Brevet FR2761116A1 — publié le 19980925

ACTIONNEUR ROTATIF A BARREAU EN ALLIAGE A MEMOIRE DE FORME La présente invention concerne les actionneurs rotatifs et elle est applicable chaque fois qu'on cherche à réaliser un actionneur de faible volume et de constitution simple destiné à créer un couple de rotation sur une plage de rotation limitée. Elle trouve une application particulière- ment importante, bien que non exclusive, dans les systèmes de déplacement de panneaux solaires sur engin spatial. A l'heure actuelle, les fonctions de matérialisation d'un axe de rotation, de génération de couple et de régula- tion de l'opération de rotation sont remplies par des éléments distincts. La présente invention vise à fournir un actionneur dans lequel les mêmes éléments remplissent l'ensemble des fonctions. Elle utilise dans ce but la propriété des alliages à mémoire de forme qui présentent deux phases solides différentes, martensitique à basse température et austénitique à haute température, avec passage progressif d'une phase à l'autre lorsqu'on réchauffe l'alliage. L'invention propose en conséquence un actionneur rotatif comportant un barreau en matériau à mémoire de forme dont les extrémités sont munies d'éléments d'interface avec des éléments à faire tourner l'un par rapport à l'autre et d'isolement thermique, entouré de moyens de chauffage électrique permettant de porter le barreau au-delà de la température de passage au domaine austénitique. Un tel actionneur présente de nombreuses caractéristi- ques favorables. Il est très fiable, du fait du nombre réduit de composants, de la progressivité de variation du couple exercé en début et en fin de course; son coût de fabrication est faible; il est aisément adaptable à l'environnement du fait de sa constitution modulaire. La plage de rotation peut être étendue, et dépasser 180 ; le couple moteur peut être de plusieurs Nm, ce qui est suffisant pour de nombreuses application, et notamment en apesanteur. L'actionneur peut être à action unique, par exemple lorsqu'il est destiné à déployer les panneaux solaires ou les réflecteurs d'un satellite après mise à poste de ce dernier. Il peut également être rendu réversible en y adjoignant des moyens élastiques de réarmement n'exerçant qu'un couple faible. Ces moyens classiques peuvent notamment être constitués par un ressort interposé entre les extrémi- tés du barreau. Dans ce cas, l'actionnement est obtenu par chauffage pour passer au domaine austénitique et maintien en température. Le réarmement se produit au cours du refroidis- sement sous contrainte. L'alternance actionnement-réarmement sera généralement utilisée pour déplacer l'élément entraîné, puis le ramener dans sa position d'origine. Toutefois elle permet également, en ajoutant un encliquetage, d'obtenir n'importe quelle amplitude de rotation, la seule condition étant que la fréquence des alternances soit suffisamment faible pour être compatible avec l'inertie thermique des composants de l'actionneur et la lenteur inhérente des phénomènes physi- ques mis en jeu. Une rotation de 180 peut être obtenue sans difficulté en quelques minutes avec une puissance de chauffage faible. Les moyens de chauffage peuvent avoir des constitutions très diverses. Il est seulement nécessaire qu'ils puissent tolérer la déformation en torsion du barreau, qui est de forme cylindrique en règle générale. Ils peuvent notamment être constitués par une bande résistive en matériau souple, enroulée autour du barreau et maintenue plaquée contre le barreau par un ressort bobiné. Ils peuvent aussi être constitués par un manchon résistif ayant une élasticité qui le maintient appliqué contre le barreau. Les moyens peuvent encore comporter un élément de chauffage par effet Joule en matériau à coefficient de température positif, dit PTC, qui assure une régulation de température du fait que sa résis- tance augmente rapidement avec la température au-delà d'un seuil. La composition précise choisie pour l'alliage à mémoire de forme, à base de TiNi, sera choisie en fonction de l'application envisagée et notamment des températures de transformation souhaitées. En général, on utilisera un alliage TiNi à faible teneur en Cu, tel que l'alliage 45,3 % Ti-48,5 % Ni-6 % Cu, dont les propriétés métallurgiques en dehors des phases de transformation sont proches de celles du titane. Les éléments d'interface peuvent notamment être consti- tués par des troncons tubulaires en métal à faible conducti- vité thermique, tel que le titane, entourant des parties terminales du barreau; plusieurs tronçons peuvent être placés concentriquement et reliés mécaniquement en série pour diminuer la conductivité thermique. Cette disposition n'est nullement la seule possible. La forme choisie dépendra des efforts d'interface et des découplages thermiques recherchés. Par exemple les éléments peuvent être constitués par des anneaux reliés alternativement par les périphéries internes et externes. L'actionneur est susceptible de nombreuses applications, notamment dans l'espace. On peut notamment citer l'applica- tion à une disposition de déploiement ou d'orientation d'un réflecteur, d'une antenne, d'un générateur solaire, d'un bras d'équilibrage, d'un équipement, d'un panneau ou d'une structure d'engin spatial. Les caractéristiques ci-dessus, ainsi que d'autres, apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit d'un mode particulier de réalisation de l'invention, donné à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels: - la figure 1 est une vue en coupe longitudinale des composants essentiels d'un actionneur suivant un mode particulier de réalisation; - la figure 2 est une vue en bout montrant les moyens de fixation d'un élément à déplacer angulairement; la figure 3 est une vue en bout de l'actionneur de la figure 1 le montrant dans deux positions extrêmes; - les figures 4 et 5 sont des vues en bout d'un généra- teur solaire équipé d'actionneurs suivant la figure 1, à l'état déployé et à l'état replié; et - la figure 6 montre la variation de la déformation d'un alliage utilisable pour mettre en oeuvre l'invention, en fonction de la température, c'est-à-dire son cycle d'hysté- résis. L'actionneur dont la constitution de principe est montré en figure 1 comprend un barreau cylindrique 10 en alliage à mémoire de forme, généralement un alliage TiNi à faible teneur de cuivre, qui passe progressivement de l'état martensitique à l'état austénitique lorsqu'on le chauffe d'une température froide T2 à une température chaude T1, en prenant au passage divers états cristallographiques (figu- re 6). Un tel barreau, lorsqu'il est mis sous une contrainte de torsion à une température au moins égale à T1 et refroidi jusqu'à T2, concerne la déformation en torsion qui lui a été imposée. Si on le réchauffe ensuite, il tend à revenir à sa forme d'origine et il est capable d'exercer un couple de torsion. La déformation angulaire peut atteindre 180 pour un barreau dont la longueur atteint vingt fois environ son diamètre, ou même la dépasser. Aux extrémités du barreau sont fixés des éléments d'interface qui remplissent plusieurs fonctions. Ils assurent la liaison mécanique avec des éléments à faire tourner l'un par rapport à l'autre et transmettent les efforts. Ils limitent les échanges thermiques entre le barreau et l'environnement. Dans le cas illustré sur la figure 1, chacun de ces éléments d'interface est constitué de deux tronçons tubulaires concentriques en matériau à faible conductibilité thermique, tel que le titane. Le tronçon tubulaire interne 12 est relié à une extrémité du barreau 10 et entoure une portion terminale du barreau. Le tronçon externe 14 entoure le tronçon interne et il relie l'extrémité du tronçon la plus proche du centre du barreau à un élément extérieur à déplacer angulairement. Dans le cas illustré sur la figure 1, la jonction avec chaque élément extérieur est réalisée par un anneau respec- tif 16 auquel le tronçon externe 14 est fixé de façon perma- nente, par exemple par soudage. L'anneau est percé de trous oblongs 18 de réception de vis de fixation, permettant un ajustement de la position angulaire sur l'élément extérieur à entraîner ou un élément qui sert d'appui, suivant le cas. Divers modes de liaison entre le tronçon tubulaire interne et l'extrémité respective du barreau peuvent être utilisés. Dans le cas montré en figure 1, le tronçon interne est fixé de façon permanente à la périphérie d'un disque 20 percé d'un trou central de réception d'un prolongement du barreau. Des passages taraudés radiaux du disque 20 recoi- vent des vis de pression 22, destinées à s'appliquer contre le prolongement et à solidariser le disque d'une extrémité du barreau. Cette constitution modulaire permet un montage et un démontage simples de l'actionneur proprement dit. Cette conception permet donc, si nécessaire, un réarme- ment externe de l'actionneur. Les parties 12, 14, 16 et 20 peuvent constituer une seule pièce réalisée par électroéro- sion ou par soudage. Des moyens 24 de chauffage du barreau recouvrent ce dernier sur la quasi totalité de sa longueur. Ces moyens peuvent avoir diverses constitutions. Ils peuvent être constitués par une bande résistive en matériau souple, munie de connexions de liaison avec une alimentation, maintenue plaquée sur le barreau par un ressort en hélice bobiné (non représenté) entourant la bande et exerçant sur elle un effort de compression. Ils peuvent également être constitués par un manchon en matériau élastique contenant une résis- tance chauffante ou par d'autres éléments encore. Si un matériau à coefficient de température positif est utilisé, il est souhaitable d'adopter un matériau dont la résistance augmente fortement à une température légèrement supérieure à la température de transformation complète de l'alliage à l'état austénitique. Parmi les propriétés favorables d'un tel actionneur, il faut noter l'encombrement et la masse faibles, la progressi- vité du mouvement avec absence de vibrations, l'absence de choc en fin de mouvement et la stabilité de la position finale en l'absence de contrainte. Le raccordement à des éléments extérieurs que l'action- neur doit déplacer l'un par rapport à l'autre peut être assuré par des moyens très divers. Dans le cas illustré sur la figure 1, les anneaux 16 sont prévus pour être fixés à des ferrures respectives 26 et 28. Des vis passant dans les trous oblongs 18 raccordent les anneaux à des manchons respectifs 30 dont chacun porte un roulement ou une bague 32. Chaque ferrure est fixée d'un côté à un des manchons ; elle tourne de l'autre côté sur une des bagues ou roulements 32. Dans le cas o un actionneur est prévu pour fonctionner une seule fois, il peut être complété par des moyens de verrouillage qui le maintiennent dans la position o il a été amené par réchauffement. Dans le cas montré en figure 3, un cliquet 34 est monté sur un axe 36 porté par la ferrure 26. Un ressort non représenté maintient le cliquet contre l'autre ferrure 28 qui présente un redan 38 contre lequel vient s'engager le cliquet en fin de mouvement. Une butée de fin de course 40, généralement ajustable, peut être montée sur la ferrure 26 pour fixer la position limite de la ferrure 28 et éviter un mouvement relatif ou des vibrations. Le chauffage peut alors être coupé. Lorsque l'on souhaite rendre l'actionneur réversible, -7 des moyens élastiques de rappel capables d'exercer un couple au moins égal au couple de réarmement dans l'état initial sont prévus. En effet le couple de réarmement peut être plus faible que le couple de motorisation que pourra fournir le barreau d'alliage à mémoire de forme lors de son réchauffage (transformation de l'énergie thermique en énergie mécani- que). Ces moyens de réarmement peuvent être constitués par exemple par un ressort reliant les deux extrémités du barreau ou reliant les deux ferrures. Dans ce cas, le couple que peut exercer le barreau doit être tel qu'il puisse surmonter à la fois l'effort antagoniste des moyens élasti- ques de réarmement et les forces de frottement. Les caractéristiques d'un actionneur suivant l'invention sont particulièrement intéressantes pour le déploiement des générateurs solaires d'un satellite. Dans ce cas en effet, il est souhaitable d'éviter les chocs et de réaliser un déploiement très progressif. Les figures 4 et 5 montrent un générateur solaire équipé de quatre actionneurs 42 du genre montré en figure 3, dont l'un relie le générateur dans son ensemble au corps 44 du satellite et les autres relient les panneaux solaires 46 entre eux. Pour limiter le nombre de liaisons électriques devant transiter par le mécanisme d'orientation du générateur solaire (par rapport au soleil), des connections directes vers la plateforme satellite peuvent être obtenues à l'aide des plots de connexion (48). Ils peuvent être placés sur les ferrures à un emplacement tel qu'ils viennent en contact mutuel lorsque les panneaux sont repliés les uns contre les autres, lors du lancement et jusqu'à mise à poste. Une fois que le satellite est à poste, le déploiement séquentiel des panneaux peut être obtenu en alimentant les actionneurs à travers les plots de connexion (48). Une autre application possible d'un actionneur suivant le schéma général de la figure 3, sans cliquet 34 de blocage dans sa position terminale, est constitué par l'orientation des panneaux solaires d'un satellite en orbite basse, qui passe dans la zone d'ombre de la terre à chaque révolution. Dans ce cas, la température du barreau 10 est pilotée de façon que la rotation provoquée par l'actionneur suive le mouvement apparent du soleil. Le réchauffage est coupé pendant la phase d'éclipse de facon que le ressort de rappel assure le réarmement. La progressivité de la transformation, montrée sur la figure 6, permet un tel pilotage. Il peut être réalisé en boucle fermée, en prévoyant un codeur rotatif sur la liaison entre le corps du satellite et le générateur solaire. Il est également possible de réaliser l'actionneur de façon qu'il puisse provoquer un déplacement angulaire d'amplitude quelconque. Pour cela, il est incorporé à un mécanisme dans lequel le barreau peut être désolidarisé de la partie fixe et réarmé par un ressort de rappel à l'issue de chaque action, puis resolidarisé. Cette resolidarisation du barreau avec la partie fixe (et/ou la partie mobile) peut également être réalisée à l'aide d'un élément en alliage à mémoire de forme, tel qu'un manchon élastique en matériau à mémoire de forme muni de moyens de chauffage ou un cliquet actionné par un ressort ou une lame en alliage à mémoire de forme. Deux mécanismes exerçant des actions de sens opposés peuvent être associés pour constituer une commande bidirec- tionnelle. REVENDICATIONS 1. Actionneur rotatif comportant un barreau (10) en matériau à mémoire de forme dont les extrémités sont munies d'éléments d'interface avec des éléments à faire tourner l'un par rapport à l'autre et d'isolement thermique, entouré de moyens (20) de chauffage électrique permettant de porter le barreau au-delà de la température de passage au domaine austénitique. 2. Actionneur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend de plus des moyens élastiques de réarme- ment exerçant sur le barreau un couple de torsion qui tend à ramener le barreau dans un état d'origine. 3. Actionneur selon la revendication 1, caractérisé par des moyens d'encliquetage destinés à bloquer les deux éléments dans l'orientation relative o ils ont été amenés par chauffage du barreau. 4. Actionneur selon la revendication 1, 2 ou 3, caracté- risé en ce que les moyens de chauffage (20) sont constitués par une bande résistive au matériau souple, enroulée autour du barreau et maintenue plaquée contre le barreau par un ressort bobiné. 5. Actionneur selon la revendication 1, 2 ou 3, caracté- risé en ce que les moyens de chauffage (20) sont constitués par un manchon résistif ayant une élasticité qui le main- tient appliqué contre le barreau. 6. Actionneur selon la revendication 1, 2 ou 3, caracté- risé en ce que les moyens de chauffage comportent un élément de chauffage par effet Joule en matériau à coefficient de température positif. 7. Actionneur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les éléments d'interface sont constitués par des tronçons tubulaires (12,14) en métal à faible conductivité entourant des portions terminales du barreau. 8. Application d'un actionneur selon la revendication 2 à un mécanisme de déplacement angulaire d'amplitude illimi- tée, caractérisé en ce que le barreau est désolidarisable et resolidarisable à la demande d'un des éléments. 9. Application d'un actionneur selon la revendication 2 à un dispositif d'orientation des panneaux solaires d'un satellite en orbite basse, comportant des moyens pour piloter la température du barreau (10) de façon que la rotation provoquée par l'actionneur suive le mouvement apparent du soleil et couper le chauffage pendant les phases d'éclipse de façon que les moyens de réarmement ramènent les éléments dans leur position d'origine. 10. Application d'un actionneur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 a une disposition de déploiement ou d'orientation d'un réflecteur, d'une antenne, d'un généra- teur solaire, d'un bras d'équilibrage, d'un équipement, d'un panneau ou d'une structure.