Brevet FR3127997A1 — publié le 20230414

L’invention propose un kit d’amortissement vibratoire (40) pour un équipement (12) fixé à une structure (22) susceptible d’être soumise à des vibrations, ledit équipement (12) étant fixé à ladite structure (22) par l’intermédiaire d’un support (24) comportant au moins une cavité (30), Caractérisé en ce qu’il comporte : un milieu granulaire (46) non structuré apte à remplir la cavité (30) et composé de grains (46) en quantité déterminée, et au moins un moyen (44) de fermeture de la cavité et de mise sous une précontrainte déterminée dudit milieu granulaire (46). Figure pour l'abrégé : Figure 5 Kit d’amortissement vibratoire granulaire équipant un support d’un équipement Domaine technique de l'invention L’invention concerne un kit d’amortissement vibratoire permettant d’équiper un support de montage d’un équipement sur une structure susceptible d’être soumise à des vibrations ou à des chocs, ladite structure étant une structure de véhicule terrestre, maritime, aérien ou spatial, dans le but d’amortir les vibrations auxquelles l’équipement peut être soumis. Arrière-plan technique L’amortissement vibratoire des équipements, fragiles ou sensibles aux vibrations est une pratique courante dans les véhicules, qu’il s’agisse de véhicules terrestres, maritimes, aériens, ou spatiaux. Selon le type de véhicule considéré, les équipements peuvent être soumis à différents types de chocs et de fréquences vibratoires, issues de sources internes ou externes au véhicule. Par exemple, il est notoire que les équipements d’un véhicule terrestre sont soumis d’une part à des vibrations provoquées par les éléments tournants du groupe motopropulseur du véhicule et par sa transmission, mais aussi à des vibrations et à des chocs causés par les éléments de sa liaison au sol, en interaction avec son environnement. Les équipements des véhicules maritimes sont, quant à eux, plus sujets à des vibrations provoquées par les éléments tournants de son groupe motopropulseur et par les chocs causés par son environnement ou le déplacement de sa cargaison. Les équipements des véhicules aériens ou aéronefs sont également sujets aux vibrations provoquées par les éléments de son groupe motopropulseur ou de ses groupes motopropulseurs, qu’il s’agisse de vibrations causées par des éléments tournants ou non, mais également aux vibrations provoquées par les interactions aérodynamiques avec leur environnement. Les chocs transmis par les systèmes d’atterrissage de ces véhicules aériens ou aéronefs lors des phases d’atterrissage ou ce décollage sont également à prendre en compte. De même pour les véhicules spatiaux, des vibrations peuvent notamment trouver leur source dans le système de propulsion du lanceur de ces véhicules, notamment sous la forme d’oscillations hautes fréquences issues de la poussée des moteurs et d’ondes acoustiques générées par le jet des moteurs sur le pas de tir, ou encore dans les phénomènes transitoires basses fréquences rencontrés au cours des manœuvres atmosphériques. Les chocs, quant à eux, trouvent le plus souvent leur source dans la séparation des étages du lanceur de ces véhicules. Les véhicules spatiaux comportent en particulier des équipements mécaniques et/ou électroniques, qui du fait de leur conception spécifique pour un usage spatial, doivent être les plus légers possibles et sont donc à ce titre particulièrement fragiles. Leur résistance à des sollicitations vibratoires est donc moindre que pour d’autres types de véhicules. Dans le cas par exemple d’un satellite de conception moderne, celui-ci peut comporter un ou plusieurs moteurs ioniques ou plasmiques, ces moteurs, aussi appelés moteurs à plasma stationnaire ou moteurs à effet Hall, pouvant être sujets aux sources de vibrations mentionnées précédemment. De manière connue, le fonctionnement d’un tel moteur est basé sur un principe consistant à ioniser un gaz neutre tel que par exemple du Xénon, du Krypton, du Bismuth, de l’Argon, de l’Iode, du Magnésium, ou du Zinc. Les ions ainsi obtenus sont accélérés par un champ électrique axial, ce qui fournit l’impulsion nécessaire à la propulsion. En pratique, un tel moteur comporte un bloc anode, comportant un canal creux annulaire comportant une anode creuse par laquelle le gaz rare peut être injecté, et des bobinages annulaires entourant la sortie de ce canal annulaire, ainsi qu’un bloc cathode comportant un support de cathode et une cathode extérieure placée en sortie du moteur à proximité de la sortie du canal annulaire. Le bloc cathode et le bloc anode ensemble forment le moteur et sont fixés à une interface satellite. Le gaz neutre est injecté au travers de l’anode creuse annulaire, puis est acheminé au travers de la sortie du canal annulaire vers une zone de décharge qui est placée à proximité de l’ouverture extérieure du propulseur. En sortie du propulseur, la cathode extérieure délivre des électrons, qui sont attirés par l’anode vers la sortie du canal annulaire ce qui a pour effet d’ioniser le gaz rare, dont les ions sont alors accélérés sous l’effet d’un fort champ électrique, ce qui fournit une poussée. La cathode neutralise le gaz ionisé et assure une charge nulle de plasma en sortie du moteur. Le positionnement de la cathode par rapport à la sortie du bloc anode est donc prédominant pour assurer un bon fonctionnement de celui-ci. La cathode est généralement montée en porte-à-faux sur son support qui est lui-même fixé au bloc anode et elle s’étend au droit de la sortie du moteur. On comprend donc que les vibrations peuvent être transmises par l’interface satellite au bloc anode et de là, au support de la cathode et à la cathode. Le support par ailleurs, peut porter d’autres équipements, tels qu’un contrôleur de débit. La cathode comporte des pièces fragiles au sens mécanique, notamment un cristal émetteur. Par ailleurs, la cathode et le contrôleur de débit comportent des structures formées de pièces métalliques qui sont susceptibles de développer des fissures sous l’effet des sollicitations dynamiques intenses auxquelles elles sont soumises. Les vibrations et les chocs surviennent essentiellement avant le décollage au sol et lors de la traversée de l’atmosphère. Il est donc essentiel de limiter l’amplitude des chocs et vibrations auxquelles sont soumis ces équipements, en limitant les possibilités de transfert des chocs et vibrations du satellite vers ces derniers. Pour limiter les vibrations ou les chocs auquel sont soumis le support de cathode, la cathode, et les différents équipements susceptibles d’y être fixés, il est donc nécessaire de limiter la transmission de ces chocs ou vibrations au support. Différentes solutions sont connues de l’état de la technique pour assurer la limitation de cette transmission. Une première solution consiste à assurer une isolation mécanique entre le support et la structure sur laquelle il est fixé, c’est-à-dire dans le cas présent le bloc anode, ou entre l’équipement et le support, en utilisant par exemple un moyen de suspension flexible. Cette solution technique fonctionne au-delà d’une certaine fréquence de vibrations, mais présente toutefois certains inconvénients. En particulier, le passage en résonance du système complet, comprenant la structure, le support, et le ou les équipements, peut conduire à des déplacements importants de ces derniers alors même que la raideur de la suspension est faible. De ce fait, l’équipement et/ou le support étant isolés de la structure, ils sont à même de rentrer en résonance selon des modes propres qui peuvent, dans certaines conditions, être couplés avec ceux de la structure, causant ainsi des interférences mécaniques préjudiciables à la solidité de l’assemblage. En outre, il existe un risque élevé de transmission de vibrations pour les modes propres de résonance du moyen de suspension en lui-même. Les solutions d’isolation vibratoire basées sur un élément souple conduisent par ailleurs à un positionnement statique de la cathode. La mise en œuvre de cette première solution à l’aide de matériaux à base d’élastomères est en tout état de cause peu adaptée à une utilisation dans le domaine spatial, et notamment pour une application sur des moteurs plasmiques, car aux classiques exigences de stabilité dans le temps et de dégazage se rajoute en effet, pour ces moteurs comme pour leur liaison à leurs interfaces satellite, l’exposition à des niveaux de température très importants, généralement supérieures à 350°C, pour lesquels l’utilisation de plots élastomères est difficilement envisageable. La mise en œuvre de cette première solution à l’aide de d’autres matériaux satisfaisant aux critères de tenue en température, comme par exemple des rondelles en fil de fer tressé, qui présentent l’avantage de ne pas dégazer à hautes températures, n’est pas non plus adaptée car les exigences d’intégration sur satellite conduisent à prohiber les fréquences propres inférieures à 200Hz, ce qui conduit de facto à exclure de telles rondelles dont les fréquences propres peuvent être inférieures à 200Hz. Une seconde solution consiste à assurer un amortissement du support porteur de l’équipement. Cet amortissement peut en premier lieu consister en un amortissement pur. Cette solution consiste en l’ajout de masses au support, liées à celui-ci. Cette solution ne permet qu’un gain d’amortissement limité, de l’ordre de 5 %, tout en augmentant la masse du support, ce qui dans le cadre d’applications aéronautiques ou spatiales n’est pas souhaité. Cet amortissement peut en second lieu consister en un absorbeur dynamique, également connu sous l’acronyme anglo-saxon de « Tuned Mass Damper » (TMD) composé d'une masse, d'un ressort et d'un dissipateur attaché à une structure afin de réduire la réponse dynamique de la structure à une fréquence donnée. Le dimensionnement de la masse et de la raideur du ressort permet d’accorder la fréquence du TMD à une fréquence particulière de la structure afin que, lorsque cette fréquence est excitée, le TMD entre en résonance, captant ainsi l’essentiel de l’énergie vibratoire à son profit, au détriment de la structure à protéger. In fine, l'énergie vibratoire du TMD est amortie par son dissipateur. Cette solution est limitée à l’amortissement d’une fréquence bien déterminée, et nécessite de multiplier le nombre d’amortisseurs dynamiques si plusieurs fréquences particulières sont à traiter. Cette solution technique est en tout cas peu adaptée à des applications spatiales telles que des applications satellitaires, les satellites étant soumis, que ce soit au cours du fonctionnement au sol du moteur ou de la phase de décollage / traversée atmosphérique du lanceur, à des vibrations couvrant une large gamme de fréquences et le poids étant un critère interdisant la multiplication de tels dispositifs. L’invention remédie à ces inconvénients en proposant une solution d’amortissement compacte et intégrée au support. Dans ce but, l’invention propose un kit d’amortissement vibratoire pour un équipement fixé à une structure susceptible d’être soumise à des vibrations et des chocs, ledit équipement étant fixé à ladite structure par l’intermédiaire d’un support comportant au moins une cavité, caractérisé en ce qu’il comporte : un milieu granulaire non structuré apte à remplir la cavité et composé de grains en quantité déterminée, et au moins un moyen de fermeture de la cavité et de mise sous une précontrainte déterminée dudit milieu granulaire. L’invention permet donc d’équiper un support existant d’une solution d’amortissement intégrée qui ne modifie pas l’encombrement général du support. La solution d’amortissement étant très compacte, elle permet aussi d’envisager la conception d‘un support spécifique dédié à son intégration, sans augmentation significative de l’encombrement du support spécifique par rapport à un support conventionnel, La solution d’amortissement de l’invention combine à la fois dissipation d’énergie par inélasticité et friction entre les grains du milieu granulaire ainsi que par micro-glissement entre les éléments d’un assemblage mécanique constituant une cavité. Selon d’autres caractéristiques du kit d’amortissement : - les grains dudit milieu granulaire sont de forme convexe arrondie, sphérique ou ovoïde, de plus petite dimension supérieure à 0.1 mm et de plus grande dimension inférieure ou égale au tiers de la plus petite dimension de la cavité, - les grains dudit milieu granulaire sont réalisés dans au moins un matériau dont la masse volumique est inférieure ou égale à celle du ou des matériaux du support, - les grains dudit milieu granulaire sont réalisés dans au moins un matériau dont des rigidité, dureté, longévité, point de fusion et tenue mécanique en température sont supérieures ou égales à des rigidité, dureté, longévité, point de fusion et tenue mécanique en température du ou des matériaux du support, - les grains dudit milieu granulaire présentent une rugosité de surface associée à un coefficient de friction statique supérieur à 0.1, - la précontrainte déterminée est calibrée pour maintenir le milieu granulaire à une compacité comprise entre une fraction volumique de 40% qui est une valeur correspondant à un empilement aléatoire lâche et une fraction volumique de 65% qui est une valeur correspondant à un empilement aléatoire compact, - le moyen de fermeture de la cavité et de mise sous précontrainte dudit milieu comporte au moins une paroi flexible à serrage réglable, ledit serrage permettant d’exercer ladite précontrainte déterminée sur ledit milieu granulaire, - la précontrainte déterminée est calibrée pour maintenir le milieu granulaire formé de grains sphériques à une compacité de fraction volumique de valeur d’emballage aléatoire en vrac RLP de 55% et de valeur d’emballage compact aléatoire RCP de 64%, - les grains dudit milieu granulaire comportent des billes d’acier de 2 mm de diamètre et/ou des billes de verres de 1 à 2 mm de diamètre, - les grains dudit milieu granulaire comportent des billes d’acier de rugosité de surface Ra supérieure ou égale à 25 μm. L’invention propose également un support amorti destiné à recevoir un équipement et à être fixé sur une structure, ledit support comportant au moins une cavité qui est formée dans son épaisseur et qui débouche par au moins une ouverture dans une face libre, caractérisé en ce qu’il comporte au moins un kit d’amortissement du type décrit précédemment dont ladite au moins une paroi flexible à serrage réglable est appliquée sur la face libre et ferme l’ouverture de la cavité. Selon une autre caractéristique du support, celui-ci est destiné à la fixation d’au moins un équipement de type cathode ou contrôleur de débit sur une structure porteuse d’anode d’un moteur plasmique de véhicule spatial, ledit support comportant une platine de fixation dudit équipement à partir de laquelle s’étendent deux bras de fixation à la structure porteuse, chaque bras étant muni dans son épaisseur d’une cavité traversante débouchant par deux ouvertures opposées dans deux faces libres et opposées dudit bras, caractérisé en ce qu’il est un support amorti du type décrit précédemment, comportant deux kits dont chacun est associé à une des cavités traversantes et comporte deux parois flexibles à serrage réglable chacune appliquée sur une des deux faces libres et qui ferment la cavité traversante correspondante. L’invention concerne aussi un véhicule spatial comportant un moteur plasmique comportant une structure porteuse d’anode et au moins un équipement de type cathode ou contrôleur de débit, caractérisé en ce que ledit équipement est fixé à ladite structure par l’intermédiaire d’un support amorti du type susmentionné. Selon une autre caractéristique du support, celui-ci est destiné à la fixation d’au moins un équipement de type bloc anode d’un moteur plasmique de véhicule spatial sur une structure d’interface satellite, et consiste en au moins un pied interposé entre le bloc anode et la structure d’interface satellite, ce pied étant muni dans son épaisseur d’une cavité traversante débouchant par deux ouvertures opposées dans deux faces libres et opposées dudit pied, caractérisé en ce qu’il est un support amorti du type décrit précédemment, comportant un kit associé à la cavité traversante et comporte deux parois flexibles à serrage réglable chacune appliquée sur une des deux faces libres et qui ferment ladite cavité traversante. L’invention concerne enfin un véhicule spatial comportant un moteur plasmique comportant une structure d’interface satellite et au moins un équipement de type structure d’anode, caractérisé en ce que ledit équipement est fixé à ladite structure par l’intermédiaire d’un support amorti du type susmentionné. Description des figures D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront au cours de la lecture de la description détaillée qui va suivre pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels : La est un schéma de principe d’un moteur plasmique de satellite spatial ; La est une vue du moteur de la ; La est une vue d’un support du moteur spatial permettant le montage d’un équipement sur un châssis de ce moteur ; La est une vue en coupe d’un kit d’amortissement selon un principe général de l’invention ; La est une vue d’un côté du support de la en cours d’équipement avec un kit d’amortissement adapté à ce support. La est une vue du côté opposé du support de la en cours d’équipement avec le kit d’amortissement de la . La est une vue schématique en coupe d’un bras du support de la équipé avec le kit d’amortissement de la . Kit d’amortissement vibratoire (40) pour un équipement (12) fixé à une structure (22) susceptible d’être soumise à des vibrations et des chocs, ledit équipement (12) étant fixé à ladite structure (22) par l’intermédiaire d’un support (24) comportant au moins une cavité (30), Caractérisé en ce qu’il comporte : un milieu granulaire (42) non structuré apte à remplir la cavité (30) et composé de grains (46) en quantité déterminée, et au moins un moyen (44) de fermeture de la cavité et de mise sous une précontrainte déterminée dudit milieu granulaire (46). Kit (40) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les grains (46) dudit milieu granulaire (42) sont de forme convexe arrondie, sphérique ou ovoïde, de plus petite dimension supérieure à 0.1 mm et de plus grande dimension inférieure ou égale au tiers de la plus petite dimension de la cavité. Kit (40) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les grains (46) dudit milieu granulaire (42) sont réalisés dans au moins un matériau dont une masse volumique est inférieure ou égale à une masse volumique d’au moins un matériau du support (24). Kit (40) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les grains (46) dudit milieu granulaire (42) sont réalisés dans un matériau dont des rigidité, dureté, longévité, point de fusion et tenue mécanique en température sont supérieures ou égales à des rigidité, dureté, longévité, point de fusion et tenue mécanique en température d’au moins un matériau du support (24). Kit (40) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les grains (46) dudit milieu granulaire (42) présentent une rugosité de surface associée à un coefficient de friction statique supérieur à 0.1. Kit (40) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la précontrainte déterminée est calibrée pour maintenir le milieu granulaire (42) à une compacité comprise entre une fraction volumique de 40% qui est une valeur correspondant à un empilement aléatoire lâche (RLP) et une fraction volumique de 65% qui est une valeur correspondant à un empilement aléatoire compact (RCP). Kit (40) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moyen (44) de fermeture de la cavité et de mise sous précontrainte dudit milieu comporte au moins une paroi flexible à serrage réglable, ledit serrage permettant d’exercer ladite précontrainte déterminée sur ledit milieu granulaire (42). Support amorti (24) destiné à recevoir un équipement (12) et à être fixé sur une structure (22), ledit support (24) comportant au moins une cavité (30) qui est formée dans son épaisseur et qui débouche par au moins une ouverture (32) dans une face libre (36, 38), caractérisé en ce qu’il comporte au moins un kit d’amortissement selon la revendication 7 dont ladite au moins une paroi flexible 40) à serrage réglable est appliquée sur la face libre (36, 38) et ferme l’ouverture (32, 34) de la cavité (30). Support amorti (24) pour la fixation d’au moins un équipement de type cathode (12) ou contrôleur de débit sur une structure porteuse d’anode (16) d’un moteur plasmique (10) de véhicule spatial, ledit support (24) comportant une platine de fixation (26) dudit équipement (12) à partir de laquelle s’étendent deux bras (28) de fixation à la structure porteuse (22), chaque bras (28) étant muni dans son épaisseur d’une cavité traversante (30) débouchant par deux ouvertures opposées (32, 34) dans deux faces libres et opposées dudit bras, caractérisé en ce qu’il est un support (24) amorti selon la revendication 8, comportant deux kits (40) dont chacun est associé à une des cavités traversantes (30) et comporte deux parois flexibles (44) à serrage réglable chacune appliquée sur une des deux faces libres (36, 38), et qui ferment la cavité traversante (30) correspondante. Moteur plasmique (10) comportant une structure (22) porteuse d’anode (16) et au moins un équipement de type cathode (12) ou contrôleur de débit, caractérisé en ce que ledit équipement (12) est fixé à ladite structure (22) par l’intermédiaire d’un support amorti (24) selon la revendication 9.