FR3033670A1 - Reflecteur d'antenne, en particulier pour engin spatial - Google Patents

Abstract

- Le réflecteur d'antenne (1), en particulier pour un engin spatial et notamment pour un satellite, comprend une coque (2) pourvue d'une première surface qui est réfléchissante, et un système de renfort (4) qui est agencé sur une seconde surface (5) de la coque (2), opposée à ladite première surface, et qui comprend une structure (6) dite arrière, ladite structure arrière (6) comprenant au moins une partie de structure (7A) présentant une forme générale circulaire.

Description

1 La présente invention concerne un réflecteur d'antenne, en particulier pour une antenne d'un engin spatial et notamment d'un satellite. Bien que non exclusivement, la présente invention s'applique plus particulièrement à un réflecteur d'antenne de satellite de télécommunica- tion, en particulier d'une antenne de grande dimension. Un réflecteur d'an- tenne de satellite par exemple, est une partie d'une antenne, qui permet de réfléchir et de former l'onde électromagnétique échangée entre le satellite et la Terre. De façon usuelle, un réflecteur d'antenne comprend une structure rigide (coque) pourvue d'une surface réfléchissante, réfléchissant les on- des électromagnétiques (radiofréquence), et un système de renfort pourvu d'une structure dite arrière, qui maintient la coque et assure la liaison de la coque au satellite. De façon usuelle, la coque est solidarisée de la structure arrière par un ensemble d'éléments de fixation flexibles.

La structure arrière d'un réflecteur comporte, généralement, un assemblage de tubes rectilignes, liés entre eux en formant des angles. Cette structure arrière présente une forme générale représentant un polygone, par exemple un rectangle, ou un assemblage de polygones. Par ailleurs, les coques présentent, généralement, un contour cir- culaire, ou dérivé d'un cercle (comme un cercle tronqué), pour optimiser les performances radiofréquence de l'antenne. L'adaptation de la structure arrière, de type polygonale, sur la coque, de forme circulaire, ne peut pas être mise en oeuvre de manière optimale, notamment car : - il apparaît une distance variable entre le pied des éléments de fixation et le bord de la coque, à savoir la longueur du bord libre de la coque. Il n'est pas possible, en effet, de choisir précisément la longueur du bord libre pour la maintenir à une longueur optimale sur tout le pourtour de la coque. Or, un bord libre est nécessaire pour permettre une dissipation de l'éner- gie mécanique subie lors du lancement. Toutefois, un bord libre trop long induit de grands déplacements du bord de coque, et fragilise donc le bord de coque ; et 3033670 2 - une structure arrière polygonale présente des zones d'angles. Ces zones d'angles induisent des concentrations de contraintes, qui peuvent représenter des zones de fragilité du réflecteur. Par ailleurs, la structure polygonale est placée dans un plan au- 5 dessus de la coque, et ne permet pas d'épouser la forme globalement pa- rabolique du réflecteur. Ainsi, le réflecteur n'est, géométriquement, pas très compact. En outre, avec une structure arrière polygonale, la longueur des éléments de fixation entre la coque et la structure arrière varie en fonction 10 de leur position le long de la structure arrière. Comme pour les longueurs de bord de coque (ou de bord libre), il existe une longueur optimale pour les éléments de fixation. En effet, un élément de fixation trop long est plus sensible au flambage et diminue la tenue mécanique de l'élément de fixation (et du réflecteur), et un élément de fixation trop court ne permet 15 pas de laisser une flexibilité suffisamment importante entre la structure arrière et la coque. En outre, un élément de fixation trop court induit des pertes de performances mécaniques dans la tenue de la jonction au pied de l'élément de fixation. Or, l'utilisation d'une structure polygonale induit des variations dans les longueurs des éléments de fixation, et donc une 20 partie au moins des éléments de fixation présente une longueur non opti- male. Par ailleurs, le positionnement préféré pour un élément de fixation est de l'agencer radialement par rapport à la coque. Lorsque la structure arrière est polygonale, les éléments de fixation ne sont pas partout agen- 25 cés radialement, ou bien il est nécessaire d'ajouter des cales d'angle entre les éléments de fixation et la structure arrière pour garantir une position radiale, ce qui augmente la masse du réflecteur. Une structure usuelle de réflecteur d'antenne comprenant une coque et une structure arrière (d'un système de renfort) de type polygonal, 30 telles que précitées, n'est donc pas optimale. La présente invention a pour objet de remédier à au moins certains des inconvénients précités. Elle concerne un réflecteur d'antenne, en particulier pour un engin spatial et notamment pour un satellite, ledit réflecteur d'antenne comprenant une coque pourvue d'une première surface qui 3033670 3 est réfléchissante, et un système de renfort qui est agencé sur une seconde surface de la coque, opposée à ladite première surface, et qui comprend une structure dite arrière. Selon l'invention, ladite structure arrière comprend au moins une 5 partie de structure présentant une forme générale au moins partiellement circulaire. Ainsi, grâce à l'invention, la structure arrière n'est pas du type usuel complètement polygonal, et comprend au moins une partie de structure qui est circulaire. L'utilisation d'une telle partie de structure circulaire 10 présente de nombreux avantages permettant de remédier à au moins cer- tains des inconvénients précités, comme précisé ci-dessous. Dans un premier mode de réalisation, ladite au moins une partie de structure de ladite structure arrière présente une forme générale complètement circulaire.

15 Dans une variante particulière de ce premier mode de réalisation, ladite structure arrière comprend une pluralité de parties de structure de formes générales (complètement) circulaires, et de diamètres différents. En outre, avantageusement, ladite coque présente une structure paraboloïdale avec ou sans formage (« shaping ») local, et ladite au moins 20 une partie de structure de ladite structure arrière est agencée sur la se- conde surface de la coque de manière à être maintenue, à un ensemble d'éléments de fixation (à tous les éléments de fixation de cet ensemble), à une distance sensiblement constante de ladite seconde surface, correspondant de préférence à une distance optimale.

25 Par ailleurs, dans un second mode de réalisation, ladite au moins une partie de structure de ladite structure arrière présente une forme générale mixte comprenant au moins une partie polygonale et au moins une partie circulaire. Dans une variante particulière de ce second mode de réalisation, ladite forme générale mixte est une forme circulaire tronquée.

30 Par ailleurs, avantageusement, ledit réflecteur d'antenne présente au moins certaines des caractéristiques suivantes, prises individuellement ou en combinaison : - il comporte une pluralité d'éléments de fixation agencés entre la seconde surface de la coque et une surface en regard de ladite structure arrière, 3033670 4 lesdits éléments de fixation étant destinés à solidariser le système de renfort et la coque ; - lesdits éléments de fixation sont agencés radialement sur ladite seconde surface de la coque ; 5 - ladite au moins une partie de structure de la structure arrière comprend au moins un tore. Avantageusement, ledit au moins un tore est réalisé en une seule pièce ou en une pluralité d'éléments (ou de pièces) assemblés ensemble ; - ladite structure arrière est réalisée en matériau composite.

10 La présente invention concerne également un engin spatial, en particulier un satellite, qui comporte au moins un réflecteur d'antenne tel que précité. Les figures annexées feront bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Sur ces figures, des références identiques désignent 15 des éléments semblables. Les figures 1 et 2 sont des vues schématiques, respectivement en coupe et en plan, d'un réflecteur d'antenne illustrant l'invention. La figure 3 est une vue schématique, en plan, d'un mode de réalisation particulier d'un réflecteur d'antenne pourvu d'une structure arrière 20 comprenant plusieurs parties de structure concentriques. La figure 4 est une vue schématique, en plan, d'un mode de réalisation particulier d'un réflecteur d'antenne présentant une forme circulaire tronquée. Le réflecteur d'antenne 1 (ci-après « réflecteur 1 ») illustrant 25 l'invention et représenté schématiquement sur la figure 1 est un réflecteur d'une antenne, en particulier pour une antenne d'un engin spatial et notamment d'un satellite. Bien que non exclusivement, ce réflecteur 1 peut être un réflecteur d'une antenne d'un satellite de télécommunication, notamment d'une antenne de grande dimension, par exemple avec un dia- 30 mètre de l'ordre de deux à cinq mètres. La description ci-après s'applique, à titre d'illustration, à un réflecteur d'antenne d'un satellite. Un tel réflecteur d'antenne doit répondre à des spécifications très strictes et présenter, notamment, une bonne tenue mécanique aux am- 3033670 5 biances existant lors du lancement du satellite, une précision de la surface, une stabilité de la surface lors de variations de température extrêmes telles qu'elles existent en orbite, une bonne tenue mécanique sur une plage de températures étendue, une grande légèreté, et une raideur éle- 5 vée. De façon usuelle, le réflecteur 1 comprend, comme représenté très schématiquement sur la figure 1 : - une coque 2 pourvue d'une première surface, dite surface avant 3, qui est apte à réfléchir des ondes électromagnétiques ; et 10 - un système de renfort 4 qui est agencé sur une seconde surface de la coque 2, dite surface arrière 5, qui est opposée à ladite surface avant 3. Ce système de renfort 4 comprend une structure principale dite structure arrière 6, ainsi que d'autres éléments et moyens usuels (non représentés) permettant notamment de fixer le réflecteur 1 sur le satellite considéré. Le 15 système de renfort 4 a pour but de maintenir la coque 2 et d'assurer la liaison de la coque 2 au satellite. Dans un mode de réalisation préféré (non représenté), la coque 2 du réflecteur 1 comprend une structure sandwich composite comprenant une âme en nid-d'abeilles, qui est transparente aux ondes électromagnéti- 20 ques (radioélectriques), et sur laquelle sont apposées une peau avant et une peau arrière. Chacune des peaux comprend un ou plusieurs plis de matériau composite avec, par exemple, des fibres de carbone. Chaque pli peut être un pli unidirectionnel ou un pli tissé. Le matériau constituant la peau avant (c'est-à-dire la surface avant 3 réfléchissante) de la coque 2 25 doit permettre de garantir une réflexion des ondes électromagnétiques. Un empilement de plis en matériau composite permet de garantir de bonnes performances mécaniques et une légèreté importante. La coque peut présenter une forme spécifique pour chaque réflecteur considéré. Selon l'invention, la structure arrière 6 du réflecteur 1 comprend au 30 moins une partie de structure 7A, 7B, 7C, 7D présentant une forme géné- rale au moins partiellement circulaire. Ainsi, grâce à l'invention, la structure arrière 6 du réflecteur 1, comprenant au moins une partie de structure 7A, 7B, 7C, 7D qui est circulaire, n'est pas du type usuel complètement polygonal. L'utilisation 3033670 6 d'une telle partie de structure 7A, 7B, 7C, 7D circulaire présente de nombreux avantages précisés ci-dessous. Dans un premier mode de réalisation représenté sur les figures 1 et 2, la structure arrière 6 du réflecteur 1 comprend une seule partie de 5 structure 7A, cette partie de structure 7A présentant une forme générale complètement circulaire. Cette partie de structure 7A est agencée de manière concentrique par rapport à la coque 2 qui est de type parabolique et donc de forme circulaire en vue en plan, comme représenté sur la figure 2. 1() La coque 2 présente ainsi une structure paraboloïdale, dont on a représenté le centre 0 (situé sur un axe X-X) notamment sur la figure 2. De plus, la partie de structure 7A de ladite structure arrière 6 est agencée sur la surface arrière 5 de la coque 2 de manière à être située, en tous points, à une distance sensiblement constante de ladite surface arrière 5.

15 Pour ce faire, le réflecteur 1 comporte également une pluralité d'éléments de fixation 8, précisés ci-dessous, qui sont agencés entre la surface arrière 5 de la coque 2 et une surface en regard de ladite structure arrière 6. Ces éléments de fixation 8 sont destinés à solidariser le système de renfort 4 et la coque 2.

20 Les éléments de fixation 8 sont répartis, de préférence uniformé- ment, autour de la périphérie de la structure arrière 6. La structure arrière 6 est ainsi placée dans un plan au-dessus de la coque 2, du côté de sa surface arrière 5, et permet d'épouser la forme (globalement parabolique) du réflecteur 1. Ainsi, le réflecteur 1 est géo- 25 métriquement très compact. Les éléments de fixation 8 peuvent correspondre à tout élément mécanique, notamment une cornière, par exemple en forme de T ou de L, permettant de fixer à distance la structure arrière 6 à la surface arrière 5 de la coque 2 et présentant une flexibilité.

30 Le positionnement préféré pour un élément de fixation 8 est de l'agencer radialement par rapport à la surface arrière 5 (arrondie) de la coque 2. Ceci permet de créer une flexibilité maximale entre la coque 2 et la structure arrière 6. Grâce à la forme circulaire de la structure arrière 6, cette dernière peut épouser la forme de la coque 2, et ainsi sur toute la 3033670 7 partie circulaire, les éléments de fixation 8 peuvent être agencés radiale-ment sans nécessiter par exemple de cales d'angles, ce qui est notamment avantageux pour des raisons de facilité de montage et de réduction de masse.

5 Par ailleurs, dans un autre mode de réalisation représenté sur la fi- gure 3, la structure arrière 6 comprend une pluralité de parties de structure 7B et 7C. Ces parties de structures 7B et 7C présentent des formes générales circulaires, mais avec des diamètres respectifs dl et d2 différents.

10 Ces parties de structure 7B et 7C sont agencées de façon concen- trique l'une par rapport à l'autre, ainsi que par rapport à la coque 2. La structure arrière 6 comporte, de plus, des tubes de liaison 9, de préférence rectilignes, qui lient ensemble les parties de structure 7B et 7C, notamment pour améliorer la tenue mécanique. De préférence, ces 15 tubes de liaison 9 sont agencés radialement par rapport aux parties de structure 7B et 7C. Un tel assemblage de tubes de liaison 9 rectilignes (ou droits) et de tubes circulaires (parties de structure) peut être utilisé lorsque la structure arrière est constituée de plusieurs parties de structure circulaires con- 20 centriques et que des tubes de liaison 9 rectilignes (préférentiellement ra- diaux) sont utilisés pour lier les parties circulaires entre elles. La structure arrière 6 peut donc notamment comporter une ou plusieurs parties de structure (arrière) complètement circulaires, comme représenté sur la figure 2 (montrant une seule partie de structure 7A circu- 25 laire), ou bien elle peut comporter une combinaison de parties de structure arrière circulaires et de tubes de liaison rectilignes, comme représenté sur la figure 3. L'utilisation d'une structure arrière 6 à partie(s) de structure circulaire(s), permet d'obtenir une longueur D de bord de coque (par rapport au 30 bord 2A radialement externe de la coque 2) qui est constante sur tout le pourtour de la coque 2, soit pour l'unique partie de structure 7A comme sur l'exemple de la figure 2, soit pour la partie de structure 7B (de la structure arrière 6) radialement la plus externe comme sur l'exemple de la figure 3. On peut ainsi choisir le diamètre de cette structure arrière 7A, 7B 3033670 8 pour garantir une longueur D de bord de coque (ou de bord libre) qui est optimale, ce qui améliore notamment les performances mécaniques du réflecteur 1 par rapport à une architecture usuelle avec une structure arrière polygonale.

5 La longueur optimale de bord libre dépend du matériau et de l'épaisseur de la coque 2, ainsi que du design général du réflecteur 1. A titre d'illustration, pour une antenne de grande dimension, la longueur optimale du bord libre peut être située entre 5 cm et 70 cm. Un tel bord libre permet de réaliser une dissipation de l'énergie mécanique subie lors du 10 lancement, mais il n'est pas être trop long pour ne pas induire de grands déplacements du bord de coque. L'utilisation d'une forme circulaire pour la structure arrière 6 permet également de maintenir une symétrie de révolution du réflecteur 1, ce qui diminue les zones de concentrations de contraintes (qui sont des zo- 15 nes de faiblesse potentielle du réflecteur), et améliore l'ensemble des per- formances du réflecteur 1. Ainsi, les performances de déformation thermique du réflecteur 1 sont décuplées (déformations dix fois plus faibles) par rapport à un réflecteur similaire avec une structure arrière polygonale. Par ailleurs, dans un second mode de réalisation, la partie de 20 structure 7D de ladite structure arrière 6 présente une forme générale mixte 10 comprenant au moins une partie circulaire 11, 12 et au moins une partie polygonale (ou rectiligne) 13, 14, comme représenté sur la figure 4. Dans le mode de réalisation particulier de la figure 4, cette forme 25 générale mixte 10 est une forme circulaire tronquée, comprenant des par- ties (ou tronçons) circulaires 11 et 12 et des parties (ou tronçons) rectilignes 13 et 14 alternées. Elle comporte également un tronçon rectiligne 15 liant ensemble les deux parties rectilignes 13 et 14. Comme dans le premier mode de réalisation, dans ce second mode 30 de réalisation, le réflecteur 1 comporte également une pluralité d'éléments de fixation (non représentés) qui sont agencés entre la surface arrière 5 de la coque 2 et la surface en regard de la structure arrière 6. Il existe une longueur optimale pour les éléments de fixation 8. En effet, un élément de fixation trop long est plus sensible au flambage et 3033670 9 diminue la tenue mécanique de cet élément de fixation (et du réflecteur), et un élément de fixation trop court ne permet pas de laisser une flexibilité assez grande entre la structure et la coque. De plus, un élément de fixation trop court induit des pertes de performances mécaniques dans la te- 5 nue de la jonction au pied de l'élément de fixation. A titre d'illustration, la longueur optimale pour un élément de fixation 8 est située entre 3 cm et 40 cm. Cette longueur optimale dépend de caractéristiques de l'élément de fixation, telles que le matériau constituant l'élément de fixation, sa largeur, son épaisseur, le type de jonction entre l'élément de fixation et la 10 coque, et le type de jonction entre l'élément et la structure arrière. Par ailleurs, quel que soit le mode de réalisation considéré, la structure arrière 6 comprend, de préférence, des tubes en matériau composite à base de carbone, qui permettent d'assurer la tenue et la raideur mécaniques, et une grande inertie de cette structure arrière pour obtenir 15 de bonnes performances du réflecteur complet. Ces tubes peuvent pré- senter des sections transversales de différentes formes, par exemple une ellipse ou de préférence un rond, ou des sections de formes polygonales, notamment rectangulaires ou carrées. Ainsi, chaque partie de structure circulaire peut être un tore com- 20 plet ou plusieurs parties de tore. Les parties de tores peuvent être assem- blées entre elles ou être séparées. La forme de la structure arrière 6 peut dépendre, notamment, de la dimension de la coque 2 et de la position d'interfaces avec le satellite de manière à garantir un maintien de la coque 2 en des points répartis sur sa 25 surface. Par ailleurs, la présente invention peut s'appliquer à des réflecteurs pourvus de différents types de coque, et notamment : - à des réflecteurs dont la coque est parabolique, la forme de la coque étant un paraboloïde de révolution ; et 30 - à des réflecteurs dont la coque présente un formage local (« shaping »). Le réflecteur 1, tel que décrit ci-dessus à partir de plusieurs modes de réalisation différents, comprend donc une structure arrière 6 au moins partiellement circulaire et non pas complètement polygonale. L'utilisation 3033670 10 d'une telle structure arrière 6 (circulaire) présente ainsi de nombreux avantages, et notamment les avantages suivants : - la structure arrière 6 permet de réaliser un réflecteur 1 compact, avec une structure arrière 6 agencée partout au plus près de la coque 2. De 5 plus, on peut prévoir, sur la partie circulaire, une distance constante entre la structure arrière 6 et la coque 2. On peut choisir cette distance comme étant égale à la longueur optimale des éléments de fixation 8, ce qui améliore les performances mécaniques du réflecteur 1 par rapport à l'utilisation d'une structure polygonale ; 10 - les éléments de fixation 8 montés sur la structure arrière 6 peuvent être agencés de manière radiale, ce qui est leur position optimale et ne nécessite pas de cales d'angles supplémentaires ; et - la structure arrière 6 est agencée, sur la partie circulaire, à la même distance du bord 2A de la coque 2. L'utilisation d'une structure complète- 15 ment circulaire permet d'obtenir une longueur D de bord de coque cons- tante sur tout le pourtour de la coque 2, qui peut être choisie égale à une longueur optimale. Le procédé de fabrication di.; réflecteur 1, tel que décrit ci-dessus, est le suivant. La structure arrière 6 (au moins partiellement circulaire) est 20 fabriquée en matériau composite à base de carbone. A titre d'illustration elle peut être fabriquée par drapage de plis pré-imprégnés, par dépose de plis secs, puis par moulage par injection basse pression de résine liquide de type RTM (pour « Resin Transfert Molding » en anglais) ou infusion, puis par polymérisation de la résine.

25 A titre d'exemple, la fabrication d'une structure arrière 6 tubulaire torique est réalisée par l'utilisation d'un moule torique et le drapage de plis composite sur le moule. La fabrication de la coque 2 du réflecteur 1 est, quant à elle, réalisée de façon usuelle. De plus, l'assemblage de la structure arrière 6 est 30 mis en oeuvre suivant des procédés identiques à ceux utilisés pour des réflecteurs usuels, ainsi que la fixation de la structure arrière 6 sur la coque 2.

Claims (14)

1. REVENDICATIONS1. Réflecteur d'antenne, en particulier pour engin spatial et notamment pour satellite, ledit réflecteur (1) comprenant une coque (2) pourvue d'une première surface (3) qui est réfléchissante, et un système de renfort (4) qui est agencé sur une seconde surface (5) de la coque (2), opposée à ladite première surface (3), et qui comprend une structure (6) deaetéiésé, en ce que ladite structure arrière (6) comprend au moins une partie de structure (7A, 7B, 7C, 7D) présentant une forme générale au moins partiellement circulaire.
2. 2. Réflecteur d'antenne selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite au moins une partie de structure (7A, 7B, 7C) de ladite structure arrière (6) présente une forme générale complètement circulaire.
3. 3. Réflecteur d'antenne selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite structure arrière (6) comprend une pluralité de parties de structure (7B, 7C) de formes générales circulaires, et de diamètres différents.
4. 4. Réflecteur d'antenne selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que ladite coque (2) présente une structure paraboloï- dale, et ladite au moins une partie de structure (7A, 7B, 7C) de ladite structure arrière (6) est agencée sur la seconde surface (5) de la coque (2) de manière à être maintenue, à un ensemble d'éléments de fixation, à une distance sensiblement constante de ladite seconde surface (5).
5. 5. Réflecteur d'antenne selon la revendication 4, caractérisée en ce que la structure paraboloïde est de type avec formage local ou sans formage local.
6. 6. Réflecteur d'antenne selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite au moins une partie de structure (7D) de la- dite structure arrière (6) présente une forme générale mixte (10) compre- nant au moins une partie polygonale (13, 14) et au moins une partie circulaire (11, 12).
7. 7. Réflecteur d'antenne selon la revendication 6, 3033670 12 caractérisée en ce que ladite forme générale mixte (10) est une forme circulaire tronquée.
8. 8. Réflecteur d'antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, 5 caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité d'éléments de fixation (8) agencés entre la seconde surface (5) de la coque (2) et une surface en regard de ladite structure arrière (6), lesdites éléments de fixation (8) étant destinés à solidariser le système de renfort (4) et la coque (2).
9. 9. Réflecteur d'antenne selon la revendication 8, 10 caractérisée en ce que lesdits éléments de fixation (8) sont agencés radia- lement sur ladite seconde surface (5) de la coque (2).
10. 10. Réflecteur d'antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite au moins une partie de structure (7A, 7B, 7C, 15 7D) de la structure arrière (6) comprend au moins un tore.
11. 11. Réflecteur d'antenne selon la revendication 10, caractérisé en ce que le tore est réalisé en une seule pièce.
12. 12. Réflecteur d'antenne selon la revendication 10, caractérisé en ce que le tore est réalisé en une pluralité d'éléments as- 20 semblés ensemble.
13. 13. Réflecteur d'antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite structure arrière (6) est réalisée en matériau composite. 25
14. 14. Engin spatial, en particulier satellite, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un réflecteur d'antenne (1), tel que celui spécifié sous l'une quelconque des revendications 1 à 13.