Brevet FR2819784A1 — publié le 20020726

La présente invention concerne une structure porteuse de voile solaire de satellite formée de bras de support reliés de manière pivo- tante par des articulations de déploiement à un panneau solaire, avec un film tendu entre les bras de support. Les générateurs solaires équipant les satellites assurent l'alimentation en énergie des systèmes des satellites. Un générateur solaire se compose de plusieurs panneaux solaires ayant une structure porteuse rigide et chaque structure porteuse est munie de cellules solaires. Cette structure de support est une construction légère sous la forme d'une structure en sandwich. Il s'agit par exemple d'un noyau en nid d'abeilles en aluminium avec une surface de recouvrement et une surface de base constituée d'un laminé renforcé par des fibres de carbone. Ces panneaux solaires sont reliés les uns aux autres par des charnières d'articulation. Un ensemble de câbles de liaison sans fin permet de basculer les pan- neaux solaires les uns par rapport aux autres à l'aide des actionneurs re- liés aux charnières d'articulation. Les panneaux solaires sont repliés pour le transport de la terre jusqu'à l'orbite du satellite et ils ne sont déployés que dans l'espace; l'opération de déploiement des panneaux solaires se fait régulièrement et l'accrochage des panneaux solaires dans leur position de fin de course dé- ployée est pratiquement simultané. A l'état déployé, tous les panneaux solaires sont pratique- ment situés dans un plan. Le générateur solaire est relié par une installa- tion de support à la structure du satellite. Une telle disposition du générateur solaire avec une installation de support est appelée aile de gé- nérateur. Le satellite a en général une autre aile diamétralement opposée à la précédente. Lorsque le panneau solaire est déployé pour former l'aile du générateur, on déploie également une voile solaire. La voile solaire est un mince film élastique permettant de réguler la position de l'aile du généra- teur. La voile solaire utilise le principe de la conversion directe du rayon- nement des photons du soleil en énergie cinétique utilisée pour réguler la position de l'aile solaire. Partant de l'installation de support, les panneaux solaires sont placés les uns derrière les autres dans la direction radiale en s'éloignant de l'installation de support. La voile solaire est installée sur l'avantdernier panneau solaire prévu dans la direction radiale en partant de l'installation de support. Le panneau solaire portant cette voile solaire est appelé ci-après avant-dernier panneau solaire. L'avant-dernier panneau solaire est équipé d'un mécanisme de déploiement de la voile solaire. Ce mécanisme de déploiement com- prend des articulations de déploiement et des moyens de blocage. Le déploiement de la voile solaire par le mécanisme de déploiement doit être considéré en liaison avec le déploiement des panneaux solaires. Le dé- ploiement des panneaux solaires d'une aile de générateur commence par l'installation de support sur le panneau solaire le plus éloigné c'est-àdire le panneau extérieur ou encore dernier panneau solaire. Ce panneau so- laire extérieur comporte un câble sans fin le long de ses deux côtés laté- raux, opposés. Ces câbles sans fin passent sur les galets de renvoi et comportent un ressort précontraint. Par explosion pyrotechnique des or- ganes de maintien du dispositif de maintien, on libère l'énergie cinétique des ressorts précontraints qui font basculer le panneau extérieur de 90 à partir de sa position repliée, grâce aux galets de renvoi et aux câbles. Ce déploiement du panneau extérieur correspond à un déploiement de se- cours. Cela permet au système du satellite d'avoir une première alimenta- tion électrique de secours utilisée également pour la poursuite du déploiement. Les autres panneaux solaires en progressant en direction de l'installation de support ont un guidage de câbles de traction décalés l'un par rapport à l'autre. Cela permet un mouvement synchronisé de déploie- ment jusqu'à l'accrochage en position déployée. La voile solaire est prévue sur l'avant-dernier panneau so- laire en position repliée. Un mécanisme de déploiement indépendant est prévu pour la voile. Le mécanisme de déploiement comprend par exemple de manière connue, 5 articulations de déploiement entre un bord latéral de l'avant-dernier panneau solaire qui porte la voile et des nervures (bras de support) pour la voile solaire. Les articulations de déploiement forment un axe de pivotement fictif, commun par leurs différents axes de pivote- ment. La voile solaire a en général une surface carrée ou rectan- gulaire. Chaque articulation de déploiement possède un ressort précon- traint agissant sur l'articulation; le ressort est tendu lorsque la voile solaire est repliée et il emmagasine de l'énergie cinétique. En position déployée, la voile solaire est basculée par les articulations de déploiement dans une position parallèle à l'avant-dernier panneau solaire. Un moyen de blocage prévu entre le troisième et l'avant- dernier panneau solaire maintient la voile solaire en position repliée. Selon l'état de la technique, la voile solaire est rigidifiée par des nervures (encore appelées bras de support) dirigées transversalement à l'axe de pivotement et écartées le long de l'axe de pivotement de la voile solaire. Une extrémité de chaque nervure ou bras de support est reliée à une articulation de déploiement et l'autre extrémité de la nervure est rete- nue en position repliée par un moyen de blocage. Pour cela et en fonction de la taille du panneau solaire, on aura plusieurs articulations de dé- ploiement et plusieurs moyens de blocage. Le moyen de blocage est formé d'un crochet sur l'avant-dernier panneau solaire et d'un coin de blocage sur le panneau solaire qui précède (troisième panneau). A l'état replié, le coin de blocage et le crochet sont en prise. Cette construction a l'inconvénient d'être d'un point total important par rapport à celui de l'aile du générateur. L'existence de plu- sieurs nervures ou bras de support participe également à l'augmentation du poids. L'opération de déploiement montre en outre que l'angle d'ouverture entre l'avant-dernier panneau solaire équipé de la voile solaire et le troisième panneau solaire augmente de sorte que les coins de blocage équipant le troisième panneau solaire libèrent successivement les crochets à mesure que l'angle d'ouverture augmente et libèrent ainsi les différentes nervures. Les nervures ainsi libérées basculent sous l'effet des ressorts précontraints équipant chaque articulation de déploiement; ainsi avec la libération de la dernière nervure, l'ensemble de la voile solaire se trouve basculé en position déployée. L'angle de la voile solaire en position dé- ployée par rapport au panneau solaire est par exemple compris entre 90 et 110 . En position déployée, les photons du rayonnement solaire engen- drent des forces dans la direction des trois axes de coordonnées. Ces for- ces sont appliquées à l'aile du générateur. Le même phénomène se produit pour l'aile du générateur du côté opposé du satellite. La voile solaire per- met ainsi de stabiliser la position de l'aile du générateur dans l'espace et de l'aligner. On connait également une autre réalisation de la voile so- laire utilisant un châssis rigide (ce châssis est formé de 4 parties). La voile solaire est tendue sur ce châssis et elle est reliée à l'avant-dernier pan- neau solaire également par un mécanisme de déploiement. La présente invention a pour but de simplifier les construc- tions connues en conservant la sécurité du fonctionnement actuel pour permettre une réduction significative du poids. A cet effet l'invention concerne une structure porteuse du type défini cidessus, caractérisée en ce qu'un longeron parallèle à un côté du panneau solaire est muni de bras de support situés tous dans une di- rection commune dans le plan du film de façon à former au moins une structure porteuse en U entre laquelle se tend le film de la voile solaire, et ayant dans la zone de l'angle intérieur entre le longeron et un bras de support, un raccord d'angle. Ainsi, l'invention prévoit une structure porteuse en forme de U pour la voile solaire. Cette structure porteuse en forme de U comprend une arête de base formée par un longeron muni de bras de support situés dans un plan. Les bras de support sont guidés dans une direction trans- versale par rapport au longeron. Les bras de support et le longeron for- ment la structure en U. Le longeron est parallèle à un côté latéral de l'avant-dernier panneau solaire. Le dimensionnement en longueur des deux bras de support et celle du longeron influence la surface de la voile solaire. Dans la zone de l'angle intérieur entre le longeron et le bras de support, on a un profil rigide en flexion avec des points de liaison rigi- des en torsion sur le longeron et les bras de support. Ce profil est avanta- geusement en une seule pièce et sera appelé raccord d'angle. Mais le raccord d'angle peut également être monté à partir de deux demi-coquilles 2s assemblées par une liaison par la forme. En variante, cet appui du profil dans la zone de l'angle inté- rieur peut également être en deux parties à savoir un profil rigide en flexion et une liaison rigide en torsion entre le longeron et chaque bras de support. Plusieurs structures de support en forme de U peuvent être réunies en une structure de support commune. L'invention a l'avantage de ne se composer que de trois piè- ces à savoir, deux bras de support et un longeron permettant de tendre la voile solaire. On réduit ainsi le nombre de pièces par rapport à celui de l'état de la technique ce qui se traduit par un gain de poids. Ce montage sous la forme d'une structure de support en U pour la voile solaire est possible car il permet d'induire les forces de flexion du bras de support, de manière rigide en torsion dans le longeron et de plus les forces de tension du film sont induites par l'intermédiaire des bras de support, de manière rigide en flexion dans le longeron. Selon un développement avantageux, on forme ce qu'on ap- pelle un raccord d'angle rigide. Ce raccord d'angle rigide s'obtient en ce que dans la zone de l'angle intérieur de l'intersection entre le longeron et le bras de support, on place deux demi-coquilles l'une sur l'autre. Ces de- mi-coquilles entourent le longeron et les bras de support. L'angle intérieur est ainsi entouré complètement par les deux demi-coquilles. L'invention permet en outre d'utiliser un film aussi léger que possible. Cela permet également de réduire le poids. L'invention per- met en outre une fabrication rapide de la structure porteuse. Il suffit de fabriquer des pièces simples. Le nombre d'articulations de déploiement est réduit de même que celui des moyens de blocage. Cela se traduit globale- ment par une réduction significative du poids. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'exemples de réalisation représentés dans les dessins annexes dans lesquels: - la figure 1 montre un satellite avec un générateur solaire, - la figure 2 montre une partie d'une aile de générateur avec la voile so- laire, - la figure 2a montre une structure porteuse formée par exemple de deux structures en U, - la figure 3 montre un raccord d'angle dans la zone de l'angle intérieur entre le longeron et le bras de support, - la figure 3a montre des demi-coquilles comme raccords d'angle, - la figure 3b montre un raccord d'angle en deux parties. Les figures ne sont pas représentées à l'échelle. Description des modes de réalisation La figure 1 montre un satellite 13 avec un générateur so- laire. Le générateur solaire est formé d'une aile 12 et d'une aile 14 (non représentée complètement) diamétralement opposée à la précédente. La description de l'aile 12 du générateur s'applique également à son aile 14. L'aile 12 du générateur est formée d'un support 1 1 relié d'un côté à la structure du satellite 13 et de l'autre il porte plusieurs pan- neaux solaires. Les différents panneaux solaires sont alignés les uns à côté des autres lorsqu'ils sont déployés. La figure 1 montre l'aile 12 du gé- nérateur à l'état déployé. L'aile 12 se compose de cinq panneaux solaires. Le premier panneau solaire 1 est fixé au support 11. Il est suivi d'un se- cond panneau solaire 2, d'un troisième panneau solaire 3 d'un avant- dernier panneau solaire 4 et d'un panneau solaire extérieur 5. Les diffé- rents panneaux solaires sont reliés par des charnières d'articulation. La charnière est couplée à un galet de renvoi et un câble de traction, sans fin est guidé le long d'un côté du panneau en passant sur les galets de renvoi. Au niveau du premier panneau solaire, le câble de traction 8.1 passe au- tour des galets de renvoi des charnières d'articulation 9.1, 9.2. En alter- nance, le long de l'autre côté du second panneau solaire 2, on a un câble de traction 8.2 qui passe entre les galets de renvoi des articulations de charnière 9.3, 9.4. Puis de nouveau de manière alternée, le long de l'autre arête latérale du troisième panneau solaire 3, on a un câble de traction 8.3 entre les galets de renvoi des charnières d'articulation 9.5, 9.6. L'avant dernier panneau solaire 3 possède le long de ses deux côtés, un câble de traction 8.4 respectif passant sur les galets de renvoi et les charnières d'articulation 9.6, 9.7 ainsi qu'un câble de traction 8.5 passant sur les galets de renvoi et les charnières d'articulation 9.8, 9.9. La figure 1 montre en outre que chaque panneau solaire est formé d'une structure portante 10 revêtue de cellules solaires 6. Chaque panneau solaire est également muni de perçages appelés points de main- tien 7 qui ne jouent pas de rôle lorsque le panneau est déployé. L'avant-dernier panneau solaire 4 possède le long d'un bord latéral, une voile solaire déployée 15. La voile solaire 15 est en général installée sur l'avant dernier panneau solaire 4. Une telle voile solaire est également prévue sur l'aile 14. La figure 2 montre une partie de l'aile 12 du générateur au niveau de la voile solaire 15. La voile solaire 15 est tendue sur une struc- ture portante constituée par un longeron 17 et de deux bras de support 16. 0, 16.1. Les deux bras de support 16.0, 16.1 sont perpendiculaires aux extrémités du longeron 17 et se situent dans un plan commun. La struc- ture de support a ainsi une forme de U. Entre les deux bras de support 16. 0, 16.1 et le longeron 17 on a tendu un film 21. Ce film est fixé à la structure de support. La structure de support et le film 21 forment la voile solaire 15. Aux points d'intersection entre le longeron 17 et les bras de support 16.0, 16.1, on a chaque fois une articulation de déploiement 18.0, 18.1. Ces articulations de déploiement sont reliées à l'avant dernier pan- neau solaire 4 au niveau de son côté latéral. La figure 2 montre l'état dé- ployé de la voile solaire. A l'état replié, la voile solaire 15 est basculée contre l'avant dernier panneau solaire 4; le film 21 est ainsi parallèle à la surface des cellules solaires 6. Dans cette position, chaque bras de support 16.0, 16. 1 est retenu par un moyen de blocage aussi longtemps qu'à l'état replié de l'aile 12 du générateur, un coin de blocage 20.0, 20.1 du troisième dernier panneau solaire 3 maintient le crochet de tension dans cette position de blocage. Ce n'est que lors du déploiement de l'aile 12 que le troisième panneau solaire 3 et l'avant dernier panneau solaire 4 seront déployés si bien que les coins de blocage 20.0, 20.1 libèrent les crochets de tension 19.0, 19.1 et ainsi les bras de support 16.0, 16.1 de la voile solaire. La voile solaire 15 peut alors basculer dans sa position de fin de course sous l'effet de la force de ressort des articulations de déploiement 18.0, 18. 1. Pendant le déploiement de la voile solaire 15, les efforts de torsion et de flexion des bras de support 16.0, 16.1 sont transmis au longeron 17. Pour avoir la rigidité et la solidité suffisantes entre le bras de support 16.0, 16.1 et le longeron 17, on installe au niveau de l'angle intérieur 24 correspon- dant, les raccords d'angle 22.0, 22.1. Ces raccords d'angle correspondent à un profil rigide en flexion avec des points de liaison rigides en torsion sur le longeron 17 et les bras de support 16.0, 16.1. La figure 2a montre que pour une voile solaire plus étendue en surface on peut prévoir par exemple deux structures de support en forme de U l'une à côté de l'autre. Le nombre des structures de support en forme de U dépend des dimensions de la voile solaire. D'autres structures de support en forme de U peuvent être juxtaposées. Selon la figure 2a, les deux structures de support ont un longeron 17 commun. Le bras de support 16.4 est également commun; ce bras est relié au longeron 17 dans une position perpendiculaire. Le bras de support 16.4 est toutefois relié des deux côtés par des raccords d'angle 22.2, 22.3 avec le longeron 17 dans le plan du film 21. La figure 3 montre un raccord d'angle 22.2 avantageux. Ce raccord d'angle 22.2 est formé de deux demi-coquilles. Les deux demi- coquilles entourent par moitié à la fois le longeron 17 et le bras de support 16.2 correspondant. Les demi-coquilles se touchent par leur point de sou- dure et forment une cavité à l'intérieur de l'angle. La figure 3a montre un raccord d'angle 22.2 formé de deux demi-coquilles 23.0, 23.1. Les demi-coquilles 23.0, 23.1 peuvent être re- liées l'une à l'autre par exemple par collage de façon à entourer à la fois une partie du longeron et une partie du bras de support. Le raccord d'angle 22.2 est constitué d'une seule pièce lorsqu'il est monté. La structure porteuse selon l'invention et les raccords d'angle répondent aux exigences de rigidité et de solidité et permettent en outre une réduction perceptible de poids. Selon une autre variante représentée à la figure 3b, le rac- cord d'angle 22.3 peut également être formé de deux parties. Cela est pos- sible du fait que d'une part un profil rigide en flexion 25 relie un bras de support 16.3 au longeron 17 en coupant l'angle intérieur 24 et d'autre part une liaison rigide en torsion 26 est prévue dans la zone d'intersection du bras de support 16.3 et du longeron 17. Une telle variante permet de réduire encore plus le poids. REVENDICATIONS 1 ) Structure porteuse de voile solaire de satellite formée de bras de sup- port reliés de manière pivotante par des articulations de déploiement à un panneau solaire, avec un film tendu entre les bras de support, caractérisée en ce qu' un longeron (17) parallèle à un côté du panneau solaire (4) est muni de bras de support (16.0, 16.1, 16.2, 16.3, 16.4) situés tous dans une direc- tion commune dans le plan du film de façon à former au moins une structure porteuse en U entre laquelle se tend le film (21) de la voile so- laire (15), et ayant dans la zone de l'angle intérieur (24) entre le longeron (17) et un bras de support (16.0, 16.1, 16.2, 16.3, 16.4), un raccord d'angle (22.0, 22.1, 22.2, 22.3, 22.4, 22.5). 2 ) Structure porteuse selon la revendication 1, caractérisée en ce que le raccord d'angle (22.0, 22.1) comporte un profil rigide en flexion avec des points de liaison rigides en torsion sur le longeron (17) et l'un des bras de support (16.0, 16.1). 3 ) Structure porteuse selon la revendication 2, caractérisée en ce que le raccord d'angle (22.2) est en une seule pièce. 4 ) Structure porteuse selon la revendication 3, caractérisée en ce que le raccord d'angle (22.2) est formé de deux demi-coquilles (23.0, 23.1) qui se ferment l'une sur l'autre par une liaison par la forme. ) Structure porteuse selon la revendication 1, caractérisée en ce que le raccord d'angle (22.3) est en deux parties. 6 ) Structure porteuse selon la revendication 5, caractérisée par un profil rigide en flexion (25) avec des points de liaison entre le longeron (17) et le bras de support (16.3), et une liaison (26) rigide en torsion entre le longeron (17) et le bras de support (16.3). 7 ) Structure porteuse selon la revendication 1, caractérisée en ce qu' elle est formée de deux structures de support en U, juxtaposées avec un longeron (17) et trois bras de support (16.0, 16.1, 16.4).