FR2766457A1 - Generateur solaire pour satellites - Google Patents

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Abstract

Générateur à structure comprenant : les éléments suivants : - une peau de recouvrement (5) inférieure avec des couches de renforcement locales,- une structure alvéolaire en nids d'abeilles (4) disposée pour que les axes longitudinaux des nids d'abeilles soient perpendiculaires à la peau,- une peau supérieure (2) avec des couches de renforcement locales,- une couche isolante électrique prévue sur la peau supérieure,- des éléments d'amortissement placés dans des perçages appropriés de la structure alvéolaire en nids d'abeilles, - des bandes de feuille d'amortissement (10) collées sur la face extérieure opposée à la peau inférieure, à distance l'une de l'autre.

Description

l
La présente invention concerne un générateur so-
laire composé d'un grand nombre de cellules solaires et d'une
structure de support.
De nos jours, on ne peut plus envisager de renon-
cer aux avantages et aux facilités de confort liés à
l'utilisation de satellites. Entre la prévision météorologi-
que, la connaissance de la terre et les observations de l'environnement jusqu'aux liaisons téléphoniques et aux
transmissions vidéo, les satellites transmettent toutes sor-
tes d'informations. A cela s'ajoute la possibilité future
d'un réseau téléphonique mondial par des téléphones mobiles.
Or, tous les satellites artificiels nécessitent
une alimentation continue en énergie pour assurer leur fonc-
tion à long terme et sans incident. Pour disposer de l'énergie électrique nécessaire, on utilise des générateurs solaires. Ces générateurs se composent de cellules solaires
fixées sur des structures de support appropriées. Cela sup-
pose des structures de support légères, adaptées aux con-
traintes et compatibles avec la matière des cellules solaires
et néanmoins peu coûteuses.
Les générateurs solaires pour satellites doivent
fournir une puissance électrique pratiquement constante pen-
dant des durées prédéterminées de l'ordre de 10 à 12 ans.
Pour cela, on utilise notamment des cellules solaires en si-
licium ou en gallium/arséniure montées sur une structure de
support légère. La structure de support elle-même doit pré-
senter certaines propriétés pour ne pas influencer de manière
négative d'autres composants du satellite tels que les anten-
nes, le réservoir, les systèmes d'asservissement de trajec-
toire.
Pour résister aux contraintes mécaniques impor-
tantes produites pendant le lancement, il faut que les struc-
tures soient conçues pour résister à des vibrations correspondant à 30 fois l'accélération terrestre (30 G). Une charge mécanique supplémentaire est créée par la pression du son généré sous le revêtement aérodynamique de la pointe de la fusée à cause du bruit des moteurs de la fusée au moment du lancement. Les parties les plus en danger des structures de support légères sont pour de telles conditions de charge, les pièces de construction en sandwich avec des pellicules peaux extrêmement minces Quelques minutes après le lancement réussi, on vérifie le fonctionnement du satellite lorsqu'il se trouve
sur une orbite basse autour de la terre. Avant que le satel-
lite d'informations arrive dans la zone transitoire vers la trajectoire géostationnaire par l'allumage des moteurs, on déploie le générateur solaire. Il s'agit usuellement de deux ailes d'une longueur allant jusqu'à 12 m représentant une masse d'inertie qui, à l'allumage et la coupure du moteur du satellite, exerce une contrainte de flexion à la structure de support. Sur la trajectoire périphérique, il n'y aura plus que les contraintes liées aux variations de température.15 Comme en particulier pour des engins volants, il est particulièrement important que le générateur solaire soit aussi léger que possible, les matières composites à base de fibres qui offrent une résistance spécifique et une rigidité
plus élevée que les matières métalliques jouent un râle es-
sentiel.
Pour arriver à une structure de support aussi ri-
gide et légère que possible, on utilise avantageusement des produits stratifiés de fibres à modules importants sous la forme de constructions en sandwich. La structure de base
d'une construction en sandwich servant de structure de sup-
port pour les cellules solaires d'un satellite d'informations est représentée à la figure 1. Les figures 2 et 3 montrent des structures de support, perfectionnées, qui sont en mesure
de recevoir des contraintes mécaniques plus élevées.
On a constaté que les contraintes mécaniques principales appliquées à la structure de support sont d'une
part des vibrations dans une plage de fréquences comprise en-
tre 30 Hz et 100 Hz et les contraintes résultant de la pres-
sion du son dans une plage de fréquences comprise entre 150 Hz et 500 Hz. Les contraintes résultant de la pression du son au lancement de la fusée augmentent fortement avec les dimensions du générateur solaire et limitent ainsi la taille du générateur. En outre, les déformations provoquées par les vibrations et le son provoquent des dommages dans le cas de
cellules solaires sensibles. La présente invention a pour but de créer un gé-
nérateur solaire résistant à des contraintes considérablement plus élevées, que celles produites au lancement de la fusée pour transporter des satellites d'informations équipés d'un générateur solaire sur sa trajectoire autour de la terre, et en particulier des vibrations dans la plage des fréquences comprise entre 30 Hz et 100 Hz et une pression du son dans une plage de fréquences entre 150 et 500 Hz, que ne résistent
les générateurs solaires actuels.
La présente invention concerne à cet effet un gé-
nérateur solaire correspondant au type défini dans le préam-
I bule, caractérisé en ce que: les éléments suivants: - une peau de recouvrement inférieure avec des couches de renforcement locales, - une structure alvéolaire en nids d'abeilles disposée pour
que les axes longitudinaux des nids d'abeilles soient per-
pendiculaires à la peau,
- une peau supérieure avec des couches de renforcement loca-
les,
- une couche isolante électrique prévue sur la peau supé-
rieure,
- des éléments d'amortissement placés dans des perçages ap-
propriés de la structure alvéolaire en nids d'abeilles, - des bandes de feuille d'amortissement collées sur la face extérieure opposée à la peau inférieure, à distance l'une
de l'autre.
L'utilisation selon l'invention de bandes d'amortissement collées sur le côté extérieur opposé à la
structure alvéolaire en nids d'abeilles, de la peau infé-
rieure, en une seule couche ou en plusieurs couches, de ma-
nière continue ou interrompue, et avec une adaptation à la
rigidité de la peau de revêtement du sandwich, et une direc-
tion et une position dépendant de la réponse du générateur solaire aux vibrations d'origine acoustique, on arrive à un fort amortissement et ainsi à une faible réponse dans la
plage des fréquences comprise entre 150 Hz et 500 Hz.
Les éléments d'amortissement selon l'invention en
forme d'anneaux de fibres composites concentriques cylindri-
ques, entre lesquels on a une ou plusieurs couches d'élastomère, et qui sont collées dans la structure alvéo- laire en nids d'abeilles entre les deux peaux de recouvre- ment, on arrive à une résistance considérablement plus élevée vis-à-vis des contraintes créées par les vibrations mécani-10 ques dans une plage de fréquences comprise entre 30 Hz et Hz. j1 Suivant d'autres caractéristiques avantageuses de l'invention: - les bandes de feuille d'isolation ont des longueurs et/ou
des largeurs différentes.
- les bandes de feuille d'amortissement sont collées sur plu-
sieurs couches.
- les bandes de feuille d'amortissement sont continues.
- les bandes de feuille d'amortissement sont interrompues.
- les éléments d'amortissement sont formés d'un anneau exté-
rieur cylindrique en métal ou en matière composite renfor-
cée par des fibres, d'un anneau en élastomère relié solidairement à l'anneau extérieur et placé dans celui-ci,
ainsi qu'un anneau intérieur en métal ou en matière compo-
site renforcée par des fibres, placé dans l'anneau en élas-
tomère et relié solidairement à celui-ci.
- plusieurs couches de métal ou de matière composite renfor-
cée par des fibres alternent avec des élastomères.
- la paroi extérieure des éléments d'amortissement est reliée
à la structure alvéolaire en nids d'abeilles.
- les deux faces frontales des éléments d'amortissement sont reliées aux deux peaux correspondantes avec des couches de renforcement. La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'exemples de réalisation
avantageux représentés dans les dessins annexés, dans les-
quels: - la figure 1 montre une structure de base d'un générateur solaire,
- la figure 2 est une vue partiellement arrachée d'une struc-
ture de support, - la figure 3 est une vue partiellement arrachée d'une struc-
ture de support utilisée en pratique pour un générateur so-
laire avec un élément pour intégrer une charge,
- la figure 4 est une vue de dessus d'une partie de la struc-
ture de support, - la figure 5 est un graphique représentant la pression du son en fonction de la fréquence, - ila figure 6 est une vue de dessus d'une partie de la face inférieure de la structure de support selon l'invention,
- la figure 7a est une vue partiellement arrachée d'une par-
tie d'une structure de support selon l'invention avec un élément d'induction de charge,
- la figure 7b montre plusieurs exemples d'éléments amortis-
seurs, - la figure 8 est un graphique donnant le comportement de la structure de support sous l'effet de la charge engendrée
par la pression du son.
La figure 1 montre la structure de base d'un gé-
nérateur solaire composé d'un grand nombre de cellules solai-
res 1, rectangulaires, juxtaposées et d'une structure de support formée par une structure alvéolaire en nids
d'abeilles 4 ayant sur sa face supérieure une peau de revête-
ment 2 et sur sa face inférieure une peau de revêtement 5; la référence 5' représente une vue de dessus circulaire
agrandie d'une partie de la peau inférieure 5.
La figure 2 montre une structure de support par-
tiellement arrachée du générateur solaire utilisable dans un
satellite; entre la peau inférieure 5 et la structure alvéo-
laire en nids d'abeilles 4 ainsi qu'entre cette structure al-
véolaire en nids d'abeilles et la peau supérieure 2, on a chaque fois une couche de colle 3 pour relier entre eux les différents éléments. La peau supérieure 2 porte néanmoins une couche isolante électrique 6 recevant les cellules solaires 1
représentées à la figure 1.
I 1111 i
Pour obtenir une structure de support aussi ri-
gide et légère que possible, on utilise des produits strati-
fiés en fibres à module élevé sous la forme d'une construction en sandwich. Les couches de recouvrement sont notamment en fibres de carbone avec de. la résine époxy. La matière de la structure alvéolaire en nids d'abeilles est à
la fois de l'aluminium mais également du papier à base de po-
lyamide ou encore de fibres aramide, ou de papier aramide, de matière plastique renforcée par de fibres de verre et
d'agglomérés stratifiés de fibres de carbone.
Pour augmenter la résistance aux contraintes mé-
caniques de telles structures de support, on utilise actuel-
lement pour les satellites d'informations, des structure de
support correspondant à la construction représentée à la fi-
gure 3; dans ce cas, pour induire les efforts, on colle dans
la structure alvéolaire en nids d'abeilles, des blocs de fi-
bres de carbone 7 avec de la colle de raccordement dans des ouvertures usinées de manière appropriée dans la structure alvéolaire en nids d'abeilles 4. Pour augmenter la rigidité, on prévoit entre les deux peaux 2, 5 et les blocs de fibres de carbone 7, des pièces stratifiées supplémentaires 8 qui
constituent des éléments de double action.
Le côté supérieur des blocs de fibres de carbone 7 qui sont de manière générale rectangulaires, peut être muni de douilles en saillie 7' (douilles de liaison). Dans ce cas également les différentes pièces sont reliées par des couches
de colle 3 entre les deux peaux et les couches de renforce-
ment 2 ainsi que la structure alvéolaire en nids d'abeilles 4. Selon un premier exemple de réalisation tel que
celui représenté schématiquement à la figure 6, le côté exté-
rieur de la peau inférieure 5 opposée à la structure alvéo-
laire 4 en nids d'abeilles, est occupé par plusieurs bandes de feuille d'amortissement 10 qui peuvent avoir des longueurs et des largeurs différentes et sont collées solidairement au côté extérieur de la peau 5. Ces bandes de feuille
d'amortissement 10, collées, réduisent les contraintes engen-
drées par la pression du son dans la plage des fréquences comprise entre 100 Hz et 500 Hz; ces bandes de feuille d'amortissement 10 peuvent être à une ou plusieurs couches, continues ou interrompues. En outre, elles sont adaptées à la rigidité de la peau du sandwich. La direction et la position des différentes bandes de feuille d'amortissement 10 dépen- dent du comportement en réponse du générateur solaire aux contraintes engendrées par la pression du son et s'obtiennent
de manière empirique.
Selon un second exemple de réalisation tel que celui représenté aux figures 4, 5 et 7, à la place des blocs de fibres de carbone, rectangulaires usuels, on utilise des éléments d'amortissement cylindriques 11 comme organes
d'enfoncement; ceux-ci présentent une construction particu-
lière et sont également collés à la fois à la structure al-
véolaire en nids d'abeilles 4 et avec des couches de colle 3 entre la peau supérieure et la peau inférieure aux couches de
renforcement 2.
Chaque élément d'isolation (ou d'amortissement) 11 comporte comme le montrent les figures 7a, 7b, un anneau extérieur 12 en matière composite renforcée par des fibres (FVW) avec de manière concentrique et placé dans celui-ci, un
anneau en élastomère 12 ainsi qu'un anneau intérieur concen-
trique 14 en matière composite renforcée de fibres; les deux
anneaux en matière composite renforcée de fibres sont vulca-
nisés de préférence à un anneau en élastomère. Cela permet de placer concentriquement l'un dans l'autre plusieurs anneaux de matière élastomère et de matière composite renforcée de
fibres, en les alternant.
Dans ce cas, on peut également prévoir un embout
de maintien 11' sur le côté supérieur de l'élément amortis-
seur 11.
Selon un exemple de réalisation particulièrement avantageux d'une structure alvéolaire selon l'invention pour le générateur solaire d'un satellite d'informations, à la fois dans la structure alvéolaire en nids d'abeilles 4, les éléments d'amortissement 11 sont prévus à une distance l'un de l'autre et sur le côté extérieur de la peau inférieure 5 des bandes de feuille d'amortissement 10 pour permettre ainsi
un amortissement optimum des contraintes causées par les vi-
brations et la pression du son. La figure 5 montre le niveau sonore (exprimé en dB) en fonction de la fréquence; ce graphique montre claire-
ment que le maximum de la pression du son se situe dans une plage de fréquences comprise entre 100 Hz et 500 Hz; cette
plage de fréquences est amortie par les bandes de feuille d'amortissement 10. La figure 8 montre le comportement de la struc-
ture sous l'effet des contraintes engendrées par le son; en ordonnées, on a représenté l'accélération g2/Hz et en abscis-
ses la fréquence Hz. En dehors des générateurs solaires de satellite, les structures de support amorties peuvent également être
utilisées comme bases d'appareil sensibles aux vibrations.
III 111111 1 II III I 1 1111111I 11I Il I I iiii i

Claims (8)

R E V E N D I C A T IONS
1 ) Générateur solaire composé d'un grand nombre de cellules solaires et d'une structure de support, caractérisé par les éléments suivants: - une peau de recouvrement (5) inférieure avec des couches de renforcement locales, - une structure alvéolaire en nids d'abeilles (4) disposée pour que les axes longitudinaux des nids d'abeilles soient o perpendiculaires à la peau, - une peau supérieure (2) avec des couches de renforcement locales,
- une couche isolante électrique prévue sur la peau supé-
rieure,
- des éléments d'amortissement placés dans des percages ap-
propriés de la structure alvéolaire en nids d'abeilles, - des bandes de feuille d'amortissement (10) collées sur la face extérieure opposée à la peau inférieure, à distance
l'une de l'autre.
2 ) Générateur solaire selon la revendication 1, caractérisé en ce que les bandes de feuille d'isolation (10) ont des longueurs
et/ou des largeurs différentes.
3 ) Générateur solaire selon l'une quelconque des revendica-
tions précédentes, caractérisé en ce que les bandes de feuille d'amortissement (10) sont collées sur
plusieurs couches.
4 ) Générateur solaire selon l'une quelconque des revendica-
tions précédentes, caractérisé en ce que
les bandes de feuille d'amortissement (10) sont continues.
) Générateur de solaire selon l'une quelconque des revendi- cations précédentes,
IIIIII IIIIII I
caractérisé en ce que
les bandes de feuille d'amortissement (10) sont interrompues.
6 ) Générateur solaire selon l'une quelconque des revendica-
tions, caractérisé en ce que
les éléments d'amortissement (11) sont formés d'un anneau ex-
térieur cylindrique (12) en métal ou en matière composite
renforcée par des fibres, d'un anneau en élastomère (13) re-
lié solidairement à l'anneau extérieur et placé dans celui-
ci, ainsi qu'un anneau intérieur (14) en métal ou en matière 1 Iii ll 1 11 composite renforcée par des fibres, placé dans l'anneau en
élastomère et relié solidairement à celui-ci.
7 ) Générateur solaire selon la revendication 6, caractérisé en ce que plusieurs couches de métal ou de matière composite renforcée
par des fibres alternent avec des élastomères.
8 ) Générateur solaire selon l'une quelconque des revendica-
tions précédentes, caractérisé en ce que
la paroi extérieure des éléments d'amortissement (11) est re-
liée à la structure alvéolaire en nids d'abeilles (4)
9 ) Générateur solaire selon l'une quelconque des revendica-
tions précédentes, caractérisé en ce que les deux faces frontales des éléments d'amortissement sont reliées aux deux peaux correspondantes avec des couches de
renforcement (2).
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