Brevet FR3102022A1 — publié le 20210416

L’invention concerne une membrane (10) apte à passer d’une configuration enroulée autour d’un premier axe Z à une configuration déployée selon un deuxième axe X sensiblement perpendiculaire au premier axe Z, caractérisée en ce qu’elle comprend : un substrat (11) comprenant des pistes (12) électriquement isolantes, préférentiellement en polymère thermoplastique et/ou en fibres de verre, et au moins une piste électriquement conductrice (13) entre les pistes électriquement isolantes (12), une pluralité de cellules solaires (14) liées mécaniquement sur une première face (15) du substrat (11), destinées à produire un courant électrique, et connectées électriquement à la au moins une piste électriquement conductrice (13). Figure pour l’abrégé: Fig. 1 Membrane multifonctions La présente invention se rapporte à une membrane multifonctions. L’invention s’applique au domaine des satellites et des équipements spatiaux, mais peut également trouver application pour des produits au sol. L’invention est décrite avec l’exemple d’une membrane pour générateur solaire spatial, mais elle s’applique aussi à tout autre type de génération électrique faisant intervenir une membrane et des cellules solaires. Un satellite est pourvu de générateurs solaires pour l’alimenter en électricité à partir de cellules solaires exposées au rayonnement solaire. Les cellules solaires sont disposées sur un substrat. L’ensemble (substrat et cellules solaires) est en configuration stockée (c’est-à-dire enroulé) lors de la phase de lancement et en configuration déployée (c’est-à-dire déroulé) en fonctionnement. Les cellules solaires étant extrêmement fragiles, la membrane doit assurer plusieurs fonctions. Tout d’abord, le substrat assure une fonction mécanique. En configuration stockée, il faut maintenir et positionner les cellules de manière prédéfinie afin de garantir l’entraxe inter-spires et assurer un calage évitant les chocs ou les mouvements des cellules les unes par rapport aux autres. Il est aussi nécessaire de reprendre les charges appliquées sur l’ensemble du substrat et des cellules solaires lors du lancement. En configuration déployée, il faut également maintenir et positionner les cellules de manière prédéfinie, notamment pour avoir une planéité de la surface déployée. Pour des raisons d’encombrement, il est important de garantir un diamètre minimum d’enroulement. Enfin, il ne faut pas perturber la fréquence de l’aile complète. Autrement dit, il faut garantir une bonne raideur dans le plan. Une autre fonction à assurer par la membrane est la fonction électrique. Il faut assurer les connexions entre les cellules solaires puis vers la base du générateur solaire. L’ensemble doit être compatible avec les micrométéorites pour éviter des arcs électriques en cas de perforation du substrat par une petite météorite. Les charges électrostatiques qui causent des claquages électriques doivent être évitées. Une dernière fonction que la membrane doit assurer est la fonction thermique afin d’assurer une bonne régulation thermique des cellules et être compatible avec l’ombrage partiel source de gradients de températures très importants (entre – 100 et + 100°C, voire - 200 et + 200 °C). Des solutions existantes proposent des membranes avec une seule fonction. Il existe notamment une solution d’une membrane basée sur un filet mécanique sur lequel les cellules solaires sont positionnées. Le retour électrique à la base du générateur solaire se fait au moyen d’un réseau électrique spécifique additionnel (par un toron de câbles ou via des cartes électroniques). L’invention vise à pallier tout ou partie des problèmes cités plus haut en proposant une membrane multifonctions avec un substrat permettant d’assurer les fonctions mécanique, électrique et thermique. A cet effet, l’invention a pour objet une membrane apte à passer d’une configuration enroulée autour d’un premier axe Z à une configuration déployée selon un deuxième axe X sensiblement perpendiculaire au premier axe Z, comprenant un substrat comprenant des pistes électriquement isolantes, préférentiellement en polymère thermoplastique et/ou en fibres de verre, et au moins une piste électriquement conductrice entre les pistes électriquement isolantes, une pluralité de cellules solaires liées mécaniquement sur une première face du substrat, destinées à produire un courant électrique, et connectées électriquement à la au moins une piste électriquement conductrice. Avantageusement, le substrat est ajouré. Avantageusement, le polymère thermoplastique des pistes électriquement isolantes est un polymère de la famille des polymères polyaryléthercétones, préférentiellement un polymère du type polyétheréthercétone, et/ou les fibres de verre comprennent du verre, du kevlar, du quartz et/ou une résine électriquement isolante. Dans un mode de réalisation, la pluralité de cellules solaires est répartie en groupes de cellules solaires, la membrane comprenant au moins une borne négative s’étendant le long du substrat, au moins une borne positive positionnée à une base du substrat et regroupant plusieurs groupes de cellules solaires et connectée électriquement à au moins une piste électriquement conductrice, au moins une piste d’interconnexion connectant en série les cellules solaires d’un même groupe à la au moins une borne négative, au moins une barre omnibus connectant les cellules solaires dudit même groupe à la au moins une piste électriquement conductrice. Avantageusement, la membrane comprend au moins un composant amortisseur positionné sur une deuxième face du substrat opposée à la première face du substrat. Avantageusement, le substrat comprend au moins un renfort longitudinal. Avantageusement, la membrane comprend au moins un fourreau transversal destiné à accueillir au moins une latte. L’invention concerne aussi une structure déployable comprenant au moins deux mètre-rubans, chacun étant apte à passer d’une configuration enroulée autour du premier axe Z à une configuration déployée selon le deuxième axe X sensiblement perpendiculaire au premier axe Z et une membrane s’étendant entre les au moins deux mètre-rubans. Avantageusement, la structure déployable comprend au moins une liaison adhérente réversible entre les au moins deux mètre-rubans et la membrane. L’invention concerne aussi un satellite comprenant au moins une telle structure déployable. L’invention sera mieux comprise et d’autres avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée d’un mode de réalisation donné à titre d’exemple, description illustrée par le dessin joint dans lequel : La figure 1 représente une structure déployable avec une membrane multifonctions selon l’invention ; La figure 2 représente une portion de la membrane selon l’invention ; La figure 3 représente un premier mode de réalisation de la membrane selon l’invention; La figure 4 représente un deuxième mode de réalisation de la membrane selon l’invention; La figure 5 représente un troisième mode de réalisation de la membrane selon l’invention ; La figure 6 représente une variante de connexion des cellules solaires de la membrane selon l’invention; La figure 7 représente une autre variante de connexion des cellules solaires de la membrane selon l’invention; La figure 8 représente un satellite équipé d’au moins une structure déployable avec membrane multifonctions selon l’invention. Par souci de clarté, les mêmes éléments porteront les mêmes repères dans les différentes figures. Dans cette demande, l’invention est présentée avec l’exemple non limitatif d’une structure déployable destinée à un satellite. Néanmoins, l’invention ne s’applique pas uniquement à un équipement spatial, mais elle peut s’appliquer à toute membrane avec des cellules solaires. La figure 1 représente une structure déployable 20 avec une membrane multifonctions 10 selon l’invention. La membrane 10 selon l’invention est apte à passer d’une configuration enroulée autour d’un premier axe Z à une configuration déployée selon un deuxième axe X sensiblement perpendiculaire au premier axe Z. Selon l’invention, la membrane 10 comprend un substrat 11 comprenant des pistes électriquement isolantes 12 (sous forme de fils ou de bandes), préférentiellement comprenant au moins un polymère thermoplastique et/ou des fibres de verre, et au moins une piste électriquement conductrice 13 (sous forme de fils ou de bandes) entre les pistes électriquement isolantes 12. La membrane 10 comprend une pluralité de cellules solaires 14 liées mécaniquement sur une première face 15 du substrat 11, destinées à produire un courant électrique quand elles sont soumises à un rayonnement solaire, et connectées électriquement à la au moins une piste électriquement conductrice 13. La membrane 10 est une membrane mécanique (tissée ou sous forme de film) intégrant le réseau électrique. Les cellules solaires 14 sont fixées mécaniquement (par exemple par collage) sur le substrat 11. Lorsque les pistes électriquement isolantes 12 sont des fibres en polymère thermoplastique, le substrat a un coefficient de dilatation thermique (aussi connu sous l’abréviation CTE de son acronyme anglo-saxon Coefficient of Thermal Expansion) faible, afin de garder une bonne planéité pendant les excursions thermiques pour ne pas contraindre les cellules 14 qui sont faites de verre à coefficient de dilatation thermique faible. Il en résulte que la membrane est multifonctions : elle assure les fonctions mécaniques, électrique et thermique grâce à son substrat 11 qui supporte mécaniquement les cellules solaires 14 et qui intègre le réseau électrique, tout en assurant une bonne régulation thermique, la chaleur issue des cellules 14 pouvant s’évacuer par la face arrière des cellules via le substrat. Avantageusement, les cellules solaires 14 sont positionnées sur la première face 15 du substrat 11. Les cellules solaires 14 (toutes ou une partie) peuvent être collées par points de colle sur la première face 15 du substrat 11. L’invention concerne aussi une structure déployable 20, comme représenté sur la figure 1, comprenant au moins deux mètre-rubans 21, chacun des mètre-rubans étant apte à passer d’une configuration enroulée autour du premier axe Z à une configuration déployée selon le deuxième axe X sensiblement perpendiculaire au premier axe Z et une membrane 10 s’étendant entre les au moins deux mètre-rubans 21. Avantageusement, la structure déployable 20 peut comprendre au moins une liaison adhérente réversible 22 entre les au moins deux mètre-rubans 21 et la membrane 10. La liaison adhérente réversible 22 peut être une liaison de type Velcro ou un ensemble de plots, par exemple des protubérances sur les mètre-rubans et des boucles de fil sur la membrane (ou inversement). Cette liaison 22 permet un meilleur maintien de la membrane 10 sur les mètre-rubans 21. La figure 2 représente une portion de la membrane 10 selon l’invention. Les cellules solaires 14 sont fixées sur le substrat 11. Un agrandissement du substrat est schématiquement représenté sur la partie droite de la figure, afin de mieux visualiser la structure interne du substrat. Le substrat 11 comprend des pistes électriquement isolantes 12 (sous forme de fils ou bandes) ou fibres 12 comprenant au moins un isolant électrique, par exemple un polymère thermoplastique, et au moins une piste (par exemple des fils ou bandes métalliques) électriquement conductrice 13 entre les fibres. Sur la figure 2, les pistes électriquement isolantes 12 s’étendent selon un maillage à deux axes : l’un parallèle au premier axe Z et l’autre parallèle au deuxième axe X. Toutefois, l’invention s’applique à d’autres type de maillages, pas nécessairement d’axes perpendiculaires entre eux. Sur la figure 2, on voit une alternance entre une piste 13 et une piste 12. Cette alternance n’est pas obligatoire, et l’invention s’applique à d’autres types d’alternance, par exemple deux pistes 12 et une piste 13, ou trois pistes 12 et une piste 13, ou toute autre combinaison possible, pas obligatoirement régulière dans leur répétition. Par ailleurs, l’alternance entre les pistes 12 et les pistes 13 est schématisée dans un plan, mais l’alternance entre les pistes 12 et au moins une piste 13 peut également se faire dans un plan selon l’épaisseur du substrat. En d’autres termes, le substrat 11 selon l’invention repose sur une alternance, régulière ou irrégulière, de pistes structurales non conductrices et de piste(s) conductrice(s) dans le substrat 11 support des cellules solaires 14. Dans un mode de réalisation, les pistes 12 et les pistes 13 peuvent être assemblées sous forme de type tricot ou tissage. Autrement dit, le substrat 11 est formé, au moins partiellement, par un motif selon lequel une piste 13 va, par exemple, passer sur une première piste 12 puis sous une deuxième piste 12, puis sur une troisième piste 12. Toutes les alternances et tous les croisements possibles de pistes 12, 13 sont envisageables. Il en résulte une structure de substrat 11 de type tricot ou tissé. Avantageusement, au moins un polymère des pistes 12 est un polymère de la famille des polymères polyaryléthercétones (PAEK), préférentiellement un polymère du type polyétheréthercétone (PEEK). Les polyaryléthercétones sont une famille de polymères thermoplastiques techniques à propriétés thermomécaniques élevées. Le polyétheréthercétone est très thermostable. Les pistes 12 peuvent également être composées de fils de verre, kevlar, Quartz ou d’une résine de préférence isolante électriquement. Les pistes 13 peuvent être en cuivre ou en aluminium. Autrement dit, les pistes 13 s’intègrent entre les fibres de polymère. Le substrat 11 forme ainsi une grille qui remplit la fonction mécanique de tenue, de transformation électrique via les cellules solaires 14 et les connexions détaillées ci-après, et de régulation thermique. Alternativement, les pistes 12 peuvent être en polyimide, polymère à base d’imide, thermostable dans une large plage de température (par exemple - 200 à + 200°C) compatible avec l’utilisation dans le domaine spatial. Il peut s’agir par exemple du Kapton (film de polyimide). Pour obtenir un tel substrat 11, il est possible de procéder de différentes manières. On peut thermosouder les éléments entre eux pour les mettre dans leur position d’utilisation. On peut disposer des pistes 13 entre deux films de polymère et effectuer un collage à chaud. Il est également possible de disposer les pistes 12 et les pistes 13 sous forme de maillage, tel un tricot, et agglomérer les pièces par chauffage. Il est également possible d’imprégner les pistes 12 et les pistes 13 dans une résine adaptée. La figure 3 représente un premier mode de réalisation de la membrane 10 selon l’invention. Dans ce mode de réalisation, le substrat est plein. Ce substrat plein permet d’avoir une surface homogène de collage pour un bon échange thermique. La figure 4 représente un deuxième mode de réalisation de la membrane 10 selon l’invention. Dans ce mode de réalisation, le substrat est ajouré. Ce substrat ajouré permet un échange thermique direct entre la face arrière des cellules solaires 14 et l’espace froid. Les cellules solaires 14 sont collées au niveau des croisements des pistes 12 pour assurer une bonne fixation des cellules 14 sur le substrat 11. On peut également ajouter que le substrat 11 de l’invention peut être partiellement ajouré, c’est-à-dire ajouré sur une portion et plein sur une autre portion. En outre, le substrat 11 peut comprendre au moins un renfort longitudinal 33, par exemple le long de l’axe X représenté sur la figure 1. Un tel renfort longitudinal 33 permet de garantir un diamètre d’enroulement minimum. La membrane 10 peut comprendre au moins un fourreau transversal 34 destiné à accueillir au moins une latte, afin d’augmenter la rigidité de la membrane. Ce fourreau transversal 34 peut venir indépendamment ou en complément du renfort longitudinal 33. La figure 5 représente un troisième mode de réalisation de la membrane 10 selon l’invention. Dans ce mode de réalisation, la membrane 10 comprend au moins un composant amortisseur 31 (par exemple un plot, une bande ou un picot) positionné sur une deuxième face 32 du substrat 11 opposée à la première face 15 du substrat 11. Le composant amortisseur 31 permet de préserver les cellules solaires 14 en configuration enroulée (autour d’un mandrin 40). Sur la figure 5, la référence 42 représente l’entraxe du substrat, c’est-à-dire l’espacement entre deux couches du substrat enroulé. Grâce à la présence du composant amortisseur 31, un espace 41 minimum est assuré pour éviter aux cellules 14 de s’entrechoquer. La figure 6 représente une variante de connexion des cellules solaires 14 de la membrane 10 selon l’invention. La pluralité de cellules solaires 14 est répartie en groupes 16 de cellules solaires. La membrane 10 comprend au moins une borne négative 17 s’étendant le long du substrat 11, au moins une borne positive 18 positionnée à une base du substrat 11 et connectée électriquement à au moins une piste électriquement conductrice 13. Plus précisément, au moins une borne positive 18 est connectée électriquement à la piste 13 s’il n’y a qu’une piste 13 ; et s’il y a plusieurs pistes 13, au moins une borne 18 est connectée électriquement à au moins une parmi les pistes 13. Les bornes positives 18 regroupent plusieurs groupes 16 de cellules solaires 14, ce qui est matérialisé par A+, B+, C+ et + sur la figure 6. La membrane 10 comprend aussi au moins une piste d’interconnexion 19 connectant en série les cellules solaires 14 d’un même groupe 16 à la au moins une borne négative 17, au moins une barre omnibus 30 connectant les cellules solaires 14 dudit même groupe 16 à la au moins une piste électriquement conductrice 13. Ce type d’aménagement est compatible d’une version tissée ou tricotée, car les fils de chaîne sont parallèles. Toutefois, il est nécessaire d’ajouter les barres omnibus 30. La borne négative 17 s’étend le long du substrat. Elle peut s’étendre sur un seul côté, et/ou sur les deux côtés, et/ou de part et d’autre et/ou au milieu des groupes de cellules. Dans le cas d’un générateur solaire large, et afin de limiter les moments magnétiques, la borne négative 17 peut s’étendre le long du substrat d’un côté des cellules mais aussi entre deux groupes de cellules. Cela revient à regrouper des groupes de cellules de façon répartie sur la largeur du substrat. L’invention concerne aussi une membrane dans laquelle les bornes positives et négatives sont inversées, c’est-à-dire avec une borne positive s’étendant le long du substrat 11, et une borne négative positionnée à une base du substrat. La figure 7 représente une autre variante de connexion des cellules solaires de la membrane selon l’invention. Cette disposition est particulièrement avantageuse en cas de perforation de la membrane par une micrométéorite du fait du retour de la borne négative décalée. Si une micrométéorite devait percer le substrat 11, du fait du décalage de la borne négative, la perforation se ferait soit au niveau d’une borne positive, soit au niveau d’une borne négative. Il n’y aurait donc pas de formation d’arc électrique pouvant endommager la membrane 10. On peut noter que cela est vrai également pour la variante présentée à la figure 6. Plus précisément, il s’agit seulement de deux types de schéma de câblage, celui-ci permet de limiter les barres omnibus 30, en allant chercher directement les bornes positives des groupes de cellules 16, mais est incompatible d’une version tissée ou tricotée, car les fils de chaîne sont alors inclinés, et donc plus adaptés à un concept membrane avec circuit imprimé. De plus, un circuit fermé de grande dimension forme un moment magnétique, qui est moteur pour le satellite. Un tel moment magnétique influence la trajectoire et/ou le positionnement du satellite. Il est donc préférable de pouvoir contrôler l’éventuelle formation de moments magnétiques. Le groupe 16 de cellules solaires 14 positionné en bas de la membrane 10 (c’est-à-dire au plus proche de la base du générateur solaire) se connecte au niveau de la base et forme une petite boucle. Le groupe 16 de cellules solaires 14 positionné à l’extrémité de la membrane 10 est connecté au plus près de la borne négative. Cette configuration permet de garantir un moment magnétique le plus faible possible. Ainsi, une telle connexion électrique prévient la formation d’arcs électriques en cas de perforations de la membrane 10 par des micrométéorites, et elle limite la formation de moments magnétiques ayant un effet perturbateur sur le satellite. La figure 8 représente un satellite 60 équipé d’au moins une structure déployable 20 avec membrane 10 multifonctions selon l’invention. Membrane (10) apte à passer d’une configuration enroulée autour d’un premier axe Z à une configuration déployée selon un deuxième axe X sensiblement perpendiculaire au premier axe Z, caractérisée en ce qu’elle comprend : un substrat (11) comprenant des pistes (12) électriquement isolantes, préférentiellement en polymère thermoplastique et/ou en fibres de verre, et au moins une piste électriquement conductrice (13) entre les pistes électriquement isolantes (12), une pluralité de cellules solaires (14) liées mécaniquement sur une première face (15) du substrat (11), destinées à produire un courant électrique, et connectées électriquement à la au moins une piste électriquement conductrice (13). Membrane (10) selon la revendication 1, caractérisée en ce que le substrat (11) est ajouré. Membrane (10) selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le polymère thermoplastique des pistes électriquement isolantes (12) est un polymère de la famille des polymères polyaryléthercétones, préférentiellement un polymère du type polyétheréthercétone, et/ou en ce que les fibres de verre comprennent du verre, du kevlar, du quartz et/ou une résine électriquement isolante. Membrane (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la pluralité de cellules solaires (14) est répartie en groupes (16) de cellules solaires, en ce que la membrane (10) comprend : au moins une borne négative (17) s’étendant le long du substrat (11), au moins une borne positive (18) positionnée à une base du substrat (11) et regroupant plusieurs groupes (16) de cellules solaires et connectée électriquement à au moins une piste électriquement conductrice (13), au moins une piste d’interconnexion (19) connectant en série les cellules solaires (14) d’un même groupe (16) à la au moins une borne négative (17), au moins une barre omnibus (30) connectant les cellules solaires (14) dudit même groupe (16) à la au moins une piste électriquement conductrice (13). Membrane (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu’elle comprend au moins un composant amortisseur (31) positionné sur une deuxième face (32) du substrat (11) opposée à la première face (15) du substrat (11). Membrane (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le substrat (11) comprend au moins un renfort longitudinal (33). Membrane (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu’elle comprend au moins un fourreau transversal (34) destiné à accueillir au moins une latte. Structure déployable (20) comprenant au moins deux mètre-rubans (21), chacun étant apte à passer d’une configuration enroulée autour du premier axe Z à une configuration déployée selon le deuxième axe X sensiblement perpendiculaire au premier axe Z et une membrane (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes s’étendant entre les au moins deux mètre-rubans (21). Structure déployable (20) selon la revendication 8, caractérisée en ce qu’elle comprend au moins une liaison adhérente réversible (22) entre les au moins deux mètre-rubans (21) et la membrane (10). Satellite (60) comprenant au moins une structure déployable (20) selon la revendication 8 ou 9.