Brevet FR2904433A1 — publié le 20080201

Dispositif de fixation d'un miroir vitrocéramique ou céramique sur une structure embarquée à bord d'un engin spatial fonctionnant à température cryogénique Le domaine de l'Invention est celui des miroirs embarqués à bord d'engins spatiaux de type satellite d'observation. Pour ce tee d'application, certaines missions impliquent d'avoir des télescopes fonctionnant à des températures cryogèniques de l'ordre de 1OCY K, dans un domaine de longueurs d'onde visibles. Les optiques, notamment les grands miroirs primaires, sont généralement en vitrocéramique ou céramique et plus précisément en Zérodur, verre de la société Schott qui présente le grand intérêt 'avoir .un coefficient de dilatation thermique extrêmement faible. Les miroirs embarqués de grandes dimensions pouvant t0' typiquement être des structures d'envergure supérieure à 1 mètre et d'épaisseur de l'ordre de quelques centimètres> ils subissent de fortes variations de température iors du fonctionnement opérationnel (en orbit) et de très fortes contraintes mécaniques lors de la phase de lancement depuis le sol jusqu'à leur station dans l'espace. La figure 1 illustre un exemple de 15 miroir en Zerodur 1, structure ultra légère de l'ordre de 36kg/m2 comportant trois points de fixation 3 insérés dans des alvéoles 2 d'une structure alvéolaire permettant une réduction de poids embarqué. Le miroir 1 comprenant une surface alvéolaire est généralement fixé sur une structure telle que celle illustrée en figure 2 comportant une 20 structure support (panneau ou cadre) 4 pouvant notamment être en fibre de carbone. Il peut être fixé à cette structure support par l'intermédiaire de dispositifs de fixation 3 du miroir pouvant avantageusement être au nombre de trois (support isostatique) et comportant des moyens 5 de fixation/liaison de ces dits dispositifs sur le panneau support (pièces raides sur 2 axes et 25 souples sur toutes les autres composantes). La figure 3 illustre un dispositif de fixation mécanique selon l'art connu permettant de fixer le miroir au panneau support. A l'intérieur d'au moins une alvéole et en l'occurrence trois (si le miroir est fixé en trois points}, le dispositif de fixation 3 comprend une pièce conique qui exerce une 3o pression sur deux patins 6 selon une direction Dx parallèle au plan du miroir. L'inconvénient de ce type de dispositif de fixation réside dans les contraintes exercées au sein du verre, qui sont dans le cas présent, exercées en traction 2904433 2 et surtout argement en flexion alors que la résistance notamment de la vitrocéramique a ce type de contraintes n'est pas très élevée, Le problème est d'autant plus crucial que le dispositif de fixation doit permettre de supporter les charges de vibration inhérentes a la phase de lancement. Dans ce contexte, la présente invention propose un dispositif de fixation mettant en oeuvre des contraintes de type compression pure, c'est-à-dire dans une direction perpendiculaire la direction Dx, la résistance du verre a ce type de contraintes étant bien meilleure que la résistance du verre aux (contraintes de traction ou de cisaillement. Plus précisément l'invention a pour objet un dispositif de fixation d'un miroir en vitrocéramique ou CéraMiqUe sur une structure embarquée a bord d'un engin spatial, ledit miroir comportant une structure alvéolaire, caractérisé en ce qu'au moins une alvéole comportant une excroissance de verre présentant une partie intermédiaire dans une direction perpendiculaire 15 au plan du miroir depuis la base de l'alvéole et une partie terminale appelée talon, perpendiculaire a ladite partie intem-iédiaire le talon) de manière à constituer une excroissance en forme de T, ledit dispositif comprend une pièce de serrage venant pincer la partie terminale de l'excroissance (le talon) . selon une direction parallèle à la partie intermédiaire et des moyens de 20 fixation de ladite pièce de serrage sur la structure embarquée. Les avantages du dispositif selon l'invention résident notamment dans le fait de supporter les charges de vibration dues au lancement (à température ambiante) et enSUite, en fonctionnement a froid, de libérer les tensions afin de limiter au maximum les déformations induites au niveau de 25 la face active du miroir. Selon une variante de l'invention, la pièce de serrage comprend une ouverture principale de même forme que l'excroissance de verre (le bloc principal). Selon une variante de l'invention, la pièce de serrage comprend 30 en outre des secondes ouvertures selon une direction parallèle a la partie intermédiaire de l'excroissance, lesdites ouvertures étant équipées de vis pour bloquer la pièce de serrage contre l'excroissance de verre, Selon une variante de l'invention, le dispositif de fixation comprend en outre des patins pour assurer le contact entre ta partie terminale de 35 l'excroissance (te talon) et la pièce de serrage, 2904433 3 Avantageusement, peut comprendre deux séries de patins en contact avec chacune des surfaces de la partie terminale dé l'excroissance Avantageusement, les patins comprennent une premiere partie en contact avec la partie terminale de l'excroissance présentant une face 5 plane et une faCe convexe et une seconde partie présentant une face concave complémentaire à celle de la première partie (réalisant ainsi une tête pivotante) : Selon une variante de l'invention, les patins sont réalisés dans un matériau à fort coefficient de dilatation thermique type aluminium. Selon une variante de l'invention, la pièce de serrage est réalisée en un matériau a très faible coefficient de dilatation thermique de type alliage fer nickel de type Invar (Sté Goedfellew) Selon une variante de l'invention, la surface des patins en contact avec la partie terminale de l'excroissance comprend en outre une couche de 1 matériau tendre de type or permettant d'améliorer le contact par rapport aux états de surface et donc d'homogénéiser les contraintes. Avantageusement, la pièce de serrage peut comprendre en outre des cellules de force entre les vis et les patins. Selon une variante de l'invention, pièce de serrage comprend aci en outre des troisièmes ouvertures selon une direction perpendiculaire celle des secondes ouvertures et pouvant recevoir des vis de maintien au montage, en contact avec les patins. Selon une variante de [Invention, la pièce de serrage comprend des quatrièmes ouvertures destinées à recevoir des moyens pour fixer ladite 25 pièce de serrage sur la structure embarquée. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre donnée a titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles : le figure 1 illustre un exemple de miroir spatial selon l'art connu destine à etre fixé sur une structure embarquée ; la figure 2 illustre un exemple de l'ensemble embarqué sur un engin spatial comprenant un miroir et une structure de fixation, selon rad connu 2904433 4 la figure 3 illuetre un exemple de dispositif de fixation de miroir selon l'art connu ; la figure 4 illustre un exemple de dispositif de fixation sur un miroir selon l'invention ; les figures 5a, 5b et 5c illustrent respectivement une vue en perspective, en coupe et de dessus de l'exemple du dispositif montré en figure 4; les figures 6a et 6b illustrent deux exerrlpleS de moyens de fixation du dispositif de fixation selon l'invention, sur une IO structure embarquée a bord d'un engin spatial ; la figure 7 illustre une vue éclatée des patins utilisés dans un exemple de dispositif de fixation selon rinvention. Selon l'invention, le miroir cleetiné à être fixé à une structure 15 embarquée à bord d'un engin spatial comporte une structure allégée alvéolaire. L'interface du miroir avec le dispositif de. fixation est constituée par des excroissances de verre comportant chacune une partie intermédiaire et une partie terminale en forme de talon. Les deux ailes de ce talon sont prises en pincette par une pièce de serrage comportant des vis. Les 20 efforts de serrage ne créent que des contraintes de compression dans le verre selon une direction Dy perpendiculaire au talon, illustré en ligure 4 qui montre de manière schématique une excroissence de \ferre 11, prise dans la pièce de serrage 33, comportant des vis de serrage 77. Nous allons décrire ci-après plus en détails le dispositif de 25 fixation comprenant les vis de serrage 77 insérées dans la pièce de serrage 33 et illustré en figures 5a, 5b et 5c. Plus précisément, la pièce de serrage 33 comporte une, ouverture principale 13 dans laquelle on peut venir introduire en glissant suivant axe Z) l'excroissance de verre. Elle comporte également des secondes ouvertures 73 selon une direction Dy perpendiculaire au plan 30 du miroir et destinées à recevoir les vis de serrage 77 Ce dispositif de fixation comporte des patins 66 destinés à venir assurer le contact entre la pièce de serrage et la pièce en verre et sont utiles pour répartir les contraintes, Pies précisément deux séries de patins sont destinés à être en contact avec les deux faces de la partie terminale du talon. 2904433 Par ailleurs, les secondes ouvertures peuvent également comprendre descellules de force 88, permettant de connaître précisément leffort appliqué ei par suite de maltnser les contraintes lors du serrage des vis, préalablement à la phase de lancement dans l'espace Typiquement 5 peut s'agir de cylindre métallique éeulpé de jauges de contrainte et étalonné au préalable. Afin de faciliter la phase d'intégration du système, il est également prévu selon la variante décrite, des troisièmes ouvertures 93 selon une direction Dx parallèle au plan du miroir, permettant l'introduction to de vis 99 venant buter contre les patins : blocage des patins lors de la mise en place avant le serrage des vis 77. Les vis 93 doivent être desserrées lors du serrage des vis 77 et en fonctionnement opérationnel. Grâce à l'ensemble de ces paramètres de serrage, les charges mécaniques (de vibration) à température ambiante sont reprises axialement 15 par butée positive et tangentiellement per frottement. A température eryogénique, on annule les efforts de serrage en jouant sur les épaisseurs et les coefficients de dilatation thermoélastique qui rentrent dans l'assemblage réalisant le serrage, Une tension minimum est visée pour juste maintenir le miroir en opérationnel sans injecter d'effort susceptible de déformer la face 2o active. Par ailleurs, la pièce de serrage comprend des quatrièmes ouvertures, par exemple quatre ouvertures 35. destinées à coopérer avec des moyens pour fixer cette pièce de serrage sur la structure embarque e. Typiquement ces moyens de fixation peuvent être par exemple 25 ceux illustrés en figure 6a ou figure 6b. Il s'agit de moyens de fixation dits respectivement de type à lames 100 ou de type "forme en A" couple de lames 101 et 102 comprises entre une première base 1 1 1 et une seconde base 112 et comportant des ouvertures. Via des septièmes ouvertures 57 trous de passage de vis) de la base 1 1 1 , on peut venir introduire des vis 30 d:sain ees verre être vissées dans les quatrièmes ouvertures de la pièce de serrage, Via des huitièmes ouvertures 58 idem) de la seconde base 112 on peut introduire des vis destinées à venir être vissées sur la structure embarquée correspondant au p -nneeu 4 de la figure 2. 2904433 6 Exemple de réalisation d'un dispositif de fixation d'un miroir selon l'invention. Le dispositif comprend une pièce de serrage en matériau 5 métallique de faible coefficient de dilatation thermique. Par exemple l'Invar possède un coefficient faible de l'ordre 1,5 ppmrK et est particulièrement adapté à ce type d'application. Pour minimiser les contraintes auxquelles est soumis le miroir, le dispositif de fixation comprend des patins pouvant avantageusement être en Io un matériau de type Aluminium. De plus, ces patins sont avantageusement constitues en deux parties comme illustré en figure 7 qui fournit une vue éclatée des patins utilisés dans le dispositif de l'invention. une première partie 66a présente une surfece plane destinée e 15 être en contact avec la partie terminale de verre et une surface convexe ; une seconde partie 66b comportant une surface concave, les deux parties coopérant pour permettre d'ajuster le serrage même en présence de défaut d'introduction parallèle, de la partie en verre au 20 sein de la pièce de serrage. Plus précisément, les deux parties 66a et 66b sont plaquées entre elles par la pression de la vis Pour favoriser encore le contact entre les patrie et la pièce en verre, la surface des patins peut avantageusement être recouverte d'une fine 25 couche de matériau tendre type or qui permet de jouer le rôle de joint élastique. Il est à noter par ailleurs que pour ne pes fragiliser les points de contact du miroir matérielisés par les excroissances de verre, il est important de conférer un bon ratio entre épaisseur et longueur au niveau de talon. Ainsi 3o et avantageusement ces dimensions peuvent être choisies égaies à environ 15 mm et 20 mm, de manière e obtenir de bons rapports entre les différentes contraintes auxquelles est soumise la partie terminale de l'excroissance de verre. REVENDICATIONS 1. Dispositif de fixation d'un miroir vitrocéramique ou céramique sur une structure embarquée (4) a bord d'un engin spatial, ledit miroir comportant une structure alvéolaire, caractérisé en ce qu'au moins une alvéole comportant une excroissance de verre (Il) présentant une partie intermédiaire dans une direction perpendiculaire (Dy) au plan du miroir depuis la base de l'alvéole et une partie terminale perpendiculaire à ladite partie intermédiaire de manière à constituer une excroissance en forme de T, ledit dispositif comprend une pièce de serrage (33) venant pincer la partie terminale de l'excroissance selon une direction parallèle a la partie Io intermédiaire et des moyens de fixation (5) de ladite pièce de serrage sur la structure embarquée. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pièce de serrage comprend une ouverture principale (13) de même forme 15 que l'excroissance de verre. 3. Dispositif selon la revendicatioe 2, caractérisé en ce que pièce de serrage comprend en outre des secondes ouvertures (73) équipées de vis (77) pour bloquer la pièce de serrage contre l'excroissance de verre. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des patins (66) pour assurer le contact entre la partie terminale de l'ep croissance et la pièce de serrage. 2s 5, Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les patins comprennent une première partie (66a) en contact avec la partie terminale de l'excroissance présentant une face plane et une face convexe et une eeconde partie (66b) preisentant une face concave complémentaire à celle de la première partie (réalisant ainsi une tee pivotante) 30 6. Dispositif seion l'une des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que les patins sont réalisés dans un matériau à coefficient de dilatation thermique fort de type Aluminium. 20 2904433 8 7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la pièce de serrage est réalisée en un matériau à faible coefficient de dilatation thermique de type Invar. 8. Dispositif selon l'une des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que la surface des patins en contact avec la partie terminale de l'excroissance comprend en outre une couche de matériau tendre de type or permettant d'améliorer le contact par rapport aux états de surface et donc d'homogénéiser les contraintes. 9. Dispositif selon l'une des revendications 4 à 8, caractérisé en ce que la pièce de serrage comprend en outre des cellules de force (88) entre les vis et les patins. 10. Dispositif selon l'une des revendications 8 ou 9, caractérisé en ce que la pièce de serrage comprend en outre des troisièmes ouvertures (93) selon une direction perpendiculaire à celle des premières ouvertures primaires et pouvant recevoir des vis de maintien des patins au montage (99). 11. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que la pièce de serrage comprend des quatrièmes ouvertures (35) destinées à recevoir des moyens (5) pour fixer ladite pièce de serrage sur la structure embarquée.