Brevet FR2689091A1 — publié le 19931001

PAROI AUTOPORTANTE POUR USAGE SPATIAL ET SON PROCEDE DE CONDITIONNEMENT L'invention se rapporte principalement à une paroi autoportante pour usage spatial notamment de type réflecteur et à son procédé de conditionnement. Pour communiquer entre eux et/ou avec une station terrienne, les satellites mettent en oeuvre des faisceaux micro-ondes dont la formation et la réception sont assurées par des antennes comportant des réflecteurs de dimension importante. Une focalisation efficace du faisceau de télécommunication est obtenue uniquement par réflexion sur une surface du réflecteur dont les écarts par rapport à une surface théorique désirée sont faibles en comparaison avec la longueur d'onde utilisée. Un écart d'une zone de la surface réelle du réflecteur par rapport à la surface théorique (par exemple un paraboloïde de révolution) se traduit par un déphasage du signal réfléchi par cette zone par rapport au signal qui serait réfléchi par la surface théorique. D'une part, la formation d'un faisceau étroit et/ou la réception d'un maximum d'énergie d'un faisceau nécessitent la mise en oeuvre d'antennes de grande ouverture. D'autre part, la mise sur orbite d'un satellite équipé d'une antenne sera facilitée par un encombrement réduit dans une condition repliée du réflecteur de l'antenne lors du lancement ainsi que par une faible masse de ce réflecteur. Diverses solutions ont été proposées pour réaliser de tels réflecteurs et notamment des réflecteurs comportant une membrane réfléchissante tendue sur une armature. Aucun réflecteur actuellement en service ou proposé ne donne satisfaction simultanément sur tous les points précités. C'est par conséquent un but de la présente invention d'offrir une paroi autoportante susceptible de constituer un réflecteur de grande précision. C'est également un but de la présente invention d'offrir une telle paroi, notamment un tel réflecteur de grande dimension. C'est aussi un but de la présente invention d'offrir une telle paroi, notamment un tel réflecteur ayant une grande stabilité dimensionnelle lors d'un séjour prolongé dans l'espace. C'est également un but de la présente invention d'offrir une paroi qui, dans une condition repliée, occupe un faible volume. C'est aussi un but de la présente invention d'offrir une paroi, notamment un réflecteur ayant une faible masse. C'est également un but de la présente invention d'offrir une paroi, notamment un réflecteur muni d'un mécanisme de déploiement fiable. C'est aussi un but de la présente invention d'offrir une paroi, notamment un réflecteur muni d'un mécanisme de déploiement de faible masse. C'est également un but de la présente invention d'offrir une telle paroi, notamment un tel réflecteur permettant la vérification sur terre de son bon fonctionnement dans l'espace. Ces buts sont atteints selon l'invention par l'utilisation d'une membrane voutée tendue par une armature comportant des lattes, une des faces principales de chaque latte suivant la courbure de la membrane et au moins une des extrémités de chaque latte venant en butée sur des moyens de réception ménagés sur la membrane. L'invention a principalement pour objet une paroi voutée autoportante pour usage spatial comportant une membrane souple de faible épaisseur et une pluralité de nervures pour tendre la membrane, caractérisée en ce que les nervures sont des lattes de faible épaisseur comprenant une première face principale et une seconde face principale, une des faces principales étant orientée vers la membrane, en ce que la membrane comporte des moyens de guidage des lattes, ces moyens de guidage se terminant à au moins une de leurs extrémités par des moyens de réception d'extrémité de latte formant butées de manière à ce que, dans une condition déployée, les extrémités des lattes transmettent à la membrane une force axiale assurant le tensionnement de cette membrane et en ce qu'elle occupe un faible volume dans une condition repliée destinée à être stockée dans un lanceur en vue de sa mise en orbite. L'invention a également pour objet une paroi, caractérisée en ce que, dans la condition déployée, les lattes suivent la courbure de la membrane. L'invention a également pour objet une paroi, caractérisée en ce que les lattes sont galbées ayant, en coupe transversale, un profil en C. L'invention a également pour objet une paroi, caractérisée en ce que les lattes sont réalisées dans un alliage métallique très élastique, de préférence un alliage béryllium-cuivre. L'invention a également pour objet une paroi, caractérisée en ce les moyens de réception d'extrémité de latte, formant butées, sont disposés à la périphérie de la paroi. L'invention a également pour objet une paroi, caractérisée en ce que la membrane souple de très faible épaisseur est constituée par une feuille en matériau plastique, de préférence en feuille de matériau vendue sous la dénomination KAPTON par la Société DUPONT DE NEMOURS, armée de fibres, de préférence de fibres vendues sous la marque KEVLAR par la Société DUPONT DE NEMOURS. L'invention a également pour objet une paroi, caractérisée en ce que la membrane comporte une métallisation de faible épaisseur réfléchissant les ondes électro-magnétiques, notamment la lumière infrarouge, la lumière visible, la lumière ultraviolette et/ou les micro-ondes. L'invention a également pour objet une paroi, caractérisée en ce que, dans une condition déployée, elle a sensiblement la forme d'un paraboloïde de révolution. L'invention a également pour objet une paroi, caractérisée en ce qu'elle comporte un moyeu comprenant des actionneurs destinés à exercer une tension axiale sur une extrémité de chaque latte opposée à l'extrémité prenant appui sur les moyens de réception formant butée. L'invention a également pour objet une paroi, caractérisée en ce que les actionneurs sont des ressorts disposés radialement et prenant appui sur des pièces solidarisées avec une des extrémités des lattes. L'invention a également pour objet une paroi, caractérisée en ce que, dans la condition repliée, les lattes sont pliées selon des charnières formant une ligne droite perpendiculaire à l'axe des lattes. L'invention a également pour objet une paroi, caractérisée en ce que, dans la condition repliée, les lattes sont enroulées. L'invention a également pour objet une paroi, caractérisée en ce que la membrane comporte des moyens de guidage des lattes leur permettant de coulisser radialement par rapport à la membrane. L'invention a également pour objet un procédé de conditionnement d'une paroi selon l'invention dans une condition repliée, caractérisé en ce qu'il comporte une étape consistant à mettre, sur terre, une paroi selon l'invention dans une condition déployée, à replier l'ensemble formé par la membrane et les lattes associées de façon à ce que les lattes soient repliées orthogonalement à leur axe de façon à former des charnières sensiblement planes et en ce que les lattes emmagasinent de l'énergie potentielle susceptible d'être au moins partiellement restituée lors du déploiement de la paroi. L'invention sera mieux comprise au moyen de la description ci-après et des figures annexées données comme des exemples non limitatifs et sur lesquels: - la figure 1 est une vue de côté de l'exemple préféré de réalisation d'une paroi selon la présente invention - la figure 2 est une vue en perspective d'un exemple particulièrement performant de latte susceptible d'être mise en oeuvre dans une paroi selon la présente invention - la figure 3 est une vue en perspective d'une latte partiellement pliée - la figure 4 est une vue en perspective d'un détail de la paroi de la figure 1; - la figure 5 est un schéma explicatif du déploiement de la paroi de la figure 1; - la figure 6 est une vue en perspective d'un exemple de réalisation de paroi selon la présente invention ayant la forme d'une partie d'un cylindre - la figure 7 est une vue en perspective d'une paroi selon la présente invention ayant la forme d'une voûte. Sur les figures 1 à 7, on a utilisé les mêmes références pour désigner les mêmes éléments. Sur la figure 1, on peut voir un exemple de paroi 1, selon la présente invention, formant réflecteur de micro-ondes d'une antenne de télécommunication d'un satellite (non représenté). La paroi de la figure 1 est un paraboloïde de révolution formé par une membrane 2 tendue sur une armature formée par des lattes 3 montées coulissantes selon l'axe 5 des lattes 3 (figure 4), dans des moyens de guidage radiaux, par exemple dans des poches 4 formées entre la membrane 2 et une membrane avantageusement de même nature, qui est fixée, par exemple, par thermosoudure ou collage. Avantageusement, les poches 4 sont formées sur la face externe de la paroi 1 de façon à minimiser les déformations de la surface interne métallisée de la membrane 1 par rapport au paraboloïde de révolution désiré. Pour minimiser le poids, la membrane 1 est avantageusement réalisée en un matériau ayant une grande résistance mécanique, métallisé pour la rendre réfléchissante. On utilise par exemple une feuille en matériau plastique vendue sous la dénomination KAPTON par la Société DUPONT DE NEMOURS armée de fibres d'aramides, par exemple vendue sous la marque KEVLAR par la Société DUPONT DE NEMOURS. On obtient ainsi une excellente résistance à la traction dans toutes les directions associée à une très faible rigidité en flexion. Dans la condition déployée, les extrémités des nervures 3 exercent une force parallèlement à leurs axes 5 sur des butées 6, avantageusement placées à la périphérie de la paroi 1. Les butées 6 sont, par exemple, constituées par les extrémités renforcées de poches 4 contenant les lattes 3. Dans un exemple de réalisation, la longueur des lattes 3 est légèrement supérieure à la longueur des poches 4. Dans une variante de réalisation avantageuse illustrée sur la figure 5, le réflecteur 1 comporte un moyeu 7 comportant des actionneurs placés aux extrémités des lattes 3. Ces actionneurs comportent, par exemple, des ressorts 8 disposés axialement et exerçant une force sur des pièces 9 solidarisées avec les extrémités des lattes 3 et guidées radialement par des éléments de guidage 10, par exemple des rails. Le moyeu 7 constitue avantageusement un moyen de fixation et/ou d'orientation du réflecteur 1 par rapport au reste du satellite. De plus, il constitue avantageusement un support pour des équipements radio-électriques, par exemple un cornet placé au foyer du réflecteur. Avantageusement, les lattes 3 sont galbées, c'est-à-dire que leur section a la forme de la lettre C, comme on peut le voir sur la figure 2. Avantageusement, le rayon de galbage correspond au rayon de courbure de la paroi 1, par exemple à la mi-hauteur. Ainsi, il est avantageux d'orienter la face principale concave vers la membrane 1, dans le cas où les lattes 3 sont placées à l'extérieur de la membrane 2. Pour certaines formes de réflecteur 1, il est avantageux d'utiliser des lattes 3 dont le galbe varie avec la longueur. Par exemple, le galbe est beaucoup plus prononcé au centre d'un réflecteur qu'à sa périphérie. Le galbage des lattes 3 permet d'obtenir une rigidité en flexion variable en fonction de la force exercée. Jusqu'à un seuil, les lattes 3 galbées se comportent comme des poutres. Si l'on dépasse le seuil d'un moment de flexion, les lattes 3 s'aplatissent comme illustré sur la figure 3. La rigidité en flexion diminue d'un facteur 100 à 400. Ainsi, il est possible d'obtenir une rigidité désirée en utilisant des lattes galbées de faible épaisseur (par exemple à 0,1 mm) et par suite de faible masse. On peut ainsi replier la latte 3 dont la flexion forme des charnières plates 11. Les lattes 3 sont avantageusement réalisées dans un alliage métallique très élastique, comme par exemple l'alliage de béryllium-cuivre. II est ainsi possible de replier le réflecteur comportant la membrane 2 et les lattes 3 de façon à diminuer de manière extrêmement sensible le volume occupé, antérieurement à la mise en orbite du réflecteur. Comme on peut le voir sur la figure 3, au fur et à mesure que l'on s'éloigne d'une charnière 11, une latte 3 reprend progressivement sa forme galbée. Toutefois, la mise en oeuvre de lattes qui une fois pliées gardent une forme sensiblement plane, ne sort pas du cadre de la présente invention. De même, pour en réduire le volume dans une condition repliée, I'on peut rouler la paroi comportant la membrane 2 et les lattes 3. Chaque latte 3 prend sensiblement la forme d'une spirale. II est bien entendu possible de plier et rouler simultanément la paroi 1 pour arriver au plus faible volume compatible avec sa conservation et avec la possibilité de déploiement en orbite. II faut noter que les lattes 3, dans leur condition repliée (lattes 3 pliées et/ou roulées), stockent de l'énergie potentielle. Cette énergie sera utilisée lors du déploiement du réflecteur. Ce déploiement est amorcé par la libération du réflecteur replié de son container (non représenté). Cette libération est avantageusement obtenue par des moyens pyrotechniques, par exemple tels que décrits dans la Demande de Brevet français N 90 13706 déposée au nom de la Demanderesse. L'énergie stockée dans les lattes 3, une fois le réflecteur libéré de son container, assure leur déploiement, notamment au niveau des charnières 11. Les lattes 3 reprennent leur forme en C. Une fois que les lattes 3 et la membrane 2 sont déployées, I'on se trouve dans la situation illustrée sur la partie droite de la figure 5. Les actionneurs 8 situés au niveau du moyeu 7 assurent une expansion radiale des lattes 3. Par exemple, chaque latte 3 est solidarisée avec une pièce d'appui 9 guidée en translation radialement par des moyens de guidage 10 du moyeu 7. Les ressorts 8 disposés entre la partie centrale du moyeu 7 et les pièces d'appui 9 assurent l'expansion dans un sens radial des lattes 3 dont l'extrémité opposée appuie axialement sur les butées 6 et assurent le tensionnement de la membrane 2 dont la forme s'approche avec une grande précision de la forme théorique désirée, par exemple d'un paraboloide de révolution, dans le cas de la figure 1. Un ressort 8 détendu, correspondant à une membrane 2 tendue, est illustré sur la partie gauche de la figure 5. II est bien entendu que la présente invention n'est pas limitée au réflecteur d'antenne de télécommunication, mais peut s'appliquer à toute paroi spatiale de dimension importante devant supporter des efforts faibles, et, notamment, aux parois d'hangars spatiaux non pressurisés, aux réflecteurs de fours solaires ou de concentrateurs d'énergie solaire, aux voiles solaires ou aux écrans réflecteurs de protection contre le rayonnement solaire. Sur la figure 6, on peut voir un exemple de paroi 1 selon la présente invention, ayant la forme d'une surface cylindrique. Les lattes 3 forment des arcs de cercle régulièrement répartis sur la surface de la paroi 1. Aux deux extrémités, la paroi 1 de la figure 6 est munie de câbles 12 formant les cordes des arcs formés par la première et la dernière des lattes 3. Avantageusement, sur chaque côté de la paroi 1, les extrémités des lattes 3 sont reliées par un élément de rigidification 13, par exemple par une poutre ou par un boudin gonflable. Sur la figure 7, on peut voir une variante de réalisation de la paroi 1 selon l'invention ayant la forme de voûte romane de base sensiblement carrée ou rectangulaire. Une membrane 2 est tendue sur deux lattes 3 se croisant au sommet avec, par exemple, un angle sensiblement égal à 90 . La longueur de chaque latte 3 est suffisante pour qu'à l'équilibre thermique, elle assure le tensionnement de la membrane 2. Le cintrage des lattes 3 est obtenu par la membrane 2, soit avantageusement, par l'intermédiaire de câbles 12 reliant les extrémités des lattes 3. Dans l'exemple illustré, les câbles 12 forment les côtés d'un carré ou d'un rectangle, dont les sommets sont constitués par les extrémités des lattes 3. Dans une variante non représentée, les deux extrémités d'une même latte sont reliées par un câble. La paroi 1 de la figure 7 est particulièrement bien adaptée pour assurer la protection contre le rayonnement solaire d'une charge utile en orbite, ou pour constituer une voile scolaire. La paroi 1 de la figure 6 est particulièrement bien adaptée pour la focalisation du rayonnement solaire sur un corps allongé, en vue de réalisation d'expériences ou pour la production d'énergie mécanique et/ou électrique à l'aide d'une machine à vapeur ou d'une turbine, le corps allongé sur lequel la paroi 1 focalise le rayonnement solaire jouant le rôle de source chaude, la source froide étant par exemple constituée par un radiateur protégé du rayonnement solaire, par exemple par la paroi 1. II est bien entendu que d'autres formes de paroi, comme par exemple les hyperboloïdes de révolution ou les hémisphères, ne sortent pas du cadre de la présente invention. Dans une variante de réalisation, un réflecteur de grande dimension comporte un élément central rigide de très grande précision entouré et prolongé radialement par une paroi selon la présente invention. Un tel réflecteur trouve des applications particulièrement intéressantes dans la réalisation d'antennes pour un radio-télescope spatial. REVENDICATIONS 1. Paroi voutée autoportante repliable pour usage spatial comportant une membrane souple (2) de faible épaisseur et une pluralité de nervures (3) pour tendre la membrane (2), caractérisée en ce que les nervures sont des lattes (3) de faible épaisseur comprenant une première face principale et une seconde face principale, une des faces principales étant orientée vers la membrane (2), en ce que la membrane comporte des moyens (4) de guidage des lattes (3), ces moyens (4) de guidage se terminant à au moins une de leurs extrémités par des moyens (6) de réception d'extrémité de latte (3) formant butées de manière à ce que, dans une condition déployée, les extrémités des lattes (3) transmettent à la membrane (2) une force axiale assurant le tensionnement de cette membrane (2) et en ce qu'elle occupe un faible volume dans une condition repliée destinée à être stockée dans un lanceur en vue de sa mise en orbite. 2. Paroi selon la revendication 1, caractérisée en ce que, dans la condition déployée, les lattes (3) suivent la courbure de la membrane (2). 3. Paroi selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que les lattes (3) sont galbées ayant, en coupe transversale, un profil en C. 4. Paroi selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisée en ce que les lattes (3) sont réalisées dans un alliage métallique très élastique, de préférence un alliage béryllium-cuivre. 5. Paroi selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce les moyens (6) de réception d'extrémité de latte (3), formant butées, sont disposés à la périphérie de la paroi (1). 6. Paroi selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la membrane souple (2) de très faible épaisseur est constituée par une feuille en matériau plastique, de préférence en feuille de matériau vendue sous la dénomination KAPTON par la Société DUPONT DE NEMOURS, armée de fibres, de préférence de fibres vendues sous la marque KEVLAR par la Société DUPONT DE NEMOURS. 7. Paroi selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la membrane (2) comporte une métallisation de faible épaisseur réfléchissant les ondes électro-magnétiques, notamment la lumière infrarouge, la lumière visible, la lumière ultraviolette et/ou les micro-ondes. 8. Paroi selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que, dans une condition déployée, elle a sensiblement la forme d'un paraboloïde de révolution. 9. Paroi selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte un moyeu (7) comprenant des actionneurs (8) destinés à exercer une tension axiale (5) sur une extrémité de chaque latte (3) opposée à l'extrémité prenant appui sur les moyens (6) de réception formant butée. 10. Paroi selon la revendication 9, caractérisée en ce que les actionneurs sont des ressorts disposés radialement et prenant appui sur des pièces (9) solidarisées avec une des extrémités des lattes (3). 11. Paroi selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que, dans la condition repliée, les lattes (3) sont pliées selon des charnières (11) formant une ligne droite perpendiculaire à l'axe (5) des lattes (3). 12. Paroi selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que, dans la condition repliée, les lattes (3) sont enroulées. 13. Paroi selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la membrane (2) comporte des moyens de guidage (4) des lattes (3) leur permettant de coulisser radialement par rapport à la membrane. 14. Procédé de conditionnement d'une paroi selon l'une quelconque des revendications précédentes dans une condition repliée, caractérisé en ce qu'il comporte une étape consistant à mettre, sur terre, une paroi (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes dans une condition déployée, à replier l'ensemble formé par la membrane (2) et les lattes (3) associées de façon à ce que les lattes (3) soient repliées orthogonalement à leur axe (5) de façon à former des charnières (11) sensiblement planes et en ce que les lattes (3) emmagasinent de l'énergie potentielle susceptible d'être au moins partiellement restituée lors du déploiement de la paroi.