Brevet FR2770308A1 — publié le 19990430

DISPOSITIF MONOLITHIQUE DE MONTAGE ISOSTATIQUE D'UN ORGANE FRAGILE, TEL QU'UN MIROIR. DESCRIPTION Domaine technique L'invention concerne un dispositif conçu pour assurer le montage isostatique d'un organe fragile, tel qu'un miroir, sur une structure porteuse. L'expression "montage isostatique" signifie que le montage est réalisé de façon telle que l'organe fragile ne subit pratiquement aucune contrainte susceptible d'entraîner sa déformation élastique. Un tel dispositif peut être utilisé dans le cas où un organe fragile doit être positionné avec précision et de façon invariante, même lorsque des dilatations différentielles peuvent se produire entre l'organe fragile et sa structure porteuse, d'une manière telle que des efforts importants puissent être absorbés sans introduire de contraintes susceptibles d'endommager l'organe fragile. Le dispositif selon l'invention est particulièrement adapté au montage d'un organe fragile tel qu'un miroir sur un engin spatial (satellite, sonde spatiale, télescope spatial, etc.). Dans cette application, l'axe optique du miroir ainsi que son foyer et sa distance focale doivent être invariables, malgré les sollicitations mécaniques et thermiques subies par l'engin spatial. Etat de la technique Comme l'illustrent notamment les documents FR-A-2 503 387, FR-A-2 534 663 et FR-A-2 724 236, le montage isostatique d'un organe fragile, tel qu'un miroir, sur une structure porteuse s'effectue habituellement au moyen de trois dispositifs identiques séparés, régulièrement répartis autour d'une surface cylindrique centrée sur l'axe optique du miroir. Chacun de ces dispositifs comprend une lame souple principale, orientée tangentiellement à la surface cylindrique, et un organe déformable reliant la lame souple au miroir. Selon le cas, l'organe déformable est constitué par une poutre à section en forme de X, de T, de Y ou de V, ou par un assemblage de lamelles souples formant entre elles un X ou un V. Dans les systèmes de montage de miroirs ainsi réalisés, chacun des trois dispositifs reliant le miroir à la structure porteuse constitue un élément filtrant indépendant. Chacune des lames souples présente une rigidité, dans les directions circonférentielle et axiale, qui assure le positionnement souhaité du miroir. La flexion des lames souples et celle de l'organe déformable assurent la fonction de filtrage, en absorbant la majeure partie des déformations de la structure porteuse susceptibles d'engendrer des déformations de l'organe fragile. Les dispositifs de montage isostatique existants présentent généralement des caractéristiques de filtrage et de stabilité satisfaisantes lorsque les organes fragiles qu'ils supportent sont de masse limitée. En revanche, le montage d'organes fragiles excédant certaines dimensions conduit inévitablement à des performances de filtrage d'ensemble inférieures à celles que l'on désire obtenir. Par ailleurs, la précision du positionnement relatif des éléments filtrants reste limitée. De plus, des déformations peuvent être engendrées dans ces éléments lors de leur intégration sur la structure porteuse. De façon comparable, des contraintes peuvent être introduites dans l'organe fragile, lors de l'intégration des pièces auxquelles est fixé cet organe sur les éléments filtrants. Les performances de stabilité du montage peuvent aussi être diminuées par des micro-glissements qui se produisent dans les liaisons lors des différentes étapes d'intégration. Enfin, les étapes d'intégration, ainsi que les contrôles qui leur sont associés, augmentent les temps de montage, les risques et les coûts. Exposé de l'invention L'invention a précisément pour objet un dispositif de montage isostatique d'un organe fragile tel qu'un miroir, dont la conception monolithique lui permet de supprimer les inconvénients des dispositifs existants, et notamment d'améliorer les performances de filtrage et de stabilité par rapport à ceux-ci. Conformément à l'invention, ce résultat est obtenu au moyen d'un dispositif de montage isostatique d'un organe fragile, tel qu'un miroir, sur une structure porteuse, ce dispositif étant caractérisé par le fait qu'il comprend une seule pièce monolithique, dans laquelle sont formés - un socle rigide apte à être fixé sur la structure porteuse - au moins trois éléments filtrants dont une première extrémité est raccordée sur le socle rigide, ces éléments filtrants étant régulièrement répartis autour d'une surface cylindrique, assurant une liaison rigide dans deux directions, orientées parallèlement à un axe de la surface cylindrique et perpendiculairement à cet axe, et assurant une liaison souple selon les quatre autres degrés de liberté ; et - au moins un patin apte à recevoir l'organe fragile, ce patin étant raccordé à une deuxième extrémité des éléments filtrants. Dans un dispositif monolithique ainsi réalisé, la rigidité du socle permet d'atténuer de façon significative les déformations transmises aux éléments filtrants. Ainsi, pour une même performance de filtrage d'ensemble, la rigidité de ces éléments peut être augmentée par rapport aux dispositifs de l'art antérieur, ce qui autorise le montage d'organes fragiles plus lourds. Par ailleurs, du fait de la réalisation en une seule pièce du dispositif, la précision de localisation entre les éléments filtrants est améliorée. Pour la même raison, les inconvénients découlant de l'intégration des éléments filtrants sur la structure porteuse (déformations, introduction de contraintes dans l'organe fragile, temps d'intégration, micro-glissements, etc.) et de l'intégration des pièces portant l'organe fragile sur les éléments filtrants (contraintes, micro-glissements, temps d'intégration, etc.) sont supprimés. Ceci présente également un intérêt économique au niveau de la réalisation du dispositif (une seule pièce) et du fait de la simplification des phases d'intégration. Dans une forme de réalisation préférée de l'invention, chaque élément filtrant comprend une lame principale orientée tangentiellement à la surface cylindrique, et deux lames secondaires concourantes ayant chacune un plan moyen perpendiculaire à un plan moyen de la lame principale. Dans ce cas, les deux lames secondaires de chacun des éléments filtrants sont agencées symétriquement par rapport à un plan orienté radialement relativement à la surface cylindrique. Les trois éléments filtrants sont identiques et les premières et les deuxièmes extrémités des éléments filtrants sont situées dans deux plans parallèles entre eux et perpendiculaires à l'axe de la surface cylindrique. Cet axe coïncide avec l'axe optique de l'organe fragile, lorsque celui-ci est un organe optique, tel qu'un miroir. Avantageusement, la première extrémité de chacun des éléments filtrants est adjacente à la lame principale et la deuxième extrémité est adjacente à une zone de convergence des deux lames secondaires. Selon le cas, chaque élément filtrant peut supporter un patin indépendant à sa deuxième extrémité ou les trois éléments filtrants peuvent être raccordés à un patin unique en forme de couronne. Dans le premier cas, chaque patin présente une surface plane de collage de l'organe fragile. Cette surface peut être orientée tangentiellement à la surface cylindrique et tournée vers l'axe de celle-ci. Toutes les surfaces de collage des patins peuvent aussi être situées dans un même plan perpendiculaire à l'axe de la surface cylindrique. Dans le deuxième cas, le patin unique en forme de couronne peut présenter intérieurement trois surfaces planes de collage de l'organe fragile, situées à proximité des deuxièmes extrémités des éléments filtrants, et orientées tangentiellement à la surface cylindrique. Le patin unique en forme de couronne peut aussi présenter une surface plane de collage de l'organe fragile, située dans un plan perpendiculaire à l'axe de la surface cylindrique. Brève description des dessins On décrira à présent, à titre d'exemples non limitatifs, différentes formes de réalisation de l'invention, en se référant aux dessins annexés, dans lesquels - la figure 1 est une vue en perspective qui représente un dispositif monolithique de montage isostatique d'un organe fragile, selon une première forme de réalisation de l'invention ; - la figure 2 est une vue en perspective comparable à la figure 1, qui représente un dispositif de montage isostatique d'un organe fragile selon une deuxième forme de réalisation de l'invention ; - la figure 3 est une vue en perspective comparable aux figures 1 et 2, qui représente un dispositif de montage isostatique d'un organe fragile, selon une troisième forme de réalisation de l'invention ; et - la figure 4 est une vue en perspective comparable aux figures 1 à 3, qui représente un dispositif de montage isostatique d'un organe fragile, selon une quatrième forme de réalisation de l'invention. Description détaillée de formes de réalisation préférentielles On décrira tout d'abord, en se référant à la figure 1, une première forme de réalisation d'un dispositif de montage isostatique d'un organe fragile, conforme à l'invention. Ce dispositif est formé d'une pièce unique 10, monolithique, réalisée en un matériau choisi afin de satisfaire les exigences requises de stabilité, de filtrage et de tenue mécanique. Ce matériau peut être notamment de l'Invar (marque déposée), du titane, de l'acier, de l'aluminium ou du maraging. La pièce monolithique 10 est obtenue à partir d'un bloc usiné, par exemple par électroérosion. Ce procédé d'usinage peut éventuellement être combiné à des procédés plus classiques tels que le fraisage et le tournage. Dans la forme de réalisation illustrée sur la figure 1, la pièce monolithique 10 constituant le dispositif de montage isostatique conforme à l'invention comprend un socle rigide 12, trois éléments filtrants 14 et trois patins 16. Le socle rigide 12 sert d'interface entre la pièce monolithique 10 et la structure porteuse (non représentée) sur laquelle on désire monter l'organe rigide, tel qu'un miroir (non représenté). La fixation du socle rigide sur la structure porteuse est réalisée par tout moyen approprié tel que des vis ou des boulons (non représentés) traversant des trous (non représentés) formés dans le socle 12. Chacun des éléments filtrants 14 se présente approximativement sous la forme d'un élément allongé dont une première extrémité est raccordée sur le socle rigide 12, en constituant avec celui-ci une seule et même pièce, comme on l'a déjà observé. Le positionnement relatif entre les éléments filtrants 14 est ainsi fixé par construction, et la rigidité du socle 12 permet d'atténuer de façon significative les déformations appliquées aux premières extrémités des éléments filtrants 14, raccordées sur ce socle. De façon plus précise, dans la forme de réalisation illustrée sur la figure 1, le socle rigide 12 se présente sous la forme d'une plaque plane relativement épaisse, présentant en vue de dessus la forme d'un triangle dont les angles sont arrondis ou coupés. Les éléments filtrants 14 font saillie sur une même face de cette plaque, dans chacun des trois angles, perpendiculairement aux faces de la plaque constituant le socle rigide 12. Les éléments filtrants 14 sont ainsi régulièrement répartis autour d'une surface cylindrique centrée sur un axe perpendiculaire aux faces de la plaque constituant le socle 12. Il est à noter que cet axe coincide avec l'axe optique de l'organe fragile prévu pour être monté sur le dispositif, lorsque cet organe est un élément optique tel qu'un miroir. On observera que la forme de la plaque constituant le socle rigide 12 peut être sensiblement différente de celle qui vient d'être décrite, à condition d'assurer une liaison rigide satisfaisante entre les éléments filtrants 14 et de permettre la fixation de la pièce monolithique 10 sur la structure porteuse. En particulier, lorsque le dispositif est prévu pour être installé sur un engin spatial, la plaque formant le socle 12 peut être partiellement évidée, afin de réduire la masse globale du dispositif. Comme l'illustre la figure 1, les trois éléments filtrants 14 sont de préférence totalement identiques entre eux et leurs premières extrémités, raccordées sur le socle rigide 12, sont situées dans un même plan, perpendiculaire à l'axe de la surface cylindrique précité. Dans l'exemple décrit, ce plan coïncide avec la face du socle 12, sur laquelle sont implantés les éléments filtrants. Les deuxièmes extrémités des éléments filtrants 14 sont également situées dans un même plan, parallèlement à celui qui contient leurs premières extrémités. L'utilisation de trois éléments filtrants explique la forme approximativement en triangle de la plaque constituant le socle rigide 12. En variante, un nombre d'éléments filtrants 14 supérieur à trois peut toutefois être utilisé. La forme de la plaque constituant le socle 12 est alors modifiée en conséquence. Chacun des éléments filtrants 14 comprend une lame principale 18 et deux lames secondaires 20 concourantes. Chaque lame principale 18 est rectangulaire, mince et plane, et son plan moyen est orienté tangentiellement à la surface cylindrique précitée. L'un des bords de chaque lame principale est raccordé directement sur le socle rigide 12, de telle sorte que ce bord coïncide avec la première extrémité de l'élément filtrant 14 correspondant. Le bord oppose de chacune des lames principales 18 est épaissi, de façon à supporter, à chacune de ses extrémités, une première extrémité de l'une des deux lames secondaires 20 de l'élément filtrant 14 correspondant. Les extrémités opposées des deux lames secondaires 20 sont reliées entre elles pour former une deuxième extrémité de l'élément filtrant 14, cette deuxième extrémité supportant l'un des patins 16 dans la forme de réalisation de la figure 1. De façon plus précise, les deux lames secondaires 20 de chaque élément filtrant 14 sont rectangulaires, minces et planes, et leur plan moyen est perpendiculaire au plan moyen de la lame principale 18 de l'élément filtrant correspondant. Par ailleurs, le plan bissecteur des plans moyens des deux lames secondaires 20 est orienté radialement par rapport à la surface cylindrique précitée, c'est-à-dire perpendiculairement au plan de la face du socle rigide 12 sur laquelle sont implantés les éléments filtrants 14. En d'autres termes, les deux lames secondaires 20 d'un même élément filtrant 14 sont agencées symétriquement par rapport à un plan passant par l'axe de la surface cylindrique. Par ailleurs, les plaques rectangulaires formant les lames secondaires 20 présentent une longueur relativement grande par rapport à leur largeur, et cette largeur est identique à celle du bord épaissi de la lame principale 18, sur lequel sont raccordées les lames secondaires 20. Le bord épaissi de la lame principale 18 forme ainsi, avec les deux lames secondaires 20, un triangle évidé, approximativement équilatéral, d'épaisseur uniforme. Dans la forme de réalisation représentée sur la figure 1, chacun des éléments filtrants 14 supporte un patin 16 indépendant à sa deuxième extrémité. Les patins 16 constituent des pièces d'interface, prévues pour recevoir l'organe fragile (non représenté). Généralement, la fixation de l'organe fragile sur les patins 16 s'effectue par collage. A cet effet, chacun des patins 16 présente une surface plane 22 de collage de cet organe fragile. Dans le cas de la figure 1, toutes les surfaces de collage 22 sont situées dans un même plan, perpendiculaire à l'axe de la surface cylindrique précitée. Lorsqu'il est opérationnel, chaque élément filtrant 14 assure une liaison rigide entre l'organe fragile collé sur les patins 16 et la structure porteuse à laquelle est fixé le socle 12, dans une direction de translation orientée perpendiculairement à l'axe de la surface cylindrique ainsi que dans une direction orientée parallèlement à cet axe. En revanche, la liaison présente une certaine souplesse selon les quatre autres degrés de liberté (c'est-à-dire en translation selon une direction perpendiculaire aux deux directions précitées et en rotation autour des axes matérialisant ces trois directions) du fait de la souplesse des lames principales 18 et secondaires 20 des éléments filtrants 14. Par combinaison de ces trois éléments 14, le dispositif de maintien illustré sur la figure 1 assure un supportage isostatique rigide selon les six degrés de liberté. On satisfait ainsi, d'une part, aux impératifs de tenue et de stabilité de l'organe fragile et, d'autre part, au désir d'assurer un filtrage efficace des déformations entre la structure porteuse et l'organe fragile. Par ailleurs, conformément à l'invention, la réalisation en une seule et même pièce du socle rigide 12, des éléments filtrants 14 et des patins 16 permet d'améliorer les performances de filtrage et de stabilité du dispositif, par rapport aux dispositifs de l'art antérieur. Ainsi, la rigidité du socle 12 permet d'atténuer de façon significative les déformations transmises aux premières extrémités des éléments filtrants 14. Pour une même performance de filtrage d'ensemble, la rigidité de ces éléments peut ainsi être augmentée, ce qui autorise le montage d'organes fragiles plus lourds, par rapport aux dispositifs de l'art antérieur. Dans les applications spatiales, l'orientation du dispositif de montage selon l'invention est indifférente. Dans les applications terrestres, l'axe de la surface cylindrique est de préférence orienté verticalement comme l'illustrent les figures. Les éléments filtrants 14 font alors saillie vers le haut sur le socle rigide 12, et supportent les patins 16 à leur extrémité supérieure. Les formes de réalisation qui vont à présent être décrites en se référant successivement aux figures 2, 3 et 4 différent essentiellement de la première forme de réalisation illustrée sur la figure 1 par la structure de l'interface par laquelle l'organe fragile est collé sur le dispositif. Le caractère monolithique de la pièce 10 formant le dispositif ainsi que la structure du socle 12 et des éléments 14 sont par ailleurs analogues à celles qui ont été décrites précédemment en se référant à la figure 1. Dans la forme de réalisation de la figure 2, au lieu de supporter chacun un patin indépendant, les trois éléments filtrants 14 sont raccordés à un patin unique 16 en forme de couronne, à leur deuxième extrémité. Plus précisément, le patin 16 en forme de couronne présente alors une surface plane unique 22 servant au collage de l'organe fragile. Cette surface plane unique 22 est située dans un plan perpendiculaire à l'axe de la surface cylindrique autour de laquelle sont répartis les éléments filtrants 14. En outre, elle est située sur la face du patin 16 en forme de couronne opposée à celle sur laquelle sont raccordés les éléments filtrants 14. Dans la forme de réalisation de la figure 3, on retrouve un agencement comparable à celui de la figure 1, c'est-à-dire que chacun des éléments filtrants 14 supporte un patin 16 indépendant à sa deuxième extrémité. Cette forme de réalisation se distingue toutefois de celle de la figure 1 par le fait que les surfaces planes 22, qui sont prévues sur chacun des patins 16 pour assurer le collage de l'organe fragile, sont orientées tangentiellement à la surface cylindrique, et tournées vers l'axe de cette surface, c'est-à-dire vers l'intérieur du dispositif. A la différence des formes de réalisation précédemment décrites en se référant aux figures 1 et 2, cette forme de réalisation de la figure 3 est prévue pour permettre la fixation de l'organe fragile par sa périphérie. Cet agencement peut notamment être utilisé dans le cas où l'organe fragile peut être monté par l'intermédiaire d'un pied. La forme de réalisation de la figure 4 concerne un montage de l'élément fragile par sa périphérie, comparable à celui de la figure 3, dans le cas où les trois éléments filtrants 14 sont raccordés à un patin 16 unique en forme de couronne, comme dans la forme de réalisation de la figure 2. Dans ce cas, le patin unique 16 en forme de couronne présente intérieurement trois surfaces planes 22, situées à proximité des deuxièmes extrémités des éléments filtrants 14. Ces surfaces planes 22 permettent la fixation, par collage, de l'organe fragile, par exemple par l'intermédiaire d'un pied. Elles sont orientées tangentiellement à la surface cylindrique autour de laquelle sont répartis les éléments filtrants 14. Le patin unique 16 en forme de couronne peut alors présenter une épaisseur sensiblement uniforme sur toute sa circonférence, comme dans la forme de réalisation de la figure 2 ou, de préférence, une épaisseur réduite entre les zones dans lesquelles sont formées les surfaces de reprise 22, afin d'alléger le dispositif et de permettre, en adaptant la souplesse de la zone réduite, de limiter la dilatation différentielle entre le dispositif et l'organe fragile, comme on l'a représenté sur la figure 4. Cette dernière disposition est particulièrement adaptée aux applications spatiales. REVENDICATIONS 1. Dispositif de montage isostatique d'un organe fragile, tel qu'un miroir, sur une structure porteuse, ce dispositif étant caractérisé par le fait qu'il comprend une seule pièce monolithique (10), dans laquelle sont formés - un socle rigide (12) apte à être fixé sur la structure porteuse - au moins trois éléments filtrants (14) dont une première extrémité est raccordée sur le socle rigide, es éléments filtrants étant régulièrement répartis autour d'une surface cylindrique, assurant une liaison rigide dans deux directions, orientées parallèlement à un axe de la surface cylindrique et perpendiculairement à cet axe, et assurant une liaison souple selon les quatre autres degrés de liberté ; et - au moins un patin (16) apte à recevoir l'organe fragile, ce patin étant raccordé à une deuxième extrémité des éléments filtrants (14). 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel chaque élément filtrant (14) comprend une lame principale (18) orientée tangentiellement à la surface cylindrique, et deux lames secondaires (20) concourantes ayant chacune un plan moyen perpendiculaire à un plan moyen de la lame principale (18). 3. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel les deux lames secondaires (20) de chacun des éléments filtrants (14) sont agencées symétriquement par rapport à un plan orienté radialement relativement à ladite surface cylindrique. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, dans lequel la première extrémité de chacun des éléments filtrants (14) est adjacente à la lame principale (18) et la deuxième extrémité est adjacente à une zone de convergence des deux lames secondaires (20). 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel chaque élément filtrant (14) supporte un patin indépendant (16) à sa deuxième extrémité. 6. Dispositif selon la revendication 5, dans lequel chaque patin (16) présente une surface (22) de collage de l'organe fragile, orientée tangentiellement à ladite surface cylindrique et tournée vers l'axe de celle-ci (figure 3). 7. Dispositif selon la revendication 5, dans lequel chaque patin (16) présente une surface (22) de collage de l'organe fragile, les surfaces de collage des patins étant toutes situées dans un même plan perpendiculaire à l'axe de ladite surface cylindrique (figure 1). 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel les trois éléments filtrants (14) sont raccordés à un patin unique (16) en forme de couronne, à leur deuxième extrémité. 9. Dispositif selon la revendication 8, dans lequel le patin unique (16) en forme de couronne présente intérieurement trois surfaces (22) de collage de l'organe fragile, situées à proximité des deuxièmes extrémités des éléments filtrants, orientées tangentiellement à ladite surface cylindrique (figure 4). 10. Dispositif selon la revendication 8, dans lequel le patin unique (16) en forme de couronne présente une surface (22) de collage de l'organe fragile, située dans un plan perpendiculaire à l'axe de ladite surface cylindrique (figure 2). 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les trois éléments filtrants sont identiques. 12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les premières et les deuxièmes extrémités des éléments filtrants (14) sont situées dans deux plans parallèles entre eux et perpendiculaires à l'axe de ladite surface cylindrique.