Brevet FR2943184A1 — publié le 20100917

PROCEDE DE REALISATION D'UN REFLECTEUR, NOTAMMENT POUR DES APPLICATIONS SPATIALES ET REFLECTEUR OBTENU La présente invention concerne un procédé de réalisation d'un réflecteur d'ondes, notamment pour des applications spatiales de télécommunications. La présente invention couvre également le réflecteur ainsi obtenu. La description qui va suivre est décrite en se référant à des applications spatiales car elles engendrent des contraintes qui permettent de répondre à toutes autres applications qu'elles soient dans le domaine de l'aviation, de l'automobile, de la marine ou de l'armement. De même, on entend par réflecteurs toute surface apte à renvoyer un signal par réflexion. En fonction du type de signal la surface est différente ainsi que cela sera exemplifié ultérieurement mais le procédé reste applicable pour la réalisation du réflecteur. Les réflecteurs dans le domaine spatial ont des dimensions de quelques centaines de millimètres à quelques milliers de millimètres. Ces réflecteurs sont de formes paraboliques ou hyperboliques suivant les 15 applications mais relèvent des mêmes techniques de fabrication recourant aux matériaux composites. La voie de réalisation actuellement mise en oeuvre consiste à travailler à l'aide d'un gabarit. Ce gabarit est réalisé à partir d'un châssis sur lequel est rapportée une feuille 20 d'interface composée d'un matériau extrêmement peu sensible aux dilatations en température, dans la gamme de températures de travail du matériau composite retenu pour la réalisation dudit réflecteur. Un tel matériau est un alliage de fer et de nickel, connu sous la marque déposée Invar. Il est donc nécessaire pour chaque type de réflecteur de réaliser un châssis, généralement mécano soudé, de grande raideur et de grande précision, de rapporter la feuille d'interface préalablement préformée. Cet ensemble est soumis à un premier usinage afin de réaliser sur ladite feuille le profil de la surface du réflecteur que l'on souhaite obtenir par réplique. Le moule est ensuite dimensionnellement stabilisé par traitement thermique pour être certain du relâchement des différentes contraintes, pour assurer une stabilité dimensionnelle de cet ensemble vis-à-vis des températures auxquelles il sera soumis ultérieurement lors de la réalisation du réflecteur en matériau composite. Une fois stabilisé, le moule est soumis à un second usinage, de précision, suivi d'un polissage. Il est précisé que la face d'un tel moule n'est pas à profil régulier mais comprend au contraire un ensemble de dépressions et de reliefs constituant ce qui est techniquement appelé le "shaping". Le moule est alors prêt, ce qui a représenté du temps de travail et un coût en main d'ceuvre et en matière première relativement élevé. Ce moule est uniquement dédié à la réalisation d'un réflecteur ou d'une série de réflecteurs identiques. Or les réflecteurs sont plutôt à configuration unique et les grandes séries sont rares. Un tel moule est donc rarement réutilisable. Le réflecteur lui-même est souvent réalisé à partir d'une âme qui assure la structure support et des fibres pré imprégnées de résine polymère drapées sur ladite âme, de part et d'autre formant une structure sandwich. La réalisation du réflecteur nécessite le drapage du moule avec des découpes étudiées de l'âme et des fibres, ce qui est également une opération délicate. L'âme est généralement composée d'une structure en nid d'abeilles NIDA, en mousse rigide, en composite préalablement fabriqué et plus ou moins poreux. Il est également nécessaire de prévoir le positionnement simultané de raidisseurs et/ou de réserves et/ou d'inserts sur la face arrière, destinés à la fixation du réflecteur ainsi réalisé sur le support final. Le réflecteur est ensuite placé en autoclave pour une cuisson donc une polymérisation sous pression des résines qui le constituent. Les réflecteurs, plus particulièrement dans les applications spatiales, sont soumis à des contraintes lourdes, notamment des accélérations lors du lancement, des manceuvres lors du déploiement du bras porteur lorsqu'ils sont positionnés à l'extrémité d'un tel bras. Les autres contraintes requises sont la légèreté qui s'impose à l'évidence quand on connaît les coûts extrêmement élevés du lancement d'une charge, la stabilité de la forme y compris lors des différentes manceuvres, la rigueur et le respect de la géométrie de la surface dont dépend directement la qualité et le respect de la fonction dudit réflecteur au final. On sait aussi que, du fait de la compacité des satellites, de leur longue durée de vie, les réflecteurs associés doivent résister aux salissures mais aussi éventuellement à des agressions thermiques liées aux émissions des moteurs dudit satellite. Pour répondre à ces contraintes et pour pallier les problèmes de l'art antérieur, le procédé selon la présente invention propose un procédé de réalisation d'un réflecteur qui, pour l'essentiel des avantages qu'il procure, est reproductible, requiert un cycle de fabrication beaucoup plus court de l'ordre de trois à quatre mois au lieu des sept à huit mois antérieurement nécessaires, est moins coûteux, résiste à des températures élevées, est extrêmement stable en géométrie y compris lorsqu'il est fixé de façon décentrée et permet de travailler dans des plages de fréquences très larges allant de la bande L à la bande Ka pour le moins. Le procédé de réalisation d'un réflecteur selon la présente invention et le réflecteur obtenu sont maintenant décrits en détail suivant un mode de réalisation particulier, non limitatif, en regard des dessins annexés sur lesquels les différentes figures montrent : - figures 1A à 1E : une vue symbolisée de la troisième étape du procédé selon la présente invention, - figure 2 : une vue d'une face avant d'un réflecteur obtenu par le procédé selon la présente invention, - figure 3 : une vue d'une face arrière du réflecteur de la figure 2, obtenu par le procédé selon la présente invention, - figure 4 : une vue partielle en coupe partielle du réflecteur de la figure 2, obtenu par le procédé selon la présente invention, et - figure 5 : une vue en perspective ombrée de la face avant du réflecteur obtenu par le procédé selon la présente invention pour faire apparaître le shaping. Le procédé selon la présente invention consiste en la succession des étapes principales suivantes : - découpe d'un bloc brut de matériau composite carbone-carbone sensiblement aux dimensions du réflecteur à réaliser, - usinage de la face de dessus de ce bloc brut, - usinage de la face de dessous de ce bloc brut, et - association à la matrice usinée ainsi obtenue, d'un composé mécaniquement et thermiquement structurant. Sur les figures 1, on a représenté un bloc brut 10 en un matériau composite carbone-carbone constitué de façon connue de fibres de carbone noyées dans une matrice en carbone. On entend par bloc brut un parallélépipède mais aussi une préforme au profil du réflecteur afin de limiter les pertes de matière notamment. Ce bloc brut 10 est usiné dans la masse sur son dessus 12 qui correspond à la face 14 arrière du réflecteur à réaliser. Cette face 14 arrière comporte comme montré en détail sur la figure 4 des raidisseurs 16, venus d'usinage, nécessaires pour atteindre la rigidité destinée à maintenir la géométrie du réflecteur. De même, cette face 14 arrière comprend des éventuels logements 18, visibles sur la figure 3, nécessaires à la mise en place d'inserts 20 métalliques rapportés, destinés à fixer ledit réflecteur sur son support final. Suivant la géométrie, il est nécessaire de définir le réseau de raidisseurs 16 et 10 les gammes d'usinage, ces paramètres étant fonction du réflecteur et à la portée de l'homme de l'art. Une fois la face 14 arrière usinée, le bloc usiné une face est retourné et placé sur un outillage de reprise, figure 1C, dénommé berceau 22 pour la suite de la description, pour offrir le dessous 24 du bloc aux outils d'usinage, et pour 15 permettre l'usinage de la face 26 avant du réflecteur à réaliser, voir figure lb. Le berceau 22 est réalisé, par exemple, par usinage d'une pièce métallique, de profil conjugué de celui des raidisseurs. On constate qu'il est, dans tous les cas, simple à réaliser en commande numérique puisqu'il est utilisé uniquement comme support mécanique. Le matériau ne doit pas présenter de caractéristiques 20 particulières car il ne doit pas être porté en température, ne doit pas conférer une forme de très grande précision, ne doit pas présenter un état de surface particulier. Le berceau doit par contre assurer le maintien mécanique parfait de la pièce pendant l'usinage de la face 26 avant. 25 La face 26 avant est donc usinée avec grande précision, c'est-à-dire avec la précision finale du réflecteur final à obtenir, y compris le shaping. Les étapes d'usinage peuvent être multiples, avec différentes passes, différentes reprises, différents outils sur différentes machines, ceci en adéquation avec la nature du matériau. On obtient ainsi une matrice 28 de réflecteur, dimensionnellement et 5 géométriquement finalisée, figure 1E. On constate que le plan de réflexion est constituée d'une très faible épaisseur de matière et que le volume final de matière est très limité. bu fait de la faible densité du matériau carbone-carbone du bloc brut, le réflecteur est extrêmement léger. 10 Par contre, le matériau carbone-carbone présente des propriétés de réflexion susceptibles d'être insuffisantes pour certaines applications du fait de sa très faible densité comprise entre 0,8 et 1,6 et de sa forte porosité. Le procédé prévoit l'association d'un composé mécaniquement et thermiquement structurant à ladite matrice 28. 15 En l'occurrence, le procédé prévoit comme composé mécaniquement et thermiquement structurant du SiC, carbure de silicium, voir figure 1F qui permet d'améliorer de façon très significative les propriétés de réflexion entre autres. Ce composé est d'une très grande dureté d'une forte densité, d'une grande résistance à l'abrasion et présente une très forte résistance en température. 20 Plus particulièrement et de façon préférentielle, le SiC est associé à la matrice 28 de réflecteur par un procédé dit d'infiltration, plus spécifiquement réalisé selon les étapes décrites dans la demande de brevet français N° 2 857 660. La préforme voit ainsi sa densité passer de 0,2 à 3,2 pour donner un exemple 25 optimisé. On obtient, figure 1G, un réflecteur R fini, prêt à l'usage, comprenant des fibres de carbone qui assurent la reprise des efforts, une matrice dans laquelle elles sont noyées qui maintient ces fibres en position optimisée de travail et le carbure de silicium qui confère la densification adaptée. Par exemple pour une matrice initiale présentant un taux de 20% de carbone et de 80% de SiC, on obtient 20% de carbone et 80% dans la pièce finie avec une densité de 3. Le réflecteur peut également subir un traitement complémentaire éventuel, en fonction des applications, à savoir un doucissage final complémentaire de la face avant dite face active. Ce doucissage est une étape qui ne modifie que le grain en ne portant atteinte ni à la géométrie ni au shaping de cette face active. Le réflecteur ainsi obtenu est venu d'usinage sur ses deux faces à partir d'un bloc brut de carbone-carbone, infiltré de carbure de silicium, comprend sur sa face arrière un réseau de raidisseurs et sur sa face avant un profil de réflexion adapté à la fonction recherchée, portant éventuellement un shaping en surface. Sa densité moyenne est de 0,5 à 2 suivant la zone concernée. Ce réflecteur contrairement aux réflecteurs existants, dont la résistance en température est limitée, peut être placé en tout point d'un satellite, y compris prêt des sorties de tuyères de moteurs de repositionnement orbital par exemple. Du fait de son architecture monolithique usinée dans la masse et des calculs de déformation qui conduisent à déterminer des raidisseurs adaptés, le réflecteur peut être fixé en tout point de sa face arrière moyennant un positionnement correspondant des inserts. Ainsi, pour l'obtention de tels réflecteurs, il est possible de travailler de façon répétitive pour de petites séries mais aussi de travailler à l'unité puisque la phase de réalisation d'un moule et toutes les étapes associées sont supprimées. De plus, la surface étant étudiée et modélisée par ailleurs pour l'application recherchée, il est possible d'utiliser les fichiers de profil en 3D pour l'usinage de la face avant. La connaissance des tolérances autorisées permet de calculer les raidisseurs et de prévoir une architecture et un dimensionnement pour respecter ces tolérances. Bien entendu la réalisation de la face avant peut être effectuée en premier lieu sans sortir du cadre de la présente invention mais la face avant est la plus délicate et sa mise en appui serait difficile surtout après shaping comme il a été décrit ci-avant. Il est donc préférable de réaliser la face avant postérieurement à la face arrière qui servira d'appui et dont l'état de surface ne nécessite pas la même rigueur que celui de la face avant. C'est la raison pour laquelle le procédé selon l'invention a été décrit dans son meilleur mode de réalisation. REVENDICATIONS1. Procédé de réalisation d'un réflecteur R, notamment pour des applications spatiales, caractérisé en ce qu'il consiste en la succession des étapes principales suivantes : - découpe d'un bloc (10) brut de matériau composite carbone-carbone sensiblement aux dimensions du réflecteur R à réaliser, - usinage du dessus de ce bloc (10) brut pour ménager une face (14) arrière du réflecteur R, - usinage du dessous de ce bloc (10) brut, usiné une face, pour ménager une face (26) avant du réflecteur R et obtenir une matrice (28), et - association à la matrice (28) usinée ainsi obtenue, d'un composé mécaniquement et thermiquement structurant. 2. Procédé de réalisation d'un réflecteur R selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on réalise un berceau (22) de profil conjugué de celui de la face (14) arrière destiné à recevoir la matrice (28) usinée une face, par ladite face (14) arrière. 3. Procédé de réalisation d'un réflecteur R selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'association d'un composé mécaniquement et thermiquement structurant consiste à faire subir à ladite matrice (28) une infiltration de carbure de silicium. 4. Procédé de réalisation d'un réflecteur R selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on ménage dans la face (14) arrière des logements (18) de réception d'inserts (20). 5. Procédé de réalisation d'un réflecteur R selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la face (26) avant subit un shaping. 6. Procédé de réalisation d'un réflecteur R selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la face (26) avant subit un doucissage. 7. Réflecteur R obtenu par la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est monolithique et venu d'usinage et en ce qu'il présente une densité comprise entre 0,2 et 3,2. 8. Réflecteur R obtenu par la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il est monolithique et venu d'usinage et en ce qu'il présente une densité de 3.