Brevet FR2784962A1 — publié le 20000428

La présente invention concerne un générateur so- laire pour satellites ayant un grand nombre de cellules so- laires à une structure de support avec un noyau en nids d'abeilles entre une peau supérieure et une peau inférieure. L'alimentation en énergie des satellites est as- surée par des cellules solaires fixées sur des structures sandwichs à fibres de carbone très résistantes. De telles structures sont exposées à des charges considérables surtout au moment du lancement; ces charges résultent des vibra- tions. Il s'agit d'accélérations allant jusqu'à 30 g. La plage des fréquences des vibrations est de l'ordre d'au moins Hz à 100 Hz. Le document US 4 394 529 décrit un générateur so- laire avec un grand nombre de cellules solaires sur une structure sandwich. La structure sandwich est formée de noyaux en nids d'abeilles en aluminium et entre les couches ou les strates, il y a du kevlar. Pour augmenter la résis- tance, le côté arrière de la structure de la support comporte une disposition de tiges formant des éléments de rigidifica- tion à cause des vibrations. En plus des vibrations évoquées ci-dessus, il y a également comme charge supplémentaire, la pression phonique, créée par le bruit des moteurs des fusées de transport au lancement, sous l'habillage aérodynamique de la pointe de la fusée. La contrainte principale de la pression phonique se situe essentiellement dans un domaine de fréquence allant d'environ 150 Hz à environ 500 Hz. Cela constitue un risque particulier pour les structures légères ou les composants sandwichs avec des peaux minces. Les contraintes engendrées par la pression phonique augmentent fortement avec la taille des panneaux, c'est pourquoi, on ne peut réaliser de grands générateurs solaires qu'avec un poids important. De plus, les déformations de la structure engendrées par le son conduisent à des endommagements des cellules solaires sensibles. La présente invention a pour but de développer un générateur solaire pour des engins spatiaux ou des satellites dans lequel les contraintes engendrées ou les risques de dom- 1FTFTIULUJT 1fl mages des pièces sous l'effet de la pression phonique sont réduits, tout en maintenant le poids à un niveau faible. A cet effet, l'invention concerne un générateur solaire du type défini ci-dessus caractérisé en ce que les résonateurs sont intégrés dans la structure de support et/ou sont couplés à celle-ci. Le générateur solaire selon l'invention comporte un grand nombre de cellules solaires et une structure de sup- port ayant un noyau en nids d'abeilles entre une peau supé- rieure et une peau inférieure ainsi que des résonateurs intégrés et/ou couplés à la structure de support. Grâce aux résonateurs intégrés ou couplés à la structure, on réduit la charge du son et ainsi le risque auquel sont exposées les pièces. On diminue la sollicitation de la structure. En par- ticulier, on peut réduire très fortement les contraintes en- gendrées par le son dans la plage des fréquences comprise entre 100 Hz et 1000 Hz par des résonateurs. De manière préférentielle, les résonateurs sont formés par une feuille et des cavités prévues de préférence dans la peau supérieure et/ou la peau inférieure des nids d'abeilles. La coopération entre les cavités et la feuille donne une structure de résonateurs de Helmholz qui réduisent considérablement la charge par le son. La feuille présente avantageusement des trous et peut par exemple être perforée, microperforée ou être réali- sée en forme de filet. Cela donne un résonateur particulière- ment efficace et permet une fabrication très simple et peu coûteuse. La taille des trous répartis de manière statistique dans la feuille permet d'abord une largeur de bande de fré- quence particulièrement élevée pour les résonateurs de Helmholz pour réduire ainsi la charge par le son à des fré- quences très différentes. De manière avantageuse, la feuille se trouve dans une zone à paroi très mince de la structure de support par rapport aux autres zones, et qui est particulièrement exposée au son. Dans les zones à paroi mince, la ou les feuilles sont particulièrement efficaces. La taille des trous dans la feuille et celle des cavités de la structure en nids Il E fTI1.s1 Ifl d'abeilles ou de sa géométrie peuvent être accordées pour que les résonateurs possèdent une plage de fréquence comprise en- tre 100 Hz et 1000 Hz et de préférence entre 150 Hz et 500 Hz. Les résonateurs peuvent également être des élé- ments de ressort, distincts par exemple des ressorts en forme de languettes prévus de préférence sur au moins l'une des peaux. De tels résonateurs discrets peuvent être prévus en plus des résonateurs de Helmholz évoqués ci-dessus. La cons- truction des résonateurs discrets peut être variable; ils peuvent avoir une largeur de bande de fréquence faible ou étendue. Ces résonateurs discrets sont de préférence prévus dans une plage renforcée du côté arrière de la structure de support, car à ce niveau, ils sont particulièrement effica- ces. La peau est formée par exemple d'un réseau de fi- bres ayant avantageusement une taille de mailles inférieure à la section intérieure des cavités des nids d'abeilles. La présente invention sera décrite ci-après à l'aide d'un exemple de réalisation préférentiel représenté schématiquement par les dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une vue partiellement éclatée, de dessous, d'une structure de support d'un générateur solaire selon l'invention, - la figure 2 est une vue de dessus du générateur solaire comportant des résonateurs intégrés dans la structure de support, - la figure 3 montre une autre structure de support à cons- truction en sandwich avec des éléments induisant des ef- forts, - la figure 4 montre la relation entre la pression phonique et la fréquence au lancement d'une fusée, - la figure 5 montre le comportement de la structure de sup- port sous l'effet de la charge par le son en fonction de la fréquence produite, et - la figure 6 est une coupe partielle d'un générateur solaire avec des résonateurs selon un autre mode de réalisation de l'invention. La figure 1 montre une structure de support 1 du générateur solaire selon l'invention dans une vue de dessous partiellement éclatée. Un noyau en nids d'abeilles 2 en alu- minium est prévu entre une peau inférieure 3a et une peau su- périeure 3b. Les composants sont collés par une colle 11 représentée schématiquement et ils forment une structure en sandwich. La peau inférieure 3a porte une feuille de recou- vrement souple 4 qui est perforée ou microperforée selon un mode de réalisation préférentiel. La perforation n'est pas représentée à la figure 1. Les cellules ou nids d'abeilles 21 du noyau 2 forment des corps creux debout avec des cavités 28 arrivant jusqu'au niveau des peaux 3a, 3b. En combinaison avec les cavités 28 dans la structure en nids d'abeilles 2, la feuille 4 forme un grand nombre de résonateurs séparés travaillant selon le principe de Helmholz. Il en résulte une absorption phonique très poussée de la structure de support 1. Sur le côté supérieur de la structure de support 1 qui n'apparaît pas à la figure 1, il y a des cellules solaires pour réaliser le générateur solaire selon l'invention. A côté de l'aluminium, on peut également utiliser d'autres matériaux comme par exemple du polyamide-papier, des fibres aramide, des plastiques renforcés par des fibres de verre ou des fibres de carbone pour les noyaux de cellules ou de nids d'abeilles 2. Les peaux 3a, 3b sont notamment des fi- bres de carbone avec une résine époxyde et une structure ré- ticulaire. Dans le mode de réalisation préférentiel, la feuille 4 est une feuille perforée de Kapton. De manière gé- nérale, des matières ou des tissus ayant des trous ou des passages conviennent tout particulièrement permettant à l'air d'osciller dans les cavités de la structure en nids d'abeilles 1. La figure 2 est une vue en perspective du généra- teur solaire, de dessus. Les cellules 5 sont prévues sur le côté supérieur de la structure de support 1. La structure en sandwich composite à base de fibres de verre avec le noyau en nids d'abeilles 2, la peau inférieure 3a et la peau supé- rieure 3b donnant une résistance ou une rigidité très élevée malgré une construction légère. A côté des nids d'abeilles 21 utilisés de manière préférentielle et ayant une section hexa- gonale appelée ici structure en nids d'abeilles, on peut éga- lement utiliser des nids d'abeille 21 ayant une géométrie différente. Les cellules solaires 5 sont prévues sur un fil isolant électrique et sont reliées par celui-ci à la struc- ture de support 1 ou à la peau supérieure 3b. La figure 3 montre schématiquement un autre mode de réalisation de l'invention avec des blocs 7 de fibres de carbone collés dans les noyaux 2 pour induction de charges. Les peaux 3a, 3b sont renforcées à ces endroits par des élé- ments de laminât supplémentaires ou des éléments de doublage 8. Pour relier les différents composants entre eux, il y a des couches de colle 9. La feuille 4 est munie de trous au niveau du noyau en nids d'abeilles 2 o elle est perforée et elle forme avec les cavités du noyau en nids d'abeilles 2 et la peau 3a, une multiplicité de résonateurs de Helmholz. La peau supérieure 3b qui porte les cellules so- laires 8 est formée ici d'une couche continue fermée compo- site de fibres alors que la peau inférieure 3a est en forme de filet ou comporte des orifices. La figure 4 montre un diagramme donnant la pres- sion phonique en fonction de la fréquence. Il apparaît que la pression phonique par exemple au lancement de la fusée por- teuse présente un maximum dans une plage de fréquence com- prise entre 150 Hz et environ 500 Hz. Dans cette plage, les sollicitations de la structure de support engendrées par la pression phonique sont les plus importantes. Le comportement de la structure sous l'effet de la charge phonique est représenté à la figure 5. Dans ce cas, le maximum se situe dans une plage comprise entre 102 et 103 Hz. Dans cette plage de fréquence, on rencontre les os- cillations les plus fortes de la structure sous l'effet de la charge phonique. Pour augmenter la largeur des bandes de fréquence des résonateurs, selon un autre mode de réalisation non re- présenté ici, on munit la feuille 4 de trous de dimensions différentes. En particulier, des feuilles préfabriquées avec des trous de dimensions à répartition statistique permettent d'obtenir une largeur de bande de fréquence plus importante avec une fabrication plus simple et moins coûteuse. Pour réa- liser les résonateurs qui doivent être particulièrement effi- caces dans des plages de fréquence données, on définit la géométrie des nids d'abeilles ou la taille des cavités à l'intérieur des noyaux en nids d'abeilles 2 en fonction de la taille des trous dans la feuille 4. La figure 6 montre un autre mode de réalisation d'un générateur solaire selon l'invention. Dans ce cas, les résonateurs sont des languettes 10 en forme de ressorts pré- vues sur la peau inférieure 3a ou le côté de la structure de support 1 en regard des cellules solaires 5. Le comportement en oscillation des résonateurs est défini par les ressorts et la géométrie des languettes 10. En fonction des exigences particulières, on peut réaliser des résonateurs ayant des fréquences différentes. Dans ce cas également, les structures 21 en forme de nids d'abeilles donnent des cavités 28 perpen- diculaires aux peaux 3a, 3b. De tels résonateurs discrets sont particulièrement intéressants dans la plage renforcée de la structure de support 1, sur le côté arrière du générateur solaire. Ces résonateurs peuvent être prévus en plus des ré- sonateurs de Helmholz, intégrés, décrits ci-dessus ou encore indépendamment de ceux-ci sur la structure de support 1. La charge phonique considérable engendrée par le bruit des moteurs est réduite efficacement par l'intégration selon l'invention des résonateurs dans la structure de sup- port 1 du générateur solaire ou par leur couplage à la struc- ture de support 1. En appliquant la feuille 4 de forme particulière, le noyau en nids d'abeilles 2 forme un ensemble de résona- teurs de Helmholz. Dans cette réalisation particulière des résonateurs, il ne faut aucune pièce supplémentaire qui pour- rait augmenter de façon importante le poids du générateur so- laire. Les feuilles 4 sont particulièrement efficaces dans les plages à paroi mince de la structure de support exposée au risque du bruit. La présente invention permet de réduire efficace- ment les contraintes du bruit en particulier dans une plage de fréquence comprise entre 100 Hz et 1000 Hz. Il LV iiilliii1' [I]'r R E V E N D I C A T I ON S 1 ) Générateur solaire pour des satellites comprenant un en- semble de cellules solaires (5) et une structure de support (1) ayant un noyau en nids d'abeilles (2) entre une peau in- férieure et une peau supérieure (3a, 3b), caractérisé en ce que les résonateurs sont intégrés dans la structure de support (1) et/ou sont couplés à celle-ci. 2 ) Générateur solaire selon la revendication 1, caractérisé en ce que les résonateurs sont des résonateurs de Helmholz formés dans le noyau en nids d'abeilles par une feuille (4) et des cavi- tés (28). 3 ) Générateur solaire selon la revendication 2, caractérisé en ce que la feuille (4) comporte des orifices et/ou est perforée, mi- croperforée ou présente une structure en filet. 4 ) Générateur solaire selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que la feuille (4) comporte des trous de tailles réparties sta- tistiquement. ) Générateur solaire selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que la feuille (4) est prévue dans une zone de la structure de support (1) ayant une épaisseur de paroi relativement mince par rapport à celle des autres zones. 6 ) Générateur solaire selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce que les résonateurs ont une plage de fréquence comprise entre Hz et 1000 Hz, de préférence comprise entre 150 Hz et 500 Hz. il ivmiT[i 7m î _ 7 ) Générateur solaire selon l'une quelconque des revendica- tions 3 à 6, caractérisé en ce que la taille des trous de la feuille (4) et celle des cavités (28) sont définies suivant la plage des fréquences de la pression phonique. 8 ) Générateur solaire selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce que les résonateurs comportent des éléments de ressort (10), sé- parés, prévus sur la peau supérieure et/ou inférieure. 9 ) Générateur solaire selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce que les résonateurs sont des languettes (10) en forme de res- sorts. 10 ) Générateur solaire selon l'une quelconque des revendica- tions 8 et 9, caractérisé en ce que les résonateurs sont prévus dans une plage renforcée du côté arrière de la structure de support (1). 11 ) Générateur solaire selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce que la peau inférieure et/ou supérieure (3a, 3b) est formée d'un filet de fibres composite ayant une taille de mailles infé- rieure à la section intérieure des cavités (28) dans le noyau de nids d'abeilles (2). il 1TT1I BJ IR _â U7