ES2335935T3 - Dispositivo de fijacion de un espejo vitroceramico o ceramico sobre una estructura montada a bordo de un ingenio espacial que funciona a temperatura criogenica. - Google Patents
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Abstract
Conjunto que comprende un espejo vitrocerámico o cerámico y un dispositivo de fijación del espejo sobre una estructura montada a bordo de un ingenio espacial, comprendiendo el mencionado espejo una estructura alveolar, caracterizado porque al menos un alveolo comprende un resalte de vidrio (11) que presenta una parte intermediaria en una dirección perpendicular (Dy) al plano del espejo desde la base del alveolo y una parte terminal perpendicular a la indicada parte intermediaria con el fin de constituir un resalte en forma de T, porque el indicado dispositivo de fijación comprende una pieza de sujeción (33) que sujeta la parte terminal del resalte según una dirección paralela a la parte intermediaria y medios de fijación (5) de la indicada pieza de sujeción sobre la estructura embarcada y porque comprende además patines (66) para asegurar el contacto entre la parte terminal del resalte y la pieza de sujeción, comprendiendo los patines un cabezal pivotante constituido por una primera parte (66a) en contacto con la parte terminal del resalte que presenta una superficie plana y una superficie convexa y por una segunda parte (66b) que presenta una superficie cóncava complementaria a la de la primera parte, realizando así un cabezal pivotante.
Description
Dispositivo de fijación de un espejo
vitrocerámico o cerámico sobre una estructura montada a bordo de un
ingenio espacial que funciona a temperatura criogénica.
El ámbito de la invención es el de los espejos
montados a bordo de ingenios espaciales de tipo satélite de
observación. Para este tipo de aplicación algunas misiones implican
disponer de telescopios que funcionen a temperaturas criogénicas
del orden de los 100ºK, en un campo de longitudes de onda visibles.
Las ópticas, particularmente los grandes espejos primarios, son
generalmente de vitrocerámica o cerámica y más precisamente de
Zérodur, vidrio de la Sociedad Schott que presenta el gran interés
de tener un coeficiente de dilatación térmica extremadamente
bajo.
Los espejos montados a bordo de grandes
dimensiones que pueden típicamente tratarse de estructuras con una
envergadura superior a 1 metro y un espesor del orden de algunos
centímetros, experimentan fuertes variaciones de temperatura
durante el funcionamiento operacional (en órbita) y tensiones
mecánicas muy fuertes durante la fase de lanzamiento desde la
tierra hasta su estación en el espacio. La figura 1 ilustra un
ejemplo de espejo en Zérodur 1, estructura ultra ligera del orden
de los 36 kg/m^{2} que comprende tres puntos de fijación 3
introducidos en alveolos 2 de una estructura alveolar que permite
una reducción de peso embarcado.
El espejo 1 que comprende una superficie
alveolar está generalmente fijado sobre una estructura tal como la
ilustrada en la figura 2 que comprende una estructura soporte (panel
o marco) 4 que puede particularmente ser de fibra de carbono. Puede
fijarse a ésta estructura soporte por mediación de dispositivos de
fijación 3 del espejo pudiendo ventajosamente encontrarse en número
de tres (soporte isostático) y comprendiendo medios 5 de
fijación/unión de estos mencio-
nados dispositivos sobre el panel de soporte (piezas rígidas sobre 2 ejes y flexibles en todos los demás componentes).
nados dispositivos sobre el panel de soporte (piezas rígidas sobre 2 ejes y flexibles en todos los demás componentes).
La figura 3 ilustra un dispositivo de fijación
mecánica según la técnica conocida que permite fijar el espejo al
panel de soporte. En el interior de al menos un alveolo y en este
caso tres (si el espejo está fijado en tres puntos), el dispositivo
de fijación 3 comprende una pieza cónica que ejerce una presión
sobre dos patines 6 según una dirección Dx paralela al plano del
espejo. El inconveniente de este tipo de dispositivo de fijación
reside en las tensiones ejercidas en el seno del vidrio, que son en
el caso presente, ejercidas en tracción y sobre todo ampliamente en
flexión mientras que la resistencia particularmente de la
vitrocerámica en este tipo de tensiones no es muy elevada. El
problema es tanto más crucial cuando el dispositivo de fijación
debe permitir soportar las cargas de vibración inherentes a la fase
de lanzamiento.
El documento US 5.917.644 muestra un dispositivo
de fijación de espejo utilizando tensiones de compresión.
En este contexto, la presente invención propone
un dispositivo de fijación que utiliza tensiones de tipo compresión
pura, es decir en una dirección perpendicular a la dirección Dx,
siendo la resistencia del vidrio en este tipo de tensiones bastante
mejor que la resistencia del vidrio en las tensiones de tracción o
de cizallamiento.
Más precisamente la invención tiene por objeto
un conjunto que comprende un espejo de vitrocerámica o cerámica y
un dispositivo de fijación del espejo sobre una estructura montada a
bordo de un ingenio espacial, comprendiendo el indicado espejo una
estructura alveolar, caracterizado porque al menos un alveolo que
comprende un resalte de vidrio que presenta una parte intermediaria
en una dirección perpendicular al plano del espejo desde la base
del alveolo y una parte terminal llamada talón, perpendicular a la
indicada parte intermediaria (el talón) con el fin de constituir un
resalte en forma de T, el indicado dispositivo comprende una pieza
de sujeción que aprieta la parte terminal del resalte (el talón)
según una dirección paralela a la parte intermediaria y medios de
fijación de la indicada pieza de sujeción sobre la estructura
embarcada.
Las ventajas del dispositivo según la invención
residen particularmente en el hecho de soportar las cargas de
vibración debidas al lanzamiento (a la temperatura ambiente) y
seguidamente, en funcionamiento en frío, liberar las tensiones con
el fin de limitar al máximo las deformaciones inducidas a nivel de
la superficie activa del espejo.
Según una variante de la invención, la pieza de
sujeción comprende una abertura principal de idéntica forma que el
resalte de vidrio (el bloque principal).
Según una variante de la invención, la pieza de
sujeción comprende además segundas aberturas según una dirección
paralela a la parte intermediaria del resalte, estando las indicadas
aberturas equipadas con tornillos para bloquear la pieza de
sujeción contra el resalte de vidrio.
Según la invención, el dispositivo de fijación
comprende además patines para asegurar el contacto entre la parte
terminal del resalte (el talón) y la pieza de sujeción.
Ventajosamente, puede comprender dos series de
patines en contacto con cada una de las superficies de la parte
terminal del resalte.
Según la invención, los patines comprenden una
primera parte en contacto con la parte terminal del resalte que
presenta una superficie plana y una superficie convexa y una segunda
parte que presenta una superficie cóncava complementaria con la de
la primera parte (realizando así un cabezal pivotante):
Según una variante de la invención, los patines
se realizan en un material con fuerte coeficiente de dilatación
térmica tipo aluminio.
Según una variante de la invención, la pieza de
sujeción se realiza en un material con coeficiente de dilatación
térmica muy bajo de tipo aleación de hierro níquel de tipo Invar
(Sté. Goodfellow).
Según una variante de la invención, la
superficie de los patines en contacto con la parte terminal del
resalte comprende además una capa de material blando de tipo oro
que permite mejorar el contacto con relación a los estados
superficiales y por consiguiente homogeneizar las tensiones.
Ventajosamente, la pieza de sujeción puede comprender además
células de presión entre los tornillos y los patines.
Según una variante de la invención, la pieza de
sujeción comprende además terceras aberturas según una dirección
perpendicular a la de las segundas aberturas y que pueden recibir
tornillos de retención en el montaje, en contacto con los
patines.
Según una variante de la invención, la pieza de
sujeción comprende cuatro aberturas destinadas para recibir medios
para fijar la indicada pieza de sujeción sobre la estructura
embarcada.
La invención se comprenderá mejor con la lectura
de la descripción que sigue dada a título no limitativo y gracias a
las figuras adjuntas entre las cuales:
- La figura 1 ilustra un ejemplo de espejo
espacial según la técnica conocida destinado para ser fijado sobre
una estructura embarcada;
- La figura 2 ilustra un ejemplo del conjunto
embarcado en un ingenio espacial que comprende un espejo y una
estructura de fijación, según la técnica conocida;
- La figura 3 ilustra un ejemplo de dispositivo
de fijación de espejo según la técnica conocida;
- La figura 4 ilustra un ejemplo de dispositivo
de fijación sobre un espejo según la invención;
- Las figuras 5a, 5b y 5c ilustran
respectivamente una vista en perspectiva, en sección y por encima
del ejemplo del dispositivo mostrado en la figura 4;
- Las figuras 6a y 6b ilustran dos ejemplos de
medios de fijación del dispositivo de fijación según la invención,
sobre una estructura embarcada a bordo de un ingenio espacial;
- La figura 7 ilustra una vista fragmentada de
los patines utilizados en un ejemplo de dispositivo de fijación
según la invención.
Según la invención, el espejo destinado para ser
fijado a una estructura embarcada a bordo de un ingenio espacial
comprende una estructura aligerada alveolar. La superficie
intermedia del espejo con el dispositivo de fijación está
constituida por resaltes de vidrio que comprenden cada uno una parte
intermediaria y una parte terminal en forma de talón. Las dos alas
de este talón son tomadas "con pinzas" por una pieza de
sujeción que comprende tornillos. Las fuerzas de sujeción solo
crean tensiones de compresión en el vidrio según una dirección Dy
perpendicular al talón, ilustrado en la figura 4 que muestra de
forma esquemática un resalte de vidrio 11, tomado en la pieza de
sujeción 33, que comprende tornillos de sujeción 77.
Se describirá a continuación más en detalle el
dispositivo de fijación que comprende los tornillos de sujeción 77
introducidos en la pieza de sujeción 33 e ilustrado en las figuras
5a, 5b y 5c. Más precisamente, la pieza de sujeción 33 comprende
una abertura principal 13 en la cual se puede introducir (en
deslizamiento según el eje Z) el resalte de vidrio. La misma
comprende igualmente segundas aberturas 73 según una dirección Dy
perpendicular al plano del espejo y destinadas para recibir los
tornillos de sujeción 77.
Este dispositivo de fijación comprende patines
66 destinados a asegurar el contacto entre la pieza de apriete y la
pieza de vidrio y son útiles para repartir las tensiones. Más
precisamente dos series de patines están destinados para ponerse en
contacto con las dos superficies de la parte terminal del talón.
Por otro lado, las segundas aberturas pueden
igualmente comprender células de presión 88, que permiten conocer
precisamente la fuerza aplicada y por consiguiente controlar las
tensiones en el apriete de los tornillos, previamente a la fase de
lanzamiento al espacio. Típicamente, puede tratarse de un cilindro
metálico equipado con medidores de esfuerzos y calibrado
previamente.
Con el fin de facilitar la fase de integración
del sistema, se ha previsto igualmente según la variante descrita,
terceras aberturas 93 según una dirección Dx paralela al plano del
espejo, permitiendo la introducción de tornillos 99 que hacen tope
contra los patines: bloqueo de los patines en la colocación antes
del apriete de los tornillos 77. Los tornillos 93 deben aflojarse
en el apriete de los tornillos 77 y en funcionamiento
operacional.
Gracias al conjunto de estos parámetros de
apriete, las cargas mecánicas (de vibración) a temperatura ambiente
son recuperadas axialmente por tope positivo y tangencialmente por
roce. A temperatura criogénica, se anulan las fuerzas de apriete
jugando con los espesores y los coeficientes de dilatación
termoelástica que entran en el conjunto realizando el apriete. Una
tensión mínima se considera para justo mantener el espejo
operacional sin inyectar la fuerza susceptible de deformar la
superficie activa.
Por otro lado, la pieza de sujeción comprende
cuartas aberturas, por ejemplo cuatro aberturas 35, destinadas para
cooperar con medios para fijar esta pieza de sujeción sobre la
estructura embarcada.
Típicamente estos medios de fijación pueden ser
por ejemplo los ilustrados en la figura 6a o figura 6b. Se trata de
medios de fijación llamados respectivamente del tipo de lamas 100 o
de tipo "forma en A" pareja de lamas 101 y 102 comprendidas
entre una primera base 111 y una segunda base 112 e incluyendo
aberturas. Por medio de las séptimas aberturas 57 (orificios de
paso de tornillos) de la base 111, se pueden introducir tornillos
destinados para ser roscados en las cuartas aberturas de la pieza de
sujeción. Por medio de la octavas aberturas 58 (idem) de la
segunda base 112 se pueden introducir tornillos destinados para ser
roscados sobre la estructura embarcada correspondiente al panel 4
de la figura 2.
El dispositivo comprende una pieza de sujeción
de material metálico de bajo coeficiente de dilatación térmica. Por
ejemplo el Invar tiene un coeficiente bajo del orden de 1,5 ppm/ºK y
resulta particularmente apto para este tipo de aplicación.
Para minimizar las tensiones a las cuales está
sometido el espejo, el dispositivo de fijación comprende patines
que pueden ventajosamente ser de un material de tipo aluminio.
Además, estos patines están ventajosamente
constituidos por dos partes como se ha ilustrado en la figura 7 que
proporciona una vista fragmentada de los patines utilizados en el
dispositivo de la invención.
- -
- Una primera parte 66a presenta una superficie plana destinada para ponerse en contacto con la parte terminal del vidrio y una superficie convexa;
- -
- Una segunda parte 66b que comprende una superficie cóncava,
\vskip1.000000\baselineskip
cooperando las dos partes para permitir ajustar
el apriete incluso en presencia de defecto de introducción
paralelo, de la parte de vidrio en el seno de la pieza de sujeción.
Más precisamente,
las dos partes 66a y 66b se aplican entre si
por la presión del tornillo.
Para favorecer también el contacto entre los
patines y la pieza de vidrio, la superficie de los patines puede
ventajosamente recubrirse con una fina capa de material blando tipo
oro que permite jugar el papel de junta elástica.
Hay que observar por otro lado que para no
fragilizar los puntos de contacto del espejo materializados por los
resaltes de vidrio, es importante conferir una buena relación entre
espesor y longitud a nivel del talón. Así y ventajosamente estas
dimensiones pueden ser elegidas iguales a aproximadamente 15 mm y 20
mm, con el fin de obtener buenas relaciones entre las diferentes
tensiones a las cuales está sometida la parte terminal del resalte
de vidrio.
Claims (10)
1. Conjunto que comprende un espejo
vitrocerámico o cerámico y un dispositivo de fijación del espejo
sobre una estructura montada a bordo de un ingenio espacial,
comprendiendo el mencionado espejo una estructura alveolar,
caracterizado porque al menos un alveolo comprende un resalte
de vidrio (11) que presenta una parte intermediaria en una
dirección perpendicular (Dy) al plano del espejo desde la base del
alveolo y una parte terminal perpendicular a la indicada parte
intermediaria con el fin de constituir un resalte en forma de T,
porque el indicado dispositivo de fijación comprende una pieza de
sujeción (33) que sujeta la parte terminal del resalte según una
dirección paralela a la parte intermediaria y medios de fijación
(5) de la indicada pieza de sujeción sobre la estructura embarcada
y porque comprende además patines (66) para asegurar el contacto
entre la parte terminal del resalte y la pieza de sujeción,
comprendiendo los patines un cabezal pivotante constituido por una
primera parte (66a) en contacto con la parte terminal del resalte
que presenta una superficie plana y una superficie convexa y por
una segunda parte (66b) que presenta una superficie cóncava
complementaria a la de la primera parte, realizando así un cabezal
pivotante.
2. Conjunto según la reivindicación 1,
caracterizado porque la pieza de sujeción comprende una
abertura principal (13) de idéntica forma que el resalte de
vidrio.
3. Conjunto según la reivindicación 2,
caracterizado porque la pieza de sujeción comprende además
segundas aberturas (73) equipadas con tornillos (77) para bloquear
la pieza de sujeción contra el resalte de vidrio.
4. Conjunto según una de las reivindicaciones 1
a 3, caracterizado porque los patines se realizan en un
material con coeficiente de dilatación térmica elevado de tipo
aluminio.
5. Conjunto según una de las reivindicaciones 1
a 4, caracterizado porque la pieza de sujeción se realiza en
un material con bajo coeficiente de dilatación térmica de tipo
Invar.
6. Conjunto según una de las reivindicaciones 1
a 5, caracterizado porque la superficie de los patines en
contacto con la parte terminal del resalte comprende además una
capa de material blando de tipo oro que permite mejorar el contacto
con relación a los estados superficiales y por consiguiente
homogeneizar las tensiones.
7. Conjunto según una de las reivindicaciones 1
a 6, caracterizado porque la pieza de sujeción comprende
además células de presión (88) entre los tornillos y los
patines.
8. Conjunto según una de las reivindicaciones 6
ó 7, caracterizado porque la pieza de sujeción comprende
además terceras aberturas (93) según una dirección perpendicular a
la de las primeras aberturas primarias y que pueden recibir
tornillos de retención de los patines en el montaje (99).
9. Conjunto según una de las reivindicaciones 1
a 8, caracterizado porque la pieza de sujeción comprende
cuartas aberturas (35) destinadas a recibir medios (5) para fijar
la indicada pieza de sujeción sobre la estructura embarcada.
10. Estructura embarcada a bordo de un ingenio
espacial que comprende al menos un conjunto según una cualquiera de
las reivindicaciones precedentes.
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