Brevet FR2684638A1 — publié le 19930611

PROCEDE ET DISPOSITIF POUR LE DEPLOIEMENT D'UNE STRUCTURE MECANIQUE La présente invention se rapporte à un procédé et à un dispositif pour le déploiement d'une structure mécanique, telle que par exemple une antenne ou des panneaux solaires de satellite ou tout autre type de structure destinée à être déployée de toute manière, que ce soit par rotation autour d'un axe, par translation, ou autre, le domaine d'application de ce dispositif de déploiement n' étant nullement limité à celui des satellites. Les dispositifs connus qui sont utilisés pour réaliser de telles fonctions de déploiement font soit appel à des motorisations par ressorts précontraints, soit à des motorisations par des moteurs électriques. Les dispositifs à ressorts précontraints ont, dans le cas où ils sont utilisés tels quels, c1est-à-dire sans dispositif de régulation de vitesse, pour gros invonvénient d ' engendrer un choc mécanique important en fin de déploiement de la structure. I1 est en effet à priori impossible d ' obtenir simultanément une forte marge de motorisation et un faible choc en fin de déploiement avec de tels ressorts précontraints. Un couple moteur important est nécessaire pour déployer la structure et vaincre les éventuels "points durs". Ce couple moteur induit une vitesse de déploiement qui augmente jusqu ' à devenir maximale en fin de course, d'où un choc important en fin de déploiement, ce qui conduit finalement à renforcer la structure à déployer par addition de mâtière, et donc de masse supplémentaire, générant à son tour un complément de couple de motorisation à prévoir. Une bonne fiabilité du déploiement conduit alors à un dimensionnement de mécanisme permettant d'obtenir une marge de couple suffisante moyennant une pénalisation en masse du mécanisme et des structures à déployer. I1 existe des dispositifs à ressorts précontraints qui sont équipés d'un régulateur de vitesse apte à limiter la vitesse en cours de déploiement pour la maintenir en dessous d ' une valeur prédéfinie. I1 en résulte une réduction significative du choc en fin de course, mais en revanche la fiabilité du dispositif de déploiement diminue sensiblement en raison de la technologie des systèmes de régulation utilisés qui introduisent des couples résistants supplémentaires difficilement maitrisables. Un autre inconvénient des dispositifs à ressorts précontraints est qu'ils ne sont pas réversibles, et donc qu'ils ne peuvent servir qu'une fois, pour mouvoir la structure dans un seul sens sans pouvoir la ramener à sa position initiale. Les dispositifs utilisant des moteurs électriques sont satisfaisants sur le plan de l'efficacité et de la fiabilité, et n induisent pas de choc mécanique important en fin de course. Ils peuvent être - soit à entrainement direct : la structure à déployer est entrainée directement par le moteur, ce qui nécessite d'utiliser des moteurs suffisamment gros pour garantir une marge de motorisation correcte. - soit à moto-réducteur il y a une démultiplication du système d ' entrainement de la structure. Ces dispositifs permettent d'obtenir une marge de motorisation importante ainsi qu'une faible vitesse de déploiement, et donc de limiter le choc en fin de course. Ces dispositifs d'entrainement par moteur électrique. à moto-réducteur ou non, présentent 1 'avantage d ' avoir un couple de démarrage très supérieur au couple nominal, ce qui permet de vaincre aisément l'essentiel les couples résistants dus aux frottements secs uniquement présents à vitesse nulle. Ils ont en revanche pour inconvénient de conduire à des dispositifs de motorisation d'encombrement important, utilisant une électronique de commande assez complexe. Ils sont donc très onéreux, et ne présentent finalement un intérêt réel que pour des équipements à déployer dont l'inertie massique est supérieure à 100 kg.m2. Pour des inerties massiques à deployer plus faibles, ils présentent des inconvénients de coût et d'encombrement actuellement jugés prohibitifs. L invention vise à remédier à ces inconvénients des dipositifs de déploiement connus. Elle se rapporte à cet effet à un procédé, et à un dispositif, pour le déploiement d'une structure mécanique, telle que par exemple une antenne ou des panneaux solaires de satellite, ce procédé se caractérisant an ce que l'on utilise, pour entrainer le déploiement de cette structure, un organe moteur, par exemple du genre ressort, lame, ou barreau, en alliage métallique bistable à mémoire de forme pré-éduqué en conséquence, et an ce que, pour déployer cette structure, on chauffe cet organe moteur de manière à commander dans le temps la transformation métallurgique du matériau bistable, de façon que ce matériau se déforme alors en conséquence et entraine par là-même, de façon progressive et contrôlable dans le temps, le déploiement désiré de cette structure. Selon une première forme de ce procédé, on provoque, par propagation naturelle de la chaleur le long de cet organe moteur métallique que l'on chauffe localement à cet effet, un déplacement progressif du front de transformation métallurgique le long de ce dernier, et par là-meme un entrainement progressif et contrôlable dans le temps de cette structure jusqu' au déploiement désiré de cette dernière, le temps de déploiement étant alors fonction du temps de propagation de la chaleur et du temps d'élévation de la température dans la zone de transformation métallurgique. Selon une autre forme de ce procédé, on chauffe uniformément, mais de manière contrôlée, cet organe moteur afin de piloter la phase transitoire de transformation métallurgique, c'està-dire la phase intermédiaire entre les deux états stables, de ce matériau bistable à mémoire de forme, et par là-même entraîner le déploiement progressif et contrôlable dans le temps de la structure, le temps de déploiement étant alors fonction du temps d'élévation de la température nécessaire au franchissement de la zone de transformation métallurgique, ou "zone martencitique". Un dispositif pour la mise en oeuvre de ce proc(lé est constitué par un organe moteur, tel qu'un ressort, une lame. ou un barreau de poussée par allongement, en alliage bistable à mémoire de forme, pré-éduqué en conséquence, cet organe moteur étant associé à un dispositif de chauffage qui agit soit localement soit uniformément sur lui. Le dispositif de chauffage est préférentiellement un organe de chauffage électrique et il est commandé par un bloc électronique de façon modulable, en fonction de la structure à entraîner, et donc à déployer. Avantageusement, il est en outre prévu un dispositif de verrouillage en fin de course de la structure finalement déployée. De toute façon, 1' invention sera bien comprise, et ses avantages et autres caractéristiques ressortiront, lors de la description suivante d'un exemple non-limitatif de réalisation, en référence au dessin schémàtique annexé dans lequel Figure 1 est un schéma explicatif rappelant les propriétés connues de 1' alliage bistable à mémoire de forme qui est utilisé dans cet exemple de réalisation; Figure 2 est un schéma explicatif du procédé de l'invention; et Figures 3 et 4 sont respectivement une vue latérale partielle selon la direction III de Figure 4, et une vue avec coupe partielle selon la direction IV de figure 3, d ' un dispositif de déploiement d'antenne parabolique de satellite selon l'invention. La Figure 1 rappelle, pour la bonne compréhension de ce qui va suivre, l'effet de mémoire simple d'un alliage à mémoire de forme, tel qu'un alliage Nickel-Titane ou un alliage Cuivre Zinc-Aluminium. A partir d'une forme A, par exemple rectiligne comme dessiné, on déforme, par application d'une contrainte mécanique, cette pièce rectiligne pour qu ' elle ait, à température ambiante, la forme B, dessinée en arc de cercle, cet état à température ambiante étant l'état métallurgique "1". Une élévation de température va alors, comme dessiné, redonner la forme rectiligne A à cette pièce : c'est l'autre état bistable métallurgique "2". I1 existe aussi une possibilité d'effet de mémoire double, pour laquelle 1' alliage est pré-éduqué de manière à passer de la forme B à la forme A par échauffement, puis vice-versa poisser de la forme A à la forme B par refroidissement. Ce n'est f)Is cet effet de mémoire double qui est utilisé dans 1 'exemple de réalisation qui sera décrit ci-après, mais cet effet de réversibilité n'est nullement exclu du cadre de l'invention, et est même un avantage substantiel de celle-ci. La Figure 2 permet de comprendre le moyen général de la présente invention. Un ressort hélicoîdal 3 en alliage à mémoire de forme, prééduqué pour présenter le caractère bis table qui vient d' être décrit en référence à la Figure 1, a une de ses deux extrémités fixée en un point fixe 4, et son autre extrémité 5 fixée à une structure 6 qui est apte à tourner autour d'un axe 8. A la température de référence, le couple d' entraînement en rotation de la structure 6 par le ressort 3 est nul, de sorte que cette structure est immobile. L'ensemble du ressort est alors à l'état métallurgique bistable "1", représenté aussi bien en Figure 1 que sur la courbe de la Figure 2 qui représente l'état métallurgique, "0" ou "1", de chaque point du ressort 3, en fonction de la position ou distance de chacun de ces points. Conformément à l'invention, le ressort 3 est alors chauffé localement, ici au niveau de 1 'extrémité qui correspond au point 5. Dans l'exemple représenté, ce chauffage est réalisé à l'aide d'une petite résistance chauffante 7 qui est placée à l'intérieur du ressort 3. Les premières spires du ressort sont les premières à recevoir ces calories, et à passer par suite de l'état métallurgique "1" à l'état métallurgique "2". Ces spires se déforment alors, et cette déformation engendre une force motrice du ressort 3 qui agit sur le point d' attache 5 pour finalement faire tourner d'un certain angle la structure 6 autour de l'axe 8. La résistance ou "chaufferette" 7 continuant son action d'émission de calories, la chaleur se propage par conduction thermique progressivement le long de celui-ci, c'est-à-dire de gauche à droite sur le dessin. Suite à cette propagation progressive de cette chaleur due à la température T, de nouvelles spires passent de l'état métallurgique "1" à l'état "2", le front f de transformation métallurgique se déplaçant progressivement de gauche à droite comme indiqué sur le dessin, et en même temps la structure 6 continue d' être progressivement entrainée en rotation autour de 1' axe 8 par la force de déformation du ressort 3. Comme d'une part la chaleur dégagée par la chaufferette 7 est modulable à volonté, et que d'autre part le ressort 3 peut être surdimensionné à volonté sans compliquer le mécanisme de déploiement, on dispose ainsi d'un organe moteur de type nouveau qui peut entrainer en rotation la structure 6 à vitesse aussi lente que souhaité, qui peut vaincre sans problèmes le couple résistant au démarrage, et qui enfin garantit le passage des éventuels "points durs" par optimisation initiale du rapport "Couple moteur/ Couple résistant" en régime nominal : le déplacement momentanément stoppé au niveau d ' un point dur fait croitre le couple de motorisation, ce dernier atteignant alors aisément un niveau suffisant pour entrainer la remise en mouvement de l'équipement par dépassement du couple résistant, et l'angle de déploiement de la structure rejoint alors rapidement la valeur qu'il aurait eue en 1' absence de ce point dur, pour ensuite continuer à croitre lentement comme auparavant. Le procédé de l'invention vient d ' etre expliqué dans le cas d'un ressort hélicoidal 3 qui entraine un équipement 6 en rotation. I1 pourrait très bien s'agir d'un simple barreau qui, en s ' allongeant par exemple progressivement suite au déplacement, par conduction thermique, du front de transformation métallurgique f, viendrait pousser sur un piston, ou autre. Bien entendu, si l'alliage a été éduqué pour présenter un effet de mémoire double, il est ensuite possible, par refroidissement progressif du ressort 3, d ' entrainer en rotation continue, modulable et plus ou moins lente, la structure 6 en rotation dans le sens inverse pour finalement revenir à la position initiale. Le système est alors dans ce cas totalement réversible. Un exemple pratique d'application de ce procédé général est représenté aux Figures 3 et 4. I1 s'agit dans cet exemple d'un dispositif de déploiement en orbite d'une antenne 9 de satellite, à réflecteur parabolique 10. L'antenne et le réflecteur sont portés par un mat 11 qui est monté rotatif autour d'un axe 12 et qu'il s'agit, pour déployer l'antenne 9, de faire passer, comme indiqué par la flécha F sur la Figure 3, de la position horizontale H à la position verticale V. Le mat 11 est rendu solidaire d'un arbre 13 d'axe 12 au moyen de vis 14 coopérant avec une partie latérale 15, en forme de tambour, de l'arbre 13. Cet arbre est porté par des paliers de roulement 16 qui le relient au chassis 17 de la structure, qui fait lui-même partie de la plateforme 18 du satellite. Le ressort moteur 3 en alliage bis table prééduqué à mémoire de forme est supporté par le tambour 15 auquel il est donc concentrique. Ce ressort 3 a une de ses extrémités (celle 20 située à droite sur la Figure 4) qui est fixée par une vis 19 sur le chassis fixe 17, tandis que son autre extrémité 21 est solidarisée au tambour tournant 15 par un boulon 22. La chaufferette de la Figure 2 est ici composée de plusieurs (par exemple quatre) résistances chauffantes 7, dont la température de chauffe est modulable à loisir par un bloc de commande électronique 23. Comme c'est le cas pour la Figure 2, ces résistances électriques 7 sont placées à proximité immédiate des spires de l'extrémité de gauche du ressort 3. Ce dispositif de déploiement fonctionne selon le procédé expliqué précédemment en référence aux Figures 1 et 2 Un ordre, donné par exemple à partir d'une station de commande au sol, déclenche, par l'intermédiaire du bloc électronique de commande 23, la mise sous tension électrique des résistances chauffantes 7. L'antenne 9 se déploie alors, sous l'action progressive du ressort moteur 3 expliquée précédemment, à vitesse lente et modulable à volonté par le bloc de commande 23, selon la flèche F, pour finalement parvenir à sa position de déploiement final vertical V dessinée en traits pleins. Un mécanisme anti-retour classique, par exemple à cliquet 24 et ressort 25, vient alors s'enclencher, par coopération de ce cliquet élastique 24 avec un axe fixe 26 solidaire du chassis 17, et l ' antenne déployée 9 est alors prête à fonctionner. Comme il va de soi, l'invention n' est pas limitée à l'exemple de réalisation qui vient d ' être décrit. C'est ainsi que, selon une autre forme de ce procédé, il est possible de chauffer uniformément, mais de manière contrôlée par le module de commande 23, l'organe moteur 3 afin de piloter la phase transitoire de transformation métallurgique, c'est-à-dire la phase intermédiaire entre les deux états stables, de ce matériau bistable à mémoire de forme, et par là-même entrainer le déploiement progressif et contrôlable dans le temps de la structure, le temps de déploiement étant alors fonction du temps d'élévation de la température nécessaire au franchissement de la zone de transformation métallurgique, ou "zone martencitique". La chaufferette 7 est alors bien plus longue et elle est placée de manière à chauffer uniformément cet organe moteur. Cet exemple porte sur le domaines des structures à déployer sur un satellite, mais l'invention est appliquable au déploiement, que ce soit par rotation, translation, ou autre, d'une structure mécanique quelconque. REVENDICATIONS 1 - Procédé pour le déploiement d'une structure mécanique (6, 9), caractérisé: en ce que l'on utilise, pour entrainer le déploiement de cette structure, un organe moteur, par exemple du genre ressort (3), lame, ou barreau. en alliage métallique bistable à mémoire de forme pré-éduqué en conséquence, et an ce que, pour déployer cette structure (6,9), on chauffe cet organe moteur (3) de manière à commander dans le temps la transformation métallurgique du matériau bistable, de façon que ce matériau se déforme alors en conséquence et entraine par là-même, de façon progressive et contrôlable dans le temps, le déploiement désiré de cette structure. 2 - Procédé selon la revendication 1. caractérisé en ce que l'on provoque, par propagation naturelle de la chaleur (T) le long de cet organe moteur métallique (3) que l'on chauffe localement (7) à cet effet, un déplacement progressif du front (f) de transformation métallurgique le long de ce dernier (3), et par là-même un entraînement progressif et contrôlable dans le temps de cette structure (6, 9) jusqu' au déploiement désiré (V) de cette dernière, le temps de déploiement étant alors fonction du temps de propagation de la chaleur et du temps d'élévation de la température dans la zone de transformation métallurgique. 3 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on chauffe uniformément, mais de manière contrôlée, cet organe moteur (3), afin de piloter la phase transitoire de transformation métallurgique, c'est-à-dire la phase intermédiaire entre les deux états stables, de ce matériau bistable à mémoire de forme, et par là-même entrainer le déploiement progressif et contrôlable dans le temps de la structure (6,9), le temps de déploiement étant alors fonction du temps d'élévation de la température nécessaire au franchissement de la zone de transformation métallurgique, Oll "zone martencitique". 4 - Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l ' une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte un organe moteur (3), tel que par exemple un ressort (3), une lame, ou un barreau de poussée, en alliage bis table à mémoire de forme, prééduqué en conséquence, cet organe moteur (3) étant associé à un dispositif de chauffage (7). 5 - Dispositif selon la revendication 4, plus spécialement destiné à la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que cet organe de chauffage est prévu, et est disposé, de façon à agir localement sur l'organe moteur (3). 6 - Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que ce dispositif de chauffage (7) est placé au niveau d'une des extrémités (5,21) de cet organe moteur (3). 7 - Dispositif selon la revendication 4, destiné à la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que ce dispositif de chauffage est prévu, et est disposé, de manière à agir uniformément sur cet organe moteur (3). 8 - Dispositif selon l'une des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que ce dispositif de chauffage est un organe (7) de chauffage électrique qui est relié à un module électronique de commande (23) apte à moduler le dégagement de calories engendré par cet organe de chauffage (7), et donc de contrôler à tout moment le couple de motorisation et de ce fait la vitesse de déploiement, afin en particulier de minimiser le choc en fin de déploiement.. 9 - Dispositif selon l'une des revendications 4 à 8, caractérisé en ce qu'il est en outre prévu un dispositif (24, 25, 26) de verrouillage en fin de course (V) de la structure (9) finalement déployée.