Brevet FR2785686A1 — publié le 20000512

L'invention concerne de façon générale des optiques, et, plus particulièrement, un concentrateur optique à réflexion sans formation d'image fonctionnant à des températures élevées. Toutes les optiques, qu'elles soient à transmission ou à réflexion, à formation d'image ou sans formation d'image, doivent tre conçues pour supporter les environnements dans lesquels elles doivent travailler. Dans le cas d'optiques qui doivent survivre dans des environnements de flux thermiques élevés ou de flux thermiques relativement élevés, le facteur limitatif est la température à laquelle le substrat optique et la surface optique peuvent survivre sans dégradation. Des matériaux caractéristiques (l'aluminium, le cuivre, le magnésium) utilisés comme substrats d'optiques réfléchissantes qui fonctionnent à la température ambiante ou au voisinage de la température ambiante ne peuvent pas tre utilisés à haute température (au-dessus de 1000 Kelvin), sauf si les optiques sont refroidies activement. La plupart des revtements optiques fortement réfléchissants ont les mmes limitations. Les défaillances aux températures élevées concernant'les matériaux optiques réfléchissants traditionnels peuvent se produire d'un certain nombre de façons : perte de durabilité structurelle du substrat ou de la surface optique due à la réduction de la rigidité ou de la robustesse du matériau ; déstratification ou écaillage du revtement optique depuis le substrat du fait de l'incompatibilité provoquée par des coefficients de dilatation thermique différents ; déstratification ou écaillage du revtement optique depuis le substrat du fait de la réduction de la force de la liaison chimique/métallurgique ; réduction du pouvoir réfléchissant résultant de la perte de stabilité dimensionnelle de la surface ou du revtement réfléchissant ; transformation de phase du matériau ; formation d'eutectiques ; perte de matière due au dégazage ; attaque énergétique de la surface optique par une contamination moléculaire ou particulaire ; sensibilité accrue aux détériorations dues aux chocs et aux vibrations du fait de la réduction de la robustesse du matériau ; et fatigue induite par les cycles thermiques. Le déclenchement de l'un quelconque de ces mécanismes peut produire une réduction du pouvoir réfléchissant optique. En général, lorsque le pouvoir réfléchissant diminue, une augmentation correspondante du facteur d'absorption se produit. Ceci amène une augmentation de température dans l'optique du fait que le rapport entre l'énergie réfléchie et l'énergie absorbée diminue. Si on ne le corrige pas, ce mécanisme peut également provoquer des spirales de température dans le sens croissant jusqu'à ce que l'un ou plus des modes de défaillance ci-dessus se produise. Le refroidissement actif d'optiques peut éliminer un grand nombre de problèmes ci-dessus, mais présente un certain nombre d'inconvénients : un système de refroidissement actif entraîne des coûts additionnels de conception, de développement, de fabrication et de réalisation ; la complexité du système est ; la fiabilité globale dépend du fonctionnement du système de refroidissement ; les vibrations induites par l'écoulement peuvent produire une instabilité optique inacceptable ; et les optiques refroidies sont plus susceptibles de subir une contamination particulaire de surface si elles se trouvent au voisinage ou dans la ligne de vision des panaches de dégazage émanant de composants plus chauds. Dans les applications aux flux thermiques élevés ou aux hautes températures, dans lesquelles les matériaux à basse température ne peuvent pas survivre, ou lorsqu'un refroidissement actif ne peut pas tre employé du fait de contraintes technologiques, de coûts ou de sécurité, une nouvelle génération d'optiques hautement réfléchissantes à haute température aussi bien pour des applications de formation d'image que sans formation d'image sont nécessaires. L'invention traite le besoin ci-dessus. Ce que l'on propose est un dispositif optique réfléchissant à haute température pour les applications avec formation d'image et sans formation d'image. Le dispositif optique est formé à partir d'un substrat en graphite. Le dispositif optique formé est ensuite poli sous le poli désiré. Une couche tampon de rhénium est appliquée à la surface optique en graphite poli. La surface en rhénium est légèrement polie ou rodée pour éliminer toutes les irrégularités. Une couche d'iridium est déposée sur le rhénium. La couche d'iridium est polie pour obtenir un fini de miroir. Du rhodium peut tre appliqué sur la surface de l'iridium poli pour que le rhodium joue le rôle de surface extérieure réfléchissante. Le rhodium est poli sous la forme de la surface optiquement réfléchissante désirée à l'aide de techniques classiques. Pour une meilleure compréhension de la nature et des objets de la présente invention, on se référera à la description qui suit, prise en relation avec les dessins joints, dans lesquels on a donné à des parties identiques des numéros de référence identiques, et dans lesquels : la figure 1 est une illustration schématique d'un dispositif optique réfléchissant utilisé en liaison avec un module de stockage d'énergie thermique. La figure 2 est une vue de bout d'un dispositif optique réfléchissant. La figure 3 est une vue prise le long des lignes 3-3 de la figure 2. La figure 4 est une vue en coupe axisymétrique du dispositif optique de la figure 2. La figure 5 est une vue prise le long des lignes 5-5 de la figure 3. La figure 1 illustre l'utilisation d'un dispositif optique réfléchissant 10, dans une application sans formation d'image, en liaison avec un module de stockage d'énergie thermique 12. Une extrémité du dispositif optique 10 est fixée au module de stockage de telle sorte que l'extrémité collectrice 14 du dispositif optique 10 reçoive la lumière incidente 16 venant d'une source de lumière 18 et dirige la lumière incidente réfléchie 16 dans le module de stockage d'énergie thermique 12. Les modules de stockage d'énergie thermique sont généralement connus et utilisés dans la technologie associée aux satellites en orbite terrestre. La figure 2 est une vue de bout du dispositif optique réfléchissant 10 prise depuis l'extrémité collectrice 14, dont la structure est mieux comprise en se référant également aux figures 3 et 4. Des surfaces optiques 20 et 22 ont un fini de miroir pour réfléchir et diriger la lumière incidente 16 comme on le désire. L'invention vise non une forme ou un type spécifique de dispositif optique réfléchissant, tel qu'un dispositif de formation d'image ou sans formation d'image, mais vise plutôt les matériaux et le procédé utilisés pour former le dispositif optique réfléchissant 10. Le corps, ou substrat, du dispositif optique réfléchissant 10 est formé en graphite. Le graphite POCO (marque déposée), qui est une marque déposée de Poco Graphite, Inc., de types TM et AXF-5Q, a été utilisé avec succès lors des essais. Le dispositif optique 10 peut tre formé à l'aide de n'importe quel procédé approprié, par exemple en usinant un bloc de graphite sous la forme désirée. Les surfaces optiques 20 et 22 sont ensuite polies sous un poli de 0,0508 um (2 micropouces), ou encore meilleur. Une couche tampon de rhénium 26, vue en figure 5, est appliquée aux surfaces optiques polies, de préférence par déposition de vapeur par procédé chimique (chemical vapor deposition ou CVD). Dans la forme de réalisation préférée, la couche de rhénium a une épaisseur d'approximativement 0,127 mm (5 millièmes de pouce). La couche de rhénium 26 est traitée (polie ou rodée) pour éliminer toutes les irrégularités. Une couche d'iridium 28 est appliquée sur la couche de rhénium 26 en utilisant une déposition de vapeur par procédé chimique. Dans la forme de réalisation préférée, la couche d'iridium a une épaisseur d'approximativement 0,0508 mm (2 millièmes de pouce). La couche d'iridium est ensuite polie pour obtenir un fini de miroir. Le polissage peut tre accompli en utilisant des composites de polissage au diamant disponibles dans le commerce, tels la suspension de diamant Hyprez (marque déposée) formule 15 (S4243) ST-MA de 15 micromètres. Hyprez est une marque déposée d'Engis Corporation. On a obtenu des pouvoirs réfléchissants proches de soixante-dix pour-cent. Dans une autre forme de réalisation, une couche de rhodium 30 peut tre utilisée comme surface réfléchissante extérieure, et est appliquée sur la couche d'iridium 28. La couche de rhodium 30 peut tre appliquée par électrodéposition sur l'iridium et polie à l'aide de techniques classiques pour obtenir la surface optiquement réfléchissante désirée. Dans la forme de réalisation préférée, la couche de rhodium 30 a une épaisseur d'environ 0,0508 mm (2 millièmes de pouce). Après le polissage final, aucune préparation de surface additionnelle n'est nécessaire. Du fait de la robustesse des surfaces optiques extérieures en iridium ou en rhodium, des revtements pour empcher l'oxydation ou pour améliorer la résistance vis-à-vis des rayures sont inutiles. Les dispositifs optiques réfléchissants formés selon l'invention procurent un certain nombre d'avantages. Aucun refroidissement actif n'est nécessaire. L'optique peut supporter des flux thermiques élevés ainsi que des environnements à haute température dans le vide jusqu'à 1500 Kelvin sans dégradation des performances optiques. Chaque matériau utilisé est susceptible de fonctionner à haute température sans dégradation. Pour la plage de températures à laquelle on s'intéresse, il n'y a pas d'interactions métallurgiques ou chimiques entre les matériaux pouvant produire un changement de phase, une transformation de phase d'alliage, ou une formation d'eutectiques. Mécaniquement, les coefficients de dilatation thermique sont suffisamment proches les uns des autres pour empcher l'écaillage ou le fendillement de l'une quelconque des couches. Des pratiques de fabrication standard peuvent tre employées dans la fabrication d'optiques à l'aide de l'invention. La surface optique peut tre fabriquée à des tolérances similaires à celles de surfaces optiques classiques. Comme l'optique fonctionne à une température sensiblement élevée, des particules et d'autres contaminants seront moins susceptibles d'adhérer à la surface optique chaude et de provoquer des réductions du pouvoir réfléchissant, ou des points chauds localisés. Au contraire, les contaminants tendront à migrer et à se fixer aux surfaces plus froides sur des objets qui peuvent tre positionnés loin du trajet optique. La dureté des revtements optiques utilisés produit des surfaces extrmement résistantes aux rayures. Si le pouvoir réfléchissant est réduit du fait de l'accumulation de contamination de surface sur la surface optique, on peut utiliser des composites de polissage à suspension de diamant du commerce pour retirer les contaminants de surface sans endommager la surface optique. L'invention comporte des avantages additionnels lorsqu'elle est utilisée pour des optiques voyageant à bord de vaisseaux spatiaux. Les vaisseaux spatiaux en orbite subissent une variété d'environnements qui sont potentiellement détériorants pour des optiques classiques, parmi lesquels les rayonnements ultraviolets ; les rayonnements ionisants ; les électrons, les protons, les ions et les photons énergétiques ; l'oxygène atomique ; les micrométéorites ; les débris produits par l'homme ; l'accumulation et la décharge électrostatiques ; les cycles thermiques ; et la contamination produite par le dégazage, les fuites ou les effluents des moteurs. L'iridium est le matériau le plus résistant à la corrosion connu par l'homme. Les optiques réalisées en iridium ne nécessitent aucune protection spéciale vis-à-vis de ces mécanismes de détérioration, et ne souffriront pas d'une dégradation dans l'environnement spatial aussi rapidement que les optiques classiques ou revtues de façon classique. Le procédé selon l'invention peut tre utilisé pour fabriquer toutes les formes d'optiques réfléchissantes classiques, parmi lesquelles les miroirs à surface ronde, plane ou réalisée à la demande, les ellipsoïdes, les paraboloides, et les segments désaxés, les sphères ou les hémisphères. Les optiques de formation d'image aussi bien que sans formation d'image peuvent toutes deux bénéficier de l'invention. La plage de températures utilisable pour les optiques utilisant l'invention est comprise entre 230 et 1500 Kelvin. D'autres revtements, en plus du rhodium et de l'iridium, peuvent également tre utilisés. Le titane peut tre déposé par déposition de vapeur par procédé chimique sur un substrat de graphite poli. Aux températures de traitement, le titane et le graphite forment un eutectique stable de carbure de titane (TiC). Le carbure de titane est également une surface très durable qui peut tre polie sous un fini de miroir à l'aide de techniques classiques. Si le pouvoir réfléchissant de l'optique en carbure de titane doit tre accru, d'autres revtements à pouvoir réfléchissant élevé tels que l'iridium ou le rhodium peuvent tre déposés par ions ou par pulvérisation cathodique sur le carbure de titane. Pour ces optiques, seule une mince couche de revtement d'iridium ou de rhodium (de 10 à 100 nanomètres) sera nécessaire. Un polissage additionnel ne sera pas nécessaire. Comme de nombreuses formes de réalisations variées et différentes peuvent tre réalisées dans le cadre du concept inventif enseigné ici, et comme de nombreuses modifications peuvent tre apportées à la forme de réalisation détaillée ici selon les exigences descriptives de la loi, on doit comprendre que les détails exposés ici doivent tre interprétés comme étant illustratifs et non dans un sens limitatif. REVENDICATIONS 1. Dispositif optique réfléchissant, caractérisé en ce qu'il comprend : a. un substrat en graphite formé sous la forme du dispositif optique (10) ; b. une couche de rhénium (26) appliquée sur la surface optique (20,22) dudit substrat en graphite ; c. une couche d'iridium (28) appliquée sur ladite couche de rhénium (26). 2. Dispositif optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface optique (20,22) dudit substrat en graphite a été polie sous un poli d'au moins 0,0508 pm (2 micropouces). 3. Dispositif optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite couche de rhénium (26) a été polie pour éliminer les irrégularités. 4. Dispositif optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite couche de rhénium (26) a été rodée pour éliminer les irrégularités. 5. Dispositif optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite couche d'iridium (28) a été polie. 6. Dispositif optique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend de plus une couche de rhodium (30) appliquée sur ladite couche d'iridium (28). 7. Dispositif optique selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite couche de rhodium (30) a été polie. 8. Dispositif optique réfléchissant, caractérisé en ce qu'il comprend : a. un substrat en graphite formé sous la forme du dispositif optique (10), la surface optique (20,22) dudit substrat en graphite ayant été polie sous un poli d'au moins 0,0508 um (2 micropouces) ; b. une couche de rhénium (26) appliquée sur la surface optique (20,22) dudit substrat en graphite, ladite couche de rhénium (26) étant polie de façon à éliminer les irrégularités ; c. une couche d'iridium (28) appliquée sur ladite couche de rhénium (26), ladite couche d'iridium (28) étant polie. 9. Dispositif optique selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend de plus une couche de rhodium (30) appliquée sur ladite couche d'iridium (28). 10. Dispositif optique selon la revendication 9, caractérisé en ce que ladite couche de rhodium (30) a été polie. 11. Dispositif optique réfléchissant, caractérisé en ce qu'il comprend : a. un substrat en graphite formé sous la forme du dispositif optique (10), la surface optique (20,22) dudit substrat en graphite étant polie sous un poli d'au moins 0,0508 um (2 micropouces) ; b. une couche de rhénium (26) appliquée sur la surface optique (20,22) dudit substrat en graphite, ladite couche de rhénium (26) étant rodée pour éliminer les irrégularités ; c. une couche d'iridium (28) appliquée sur ladite couche de rhénium (26), ladite couche d'iridium (28) étant polie. 12. Dispositif optique selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comprend de plus une couche de rhodium (30) appliquée sur ladite couche d'iridium (28). 13. Dispositif optique selon la revendication 12, caractérisé en ce que ladite couche de rhodium (30) a été polie. 14. Dispositif optique réfléchissant, caractérisé en ce qu'il comprend : a. un substrat en graphite formé sous la forme du dispositif optique (10), la surface optique (20,22) dudit substrat en graphite étant polie sous un poli d'au moins 0,0508 pm (2 micropouces) ; b. une couche de rhénium (26) appliquée sur la surface optique (20,22) dudit substrat en graphite, ladite couche de rhénium (26) étant traitée de façon à éliminer les irrégularités ; c. une couche d'iridium (28) appliquée sur ladite couche de rhénium (26), ladite couche d'iridium (28) étant polie ; et d. une couche de rhodium (30) appliquée sur ladite couche d'iridium (28), ladite couche de rhodium (30) étant polie. 15. Procédé pour former un dispositif optique réfléchissant, caractérisé en ce qu'il comprend : a. la formation du substrat du dispositif optique (10) en graphite ; b. l'application d'une couche de rhénium (26) sur la surface optique (20,22) du dispositif optique (10) ; et c. l'application d'une couche d'iridium (28) sur la couche de rhénium (26). 16. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'il comprend de plus le polissage de la surface optique (20,22) du graphite sous un poli d'au moins 0,0508 um (2 micropouces) avant l'application'de la couche de rhénium (26). 17. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'il comprend de plus le polissage de la couche de rhénium (26) de façon à éliminer les irrégularités avant d'appliquer la couche d'iridium (28). 18. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'il comprend de plus le rodage de la couche de rhénium (26) de façon à éliminer les irrégularités avant d'appliquer la couche d'iridium (28). 19. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'il comprend de plus le polissage de la couche d'iridium (28). 20. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'il comprend de plus l'application d'une couche de rhodium (30) sur la couche d'iridium (28). 21. Procédé selon la revendication 20, caractérisé en ce qu'il comprend de plus le polissage de la couche de rhodium (30). 22. Procédé pour former un dispositif optique réfléchissant (10), caractérisé en ce qu'il comprend : a. la formation du substrat du dispositif optique (10) en graphite ; b. le polissage de la surface optique (20,22) du graphite sous un poli d'au moins 0,05 um (2 micropouces) ; c. l'application d'une couche de rhénium (26) sur la surface optique (20,22) du dispositif optique (10) ; d. le polissage de la couche de rhénium (26) de façon à éliminer les irrégularités ; e. l'application d'une couche d'iridium (28) sur la couche de rhénium (26) ; et f. le polissage de la couche d'iridium (28). 23. Procédé selon la revendication 22, caractérisé en ce qu'il comprend de plus l'application d'une couche de rhodium (30) sur la couche d'iridium (28). 24. Procédé selon la revendication 23, caractérisé en ce qu'il comprend de plus le polissage de la couche de rhodium (30). 25. Procédé pour former un dispositif optique réfléchissant (10), caractérisé en ce qu'il comprend : a. la formation du substrat du dispositif optique (10) en graphite ; b. le polissage de la surface optique (20,22) du graphite sous un poli d'au moins 0,05 um (2 micropouces) ; c. l'application d'une couche de rhénium (26) sur la surface optique (20,22) du dispositif optique (10) ; d. le rodage de la couche de rhénium (26) de façon à éliminer les irrégularités ; e. l'application d'une couche d'iridium (28) sur la couche de rhénium (26) ; et f. le polissage de la couche d'iridium (28). 26. Procédé selon la revendication 25, caractérisé en ce qu'il comprend de plus l'application d'une couche de rhodium (30) sur la couche d'iridium (28). 27. Procédé selon la revendication 25, caractérisé en ce qu'il comprend de plus le polissage de la couche de rhodium (30). 28. Procédé pour former un dispositif optique réfléchissant (10), caractérisé en ce qu'il comprend : a. la formation du substrat du dispositif optique (10) en graphite ; b. le polissage de la surface optique (20,22) du graphite sous un poli d'au moins 0,05 um (2 micropouces) ; c. l'application d'une couche de rhénium (26) sur la surface optique (20,22) du dispositif optique (10) ; d. le traitement de la couche de rhénium (26) de façon à éliminer les irrégularités ; e. l'application d'une couche d'iridium (28) sur la couche de rhénium (26) ; f. le polissage de la couche d'iridium ; g. l'application d'une couche de rhodium (30) sur la couche d'iridium (28) ; et h. le polissage de la couche de-rhodium (30).