Brevet FR2846298A1 — publié le 20040430

f ENSEMBLE ARTICULE DE PANNEAUX DE GENERATEUR SOLAIRE ET VEHICULE SPATIAL La présente invention a trait, d'une manière générale, au 5 déploiement de panneaux de générateur solaire d'un véhicule spatial, tel que, mais non limitativement, un satellite en orbite autour de la terre. On entend ici par "panneau de générateur solaire", l'ensemble des structures planes de ce dernier présentant des surfaces actives optiques, thermiques ou photovoltaques et notamment: - des panneaux support d'un réseau de cellules photovoltaques identiques ou différentes, transformant l'énergie solaire en énergie électrique; - des panneaux réflecteurs qui concentrent les rayonnements solaires sur les précédents grâce à un revêtement aux propriétés adéquates; - des panneaux utilisés pour leurs caractéristiques thermo-optiques de 15 surface (dissipateurs thermiques). Les panneaux d'un générateur solaire peuvent être répartis selon des configurations très diverses. Il s'agit classiquement d'une succession longitudinale, parallèle à une direction s'éloignant du corps du véhicule spatial et autour de laquelle le générateur est destiné à tourner pour suivre le soleil. 20 Toutefois, pour augmenter la puissance électrique disponible, il a été proposé de disposer, en plus des panneaux précédents, des panneaux supplémentaires latéraux. On connaît aussi des configurations dans lesquelles les panneaux sont disposés selon une direction transversale, c'est à dire selon une direction transversale à la direction longitudinale précitée selon laquelle s'étend l'étrier 25 ou bras d'éloignement (yoke en anglais) qui relie le générateur au corps du véhicule spatial, et autour de laquelle le générateur est adapté à tourner pour suivre le soleil. Lors du lancement, ce générateur est replié et ses panneaux sont empilés les uns sur les autres dans une configuration appelée configuration 30 gerbée ou de gerbage. La mise en service opérationnel du générateur, par exemple lorsque le véhicule est un satellite mis sur son orbite de service, impose de déplier l'empilement de panneaux: on parle alors de dégerbage. Pour passer de la configuration de gerbage à la configuration 5 déployée, dans laquelle les panneaux solaires sont disposés sensiblement dans un même plan, les panneaux sont articulés deux à deux, soit au moyen d'articulations ayant des éléments adjacents articulés autour d'un axe de pivotement et solidarisés chacun à l'un de deux panneaux voisins, soit au moyen d'articulations reliant des bords parallèles de panneaux. Les articulations citées en premier lieu servent en général à relier les panneaux de la succession longitudinale précitée (panneaux en ligne), tandis que les articulations décrites en second lieu sont en général utilisées pour relier les panneaux latéraux aux panneaux en ligne. De façon générale, les articulations actuellement utilisées pour les 15 panneaux solaires se caractérisent par l'existence de frottements entre les pièces en contact. De telles articulations nécessitent une lubrification très difficile à obtenir compte tenu des conditions extrêmes de température et de vide auxquelles est soumis le satellite lors de son lancement, puis dans l'espace après sa mise sur orbite. Dans ces conditions, les matériaux ont 20 tendance à se souder naturellement ou à gripper, ce qui risque de conduire au non-déploiement des panneaux. En outre, les articulations actuelles assurent généralement le déploiement des panneaux au moyen d'une motorisation spécifique. Les frottements importants et dispersés de ces articulations imposent d'avoir une 25 motorisation importante. Par ailleurs, afin d'assurer un verrouillage en configuration déployée des panneaux en ligne, les articulations des panneaux sont en général pourvues d'un mécanisme de verrouillage comportant un moyen de blocage tournant, monté sur un premier des deux éléments adjacents et 30 coopérant avec le deuxième des deux éléments adjacents pour assurer le verrouillage des deux panneaux correspondant en configuration déployée de ces deux panneaux. Ce moyen de blocage est solidaire en rotation d'une patte montée mobile en rotation sur le premier des éléments adjacents et verrouillée temporairement en rotation par rappel en butée contre une surface périphérique d'un élément solidaire en rotation du deuxième des deux éléments adjacents. La surface périphérique présente une configuration telle qu'à 5 l'arrivée à la configuration déployée des deux panneaux correspondants, la patte échappe à la surface périphérique et pivote pour amener le moyen de blocage en contact avec le deuxième des deux éléments adjacents afin d'assurer le verrouillage des deux panneaux en configuration déployée. De telles articulations pénalisent le satellite par leur masse. 10 L'invention a donc pour objectif un ensemble articulé de panneaux de générateur solaire qui ne pénalise pas la mission par leur masse en limitant au juste nécessaire le nombre d'éléments mécaniques, ceci tout en assurant pleinement les fonctions de stockage, de déploiement et de tenue mécanique 15 des panneaux en configuration dégerbée. A cet effet, l'invention a pour objet un ensemble articulé formé d'au moins deux panneaux voisins d'un générateur solaire, articulés deux à deux pour pouvoir passer par pivotement d'une configuration de gerbage, dans laquelle les panneaux sont empilés les uns sur les autres, à une configuration 20 de dégerbage ou déployée, dans laquelle les panneaux sont disposés sensiblement dans un même plan, les deux panneaux étant reliés l'un à l'autre par une articulation, caractérisé en ce que ladite articulation est formée d'au moins une lame ressort - joint de Carpentier assurant la double fonction de: - en configuration de gerbage et en phase de déploiement, génération d'un couple moteur permanent tendant à mouvoir les panneaux vers la configuration de dégerbage, - et, en configuration de dégerbage, retenue mécanique des panneaux dans cette dernière configuration. Ainsi, l'ensemble articulé de panneaux selon l'invention permet d'atteindre une structure mécanique au niveau des articulations de panneaux qui soit optimisée en masse. Il est ainsi possible de réaliser une cinématique de déploiement de panneaux en ligne et/ou latéraux, suivant laquelle l'ouverture d'un panneau est naturellement engendrée sans aucun moyen supplémentaire de motorisation, ceci grâce à un dispositif mécanique simple et léger qu'est le joint de Carpentier présentant les avantages susmentionnés. On souligne qu'un tel système pourrait au besoin être transposé par exemple au déploiement de panneaux en ligne ou latéraux les uns par rapport aux autres. Selon un mode de réalisation de l'invention, ladite articulation entre deux panneaux voisins n'est formée que de joints de Carpentier. Selon un mode de réalisation de l'invention, lesdits joints de Carpentier se prolongent sous les panneaux qu'ils relient. Selon un mode de réalisation de l'invention, la pluralité de joints de 15 Carpentier formant la connexion entre deux panneaux voisins est agencée de manière à présenter une succession croisée de joints de Carpentier de manière à être capables de présenter respectivement des couples moteur opposés sous l'effet d'un pliement des deux panneaux voisins. Selon un mode de réalisation de l'invention, l'acheminement du 20 courant de puissance entre chaque panneau est réalisé par une nappe de câblage utilisant un matériau possédant les mêmes propriétés mécaniques qu'une lame de Carpentier. Le plus souvent, le séquencement de déploiement des panneaux est électrique, avec mise en oeuvre de dispositifs pyrotechniques, telles que 25 des cisailles pyrotechniques, pour libérer des palettes de retenue des panneaux en configuration de gerbage. Pour ce, les dispositifs pyrotechniques sont chargés de rompre, le moment venu, des tirants de maintien des palettes de retenue, ce qui libère les panneaux de la configuration de gerbage vers la configuration de dégerbage. Selon un mode de réalisation de l'invention, le véhicule comporte des palettes de retenue des panneaux en configuration de gerbage, et en ce que, en configuration gerbée, lesdites palettes sont comprises dans des plans parallèles à ceux des panneaux, chaque palette étant reliée à une structure fixe du véhicule par au moins un joint de Carpentier, ledit joint de Carpentier étant agencé de manière à exercer un couple moteur tendant à mouvoir les palettes hors de l'espace de déploiement des panneaux. Selon un mode de réalisation de l'invention, la géométrie et la surface des palettes est choisie de manière à ce que, en configuration gerbée, les palettes ne recouvrent que partiellement la surface du panneau supérieur. L'invention a également pour objet un véhicule spatial, notamment 10 satellite, caractérisé en ce qu'il comporte un ensemble articulé selon l'invention. La présente invention va maintenant être décrite avec plus de détails en se référant aux dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 représente une aile de satellite comportant un ensemble articulé de panneaux solaires en configuration dégerbée selon un mode de réalisation de l'invention, la figure 2 représente l'aile de satellite selon une coupe A-A de la figure 1, l'aile étant en configuration gerbée, - la figure 3 représente l'aile de satellite selon une coupe C-C de la figure 2. Dans la présente demande, les éléments remplissant des fonctions similaires porteront des références identiques. 25 Les figures 1 à 3 représentent très schématiquement et très partiellement un ensemble articulé 1 formé de quatre panneaux faisant partie d'un générateur solaire. Le reste des panneaux de ce générateur solaire, ainsi que le reste 30 du satellite lui-même n'ont pas été représentés sur les figures, par souci de clarté. L'ensemble articulé 1 est relié à un mécanisme 2 de rotation de l'ensemble par l'intemédiaire d'un étrier 3. L'ensemble 1 comporte quatre panneaux rigides déployables, numérotés 4 à 7 sur les figures. Les panneaux sont articulés deux à deux pour pouvoir passer par pivotement d'une configuration de gerbage représentée sur les figures 2 et 3, dans laquelle ces panneaux sont empilés les uns sur les autres à une configuration déployée, dans laquelle les panneaux sont disposés sensiblement dans un même plan, sur la figure 1. Dans le mode de réalisation décrit à l'appui des figures 1 à 3, les panneaux destinés à former une succession longitudinale de panneaux (panneaux en ligne) sont les panneaux 4 à 7. Ils sont articulés entre eux, deux à deux, par l'intermédiaire de joints 11 de Carpentier, chacun de ces joints étant solidarisés de chaque côté à l'un de deux bords parallèles de panneaux 15 adjacents. Ces joints 11 de Carpentier permettent, comme expliqué dans la suite, une auto-motorisation du déploiement des panneaux qu'ils relient et sont au nombre de trois par paire de bords parallèles. Bien entendu, ce nombre d'articulations n'est en aucun cas limitatif. Il est nécessaire de bien comprendre, dans la présente, que les lames ressorts sont les seuls éléments de jonction entre deux panneaux. C'est en cela que l'invention est intéressante, les fonctions d'auto- motorisation et de verrouillage étant remplies par un même élément peu encombrant. Sur les figures 2 et 3, les panneaux empilés les uns sur les autres 25 sont retenus par des palettes 8 de retenue qui ont pour fonction de retenir les panneaux en configuration gerbée. Ces palettes sont ellesmêmes maintenues dans cette position par des tirants 9 fixés à une structure fixe du satellite (non représentée). On peut souligner que, dans cette dernière position, les joints de Carpentier forment un profil de coude 110 à chaque repliement, compressés 30 par la pression de retenue des palettes. Les joints 10 de Carpentier travaillent ainsi dans le sens de la flexion et un effort de traction est appliqué contre les palettes. Pour déclencher le déploiement des panneaux, les tirants sont rompus par des cisailles pyrotechniques (non représentés). De la sorte, les palettes, sous l'effet de joints 10 de Carpentier reliant les palettes à la structure, sont entraînées à effectuer une rotation de 900, mettant les palettes hors du champ de déploiement de panneaux. A ce moment, lorsque les palettes de retenue sont libérées, le couple moteur emmagasiné dans les joints de Carpentier assure automatiquement le déploiement des panneaux., comme l'illustre la figure 1. Une fois dans la configuration dégerbée, les joints 11 de Carpentier sont 10 parfaitement rectilignes et assurent le verrouillage des panneaux dans cette position. Selon un mode de réalisation de l'invention, la pluralité de joints de Carpentier formant la connexion entre deux panneaux voisins est agencée de manière à présenter une succession croisée de joints de Carpentier 11 et 15 1l' de manière à être capables de présenter respectivement des couples moteur opposés sous l'effet d'un pliement des deux panneaux voisins. On pourra noter que la géométrie et la surface des palettes a été choisie de manière à ce qu'elles ne recouvrent que partiellement la surface du panneau 4 supérieur. Ainsi, on réduit de façon conséquente l'inertie de l'aile. Les panneaux comportent des cellules solaires et préférentiellement celles employant la technologie bien connue de l'Homme du Métier dite "Thin Film" (de l'anglais Film Mince). Selon un aspect avantageux de l'invention, les panneaux comportent de telles cellules Thin Film et aucune feuille intercalaire de protection n'est prévue entre les différents panneaux en 25 regard en configuration gerbée. Selon une variante très avantageuse de l'invention, tel que représenté sous forme hachurée sur la figure 1, trois lames 111-113 de Carpentier traversent l'aile selon l'axe principal de déploiement de l'aile, se confondant au niveau des joints 11, 11'. Ce mode procure l'avantage précité de 30 remplir les fonctions des joints de Carpentier au niveau des articulations 11, 11' et la fonction supplémentaire de support du substrat souple en "film mince". Il est à souligner que, selon un autre mode avantageux de l'invention, l'acheminement du courant entre chaque panneau est réalisé par une nappe de câblage utilisant un matériau, CuBe alliage de cuivre du type du CuBe, possédant les mêmes propriétés mécaniques qu'une lame de Carpentier. REVENDICATIONS 1. Ensemble (1) articulé formé d'au moins deux panneaux (4-7) voisins d'un générateur solaire, articulés deux à deux pour pouvoir passer par 5 pivotement d'une configuration de gerbage, dans laquelle les panneaux sont empilés les uns sur les autres, à une configuration de dégerbage ou déployée, dans laquelle les panneaux sont disposés sensiblement dans un même plan, les deux panneaux étant reliés l'un à l'autre par une articulation, caractérisé en ce que ladite articulation est formée d' une lame ressort - joint 10 (11) de Carpentier assurant la double fonction de: - en configuration de gerbage et en phase de déploiement, génération d'un couple moteur permanent tendant à mouvoir les panneaux vers la configuration de dégerbage, - et, en configuration de dégerbage, retenue mécanique des panneaux dans 15 cette dernière configuration. 2. Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite articulation entre deux panneaux voisins n'est formée que de lames ressorts joints de Carpentier. 3. Ensemble selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que 20 lesdites lames ressorts - joints de Carpentier se prolongent sous les panneaux qu'ils relient. 4. Ensemble selon la revendication 1 à 3, caractérisé en ce que la pluralité de lames ressorts - joints de Carpentier formant la connexion entre deux panneaux voisins est agencée de manière à présenter une succession 25 croisée de lames - joints (11,11') de Carpentier de manière à être capables de présenter respectivement des couples moteur opposés sous l'effet d'un pliement des deux panneaux voisins. 5. Ensemble selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'acheminement du courant de puissance entre chaque panneau est 30 réalisé par une nappe de câblage utilisant un matériau possédant les mêmes propriétés mécaniques qu'une lame ressort - joint de Carpentier. 6. Ensemble selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le véhicule comporte des palettes (8) de retenue des panneaux en configuration de gerbage, et en ce que, en configuration gerbée, lesdites palettes sont comprises dans des plans parallèles à ceux des panneaux, 5 chaque palette étant reliée à une structure fixe du véhicule par au moins une seconde lame ressort - joint (10) de Carpentier, ladite seconde lame ressort joint de Carpentier étant agencée de manière à exercer un couple moteur tendant à mouvoir les palettes hors de l'espace de déploiement des panneaux. 7. Ensemble selon la revendication 6, caractérisé en ce que la 10 géométrie et la surface des palettes est choisie de manière à ce que, en configuration gerbée, les palettes ne recouvrent que partiellement la surface du panneau supérieur. 8. Véhicule spatial, notamment satellite, caractérisé en ce qu'il comporte un ensemble articulé selon l'une des revendications 1 à 7. 15