Brevet FR2863023A1 — publié le 20050603

ROTULE MAGNETIQUE ET ENSEMBLE ARTICULE AU MOYEN DE CETTE ROTULE DESCRIPTION L'invention concerne une rotule magnétique et un ensemble articulé au moyen d'une ou plusieurs de ces rotules. Elle s'applique particulièrement dans le domaine spatial aux générateurs solaires, aux mécanismes de déploiement d'antennes et de radiateurs de satellites. L'espace disponible sous la coiffe d'un lanceur est limité. C'est pourquoi les panneaux solaires de satellite sont constitués d'éléments articulés stockés en position repliée pendant le lancement du satellite et déployés lorsque le satellite est en orbite. Il faut donc Prévoir des articulations entre les éléments qui constituent le panneau. Ces articulations doivent répondreà des exigences très strictes. Elles doivent tout d'abord opposer un couple résistant très faible au déploiement des éléments car plus le couple résistant est important, plus la motorisation prévue doit être puissante, donc lourde, consommatrice d'énergie et génératrice de chocs en fin de déploiement. Les articulations doivent également être très fiables. En effet, si l'une d'elles se bloque, le déploiement sera impossible, ce qui privera le satellite de la fonction du dispositif à déployer. Comme la plupart des pièces du satellite, elles sont soumises à des tests appelés tests de recette une première fois après montage, Puis sont soumises à des contraintes mécaniques (vibrations, etc.) et thermiques qui simulent les conditions de vol. Après cela, elles subissent de nouveaux tests de recette pour vérifier qu'il n'y a pas d'altération des performances précitées SP 23181 GP due aux essais. Cependant, ces tests de recette peuvent être très difficiles à effectuer, en particulier si l'on ne peut pas reproduire au sol les conditions de leur déploiement en apesanteur (déploiement selon plusieurs axes) On connaît actuellement des articulations à rotule comportant deux ferrures reliées entre elles par une rotule sphérique mécanique et motorisées par un moteur ou un ressort. Elles ont de bonnes performances d'alignement. Les lignes d'articulation des éléments peuvent donc être constituées de deux rotules. En revanche leur couple résistant est assez important, ce qui nécessite une motorisation puissante. De plus, il est dispersé, ce qui pose des problèmes de chocs en fin de déploiement dans les cas où le couple résistant est particulièrement bas. En outre, les tests de recette ne peuvent être effectués parce qu'ils nécessiteraient le déploiement complet du dispositif, ce qui n'est pas toujours possible à obtenir au sol. On connaît par ailleurs des articulations sans frottement comportant deux ferrures aptes à être solidarisées sur les éléments articulés, chaque ferrure comportant une surface cylindrique convexe apte à rouler sur la surface de l'autre ferrure sous l'action d'au moins deux organes souples dont les extrémités sont fixées respectivement sur chacune des ferrures. Ces articulations présentant l'avantage d'opposer un couple résistant quasi-nul. En outre, elles peuvent être recettées par un déploiement des éléments articulés sur un secteur de quelques degrés seulement. Elles ne nécessitent pas le déploiement du panneau complet. Cependant, leur masse est élevées et leur performance d'alignement sont faibles car on ne peut placer qu'une seule articulation sur une ligne d'articulation, ce qui est gênant si cette ligne est longue. SP 23181 GP L'invention a pour objet une articulation magnétique qui remédie aux inconvénients des articulations actuellement connues. Elle doit opposer un couple résistant très faible, proche de zéro et présenter de bonnes performances d'alignement, tout en restant légère. Elle doit de plus permettre l'exécution des tests de recette sans déploiement des panneaux. Ces buts sont atteints, conformément à l'invention, par le fait qu'elle comprend un palier ayant un alésage d'axe Z, un centreur magnétique ayant un plan de symétrie étant monté dans cet alésage, un moyeu ayant un diamètre extérieur d'axe Z', un centreur magnétique ayant un plan de symétrie étant monté sur ce diamètre, le moyeu étant disposé dans l'alésage du palier, le plan de symétrie du centreur du moyeu présentant un décalage (d) selon la direction de l'axe de l'alésage avec le plan de symétrie du centreur de l'alésage de manière à générer une force magnétique qui tend à écarter le moyeu du palier; le palier comporte une première surface de butée sur laquelle le moyeu prend appui afin de limiter son décalage par rapport au palier. Grâce à ces caractéristiques, le couple résistant se limite aux forces de frottement de l'extrémité du moyeu sur la surface de butée du palier. Il est donc très faible. Avantageusement, la surface de butée est plane et l'extrémité du moyeu est sphérique de manière à obtenir un contact sphère plan. Avantageusement le palier comporte une seconde surface de butée située du côté du plan de symétrie du centreur opposé au côté de la première surface de butée, le moyeu comportant une surface de butée qui coopère avec la seconde surface de butée du palier pour maintenir une valeur positive du décalage du moyeu par rapport au palier. SP 23181 GP Grâce à cette caractéristique, on est assuré que le moyeu subira toujours une force positive et restera toujours sollicité vers la première surface de butée même si le moyeu s'en écarte temporairement sous l'effet d'une force supérieure à la force magnétique (la raideur) des centreurs passifs. De préférence, le centreur est un centreur passif, notamment au moins un aimant permanent. La rotule de l'invention peut être associée à 10 tout type de verrouillage et de motorisation. L'invention concerne également un ensemble articulé constitué d'au moins deux éléments articulés par une première et une seconde rotules magnétiques selon l'invention alignées le long de deux côtés des éléments, l'axe du palier de la première rotule étant confondu avec l'axe du palier de la seconde rotule et l'axe du moyeu de la première rotule étant confondu avec l'axe du moyeu de la seconde rotule. En effet, dans la rotule magnétique de l'invention, le moyeu peut se déplacer angulairement de quelques dixièmes de degrés par rapport au palier sans que le couple résistant n'augmente. De ce fait, la rotule est apte à supporter des défauts d'alignement des deux rotules. Il est donc possible, contrairement aux articulation sans frottement actuellement connues, de placer deux rotules sur une ligne d'articulation entre deux articulations, ce qui assure un meilleur guidage de ces éléments. Cette caractéristique est particulièrement avantageuse dans le cas où les éléments articulés sont des éléments présentant au moins un grand côté, par exemple des éléments de panneaux solaires de satellite, des réflecteurs d'antenne ou des radiateurs. La ligne d'articulation peut être disposée selon l'un des grands côtés des éléments articulés. On peut ainsi prévoir un déploiement en ligne et un déploiement latéral des SP 23181 GP éléments, ce qui permet d'augmenter considérablement la surface du dispositif déployé. Avantageusement, le décalage du plan de symétrie (Si) du centreur du moyeu avec le plan de symétrie (S) du centreur de l'alésage de la première rotule est de même sens et de même grandeur que le décalage du plan de symétrie (S') du centreur du moyeu avec le plan de symétrie (S) du centreur de l'alésage de la seconde rotule. Ainsi, les deux rotules sont disposées dans le même sens, et leurs décalages sont égaux et varient de la même manière. L'invention concerne encore un ensemble articulé comportant des tirants de gerbage aptes à solidariser les deux éléments dans une position dans laquelle les moyeux de la première et de la seconde articulation à rotule sont espacés des surfaces de butée de leur palier respectif: Pendant la phase de lancement, le moyeu et le palier ne sont pas en contact. En particulier, l'extrémité du moyeu ne porte pas sur la surface de butée du palier. De cette manière, les vibrations et les autres contraintes d'ambiance ne risquent pas d'endommager l'articulation. Il en résulte une augmentation de sa neutralité et par suite, une diminution du risque d'incident au moment du déploiement des panneaux. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront encore à la lecture de la description qui suit d'exemples de réalisation donnés à titre illustratif en référence aux figures annexées. Sur ces figures: - la figure 1 est une vue en coupe d'une rotule conforme à la présente invention; - la figure 2 est une courbe de la force axiale 35 de la rotule de la figure en fonction du décalage entre le moyeu et le palier SP 23181. GP - la figure 3 est une vue en perspective d'une structure articulée au moyen d'un ligne d'articulation conforme à l'invention; - les figures 4a à 4e illustrent les étapes de 5 déploiement d'un panneau de générateur solaire de satellite; - la figure 5 est une vue en coupe similaire à la figure 1, montrant la rotule en configuration de stockage - la figure 6 est une vue en coupe des éléments d'un générateur solaire en position de stockage. La rotule de l'invention, désignée dans son ensemble par la référence générale 2, est constituée d'un palier 4 et d'un moyeu 6. Le palier comporte un alésage 8 d'axe géométrique Z. L'alésage 8 est ouvert à une extrémité et fermé à une autre extrémité par une paroi 10. Le palier comporte une patte de fixation 12 qui permet de le fixer sur un élément, par exemple un élément de panneau solaire Une gorge 11 est prévue dans l'alésage 8 Un centreur passif 14, constitué par au moins un aimant permanent en forme de bague, est logé dans la gorge. Le diamètre intérieur de la bague est légèrement supérieur au diamètre de l'alésage 8 de manière que le centreur ne fasse pas saillie. Le moyeu 6 a un axe géométrique Z', confondu sur la figure 1 avec l'axe z du palier. Il comporte une patte de fixation 16 qui permet de le fixer sur un élément, par exemple un élément de panneau solaire. Le diamètre extérieur du moyeu est inférieur au diamètre de l'alésage de manière à ménager un jeu entre lui-même et le palier. Ce jeu permet une rotation de quelques dixièmes de degré des axes Z et Z' l'un par rapport à l'autre. Cela permet à la rotule de s'adapter à des défaut d'alignement du palier par rapport au moyeu. Une gorge 17 est prévue sur le diamètre extérieur du moyeu 6. Un centreur passif 18, constitué SP 23181 GP par au moins un aimant permanent en forme de bague, est logé dans cette gorge. Le diamètre extérieur du centreur 18 est légèrement inférieur au diamètre extérieur du moyeu de manière que le centreur ne fasse pas saillie. Le centreur 14 comporte un plan de symétrie S perpendiculaire à son axe Z. De même, le centreur 18 du moyeu comporte un plan de symétrie S' perpendiculaire à son axe Z'. Le moyeu est introduit dans le palier de manière que les plans S et S' soient confondus. Dans cette position, l'équilibre du moyeu par rapport au palier est stable dans la direction radiale, mais instable axialement (sens de l'axe Z). En effet, comme on peut le constater sur la figure 2 qui représente la force des centreurs (en N) en fonction du décalage d entre les centreurs, chaque centreur est repoussé par l'autre en créant une force magnétique déstabilisante selon l'axe Z. La force est nulle lorsque les centreurs sont parfaitement alignés, mais cette position est instable. Elle est aussi appelée point d'apesanteur. En réglant la position du moyeu portant le centreur 18 par rapport au palier portant le centreur 14 de telle sorte qu'un décalage d déterminé existe entre les plans S et S', on règle du même coup l'intensité de la force axiale, laquelle est proportionnelle au décalage d autour du point O. La force axiale est reprise par une butée axiale du moyeu sur le palier, par exemple une butée sphère/plan. Le moyeu est terminé par une sphère 20 qui vient en appui sur la surface plane de butée 10 qui obture l'extrémité gauche (selon la figure 1) de l'alésage 6. Cette position du moyeu est stable. Le couple résistant de la rotule se limite au frottement de la sphère 20 sur la paroi 10. Cette valeur a été testée et elle est estimée à 0,001 N.m. SP 23181 GP Le palier comporte une seconde surface de butée 22 située de l'autre côté des plans de symétrie S et S'. Cette surface est formée sur une pièce rapportée 23 fixée sur le palier 4. La surface 22 coopère avec une surface correspondante 24 du moyeu. Le jeu maximum e entre les surfaces 22 et 24 est inférieur au décalage maximum d du moyeu avec le palier. Ainsi, si le moyeu se déplace axialement, non seulement il ne peut pas sortir du palier, mais encore le décalage entre les deux centreurs ne s'annule pas. Le moyeu est donc toujours sollicité par la force magnétique vers la surface de contact sphérique. Il revient donc vers sa position d'équilibre stable s'il s'en est écarté sous l'effet d'un choc ou d'une secousse. On a représenté sur la figure 3 une vue en perspective d'une structure constituée de deux éléments 26 et 28 articulés au moyen de deux rotules 2 conformes à l'invention. Les éléments articulés 26 et 28 sont de forme rectangulaire. L'élément 26 est fixe tandis que l'élément 28 pivote par rapport à lui autour d'un axe Z, qui est l'axe des alésages 6 des paliers des rotules, comme schématisé par la flèche 30. Les pattes de fixation 12 des paliers des rotules 2 sont fixées sur l'un des éléments articulés, tandis que les pattes 16 des moyeux des rotules sont fixées sur l'autre élément. Sur la figure 3 on n'a représenté que deux éléments articulés, mais il va de soi qu'un troisième élément articulé pourrait être monté pivotant sur n'importe quel côté libre 27 de l'élément fixe 26. Il est souhaitable que les axes Z des paliers et les axes Z' des moyeux des deux rotules 2 soient aussi parfaitement alignés que possible. Cependant, comme on l'a expliqué, les rotules de l'invention sont aptes à tolérer des défauts d'alignement dans la limite des possibilités de pivotement des moyeux par rapport aux paliers. Les défauts d'alignement sont d'autant SP 23181 GP plus sensibles que les rotules sont plus espacées l'une de l'autre, par exemple si la distance entre elles est de plusieurs mètres. La capacité de la rotule de l'invention de tolérer des défauts d'alignement relativement importants est une caractéristique avantageuse car elle permet de monter deux rotules éloignées, et donc d'articuler des éléments de grandes dimensions. Les rotules 2 peuvent être "de même sens", ou de sens opposés. Elles sont de même sens si les moyeux des rotules sont de même sens. Avantageusement, le décalage d des centreurs des deux rotules sont réglés de manière à être égaux. Ainsi, la raideur des deux articulations est la même. Les surfaces de butée sphériques 20 de deux rotules sont simultanément en contact avec les plans 10 des paliers. De la même manière, les surfaces de butée 24 des deux moyeux sont simultanément en contact avec les surfaces de butée 22 des paliers. Les rotules peuvent également être "de sens opposés". Alors, les décalages des centreurs des deux rotules varient en sens opposés. Les éléments articulés, des panneaux solaires de satellites dans l'exemple, sont placés dans le lanceur en position repliée l'un contre l'autre (position de stockage). Dans cette position, ils sont maintenus serrés les uns contre les autres par des moyens appropriés connus, par exemple par des tirants de gerbage. On a représenté sur la figure 6 une vue en coupe montrant les éléments 26,28 constituant le générateur solaire en position repliée sur le satellite 36. Ils sont maintenus par deux pieds de gerbage 38. Les éléments 26,28 sont espacés par des douilles 40. Le tirant de gerbage 42 maintient les éléments serrés les uns contre les autres. Après le lancement, les moyens de solidarisation, le tirant 42 dans l'exemple, sont libérés, et le panneau peut être déployé. SP 23181 GP On représenté sur les figures 4a à 4e quatre étapes de déploiement d'un panneau de générateur solaire de satellite. Les éléments qui constituent le panneau dans son ensemble sont de forme rectangulaire allongée dont la longueur atteint plusieurs mètres, par exemple 4 m. Le panneau est formé d'une ligne centrale 30 d'éléments articulés, d'une première ligne latérale 32 et d'une seconde ligne latérale 34. Les éléments courants de la ligne centrale sont articulés aux autres éléments de la ligne centrale 30 par leurs petits côtés 36 et aux éléments des lignes latérales 32 et 34 par leurs grands côtés 38. Les éléments de la première ligne latérale 32 et ceux de la seconde ligne latérale 34 sont articulés par l'un de leurs grands côtés 38 aux éléments courants de la ligne centrale 30. Deux éléments latéraux 28 se replient sur un élément central 26, leur face 29 couverte de cellules photovoltaïques dirigée vers l'extérieur. Dans un première étape, les éléments du panneau solaire se déplient en ligne, selon des articulations disposées sur les petits des éléments (figure 4a et 4b) Dans une seconde étape (figures 4c et 4d), les éléments latéraux sont déployés. Ils pivotent de 180 autour d'un axe parallèle à l'un de leurs grands côtés. Sur la figure e, le panneau est entièrement déployé. L'invention s'applique à l'articulation de tels panneaux solaires. En particulier, ses performances d'alignement permettent de l'utiliser pour un déploiement latéral du panneau solaire, ce qui autorise un triplement de la surface du panneau, et donc des performances très supérieures à celle d'un panneau déployé seulement en ligne. Conformément à une caractéristique importante de l'invention, dans la position repliée, les extrémités sphériques 20 des moyeux sont espacées des surfaces de butée plane 10 des paliers, comme SP 23181 GP représenté sur la figure 5. Comme on peut le noter, il existe un jeu j entre la surface sphérique 20 et le fond 10 du palier. Ce jeu peut être obtenu, par exemple, en amenant le moyeu 6 en butée contre la surface de butée 22 du palier. Pendant le lancement, il n'y a donc pas de risque de matage, de grincement ou de soudage. Cette caractéristique est particulièrement avantageuse dans une application au déploiement de panneaux solaires de satellite. C'est en effet pendant la phase de lancement qu'ils subissent les contraintes les plus intenses (vibrations, notamment). Les moyeux n'étant pas au contact des paliers, les articulations sont protégées et ne peuvent subir aucun dommage. Une fois le satellite en orbite, les moyens de solidarisation des éléments articulés sont libérés. Les articulations prennent alors naturellement leur position d'équilibre, les surfaces sphériques 20 venant en appui sur les surfaces 10 sous l'effet de la raideur magnétique des paliers Cette caractéristique permet également de simplifier les articulations ne lancement, il est possible tests d'ambiance sans avoir panneaux tests de recette. Puisque les sont pas en contact pendant le suffit de démontrer que le déploiement sur quelques degrés seulement après à déplier entièrement les les SP 23181 GP REVENDICATIONS 1. Rotule magnétique apte à être montée entre deux éléments articulés, caractérisée en ce qu'elle comprend un palier ayant un alésage d'axe (Z), un centreur magnétique ayant un plan de symétrie (S) étant monté dans cet alésage, un moyeu ayant un diamètre extérieur d'axe (Z'), un centreur magnétique ayant un plan de symétrie (S') étant monté sur ce diamètre, le moyeu étant disposé dans l'alésage du palier, le plan de symétrie (S') du centreur du moyeu présentant un décalage (d) selon la direction de l'axe (Z) de l'alésage avec le plan de symétrie (S) du centreur de l'alésage de manière à générer une force magnétique qui tend à écarter le moyeu du palier, et en ce que le palier comporte une première surface de butée sur laquelle le moyeu prend appui afin de limiter son décalage par rapport au palier. 2. Rotule selon la revendication 1, caractérisée en ce que le palier comporte une seconde surface de butée située du côté du plan de symétrie du centreur opposé au côté de la première surface de butée, le moyeu comportant une surface de butée qui coopère avec la seconde surface de butée du palier pour maintenir une valeur négative du décalage du moyeu par rapport au palier. 3. Rotule selon la revendication 1 ou 2, 30 caractérisée en que le centreur est un centreur passif, notamment au moins un aimant permanent. 4. Ensemble articulé, caractérisé en ce qu'il est constitué d'au moins deux éléments articulés par une première et une seconde rotules magnétiques selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 alignées le SP 23181 GP long de deux côtés des éléments, l'axe du palier de la première rotule étant sensiblement confondu avec l'axe du palier de la seconde rotule et l'axe du moyeu de la première rotule étant avantageusement confondu avec l'axe du moyeu de la seconde rotule. 5. Ensemble articulé selon la revendication 4, caractérisé en que les éléments articulés sont des éléments de forme rectangulaire allongée présentant au moins un grand côté, la ligne d'articulation étant disposée selon l'un des grands côtés des éléments articulés. 6. Ensemble articulé selon la revendication 5, 15 caractérisé en que les éléments articulés sont des éléments de panneaux solaires de satellite. 7. Ensemble articulé selon la revendication 4, caractérisé en ce l'un au moins des éléments articulés 20 est un radiateur de satellite. 8. Ensemble articulé selon la revendication 4, caractérisé en que l'un au moins des éléments articulés est une antenne ou un réflecteur d'antenne de satellite. 9. Ensemble articulé selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que le décalage du plan de symétrie (S') du centreur du moyeu avec le plan de symétrie (S) du centreur de l'alésage de la première rotule est de même sens et de même grandeur que le décalage du plan de symétrie (S') du centreur du moyeu avec le plan de symétrie (S) du centreur de l'alésage de la seconde rotule. SP 23181 GP 10. Ensemble articulé selon l'une des revendications 4 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte des tirants de gerbage aptes à solidariser les deux éléments dans une position dans laquelle les moyeux de la première et de la seconde articulation à rotule sont espacés des surfaces de butée de leur palier respectif. SP 23181 GP