Brevet FR3129924A1 — publié le 20230609

L’invention concerne un cryostat destiné à recevoir un composant spatial fonctionnant à température cryogénique, le cryostat comprenant : une enceinte centrale (14), fermée, refroidie et configurée pour recevoir le composant spatial ; des écrans métalliques successifs (13), espacés les uns des autres, dont un écran intérieur supportant le composant spatial et délimitant l’enceinte centrale, un écran extérieur et un ou plusieurs écrans intermédiaires disposés les uns autour des autres de façon à délimiter chacun un volume fermé recevant l’écran précédent de plus petite taille ; un dispositif de refroidissement pour le refroidissement de l’enceinte centrale à température cryogénique ; des éléments extérieurs de solidarisation (20) fixés à l’écran extérieur, pour la solidarisation du cryostat à une plateforme satellite ; des éléments intérieurs de jonction entre écrans, qui maintiennent les écrans (13) espacés les uns des autres. Figure d’abrégé : fig. 2 cryostat pour un composant spatial La présente invention concerne le domaine de l’industrie spatiale, notamment des dispositifs de contrôle thermique des satellites artificiels, sondes spatiales et analogues. L’invention concerne plus particulièrement un cryostat, destiné à recevoir un composant, comme par exemple un composant optique, fonctionnant à très basse température. Le cryostat est destiné à être embarqué, avec le composant, dans un engin spatial tel qu’un satellite, par exemple un satellite scientifique d’observation de la Terre. ÉTAT DE L’ART Certains composants spatiaux, tels que les détecteurs optiques à infrarouge, doivent être mis en œuvre à des températures stabilisées très basses, dites cryogéniques, pour que leurs performances soient garanties. Pour l’imagerie infrarouge (IR), un cryostat permet par exemple un découplage des températures entre la plateforme satellite sur laquelle est fixé le cryostat et l’intérieur du cryostat dans lequel est enfermé le composant optique comprenant des capteurs IR prévus pour fonctionner à des températures cryogéniques (de l’ordre de 60K). FR2410211 divulgue un cryostat à cryogène liquide (hélium) destiné à coopérer avec un système optique, par exemple dans le cadre d’expériences d'astrophysique et de spectroscopie infra-rouge. Le cryostat comprend une cuve contenant de l'hélium liquide, suspendue à l'intérieur d'une enceinte étanche dans laquelle on a fait le vide. La cuve est munie d'un col sur lequel sont montés des échangeurs thermiques destinés à récupérer l'enthalpie du gaz cryogénique et sur lesquels sont montés à leur tour des panneaux de radiation refroidis par les échangeurs et destinés à limiter l’énergie transmise au bain d'hélium par suite du rayonnement extérieur et de la conduction thermique dans le col de la cuve et dans ses organes de suspension. Ce type de cryostat présente une architecture particulièrement complexe, composée d’un nombre important de pièces assemblées occasionnant par là-même des processus d’intégration longs et couteux, et dont l’assemblage est d’autant plus critique que le domaine spatial impose de respecter des spécifications géométriques, mécaniques et thermiques très exigeantes. En outre, ce type d’architecture limite généralement la taille et la forme des dispositifs qu’il est susceptible d’accueillir dans un espace utile de volume limité. PRESENTATION DE L’INVENTION L’invention vise à pallier au moins l’un des inconvénients précités. En particulier, un objectif de l’invention est de proposer un cryostat d’architecture simple, facile à fabriquer à un coût maîtrisé, et capable de loger des composants de formes et de tailles diverses, tout en ayant un encombrement et une masse réduits. Un autre objectif de l’invention est de fournir un cryostat capable de supporter des variations de températures entre son environnement extérieur et intérieur ainsi que des accélérations et des efforts mécaniques importants, sans que cela n’altère ses performances. Pour ce faire, l’invention propose un cryostat destiné à accueillir au moins un composant spatial fonctionnant à température cryogénique, le cryostat comprenant une enceinte centrale, fermée et refroidie, caractérisé en ce que l’enceinte centrale est configurée pour recevoir le composant spatial et en ce que le cryostat comprend : - des écrans métalliques successifs, espacés les uns des autres, dont un écran intérieur, un écran extérieur et un ou plusieurs écrans intermédiaires, l’écran intérieur supportant ledit composant spatial et délimitant l’enceinte centrale recevant ledit composant spatial, le ou les écrans intermédiaires et l’écran extérieur étant disposés les uns autour des autres de façon à délimiter chacun un volume fermé recevant l’écran précédent de plus petite taille, - un dispositif de refroidissement pour le refroidissement de l’enceinte centrale à température cryogénique, - des éléments extérieurs de solidarisation fixés à l’écran extérieur, pour la solidarisation du cryostat à une plateforme satellite, - des éléments intérieurs de jonction entre écrans, qui maintiennent lesdits écrans espacés les uns des autres. Selon une caractéristique possible, le dispositif de refroidissement comprend un ou plusieurs doigts froids pour refroidir l’enceinte centrale et, pour chacun des doigts froids, un passage transversal traversant les écrans métalliques successifs jusqu’à l’enceinte centrale pour recevoir ledit doigt froid, le ou les doigts froids n’étant pas en contact avec les écrans. Selon une caractéristique possible, les éléments intérieurs de jonction entre écrans sont disposés entre les écrans successifs et configurés pour assurer à eux seuls une tenue mécanique entre l’écran extérieur et l’écran intérieur, lesdits éléments intérieurs de jonction étant configurés pour supporter des efforts déterminés induits au moins par une masse du composant spatial et des masses des écrans. Selon une caractéristique possible, les éléments intérieurs de jonction entre écrans comprennent des tiges doubles en V entre les écrans successifs, les V étant répartis angulairement autour d’un axe principal ou d’un point central du cryostat selon au moins trois directions radiales. Selon une caractéristique possible, les éléments intérieurs de jonction entre écrans comprennent plusieurs ensembles de tiges simples, les tiges simples d’un même ensemble étant alignées selon une droite traversant les écrans, les droites de deux ensembles distincts étant non parallèles et non coplanaires entre elles. Selon une caractéristique possible, les éléments intérieurs de jonction entre écrans sont réalisés d’un seul bloc avec au moins une partie des écrans. Selon une caractéristique possible, le cryostat comprend au moins une partie monobloc comprenant une succession de cloisons dont une cloison intérieure, une cloison extérieure et une ou plusieurs cloisons intermédiaires, correspondant respectivement à une partie de l’écran intérieur, une partie de l’écran extérieur et une partie du ou des écrans intermédiaires, lesdites cloisons étant espacées les unes des autres et maintenues solidaires entre elles par au moins une partie des éléments intérieurs de jonction entre écrans. Selon une caractéristique possible, ladite partie monobloc est réalisée par fabrication additive. Selon une caractéristique possible : - le cryostat comprend une pluralité de parties monoblocs telle que précédemment définies c’est-à-dire ayant chacune une cloison intérieure, une cloison extérieure et une ou plusieurs cloisons intermédiaires, les cloisons de deux parties monoblocs distinctes parmi lesdites parties monoblocs correspondant à deux parties distinctes des écrans, - les cloisons intermédiaires ou intérieures, de deux parties monoblocs distinctes et adjacentes parmi la pluralité de parties monoblocs, qui sont dans le prolongement l’une de l’autre étant non jointives, - les cloisons extérieures, de deux parties monoblocs distinctes et adjacentes parmi la pluralité de parties monoblocs, qui sont dans le prolongement l’une de l’autre étant jointives et fixées l’une à l’autre. En d’autres termes, deux parties monoblocs qui sont adjacentes sont fixées entre elles par leurs cloisons extérieures et uniquement par celles-ci. Selon une caractéristique possible, les cloisons intermédiaires ou intérieures qui sont dans le prolongement l’une de l’autre, ont des extrémités en vis-à-vis dont au moins l’une de ces extrémités en vis-à-vis présente un décrochement de façon à former une chicane avec l’autre extrémité en vis-à-vis. Selon une caractéristique possible, les éléments extérieurs de solidarisation sont soit tous fixés sur la cloison extérieure d’une seule des parties monoblocs, soit répartis sur les cloisons extérieures de plusieurs des parties monoblocs. Selon une caractéristique possible, au moins l’une desdites parties monoblocs est une partie structurale annulaire dont chaque cloison intérieure, intermédiaire et extérieure est annulaire. Selon une caractéristique possible, chacun des écrans du cryostat est entièrement formé par l’assemblage des cloisons des parties monoblocs. En variante, le cryostat comprend au moins une partie structurale annulaire (monobloc) telle que précédemment définie et : - le cryostat comprend au moins une série de capots indépendants dont, pour chaque série, un capot intérieur, un capot extérieur et un ou plusieurs capots intermédiaires, chaque série de capots correspondant respectivement à une autre partie des écrans, les capots d’une même série étant agencés les uns dans les autres, à distance les uns des autres, sans éléments intérieurs de jonction ; en d’autres termes, contrairement aux cloisons de la partie structurale annulaire (ou plus généralement des parties monoblocs susmentionnées), les capots ne sont pas directement liés entre eux ; - chacun desdits capots venant dans le prolongement de et étant fixé à l’une des cloisons de ladite partie structurale annulaire, chacun des écrans du cryostat étant ainsi entièrement formé par au moins l’une des cloisons de la partie structurale annulaire et par l’un des capots de chaque série. A noter que, dans cette variante, le cryostat peut comprendre plusieurs parties monoblocs correspondant à différentes parties des écrans, les écrans étant intégralement formés grâce à l’adjonction d’une ou plusieurs séries de capots indépendants, correspondant respectivement à une ou plusieurs autres parties des écrans. Selon une caractéristique possible, au moins une partie de chacun des capots est pourvue d’un revêtement doré. Selon une caractéristique possible, chacun des doigts froids définis plus haut est thermiquement isolé des écrans, un revêtement thermiquement isolant étant disposé contre au moins l’un des doigts froids dans le passage transversal dudit doigt froid et/ou un revêtement thermiquement isolant en soufflet étant disposé, autour d’au moins l’un des doigts froids, dans le passage transversal dudit doigt froid et entre les écrans. L’invention s’étend à un engin spatial, par exemple un satellite, caractérisé en ce qu’il comprend un composant spatial, qui fonctionne à température cryogénique et est disposé dans un cryostat selon l’invention, le cryostat étant fixé sur une plateforme de l’engin spatial. Les concepts fondamentaux de l’invention venant d’être exposés ci-dessus dans leur forme la plus élémentaire, d’autres détails, caractéristiques et avantages ressortiront à la lecture de la description qui suit et en référence aux dessins annexés, donnant à titre d’exemples non limitatifs de réalisation d’un cryostat conforme aux principes de l’invention. BREVES DESCRIPTION DES FIGURES La est une vue schématique en perspective d’un premier exemple de cryostat selon l’invention, comprenant deux parties monoblocs. La représente le cryostat de la vu en coupe selon un plan longitudinal médian. La est une vue de face d’une partie monobloc du cryostat de la . La est une vue en perspective de la partie monobloc de la , du côté fermé. La est une autre vue en perspective de la partie monobloc de la , du côté ouvert. La est une vue en perspective, du côté fermé, de l’autre partie monobloc du cryostat de la . La est une autre vue en perspective de la partie monobloc de la , du côté ouvert. La représente les écrans du cryostat de la , vus en coupe par un plan transversal, montrant des éléments intérieurs de jonction en V. La est une coupe partielle selon un plan longitudinal A-A des écrans de la . La est une coupe partielle selon un plan longitudinal B-B des écrans de la . La est une vue schématique, en coupe, du cryostat des figures précédentes avec ses deux parties monoblocs assemblées, montrant la configuration des éléments intérieurs de jonction. La est une vue en perspective de la partie monobloc de la et d’un composant spatial fonctionnant à température cryogénique, représenté séparément et destiné à être logé dans celle-ci. La est une vue de face de la partie monobloc de la contenant le composant spatial avec, représentés séparément, des organes fonctionnels du cryostat, tels que des doigts froids. La représente un doigt froid passant à travers les écrans selon un exemple de réalisation. La représente un doigt froid passant à travers les écrans selon un autre exemple de réalisation. La représente les éléments de la assemblés, vus de face. La est une vue en perspective du cryostat de la complètement assemblé. La est une vue en perspective éclatée d’un deuxième exemple de cryostat selon l’invention, comprenant trois parties monoblocs, à savoir une partie centrale annulaire, une embase et un couvercle. La est une vue en perspective de la partie centrale annulaire et de l’embase du cryostat de la , avec un ou des détecteurs et leur appareillage (le composant spatial) fixé à l’embase. La est une vue en perspective du cryostat de la contenant le composant spatial fonctionnant à température cryogénique, avant sa fermeture par le couvercle. La est une vue de dessus du cryostat de la sans le couvercle. La montre un détail d’agencement des extrémités de cloisons formant des écrans, relatif par exemple au deuxième exemple de cryostat des figures 15 à 18. La est une vue en perspective éclatée d’un troisième exemple de cryostat selon l’invention. La est une vue en coupe par un plan longitudinal médian du cryostat de la équipé de divers organes fonctionnels et contenant un composant spatial fonctionnant à température cryogénique. La montre un détail de la , en perspective. La montre un satellite selon l’invention. Les différentes figures et les éléments d’une même figure ne sont pas nécessairement représentés à la même échelle. Par ailleurs, ses figures sont toutes schématiques, avec des degrés divers de détails. A noter enfin que, sur l’ensemble des figures, les éléments identiques ou équivalents portent la même référence numérique. Cryostat (100 ; 200) pour au moins un composant spatial (300) fonctionnant à température cryogénique, le cryostat comprenant une enceinte centrale (14 ; 114 ; 214), fermée et refroidie, caractérisé en ce que l’enceinte centrale (14 ; 114 ; 214) est configurée pour recevoir le composant spatial et en ce que le cryostat comprend : - des écrans métalliques successifs (13), espacés les uns des autres, dont un écran intérieur, un écran extérieur et un ou plusieurs écrans intermédiaires, l’écran intérieur supportant le composant spatial (300) et délimitant l’enceinte centrale (14 ; 114 ; 214) recevant ledit composant spatial, le ou les écrans intermédiaires et l’écran extérieur étant disposés les uns autour des autres de façon à délimiter chacun un volume fermé recevant l’écran précédent de plus petite taille, - un dispositif de refroidissement pour le refroidissement de l’enceinte centrale à température cryogénique, - des éléments extérieurs de solidarisation (20) fixés à l’écran extérieur, pour la solidarisation du cryostat (100 ; 200) à une plateforme satellite, - des éléments intérieurs de jonction entre écrans (30 ; 230, 230(1), 230(2), 230(3), 231), qui maintiennent lesdits écrans (13) espacés les uns des autres. Cryostat selon la revendication 1, dans lequel le dispositif de refroidissement comprend un ou plusieurs doigts froids (60 ; 260) pour refroidir l’enceinte centrale et, pour chacun des doigts froids, un passage transversal (15) traversant les écrans métalliques successifs (13) jusqu’à l’enceinte centrale (14 ; 114 ; 214) pour recevoir ledit doigt froid, le ou les doigts froids n’étant pas en contact avec les écrans. Cryostat selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les éléments intérieurs de jonction entre écrans (30 ; 230, 230(1), 230(2), 230(3), 231) sont disposés entre les écrans successifs et configurés pour assurer à eux seuls une tenue mécanique entre l’écran extérieur et l’écran intérieur, lesdits éléments intérieurs de jonction étant configurés pour supporter des efforts déterminés induits au moins par une masse du composant spatial (300) et des masses des écrans (13). Cryostat selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel les éléments intérieurs de jonction entre écrans comprennent des tiges doubles en V (30) entre les écrans successifs, les V étant répartis angulairement autour d’un axe principal (X) ou d’un point central du cryostat selon au moins trois directions radiales. Cryostat selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel les éléments intérieurs de jonction entre écrans comprennent plusieurs ensembles (230, 231) de tiges simples (230(1), 230(2), 230(3)), les tiges simples d’un même ensemble étant alignées selon une droite traversant les écrans, les droites de deux ensembles distincts (230, 231) étant non parallèles et non coplanaires entre elles. Cryostat selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel les éléments intérieurs de jonction entre écrans (30 ; 230(1), 230(2), 230(3), 231) sont réalisés d’un seul bloc avec au moins une partie des écrans (13). Cryostat selon l’une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le cryostat comprend au moins une partie monobloc (10a ; 210a) comprenant une succession de cloisons (13a ; 213a) dont une cloison intérieure (13a(1) ; 213a(1)), une cloison extérieure (13a(3) ; 213a(3)) et une ou plusieurs cloisons intermédiaires (13a(2) ; 213a(2)), correspondant respectivement à une partie de l’écran intérieur, une partie de l’écran extérieur et une partie du ou des écrans intermédiaires, lesdites cloisons étant espacées les unes des autres et maintenues solidaires entre elles par au moins une partie des éléments intérieurs de jonction entre écrans (30 ; 230, 230(1), 230(2), 230(3), 231). Cryostat selon la revendication 7, où ladite partie monobloc est réalisée par fabrication additive. Cryostat selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que : - le cryostat comprend une pluralité de parties monoblocs (10a, 10b ; 110a, 110b, 110c) ayant chacune une cloison intérieure (13a(1), 13b(1) ; 113a(1), 113b(1), 113c(1)), une cloison extérieure (13a(3), 13b(3) ; 113a(3), 113b(3)) 113c(3)) et une ou plusieurs cloisons intermédiaires (13a(2), 13b(2) ;113a(2), 113b(2)) 113c(2)), les cloisons de deux parties monoblocs distinctes parmi lesdites parties monoblocs correspondant à deux parties distinctes des écrans, - les cloisons intermédiaires (13a(2), 13b(2) ; 113b(2), 113c(2) ; 113a(2), 113b(2)) ou intérieures (13a(1), 13b(1) ; 113b(1), 113c(1) ; 113a(1), 113b(1)), de deux parties monoblocs distinctes et adjacentes (10a, 10b ; 110b, 110c ; 110a, 110b) parmi la pluralité de parties monoblocs, qui sont dans le prolongement l’une de l’autre étant non jointives, - les cloisons extérieures (13a(3), 13b(3) ; 113b(3), 113c(3) ; 113a(3), 113b(3)), de deux parties monoblocs distinctes et adjacentes parmi la pluralité de parties monoblocs, qui sont dans le prolongement l’une de l’autre étant jointives et fixées l’une à l’autre. Cryostat selon la revendication 9, dans lequel les cloisons intermédiaires (13a(2), 13b(2)) ou intérieures (13a(1), 13b(1)) qui sont dans le prolongement l’une de l’autre, ont des extrémités en vis-à-vis dont au moins l’une de ces extrémités en vis-à-vis présente un décrochement de façon à former une chicane (130c) avec l’autre extrémité en vis-à-vis. Cryostat selon l’une des revendications 7 à 10, dans lequel les éléments extérieurs de solidarisation (20) sont soit tous fixés sur la cloison extérieure d’une seule des parties monoblocs, soit répartis sur les cloisons extérieures de plusieurs des parties monoblocs. Cryostat selon l’une des revendications 7 à 11, caractérisé en ce que au moins l’une (110b ; 210a) desdites parties monoblocs est une partie structurale annulaire dont chaque cloison intérieure (113b(1) ; 213a(1)), intermédiaire (113b(2) ; 213a(2)) et extérieure (113b(3) ; 213a(3)) est annulaire. Cryostat selon l’une des revendications 7 à 12, caractérisé en ce que chacun des écrans du cryostat est entièrement formé par l’assemblage des cloisons des parties monoblocs (10a, 10b ; 110a, 110b, 110c). Cryostat selon la revendication 12, dans lequel : - le cryostat comprend au moins une série (210b, 210c) de capots indépendants dont, pour chaque série, un capot intérieur (213b(1), 213c(1)), un capot extérieur (213b(3), 213c(3)) et un ou plusieurs capots intermédiaires (213b(2), 213c(2)), chaque série de capots correspondant respectivement à une autre partie des écrans, les capots d’une même série étant agencés les uns dans les autres, à distance les uns des autres, sans éléments intérieurs de jonction, - chacun desdits capots (213b(1), 213b(2), 213b(3), 213c(1), 213c(2), 213c(3)) venant dans le prolongement de et étant fixé à l’une des cloisons (213a(1), 213a(2), 213a(3)) de ladite partie structurale annulaire (210a), chacun des écrans du cryostat étant ainsi entièrement formé par au moins l’une des cloisons de la partie structurale annulaire et par l’un des capots de chaque série. Cryostat selon la revendication 14, dans lequel au moins une partie de chacun des capots (213b(1), 213b(2), 213b(3), 213c(1), 213c(2), 213c(3)) est pourvue d’un revêtement doré. Cryostat selon l’une des revendications 2 à 15, dans lequel chacun des doigts froids (60 ; 260) est thermiquement isolé des écrans, un revêtement thermiquement isolant étant disposé contre au moins l’un des doigts froids (60) dans le passage transversal (15) dudit doigt froid, et/ou un revêtement thermiquement isolant en soufflet étant disposé autour d’au moins l’un des doigts froids (60), dans le passage transversal (15) dudit doigt froid et entre les écrans (13). Engin spatial caractérisé en ce qu’il comprend un composant spatial (300) qui fonctionne à température cryogénique et est disposé dans un cryostat selon l’une des revendications 1 à 16, le cryostat étant fixé sur une plateforme de l’engin spatial.