Brevet FR3111166A1 — publié le 20211210

Actionneur pneumatique pour dispositif d’actionnement spatial Un actionneur pneumatique (100) comprend : - une cartouche (130) renfermant un gaz sous pression (G), la cartouche comprenant un port de sortie (131) obturé par un opercule (132), - un piston perforateur (120) comprenant un corps (121) prolongé par une tête (122), le piston perforateur étant mobile entre une première position dans laquelle la tête (122) est maintenue en vis-à-vis de l’opercule (132) et une deuxième position dans laquelle la tête traverse l’opercule, le corps comprenant un canal de circulation de gaz (123) comportant une entrée (1230) présente au niveau de la tête (122) et une sortie (1232) en communication avec une sortie de pression (112) de l’actionneur pneumatique destinée à être reliée à un dispositif d’actionnement, et - un générateur de gaz pyrotechnique (140) apte à déplacer le piston perforateur (120) de la première position à la deuxième position. Figure pour l’abrégé : Fig. 1. Actionneur pneumatique pour dispositif d’actionnement spatial La présente invention concerne le domaine des actionneurs utilisés dans le domaine spatial notamment dans des mécanismes de libération ou mise à poste de satellites ou de déploiement d’équipements spatiaux. Les mécanismes actuellement utilisés dans le domaine spatial pour la libération ou la mise à poste sont des pyromécanismes dans lesquels un produit pyrotechnique assure la fonction libération ou motorisation. Il fournit la pression nécessaire pour libérer le mécanisme et réalise la mise à poste avec de bonnes performances. La pression fournie dans le mécanisme dépend de la température et du type de gaz générés. Le document FR 2 910 941 divulgue un actionneur pyrotechnique qui peut être utilisé dans le domaine spatial. Les pyromécanismes de petites dimensions (micro-mécanismes) ne peuvent pas être actionnés par des produits pyrotechniques de type « bloc de poudre » car ils sont trop puissants. Dans ce cas, on utilise des initiateurs pyrotechniques de type inflammateur qui contiennent une charge pyrotechnique de plus faible capacité. Ces initiateurs sont détournés de leur fonction afin de fournir le bon niveau de pression nécessaire au micro-mécanisme. Cependant, les initiateurs pyrotechniques de type inflammateur présentent l’inconvénient d’avoir une forte dispersion dans la génération de gaz qui peut être comprise entre 15% et 30% selon les produits. Ce type d’initiateur génère une pression rapide et non constante qui correspond à une impulsion et non à un créneau de pression. Cette dispersion et le manque de contrôle de la pression générée nuisent à la précision d’actionnement ainsi qu’à répétabilité qui sont pourtant très importants dans le domaine spatial. L’invention a pour but de proposer une solution de motorisation ou d’actionnement pour des mécanismes destinés à être utilisés dans le domaine spatial qui ne présentent par les inconvénients des actionneurs dont la pression d’actionnement est générée par des initiateurs pyrotechniques de type inflammateur. Ce but est atteint grâce à un actionneur pneumatique comprenant : - une cartouche renfermant un gaz sous pression, la cartouche comprenant un port de sortie obturé par un opercule, - un piston perforateur comprenant un corps prolongé par une tête, le piston perforateur étant mobile entre une première position dans laquelle la tête est maintenue en vis-à-vis de l’opercule et une deuxième position dans laquelle la tête traverse l’opercule, le corps comprenant au moins un canal de circulation de gaz comportant au moins une entrée présente au niveau de la tête et une sortie en communication avec une sortie de pression de l’actionneur pneumatique destinée à être reliée à un dispositif d’actionnement, et - un générateur de gaz pyrotechnique apte à déplacer le piston perforateur de la première position à la deuxième position. Dans l’actionneur pneumatique de l’invention, la pression utile à la motorisation ou à l’actionnement d’un mécanisme est délivrée par une cartouche de gaz sous pression, le générateur de gaz pyrotechnique ayant pour fonction d’assurer le déclenchement de la motorisation ou de l’actionnement via le piston perforateur. On utilise ainsi avantageusement la réponse rapide du générateur pyrotechnique pour le déclenchement de la motorisation ou de l’actionnement. L’actionneur pneumatique de l’invention présente une faible dispersion de pression et une bonne répétabilité d’un actionneur à l’autre. Selon une caractéristique particulière de l’actionneur pneumatique de l’invention, le piston perforateur est maintenu dans la première position par une goupille sécable. L’utilisation d’une goupille sécable permet à la fois d’assurer un stockage sécurisé de l’actionneur et une augmentation de l’énergie de perforation de l’opercule en retardant le déplacement du piston perforateur lors de sa mise sous pression par le générateur de gaz pyrotechnique (effet fusible). Selon une autre caractéristique particulière de l’actionneur pneumatique de l’invention, celui-ci comprend en outre une chambre de pressurisation étanche présente en aval de la tête, le générateur de gaz pyrotechnique étant relié à la chambre de pressurisation. Selon une autre caractéristique particulière de l’actionneur pneumatique de l’invention, la cartouche renferme un gaz froid. Cela permet de réduire les effets convectifs dans l’actionneur et de mieux contrôler la chute de pression dans le mécanisme une fois son actionnement ou sa motorisation réalisé par détente du gaz froid. Selon une autre caractéristique particulière de l’actionneur pneumatique de l’invention, le canal de circulation de gaz comporte un col de striction présent en amont de la sortie du canal. Il est ainsi possible de piloter le débit du gaz délivré au mécanisme par l’actionneur pendant la vidange de la cartouche. L’invention a également pour objet un chargement comprenant au moins un satellite relié à une structure porteuse par un dispositif de déverrouillage à déclenchement comprenant un actionneur pneumatique selon l’invention, la sortie de pression de l’actionneur étant reliée au dispositif de déverrouillage. L’actionneur pneumatique de l’invention présentant une faible dispersion en pression et une bonne répétabilité, on assure ainsi une mise à poste fiable et précise des satellites. L’invention concerne en outre un chargement comprenant au moins une grappe de satellites maintenue sur une structure porteuse, chaque satellite d’une grappe étant relié à la structure porteuse par un dispositif de déverrouillage à déclenchement comprenant un actionneur selon l’invention, la sortie de pression de l’actionneur étant reliée au dispositif de verrouillage. En équipant chaque satellite d’une pluralité de satellites d’une même grappe d’un actionneur pneumatique selon l’invention, on améliore grandement la fiabilité et la précision de mise à poste de satellites destinées à former des constellations. En effet, l’actionneur de l’invention assure une très bonne synchronisation de libération de satellites d’une constellation grâce à la réduction de la dispersion en pression et à la bonne répétabilité. L’invention concerne encore un satellite comprenant un ou plusieurs équipements à déployer, un dispositif de déploiement pour chaque équipement et un actionneur selon l’invention pour chaque dispositif de déploiement, la sortie de pression de l’actionneur étant reliée au dispositif de déploiement. La figure 1 est une vue schématique en coupe d’un actionneur pneumatique selon un mode de réalisation de l’invention, La figure 2 est une vue schématique en coupe montrant l’actionneur pneumatique de la figure 1 lors de la mise à feu du générateur de gaz pyrotechnique, La figure 3 est une vue schématique en coupe montrant l’actionneur pneumatique de la figure 1 lors de la rupture de la goupille, La figure 4 est une vue schématique en coupe montrant l’actionneur pneumatique de la figure 1 lors du début de la course du piston perforateur, La figure 5 est une vue schématique en coupe montrant l’actionneur pneumatique de la figure 1 lors de la vidange de la cartouche de gaz sous pression, La figure 6 est un graphique montrant l’évolution de la pression dans les chambres de pressurisation d’un actionneur pneumatique et d’un mécanisme associé. La figure 1 illustre un actionneur pneumatique 100 selon un mode de réalisation de l’invention. L’actionneur pneumatique 100 comprend un boîtier 110 comportant un logement interne 111 dans lequel est logé un piston perforateur 120. Le piston perforateur 120 est mobile dans le logement 111 entre une position de repos représentée sur la figure 1 et une position de vidange représentée sur la figure 4 et détaillée plus loin. Le logement interne 111 comprend une partie amont 1110 et une partie aval 1111 ayant une section inférieure à la section de la partie amont. Le boîtier 110 comporte également une sortie de pression 112 destinée à être reliée à un dispositif ou mécanisme d’actionnement (non représenté sur la figure 1) afin d’alimenter celui-ci en gaz sous pression via le piston 120 et la partie aval 1111 comme expliqué ci-après. L’actionneur pneumatique 100 comprend en outre une cartouche de gaz sous pression 130 reliée à une extrémité amont 112 du boîtier 110 au niveau d’un port de sortie 131. Le port de sortie 131 de la cartouche 130 communique avec le logement interne 111 du boîtier 110. Dans la position de repos ou de stockage de l’actionneur pneumatique telle que représentée sur la figure 1, le port de sortie 131 est obturé par un opercule 132 de sorte que le gaz G reste contenu dans la cartouche 130. L’actionneur pneumatique 100 comprend encore un générateur de gaz pyrotechnique 140 relié à une chambre de pressurisation 150 délimitée par la partie aval 1111 du logement interne 111 et le piston perforateur 120. Le piston perforateur 120 comprend un corps 121 s’étendant entre une extrémité amont 121a comportant une tête 122 et une extrémité aval 121b. La tête 122 est maintenue en vis-à-vis de l’opercule 132 dans la position de repos de l’actionneur pneumatique. Dans l’exemple décrit ici, le corps 121 comporte une portion annulaire élargie 1210 présente au voisinage de la tête 122 et dans la partie amont 1110 du logement interne 111. La portion annulaire élargie 1210 a notamment pour fonction de guider le déplacement du piston performateur 120 comme expliqué ci-après. Le piston perforateur 120 est maintenu dans sa position de repos, correspondant à la position de repos ou de stockage de l’actionneur pneumatique, par une goupille sécable 125 qui s’étend à la fois dans le boîtier 110 et dans le piston perforateur 120, la goupille 125 s’étendant ici dans le boîtier 110 au niveau de la partie amont 1110 du logement interne 111 et dans la portion élargie 1210 du corps 121 du piston. Le corps du piston comprend au moins un canal de circulation de gaz comportant au moins une entrée présente au niveau de la tête et une sortie au niveau de l’extrémité aval 121b du corps du piston qui est destinée à alimenter en gaz sous pression un dispositif d’actionnement (non représenté sur la figure 1). Dans l’exemple décrit ici, le corps 121 comprend un canal de circulation de gaz 123 comportant plusieurs entrées 1230 présentes dans la portion annulaire élargie 1210 autour de la tête 122, les entrées 1230 étant reliées à un conduit central 1231 s’étendant longitudinalement dans le corps 121 du piston jusqu’à une sortie 1232 du canal 123 présente à l’extrémité aval 121b du corps 121. Le générateur de gaz pyrotechnique 140 est un initiateur pyrotechnique de type inflammateur qui comprend une faible charge pyrotechnique. On explique maintenant le fonctionnement de l’actionneur pneumatique 100 en relation avec les figures 2 à 5. La figure 2 représente l’actionneur pneumatique au moment de la mise à feu, par exemple par signal électrique ou optique, du générateur de gaz pyrotechnique 140. L’initiation de la charge pyrotechnique du générateur entraîne une augmentation de pression dans la chambre de pressurisation 150. L’augmentation de pression dans la chambre de pressurisation 150 génère une force de poussée FP sur la partie arrière de la portion annulaire élargie 1210 du corps 121 du piston perforateur. La force de poussé FP augmente avec la pression jusqu’à atteindre une valeur seuil prédéterminée permettant de rompre la goupille 125 comme illustré sur la figure 3. Une fois la goupille 125 rompue, le piston perforateur 120, libéré de sa position de repos, se déplace vers l’amont de l’actionneur suivant la direction de déplacement DP comme représenté sur la figure 4. La tête 122 du piston perforateur 120 entre alors en contact avec l’opercule 132 de la cartouche de gaz sous pression 130 et commence à le perforer. Le piston perforateur 120 continue sa course jusqu’à ce que la portion annulaire élargie 1210 vienne en butée contre le port de sortie 131 de la cartouche de gaz sous pression 130. Cette position du piston représentée en figure 5 correspond à sa position de vidange, position dans laquelle la tête 122 perfore complètement l’opercule 132 et les entrées 1230 du canal de circulation de gaz 123 entrent en communication avec le port de sortie 131 de la cartouche. Le gaz G contenu dans la cartouche 130 s’écoule alors dans le canal de circulation de gaz 123 d’abord par les entrées 1230, puis par le conduit central 1231 et enfin jusqu’à la sortie 1232 du canal 123. Le gaz arrive alors dans la portion terminale de la partie aval 1111 du canal interne 111 du boîtier de l’actionneur pneumatique afin d’alimenter en gaz sous pression le dispositif d’actionnement relié à la sortie 112 du boîtier 110. La cartouche de gaz sous pression 130 délivre une pression maîtrisée et répétable à la différence d’un initiateur pyrotechnique. La figure 6 illustre un exemple de fonctionnement de l’actionneur pneumatique 100 avec un dispositif ou mécanisme d’actionnement du type mise à poste. Dans cet exemple, le gaz contenu dans la cartouche 130 est de l’azote maintenu dans celle-ci à une pression d’environ 100 bars. La figure 6 montre l’évolution de pression à différents moments du fonctionnement de l’actionneur et du mécanisme associé, à savoir au moment T1 correspondant à la mise à feu du générateur pyrotechnique et la perforation de l’opercule de la cartouche de gaz sous pression, au moment T2 correspondant à la durée de vidange de la capsule dans le mécanisme, au moment T3 correspondant à la libération et mise à poste par le mécanisme et au moment T4 correspondant aux instants après la fin de mise à poste. La courbe A correspond à l’évolution de pression dans la chambre de pressurisation 150 à partir de la mise à feu du générateur de gaz pyrotechnique 140. La pression augmente dans la chambre de pressurisation jusqu’à atteindre le seuil suffisant pour rompre la goupille 125. Le piston perforateur 120 débute alors sa course en direction du port de sortie 131 de la cartouche 130. La tête 122 du piston perforateur 120 arrive alors avec une vitesse importante sur l’opercule 132 tandis que la pression décroît rapidement dans la chambre de pressurisation. La courbe B montre quant à elle l’évolution de la pression dans la chambre de pressurisation du mécanisme d’actionnement de mise à poste. La pression augmente à partir du moment où la tête 120 a complètement perforé l’opercule 132 et que le gaz contenu dans la cartouche 130 commence à s’échapper par le canal de circulation de gaz 123 du piston perforateur 120. La pression augmente jusqu’à un seuil permettant l’actionnement ou la libération du mécanisme d’actionnement de mise à poste. Une fois l’actionnement ou la libération réalisé, la chambre du mécanisme s’ouvre, ce qui fait chuter rapidement la pression dans celle-ci. Le débit du gaz délivré par la cartouche de gaz sous pression peut être contrôlé en disposant un col de striction dans le canal de circulation de gaz présent dans le piston perforateur. La vidange de la cartouche de gaz sous pression peut être ainsi encore mieux maîtrisée. Le gaz contenu dans la cartouche de gaz sous pression est de préférence un gaz froid car il permet de faire chuter la pression dans le mécanisme une fois son actionnement ou sa motorisation réalisé par détente. Le gaz peut être notamment de l’azote. L’actionneur pneumatique selon l’invention trouve des applications particulièrement avantageuses mais non exclusives dans les mécanismes de mise à poste de satellites, en particulier lors de la libération simultanée ou séquencée d’une pluralité de satellites destinés à former une constellation. Actionneur pneumatique (100) comprenant : - une cartouche (130) renfermant un gaz sous pression (G), la cartouche comprenant un port de sortie (131) obturé par un opercule (132), - un piston perforateur (120) comprenant un corps (121) prolongé par une tête (122), le piston perforateur étant mobile entre une première position dans laquelle la tête (122) est maintenue en vis-à-vis de l’opercule (132) et une deuxième position dans laquelle la tête traverse l’opercule, le corps comprenant au moins un canal de circulation de gaz (123) comportant au moins une entrée (1230) présente au niveau de la tête (122) et une sortie (1232) en communication avec une sortie de pression (112) de l’actionneur pneumatique destinée à être reliée à un dispositif d’actionnement, et - un générateur de gaz pyrotechnique (140) apte à déplacer le piston perforateur (120) de la première position à la deuxième position. Actionneur selon la revendication 1, dans lequel le piston perforateur (120) est maintenu dans la première position par une goupille sécable (125). Actionneur selon la revendication 1 ou 2, comprenant en outre une chambre de pressurisation étanche (150) présente en aval de la tête (122), le générateur de gaz pyrotechnique (140) étant relié à la chambre de pressurisation. Actionneur selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la cartouche (130) renferme un gaz froid. Actionneur selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le canal de circulation de gaz comporte un col de striction présent en amont de la sortie du canal. Chargement comprenant au moins un satellite relié à une structure porteuse par un dispositif de déverrouillage à déclenchement comprenant un actionneur pneumatique selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, la sortie de pression de l’actionneur étant reliée au dispositif de déverrouillage. Chargement comprenant au moins une grappe de satellites maintenue sur une structure porteuse, chaque satellite d’une grappe étant relié à la structure porteuse par un dispositif de déverrouillage à déclenchement comprenant un actionneur selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, la sortie de pression de l’actionneur étant reliée au dispositif de verrouillage. Satellite comprenant au moins un équipement à déployer, un dispositif de déploiement dudit au moins un équipement et un actionneur selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, la sortie de pression de l’actionneur étant reliée au dispositif de déploiement.