Brevet FR2784653A1 — publié le 20000421

l. L'invention concerne un générateur à panneaux solaires pour fournir de l'énergie électrique à un satellite ainsi que son procédé de fabrication. Un générateur solaire pour satellite est généralement construit à partir d'une série de panneaux plats, reliés structurellement les uns aux autres par des charnières et au satellite par un bâti comportant un mécanisme de déploiement. La liaison par charnière permet aux panneaux d'être repliés de façon solide et compacte adaptée au lancement du satellite. Une fois le satellite mis en orbite, les panneaux sont dépliés afin de déployer le générateur solaire. Chaque panneau supporte des i0 centaines de cellules individuelles collées sur une face de celui-ci pour recevoir la lumière provenant du soleil et la convertir en énergie électrique pour alimenter les systèmes du satellite. La conception de chaque panneau est complexe en ce qu'il doit assurer l'intégrité structurelle du générateur, tout en réalisant d'autres fonctions telles que l'isolation électrique, la conduction thermique et la dissipation de chaleur pour les cellules individuelles. Lorsque le générateur est déployé, des moments significatifs sont générés par chaque mouvement du satellite. Ces mouvements se produisent souvent, puisque l'attitude et l'orbite du satellite sont ajustées au cours des opérations normales de maintien de station. Les contraintes subies par les panneaux sont donc considérables et variées puisque le générateur fléchit sur son envergure déployée. En particulier, dans les générateurs solaires déployés après séparation de la fusée, mais avant que l'orbite finale ne soit obtenue, une contrainte de fléchissement limitant la conception existe lorsque le dispositif principal de poussée est allumé à l'apogée pour optimiser l'orbite. Chaque générateur est animé d'un mouvement harmonique dépendant de ses dimensions, de sa densité et de ses composants qui doivent être soigneusement, conditionnés pour empêcher l'endommagement du générateur. En outre, un des critères principaux de conception pour tous les composants d'un satellite est le poids et celui-ci joue nécessairement un rôle important dans la construction des panneaux. Le brevet U.S. n 5 614 033, délivré à Robinson et al., décrit un panneau en nid d'abeilles qui procure la combinaison d'une intégrité structurelle et d'un noyau dissipateur de chaleur efficace. Le brevet U.S. n 5 520 747 montre une structure de générateur qui utilise des panneaux réfléchissant pour augmenter le rendement des cellules solaires et procurer une structure au panneau déployé. Les structures en sandwich à nid d'abeilles, constituées de couches de surface extérieure plates à haute résistance et d'un noyau en nid d'abeilles cellulaire, se sont avérées être des éléments de construction efficaces pour générateur à panneau solaire. Une structure en nid d'abeilles spécifique est décrite dans le brevet n 5 614 033 cité plus haut. Le but de la présente invention est de procurer une réduction de poids aussi importante que 20 % tout en répartissant plus régulièrement les contraintes sur l'ensemble de panneaux solaires. A cet effet, et selon un premier aspect, I'invention a pour objet un générateur à panneaux solaires pour fournir de l'énergie électrique à un satellite, comportant une série de panneaux interconnectés assemblés en une étendue plane allongée, ladite étendue étant connectée à son extrémité intérieure au satellite et ayant une extrémité extérieure; dans lequel le premier panneau de ladite série de panneaux est positionné à la partie la plus intérieure de l'étendue et est construit avec une première épaisseur uniforme prédéterminée, et en ce que chaque panneau voisin vers l'extérieur de la série est conçu pour assurer une répartition uniforme des contraintes sur la longueur de l'étendue. Selon une réalisation, chaque panneau voisin vers l'extérieur a une épaisseur uniforme réduite d'une quantité prédéterminée par rapport à ladite première épaisseur uniforme et par rapport à l'épaisseur du panneau intérieur immédiatement voisin, afin de construire ainsi un profil d'épaisseur effilé graduellement de l'extrémité intérieure à l'extrémité extérieure de l'étendue. Selon un deuxième aspect l'invention à pour objet un procédé de fabrication d'un générateur à panneaux solaires pour alimenter un satellite, dans lequel le générateur comprend une série de panneaux interconnectés assemblés en une étendue plane allongée ayant une extrémité intérieure et une extrémité extérieure, ladite étendue étant soumise à des contraintes générées par des forces agissant sur le bras de levier formé par l'étendue, ledit procédé comportant les étapes de: - construire un premier panneau ayant une forme plane et une première épaisseur prédéterminée; - assembler ledit premier panneau pour former l'extrémité intérieure de l'étendue; et - construire une série de panneaux suivants conçue pour assurer une répartition uniforme des contraintes sur la longueur de l'étendue; et - assembler lesdits panneaux suivants sequentiellement, mutuellement et avec le premier panneau afin qu'ils s'étendent de l'extrémité intérieure à l'extrémité extérieure pour assurer ladite répartition uniforme des contraintes. Selon une réalisation, l'étape de construction d'une série de panneaux suivants conçue pour assurer une répartition uniforme des contraintes comporte les étapes de construire une série de panneaux suivants ayant chacun une forme plane et une épaisseur prédéterminée, ladite épaisseur étant réduite d'une quantité prédéterminée par rapport à la première épaisseur prédéterminée; et l'étape d'assemblage desdits panneaux suivants séquentiellement et mutuellement comporte l'étape d'assembler chacun des panneaux suivants mutuellement et avec le premier panneau afin de former l'étendue, chaque panneau ayant une épaisseur prédéterminée, ladite épaisseur étant réduite d'une quantité prédéterminée par rapport à la première épaisseur prédéterminée et par rapport à l'épaisseur du panneau intérieur immédiatement voisin, afin de former un profil d'épaisseur pour l'étendue qui soit effilé graduellement de l'extrémité intérieure à l'extrémité extérieure de l'étendue. Une série de panneaux solaires est assemblée en un ensemble destiné à être utilisé comme source d'énergie électrique solaire pour un satellite. L'ensemble s'étend à partir d'un bâti qui supporte celui-ci à son extrémité intérieure jusqu'à sa pointe à l'extrémité extérieure de l'envergure complètement déployée. L'envergure, est constituée de panneaux multiples en sandwich à nid d'abeilles interconnectés d'une manière permettant à l'ensemble de se rétracter pour le lancement et de se déployer pour l'utilisation. Les panneaux sont conçus avec une épaisseur décroissante du bâti à la pointe afin d'obtenir une répartition constante des contraintes. Les panneaux sont assemblés pour former une étendue effilée graduellement, chaque panneau étant d'une épaisseur uniforme réduite d'une valeur prédéterminée par rapport à son voisin immédiat vers l'intérieur. L'invention de cette application est décrite plus en détail ci-dessous, avec référence aux dessins annexés, dans lesquels La figure 1 est une vue du dessus du générateur solaire de la présente invention; la figure 2 est une vue latérale du générateur solaire de la présente invention; la figure 3 est une vue latérale du générateur solaire de la technique antérieure; et la figure 4 est une vue en perspective d'un satellite avec un générateur solaire déployé en fonctionnement. Le générateur solaire 1 suivant la présente invention est représenté sur la figure 4 complètement déployé pour son fonctionnement afin de recevoir l'énergie provenant du soleil pour sa conversion en électricité afin d'alimenter les systèmes du satellite 12. Le générateur 1 est un ensemble de panneaux de structure 3 à 6 supportés par un bâti 2 sur le satellite 12. Chacun des panneaux 3, 4, 5 et 6 supporte de nombreuses cellules solaires 13 connectées de façon appropriée pour convertir l'énergie radiante provenant du soleil en énergie électrique. Comme on peut le voir au mieux sur la figure 1, chaque générateur s'étend du bâti 2 à la pointe 11 et comporte une étendue de panneaux interconnectés 3, 4, 5, 6. Les panneaux fournissent un substrat pour le montage des cellules solaires 13 et de leur système associé. Les panneaux peuvent être interconnectés par des charnières 7, 8, 9 et 10 construites pour permettre à chaque panneau d'être replié ensemble en accordéon en une structure solide et compacte pour le lancement du satellite. Le bâti 2 peut comporter des mécanismes, tels que ceux décrits dans le brevet no 5 520 747 cité plus haut, qui actionneront le déploiement du générateur 1 et la verrouilleront en place lorsque le satellite 12 aura atteint son orbite. Chaque substrat ou panneau est généralement construit à partir d'un matériau inerte afin de fournir un plan de montage isolé électriquement pour les cellules solaires 13. Comme il est suggéré dans le brevet no 5 614 033, une pellicule extérieure de polymère KEVLAR , déjà utilisée avec efficacité, procurera à la fois résistance et rigidité. Des fibres de graphite à haut module avec un film isolant approprié peuvent également être utilisées. La pellicule extérieure entoure généralement une structure à nid d'abeilles en aluminium. 5. Comme le montre la figure 2, le générateur 1 s'étend sur une longueur L et forme un moment significatif dépendant de la masse et de la densité des panneaux. En utilisant les équations connues de modélisation des contraintes dans un générateur à panneaux solaires, le moment à une section quelconque peut être déterminé. Le moment est maximum à l'extrémité intérieure la plus proche du bâti 2. Ceci maximise les contraintes aux connections au bâti en laissant le reste de la structure du générateur 1 sous utilisé pour le support. Les contraintes dans le générateur sont déduites du moment de fléchissement Mx par la formule: sy*=_QllzM., bD1 O Q est la rigidité réduite de la contrainte du plan, z est la coordonnée transversale et Dl, est la rigidité au fléchissement du générateur déduite de la théorie des plaques stratifiées. Donc, le moment de fléchissement d'un générateur d'épaisseur constante (la technique antérieure) en charge inertielle peut être décrit par la formule: M= pgbh (L -)2 o p est la densité de l'ensemble, g est l'accélération, b est la largeur du générateur, h est l'épaisseur du générateur, L est la longueur et x la coordonnée longitudinale. La lecture de ces relations mathématiques indique que ces contraintes sont à un maximum au pied du porte-à-faux (x = 0). Ceci montre qu'avec un ensemble de section transversale uniforme les contraintes seront maximisées au pied du générateur. En utilisant ces calculs et d'autres algorithmes de modélisation, on peut montrer qu'une répartition constante des contraintes peut être procurée effectivement par un profil effilé du générateur. Afin de faciliter la fabrication des panneaux individuels 3, 4, 5 et 6, les panneaux sont construits comme le montre la figure 2. L'épaisseur (t) de chaque panneau est réduite par rapport aux panneaux intérieurs voisins afin de simuler un générateur ayant un profil effilé du bâti 2 à la pointe 11. Avec une conception à quatre panneaux, une épaisseur de départ t3 = 25,4 mm (1 pouce) pour le panneau 3 serait diminuée de 6,35 mm (1/4 de pouce) pour chaque panneau, c'est-à-dire que t4 = 19,05 mm (3/4 de pouce), t5 = 12,7 mm (1/2 pouce) 6-; et t6 = 6,35 mm (1/4 de pouce). De cette manière, la masse du générateur est réduite de 20 %, tandis que la répartition des contraintes est plus constante. Le résultat est une réponse améliorée aux contraintes sur l'étendue du générateur avec une première fréquence naturelle sans changement par rapport à un générateur d'épaisseur uniforme. REVENDICATIONS 1. Générateur à panneaux solaires (1) pour fournir de l'énergie électrique à un satellite (12), comportant une série de panneaux (3, 4, 5, 6) interconnectés assemblés en une étendue plane allongée, ladite étendue étant connectée à son extrémité intérieure au satellite (12) et ayant une extrémité extérieure, caractérisé en ce que le premier panneau (3) de ladite série de panneaux est positionnée à la partie la plus intérieure de l'étendue et est construit avec une première épaisseur (t3) uniforme prédéterminée, et en ce que chaque panneau voisin vers l'extérieur (4, 5, 6) de la série est conçue pour assurer une répartition uniforme des contraintes sur la longueur (L) de l'étendue. 2. Générateur à panneaux solaires (1) pour fournir de l'énergie électrique à un satellite (12) selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque panneau voisin vers l'extérieur (4, 5, 6) a une épaisseur uniforme (t4, t5, t6) réduite d'une quantité prédéterminée par rapport à ladite première épaisseur uniforme (t3) et par rapport à l'épaisseur du panneau intérieur immédiatement voisin, afin de construire ainsi un profil d'épaisseur effilé graduellement de l'extrémité intérieure à l'extrémité extérieure de l'étendue. 3. Procédé de fabrication d'un générateur à panneaux solaires (1) pour alimenter un satellite (12), dans lequel le générateur (1) comprend une série de panneaux (3, 4, 5, 6) interconnectés assemblés en une étendue plane allongée ayant une extrémité intérieure et une extrémité extérieure, ladite étendue étant soumise à des contraintes générées par des forces agissant sur le bras de levier formé par l'étendue, ledit procédé comportant les étapes de: - construire un premier panneau (3) ayant une forme plane et une première. épaisseur prédéterminée (t3); - assembler ledit premier panneau (3) pour former l'extrémité intérieure de l'étendue; et - construire une série de panneaux suivants (4, 5, 6) conçue pour assurer une répartition uniforme des contraintes sur la longueur de l'étendue; et - assembler lesdits panneaux suivants (4, 5, 6) séquentiellement, mutuellement et avec le premier panneau (3) afin qu'ils s'étendent de l'extrémité intérieure à l'extrémité extérieure pour assurer ladite répartition uniforme des contraintes. 4. Procédé de construction d'un générateur à panneaux solaires (1) pour alimenter un satellite (12) selon la revendication 3, dans lequel l'étape de construction d'une série de panneaux suivants (4, 5, 6) conçue pour assurer une répartition uniforme des contraintes comporte les étapes de construire une série de panneaux suivants (4, 5, 6) ayant chacun une forme plane et une épaisseur prédéterminée (t4, t5, t6), ladite épaisseur (t4, t5, t6) étant réduite d'une quantité o prédéterminée par rapport à la première épaisseur prédéterminée (t3); et dans lequel l'étape d'assemblage desdits panneaux suivants (4, 5, 6) séquentiellement et mutuellement comporte l'étape d'assembler chacun des panneaux suivants (4, , 6) mutuellement et avec le premier panneau (3) afin de former l'étendue, chaque panneau (4, 5, 6) ayant une épaisseur prédéterminée (t4, t5, t6), ladite épaisseur (t4, t5, t6) étant réduite d'une quantité prédéterminée par rapport à la première épaisseur prédéterminée (t3) et par rapport à l'épaisseur du panneau intérieur immédiatement voisin, afin de former un profil d'épaisseur pour l'étendue qui soit effilé graduellement de l'extrémité intérieure à l'extrémité extérieure de l'étendue.