Brevet FR2711111A1 — publié le 19950421

ENGIN SPATIAL A VOILE SOLAIRE ET PROCEDE DE PILOTAGE D'UN TEL ENGIN La présente invention a pour objet un engin spatial muni d'une "voilure solaire1 utilisant la pression de radiation solaire et permettant de modifier les paramètres de la trajectoire de l'engin. Elle trouve une application importante, bien que non exclusive, dans le domaine des engins satellisables autour de la terre pour des besoins d'expérimentation ou d'études. On a déjà proposé d'utiliser la poussée photonique du soleil pour augmenter progressivement la trajectoire d'un satellite déjà placé sur une orbite suffisamment haute pour que l'attraction terrestre y soit réduite. On a également déjà proposé d'utiliser la poussée photonique pour commander l'attitude d'un satellite, à l'aide de volets orientables destinés à recevoir le flux solaire et placés par exemple à l'extrémité des panneaux de cellules solaires (EP-A-101 333). Mais les forces exercées par la poussée solaire sont faibles, d'environ 0,09 N/ha à la distance soleil-terre. Elles permettent cependant d'exercer les couples de pilotage réduits qui suffisent, même avec des surfaces de réception du rayonnement solaire faible. En revanche, une surface de réception du rayonnement, ou "voilure solaire" de grande taille est nécessaire pour que la force exercée atteigne des valeurs significatives, permettant de modifier une orbite. Or le volume de stockage disponible est faible, puisque limité par la coiffe d'une fusée ou la soute d'une navette. Le déploiement complet et sans froissage ou déchirure d'une voile de grande taille pose également des problèmes. Parmi les engins déjà envisagés, on peut citer ceux dont la voilure solaire est constituée de plusieurs lames s'étendant radialement à partir d'un corps maintenu en rotation. On peut alors utiliser la force centrifuge pour déployer les lames, généralement en matériau synthétique métallisé ("kapton" aluminisé en général). Cette solution présente de nombreux inconvénients. Seules certaines des lames sont efficaces à un instant déterminé. I1 est difficile de commander correctement l'orientation des lames. On a également proposé des engins stabilisés suivant trois axes dont la voilure est constituée par une voile carrée, pliée en accordéon au cours du stockage, dont les angles sont tirés lors du déploiement, par des arbres extensibles. Une fois la voilure déployée, l'engin est piloté à l'aide de volets orientables en forme de rubans disposés le long des bords de la voile ou de panneaux orientables placés dans les angles de la voilure. Le pliage xend problématique le déploiement complet de la voile sans déchirure et sans plis résiduels. Des volets de grande taille sont requis pour compenser les couples perturbateurs pouvant résulter de déchirures ou de plis résiduels de la voile. La présente invention vise notamment à fournir un engin spatial à voile solaire répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'il écarte ou au moins atténue les défauts ci-dessus. Dans ce but, l'invention propose notamment un engin spatial comprenant un corps central et une voile solaire stockable dans le corps et déployable à partir du corps dans un plan déterminé, caractérisé en ce que la voile est constituée de lames ou bandes parallèles souples s'étendant toutes dans une même direction dudit plan déterminé et réparties en plusieurs groupes, les bandes ou lames d'un groupe étant orientables, simultanément, mais indépendamment de celles de l'autre groupe, ou des autres groupes autour d'axes parallèles entre eux et à ladite direction : une telle constitution permet le pilotage sans utilisation de volets. Un but annexe recherché par l'invention est de réduire notablement les risques de froissage ou de déchirure lors du déploiement et de simplifier considérablement le problème de contrôle d'attitude de l'engin. L'invention propose dans ce but un engin dont lesdites bandes sont tendues entre au moins deux câbles orthogonaux à ladite direction et reliant chacun les extrémités de deux bras parmi quatre bras régulièrement répartis angulairement et déployables à partir du corps. Chaque extrémité des dites bandes peut être fixée à une traverse rigide orientable autour d'un des dits axes. Dans un mode avantageux de réalisation, les bandes sont réparties en deux groupes, les traverses des extrémités adjacentes des bandes d'un même groupe étant couplées entre elles par des liens souples inextensibles. Dans ce cas, les delx groupes peuvent être placés chacun d'un côté du corps. Les bandes rapprochées appartenant aux deux groupes sont reliées par des câbles de couplage fixés sur la ligne longitudinale médiane des bandes, ce qui solidarise les deux groupes du point de vue de leur position relative dans l'espace. Pour autoriser le pilotage, diverses dispositions sont possibles. Dans un mode de réalisation simple, les traverses des bandes les plus éloignées du corps constituent des biellettes maîtres actionnées par des moteurs portés par les extrémités des mâts. Ces traverses sont couplées aux traverses des bandes internes, qui constituent des biellettes esclaves, par lesdits liens. Les bras extensibles peuvent avoir l'une quelconque de nombreuses constitutions connues à l'heure actuelle, en treillis ou en plusieurs feuillards allongés et enroulables, raccordables les uns aux autres pour constituer un tube. Dans une réalisation particulière, les bras sont constitués par un tube biconvexe obtenu par déroulement à l'état accolé de deux rubans convexes au repos stockables à plat à l'état enroulé sur un même tambour. Tous les rubans peuvent être stockés sur le même tambour en vue d'un déploiement synchro nisé. Les lames ou bandes peuvent être stockées contre le corps, avant déploiement, à l'état enroulé autour d'une ou plusieurs tiges, ayant au moins plusieurs millimètres d'épaisseur pour éviter la formation d'un pli. L'invention propose également un procédé de pilotage d'un tel engin sur une orbite elliptique autour d'une planète, notamment autour de la terre ou une trajectoire interplanétaire, permettant de modifier progressivement l'énergie orbitale et/ou de changer les paramètres de l'orbite ou la trajectoire. Pour cela on commande l'orientation des bandes de façon à maintenir - le flux solaire dans un plan orthogonal à la direction longitudinale des bandes, - le plan contenant les lignes médianes de toutes les bandes dans l'orientation minimale, par rapport au plan perpendiculaire au soleil, dans la plage comprise entre + 450 et - 450, pour laquelle il n'y a pas réflexion du flux solaire d'une bande vers une autre. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un mode particulier de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels - la figure 1 est un schéma de principe destiné à montrer les paramètres qui interviennent dans la détermination de la direction et du module de la force photonique exercée sur une voile unique réfléchissante - la figure 2 montre le lieu géométrique de la direction et du module de la force exercée sur une voile du genre montré en figure 1 lorsque l'incidence du flux photonique varie - la figure 3 est une représentation simplifiée, en perspective, d'un engin selon un mode particulier de réalisation de l'invention - la figure 4 est un schéma destiné à faire apparaître les paramètres de commande et d'ensoleillement - la figure 5 est un schéma destiné à faire apparaître le risque de perte d'efficacité dû à la réflexion d'une bande vers une autre - la figure 6 est un schéma montrant les orientations successives à donner à un engin placé sur une orbite elliptique, pour éloigner l'apogée de l'orbite - la figure 7 montre une orientation des bandes de la voilure permettant de créer un couple de rotation - la figure 8 est une vue en perspective simplifiée destinée à montrer l'emplacement des mâts en configuration de lancement de l'engin - la figure 9 est une vue de dessus de la figure 7, montrant la disposition de quelques-unes des bandes et celle des traverses en configuration de lancement. On rappellera tout d'abord les principes mis en oeuvre dans l'utilisation d'une voile solaire. La figure 1 montre une telle voile, constituée d'un élément unique constituant un miroir ayant une surface S et recevant le flux solaire 9 sous incidence i. Ce flux donne naissance à une force F, orthogonale au miroir dans la mesure où la réflexion est totale, de module F = kS cossu (où k est une constante). Lorsque l'orientation de la voile varie par rapport au flux solaire +, le lieu de l'extrémité du vecteur représentant le module et l'orientation de la force F exercée est une sphère, comme le montre la figure 2. Sur cette figure, Fo désigne la force sous incidence normale et Fi, la force sous une incidence i. Pour qu'il soit possible de commander non seulement les forces exercées par le rayonnement solaire sur un engin, mais aussi des couples, il est nécessaire de disposer de plusieurs éléments réflecteurs séparément orientables. L'invention propose dans ce but un engin dont la voilure solaire est constituée de plusieurs groupes de bandes parallèles entre elles, les bandes d'un groupe étant commandables indépendamment des bandes d'un autre groupe. Cette disposition permet d'écarter la nécessité de surfaces spécialement consacrées à la création de couples, tels que des volets. Deux groupes suffisent dans la mesure où une même bande peut non seulement être orientée en bloc autour de son axe longitudinal (direction commune de toutes les bandes), mais aussi vrillée. Une telle constitution permet, avec deux groupes seulement, d'exercer, sur l'engin muni de la voilure, un couple de basculement autour de n'importe quelle direction de l'espace. Dans le mode particulier de réalisation montré en figure 3, l'engin peut être regardé comme comprenant, à l'état opérationnel, un corps central 10, quatre bras 12 disposés radialement à 900 l'un de l'autre à partir du corps, dans un même plan, et une voilure constituée de deux groupes de bandes 14a et 14b avec des axes tous parallèles entre eux et à une direction située dans le plan commun des bras 12. Le corps 10 contient les organes de télécommunication et de calcul et le mécanisme de déploiement des bras 12. Il porte également au moins un panneau solaire 16 et différents détecteurs de position, dont le nombre et la nature dépendront de la mission. Ces détecteurs peuvent notamment comporter un détecteur solaire, un détecteur d'étoile et/ou un détecteur d'horizon terrestre. Le corps contient également la charge utile éventuelle. Lorsque la voilure est à l'état déployé, elle est constituée de deux groupes de bandes 14a, 14b placés symétriquement par rapport au corps 10 et libérant l'espace nécessaire à ce dernier. Chaque bande est constituée par une feuille de matière synthétique mince et souple portant un revêtement réfléchissant sur une de ses faces au moins, fixée à des traverses terminales 18. Les bandes ont une largeur d proportionnée à leur écartement de façon qu'elles soient presque jointives lorsque toutes les bandes sont orientées à plat dans le plan des bras 12, afin de disposer d'une surface d'ensoleillement maximale. Lorsque les bandes sont métallisées sur leurs deux faces, elles doivent pouvoir être orientables sur 1800, comme le montrent les cercles en traits mixtes sur la figure 3. Les bandes peuvent notamment être en une feuille de matériau polyimide connu sous le nom de "kapton", aluminisée sur les deux faces. Un tel matériau est couramment disponible à l'heure actuelle. Les deux traverses 18 de chacune des deux bandes les plus éloignées du corps constituent des biellettes maîtresses, orientables indépendamment l'une de l'autre par des moteurs 20 placés à l'extrémité de bras respectifs. Dans le cas illustré sur la figure 3, chaque moteur est porté par un mât 22 orthogonal au bras. Les bras 22 sont reliés deux à deux par des câbles d'appui 24 s'étendant orthogonalement à la direction longitudinale des bandes. Ces câbles d'appui 24 sont, dans le cas illustré, fixés à des fiches rigides 26 solidaires des mâts. Les traverses terminales des bandes intermédiaires 14a et 14b sont également reliées aux câbles d'appui 24, qui les maintiennent en tension, par des fils placés en V. De plus, les extrémités correspondantes de toutes les traverses d'un même groupe sont reliées par des liens souples et inextensibles 28. Du fait du couplage par ces liens, les traverses des bandes autres que les bandes extrêmes jouent le rôle de biellettes esclaves, commandées par des biellettes maîtresses respectives. Enfin, les milieux des traverses les plus proches appartenant aux deux groupes sont reliés par un câble de tension 30, maintenant une distance constante. Des fils transversaux 32 peuvent encore être prévus pour raidir la structure et garantir le parallélisme des bandes dans un même plan orthogonal au sens d'allongement des bandes. Les organes de contrôle et de commande montés dans le corps 10 sont prévus pour permettre de régler à volonté les angles V,,, ...Vs d'élévation des bandes par rapport au plan xy de la voilure (plan des bras 12) et, par voie de conséquence créer des couples de basculement sous l'effet du flux solaire qui attaque le plan xy dans un angle d'élévation s. L'engin est généralement orienté de façon que le flux solaire soit contenu dans un plan perpendiculaire aux axes des bandes, c'est-à-dire contenant x. Pour éviter le renvoi d'une fraction du flux solaire d'une bande vers une autre, il sera souvent nécessaire de donner à la voilure un angle par rapport au soleil, avec un signe dépendant de l'orientation des bandes. En effet, en l'absence de cette précaution, on pourrait se trouver dans une situation du genre montré en figure 5 (où s = 900). L'existence d'une double réflexion sur la largeur s réduit l'efficacité de la voilure, puisque les forces exercées sur deux largeurs s successives s'équilibrent. Pour i = 450, l'effet de la voilure serait même nul. Dans le cas par exemple d'une orbite elliptique autour de la terre, du genre montré en figure 6, et d'un pilotage visant à augmenter l'énergie sur la trajectoire, une solution commode consiste à orienter le plan de la voilure (plan contenant les axes des bandes) à 450 du flux solaire + lorsque l'angle d'incidence i est supérieur ou égal à 450, l'orientation de la voilure étant de signe opposé à celle des lames par rapport au soleil ; en revanche, lorsque l'inclinaison i des lames par rapport à la normale au soleil est inférieur à 450, une solution consiste en général à orienter du même angle l'ensemble de la voilure. Sur la figure 6, le plan général du voilier est indiqué, aux emplacements de retournement, en tirets dans l'orientation avant retournement, en traits pleins dans l'orientation après ; seules quatre bandes sont figurées. Le mode de création de couple ressort directement de la description qui précède. Lorsque par exemple on souhaite créer un couple de rotation pur autour d'une direction parallèle à l'axe longitudinal des bandes, il suffit de mettre les bandes 14a d'un des groupes dans le plan de la voilure et d'orienter les autres bandes 14b orthogonalement à ce plan. Pour créer un couple pur autour de l'axe x de la figure 4, il suffit de vriller d'un angle O l'une des extrémités des lames du groupe 14b et d'un angle -O l'extrémité des lames du groupe 14a du même côté, les extrémités des lames 14a et 14b, de l'autre côté, restant parallèles au plan xy. Pour créer un couple autour d'un axe orthogonal au plan xy de la figure 4, il suffit de vriller les lames en les tournant d'un angle O déterminé à une extrémité, d'un angle - 8 à l'autre extrémité. On crée alors un effet de moulin à vent. La figure 7 montre une telle disposition. Lors du lancement et jusqu'à déploiement de la voilure, les bandes et les bras peuvent avoir la disposition représentée schématiquement sur les figures 8 et 9. Chaque bande est enroulée sur elle-même, autour d'une ou de plusieurs tiges cylindriques 34, de quelques millimètres de diamètre au moins afin d'éviter les pliures. Les traverses 18a constituant les biellettes maîtresses se trouvent à proximité immédiate du corps. Les traverses 18b constituant les biellettes esclaves sont réparties à la périphérie d'un volume cylindrique pouvant être fermé par une enveloppe déchirable non représentée, ouverte par le déploiement des bras 12. Les tiges 34 peuvent être prévues pour rester fixées aux bandes après déroulement. Les quatre mâts 12 peuvent être constitués à partir de bandes enroulées sur un seul et même tambour, dont la rotation par un moteur électrique non représenté provoque le déploiement synchronisé des bras. On voit qu'on réalise ainsi un engin spatial dont le système de contrôle d'attitude est robuste et très efficace, puisque toutes les bandes de la voilure peuvent participer à la création de couples. Les opérations de mesure et de contrôle d'attitude sont simples puisque le soleil est maintenu à moins de 450 de la normale au plan xy de la voilure et qu'ainsi il n'y a jamais de retournement de l'engin ni de passage du soleil à proximité de son plan principal. Pour cette même raison, un générateur solaire plan, unique, peut fournir, avec un bon rendement géométrique, l'énergie nécessaire à bord. Le déploiement est très simple, puisqu'il n'y a pas de volets s'ajoutant aux bandes et que les bandes ne sont pas pliées, mais simplement enroulées. Les câbles et liens nécessaires peuvent être très fins, étant donné la faible valeur des forces mises en jeu. REVENDICATIONS 1. Engin spatial utilisant la pression de radiation solaire, comprenant un corps central (10) et une voile solaire orientable par rapport au corps, stockable dans le corps et déployable à partir du corps dans un plan déterminé, caractérisé en ce que la voile est constituée de lames ou bandes parallèles (14a, 14b) souples, s'étendant toutes dans une même direction du plan déterminé, réparties en plusieurs groupes, les bandes ou lames d'un groupe étant orientables simultanément, mais indépendamment de celles de l'autre groupe ou des autres groupes, autour d'axes parallèles entre eux et à ladite direction. 2. Engin selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites bandes sont tendues entre au moins deux câbles d'appui (24) reliant chacun les extrémités de deux bras (12) parmi quatre bras régulièrement répartis angulairement et déployables à partir du corps. 3. Engin selon la revendication 2, caractérisé en ce que chaque extrémité desdites bandes est fixée à une traverse rigide (18) orientable autour d'un axe parallèle à ladite direction. 4. Engin selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdites bandes sont réparties en deux groupes, les traverses des extrémités adjacentes des bandes d'un même groupe étant couplées entre elles par des liens souples non extensibles (28). 5. Engin selon la revendication 4, caractérisé en ce que les deux groupes sont placés chacun d'un côté du corps et en ce que les bandes les plus proches des deux groupes sont reliées par des câbles de tension (30) fixés sur la ligne longitudinale médiane des bandes. 6. Engin selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que les traverses des bandes les plus éloignées du corps constituent des biellettes maîtresses actionnables par des moteurs (20) portés par les extrémités des bras (12), couplées au travers des autres bandes, constituant des biellettes esclaves, par lesdits liens (28). 7. Engin selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que lesdits bras (12) sont constitués chacun par un tube biconvexe obtenu par déroulement, à l'état accolé, de deux rubans convexes stockés à l'état enroulé sur un tambour contenu dans le corps. 8. Engin selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, caractérisé en ce que chacune desdites bandes (14a, 14b) est stockée contre le corps, avant déploiement, à l'état enroulé autour d'une ou plusieurs tiges de plusieurs millimètres d'épaisseur. 9. Engin selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les bandes ont une largeur telle qu'elles sont presque jointives lorsqu'elles sont orientées dans le même plan. 10. Procédé de pilotage d'un engin selon la revendication 2 ou l'une quelconque des revendications qui en dépend, sur une orbite elliptique autour de la terre ou une trajectoire interplanétaire, afin de modifier les caractéristiques orbitales ou la trajectoire de l'engin, caractérisé en ce qu'on commande l'orientation des bandes de façon à maintenir - le flux solaire dans un plan orthogonal à la direction longitudinale des bandes, - le plan contenant les lignes médianes de toutes les bandes dans l'orientation minimale, par rapport au plan perpendiculaire au soleil, dans la plage comprise entre + 450 et - 450, pour laquelle il n'y a pas réflexion du flux solaire d'une bande vers une autre.