Brevet FR2905804A1 — publié le 20080314

INSTRUMENT D'ACQUISITION SPATIALE À RÉFLECTEUR(S) DÉPLOYABLE(S) ET À COMPACITÉ ÉLEVÉE s L'invention concerne le domaine de l'acquisition spatiale de données, et plus précisément les instruments d'acquisition spatiale qui sont embarqués sur des engins spatiaux, comme par exemple des satellites d'acquisition, et dont le diamètre excède très largement celui de la coiffe des fusées (ou lanceurs) qui doivent les transporter dans l'espace, par exemple sur une io orbite. On entend ici par instrument d'acquisition spatiale un instrument comportant un réflecteur primaire de grand (voire très grand) diamètre et un réflecteur secondaire chargés conjointement de réfléchir des ondes électromagnétiques vers des moyens d'acquisition spatiaux, montés sur la 1s même structure que celle à laquelle est rattaché le réflecteur primaire ou montés sur un autre engin spatial positionné finement par rapport à celui qui porte le réflecteur primaire, dans le cadre d'un vol en formation. Des instruments du type précité sont utilisés dans certaines missions d'acquisition spatiale, comme par exemple celles destinées à observer la 20 Terre ou le ciel depuis des orbites hautes, géostationnaires ( GEO ), Molnya ou L2, ou celles dédiées à l'observation grand champ d'objets astronomiques. Le futur télescope JWST (pour James Webb Space Telescope ) en est un exemple. Lorsque le réflecteur primaire de l'instrument présente un diamètre 25 qui excède celui de la coiffe de la fusée qui doit le transporter dans l'espace, il doit être compacté (ou replié) au moyen d'un mécanisme approprié pendant la phase de tir (ou de lancement), puis décompacté (ou déployé, ou encore déplié) une fois en orbite grâce au mécanisme et à une stratégie de déploiement. 30 Plusieurs stratégies de déploiement ont été proposées. Elles consistent généralement à fixer le miroir secondaire sur un mât (ou un autre moyen de support) et à déployer tout ou partie d'un miroir primaire 2 2905804 initialement replié. C'est notamment le cas des stratégies décrites dans les documents brevets US 5,898,529 et US 6,226,121. L'inconvénient principal de ces stratégies réside dans le fait qu'elles nécessitent des mécanismes de déploiement (très) complexes et critiques qui sont de plus généralement lourds et encombrants. En outre, les moyens d'acquisition étant implantés dans une zone éloignée de celle qui loge les miroirs primaire et secondaire et qui permet leur déploiement, ils occupent un volume supplémentaire sous la coiffe du lanceur. L'invention a donc pour but d'améliorer la situation. io Elle propose à cet effet un instrument d'acquisition spatiale, comprenant un réflecteur primaire déployable, un réflecteur secondaire et des moyens d'acquisition chargés d'acquérir des données à partir des ondes électromagnétiques qui sont réfléchies par les réflecteurs primaire et secondaire. 15 Cet instrument se caractérise par le fait, d'une part, que son réflecteur primaire est constitué d'au moins deux éléments réfléchissants déployables propres, une fois déployés dans une position finale, à définir ensemble une surface réfléchissante, et d'autre part, qu'il comprend un support (ou structure porteuse) de type axial, à l'intérieur duquel est définie 20 une zone d'accueil logeant une partie au moins des moyens d'acquisition, et auquel sont solidarisés le réflecteur secondaire et les éléments réfléchissants déployables respectivement en des première et seconde zones distantes. On entend ici par loger une partie au moins des moyens d'acquisition le fait de loger tout ou partie de la combinaison de surfaces 25 réfléchissantes qui est située sur le trajet des ondes électromagnétiques réfléchies par le réflecteur secondaire, c'est-à-dire entre ce dernier et le plan focal de collection (ou détection), ainsi qu'éventuellement les moyens de collection et encore plus éventuellement les moyens associés complémentaires (moyens de traitement et mémoire de stockage). 30 L'instrument d'acquisition spatiale selon l'invention peut comporter d'autres caractéristiques qui peuvent être prises séparément ou en combinaison, et notamment : - il peut comprendre un premier mécanisme logé partiellement dans le 3 2905804 support ou bien solidarisé à la périphérie de ce dernier, couplé aux éléments réfléchissants déployables et chargé de déployer ces derniers entre une position initiale repliée et la position finale déployée ; > ce premier mécanisme peut être chargé de maintenir avant déploiement 5 une partie au moins des éléments déployables dans une position initiale dans laquelle ils sont repliés vers le support ; - en variante ou en complément ce premier mécanisme peut être chargé de maintenir avant déploiement une partie au moins des éléments déployables dans une position initiale dans laquelle ils sont repliés vers une plateforme à laquelle est solidarisé le support ; > ce premier mécanisme peut être chargé de maintenir après déploiement les éléments déployables dans une position finale dans laquelle ils sont écartés du support, leur face réfléchissante étant orientée en direction du réflecteur secondaire ; - son réflecteur secondaire peut être solidarisé fixement à son support afin d'être constamment placé dans une position fixe par rapport aux moyens de collection d'ondes électromagnétiques des moyens d'acquisition ; en variante, il peut comprendre un second mécanisme solidarisé au support, couplé au réflecteur secondaire et chargé de déployer ce dernier entre une position initiale et une position finale déployée dans laquelle il est placé dans une position fixe par rapport aux moyens de collection d'ondes électromagnétiques des moyens d'acquisition. L'invention propose également un engin spatial équipé d'au moins une plateforme de support et d'au moins un instrument d'acquisition spatiale du type de celui présenté ci-avant et solidarisé à la plateforme de support. L'invention est particulièrement bien adaptée, bien que de façon non exclusive, aux instruments d'acquisition de type télescope (pour les applications optiques) ou antenne (pour les applications hyperfréquences), destinés à être implantés dans des engins spatiaux, comme par exemple des satellites. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée ci-après, et du dessin annexé, sur lequel : 4 2905804 - la figure 1 illustre de façon schématique, dans une vue en perspective, un exemple d'instrument d'acquisition selon l'invention, une fois son réflecteur primaire déployé (ou déplié), - la figure 2 est une vue en coupe longitudinale schématique de l'instrument 5 d'acquisition illustré sur la figure 1, avec matérialisation des chemins suivis par les ondes électromagnétiques, - la figure 3 est une vue du dessus schématique de l'instrument d'acquisition illustré sur la figure 1, lorsqu'il est installé dans la coiffe d'une fusée en position repliée, 10 - la figure 4 est une vue de côté schématique de l'instrument d'acquisition illustré sur la figure 1, lorsqu'il est installé dans la coiffe d'une fusée en position repliée. Les dessins annexés pourront non seulement servir à compléter l'invention, mais aussi contribuer à sa définition, le cas échéant. 15 L'invention a pour objet d'offrir un instrument d'acquisition spatiale destiné à être monté sur un engin spatial (devant être transporté dans l'espace), pourvu d'un réflecteur primaire déployable de (très) grand diamètre couplé à un mécanisme de déploiement de complexité réduite, et présentant une compacité élevée. 20 Dans ce qui suit, on considère, à titre d'exemple non limitatif, que l'engin spatial sur lequel est (ou doit être) monté l'instrument d'acquisition spatiale est un satellite d'observation. Mais, l'instrument selon l'invention peut être installé sur n'importe quel type d'engin spatial destiné à effectuer une mission d'acquisition de données dans l'espace. 25 Par ailleurs, on considère dans ce qui suit, à titre d'exemple non limitatif, que l'engin spatial (ici un satellite d'observation) est destiné à remplir une mission d'observation optique de la Terre depuis une orbite géostationnaire (ou GEO ). Par conséquent, l'instrument d'acquisition spatiale est destiné à acquérir des données d'image. Il s'agit par exemple 30 d'un télescope. Mais l'invention n'est pas limitée à ce type de mission. Elle concerne en effet tout type de mission d'acquisition destinée à acquérir des données depuis l'espace, à partir d'ondes électromagnétiques. L'instrument d'acquisition spatiale peut donc par exemple être également une antenne 5 2905804 pour une application hyperfréquence. On se réfère tout d'abord aux figures 1 et 2 pour décrire un instrument d'acquisition spatiale IO selon l'invention, ci-après appelé simplement instrument . 5 Un instrument selon l'invention comprend un support (ou structure porteuse) SS, un réflecteur primaire déployable, un réflecteur secondaire RS, éventuellement déployable, et des moyens d'acquisition MA (voir figure 2). On entend ici par moyens d'acquisition tous les éléments qui interviennent dans la chaîne d'acquisition de données en aval du réflecteur 10 secondaire RS. Ils regroupent donc les moyens de collection des ondes électromagnétiques (ou capteurs) M, la combinaison de surfaces réfléchissantes, qui est utilisée pour acheminer les ondes électromagnétiques réfléchies par le réflecteur secondaire RS vers le plan focal de collection (ou détection) où sont situés les moyens de collection M, les moyens de 15 traitement de données MT et l'éventuelle mémoire de stockage MY. Le support SS est une structure, par exemple de type axial, c'est-à-dire présentant une extension longitudinale suivant un axe XX plus importante que son extension transversale dans un plan perpendiculaire à l'axe XX, laquelle est limitée par le diamètre interne de la coiffe CO de la fusée (ou du 20 lanceur). Ce support SS est au moins partiellement creux afin de définir une zone d'accueil Z3 dans laquelle est logée une partie au moins des moyens d'acquisition MA. Dans l'exemple illustré, le support SS présente dans une vue en coupe transversale (voir figure 3) une forme générale de type hexagonal. 25 Cette forme est avantageuse car elle confère au support une grande stabilité mécanique. Mais, toute autre forme peut être envisagée. Le support SS est (destiné à être) solidarisé à une plateforme de support PL du satellite d'observation EO, à laquelle sont par exemple également solidarisés des panneaux solaires (voir figure 1). 30 Le réflecteur primaire est constitué d'au moins deux éléments réfléchissants déployables Ei qui, une fois déployés dans une position finale, définissent ensemble une surface réfléchissante. Dans l'exemple non limitatif 6 2905804 illustré, le réflecteur primaire RP comprend neuf éléments réfléchissants déployables E1 à E9 (i = 1 à 9). Mais tout autre nombre d'éléments Ei au moins égal à deux peut être envisagé. Par ailleurs, dans l'exemple non limitatif illustré les neuf éléments Ei sont destinés, une fois déployés dans leur 5 position finale, à être placés à la périphérie du support SS, sensiblement à égale distance les uns des autres. Mais, cela n'est pas obligatoire. Dans le cas d'une application optique, les éléments Ei du réflecteur primaire RP sont des miroirs chargés, une fois déployés dans leur position finale, de réfléchir des photons (quantification d'ondes électromagnétiques) en lo direction du réflecteur secondaire RS. On notera que les éléments Ei peuvent être de toute forme. Par ailleurs, les éléments Ei ne sont pas tous obligatoirement identiques, ni obligatoirement placés en position finale à une même distance de l'axe XX. On notera également qu'une fois les éléments Ei déployés dans la 15 position finale, la surface réfléchissante qu'ils définissent ensemble n'est pas forcément continue. Lorsque le réflecteur primaire RP est constitué d'éléments Ei non jointifs (une fois déployés), comme c'est le cas dans l'exemple non limitatif illustré sur les figures 1 à 4, il présente une configuration dite diluée . 20 Les éléments Ei du réflecteur primaire RP sont couplés au support SS, au niveau d'une première zone Z1, via un premier mécanisme MC1, ici partiellement matérialisé par des bras articulés BA (à titre d'exemple). Ce premier mécanisme MC1 peut être logé partiellement dans le support SS, ou, comme illustré sur les figures 1 et 2, il peut être solidarisé à la 25 périphérie du support SS, par exemple via une interface IF telle qu'un anneau structural. La première zone de couplage Z1 est par exemple située, comme illustré, à une première extrémité du support SS. Mais cela n'est pas obligatoire. 30 Le premier mécanisme MC1 est chargé de déployer les éléments Ei du réflecteur primaire RP entre une position initiale repliée (matérialisée sur les figures 3 et 4) et la position finale déployée (matérialisée sur les figures 1 et 2). 7 2905804 Par exemple, et comme illustré sur les figures 3 et 4, le premier mécanisme MC1 est chargé de maintenir avant déploiement les éléments Ei dans une position initiale dans laquelle ils sont repliés vers le support SS. Dans cet exemple, les faces réfléchissantes des éléments Ei sont toutes 5 orientées vers le support SS. Mais, cela n'est pas obligatoire. En effet, ces faces réfléchissantes peuvent être également orientées vers l'extérieur, ou certaines faces réfléchissantes peuvent être orientées vers le support SS et certaines autres vers l'extérieur. On peut même envisager que certaines faces réfléchissantes soient initialement placées de façon oblique. Dans l'exemple io illustré, dans la position initiale (repliée) les neuf éléments Ei sont placés à proximité du support SS sur deux niveaux différents. Plus précisément, les éléments E2, E4, E6 et E8 sont placés à un niveau supérieur et les éléments El, E3, E5, E7 et E9 sont placés à un niveau inférieur, du fait de l'impossibilité de stocker tous les éléments Ei sur un même niveau en raison 15 de leurs dimensions. Dans une variante, on pourrait envisager que certains éléments Ei soient initialement placés contre le support SS au moyen de bras articulés BA orientés vers le haut du support SS, tandis que les autres éléments Ei sont placés contre la plateforme PL au moyen de bras articulés BA orientés vers le bas. 20 Par ailleurs, et comme illustré sur les figures 1 et 2, le premier mécanisme MC1 peut par exemple être chargé de maintenir après déploiement les éléments Ei dans une position finale dans laquelle ils sont écartés radialement du support SS (et donc de l'axe XX), leurs faces réfléchissantes étant alors orientées en direction du réflecteur secondaire RS. 25 Pour ce faire, les bras articulés BA qui supportent les éléments Ei peuvent par exemple commencer par écarter radialement les éléments Ei du support SS, par rotation, puis ils positionnent les éléments Ei dans leur position finale, par translation. Tout autre premier mécanisme MC1 peut être envisagé, quel que soit le nombre de degrés de liberté. Ainsi, le premier mécanisme MC1 peut 30 comporter des bras possédant une ou plusieurs articulations. Le réflecteur secondaire RS est constitué d'au moins un élément réfléchissant chargé de réfléchir les ondes électromagnétiques (ici des photons) issu(e)s du réflecteur primaire RP vers les moyens d'acquisition MA. 8 s 10 15 20 25 30 2905804 Dans le cas d'une application optique, cet élément est un miroir. Le réflecteur secondaire RS est couplé au support SS au niveau d'une seconde zone Z2 distante de la première zone Z1. Cette seconde zone de couplage Z2 est par exemple située, comme illustré, à une seconde extrémité du support SS. Mais cela n'est pas obligatoire. Ce réflecteur secondaire RS peut être solidarisé fixement au support SS via un moyen de fixation MF (par exemple constitué de bras rigides comme illustré sur les figures). Il est alors constamment placé dans une position fixe par rapport aux moyens M de collection des ondes électromagnétiques des moyens d'acquisition MA, c'est-à-dire pendant et après la phase de lancement (ou transport dans l'espace). Dans une variante, l'instrument IO peut comprendre un second mécanisme (non représenté) solidarisé au support SS et au réflecteur secondaire RS, et chargé de déplacer (voire déployer) ce dernier entre une position initiale et une position finale déployée dans laquelle il est placé dans une position fixe par rapport aux moyens de collection des moyens d'acquisition MA. Ce second mécanisme peut être logé partiellement dans le support SS ou bien solidarisé à la périphérie de ce dernier. On peut par exemple envisager que le second mécanisme est chargé, d'une part, de maintenir avant déploiement le réflecteur secondaire RS dans une position initiale dans laquelle il est placé contre la seconde extrémité du support SS (ou à l'intérieur de celle-ci), et d'autre part, de l'amener lors du déploiement dans une position finale distante du support SS pour l'y maintenir. Comme indiqué précédemment, les moyens d'acquisition MA sont logés au moins partiellement à l'intérieur du support SS, par exemple entre ses première Z1 et seconde 72 zones (d'extrémité) où sont respectivement couplés le réflecteur principal et le réflecteur secondaire RS. Ce positionnement à l'intérieur du support SS permet de réduire considérablement l'encombrement de la combinaison de surfaces réfléchissantes MO, qui est utilisée pour acheminer les ondes électromagnétiques réfléchies par le réflecteur secondaire RS vers le plan focal de collection (ou détection) où sont situés les moyens de collection M, et de diminuer la taille des éléments de la combinaison de surfaces réfléchissantes MO. II en résulte un gain en volume et en masse qui facilite la 9 2905804 mise en orbite de l'instrument 10 lorsque son réflecteur principal doit présenter un (très) grand diamètre une fois déployé. Afin de permettre l'entrée des ondes électromagnétiques réfléchies par le réflecteur secondaire RS à l'intérieur du support SS, ce dernier 5 comporte dans sa seconde zone Z2 une ouverture OV de dimension adaptée aux besoins. Tout type de moyens d'acquisition MA peut être envisagé, selon l'application. Les moyens d'acquisition MA qui sont installés dans le support SS lo comprennent au moins une partie de la combinaison de surfaces réfléchissantes MO, matérialisée sur la figure 2, à titre d'exemple non limitatif, par trois miroirs de renvoi M1, M2 et M3 (de tout type). Ces miroirs de renvoi M1, M2 et M3 sont chargés de faire parvenir au niveau du plan focal de collection (ou détection), où sont placés les moyens de collection M, les 15 ondes électromagnétiques (ici des photons) qui ont été réfléchi(e)s par le récepteur secondaire RS. Comme illustré sur la figure 2, les moyens de collection M, par exemple des capteurs (ici photoniques), peuvent être également logés dans le support SS. De même, les moyens de traitement MT qui sont chargés de 20 transformer en données, par exemple numériques, les signaux délivrés par les capteurs M, peuvent être également logés dans le support SS. Il en va également de même de l'éventuelle mémoire de stockage de données MY qui peut être prévue pour stocker les données délivrées par les moyens de traitement MT. 25 On notera que les moyens de traitement MT et l'éventuelle mémoire MY peuvent être installés dans un lieu de l'engin spatial EO qui est éloigné du support SS, par exemple du fait de contraintes thermiques, voire même sur un autre engin spatial dans le cas d'un vol en formation. Dans l'exemple non limitatif illustré sur la figure 2, l'instrument 10 est 30 un télescope à synthèse d'ouverture optique, de type Korsch. Il comprend en plus des réflecteurs primaire et secondaire RS, des moyens optiques complémentaires (ou éléments à surfaces réfléchissantes) MO, constitués de trois miroirs de renvoi M1 à M3. Le premier miroir de renvoi M1 est chargé de 10 2905804 réfléchir vers le deuxième miroir de renvoi M2 les photons réfléchis par le réflecteur secondaire RS. Le deuxième miroir de renvoi M2 est chargé de réfléchir vers le troisième miroir de renvoi M3 les photons réfléchis par le premier miroir de renvoi M1. Le troisième miroir de renvoi M3 (de type plan) s est chargé de réfléchir vers les moyens de collection M les photons réfléchis par le deuxième miroir de renvoi M2. L'agencement présenté ci-avant est particulièrement avantageux car il permet d'avoir l'axe de visée du télescope lO parallèle à l'axe de lancement de l'engin spatial EO, ce qui est favorable mécaniquement au moment du tir. 10 En outre, il offre un mode de fixation du réflecteur secondaire RS très stable sur le plan mécanique. L'invention ne se limite pas aux modes de réalisation d'instrument d'acquisition spatiale et d'engin spatial décrits ci-avant, seulement à titre d'exemple, mais elle englobe toutes les variantes que pourra envisager 15 l'homme de l'art dans le cadre des revendications ci-après. Ainsi, dans la description qui précède on a décrit un exemple de réalisation de l'invention dans lequel l'intégralité des moyens d'acquisition (combinaison de surfaces réfléchissantes, moyens de collection dans le plan focal, moyens de traitement de données et mémoire de stockage) est logée 20 dans le support des réflecteurs primaire et secondaire. Mais, l'invention n'est pas limitée à ce mode de réalisation. Elle concerne en effet tous les modes de réalisation dans lesquels le support loge une partie au moins des moyens d'acquisition, et notamment une partie au moins de la combinaison de surfaces réfléchissantes qui fait partie de ces moyens d'acquisition. Par 25 conséquent, le support peut loger tout ou partie de la combinaison de surfaces réfléchissantes, ainsi qu'éventuellement les moyens de collection et encore plus éventuellement les moyens associés complémentaires (moyens de traitement de données et mémoire de stockage). i 11 REVENDICATIONS 1. Instrument d'acquisition spatiale (10), comprenant un réflecteur primaire déployable , un réflecteur secondaire (RS) et des moyens d'acquisition propres à acquérir des données à partir d'ondes électromagnétiques réfléchies par lesdits réflecteurs primaire et secondaire (RS), caractérisé en ce que ledit réflecteur primaire est constitué d'au moins deux éléments réfléchissants déployables (Ei) propres, une fois déployés dans une position finale, à définir ensemble une surface réfléchissante, en ce lo qu'il comprend un support (SS) de type axial, à l'intérieur duquel est définie une zone d'accueil (Z3) logeant une partie au moins desdits moyens d'acquisition , et auquel sont solidarisés ledit réflecteur secondaire (RS) et lesdits éléments réfléchissants déployables (Ei) respectivement en des première (Z1) et seconde (Z2) zones distantes. 15 2. Instrument d'acquisition spatiale selon la revendication 1, caractérisé en ce que la partie au moins des moyens d'acquisition logée dans ledit support (SS) comprend une partie au moins d'une combinaison de surfaces réfléchissantes (MO) agencée pour acheminer les ondes électromagnétiques réfléchies par ledit réflecteur secondaire (RS) vers un plan focal de collection. 20 3. Instrument d'acquisition spatiale selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comprend un premier mécanisme (MC1) couplé auxdits éléments réfléchissants déployables (El) et agencé pour déployer ces derniers (Ei) entre une position initiale repliée et ladite position finale déployée, et en ce que ledit support (SS) loge partiellement ledit premier 25 mécanisme (MC1). 4. Instrument d'acquisition spatiale selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comprend un premier mécanisme (MC1), solidarisé à la périphérie dudit support (SS), couplé auxdits éléments réfléchissants déployables (Ei) et agencé pour déployer ces derniers (Ei) entre une position 30 initiale repliée et ladite position finale déployée. 5. Instrument d'acquisition spatiale selon l'une des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que ledit premier mécanisme (MC1) est agencé pour maintenir avant déploiement une partie au moins des éléments déployables 12 2905804 (Ei) dans une position initiale dans laquelle ils sont repliés vers ledit support (SS). 6. Instrument d'acquisition spatiale selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que ledit premier mécanisme (MC1) est agencé pour 5 maintenir avant déploiement une partie au moins des éléments déployables (Ei) dans une position initiale dans laquelle ils sont repliés vers une plateforme (PL) à laquelle est solidarisé ledit support (SS). 7. Instrument d'acquisition spatiale selon l'une des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que ledit premier mécanisme (MC1) est agencé pour lo maintenir après déploiement lesdits éléments déployables (El) dans une position finale dans laquelle ils sont écartés dudit support (SS), leur face réfléchissante étant orientée en direction dudit réflecteur secondaire (RS). 8. Instrument d'acquisition spatiale selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que ledit réflecteur secondaire (RS) est solidarisé 15 fixement audit support (SS) de manière à être constamment placé dans une position fixe par rapport à des moyens de collection (M) d'ondes électromagnétiques desdits moyens d'acquisition . 9. Instrument d'acquisition spatiale selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend un second mécanisme solidarisé audit 20 support (SS), couplé audit réflecteur secondaire (RS) et agencé pour déployer ce dernier (RS) entre une position initiale et une position finale déployée dans laquelle il est placé dans une position fixe par rapport à des moyens de collection (M) d'ondes électromagnétiques desdits moyens d'acquisition . 10. Engin spatial (EO), caractérisé en ce qu'il comprend au moins une 25 plateforme de support (PL) et au moins un instrument d'acquisition spatiale (10) selon l'une des revendications précédentes et solidarisé à ladite plateforme de support (PL).