FR2972859A1 - Dispositif de commutation de reflecteurs pour une antenne a faisceau commutable - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un dispositif de commutation (2) de réflecteurs (5) pour une antenne à voie optique à un ou deux réflecteurs (5). Le dispositif de commutation (2) comprend des moyens de support (24, 25, 26) fixés à la structure du montage, une colonne porteuse rotative (21) des réflecteurs (5) fixée en deux points d'appuis et un système de gerbage (27, 22). L'invention s'applique préférentiellement à un dispositif de commutation portant quatre réflecteurs pour un montage d'antenne grégorienne.

Description

DISPOSITIF DE COMMUTATION DE REFLECTEURS POUR UNE ANTENNE A FAISCEAU COMMUTABLE
Le domaine de l'invention concerne les montages d'antenne à faisceau commutable et plus précisément un dispositif de commutation des réflecteurs pour un tel montage d'antenne.
La durée de vie croissante des satellites de Télécommunication, 10 ainsi que l'évolution des exigences associées aux différentes missions imposent que les charges utiles de futures générations soient flexibles et notamment les antennes. Par flexibilité on entend être capable de choisir entre plusieurs couvertures et plusieurs plans de fréquence par exemple. L'objectif n'est pas de couvrir toutes les zones géographiques 15 simultanément mais d'avoir le choix en ayant la possibilité de pouvoir modifier en orbite les missions du satellite.
II existe des antennes actives dites antennes à formation de faisceau par calcul. Ces antennes permettent de pointer une surface 20 géographique étendue par déplacement du faisceau. Toutefois, ces antennes nécessitent un module de calcul complexe et coûteux en ressources électroniques. En effet, le module électronique requiert, à titre d'exemple, l'intégration de nombreux équipements de calcul pour déterminer l'orientation du faisceau, d'éléments rayonnants pour la formation du 25 faisceau, d'équipements de fourniture d'énergie pour alimenter les équipements de calcul et d'équipements performant de dissipation de chaleur. La prise en compte de ces éléments dans leur ensemble augmente sensiblement le coût de conception ainsi que le coût de lancement dans l'espace (dimensions et poids plus importants). 30 Pour éviter ces derniers problèmes, on utilise également des antennes passives pouvant adresser plusieurs zones géographiques. On connaît de l'état de la technique le brevet français FR 2.648.278, le brevet américain US 6.239.763 et la demande de brevet américain US 35 2006/02500316. Ces trois documents décrivent des montages d'antenne à faisceau commutable à un réflecteur, c'est-à-dire que le faisceau est réfléchi par un réflecteur dans le montage, ou deux réflecteurs, c'est-à-dire que le faisceau est réfléchi par un réflecteur primaire et un réflecteur secondaire, ce sont, par exemple, les antennes Grégorienne ou Cassegrain. Ces dernières antennes permettant d'obtenir une antenne à focale plus réduite que les antennes à un réflecteur. La diminution de la focale est particulièrement recherchée pour les montages d'antennes spatiaux devant être embarqués dans un lanceur.
La solution proposée dans la demande de brevet américain 2006/02500316, la structure mécanique ne peut être positionnée qu'à l'arrière du système de sous-réflecteurs. Lorsque l'axe de rotation des réflecteurs secondaires est orienté le long de l'axe d'offset de l'antenne, il n'est pas possible de maintenir le système de commutation par l'avant sous peine d'interférer avec le champ de vue de l'antenne. Le maintien par l'arrière impose une structure très raide (donc lourde) car toute la masse du système de commutation est en porte à faux. De plus, les contraintes dans le moteur de commutation sont également importantes.
L'objectif de l'invention est de proposer un montage d'antenne à commutation de faisceau ayant une structure rigide et légère portant le dispositif de commutation. L'objectif est également de pouvoir proposer un nombre important de couvertures géographiques.
Plus précisément, l'invention concerne un dispositif de commutation de réflecteurs pour une antenne à faisceau commutable comportant au moins deux réflecteurs, une colonne porteuse des réflecteurs et un système de gerbage. La colonne porteuse est montée rotative en ses extrémités sur une première et une seconde structure de support. Le système de gerbage comprend un tirant, traversant la colonne porteuse et les structures de support, apte à se déplacer en translation dans un écrou de sorte à positionner le système de gerbage en configuration gerbée et dé-gerbée. La colonne porteuse et les structures de support comprennent des surfaces de frottement respectives agencées de sorte, qu'en configuration gerbée, elles soient mises en liaison entre elles pour maintenir immobile la colonne porteuse par rapport aux structures de support et, qu'en configuration dé-gerbée, elles soient séparées pour permettre la commutation des réflecteurs selon un mouvement rotatif de la colonne porteuse par rapport aux structures de support.
Selon un mode de réalisation, la colonne porteuse est guidée dans son mouvement de rotation par un jeu de roulements maintenu sur les structures de support par un jeu d'éléments flexibles suivant l'axe de rotation, Ces éléments pouvant être des membranes souples ou des lames. De préférence, en configuration gerbée les éléments flexibles (membranes ou lames) sont précontraints contre des butées rigides des structures de support et en ce qu'en configuration dé-gerbée les éléments flexibles sont décollés des dites butées rigides des structures de support. Avantageusement, la première structure de support est montée sur une structure souple et la seconde structure de support est montée sur une structure rigide. Selon un quelconque mode de réalisation, la première structure de support est montée sur une structure bipode. Selon un quelconque mode de réalisation, la seconde structure de support est montée sur une structure tripode.
Selon un quelconque mode de réalisation, la première et la seconde structure de support (26) sont montées sur une structure unique équipée d'un élément flexible au droit de la première ou la seconde structure de support (26).. Selon un quelconque mode de réalisation, la colonne porteuse est un cylindre de section, sensiblement constante sur la longueur du cylindre.
L'invention concerne également un montage d'antenne à faisceau commutable comportant une structure de base portant une source immobile et une structure d'élévation portant elle-même un dispositif de commutation d'au moins deux réflecteurs. Avantageusement, le dispositif de commutation est selon l'un quelconque mode de réalisation précédent. Avantageusement, la structure d'élévation comprend une pluralité de barres d'élévation en matériau composite, des premières extrémités des dites barres étant fixées aux structures de support du dispositif de commutation et des secondes extrémités des dites barres étant fixées à la structure de base. Selon run quelconque mode de réalisation du montage d'antenne, il comprend également un réflecteur primaire immobile sur la structure de base, les réflecteurs du dispositif de commutation étant agencés de sorte à former un montage d'antenne à double réflecteur.
L'invention concerne également un satellite comportant un montage d'antenne selon l'un quelconque mode de réalisation précédent.
Le dispositif de commutation à double point de support permet d'utiliser une structure d'élévation moins encombrante qu'une structure à caisson qui porterait un dispositif de commutation à un unique point de support. II est possible ainsi de limiter les contraintes dans le motoréducteur générant la force de commutation des réflecteurs. Cela permet également d'éviter l'introduction d'éléments dans la zone interdite du montage de l'antenne.
L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles :
La figure 1 représente un schéma de principe d'un montage d'antenne à commutation de faisceau comportant un dispositif de commutation selon l'invention. La figure 2 représente un schéma du dispositif de commutation selon l'invention en configuration dé-gerbée. La figure 3 représente un schéma du dispositif de commutation selon l'invention en configuration gerbée.
L'invention sera exposée plus en détail par la description d'un montage d'antenne face terre à optique Grégorienne. II est clair que le dispositif de commutation selon l'invention ne se limite pas à ce type de montage d'antenne. L'invention concerne tout type d'antenne à voie optique avec un ou deux réflecteurs et utilisant un dispositif de commutation du réflecteur pour modifier la couverture géographique. On peut citer par exemple un autre mode de réalisation possible de montage d'antenne qui est un montage d'antenne de type Cassegrain.
La figure 1 représente un montage d'antenne 1 Grégorienne à commutation de faisceau comportant une source de signaux radiofréquences 4, un réflecteur primaire 3 et deux réflecteurs secondaires 5 commutables portés par un dispositif de commutation de faisceau 2 selon l'invention. La structure du montage 1 comprend une structure de base 6 portant le réflecteur primaire 3 et une structure d'élévation 7 comprenant des barres de structure 71. La structure d'élévation 7 porte le dispositif de commutation 2, ces deux derniers éléments étant agencés de sorte que l'optique formée par la source 4, le réflecteur primaire 3 et un réflecteur secondaire 5 forment une antenne Grégorienne. Pour d'autre type d'antenne, le choix du réflecteur secondaire 5 et le positionnement des réflecteurs 5 sur le dispositif de commutation 2 sont adaptés en fonction du type d'antenne. De même, le dimensionnement de la structure d'élévation 7 sur la structure de base 6 est adapté en fonction du type d'antenne.
Sur le schéma de la figure 1, deux réflecteurs secondaires 5 sont représentés. Cependant, dans un mode de réalisation préférentiel, le montage 1 comporte quatre réflecteurs secondaires 5 pour couvrir quatre zones géographiques. La sélection et le positionnement du réflecteur secondaire 5 se fait grâce à un motoréducteur, non représenté sur la figure 1. L'antenne est pointable entièrement ce qui permet d'adresser 4 couvertures, avec la même efficacité de rayonnement, pouvant être réparties sur toute la terre. En effet, le réflecteur principal 3 est fixe sur la base supportrice 6, la source RF 4 est fixe sur la structure d'élévation et chaque réflecteur secondaire 5 est fixe sur le dispositif de commutation 2. La structure d'élévation 7 n'interfère pas avec le dispositif de commutation à quatre réflecteurs secondaires 5 et permet ainsi de limiter les contraintes dans le motoréducteur.
La structure de base 6 comporte des moyens de fixation, non représentés sur la figure 1, adaptés pour monter l'antenne sur un engin mobile, comme par exemple un satellite de Télécommunication ou un aéronef ou tout autre type d'engin. La structure de base porte le réflecteur primaire 3, ce dernier est de préférence immobile sur la structure de base 6. Selon un mode de réalisation préférentiel, le réflecteur primaire 3 est réalisé en technologie CFRP classique (« carbon fiber-reinforced plastic » en anglais), c'est-à-dire est composé en structure en nid d'abeille aluminium entourée de peaux de carbone. D'autres types de technologie sont possibles, le choix ne limite en aucun cas la portée de l'invention.
Selon un mode de réalisation préférentiel, la structure d'élévation 7 est composée d'une pluralité de barres de carbone 71 et sont particulièrement adaptées au besoin de réflecteurs commutables. Elles permettent d'obtenir deux points forts pour une structure de complexité minimale, un point fort étant positionné de chaque coté de la ligne de mécanisme de commutation. Les barres 71 permettent d'avoir une structure raide qui est compatible de la très grande zone interdite de la structure tout autour de l'axe de commutation. Cette zone interdite comprend les positions successives des quatre réflecteurs et les champs de vue des trois éléments RF de 1 'antenne. Le nombre de barres de structures 71 n'est pas une limitation de l'invention. On recherche également un volume minimal pour cette structure. Pour pouvoir implanter sur une face terre de satellite au moins deux montages d'antennes, les barres 71 sont mises au plus près de la zone interdite afin d'obtenir un encombrement minimal.
D'autres types de technologie pour la structure d'élévation 7 sont possibles, le choix de la technologie de structure d'élévation ne limite en aucun cas la portée de l'invention. Par exemple, une structure d'élévation à base d'une pluralité de plans carbone apporte de la raideur mais uniquement lorsque ces panneaux forment des caissons. Cependant, une telle solution est plus complexe et volumineuse.
La source RF 4 est tenue par les barres 71 de la structure d'élévation car cette solution permet également de simplifier la structure de du montage 1. Toutefois, l'invention ne se limite pas à ce mode de réalisation et le support de la source peut également être repris sur la structure de base 6 du montage 1. La source est positionnée dans la voie optique sur le point focal du réflecteur secondaire 5 en utilisation.
Selon un mode de réalisation préférentiel, le montage 1 comporte quatre réflecteurs secondaires 5 portés par le dispositif de commutation 2. Selon une première solution, les réflecteurs secondaires peuvent être réalisés en technologie CFRP classique. Cette solution nécessite l'utilisation de quatre moules. Cette solution est onéreuse et longue à mettre en oeuvre. Selon une seconde solution, les réflecteurs secondaires 5 peuvent être mis en oeuvre en matériau en Aluminium ou en Titane usiné. Cette dernière technologie (métal usiné) permet de s'affranchir du coût de quatre moules.
Les figures 2 et 3 représentent plus en détail le dispositif de commutation 2 des réflecteurs secondaires. Dans le cas d'un montage à voie optique comportant un unique réflecteur, ce sont les réflecteurs primaires commutables du montage qui sont montés sur le dispositif de commutation 2. Le dispositif de commutation 2 permet de modifier l'orientation du faisceau par commutation du réflecteur secondaire 5. Selon un mode préférentiel, quatre réflecteurs sont portés par le dispositif de commutation 2 répartis sur une plage angulaire de 360°. Le nombre de réflecteurs et leurs dispositions sont configurables autrement. Le dispositif de commutation 2 met en mouvement rotatif les réflecteurs 5 autour d'un axe traversant deux pièces de structure de support 26 grâce à une colonne porteuse 21 rotative. Les réflecteurs 5 sont montés sur la colonne porteuse 21. Une première structure de support 26 est montée sur une structure souple 25 et la seconde structure de support 26 est montée sur une structure rigide 24. La structure souple 25 est un bipode, ou une lame rigide apte à reprendre des charges selon son plan et pouvant se déformer sur un axe de translation et la structure rigide 24 est non déformable. La structure souple 25 est liée avec des extrémités de premières barres de carbones 71 de la structure d'élévation 7 et la structure rigide 24 est liée avec des extrémités de secondes barres de carbones 71 de la structure d'élévation 7.
La colonne porteuse 21 est liée aux structures de support 26 au moyen de roulement à billes 31 conférant un mouvement de rotation à la colonne porteuse autour de son axe central. Les roulements à billes 31 sont eux-mêmes montés sur les structures de support 26 par des membranes souples 32. La colonne porteuse est sensiblement de la forme d'un cylindre, la section des extrémités de la colonne porteuse étant plus réduite de sorte à être insérée à l'intérieur des roulements à billes.
Le dispositif de commutation comporte un tirant 27 traversant l'intégralité de la colonne porteuse rotative 21, les roulements à billes 31 et les structures de support 26. Le tirant est apte à se déplacer selon un axe de translation identique à l'axe de rotation de la colonne porteuse 21. L'axe de translation du tirant est également identique à l'axe de déformation de la première structure de support montée sur le bipode souple 25. Une première extrémité du tirant 27 est liée à la première structure de support 26 montée sur la structure bipode souple. La seconde extrémité du tirant 27 vient se loger dans un écrou de maintien 22, de préférence de type pyrotechnique, ou à choc réduit, fixé sur la seconde structure de support 26 montée sur la structure rigide tripode 24. Lors de la mise en tension du système, lorsque le tirant se déplace selon l'axe de translation, le bipode souple se déforme en conséquence autorisant ainsi le déplacement du tirant 27. Ainsi, l'ensemble de maintien comprenant le tirant 27 et l'écrou de maintien 22 permet de mettre en tension les structures de support 26 et la colonne porteuse 21. Le tirant 27 est guidé en translation sur les structures de support 26 et n'est jamais en contact avec la colonne porteuse rotative 21.
La colonne porteuse 21 comprend en ses extrémités des surfaces de frottement spécifique 28. Les structures de support 26 comprennent également des surfaces de frottement 29 positionnées face aux surfaces de frottement 28. Selon la position du tirant 27 sur l'axe de translation les surfaces de frottement 28 et 29 sont en liaison ou séparées par un jeu. Lorsque la colonne porteuse 21 et les structures de support sont séparées d'un jeu fonctionnel au niveau des surfaces de frottement 28 et 29, le dispositif de commutation est en configuration dé-gerbée comme représentée par la figure 2. Lorsque la colonne porteuse 21 et les structures de support 26 sont en frottement au niveau des surfaces de frottement 28 et 29, le dispositif de commutation est en configuration gerbée.
La figure 2 représente le dispositif de commutation 2 des réflecteurs 5 en configuration dé-gerbée, c'est-à-dire qu'un jeu fonctionnel est mis en place entre les surfaces de frottement 28 des structures de support 26 et les surfaces de frottement 29 de la colonne porteuse rotative 21. En configuration dé-gerbée, le tirant 27 et l'écrou de maintien 22 ne sont pas en tension et la colonne porteuse 21 est apte à être mise en mouvement rotatif permettant ainsi la commutation des réflecteurs 5. Pendant les phases opérationnelles, les membranes 32, supportant les roulements 31, sont légèrement précontraintes contre des butées rigides 23 afin de rester fixe sous les charges , notamment les charges orbitales. Dans cette position, la structure tubulaire bipode 25 est en position de repos. Dans cette position, Les charges de précontrainte des membranes doivent donc être supérieures aux charges de précontrainte dans la structure tubulaire bipode 25.
La figure 3 représente le dispositif de commutation 2 des réflecteurs 5 en configuration gerbée, c'est-à-dire que les surfaces de frottement 28 des structures de support 26 et les surfaces de frottement 29 de la colonne porteuse rotative 21 sont mises en contact. En configuration gerbée, le tirant 27 et l'écrou de maintien 22 sont en tension et la colonne porteuse 21 est immobilisée. En configuration gerbée, les membranes 32 supportant les roulements 31 sont décollées des butées rigides 23, comme représenté sur le grossissement, afin d'éviter le passage des charges dans les roulements, notamment les charges de lancement. Dans cette position, la structure tubulaire bipode 25 est déformée pour permettre la translation des différents éléments ; la structure de support mobile 26, le tirant 27, et la colonne porteuse 21.
Un ressort de sécurité est également mis en place entre le tirant 27 et la structures de support mobile 26 (préférentiellement du coté fixe, à proximité de l'écrou 22, afin d'aider à l'extraction du tirant 27. Un amortisseur peut être également mis en place afin de limiter les chocs de libération du tirant 27.35 L'invention s'applique aux montages d'antennes à faisceau commutable. Elle concerne les antennes destinées à être lancées dans l'espace ou plus généralement embarquées sur un engin mobile.5

Claims (13)

  1. REVENDICATIONS1. Dispositif de commutation (2) de réflecteurs (5) pour une antenne à faisceau commutable comportant au moins deux réflecteurs (5), une colonne porteuse (21) des réflecteurs (5) et un système de gerbage (22 ;27), caractérisé : en ce que la colonne porteuse (21) est montée rotative en ses extrémités sur une première et une seconde structure de support (26), - en ce que le système de gerbage comprend un tirant (27), traversant la colonne porteuse (21) et les structures de support (26), apte à se déplacer en translation dans un écrou (22) de sorte à positionner le système de gerbage en configuration gerbée et dé-gerbée, et en ce que la colonne porteuse (21) et les structures de support (26) comprennent des surfaces de frottement respectives (28, 29) agencées de sorte, qu'en configuration gerbée, elles soient mises en liaison entre elles pour maintenir immobile la colonne porteuse (21) par rapport aux structures de support (26) et, qu'en configuration dé-gerbée, elles soient séparées pour permettre la commutation des réflecteurs (5) selon un mouvement rotatif de la colonne porteuse (21) par rapport aux structures de support (26).
  2. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la colonne porteuse (21) est guidée dans son mouvement de rotation par un jeu de roulements (31) maintenu sur les structures de support (26) par un jeu d'éléments flexibles (32) suivant l'axe de rotation.
  3. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'en configuration dégerbée les éléments flexibles (32) sont précontraints contre des butées rigides (23) des structures de support (26) de telle manière que la colonne porteuse ne bouge pas suivant son axe longitudinal sous les charges orbitales, et en ce qu'en configuration gerbée les éléments flexibles (32) sont décollés des dites butées rigides des structures de support. de telle manière que les roulements soient préservés des charges de lancement.
  4. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la première structure de support (26) est montée surune structure souple (25) et ce que la seconde structure de support (26) est montée sur une structure rigide (24).
  5. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la première structure de support est montée sur une structure bipode (25).
  6. 6. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la première structure de support est montée sur une lame rigide dans son plan.
  7. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que la seconde structure de support est montée sur une structure tripode (24).
  8. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la première et la seconde structure de support (26) sont montées sur une structure unique équipée d'un élément flexible au droit de la première ou de la seconde structure de support (26).
  9. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la colonne porteuse (21) est un cylindre de section sensiblement constante sur la longueur du cylindre.
  10. 10. Montage d'antenne à faisceau commutable comportant une structure de base (6) portant une source immobile (4) et une structure d'élévation (7) portant elle-même un dispositif de commutation (2) d'au moins deux réflecteurs (5), caractérisé en ce que le dispositif de commutation (2) est selon l'une quelconque des revendications précédentes.
  11. 11. Montage d'antenne selon la revendication 10, caractérisé en ce que la structure d'élévation (7) comprend une pluralité de barres d'élévation (71, 72) en matériau composite, des premières extrémités des dites barres étant fixées aux structures de support (26) du dispositif de commutation (2) et des secondes extrémités des dites barres étant fixées à la structure de base (6).
  12. 12. Montage d'antenne selon l'une quelconque des revendications 10 à 11, caractérisé en ce qu'elle comprend également un réflecteur primaire (3) immobile sur la structure de base (6), les réflecteurs du dispositifs de commutation étant agencés de sorte à former un montage d'antenne à double réflecteur (3 ;5).
  13. 13. Satellite comportant un montage d'antenne, caractérisé en ce que le montage est selon l'une quelconque des revendications 10 à 12.
FR1100805A 2011-03-17 2011-03-17 Dispositif de commutation de reflecteurs pour une antenne a faisceau commutable Active FR2972859B1 (fr)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US3138232A (en) * 1958-05-26 1964-06-23 New Britain Machine Co Clutch mechanism
JPS57145404A (en) * 1981-03-04 1982-09-08 Mitsubishi Electric Corp Movable beam antenna
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EP2130767A1 (fr) * 2008-06-06 2009-12-09 Thales Dispositif de maintien d'au moins un objet mobile, réutilisable, sécurisé autonome et sans chocs, pour engins spatiaux

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