Brevet FR2702444A1 — publié le 19940916

L'invention concerne une structure qui se déplie automatiquement et qui peut être conservée avec un faible encombrement mais qui se déplie automatiquement sous l'eau en formant une structure de grande dimension. Plus précisément, 1 invention concerne un dispositif de support d ' un ensemble horizontal d'hydrophones, par exemple du type utilise dans les balises acoustiques radioélectriques pour la détection et la localisation des sous-marins. Des capteurs acoustiques sous-marins destinés à détecter les sous-marins et autres sources acoustiques comprennent parfois des ensembles répartis de multiples hydrophones de préférence à un seul hydrophone. Si la distance comprise entre les éléments est suffisamment grande par rapport à la longueur d'onde acoustique détectée, l'utilisation de nombreux éléments capteurs peut augmenter le rapport du signal voulu au bruit de fond et, en outre, si les éléments de l'ensemble sont répartis horizontalement, l'ensemble peut être utilisé pour la détermination du cap de la cible. La dimension que doit avoir l'ensemble augmente lorsque la fréquence acoustique intéressante diminue.Les capteurs acoustiques de ce type, notamment les balises acoustiques radioélectriques, doivent être conditionnés, avant utilisation, dans un récipient qui peut être stocké avec un faible encombrement et qui peut être lancé d'un aéronef. Divers configurations d'ensembles peuvent être nécessaires. Une forme d'ensemble horizontal qui est utilisée couramment a un diagramme en "étoile" comprenant un certain nombre de bras rectilignes disposés radialement autour d'un moyeu central. Les structures des ensembles connus ont compris des bras tubulaires télescopiques qui peuvent s'allonger sous l'action d'une masse lorsqu'ils ont une orientation verticale, et qui peuvent pivoter vers l'extérieur en donnant la configuration voulue en étoile. Ces structures télescopiques utilisent obligatoirement des organes tubulaires ouverts dont le poids, après immersion, constitue une partie importante de leur poids en dehors de l'eau, suivant la masse volumique des matériaux utilisés pour leur construction. La dimension de ces structures est donc limitée par la résistance mécanique et la masse des organes qui les composent. D'autres réalisations ont compris des groupes télescopiques ou pliants de tubes supportés par un ensemble de cordons , et utilisant encore les forces de la pesanteur pour le déploiement de la structure de l'ensemble.Dans ce cas, l'utilisation de cordons de support augmente la complexité de l'ensemble et peut réduire la fiabilité du déploiement à cause de la possibilité de l'emmêlement et du coincement des cordons. Par exemple, une proportion importante de la dimension et du poids de la structure sont nécessaires à la structure de support de l'ensemble et au mécanisme de déploiement de la structure, lorsqu'il fonctionne. En outre, la possibilité du fonctionnement à faible fréquence est limitée par la dimension maximale de la structure de l'ensemble qui peut être logée dans la balise acoustique conditionnée. La présente invention a pour objet une structure perfectionnée qui se déploie automatiquement. Plus précisément, l'invention concerne une structure qui se déploie en formant un bras allongé lors de l'immersion dans un liquide, la structure comprenant plusieurs tronçons tubulaires interconnectés qui coopèrent de façon étanche en empêchant 11 entrée de liquide et qui n'ont pratiquement aucun poids lorsqu'ils sont immergés dans le liquide. Un mode de réalisation de l'invention est maintenant décrit à titre illustratif en référence aux dessins annexés sur lesquels les figures l(a) à l(e) sont des vues schématiques en élévation latérale d'un bras unique d'un ensemble, représentant les étapes successives du déploiement des tronçons de bras la figure 2 représente schématiquement un bras de l'ensemble totalement déployé et les positions possibles des masses de réglage et d'hydrophones ; la figure 3 est une perspective du détail de deux articulations du bras ; et la figure 4 est une perspective schématique d'un exemple d'un ensemble complet comprenant trois bras radiaux à déploiement automatique et à flottabilité neutre, pouvant être utilisés pour une balise acoustique. On se réfère aux figures la à le ; un bras 1 de la structure qui se déplie automatiquement comporte quatre organes tubulaires 2, 3, 4 et 5. Initialement, le bras est replié avec un faible encombrement comme indiqué sur la figure l(a). Une application particuliere de ce bras est le support d'hydrophones acoustiques ou d'une autre charge, à certains intervalles suivant sa longueur. Ils ne sont pas représentés sur les figures la à le. Chaque organe 2 à 5 du bras 1 est formé par un tronçon tubulaire creux, de préférence en un matériau de faible masse volumique mais de rigidité élevée, par exemple une matière composite de fibres de carbone et de résine époxyde. Des articulations 6 à 9 qui raccordent les extrémités des organes tubulaires sont fixées dans les tubes et empêchent les fuites d'eau dans les trous des tubes après immersion. L'épaisseur de la paroi des organes tubulaires 2 à 5 est telle que, une fois que le poids immergé des éléments fixés, y compris les hydrophones et les masses de réglage comme décrit dans la suite et les articulations 6 à 9, la force résultante de flottaison appliquée à chaque bras est approximativement nulle.Etant donné les variations de masse volumique de l'eau avec la température, la salinité et la profondeur, il n'est pas possible d'obtenir une force résultante de flottaison exactement nulle, mais la description qui suit montre qu'une flottaison nulle n' est pas primordiale pour une mise en oeuvre convenable de l'invention. Les figures l(b) à I(e) représentent les étapes de la séquence de déploiement du bras, et la figure 2 représente le bras dans sa position finale totalement déployée et représente les forces agissant sur chaque bras, sous l'action de son poids et des forces de flottaison. La figure 2 indique aussi la présence de poids 10 à 13 de réglage fixés à chaque organe tubulaire et des hydrophones 14 à 17 qui peuvent être montés lorsque le bras fait partie d'une balise acoustique. On peut supposer, pour l'illustration du principe de déploiement automatique du bras et de maintien du bras en position déployée, que le poids de chaque hydrophone est égal au poids de l'eau qu'il déplace, si bien que son poids immergé est nul. On suppose aussi que le centre de gravité et le centre de flottaison de chaque organe tubulaire du bras, à l'exception du poids de réglage, sont placés au centre géométrique de chaque organe. On suppose en outre que chaque organe, lorsqu'il est immergé, a une flottaison positive (c'est-à-dire à tendance à flotter) correspondant à une force ascendante B et que le poids immergé de chaque poids de réglage 10 à 13 est exactement égal à la force ascendante B agissant sur cet organe. Ces hypothèses ne sont pas primordiales pour une mise en oeuvre convenable du bras mais facilitent l'illustration du principe de fonctionnement. On peut noter sur la figure 2 que le poids 10 fixé à l'organe tubulaire externe 2 est décalé par rapport au centre du tube d'une distance D1 de manière qu'il crée un moment d'amplitude B x Dl agissant dans le sens contraire des aiguilles d'une montre. Dans la position représentée, le bras ne peut pas tourner plus loin dans le sens contraire des aiguilles d'une montre car il est retenu par une butée de pivot de l'articulation 6 qui empêche un déplacement angulaire de plus de 180 par rapport à la position initiale pliée. Si l'organe 2 tourne dans le sens des aiguilles d'une montre et est libéré, le moment de la force due au poids décalé provoque une rotation du tube dans le sens contraire des aiguilles d'une montre et son retour vers la position indiquée sur la figure 2. On considère maintenant le moment de la force agissant autour de l'articulation 7 de l'organe 3. Le poids 11 de réglage monté sur l'organe 3 est dans ce cas décalé d'une distance D2 qui est supérieure à D1 si bien qu'il existe un moment résultant agissant dans le sens des aiguilles d'une montre autour de ce pivot, ce moment étant égal à BX(D2 - D1). Ce moment maintient l'organe 3 dans la position représentée contre sa butée d'articulation, et le ramène vers cette position s'il est écarté dans le sens contraire des aiguilles d'une montre. De même, l'organe 4 est maintenu en position contre sa butée de pivot par une masse 12 de réglage ou de réglage qui est décalée d'une distance D3 qui est supérieure à D2 - D1.De cette manière, un moment égal à BX(D3 - D2 + D1) est produit dans le sens contraire des aiguilles d'une montre autour de l'articulation 8. De même, l'organe 5 est maintenu en position par mise du poids 13 de manière que le moment total autour de l'articulation 9 ait une valeur positive. Grâce à la disposition décrite précédemment, chaque bras est maintenu avec une flottaison neutre, mais subit un moment de rotation dans le sens convenable de manière que le bras soit déplié étant donné le décalage du centre de flottaison et du centre de gravité du bras. Il est aussi possible de réaliser un organe de bras qui se déplie automatiquement par maintien du centre de gravité et du centre de flottaison de chaque organe du bras dans la même position, mais par réglage de la valeur du poids de réglage de manière que les organes du bras présentent en alternance une flottabilité positive et une flottabilité négative. De même, il est possible de régler la position et la valeur du poids de réglage de manière que le moment de sens et d'amplitude convenables soit obtenu par combinaison d'une flottabilité résultante (exprimée en poids dans l'eau) et du centre de gravité afin que le centre de flottaison soit décalé. Dans le cas du tronçon interne 5, la position et la valeur du poids de réglage peuvent être choisies de manière que le moment d'allongement soit important.En pratique, la masse volumique de l'eau dans laquelle le dispositif est immergé varie avec la température, la profondeur et la salinité et il n'est pas possible de sélectionner un poids de réglage tel que chaque organe a un poids exactement nul lorsqu'il est immergé. Cette condition n'est pas primordiale pour que le bras fonctionne convenablement, car les dimensions et les poids des organes du bras peuvent être sélectionnés afin que les moments qui provoquent un déploiement initial du bras et maintiennent ensuite le bras en position déployée aient le sens convenable lorsque le bras est immergé dans l'eau ayant toute une gamme de valeurs possibles de la masse volumique. De même, les dimensions et les poids des organes du bras peuvent être choisis de manière que les moments des forces de déploiement soient suffisants pour que le poids immergé des capteurs acoustiques et des fils électriques raccordés à ces capteurs soit encaissé. Un bras qui se déplie automatiquement tel que décrit précédemment a été construit avec des organes tubulaires de fibres de carbone et de résine époxyde de 7 mm de diamètre externe, ayant une longueur totale de 3,3 m et pouvant supporter cinq hydrophones dans toute une gamme représentative de masses volumiques de l'eau. Le mode de fonctionnement décrit précédemment, dans lequel le bras se déplie automatiquement, ne convient pas lorsque l'ensemble décrit jusqu'à présent est plié comme représenté sur la figure l(a), les axes des organes tubulaires étant verticaux. Dans cette position, les centres de gravité et de flottaison sont juste au-dessous et au-dessus de l'axe de pivotement de l'articulation respective et il n' existe aucun moment horizontal permettant le début du dépliage. Il est donc nécessaire d'appliquer une force initiale pour la rotation de chaque organe tubulaire 2 à 5 d'un petit angle, et les moments des forces de pesanteur et de flottaison sont ensuite suffisants pour qu'ils provoquent la rotation de chaque organe tubulaire et le déploiement du bras complet comme décrit précédemment.On se réfère à la figure 3 qui représente la construction des articulations 6 et 8 à l'extrémité supérieure du bras plié, et un petit ressort de compression 18 est placé dans une cavité 19 formée dans l'un des deux éléments 20, 21 de chaque articulation, de manière qu'il soit en appui contre l'autre élément de l'articulation et crée une force qui a tendance à déclencher l'ouverture. Il apparaît, d'après le mode de fonctionnement décrit précédemment, que le bras, lorsqu'il n'est pas soumis à des contraintes, a tendance à se déplier de luimême au lieu de rester en position pliée représentée sur la figure l(a). Il est donc nécessaire de prévoir un dispositif maintenant le bras en position pliée avant son fonctionnement. Ceci peut être réalisé par exemple par disposition de l'ensemble dans sa totalité dans un boîtier cylindrique (non représenté) qui peut tomber sous l'action de son propre poids lorsque l'ensemble a atteint la profondeur nécessaire de travail. Lorsque l'ensemble fait partie d'une balise acoustique, le boîtier cylindrique peut constituer le corps externe de la balise acoustique. Il est en outre nécessaire qu'un dispositif règle la séquence de déploiement de manière que l'organe externe 2 commence à se déplier initialement, en étant suivi par le second organe 3, etc. dans la séquence illustrée sur les figures l(a) à l(e). Par ailleurs, il est possible que le bras vienne au repos en position finale stable autre que l'étant totalement déployé nécessaire, par exemple un ou plusieurs organes tubulaires étant pliés en double vers le pivot interne. La figure 3 montre comment cette séquence de déploiement est réalisée dans le mode préféré. Un ergot 22 est fixé dans l'élément 20 de chaque articulation 6 et 8. L'axe de l'ergot 22 est parallèle à l'axe de pivotement de l'articulation respective et recoupe perpendiculairement l'axe longitudinal de l'organe respectif à une petite distance de l'axe de pivotement. L'ergot 22 a une longueur supérieure à l'épaisseur de l'élément 20 et il est disposé de manière qu'il dépasse des deux côtés de cet élément. L'ergot est en appui contre les plaques de came 23, 24 de forme convenable placées de chaque côté du bras plié, si bien que l'extrémité supérieure (externe) de l'organe 3 est maintenue en place par les plaques de came jusqu'à ce que l'organe 2 ait tourné d'un angle prédéterminé qui dépend des dimensions des plaques de came.Des expériences réalisées avec un tel bras ont montré que le bras se dépliait de manière fiable et prenait la position stable totalement déployée lorsque les plaques de came avaient une dimension telle que l'articulation 6 a été libérée lorsque le tube 2 a tourné d'un angle initial de 90" comme indiqué sur la figure l(b). A ce moment, l'organe 3 commence à tourner vers l'extérieur, son articulation inférieure 7 étant retenue par un ergot semblable et des plaques de came analogues (non représentées) qui font partie du groupe d'articulations inférieures. Lorsque le tube 4 a tourné d'un angle de 90" comme l'indique la figure l(c), les plaques inférieures de came libèrent l'articulation 7 si bien que le tube 4 peut commencer à tourner vers l'exté- rieur.Comme un ergot 22 est placé au niveau du pivot de chaque organe tubulaire 2 à 5, le déploiement est réglé par les paires supérieures et inférieures de plaques de came de manière qu'il corresponde à la séquence représentée sur les figures la à le. La figure 3 montre aussi comment la rotation des articulations entre des pairs d'organes tubulaires adjacents est limitée à 1800 dans le mode de réalisation préféré. Chaque articulation a un étrier 20 qui constitue l'embout de celui des deux organes tubulaires qui se trouve à l'extérieur, et un bloc 21 qui constitue l'embout de celui des deux organes tubulaires qui se trouve à l'intérieur. Chaque bloc 21 a une languette 25 qui dépasse d'un côté et qui se loge dans l'étrier 20. Un axe 26 d'articulation passe dans la languette et l'étrier. Une partie 27 d'extrémité du bloc 21 dépasse de la languette 25 de manière que, après rotation de 1800 de l'organe tubulaire externe 2 par rapport à l'organe interne 3, les bords de l'étrier soient au contact de la partie 27 d'extrémité du bloc 21 et empêchent une rotation plus importante. Dans une utilisation réelle de la structure à déploiement automatique, par exemple pour le support d'un ensemble d'hydrophones, il est possible que la structure dans son ensemble comporte plusieurs bras tels que décrits précédemment. La figure 4 représente un mode de réalisation possible dans lequel trois bras 1, 28, 29 qui se déploient automatiquement sont disposés radialement autour d'un support central 30 qui est suspendu à un flotteur convenable (non représenté) qui se trouve à la surface de la mer, comme dans le cas où l'ensemble fait partie d'une balise acoustique Dans l'application représentée, la structure ainsi formée est utilisée pour le support d'un ensemble d'hydrophones qui sont répartis le long des bras (quatre hydrophones par bras).Dans cet exemple, le moyeu tubulaire interne 30 supporte les pivots internes 9 à l'extrémité inférieure et les plaques supérieures de came 23 destinées à régler la séquence de libération des pivots supérieurs 6, 8, à son extrémité supérieure. Dans un exemple d'application à une balise acoustique, le trou du moyeu tubulaire 30 peut être utilisé pour loger d'autres éléments, notamment le câble de suspension, une ancre marine ou une ancre flottante, un ensemble à compas et des ensembles électroniques tels qu'un multiplexeur de signaux. Des fils électriques raccordant les hydrophones à un ensemble placé dans le moyeu peuvent être constitués par de fins fils de cuivre ayant un isolement convenable et qui peuvent être collés à chaque organe tubulaire 21 à 54, mis à part les extrémités auxquelles un court tronçon de chaque fil reste sans être fixé afin que la rotation des articulations 6 à 9 soient permise. L'invention peut aussi être utilisée pour la formation d'un dispositif qui peut être rangé avec un faible encombrement et qui, lorsqu'il est libéré sous l'eau, s'allonge en formant une grande structure répartie qui peut supporter des éléments capteurs tels que des hydrophones, ou qui peut être utilisé dans tout autre but. La structure se déploie automatiquement lorsqu'elle est libérée sous l'eau, sans qu'il soit nécessaire d'utiliser un mécanisme externe. La structure a de préférence une flottabilité presque neutre lorsqu'elle est immergée dans l'eau si bien que la dimension que peut avoir la structure déployée n' est pas limitée par son propre poids. Elle peut être utilisée dans une structure supportant un ensemble de capteurs qui s'ouvre en se dépliant et non de manière télescopique, si bien que la disposition de fils électriques pouvant s'allonger et qui rejoignent les éléments capteurs n'est plus nécessaire. Dans le mode de réalisation représenté, chaque bras comporte quatre tronçons pliés, mais tout nombre convenable de tronçons peut être utilisé. REVENDICATIONS 1. Structure qui se déplie en formant un bras allongé (1) à la suite d'une immersion dans un liquide, caractérisée par plusieurs tronçons tubulaires interconnectés (2 à 5) qui sont fermés de manière étanche et empêchent l'entrée du liquide et qui n'ont pratiquement aucun poids lorsqu'ils sont immergés dans le liquide. 2. Structure selon la revendication 1, caractérisée par un organe de support (5), un premier tronçon allongé (30) de bras flottant articulé, près d'une de ses extrémités, sur l'organe support, et un second tronçon allongé (4) de bras flottant articulé, près de l'une de ses extrémités, à l'autre extrémité du premier tronçon de bras, le centre de gravité et le centre de flottaison de chaque tronçon de bras étant séparés le long du tronçon de bras, les positions relatives du centre de gravité et du centre de flottaison étant inversées sur l'un des tronçons de bras par rapport à l'autre des tronçons de bras si bien que, lorsque les tronçons de bras sont immergés dans le liquide, ils tournent en sens opposés sous l'action d'un moment respectif de rotation appliqué au tronçon de bras à cause de la masse du tronçon de bras et de la force de flottaison agissant sur le tronçon de bras. 3. Structure selon la revendication 2, caractérisée en ce que chaque tronçon de bras (4, 5) comporte un poids (12, 13) destiné à régler la position du centre de gravité à une distance prédétermine du centre de flottaison. 4. Structure selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisée en ce que la distance comprise entre le centre de gravité et le centre de flottaison du premier tronçon (5) de bras est différente de celle du second tronçon (4) de bras. 5. Structure selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisée en ce que l'articulation (8) des tronçons de bras (4, 5) comporte un dispositif destiné à limiter la rotation globale des deux tronçons de bras l'un par rapport à l'autre à 180C pratiquement. 6. Structure selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisée en ce que l'articulation des tronçons de bras (4, 5) comporte un dispositif élastique (18) destiné à assurer une rotation relative initiale des tronçons de bras. 7. Structure selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisée par un tronçon supplémentaire de bras (3, 2 > ou un groupe de tronçons supplémentaires de bras articulés, articulé à l'autre extrémité du second tronçon de bras (4). 8. Structure selon la revendication 7, caractérisée en ce que les positions relatives du centre de gravité et du centre de flottaison sont inversées à chaque tronçon suivant de bras (2 à 5). 9. Structure selon l'une quelconque des revendications 2 à 8, caractérisée par un dispositif (22, 23) destiné à assurer une séquence prédéterminée de rotation des tronçons de bras (2 à 5). 10. Structure selon la revendication 9, caractérisée en ce que le dispositif (22, 23) destiné à assurer la séquence prédéterminée de rotation comporte un dispositif à cames associé aux articulations. 11. Structure selon l'une quelconque des revendications 2 à 10, caractérisée en ce que le bras (1) porte au moins un capteur acoustique (14 à 17). 12. Structure selon l'une quelconque des revendications 2 à 11, caractérisée en ce que chaque tronçon de bras (2 à 5) comporte un organe tubulaire ayant des extrémités fermées. 13. Structure selon l'une quelconque des revendications 2 à 12, caractérisée en ce que chaque tronçon de bras (2 à 5) est formé d'une matière à base de fibres de carbone et de résine époxyde. 14. Ensemble caractérisé par plusieurs structures (1, 28, 29) selon l'une quelconque des revendications précédentes, fixées à un support central (30), les bras, lorsqu'ils sont dépliés, partant radialement du support. 15. Ensemble selon la revendication 14, caractérisé en ce que le support (30) est un tube qui, pendant l'utilisation, est orienté de manière que son axe longitudinal soit pratiquement vertical. 16. Ensemble selon la revendication 15, caractérisé en ce que le tube constitue un récipient de stockage.