Brevet FR2875216A1 — publié le 20060317

DISPOSITIF DE DEPLOIEMENT D'UNE STRUCTURE PORTEE PAR UN OBJET DANS L'ESPACE La présente invention se rapporte au déploiement de structures portées par des objets envoyés dans l'espace, tels que par exemple des satellites ou des sondes. D'une manière générale, ces objets sont fragiles. En effet, compte tenu des coûts de lancement on cherche toujours à minimiser leur masse, ce qui peut conduire à concevoir des structures très légères donnant satisfaction lors de leur usage dans l'espace, mais fragiles eu égard aux accélérations et aux vibrations auxquelles elles sont soumises lors du lancement. Compte tenu d'autre part que l'on dispose d'une place réduite sous les coiffes des fusées ou dans la soute des navettes, on cherche donc à compacter en terme de volume et de tenue mécanique les structures pour le lancement et on les déploie en orbite. Ces déploiements sont faits essentiellement à l'aide de systèmes mécaniques qui peuvent être complexes, du fait des conditions difficiles de 15 l'environnement spatial. Ces systèmes sont plus ou moins complexes et importants selon la taille des structures dont certaines, par exemple celles comportant des générateurs solaires, peuvent dépasser les 20 mètres. L'invention concerne plus précisément le domaine des objets de petite taille 20 tels que les microsatellites et les nanosatellites, un exemple de tels objets étant donné par le brevet US N 6.318.674. Lorsqu'il est nécessaire de déployer en orbite autour de tels petits objets une enveloppe à diverses fins, les systèmes de déploiement tels que ceux habituellement utilisés sur les grands satellites de type communication pour la mise en place de générateurs solaires, qu'ils soient mécaniques ou par gonflage, ne peuvent être montés sur ces petits objets car trop volumineux, lourds et complexes. L'invention vise précisément à proposer des moyens simples, légers et fiables aptes à déployer autour ou à distance de tels petits objets une enveloppe ou fragment d'enveloppe, à finalité fonctionnelle variable selon les applications et qui est une structure souple, déformable ou à géométrie variable, susceptible de se déployer entre une position de repos repliée ou plaquée contre l'objet et une position opérative déployée à distance de l'objet. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif de déploiement d'une structure portée par un objet, dans l'espace, ladite structure étant constituée d'une enveloppe souple, déformable ou à géométrie variable, susceptible de se déployer entre une position de repos repliée ou plaquée contre l'objet et une position opérative déployée à distance de l'objet, caractérisé en ce qu'il est constitué : - d'éléments supports de ladite enveloppe ou dudit fragment d'enveloppe, et, d'éléments de déploiement à ressort, de préférence à grande course, interposés entre lesdits éléments supports et l'objet et aptes à passer d'un premier état correspondant à ladite position de repos de l'enveloppe ou fragment d'enveloppe et dans lequel lesdits éléments ressorts sont pré- contraints, à un second état dit de déploiement. Suivant un mode de mise en oeuvre du dispositif de l'invention plus particulièrement destiné au déploiement d'une enveloppe autour de l'objet, les éléments de déploiement à ressort sont en forme de ruban élastique de conformation appropriée, plaqués à l'encontre de leur force de rappel contre la face externe de l'objet, dans ledit premier état, des moyens étant prévus pour libérer lesdits éléments pour les faire passer dans ledit second état. Dans un mode de réalisation particulier, ladite enveloppe est souple et continue ou constituée de facettes et est mise en forme à l'aide de raidisseurs, lesdits éléments de déploiement en forme de ruban élastique étant constitués de paires de rubans, les rubans de chaque paire étant liés, l'un, audit objet, l'autre, à au moins un raidisseur et associés entre eux en sorte de se déployer en forme de double lyre dans ledit second état en contraignant lesdits raidisseurs à s'éloigner dudit objet. Avantageusement, les rubans sont du type ruban de frettage réalisé en matériau composite, par exemple des fibres de silice associées à une résine 5 époxy appropriée. Les moyens pour libérer lesdits rubans en vue de les positionner dans ledit second état sont par exemple constitués d'un élément de retenue ceignant l'objet et plaquant les rubans contre ce dernier et d'un moyen de largage dudit élément de retenue. Suivant un autre mode de mise en oeuvre du dispositif de l'invention également plus particulièrement destiné au déploiement d'une enveloppe autour de l'objet, les éléments de déploiement à ressort sont constitués d'éléments en forme d'X à branches articulées entre elles ainsi qu'à leurs extrémités, d'une part, sur l'objet et, d'autre part, sur des raidisseurs de mise en forme de ladite enveloppe, en sorte de passer d'une première position aplatie à une seconde position déployée en X et d'un moyen à ressort agencé sur chaque élément en X et apte à rappeler lesdits éléments dans ladite seconde position, des moyens étant prévus, d'une part, pour contenir lesdits éléments en X dans ladite première position et, d'autre part, pour les libérer afin qu'ils passent dans ladite seconde position. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui va suivre de modes de réalisation du dispositif de l'invention, description donnée à titre d'exemple uniquement et en regard des dessins annexées sur lesquels: - Figure 1 est une vue schématique en perspective d'un objet tel qu'un mini-satellite équipé d'un dispositif de déploiement d'une enveloppe conforme à l'invention; - Figure 2 représente un élément de déploiement à ressort en forme de double lyre du dispositif de la figure 1; Figure 3 est une coupe de l'objet de la figure 1 au droit de la zone de 30 fixation sur l'objet du dispositif de déploiement; - Figure 4 est une vue partielle en perspective agrandie de l'objet, le dispositif de déploiement étant dans sa position de repos, plaqué contre la face externe de l'objet; - Figure 5 illustre une variante du dispositif de la figure 1, et Figure 6 illustre schématiquement le principe de réalisation d'un autre mode de réalisation des éléments à ressort de déploiement. Sur la figure 1, on a représenté en 1 un objet équipé d'un dispositif de déploiement d'une enveloppe externe (non représentée) et qui peut être par 5 exemple un mini-satellite. Un tel objet 1 est représenté schématiquement en forme de double ogive dont la partie centrale, de diamètre maximal, est ceinturée d'un dispositif 2 de maintien d'une pluralité de dispositifs 3 de déploiement à ressort, en forme de double lyre, auxquels sont fixées des armatures 4 de déploiement de ladite enveloppe, par exemple une enveloppe souple présentant, une fois déployée, la forme d'un ballon enveloppant l'objet 1. Chaque dispositif de déploiement à ressort 3 est constitué d'une paire d'éléments formant ressort 5a, 5b formés chacun par exemple par un ruban analogue à un ruban de frettage, de préférence constitué en matériau composite. Les deux rubans 5a, 5b sont fixés entre eux à leurs extrémités par un frettage 6 par exemple. A la fabrication, on donne aux rubans 5a, 5b une forme de lyre comme illustré en figure 2 en sorte que si l'on plaque les rubans 5a, 5b l'un contre l'autre, leur rigidité élastique s'oppose à ce rapprochement et confère ainsi à l'ensemble 5a, 5b aplati comme illustré en figures 3 et 4 une contrainte tendant à rappeler automatiquement les rubans 5a, 5b dans la forme déployée de la figure 2. L'un des rubans, 5a, de chaque paire est solidaire, par exemple par un frettage 7, d'une armature 4, cependant que l'autre ruban, 5b, est solidaire de l'objet. Les armatures 4 sont par exemple des éléments allongés cintrés, de préférence en matériau composite, solidaire ou non de l'enveloppe sur la face interne de laquelle se plaquent les armatures lors du déploiement. La fixation des rubans 5b sur l'objet 1 est réalisée par une bague 2 ceinturant l'objet. A cet effet, la bague 2, fixée par tous moyens sur l'objet 1, est munie sur sa face interne d'encoches 8 de réception chacune d'un ruban 5b. Dans le mode de réalisation des figures 1 et 3 sont représentées six paires d'éléments à ressort 3 reliés chacun à une armature 4. La face externe de la bague 2 est munie d'encoches 9 de réception des rubans 5a lorsque les dispositifs de déploiement 3 sont mis en position de pré-contrainte, c'est-à-dire aplatis, les éléments 5a, 5b et 4 étant (figure 3) pratiquement superposés. Sur la figure 4, les rubans 5a, 5b sont représentés plaqués l'un sur l'autre suivant sensiblement une génératrice de la double ogive 1. Pour ne pas surcharger le dessin, on n'a pas représenté sur la figure 4 les armatures 4, lesquelles épousent bien entendu les rubans 5a. Les rubans 5a, 5b sont, à proximité des frettages 6 dans l'exemple illustré par la figure 4, maintenus contre l'objet 1 par un lien symbolisé en 10, qui est disposé au dessus de l'enveloppe, ceinture l'objet et est fixé à celui-ci. Les ensembles 3 sont ainsi maintenus en position repliée ou aplatie. II est à noter que sur la figure 4, le lien 10 est représenté au voisinage des frettages 6 par souci de clarté, car, de préférence un seul lieu de retenue sera utilisé et disposé à hauteur des centres des raidisseurs ou armatures 4. L'enveloppe (non représentée) est repliée par dessus l'ensemble 1-2-3-4, le tout étant éventuellement logé dans un conteneur à plusieurs secteurs (non représenté) qui sera largué lors du déploiement de l'enveloppe. Le dispositif de déploiement à ressort 3 permet d'avoir une grande course 20 entre les états plié et déplié des dispositifs. La course de la double lyre (figure 2) n'est limitée que par la longueur axiale de la charge utile (objet 1). Par ailleurs, les matériaux composites sont bien adaptés à la réalisation des dispositifs 3 car ils permettent d'obtenir des dispositifs légers. Avantageusement, on utilisera comme matériau composite des fibres de silice avec une matrice de résine époxy appropriée aux conditions d'emploi (déploiement dans l'espace). Avec un dispositif 3 à ruban de section 10 mm X 1 mm en silice/époxy, il est possible d'obtenir des efforts de déploiement de 20 N. Cet effort peut être adapté en jouant sur les formes, dimensions et section de la lyre, la nature des matériaux, le taux de fibre, le rayon de courbure de la lyre. Le déploiement est commandé par le largage des liens 10. Cette libération peut se faire à l'aide d'une cisaille mécanique ou pyrotechnique, d'un fil fusible ou d'un actionneur électromécanique par exemple, ou par tout autre moyen. Le largage des liens 10 libère les extrémités des paires de rubans 5a, 5b, permettant ainsi aux dispositifs 3 de se déployer et prendre la forme en double lyre de la figure 2. Le déploiement des dispositifs 3 provoque le largage des secteurs du conteneur (s'il y en a) et le déploiement de l'enveloppe, poussée par les armatures 4. L'enveloppe peut être un film d'épaisseur très faible, par exemple 0,05 mm et son pliage peut être effectué par tout moyen connu, dépendant en fait de la géométrie de l'enveloppe déployée, par exemple un ballon de quelques mètres de diamètre pour un mini-satellite de même taille, et dépendant également de la géométrie de la charge utile ou objet 1. L'enveloppe peut par exemple porter des cellules solaires. L'objet 1 n'est pas nécessairement sphérique. La figure 5 illustre l'application de l'invention à un objet 1' de forme conique, en vue du déploiement non plus d'une enveloppe continue mais de fragments d'enveloppe constitués par exemple par des facettes indépendantes, à savoir des éléments plans rigides 11 solidaires d'armatures 4', déployées comme les armatures 4 du dispositif des figures précédentes, par des éléments à ressort en double lyre 3 fixés à une armature de maintien 2' solidaire de l'objet 1'. La figure 6 illustre une variante de réalisation des éléments à ressort 3, dans laquelle chaque armature 4" est reliée à l'objet symbolisé en 1" par une liaison articulée 12 en forme de X. Cette liaison comprend deux branches ou baguettes 12a, 12b, articulées entre elles en un point fixe 13 situé dans la partie médiane des baguettes. L'une (12a) des baguettes est articulée sur un point fixe 14 sur l'armature 4", cependant que son autre extrémité 15 est liée à l'objet 1" mais peut librement coulisser. L'autre baguette (12b) est liée à l'armature 4" par une liaison coulissante 16, cependant que l'autre extrémité est reliée à un point fixe 17 de l'objet 1" par l'intermédiaire d'un élément-ressort 18. Les points de liaison-articulation 13 à 17 permettent de déformer le X de l'ensemble en le faisant passer d'une configuration aplatie (l'armature 4" étant plaquée contre l'objet 1") à la configuration déployée illustrée par la figure 6, sous l'action du rappel élastique du ressort 18, convenablement cintré lors de sa fabrication. L'élément ressort 18, de même que les éléments 12a, 12b et 4", sont avantageusement réalisés en matériau composite, comme les éléments 4, 5a, 5b du mode de réalisation des figures 1 à 4. De plus, un ou plusieurs dispositifs (non représentés) de maintien des ensembles 12 en configuration aplatie, par exemple un dispositif de type lien ou sangle analogue au dispositif 10 de la figure 4, sont prévus et seront largués le moment venu pour le déploiement de l'enveloppe ou des fragments d'enveloppe, solidaires des armatures 4". 8 REVENDICATIONS 1. Dispositif de déploiement d'une structure portée par un objet (1, 1', 1"), dans l'espace, ladite structure étant constituée d'une enveloppe souple, déformable ou à géométrie variable, susceptible de se déployer entre une position de repos repliée ou plaquée contre l'objet et une position opérative déployée à distance de l'objet, caractérisé en ce qu'il est constitué : - d'éléments supports (4, 4', 4") de ladite enveloppe ou dudit fragment d'enveloppe (11), et d'éléments (3, 12) de déploiement à ressort, de préférence à grande course, interposés entre lesdits éléments supports (4, 4', 4") et l'objet (1, 1', 1") et aptes à passer d'un premier état correspondant à ladite position de repos de l'enveloppe ou fragment d'enveloppe et dans lequel lesdits éléments ressorts (3, 12) sont pré-contraints, à un second état dit de déploiement. 2. Dispositif selon la revendication 1, plus particulièrement destiné au déploiement d'une enveloppe autour de l'objet (1, 1'), caractérisé en ce que les éléments de déploiement à ressort sont en forme de ruban élastique (5a, 5b) de conformation appropriée, plaqués à l'encontre de leur force de rappel contre la face externe de l'objet (1, 1'), dans ledit premier état, des moyens (10) étant prévus pour libérer lesdits éléments (5a, 5b) pour les faire passer dans ledit second état. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite enveloppe est souple et continue ou constituée de facettes et est mise en forme à l'aide de raidisseurs (4), lesdits éléments de déploiement en forme de ruban élastique étant constitués de paires de rubans (5a, 5b), les rubans de chaque paire étant liés, l'un (5b) audit objet (1), l'autre (5a), à au moins un raidisseur (4) et associés entre eux en sorte de se déployer en forme de double lyre dans ledit second état en contraignant lesdits raidisseurs (4) à s'éloigner dudit objet (1). 4. Dispositif selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que les rubans (5a, 5b) sont du type ruban de frettage réalisé en matériau composite. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit matériau composite est constitué de fibres de silice associées à une résine époxy. 6. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que lesdits moyens pour libérer lesdits rubans (5a, 5b) en vue de les positionner dans ledit second état sont constitués d'un élément de retenue (10) ceignant l'objet (1) et plaquant les rubans contre ce dernier et d'un moyen de largage dudit élément de retenue (10). 7. Dispositif selon la revendication 1, plus particulièrement destiné au déploiement d'une enveloppe autour de l'objet, caractérisé en ce que les éléments de déploiement à ressort sont constitués d'éléments (12) en forme d'X à branches (12a, 12b) articulées entre elles ainsi qu'à leurs extrémités, d'une part, sur l'objet (1") et, d'autre part, sur des raidisseurs (4") de mise en forme de ladite enveloppe, en sorte de passer d'une première position aplatie à une seconde position déployée en X et d'un moyen à ressort (18) agencé sur chaque élément (12) en X et apte à rappeler lesdits éléments dans ladite seconde position, des moyens étant prévus, d'une part, pour contenir lesdits éléments en X dans ladite première position et, d'autre part, pour les libérer afin qu'ils passent dans ladite seconde position.