Brevet FR3065203A1 — publié le 20181019

STRUCTURE TUBULAIRE LEGERE Domaine de l'invention La présente invention concerne une structure tubulaire légère et en particulier une structure déployable pour constituer un baffle pour protéger un équipement d'un satellite tel qu'un télescope des rayonnements lumineux solaires. Arrière plan technologique Des exemples de structures légères déployables existent dans le domaine spatial et par exemple le document US 5,044,579 A décrit une structure tubulaire comportant une membrane maintenue par des tubes gonflables, le document US 6,568,640 B1 décrit un dispositif gonflable plan pour réaliser des panneaux solaires pour un satellite, le document FR 2 897 843 Al décrit un dispositif de voile de désorbitation comportant des panneaux souples et un mât déployables en fin de vie d'un satellite et le document FR 2 877 315 Al décrit pour sa part un exemple de mat déployable utilisable pour cette dernière application. Une autre technologie selon le document EP 1 893 489 Al met en oeuvre un cordage pour réaliser une structure légère déployable. Brève description de l'invention La présente invention s'adresse à la réalisation d'une structure tubulaire de support d'une membrane notamment pour former un déflecteur cylindrique de protection contre les rayonnements solaires pour un télescope monté sur un 20 satellite. La présente invention propose pour ce faire une structure tubulaire déployable pour protéger un équipement d'un satellite, ladite structure comportant une membrane et une armature support de la membrane pour laquelle l'armature comporte une base, une pluralité de montants déployables réalisés par des tubes 3065203 2 déployables par gonflage disposés de manière périphérique autour d'un espace comportant l'équipement à entourer avec la membrane, lesdits montants comportant une première extrémité fixée sur la base selon une répartition régulière annulaire et comportant une seconde extrémité, pour laquelle la seconde 5 extrémité desdits montants est solidaire d'un cadre rigide de forme générale circulaire ou polygonale et en ce que l'armature en position repliée est adaptée à se loger dans un logement annulaire sur une plateforme du satellite. Selon un mode de réalisation particulier, l'armature support de la membrane se prolonge au dessus d'un cadre intermédiaire par une seconde série de tubes 10 formant une seconde pluralité de montants en prolongement d'une première pluralité de montants réalisés par une première série de tubes fixés sur la base, ladite seconde pluralité de montants étant fixée entre le premier cadre et un second cadre. Les tubes peuvent en particulier être des tubes aluminium stockés repliés 15 en accordéon et déployables par gonflage. De manière alternative, les tubes peuvent être des tubes composites stockés repliés en accordéon, déployables par gonflage et rigidifiés une fois déployés par polymérisation par chauffage ou sous UV. L'ensemble des tubes est avantageusement raccordé à un unique dispositif 20 de gonflage. Selon un mode de réalisation particulier, le ou les cadres sont des cadres polygonaux réguliers de dimension telle que les tubes soient raccordés aux cadres sur les côtés du polygone. Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux, l'armature 25 comporte en outre des haubans, constitués par des cordes rigidifiables comportant une âme souple imprégnée d'un matériau durcissant par polymérisation par chauffage ou sous UV, lesdites cordes formant après déploiement de la structure et polymérisation du matériau durcissant un haubanage rigide entre les montants. 30 Selon un premier mode de réalisation, au moins certains des haubans sont solidaires des montants déployable au niveau des jonctions entre les montants et la base ou des jonctions entre les montants et le ou les cadres. 3065203 3 Selon un deuxième mode de réalisation complémentaire ou alternatif, au moins certains des haubans sont reliés entre le sommet d'un cadre supérieur ou d'un cadre inférieur et un côté du cadre opposé. Selon un troisième mode de réalisation complémentaire ou alternatif, les 5 cadres étant des polygones, au moins certains des haubans sont reliés entre des sommets successifs d'un carde supérieur et d'un cadre inférieur. Selon un mode de réalisation préférentiel, les cordes rigidifiables sont, structure en position repliée, lovées entre les tubes repliés, et, structure déployée, tendues et rigidifiée par polymérisation du matériau durcissant. 10 Selon un mode de réalisation particulier, les cordes comportent une âme carbone résistive chauffante adaptée à réaliser la polymérisation du matériau durcissant. Avantageusement, les haubans constituent des moyens d'adaptation de la fréquence de résonnance de la structure. 15 Avantageusement, la première extrémité des montants fixés sur la base est fixée sur la base au moyen d'un premier cadre. Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront apparents à la lecture de la description qui suit d'un exemple non limitatif de réalisation de 20 l'invention en référence aux dessins qui représentent: en figure 1: une vue schématique en perspective d'une structure selon l'invention; en figure 2: une vue de dessus de la structure de la figure 1; aux figures 3A à 3C: des vues schématiques de modes de réalisation différents de 25 haubanage de la structure de la figure 1; en figure 4: une vue en perspective de la structure de la figure 1 selon le haubanage de la figure 3C; en figure 5: une variante de réalisation du mode de réalisation de la figure 4 à deux étages de tubes gonflables; 30 en figure 6: une vue schématique d'un étage porteur de satellite équipé du dispositif de l'invention replié; en figure 7: une vue schématique d'un satellite équipé d'un dispositif de l'invention déployé. 3065203 4 Description détaillée de modes de réalisation de l'invention La structure déployable de l'invention trouve principalement son utilité dans le domaine spatial pour lequel des structures légères de protection sont souhaitées. Ces structures doivent en plus être très peu encombrantes lorsqu'elles 5 sont repliées. Dans l'application envisagée, la structure déployable est un paravent circulaire ou déflecteur cylindrique appelé en anglais "baffle" qui protège les côtés d'un télescope de la lumière ambiante. La géométrie recherchée dans l'application prévue est une longueur de 8 à 10 10m sans pan coupé sur le baffle, un diamètre R de 4,2m pour un volume frontière donné par le faisceau optique du télescope de 4m, avec de préférence une structure porteuse externe et une raideur importante pour découpler la structure avec les panneaux solaires du satellite notamment. La masse recherchée est une masse inférieure à 150 kg pour la structure et 15 ses moyens de déploiement. La structure et ses moyens de mise en oeuvre doivent supporter un stockage au sol: entre 1 et 3 ans être déployable après la séparation du satellite et de la coiffe du lanceur coiffe et la mise à poste du satellite avoir une durée de vie de au moins 15 ans en GEO, supporter une ambiance de stockage de -40°C à 60°C et une ambiance déployée de -150°C à +150°C. Les contraintes mécaniques à tenir sont en phase de lancement de 15g axial, 20g latéral et en vibrations, en phase rigidifiée de 0,1 à 0,2g en traction/compression. La structure tubulaire déployable est schématiquement représentée aux 25 figures 6 pliée et 7 dépliée. En figure 7 la structure se loge dans un coffrage 12 annulaire sur une plateforme portant le télescope 40 sous la coiffe 50. Pour protéger le télescope 40 du satellite 100, la structure déployée comporte une membrane 20 et une armature support de la membrane représentée en figure 7 dans une configuration 30 à deux étages. L'armature schématisée à la figure 1 comporte une base 10a, une pluralité de montants déployables réalisés par des tubes 1 déployables par gonflage disposés de manière périphérique autour d'un espace et les montants comportent 3065203 5 une première extrémité fixée sur la base 10a selon une répartition régulière annulaire et comportent une seconde extrémité solidaire d'un cadre rigide 10b de forme générale circulaire ou polygonale. La figure 2 représente un exemple de positionnement de la membrane et 5 des tubes par rapport au cadre supérieur, la membrane entourant ici les tubes 1 et le cadre 10. Le cadre comporte un profil extérieur polygonal, ici un hexagone. Les tubes sont fixés sur l'extérieur du cadre et fixés au milieu des côtés 11 du cadre entre ses sommets 12. Aux figures 1 à 5, les cadres 10a, 10b, 10c sont des cadres polygonaux 10 réguliers de dimension telle que les tubes 1, 1a, lb soient raccordés aux cadres sur les côtés 11 du polygone. Dans l'exemple de la figure 5, l'armature support de la membrane 20 se prolonge au dessus d'un cadre intermédiaire 10b par une seconde série de tubes 1 b formant une seconde pluralité de montants en prolongement d'une première 15 pluralité de montants. La première pluralité de montants est réalisée par une première série de tubes la fixés sur un cadre 10a sur la base et sur un cadre intermédiaire 10b, la seconde pluralité de montants est fixée entre le cadre intermédiaire 10b et un second cadre 10c. 20 Cette configuration a l'avantage d'utiliser de tubes plus courts de 4,5 m par exemple et d'introduire un cadre intermédiaire qui rigidifie l'ensemble. Les tubes sont soit des tubes aluminium soit des tubes composites. Selon la figure 6 ils sont stockés repliés en accordéon 2, déployables par gonflage et rigidifiés une fois déployés par polymérisation UV. Dans le cas de tubes aluminium on peut choisir par exemple un tube aluminium avec un diamètre de l'ordre de 160 mm, une résistance à une contrainte de 9,5 GPa, une épaisseur de 0,1 mm une masse de 270g/mètre. Un tube de ce type est connu sous l'appellation IDEAS. Dans le cas de tubes composite, des tubes composites verre connu sous la 30 référence ULS, un tube de 160 mm de diamètre, avec une résistance de 13 GPa, une épaisseur de 0,3mm et une masse de 750g/mètre est envisageable pour l'application. 3065203 6 Le tube est par exemple tel que sa longueur en un seul tenant est de de 8 à 10m dans l'exemple notamment de la figure 4 ou le choix peut être de juxtaposer deux tubes d'environ 4,5m comme dans la figure 5. Le diamètre de 160mm correspond à des tubes existants mais le diamètre 5 peut être augmenté pour gagner en raideur, dans la limite de l'encombrement disponible. Pour éviter une collision avec le volume frontière une configuration à 4 tubes est à éviter et une configuration à 6 tubes comme représentée en figure 1 est favorable vis-à-vis du pliage alors qu'une configuration à 8 tubes 10 occasionnerait une perte de raideur. Le système de gonflage 103 représenté en figure 7 est un unique système de gonflage pour tous les tubes la, lb reliés par des tubulures 104 pour les tubes du base et reliés entre eux pour les tubes du bas la et du haut lb. Comme dit plus haut, l'ensemble des tubes préférablement est raccordé à 15 un unique dispositif de gonflage 103. Comme représenté aux figures 3A à 5 l'armature comporte en outre des haubans 30, 30a, 30b, 30c, 30d, constitués par des cordes rigidifiables comportant une âme souple imprégnée d'un matériau durcissant par polymérisation par chauffage ou sous UV, lesdites cordes formant après déploiement de la structure 20 et polymérisation du matériau durcissant un haubanage rigide entre les montants. Les cordes sont notamment telles que décrites dans le document EP 1 893 489 Al. Ce sont en particulier des cordes composites qui se rigidifient par polymérisation thermique, de diamètre de 4 à 8 mm et préférablement 6 mm, de masse de 50 à 70 g/m avec une résistance de 80 GPa. 25 Les haubans constituent des moyens d'adaptation de la fréquence de résonnance de la structure et plusieurs configurations sont possibles, quatre configurations étant ici décrites plus précisément. La figure 4 représente une structure de base pour laquelle la première extrémité des montants fixés sur la base est fixée sur la base au moyen d'un 30 premier cadre 10a et la seconde extrémité des montants est fixée sur un second cadre 10b, des haubans 30c rejoignant les sommets des cadres de chaque face. Dans l'exemple de la figure 3A les haubans 30a sont solidaires à l'une de leurs extrémités des montants déployable au niveau des jonctions entre les 3065203 7 montants et la base ou des jonctions entre les montants et le ou les cadres. Les haubans sont alors raccordés aux sommets des cadres polygonaux à l'autre de leurs extrémités. Cette configuration prévoit un motif basé sur deux V qui se croisent par 5 face. Elle a une fréquence de résonnance de 2,4 Hz en fonction des dimensions et matériaux des cadres, des tubes et des cordes. Une configuration à un V par face présente pour sa part une fréquence de résonnance de 2,3Hz. Dans l'exemple de la figure 3B, une première série de haubans 30b sont 10 reliés entre le sommet d'un cadre supérieur ou d'un cadre inférieur et un côté du cadre opposé alors qu'une seconde série de haubans 30a sont solidaires à leur première extrémités des montants déployable au niveau des jonctions entre les montants et la base, le cadre inférieur 10a ou des jonctions entre les montants et le ou les cadres supérieur 10b. Pour ces seconds haubans selon l'exemple, leur 15 seconde extrémité est raccordée sur le côté des cadres entre la fixation d'un tube et un sommet. Cet exemple propose un motif de 4V par face et donne une fréquence de résonnance de 0,8 Hz Dans le cas de la figure 3C, les cadres étant des polygones, les haubans 20 30c sont reliés entre des sommets successifs d'un cadre supérieur et d'un cadre inférieur. Cet exemple propose un motif en X avec un X par face et conduit à une fréquence de résonnance de 2,9Hz très favorable. Un mix de ces configurations est envisageable, le positionnement des 25 haubans jouant sur la fréquence de résonnance de la structure et permettant de l'adapter. Le cas de la figure 5 prévoit aussi deux cordes par face avec motif en X et cette disposition à deux niveaux avec des tubes inférieurs 1 a, des tubes supérieurs lb un cadre inférieur 10a, un cadre intermédiaire 10b et un cadre supérieur 10c qui a une fréquence de résonnance de 3,4 Hz apparaît comme la solution la plus adaptée tant en masse, en raideur et facilité de conception. 3065203 8 Les cordes rigidifiables sont, structure en position repliée, lovées entre les tubes repliés, et, structure déployée, tendues et rigidifiée par polymérisation du matériau durcissant. Dans un mode de réalisation particulier, les cordes comportent une âme 5 carbone résistive chauffante adaptée à réaliser la polymérisation du matériau durcissant. Dans ce cas une liaison électrique de retour de courant est prévue sur les cadres en aluminium. Les tubes sont notamment par exemples réalisés selon le principe décrit dans le document FR 2 876 983 Al. 10 L'invention n'est pas limitée aux exemples représentés et notamment comme vu plus haut, d'autres motifs sont possibles pour la disposition des haubans sur les face du tube polygonal réalisé avec les cadres et les tubes. REVENDICATIONS1 - Structure tubulaire déployable, pour protéger un équipement (40) d'un satellite (100), comportant une membrane (20) et une armature support de la membrane pour laquelle l'armature comporte une base (10a), une pluralité de montants déployables réalisés par des tubes (1, la, 1b) déployables par gonflage disposés de manière périphérique autour d'un espace comportant l'équipement à entourer avec la membrane, lesdits montants comportant une première extrémité fixée sur la base (10a) selon une répartition régulière annulaire et comportant une seconde extrémité, caractérisée en ce que la seconde extrémité desdits montants est solidaire d'un cadre rigide (10b) de forme générale circulaire ou polygonale et en ce que l'armature en position repliée est adaptée à se loger dans un logement annulaire (12) sur une plateforme du satellite (100). 2 - Structure tubulaire déployable selon la revendication 1, pour laquelle l'armature support de la membrane (20) se prolonge au dessus d'un cadre intermédiaire (10b) par une seconde série de tubes (1 b) formant une seconde pluralité de montants en prolongement d'une première pluralité de montants réalisés par une première série de tubes (1a) fixés sur la base, ladite seconde pluralité de montants étant fixée entre le premier cadre et un second cadre. 3 - Structure tubulaire selon la revendication 1 ou 2, pour laquelle les tubes sont des tubes aluminium stockés repliés en accordéon (2) et déployables 20 par gonflage ou des tubes composites stockés repliés en accordéon (2), déployables par gonflage et rigidifiés une fois déployés par polymérisation UV. 4 - Structure tubulaire déployable selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, pour laquelle l'ensemble des tubes est raccordé à un unique dispositif de gonflage (103). 25 5 - Structure tubulaire déployable selon l'une quelconque des revendications précédentes, pour laquelle le ou les cadres (10a, 10b, 10c) sont des cadres polygonaux réguliers de dimension telle que les tubes (1, 1 a, 1 b) soient raccordés aux cadres sur les côtés (11) du polygone. 6 - Structure tubulaire déployable selon l'une quelconque des 30 revendications précédentes, pour laquelle l'armature comporte en outre des 3065203 10 haubans (30, 30a, 30b, 30c, 30d), constitués par des cordes rigidifiables comportant une âme souple imprégnée d'un matériau durcissant par polymérisation par chauffage ou sous UV, lesdites cordes formant après déploiement de la structure et polymérisation du matériau durcissant un 5 haubanage rigide entre les montants. 7 - Structure tubulaire déployable selon la revendication 6, pour laquelle au moins certains des haubans (30a) sont solidaires des montants déployable au niveau des jonctions entre les montants et la base ou des jonctions entre les montants et le ou les cadres. 10 8 - Structure tubulaire déployable selon la revendication 6, pour laquelle au moins certains des haubans (30b) sont reliés entre le sommet d'un cadre supérieur ou d'un cadre inférieur et un côté du cadre opposé. 9 - Structure tubulaire déployable selon la revendication 6, pour laquelle, les cadres étant des polygones, au moins certains des haubans (30c) sont reliés 15 entre des sommets successifs d'un carde supérieur et d'un cadre inférieur. 10- Structure tubulaire déployable selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, pour laquelle, les cordes rigidifiables sont, structure en position repliée, lovées entre les tubes repliés, et, structure déployée, tendues et rigidifiée par polymérisation du matériau durcissant. 11 - Structure tubulaire déployable selon la revendication 10, pour laquelle les cordes comportent une âme carbone résistive chauffante adaptée à réaliser la polymérisation du matériau durcissant. 12 - Structure tubulaire selon l'une quelconque des revendications 6 à 11, pour laquelle les haubans constituent des moyens d'adaptation de la fréquence de 25 résonnance de la structure. 13- Structure tubulaire déployable selon l'une quelconque des revendications précédentes, pour laquelle la première extrémité des montants fixés sur la base est fixée sur la base au moyen d'un premier cadre (10a).