Brevet FR2944155A1 — publié le 20101008

ANTENNE RADIOELECTRIQUE A CORNIERES DE DECOUPLAGE AMELIOREES DESCRIPTION 5 DOMAINE TECHNIQUE La présente invention se rapporte au domaine des antennes radioélectriques à réflecteurs, et concerne en particulier une antenne pour un engin spatial, tel qu'un satellite de télécommunications. 10 ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Les antennes d'engins spatiaux doivent être conformes à des spécifications concernant notamment la réflectivité de leurs réflecteurs, mais aussi la tenue mécanique des moyens de liaison des réflecteurs aux 15 engins spatiaux, qui sont soumis aux sollicitations vibratoires acoustiques et dynamiques induites par les lanceurs spatiaux. Ces antennes doivent en outre être conformes à des spécifications concernant leur comportement thermoélastique en orbite. 20 Le niveau des sollicitations acoustiques induites par les lanceurs étant très difficile à prévoir, il est préférable que ces antennes soient quasiment insensibles aux efforts acoustiques, pour limiter les risques de sous dimensionnement ou de sur 25 dimensionnement des moyens de liaison des réflecteurs aux engins spatiaux. Les figures 1 et la représentent un exemple d'antenne radioélectrique 10 (figure 1) pour satellite de télécommunications, fonctionnant à des fréquences 2 comprises entre 12 GHz et 18 GHz environ (bande Ku), d'un type connu. Le réflecteur 12 de l'antenne 10 comprend une coque 14 du type sandwich formée d'une structure en nid d'abeilles sur laquelle sont apposées une peau avant - couramment appelée peau active - et une peau arrière, chacune de ces peaux étant constituée d'un pli de fibres de carbone noyées dans une résine époxy. La coque 14 du réflecteur 12 est supportée par une structure arrière rigide 16 de ce réflecteur. Cette structure arrière 16 est par exemple formée d'éléments tubulaires agencés selon un hexagone centré sur un axe du réflecteur. Dans l'exemple représenté sur les figures, ces éléments tubulaires ont, vus en section, une forme rectangulaire. La structure arrière 16 est reliée à la peau arrière de la coque 14 par des cornières 18 (figure la) aptes à assurer la tenue mécanique de l'antenne lors du lancement et de la mise en orbite du satellite équipé de cette antenne, ainsi qu'un découplage thermomécanique entre le réflecteur 12 et la structure arrière 16 lorsque le satellite est en orbite. Par ailleurs, la structure arrière 16 est portée par un bras de support 19 destiné à assurer la liaison entre l'antenne 10 et le satellite. Les fibres de carbone des plis des peaux avant et arrière précitées sont agencées sous la forme de tissus triaxiaux qui se caractérisent par des propriétés mécaniques quasi-isotropes et par la présence d'ajours traversants qui sont régulièrement répartis sur leur surface. 3 Ces ajours permettent une réduction de la masse du réflecteur, et communiquent avec des alvéoles de la structure en nid d'abeilles de sorte que ce type de réflecteur est peu sensible aux sollicitations vibratoires, en particulier aux sollicitations acoustiques lors du lancement du satellite équipé de l'antenne 10. D'une manière générale, les matériaux composites employés dans ces antennes leur confèrent une grande légèreté, ce qui constitue un avantage essentiel dans le domaine des applications spatiales. Toutefois, les propriétés de réflectivité des réflecteurs ajourés du type décrit ci-dessus ne sont pas satisfaisantes aux fréquences comprises entre 20 GHz et 40 GHz environ (bande Ka). Des solutions ont été proposées, qui consistent, à partir d'une antenne du type décrit ci-dessus, à réduire la dimension des ajours de la peau active, ou même à remplacer la peau active ajourée par une peau pleine, mais les antennes ainsi obtenues se sont révélées trop sensibles aux sollicitations acoustiques. En outre, à ces fréquences plus élevées, les tolérances relatives aux profils des réflecteurs sont plus strictes, ce qui conduit à des exigences plus sévères en termes de précision de fabrication et de stabilité dans le temps des réflecteurs, typiquement de l'ordre de 30 pm RMS, à comparer à 150 pm RMS pour les satellites opérant aux fréquences inférieures de la bande Ku. 4 Or, les structures sandwich du type décrit ci-dessus, qui comportent des peaux ajourées formées d'un unique pli de matériau composite, ne permettent pas de satisfaire aisément les niveaux d'exigence inhérents à un fonctionnement dans la bande Ka. EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, économique et efficace à ces problèmes, permettant d'éviter les inconvénients précités. Elle a notamment pour objet une antenne radioélectrique pour satellite spatial, apte à fonctionner aux fréquences de la bande Ka, et satisfaisant les exigences imposees à ce type d'antenne, notamment en ce qui concerne la sensibilité de l'antenne aux sollicitations vibratoires induites par les lanceurs, la précision de fabrication du profil du réflecteur de l'antenne et la stabilité de ce profil dans le temps, et d'une manière générale le comportement thermomécanique de l'antenne en orbite. L'invention propose à cet effet une antenne radioélectrique, en particulier pour engin spatial, comprenant un réflecteur et des moyens de support de ce réflecteur, le réflecteur comprenant une coque apte à réfléchir les ondes radioélectriques, et une structure arrière rigide portée par les moyens de support et reliée à la coque par des cornières de découplage. Selon l'invention, chacune desdites cornières de découplage comprend, à l'une au moins de ses extrémités, une couche d'une matière élastique apte à amortir au moins une composante axiale de vibrations de la coque. La couche de matière élastique de chaque cornière permet de réduire considérablement l'impact de 5 sollicitations vibratoires, notamment acoustiques, sur les moyens de support du réflecteur de l'antenne. Cela permet de limiter le niveau de tenue mécanique exigé pour les moyens de support, et cela rend ainsi plus aisé le dimensionnement de ces moyens de support. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, la coque du réflecteur comprend une peau avant pleine, c'est-à-dire non ajourée. La grande capacité d'amortissement des cornières, du fait de leur couche de matière élastique, rend en effet possible l'utilisation d'une peau avant pleine, apte à doter le réflecteur de propriétés de réflectivité optimales, tout en limitant les risques de sous-dimensionnement des moyens de support du réflecteur. Dans le mode de réalisation préféré de l'invention, ladite matière élastique présente un module de Young compris entre 0.25 MPa et 1 MPa, une résistance en traction comprise entre 0.1 MPa et 0.5 MPa, et un allongement à rupture compris entre 20% et 40%. La couche de matière élastique de chaque cornière est ainsi apte à amortir d'une manière optimale les sollicitations vibratoires auxquelles l'antenne est susceptible d'être soumise, en 6 particulier lorsque cette antenne équipe un engin spatial. Dans le mode de réalisation préféré de l'invention, ladite matière élastique est une mousse et comprend au moins un composé appartenant au groupe des polyimides. Chaque cornière peut en outre comprendre une structure sandwich comprenant deux peaux en matériau composite apposées de part et d'autre de ladite couche de matière élastique, de manière à permettre la fixation des cornières au réflecteur par un procédé semblable à un procédé utilisé habituellement pour la fixation des cornières des réflecteurs du type conventionnel décrit ci-dessus, ce qui peut présenter un intérêt économique considérable. En variante, la matière élastique peut comprendre un adhésif comprenant un composé d'élastomère ou de silicone ou de polyuréthane. Lorsque l'antenne équipe un engin spatial, la matière élastique est choisie pour ne pas se dégrader aux températures opérationnelles spatiales en orbite, et plus précisément aux températures comprises entre -180°C et +200°C. Dans le mode de réalisation préféré de l'invention, la peau avant et la peau arrière sont réalisées en un matériau composite comprenant des fibres noyées dans une résine durcie. Ces fibres sont avantageusement des fibres de carbone agencées de manière à optimiser l'isotropie 30 des propriétés mécaniques et thermiques de ces peaux. 7 Pour cela, ces fibres peuvent par exemple être agencées sous la forme de deux plis de tissus taffetas croisés selon des angles de plus ou moins 45 degrés ou sous la forme de trois à six plis de nappes de fibres drapées de façon symétrique (0°,+60°,- 60°) . Ces modes d'agencement des fibres permettent en outre d'améliorer la précision et la stabilité des profils des peaux par rapport aux peaux à un seul pli des réflecteurs conventionnels. D'une manière générale, l'antenne est avantageusement configurée pour fonctionner dans une bande de fréquences prédéterminée du spectre des micro-ondes, cette bande de fréquences pouvant être en particulier comprise dans la bande Ka. L'utilisation d'une face active non ajourée, rendue possible par l'invention, est en effet particulièrement avantageuse dans la bande Ka, comme cela a été expliqué ci-dessus. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS L'invention sera mieux comprise, et d'autres détails, avantages et caractéristiques de celle-ci apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels : la figure 1, déjà décrite, est une vue schématique en perspective d'une antenne radioélectrique d'un type connu ; la figure la, déjà décrite, est une vue à plus grande échelle du détail la de la figure 1 ; 8 la figure 2 est une vue semblable à la figure la, d'une antenne radioélectrique selon l'invention. EXPOSÉ DÉTAILLÉ D'UN MODE DE RÉALISATION PREFERE La figure 2 représente une partie du réflecteur 20 d'une antenne radioélectrique selon un mode de réalisation de l'invention. Ce réflecteur 20 est globalement du même type que le réflecteur 12 de l'art antérieur représenté sur les figures 1 et la, mais le réflecteur 20 comprend une coque 22 à peau avant pleine et des cornières de découplage 24 d'un nouveau type, conformément à l'invention. Dans ce qui suit, les termes � avant �, � arrière � et � latéral �, sont utilisés en référence à la direction d'émission de l'antenne. D'une manière connue, la coque 22 du réflecteur 20 a sensiblement la forme d'un paraboloïde de révolution autour d'un axe du réflecteur. La peau avant (non visible sur la figure 2) de la coque 22 est réalisée en un matériau composite conventionnel, du type comportant un tissu de fibres structurales, par exemple de carbone, noyées dans une résine époxy ou analogue. Les fibres structurales de la peau avant sont tissées de manière à assurer une isotropie optimale du comportement mécanique de la peau avant 22, et de sorte que la peau avant 22 soit pleine. Pour cela, ces fibres structurales sont par exemple agencées sous la forme de deux plis de tissus taffetas croisés selon des angles de plus ou moins 45 degrés ou sous la 9 forme de trois à six plis de nappes de fibres drapées de façon symétrique (0°,+600,-60°). Ce type de structure permet notamment d'optimiser la précision et la stabilité dans le temps du profil de la peau avant. La coque 22 comporte en outre une peau arrière 26 qui est réalisée en un matériau composite analogue à celui, décrit ci-dessus, de la peau avant, et qui présente ainsi les mêmes avantages. Le réflecteur 20 comprend une structure arrière rigide 28 formée d'éléments tubulaires 29 à section sensiblement rectangulaire, et semblable à la structure arrière 16 du réflecteur 12 de l'art antérieur. La structure arrière 28 est reliée à la coque 22 du réflecteur par les cornières 24, qui comprennent chacune une lame métallique centrale 30. Une extrémité de la lame 30 comporte une embase 32 de fixation sur la peau arrière 26 de la coque 22, et une autre extrémité de la lame 30 est fixée à une lamelle métallique souple 34 fixée sur une face latérale 36 d'un élément tubulaire 29 de la structure arrière 28. D'une manière connue, la lamelle souple 34 et, dans une moindre mesure, la lame centrale 30, permettent par leur élasticité d'amortir la composante transversale, c'est-à-dire perpendiculaire à l'axe de la coque 22, de vibrations de cette coque 22. Selon l'invention, chaque cornière 24 comprend en outre une couche de matière élastique 38, interposée entre l'embase 32 de la cornière et la peau arrière 26 de la coque 22, pour amortir la composante axiale d'éventuelles vibrations de la coque 22. 10 Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 2, la matière élastique 38 est une mousse de polyimide choisie pour ne pas se dégrader aux températures comprises entre -180°C et +200°C, et pour satisfaire les normes spatiales relatives au dégazage, spécifiant typiquement une perte totale de masse (TML) inférieure à 1% environ. Cette mousse est en outre choisie pour présenter des propriétés thermomécaniques telles que cette mousse affecte le moins possible le comportement thermomécanique du réflecteur 20. En particulier, la mousse est choisie pour présenter un coefficient thermoélastique aussi faible que possible. Par ailleurs, la mousse de polyimide présente une densité comprise entre 10 kg/m3 et 20 kg/m3, une résistance en traction comprise entre 0.1 MPa et 0.5 MPa, un module de Young compris entre 0.25 MPa et 1 MPa, et un allongement à rupture compris entre 20% et 40%. Les paramètres physiques précités sont choisis en fonction du niveau d'amortissement et de découplage mécanique requis entre la coque 22 et la structure arrière 28 du réflecteur. En variante ou de manière complémentaire, chaque cornière 24 peut comporter une couche de matière élastique du type décrit ci-dessus, interposée entre la lame centrale 30 de la cornière 24 et la structure arrière 28 du réflecteur. Dans ce cas, il est préférable que chaque cornière 24 soit fixée sur une face avant 40 d'un élément tubulaire 29 de la structure arrière 28, par exemple par une seconde embase semblable à l'embase 32 11 et raccordée à l'extrémité de la lame centrale 30 opposée à l'embase 32. La couche de mousse peut ainsi être interposée entre la seconde embase et la face avant 40 de l'élément tubulaire 29, pour permettre un bon amortissement de la composante axiale de vibrations de la coque 22. En variante encore, la couche de matière élastique peut être intégrée dans une structure sandwich, et être en particulier intercalée entre deux peaux pleines, par exemple d'un type analogue à celui des peaux de la coque 22. Cette caractéristique permet notamment d'utiliser, pour la fixation des cornières 24 à la peau arrière 26 du réflecteur, d'utiliser un procédé de fixation semblable à un procédé de fixation conventionnel des cornières des réflecteurs de type connu. Il est également possible, selon l'invention, de remplacer la mousse de polyimide par un adhésif souple composé d'élastomère ou de silicone, ou encore composé de polyuréthane. Dans le mode de réalisation représenté, la structure arrière 28 est du type tubulaire, mais l'invention est également compatible avec des structures arrière d'autres types, telles que des structures planes, paraboloïdales, ou analogue, par exemple du type sandwich composite. La peau avant du réflecteur peut bien entendu avoir une forme différente de celle décrite ci-dessus à titre d'exemple sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS1. Antenne radioélectrique, en particulier pour engin spatial, comprenant un réflecteur (20) et des moyens de support de ce réflecteur, le réflecteur comprenant une coque (22) apte à réfléchir les ondes radioélectriques, et une structure arrière rigide (28) portée par les moyens de support et reliée à la coque (22) par des cornières de découplage (24) réparties autour d'un axe de la coque (22), l'antenne étant caractérisée en ce que chacune desdites cornières de découplage (24) comprend, à l'une au moins de ses extrémités, une couche de matière élastique (38) apte à amortir au moins une composante axiale de vibrations de la coque (22). 2. Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que la coque (22) comprend une peau avant pleine. 3. Antenne selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que ladite matière élastique présente un module de Young compris entre 0.25 MPa et 1 MPa. 25 4. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que ladite matière élastique présente une résistance en traction comprise entre 0.1 MPa et 0.5 MPa. 5. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que ladite 30 13 matière élastique présente un allongement à rupture compris entre 20% et 40%. 6. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que ladite matière élastique est une mousse. 7. Antenne selon la revendication 6, caractérisée en ce que ladite matière élastique comprend au moins un composé appartenant au groupe des polyimides. 8. Antenne selon la revendication 6 ou 7, caractérisée en ce que chacune desdites cornières de découplage (24) comprend au moins une structure sandwich comprenant deux peaux en matériau composite apposées de part et d'autre de ladite couche de matière élastique (38) 9. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que ladite matière élastique comprend un adhésif comprenant un composé d'élastomère ou de silicone ou de polyuréthane. 10. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce qu'elle est configurée pour fonctionner dans une bande de fréquences prédéterminée du spectre des micro-ondes. 11. Antenne selon la revendication 10, caractérisée en ce que ladite bande de fréquences est comprise dans la bande Ka.