forme de rangement, la figure 4 représente le dispositif de déploiement des mâts, la figure 5 représente le mode d'accrochage des bandes de voile au mât, la figure 6 illustre le déploiement de la voile, la figure 7 illustre une étape ultérieure du déploiement, et la figure 8 illustre les moyens d'agir sur la voile de gouverne. Examinons d'abord la figure 2 La voile 15 conforme à l'invention est plane et carrée à l'état déployé Elle est tendue entre quatre mâts 16 situés aux diagonales du carré et qui concourent vers des emplacements d'emplanture presque confondus et situés sur une plate- forme 17 d'un voilier 18 La voile 15 est partagée par les mâts 16 en quatre portions et formée de bandes 19 contigues et parallèles au côté attenant du carré Une voile de gouverne 14 est tendue le long d'un mât 16 Elle a une forme triangulaire et s'élargit vers l'extérieur comme on l'a représenté ici, ou vers l'intérieur Le mât 16 qui la porte est situé sur une médiane du triangle La voile de gouverne 14 tourne autour du mât 16 selon une course de débattement angulaire qui peut être de quelques dizaines de degrés. La figure 2 ne respecte pas les proportions réelles pour des raisons de clarté La voile 15 a en réalité une envergure qui peut être de dix ou vingt fois les dimensions du corps du voilier 18, comme pour le voilier des figures 1. La plate-forme 17, approximativement circulaire, reçoit quatre emplantures 20 régulièrement réparties sur sa circonférence Les emplantures 20 sont les dispositifs dans lesquels les mâts 16 sont encastrés Deux d'entre elles, diamétralement opposées, sont encadrées par quatre casiers 21 dans chacun desquels les bandes 19 d'une partie de voile respective sont rangées avant le déploiement à l'état enroulé Les rouleaux sont repérés par la référence 22 Des cordes 23 s'étendent des rouleaux 22 à l'emplanture 20 la plus voisine et d'autres cordes 24 de plus grande longueur s'étendent des mêmes rouleaux 22 à une emplanture 20 un peu plus éloignée mais voisine de la précédente Les cordes 23 et 24 semblent disparaître dans les emplantures 20 Elles aboutissent en réalité aux mâts 16 selon un agencement qui sera décrit plus loin. Un bottier d'électronique 25 qui peut comprendre des capteurs d'étoiles, des antennes ou d'autres engins est avantageusement placé au centre de la plate-forme 17, mais il n'a pas forcément de rapport avec l'invention. On se reporte maintenant à la figure 4 pour découvrir en qu Qi consistent les emplantures 20 On distingue d'abord un support basculant 26 susceptible de tourner autour d'un axe 28 commandé par un moteur pas à pas 29 qui peut être alimenté à partir de générateurs d'énergie solaire L'axe 28 s'étend parallèlement à la plate-forme 17 et dans une direction circonférentielle et le support basculant 26 porte essentiellement un treuil 30 composé d'un tambour 31 sur lequel un mât 16 est enroulé à l'état replié, d'un système de déploiement 32, d'un laminoir 33 et d'une filière 34. Le système de déploiement 32 comporte d'abord un moteur 35, un réducteur 36 à la sortie du moteur 35, et un arbre moteur 37 à la sortie du réducteur 36 et qui est susceptible d'entraîner l'une ou l'autre de deux poulies 38 et 39 Les poulies 38 et 39 sont montées sur l'arbre moteur 37 par des embrayages unidirectionnels non représentés de sorte qu'elles sont folles quand l'arbre moteur 37 tourne dans une direction (d'ailleurs opposée pour les deux poulies 38 et 39), et sont entraînées quand l'arbre moteur 37 tourne dans l'autre direction C'est pourquoi le moteur est réversible ou la transmission 36 comporte un dispositif d'inversion de marche Une des poulies 38 fait tourner le tambour 31 par une première courroie 40 et l'autre poulie 39 fait tourner un pignon 41 par une seconde courroie 42. Le laminoir 33 consiste en deux galets presseurs 43 et 44 parallèles, proches l'un de l'autre et munis d'extrémités dentées 45 et 46 formant un engrenage Le pignon 41 forme un autre engrenage avec une des extrémités dentées 45. Le mât 16 est formé d'un profilé élastique dont la section à une forme proche d'un tube On y discerne deux parties en arc de cercle 47 situées sur un cercle commun, deux nervures latérales 48 situées sur un plan diamétral du cercle en question et qui s'étendent vers l'extérieur et quatre parties de raccordement 49 entre les portions en arc de cercle 47 et les nervures 48, qui ménagent une variation continue de courbure et d'orientation de la section du profilé entre ces portions et comprennent notamment des points d'inflexion 50. Les mâts 16 et les dispositifs de treuil 30 conformes à cette description sont fabriqués par la société espagnole Sener pour diverses applications dans Les véhicules spatiaux Les mâts 16 peuvent être en cupro-béryllium ou en fibres de carbone et leur section est conçue de façon qu'ils puissent s'aplatir dans le plans des nervures 48 jusqu'à ce que les portions en arc de cercle 47 se touchent La déformation est élastique de sorte que les mâts 16 reprennent leur section libre dès qu'ils le peuvent L'élasticité n'est pas parfaite si des fibres de carbone sont employées car des fluages se produisent, mais un rétablissement satisfaisant est tout de même obtenu. Le mât 16 est tout d'abord aplati et enroulé autour du tambour 31 Seule son extrémité libre dépasse du treuil 30 La section du mât 16 se redresse au-delà du laminoir 33 qui est responsable de l'aplatissement. La filière 34 située au bout du treuil 30 est suffisamment éloignée du laminoir 33 pour que la portion du mât 16 qui y passe soit à la section totalement redressée Le but de la filière 34 est en fait de soutenir le mât 16 et de le guider quand son déploiement est décidé. Le moteur 35 est alors mis en marche de manière que la poulie 39 qui entraîne le laminoir 33 soit entraînée Le mât 16 enroulé sur le tambour 31 est tiré vers l'extérieur par le laminoir 33 La partie déployée se raidit à mesure que la section se redresse Le déploiement des mâts 16 est poursuivi jusqu'à ce que la voilure soit entièrement déployée Dans l'application qui nous intéresse ici, le déploiement de la voilure est normalement irréversible Cependant, le treuil 30 est conçu aussi pour d'autres applications o il convient de replier le mât 16 C'est pourquoi il comprend la poulie 38, dont la commande provoque le réenroulement du mât 16 sur le tambour 31 après qu'il a été aplati en passant par le laminoir 33 Ce double système de commande à partir du tambour 31 ou du laminoir 33 est utile pour que la partie du mât 16 déroulée mais encore aplatie entre ces deux pièces ne soit jamais comprimée, ce qui la ferait flamber. On se reporte maintenant à la figure 5 Les rouleaux 22 sont logés côte à côte dans les casiers 21; le matériau des bandes est enroulé autour d'un axe 51 dont les extrémités sont reliées par deux cordes 23, et par deux anneaux 52 auxquels les cordes 23 sont respectivement liées, à un mât 16 Les anneaux 52 sont enfilés sur le mât 16 et coulissent le long de lui; leur écartement ne peut dépasser la longueur d'entretoises 53 qui sont constituées par des portions d'une corde unique 54 nouée à chaque anneau 52 et nouée également à l'extrémité libre 55 du mât 16. Les autres cordes 24 relient les extrémités du bord extérieur 56 des bandes 19 à un mât 16 voisin du 1 1 précédent par un montage identique comportant notamment des anneaux 52 et des entretoises 53, ce qui est d'ailleurs représenté aux figures 6 et 7. Les anneaux 52 sont empilés les uns sur les autres au-dessus des filières 34, autour du bout des mâts 16 quand la voilure est repliée Dans la première étape du déploiement de la voilure, dont la figure 6 illustre le déroulement, seuls les mâts 16 sont déployés Ils s'étendent alors parallèlement, en gerbe, les rouleaux 22 encore intacts pendant entre eux Le déploiement des mâts 16 est accompagné de la mise en tension échelonnée des entretoises 53, ce qui extrait les rouleaux 22 un par un des casiers 21 Les risques d'incidents provenant d'un déploiement anarchique ou mal maîtrisé sont donc très réduits, et les cordes 23 et 24 ne risquent guère de s'emmêler Les rouleaux 22 sont donc disposés côte à c 8 te à des emplacements déterminés, leurs axes 51 se prolongeant sensiblement. Les cordes 23 et 24 sont toutes parallèles entre elles. On fait ensuite basculer les supports basculants 26, ce qui provoque l'écartement progressif des mâts 16 et le déroulement des bandes 19 Cette étape est représentée à la figure 7 Les bandes 19 sont quelque peu distantes de sorte qu'un incident qui se produirait sur l'une d'elles n'aurait pas d'influence sur les voisines Quand le déploiement est achevé, les mâts 16 appartiennent à un plan de voile commun et on arrive à la configuration de la figure 2. L'ouverture de la voile 15 et l'envergure de sa projection sur un plan peuvent être réglée à tout moment en faisant basculer à nouveau chacun des supports basculants 26 Comme les moteurs 29 sont indépendants, le centre de poussée de la voilure peut être déplacé afin d'infléchir la direction du trajet du voilier 18 dans la direction souhaitée Aucune déformation notable n'est exercée sur les bandes 19. La voile de gouverne 14 peut être utilement ajoutée au dispositif si on utilise un montage tel que celui de la figure 8, dans lequel le treuil 30 du mât 16 qui porte la voile de gouverne 14 est monté sur un disque mobile 57 qui tourne autour d'un disque fixe 58 lié au support basculant 26 Le disque mobile 57 porte un moteur 59 dont l'arbre est terminé par un pignon 60 qui engrène dans une crémaillère circulaire 61 au bord du disque fixe 58 Ce dispositif permet au mât 16 de pivoter autour de son axe en glissant dans les anneaux 52 pour que l'inclinaison de la voile de gouverne 14 par rapport à la voile 15 principale soit modifiée. L'extrémité libre 55 du mât 16 concerné porte alors une traverse tournante 62 autour de laquelle la voile de gouverne 14 est enroulée avant le déploiement de la voilure. D'autres moyens de réglage de la vitesse de tournoiement de la voilure sont évidemment concevables. Les mâts 16 ne sont pas forcément au nombre de quatre et la voile peut être un polygone différent d'un carré. Le matériau de la voile est indifférent et peut être choisi parmi tous ceux qui sont usuels pour cet emploi. REVENDICATIONS 1 Voilure solaire composée d'une voile ( 15) de mâts sensiblement concourants ( 16) et reliés à un voilier ( 18) par des emplantures ( 20), les mâts ( 16) pouvant être déployés à partir d'un état o ils sont repliés et emmagasinés sur le voilier par des dispositifs de déploiement ( 30) situés aux emplantures ( 20), caractérisée en ce que la voile est composée de bandes ( 19) séparées et tendues entre deux mâts consécutifs à des endroits différents des mâts, les bandes étant enroulées quand les mâts sont pliés. 2 Voilure solaire suivant la revendication 1, caractérisée en ce que les bandes ( 19) tendues entre deux mâts voisins ( 16) sont parallèles entre elles et que les endroits des mâts entre lesquels elles sont tendues sont à une même distance de l'emplanture ( 20) du mât respectif. 3 Voilure solaire suivant l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que les bandes sont reliées aux mâts par des attaches coulissant sur les mâts. 4 Voilure solaire suivant la revendication 3, caractérisée en ce que les attaches coulissantes consistent en des cordes ( 23) terminées par des anneaux ( 52) enfilés sur les mâts et reliés entre eux par d'autres cordes ( 53). Voilure solaire suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que les emplantures sont constituées de manière à tourner entre une position o les mâts ( 16) sont sensiblement parallèles et contigus et une position de déploiement de la voile o les mats sont sensiblement rayonnants et la voile appartient sensiblement à un plan. 6 Voilure solaire suivant la revendication 5, caractérisée en ce qu'elle comporte une voile de gouverne fixée à un support mobile ( 16) de façon qu'elle puisse prendre des inclinaisons différentes sur le plan de voile. 7 Voilure solaire suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que le support consiste en l'un des mâts ( 16), qui est constitué de façon à pouvoir pivoter dans son emplanture. 8 Voilure solaire suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que les mâts sont des profilés élastiques pouvant être aplatis et enroulés autour de treuils ( 30) faisant partie des dispositifs de déploiement. 9 Voilure solaire suivant la revendication 8, caractérisée en ce que les profilés élastiques sont des tubes formés de portions en arcs de cercle ( 47) raccordées à des nervures ( 48) appartenant à un plan diamétral du cercle par des portions ( 49) présentant un point d'inflexion ( 50).