FR3058394A1 - Filtre solaire pour engins spatiaux - Google Patents

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Abstract

La présente invention concerne un dispositif (10) pour une unité d'émission et de réception (110) d'un système de communication. Le dispositif (10) comporte un premier passage (120A) pour des ondes électromagnétiques et un second passage (120B) pour des ondes électromagnétiques, une surface partiellement transparente (130) qui est transparente pour des ondes électromagnétiques d'une première gamme de longueurs d'onde (180A, 180B) et réfléchissante pour des ondes électromagnétiques d'une seconde gamme de longueurs d'onde (190) différente de la première gamme (180A, 180B), et une première surface rétroréfléchissante (140A) qui rétroréfléchit les ondes électromagnétiques de la première gamme (180A, 180B). Une direction de réflexion des ondes de la première gamme (180A, 180B) est différente d'une direction de réflexion des ondes de la seconde gamme (190) lorsque les ondes électromagnétiques de la première gamme (180A, 180B) ainsi que les ondes électromagnétiques de la seconde gamme (190) entrent par le même passage.

Description

(54) FILTRE SOLAIRE POUR ENGINS SPATIAUX.
©) La présente invention concerne un dispositif (10) pour une unité d'émission et de réception (110) d'un système de communication. Le dispositif (10) comporte un premier passage (120A) pour des ondes électromagnétiques et un second passage (120B) pour des ondes électromagnétiques, une surface partiellement transparente (130) qui est transparente pour des ondes électromagnétiques d'une première gamme de longueurs d'onde (180A, 180B) et réfléchissante pour des ondes électromagnétiques d'une seconde gamme de longueurs d'onde (190) différente de la première gamme (180A, 180B), et une première surface rétroréfléchissante (140A) qui rétroréfléchit les ondes électromagnétiques de la première gamme (180A, 180B). Une direction de réflexion des ondes de la première gamme (180A, 180B) est différente d'une direction de réflexion des ondes de la seconde gamme (190) lorsque les ondes électromagnétiques de la première gamme (180A, 180B) ainsi que les ondes électromagnétiques de la seconde gamme (190) entrent par le même passage.
\Γ17θ
La présente invention concerne un dispositif pour une unité d’émission et de réception d’un système de communication, ainsi qu’un engin spatial équipé d’un tel dispositif. La présente invention concerne en particulier l’amélioration des contraintes thermiques des flux thermiques concernant les composants d’un tel dispositif ainsi qu’un engin spatial équipé d’un tel dispositif.
L’ampleur des contraintes thermiques peut constituer un défi majeur en particulier pour les engins spatiaux qui sont utilisés et fonctionnent hors de l’atmosphère terrestre. Cela est dû au fait que, étant donné l’absence d’atmosphère, l’échange de chaleur s’effectue sans convection uniquement par conduction et rayonnement thermiques.
En principe, la chaleur peut passer d’un lieu à une température plus élevée à un lieu à une température moins élevée par le phénomène de conduction thermique (également appelé diffusion thermique) ou par rayonnement thermique. De plus, un transport de la chaleur est également possible par convection et un courant de matière macroscopique est nécessaire à cet effet. Hors de l’atmosphère terrestre, c’est-à-dire dans le vide, un transport de chaleur par convection est impossible en raison de l’absence d’atmosphère. L’exposition effective ou variable, ou la nonexposition, d’un objet à des sources de rayonnement, en particulier également au soleil, peut conduire à des variations de température très élevées à l’intérieur de l’objet. Ceci constitue un défi majeur pour les engins spatiaux fabriqués par l’homme, notamment du fait que les composants utilisés doivent être conçus pour fonctionner dans une plage de températures restreinte.
Le brevet US 6 073 888 décrit un satellite qui tourne en orbite autour de la Terre et qui comporte un radiateur thermique. Le radiateur thermique est réalisé de manière à évacuer la chaleur provenant d’une source de chaleur et à la diffuser dans l’espace. Un conducteur de chaleur s’étend entre le radiateur thermique et la source de chaleur, et des thermorupteurs sont prévus afin de relier la source de chaleur au radiateur thermique et de réduire la température de la source de chaleur lorsque la température dépasse un seuil prédéterminé.
On peut considérer que le but de la présente invention est de réduire un gradient de température, en particulier un gradient de température spatial, c’est-à-dire une différence de température entre deux points d’un objet au même instant t, dans un système de communication, et en particulier de réduire ou d’éliminer une perte non voulue ou une entrée non voulue d’un rayonnement thermique dans un système de communication.
Ce but est atteint par l’objet de la revendication indépendante. D’autres modes de réalisation découlent des revendications dépendantes ainsi que de la description qui suit.
Selon un premier aspect de la présente invention, on fournit un dispositif pour une unité d’émission et de réception d’un système de communication. Ce dispositif peut être une partie d’un dispositif de communication, mais il peut également s’agir d’une extension ou d’une installation ultérieure qui est en particulier agencée sur un trajet de transmission de signaux.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, le dispositif comporte un premier passage pour des ondes électromagnétiques et un second passage pour des ondes électromagnétiques. Les premier et second passages peuvent être appelés entrée de signal ou sortie de signal. Pour des signaux optiques, ces passages peuvent être des évidements ou des ouvertures qui permettent le passage de signaux optiques. Le dispositif peut être configuré pour la transmission unidirectionnelle ou bidirectionnelle de signaux en mode semi duplex ou duplex. Le premier passage tout comme le second passage peuvent être considérés comme une entrée de signal ou une sortie de signal, ou les deux.
Dans ce mode de réalisation, le dispositif comporte en outre une surface partiellement transparente qui est transparente pour des ondes électromagnétiques d’une première gamme de longueurs d’onde, et qui est réalisée de manière à réfléchir des ondes électromagnétiques d’une seconde gamme de longueurs d’onde qui est différente de la première gamme de longueurs d’onde. La surface partiellement transparente peut également être qualifiée de surface partiellement réfléchissante.
Dans le contexte de la présente description, le terme partiellement transparente sous-entend que la surface partiellement transparente est transparente pour une première gamme de longueurs d’onde d’ondes électromagnétiques, et est sensiblement imperméable pour une seconde gamme de longueurs d’onde d’ondes électromagnétiques et réfléchit les ondes électromagnétiques de la seconde gamme de longueurs d’onde.
Plus particulièrement, les ondes électromagnétiques de la seconde gamme de longueurs d’onde sont réfléchies par la surface partiellement transparente de sorte qu’elles sont dirigées ou réfléchies du premier passage au second passage, et/ou inversement, alors que les ondes électromagnétiques de la première gamme de longueurs d’onde sont peu, ou ne sont pas, réfléchies par la surface partiellement transparente.
Dans ce mode de réalisation, le dispositif comporte en outre une première surface rétroréfléchissante, qui est réalisée de manière à rétroréfléchir les ondes électromagnétiques de la première gamme de longueurs d’onde. Ici, une direction de réflexion des ondes électromagnétiques de la première gamme de longueurs d’onde est différente d’une direction de réflexion des ondes électromagnétiques de la seconde gamme de longueurs d’onde, lorsque les ondes électromagnétiques de la première gamme de longueurs d’onde tout comme les ondes électromagnétiques de la seconde gamme de longueurs d’onde entrent par le même passage.
Dans le contexte de la présente description, le terme rétroréfléchissant sousentend que la surface rétroréfléchissante réfléchit une onde électromagnétique incidente au même angle que celui où elle entre. En d’autres termes, une source électromagnétique incidente est réfléchie vers sa source et n’est sinon pas déviée ou inversée en termes de direction. La surface rétroréfléchissante peut être réalisée de sorte qu’elle a des propriétés de rétro réflexion dans une plage angulaire donnée, cette plage angulaire étant par exemple comprise entre 80° et 100°, en particulier entre 85° et 95°, en particulier à 90° de l’onde électromagnétique incidente par rapport à la surface rétroréfléchissante.
Les ondes électromagnétiques de la seconde gamme de longueurs d’onde peuvent être une porteuse de signal d’un trajet de communication optique sans fil. Il peut en particulier s’agir d’un rayonnement laser. Les ondes électromagnétiques de la première gamme de longueurs d’onde peuvent être un rayonnement thermique.
La configuration décrite ici présente l’avantage que la porteuse de signal, c’est-àdire les ondes électromagnétiques de la seconde gamme de longueurs d’onde, sont guidées d’un passage à l’autre, alors que les ondes électromagnétiques de la première gamme de longueurs d’onde sont empêchées de suivre le même trajet car elles sont réfléchies par la surface partiellement transparente. On peut ainsi en particulier obtenir qu’un rayonnement thermique suive par exemple un autre trajet que la porteuse de signal. Il est ainsi possible de réduire, voire d’éliminer, l’ampleur du rayonnement thermique qui quitte le dispositif par les premier et second passages et/ou pénètre dans le dispositif par ces passages. On peut donc réussir à réduire une fluctuation de température et un écart de température possible dans le dispositif (c’est-à-dire la différence entre la température maximale du dispositif lorsque l’apport d’énergie de l’extérieur est le plus élevé et la température minimale du dispositif lorsque la déperdition d’énergie vers l’extérieur est la plus grande).
Si la porteuse de signal et le rayonnement thermique entrent par le premier passage, c’est-à-dire par le même passage, la porteuse de signal se réfléchit en direction du second passage et le rayonnement thermique est renvoyé en direction du premier passage. Ceci signifie que la direction de réflexion des ondes électromagnétiques de la première gamme de longueurs d’onde est différente de la direction de réflexion des ondes électromagnétiques de la seconde gamme de longueurs d’onde.
Pour les besoins de la présente direction, la surface partiellement transparente associée à la première surface rétroréfléchissante ainsi qu’aux deux passages peut être appelée unité réflectrice.
La direction de réflexion des ondes électromagnétiques de la première gamme de longueurs d’onde est différente de la direction de réflexion des ondes électromagnétiques de la seconde gamme de longueurs d’onde. Ceci signifie par exemple que les ondes électromagnétiques de la première gamme de longueurs d’onde (le rayonnement thermique) sont renvoyées par la surface rétroréfléchissante vers leur source ou origine. Si les ondes électromagnétiques de la seconde gamme de longueurs d’onde entrent dans l’unité réflectrice par le premier passage, elles sont réfléchies de sorte qu’elles quittent de nouveau l’unité réflectrice par le même passage. Les ondes électromagnétiques de la seconde gamme de longueurs d’onde (la porteuse de signal) pénètrent dans l’unité réflectrice par un passage, sont réfléchies et quittent l’unité réflectrice par l’autre passage. La porteuse de signal correspond au signal de communication et doit naturellement quitter le dispositif en direction d’une station distante afin qu’une liaison de communication puisse être établie.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, les ondes électromagnétiques de la première gamme de longueurs d’onde sont un rayonnement ayant une longueur d’onde allant jusqu’à 1 000 nm (inclus) et entre 1 600 nm et 1 mm (respectivement inclus). La gamme de longueurs d’onde entre 1 600 nm et 1 mm peut également être appelée rayonnement thermique à ondes longues. En d’autres termes, la surface partiellement transparente est réalisée de manière à laisser passer le rayonnement dans cette gamme de longueurs d’onde, c’est-à-dire afin d’être transparente pour celui-ci, et la surface rétroréfléchissante est réalisée de manière à réfléchir le rayonnement électromagnétique dans cette gamme de longueurs d’onde. Ceci permet de réfléchir le rayonnement, en particulier le rayonnement thermique, de la surface rétroréfléchissante vers sa source, de sorte qu’il est bloqué ou au moins réduit, ledit rayonnement sort de l’unité réflectrice ou pénètre par celle-ci dans les composants du dispositif situés en arrière.
Il convient de noter que la surface partiellement transparente peut être réalisée de manière à être transparente pour une ou plusieurs gammes de longueurs d’onde prédéfinies à partir de la gamme indiquée de 1 600 nm à 1 mm. Ainsi, au sens de la présente demande, le terme gamme de longueurs d’onde ne doit pas nécessairement être compris comme une seule plage de valeurs continue (mais il peut l’être), mais il peut également inclure une pluralité de gammes espacées les unes des autres sur l’échelle des longueurs d’onde. La surface partiellement transparente peut donc être transparente pour des ondes électromagnétiques à une longueur d’onde de 1 000 nm (inclus) et de 1 600 nm (inclus) à 1 mm (inclus), alors que la surface partiellement transparente est réalisée de manière à être réfléchissante pour la gamme exclue entre 1 000 nm et 1 600 nm (respectivement exclus). Bien entendu, une segmentation en gammes de longueurs d’onde plus étroites est également possible. La surface partiellement transparente peut être appelée filtre coupe-bande, qui réfléchit les ondes électroniques dans une gamme de longueurs d’onde étroite sur une gamme de longueurs d’onde plus large, et qui est transparent pour les ondes magnétiques dans la gamme restante de la gamme de longueurs d’onde plus large.
Selon un autre mode de réalisation de la présente invention, les ondes électromagnétiques de la seconde gamme de longueurs d’onde sont un rayonnement laser.
La longueur d’onde laser utilisée peut être par exemple 1 064 nm ou 1 550 nm. Pour ces longueurs d’onde ou pour une gamme de longueurs d’onde contenant ces longueurs d’onde indiquées, c’est-à-dire par exemple entre 1 060 nm et 1 070 nm ou entre 1 545 nm et 1 555 nm, voire des gammes encore plus élevées, la surface partiellement transparente est réalisée de manière réfléchissante.
Le rayonnement laser est utilisé comme porteuse de signal sur un trajet de transmission de données optique sans fil et est réfléchi ou dévié par la surface partiellement transparente.
Selon un autre mode de réalisation de la présente invention, la surface partiellement transparente est réalisée sous la forme d’un filtre dichroïque.
Un filtre dichroïque peut également être appelé filtre à interférence et est réalisé de manière à miroiter ou réfléchir des ondes magnétiques en fonction de la fréquence. Un filtre à interférence peut généralement être utilisé pour découper une lumière incidente en gammes de fréquences.
Ici, le filtre dichroïque est réalisé de manière à réfléchir des ondes à la longueur d’onde de la porteuse de signal et pour absorber ou réfléchir sensiblement des ondes électromagnétiques dont la longueur d’onde s’écarte de celle-ci, en particulier le rayonnement thermique, ou sinon les laisser passer de sorte que le rayonnement thermique arrive sur la surface rétroréfléchissante.
La surface partiellement transparente peut comporter un revêtement dichroïque qui fournit ou a la propriété dichroïque. Ce revêtement peut en particulier ne pas être métallique.
Les propriétés du revêtement dichroïque peuvent être adaptées en fonction de la longueur d’onde de la porteuse de signal utilisée. Cette adaptation peut par exemple avoir lieu pendant le développement ou lors de la fabrication du dispositif, et elle peut être nécessaire car le revêtement dichroïque doit être conçu différemment en fonction de la longueur d’onde à réfléchir. Dans l’analogie au filtre coupebande indiquée ci-dessus, il peut s’agir d’adapter la gamme de longueurs d’onde dans laquelle la surface partiellement transparente réfléchit, à savoir la longueur d’onde de la porteuse de signal utilisée. Celle-ci peut être une longueur d’onde ou une gamme de longueurs d’onde, mais il peut également s’agir de plusieurs longueurs d’onde ou de plusieurs gammes de longueurs d’onde.
Selon un autre mode de réalisation de la présente invention, la surface partiellement transparente comporte du germanium.
La surface partiellement transparente peut être réalisée sous la forme d’un miroir en germanium. À cet effet, le revêtement dichroïque peut être déposé sur le germanium. Le germanium laisse passer le rayonnement thermique ou est transparent pour celui-ci.
La surface partiellement transparente est agencée entre la première surface rétroréfléchissante et les deux passages. Indépendamment des passages à travers lesquels des ondes électromagnétiques pénètrent dans le dispositif de changement de direction, ces ondes électromagnétiques rencontrent d’abord la surface partiellement transparente et ensuite la première surface rétroréfléchissante, et ne sont pas réfléchies par celle-ci.
Selon un autre mode de réalisation de la présente invention, le dispositif comporte en outre un premier isolant thermique, le premier isolant thermique étant agencé derrière la première surface rétroréfléchissante du point de vue du premier passage. Le premier isolant thermique permet en particulier que l’énergie thermique introduite dans la surface rétroréfléchissante au moyen du rayonnement thermique ait le plus faible impact thermique sur les composants environnants du dispositif de changement de direction, c’est-à-dire que pratiquement aucune énergie thermique, voire aucune énergie thermique, ne soit fournie par l’unité réflectrice ou reçue par le biais de celle-ci.
Le premier isolant thermique peut être réalisé sous la forme d’un corps noir. Un corps noir (également appelé radiateur noir, radiateur de Planck ou source de rayonnement thermique) absorbe un rayonnement électromagnétique incident à chaque longueur d’onde ou dans une gamme de longueurs d’onde prédéterminée dans un cas idéal jusqu’à 100 % et émet un rayonnement thermique sous forme de rayonnement électromagnétique, qui dépend uniquement de sa température et est indépendant de la nature ultérieure du corps et de sa surface.
Selon un autre mode de réalisation de la présente invention, le dispositif comporte en outre un premier élément chauffant qui est réalisé de manière à fournir de l’énergie thermique et à la diriger vers la première surface rétroréfléchissante.
Ainsi, la température de la première surface rétroréfléchissante peut être augmentée afin de compenser les pertes et les diffusions du rayonnement thermique résultant de la surface partiellement transparente, de sorte que l’ampleur du rayonnement thermique fourni par la surface rétroréfléchissante (c’est-à-dire la somme du rayonnement réfléchi et de l’énergie thermique fournie) correspond au rayonnement thermique initialement introduit dans l’unité réflectrice.
Le premier élément chauffant est réalisé de manière à générer et céder de l’énergie thermique. Le premier élément chauffant peut par exemple être alimenté en énergie électrique. L’élément chauffant peut également être réalisé de manière à être couplé à un récepteur, en particulier un récepteur électrique, et à recevoir la chaleur perdue par ce récepteur et à ensuite la céder sous forme d’énergie thermique en direction de la première surface rétroréfléchissante.
Selon un autre mode de réalisation de la présente invention, la première surface rétroréfléchissante comporte un revêtement métallique.
Le revêtement métallique peut par exemple être de l’or, de l’argent ou du cuivre, ou une combinaison de ceux-ci. Ce revêtement peut être appliqué sur un corps en matière plastique, le rayonnement thermique étant ainsi réfléchi.
Selon un autre mode de réalisation de la présente invention, la première surface rétroréfléchissante comporte au moins un élément à miroir triple, qui est réalisé de manière à renvoyer un rayonnement électromagnétique incident vers sa source.
Un élément à miroir triple peut réfléchir un rayonnement incident sur une plage angulaire déterminée, de sorte que celui-ci est renvoyé vers sa source. La surface rétroréfléchissante peut comporter une pluralité de tels éléments à miroir triple, ceuxci étant agencés à plat les uns à côté des autres. Une telle configuration peut être appelée miroir triple ou rétroréflecteur.
Selon un autre mode de réalisation de la présente invention, le au moins un élément à miroir triple comporte une ouverture à travers laquelle un rayonnement thermique supplémentaire peut pénétrer, lequel rayonnement est fourni dans la même direction que les ondes électromagnétiques de la première gamme de longueurs d’onde. Le rayonnement thermique supplémentaire peut en particulier être fourni par l’élément chauffant, tel que celui qui a été davantage décrit ci-dessus.
Selon un autre mode de réalisation de la présente invention, le dispositif comporte en outre une seconde surface rétroréfléchissante, dans lequel la première surface rétroréfléchissante est agencée en face du premier passage, dans lequel la seconde surface rétroréfléchissante est agencée en face du second passage, et dans lequel la surface partiellement transparente est agencée entre le premier passage et la première surface rétroréfléchissante et entre le second passage et la seconde surface rétroréfléchissante, de sorte que les ondes électromagnétiques de la seconde gamme de longueurs d’onde qui sont incidentes sur la surface partiellement transparente à travers le premier passage, sont réfléchies en direction du second passage.
Les surfaces rétroréfléchissantes peuvent se présenter sous la forme d’un composant structurel unique associé à la surface partiellement transparente. Par exemple, les surfaces rétroréfléchissantes peuvent être appliquées sur la face arrière de la surface partiellement transparente, c’est-à-dire sur la face de la surface partiellement transparente qui est en face des passages. Il est possible d’agencer plusieurs éléments à miroir triple, une partie de ces éléments à miroir triple étant agencée de manière à réfléchir le rayonnement thermique en direction du premier passage et une autre partie des éléments à miroir triple étant agencée de manière à réfléchir le rayonnement thermique en direction du second passage.
En variante, la surface rétroréfléchissante peut être structurellement séparée de la surface partiellement transparente.
La seconde surface rétroréfléchissante peut être construite de manière similaire à la première surface rétroréfléchissante, de telle sorte qu’un renvoie est fait ici aux modes de réalisation de la première surface rétroréfléchissante.
Il faut toutefois noter que la seconde surface rétroréfléchissante peut également être différente de la première surface rétroréfléchissante. La forme et la taille des ouvertures situées dans la seconde surface rétroréfléchissante peuvent ainsi être différentes de celles des ouvertures de la première surface rétroréfléchissante. La configuration des surfaces rétroréfléchissantes et la surface partiellement transparente peut être adaptée à la longueur d’onde de la porteuse de signal utilisée, lors de la phase de développement et/ou de la fabrication.
Selon un autre mode de réalisation de la présente invention, la première surface rétroréfléchissante tout comme la seconde surface rétroréfléchissante sont réalisées de manière plane et les première et seconde surfaces rétroréfléchissantes ont l’une par rapport à l’autre un angle non égal à 0° et non égal à 180°.
La première surface rétroréfléchissante peut être agencée à un angle de 90° par rapport à la seconde surface rétroréfléchissante. D’autres angles sont possibles. De préférence, le premier passage s’étend parallèlement à la première surface rétroréfléchissante (en face de celle-ci), et le second passage s’étend parallèlement à la seconde surface rétroréfléchissante.
Selon un autre mode de réalisation de la présente invention, le dispositif comporte en outre une unité d’émission et/ou de réception qui est réalisée de manière à émettre des ondes électromagnétiques de la seconde gamme de longueurs d’onde en direction de la surface partiellement transparente, et/ou à recevoir des ondes électromagnétiques de la seconde gamme de longueurs d’onde qui sont réfléchies par la surface partiellement transparente.
L’unité d’émission et/ou de réception est en particulier un composant destiné à la transmission optique de données et est réalisée de manière à pouvoir par exemple émettre et/ou recevoir un faisceau laser, afin de transmettre ou de recevoir ainsi des données. L’unité d’émission et/ou de réception peut par exemple être agencée dans un satellite. Afin d’éviter que, en plus du faisceau laser, de l’énergie thermique ne soit également émise à partir de l’unité d’émission et/ou de réception et soit fournie par le satellite, le dispositif décrit ci-dessus est muni d’une surface partiellement transparente et d’une surface rétroréfléchissante. Le faisceau laser est dévié et émis par la surface partiellement transparente, alors que le rayonnement thermique franchit la surface partiellement transparente et est réfléchi par la surface rétroréfléchissante en direction de l’unité d’émission et/ou de réception. Une perte d’énergie thermique est ainsi réduite, voire entièrement empêchée.
L’unité d’émission et/ou de réception est agencée de telle sorte que le premier passage se situe entre l’unité d’émission et/ou de réception et la surface partiellement transparente.
Selon un autre mode de réalisation de la présente invention, le dispositif comporte en outre un filtre solaire et un dispositif de focalisation, dans lequel le filtre solaire est agencé entre le dispositif de focalisation et le second passage, dans lequel le filtre solaire est réalisé de manière à filtrer un rayonnement incident dans le second passage et à être transparent pour des ondes électromagnétiques de la seconde longueur d’onde, et dans lequel le dispositif de focalisation est réalisé de manière à focaliser les ondes électromagnétiques de la seconde longueur d’onde et à les diriger vers une station distante.
Le dispositif peut comporter un second isolant thermique et un second élément chauffant qui sont associés à la seconde surface rétroréfléchissante de la même manière que ce qui a déjà été décrit en rapport au premier isolant thermique, au premier élément chauffant et à la première surface rétroréfléchissante. Le filtre solaire peut être chauffé par le rayonnement solaire incident ou par un autre rayonnement, et délivrer un rayonnement thermique en direction de l’unité réflectrice. La seconde surface rétroréfléchissante est destinée à empêcher que ce rayonnement thermique ne chauffe le dispositif et/ou l’unité réflectrice, laquelle seconde surface réfléchit (renvoie) ce rayonnement en direction du second passage et du filtre solaire, les signaux laser reçus, c’est-à-dire les signaux utiles ou la porteuse de signal, étant réfléchis par la surface partiellement transparente en direction de l’unité d’émission et/ou de réception.
Dans le cas où le filtre solaire n’est pas exposé aux rayons du soleil, un refroidissement important peut se produire, en particulier lors d’une utilisation dans l’espace hors de l’atmosphère terrestre, et la plage de températures sur laquelle le filtre solaire doit fonctionner, peut donc être très élevée. Afin de réduire les variations de température au niveau du filtre solaire, le second élément chauffant peut fournir un rayonnement thermique qui est délivré à partir de la seconde surface rétroréfléchissante en direction du filtre solaire.
Selon un autre aspect de la présente invention, on fournit un engin spatial comportant un dispositif tel que décrit ici, dans lequel le dispositif est destiné à établir une liaison de communication.
L’engin spatial peut être un satellite destiné à être utilisé en dehors de l’atmosphère terrestre. Un tel engin spatial peut établir une liaison de communication, en particu3058394 lier une liaison de communication optique sans fil, avec un autre aéronef ou engin spatial ou avec une station distante sur la Terre.
Le système de communication implique nécessairement l’émission et/ou la réception de signaux. Les ouvertures correspondantes permettent un échange (essentiellement non voulu) d’un rayonnement thermique dans les deux directions. En d’autres termes, l’engin spatial et/ou les composants du dispositif de communication peuvent ainsi refroidir lorsque les ouvertures sont dirigées vers l’espace, c’est-à-dire en s’éloignant de la contrainte directe d’une source de rayonnement telle que, par exemple, le soleil. Dans le cas contraire, c’est-à-dire lorsque les ouvertures sont dirigées vers une source de rayonnement telle que, par exemple, le soleil, ceci peut conduire à un échauffement important de l’engin spatial et/ou des composants du dispositif de communication. La configuration du dispositif décrit ici permet à la plus petite quantité possible de rayonnement thermique de quitter l’engin spatial par le biais du dispositif ou d’y pénétrer. La variation de température maximale du filtre solaire est également réduite.
Des exemples de réalisation de la présente invention sont expliqués ci-après plus en détail au moyen des dessins annexés. Les figures sont schématiques et ne sont pas à l’échelle. Les références identiques se rapportent à des éléments identiques ou analogues. D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront plus clairement à la lecture de la description ci-après, faite en référence aux dessins annexés, dans lesquels :
- la figure 1 est une représentation schématique d’un dispositif pour une unité d’émission et de réception d’un système de communication selon un exemple de réalisation de la présente invention,
- la figure 2 est une représentation schématique d’une surface rétroréfléchissante pour un dispositif pour une unité d’émission et de réception d’un dispositif de communication selon un autre exemple de réalisation de la présente invention,
- la figure 3 est une représentation schématique d’un rétroréflecteur.
La figure 1 représente un dispositif 10 pour une unité d’émission et de réception d’un système de communication. Le dispositif comporte : un premier passage 120A pour des ondes électromagnétiques et un second passage 120B pour des ondes électromagnétiques, une surface partiellement transparente 130 qui est transparente pour des ondes électromagnétiques d’une première gamme de longueurs d’onde 180A, 180B et qui est réalisée de manière à réfléchir des ondes électromagnétiques d’une seconde gamme de longueurs d’onde 190, qui est différente de la première gamme de longueurs d’onde, et une première surface rétroréfléchissante 140A qui est réalisée de manière à rétroréfléchir les ondes électromagnétiques de la première gamme de longueurs d’onde 180A, 180B, dans lequel une direction de réflexion des ondes électromagnétiques de la première gamme de longueurs d’onde 180A, 180B est différente d’une direction de réflexion des ondes électromagnétiques de la seconde gamme de longueurs d’onde 190.
Le dispositif 10 comporte en outre : un premier isolant thermique 150A, qui est agencé derrière la première surface rétroréfléchissants 140A du point de vue du premier passage 120A, et un premier élément chauffant 155A qui est réalisé de manière à céder de l’énergie thermique et à la diriger vers la première surface rétroréfléchissante 140A.
Le dispositif 10 comporte en outre : une seconde surface rétroréfléchissante 140B, dans lequel la première surface rétroréfléchissante 140A est agencée en face du premier passage 120A, dans lequel la seconde surface rétroréfléchissante 140B est agencée en face du second passage 120B, et dans lequel la surface partiellement transparente 130 est agencée entre le premier passage 120A et la première surface rétroréfléchissante 140A et entre le second passage 120B et la seconde surface rétroréfléchissante 140B, de sorte que les ondes électromagnétiques de la seconde gamme de longueurs d’onde, qui arrivent sur la surface partiellement transparente 130 par le premier passage 120B, sont réfléchies en direction du second passage 120B.
Du point de vue du second passage 120B, un second isolant thermique 150B et un second élément chauffant 155B sont agencés derrière la seconde surface rétroréfléchissante 140B.
Le dispositif 10 comporte en outre : une unité d’émission et/ou de réception 110 qui est réalisée de manière à émettre des ondes électromagnétiques de la seconde gamme de longueurs d’onde 190 en direction de la surface partiellement transparente 130 et/ou à recevoir des ondes électromagnétiques de la seconde gamme de longueurs d’onde 190 qui sont réfléchies par la surface partiellement transparente 130. En outre, le dispositif 10 comporte un filtre solaire et un dispositif de focalisation qui sont agencés devant le second passage 120B.
En d’autres termes, le dispositif 10 est configuré de sorte qu’il est constitué de deux branches fonctionnelles en partie similaire. Une première branche fonctionnelle se compose de l’unité d’émission et/ou de réception 110, du premier passage 120A, de la surface partiellement transparente 130, de la première surface rétroréfléchissante
140A, du premier isolant thermique 150A et du premier élément chauffant 155A. Cette première branche fonctionnelle est représentée horizontale sur la figure 1. La seconde branche fonctionnelle est configurée de manière analogue à la première branche fonctionnelle et est représentée verticale sur la figure 1. En complément de la première branche fonctionnelle, la seconde branche fonctionnelle comporte un filtre solaire 160 et un dispositif de focalisation 170, aucune unité d’émission et/ou de réception 110 n’étant prévue dans la seconde branche fonctionnelle. Dans un satellite, le dispositif 10 est installé de sorte que la première branche fonctionnelle pointe vers l’intérieur du satellite et la seconde branche fonctionnelle pointe vers l’extérieur du satellite en direction d’une station de communication distante.
La première branche fonctionnelle est destinée à ne pas laisser s’échapper le rayonnement thermique du système de communication ou d’un satellite, ou à réduire l’ampleur du rayonnement thermique qui s’échappe. Comme on peut le voir sur la figure 1, l’unité d’émission et/ou de réception 110 émet une onde électromagnétique 190, par exemple un faisceau laser. Ce faisceau laser est réfléchi par la surface partiellement transparente 130 en direction du second passage 120B et du dispositif de focalisation. Simultanément, un rayonnement thermique 180A qui émane de l’espace intérieur d’un satellite, est dévié vers la surface rétroréfléchissante 140A par la surface 130 transparente pour ce rayonnement 180A et renvoyé par celle-ci en direction de l’unité d’émission et/ou de réception ou dans l’intérieur du satellite, de sorte qu’en résultat, pratiquement aucun rayonnement thermique, voire aucun rayonnement thermique, ne quitte le satellite. Afin de compenser les pertes par diffusion, l’ampleur du rayonnement thermique réfléchi par la surface rétroréfléchissante 140A peut être augmentée par un complément d’énergie thermique au moyen de l’élément chauffant 155A.
La seconde branche fonctionnelle (verticale) est en principe analogue à la première branche fonctionnelle (horizontale). La seconde branche fonctionnelle est principalement conçue pour empêcher l’entrée de rayonnement thermique dans le satellite ou dans le système de communication. Le filtre solaire est transparent pour la porteuse de signal 190. Le rayonnement solaire permet toutefois de chauffer le filtre solaire 160 et de délivrer le rayonnement thermique 180B à l’intérieur du dispositif de changement de direction. Pour que ce rayonnement thermique 180B ne contribue pas à chauffer le système de communication ou à en réduire l’ampleur, la seconde surface rétroréfléchissante 140B est agencée de manière à réfléchir le rayonnement thermique 180B de nouveau en direction du filtre solaire. Le second élément chauf3058394 fant 155B peut ainsi contribuer à émettre le rayonnement thermique en direction du filtre solaire 160, de sorte que le filtre solaire peut être chauffé lorsqu’il se situe sur un côté du satellite opposé au soleil et ainsi empêcher que le filtre solaire ne se refroidisse très fortement.
Dans l’exemple de réalisation de la figure 1, la première surface rétroréfléchissante 140A tout comme la seconde surface rétroréfléchissante 140B sont réalisées de manière plane. Les deux surfaces 140A, 140B sont fournies sous forme de composants structurellement distincts et séparés de la surface partiellement transparente 130. Les surfaces 140A, 140B peuvent être constituées d’un corps principal en matière plastique qui est revêtu d’un revêtement métallique. Dans cet exemple de réalisation, les surfaces 140A, 140B sont agencées à un angle de 90° l’une par rapport à l’autre.
L’unité d’émission et/ou de réception 110 peut par exemple être une unité d’émission/réception d’un appareil de communication laser. L’agencement représenté selon le dispositif 10 est d’une part adapté pour emmagasiner le rayonnement thermique à l’intérieur de l’unité 110 ou pour ne pas le laisser s’échapper, et dans le cas où le dispositif de focalisation 170 est opposé au soleil ou à une autre source de rayonnement, pour chauffer le filtre solaire 160. D’autre part, en cas d’exposition directe du dispositif de focalisation 170 et du filtre solaire 160 au soleil, un échauffement de l’unité d’émission/réception 110 est minimisé. De plus, cet agencement est adapté pour maintenir au minimum le gradient thermique dans l’unité d’émission/réception car la surface partiellement transparente 130 laisse passer le rayonnement thermique et réfléchit la longueur d’onde laser 190 utilisée par l’intermédiaire d’un revêtement spécial (revêtement de réflexion, dichroïque, non métallique). La surface partiellement transparente 130 peut également être réalisée sous la forme d’un miroir en germanium.
La longueur d’onde du rayonnement laser 190 peut être changée et il peut donc être nécessaire d’adapter le revêtement de réflexion. Le principe de fonctionnement reste toutefois maintenu.
Le filtre solaire 160 a pour fonction de réfléchir le plus possible le rayonnement solaire (des UV jusqu’à environ 1 800 nm) ou de l’absorber. Pour des longueurs d’onde plus élevées, le miroir en germanium est transparent. Pour la longueur d’onde laser utilisée, par exemple 1 064 nm ou 1 550 nm, le filtre solaire doit être transparent ou pratiquement transparent.
Dans le cas d’un rayonnement solaire direct (lorsque le soleil est dans le champ de vision de l’instrument), une grande partie de la gamme de longueurs d’onde > 400 nm (plus de 50 %) est réfléchie par le filtre solaire. Pour les longueurs d’onde < 400 nm, une grande partie est absorbée. Cette absorption conduit à une élévation de température du filtre solaire et donc à une variation du rayonnement en particulier dans la gamme de longueurs d’onde de 7 pm à 12 pm. Pour que cette variation ait le plus petit effet possible sur l’instrument (le dispositif 10), ce rayonnement thermique traverse le miroir en germanium et est absorbé par le second isolant 150B.
Dans le cas où le filtre solaire 160 et le dispositif de focalisation 170 sont en face du soleil, c’est-à-dire en direction de l’espace vide, il faut éviter que la température interne du dispositif 10 ne diminue trop fortement par rayonnement thermique. Si le rayonnement thermique 180A du dispositif 10 traverse maintenant le miroir en germanium, il arrive sur la surface rétroréfléchissante 140A et est réfléchi dans la même direction que la direction d’incidence. Le rayonnement thermique retourne ainsi de nouveau dans l’instrument ou dans le satellite (éventuellement avec de faibles pertes). Ces pertes peuvent et doivent être compensées afin d’éviter un refroidissement du dispositif 10 et du satellite et de minimiser le gradient thermique qui apparaît. Cette compensation est réalisée avec l’élément chauffant 155B. Un refroidissement trop important du dispositif de focalisation 170 est empêché au moyen de l’élément chauffant 155B qui est agencé en face du dispositif de focalisation 170. Les deux isolants 150A, 150B et éléments chauffants 155A, 155B peuvent être construits différemment pour ce qui concerne, par exemple, la taille des ouvertures dans les surfaces rétroréfléchissantes. En outre, il est possible d’influer sur la quantité du rayonnement thermique supplémentaire qui peut être fourni. Les principales fonctions de ces deux unités 150A, 155A et 150B, 155B sont identiques, à savoir : réfléchir le rayonnement thermique et/ou émettre un rayonnement thermique supplémentaire au moyen des éléments chauffants.
Le fonctionnement des unités, et en particulier la quantité du rayonnement thermique supplémentaire, sont régulés par la forme et la taille des trous dans les miroirs triples.
Les ouvertures de la surface 140B, qui reçoit le rayonnement solaire direct ainsi que le flux entrant de l’espace du côté opposé au soleil, sont de préférence plus grandes que les ouvertures de la surface 140A. La taille des ouvertures peut dépendre direc3058394 tement de l’éventuelle variation de température de la source thermique (l’unité d’émission/réception 110 ou le soleil ou de l’espace vide).
Les flèches de la figure 1 permettent de voir facilement que la porteuse de signal 190, lorsqu’elle entre par le premier passage 120A, est réfléchie en direction du second passage 120B, alors que le rayonnement thermique 180A qui entre par le premier passage 120A, est de nouveau réfléchi en direction du premier passage 120A.
La figure 2 représente une surface rétroréfléchissante 140A, 140B qui comporte une pluralité d’éléments à miroir triple 142. Cet agencement peut également être appelé réseau de miroirs triples. La surface du réseau de miroirs triples peut par exemple être dorée. Derrière le réseau de miroirs triples est agencé un corps noir thermique, régulé, l’isolant thermique 150A, 150B et un élément chauffant 155A, 155B, qui rayonne à travers les ouvertures 147.
Le réseau de miroirs triples peut être de forme circulaire et avoir un diamètre de 80 mm. Il peut s’agir d’un composant en matière plastique moulé par compression, comportant un revêtement métallique, par exemple en or, argent ou cuivre, ou une combinaison de ceux-ci.
La figure 3 représente un seul élément à miroir triple 142. L’élément à miroir triple 142 comporte trois faces latérales réfléchissantes 144, 145, 146 agencées de telle sorte qu’un rayonnement incident est renvoyé vers la source.
L’élément à miroir triple 142 comporte une ouverture 147. Dans cette ouverture, il est possible d’agencer un condensateur infrarouge faisant office de source de rayonnement thermique.
Il convient également de préciser que les termes incluant ou comportant n’excluent aucun autre élément ou étape et les articles une ou un n’excluent aucune pluralité. En outre, il faut noter que les caractéristiques ou étapes qui ont été décrites en faisant référence à l’un des exemples de réalisation décrits ci-dessus, peuvent être également utilisées en combinaison avec d’autres caractéristiques ou étapes d’autres exemples de réalisation décrits ci-dessus. Les références contenues dans les revendications ne doivent pas être considérées comme limitatives.
10 Dispositif
110 Unité d’émission et/ou de réception
120A Premier passage
120B Second passage
130 Surface partiellement transparente
140A Première surface rétroréfléchissante
140B Seconde surface rétroréfléchissante
142 Rétroréflecteur
144 Première face latérale
145 Deuxième face latérale
146 Troisième face latérale
147 Ouverture
150A Premier isolant
150B Second isolant
155A Premier élément chauffant
155B Second élément chauffant
160 Filtre solaire
170 Dispositif de focalisation
180A Ondes électromagnétiques de la première gamme de longueurs d’onde
180B Ondes électromagnétiques de la première gamme de longueurs d’onde
190 Ondes électromagnétiques de la seconde gamme de longueurs d’onde

Claims (15)

  1. REVENDICATIONS
    1. Dispositif (10) pour une unité d’émission et de réception (110) d’un système de communication, comportant :
    un premier passage (120A) pour des ondes électromagnétiques et un second passage (120B) pour des ondes électromagnétiques, une surface partiellement transparente (130) qui est transparente pour des ondes électromagnétiques d’une première gamme de longueurs d’onde (180A, 180B) et qui est réalisée de manière à réfléchir des ondes électromagnétiques d’une seconde gamme de longueurs d’onde (190) différente de la première gamme de longueurs d’onde (180A, 180B), une première surface rétroréfléchissante (140) qui est réalisée de manière à rétroréfléchir les ondes électromagnétiques de la première gamme de longueurs d’onde (180A, 180B), caractérisé en ce qu’une direction de réflexion des ondes électromagnétiques de la première gamme de longueurs d’onde (180A, 180B) est différente d’une direction de réflexion des ondes électromagnétiques de la seconde gamme de longueurs d’onde (190) lorsque non seulement les ondes électromagnétiques de la première gamme de longueurs d’onde (180A, 180B) mais aussi les ondes électromagnétiques de la seconde gamme de longueurs d’onde (190) entrent par le même passage (120A ; 120B).
  2. 2. Dispositif (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que les ondes électromagnétiques de la première gamme de longueurs d’onde (180A, 180B) sont un rayonnement ayant une longueur d’onde jusqu’à 1 000 nm inclus et entre 1 600 nm et 1 mm.
  3. 3. Dispositif (10) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les ondes électromagnétiques de la seconde gamme de longueurs d’onde (180A, 180B) sont un rayonnement laser.
  4. 4. Dispositif (10) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la surface partiellement transparente (130) est réalisée sous la forme d’un filtre dichroïque.
  5. 5. Dispositif (10) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la surface partiellement transparente (130) comporte du germanium.
  6. 6. Dispositif (10) selon l’une des revendications précédentes, comportant en outre un premier isolant thermique (150A), caractérisé en ce que du point de vue du premier passage (120A), le premier isolant thermique (150A) est agencé derrière la première surface rétroréfléchissante (140).
  7. 7. Dispositif (10) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comporte en outre un premier élément chauffant (155A) qui est réalisé de manière à céder de l’énergie thermique et à la fournir à la première surface rétroréfléchissante (140A).
  8. 8. Dispositif (10) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la première surface rétroréfléchissante (140A) comporte un revêtement métallique.
  9. 9. Dispositif (10) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la première surface rétroréfléchissante (140A) comporte au moins un élément à miroir triple (142) qui est réalisé de manière à renvoyer un rayonnement électromagnétique incident vers sa source.
  10. 10. Dispositif (10) selon la revendication 8, caractérisé en ce que le au moins un élément à miroir triple (142) comporte une ouverture (147) à travers laquelle un rayonnement thermique supplémentaire peut pénétrer, lequel rayonnement thermique supplémentaire est fourni dans la même direction que les ondes électromagnétiques de la première gamme de longueurs d’onde (180A, 180B).
  11. 11. Dispositif (10) selon l’une des revendications précédentes, comportant en outre une seconde surface rétroréfléchissante (140B), caractérisé en ce que la première surface rétroréfléchissante (140A) est agencée en face du premier passage (120A), la seconde surface rétroréfléchissante (140B) est agencée en face du second passage (120B), la surface partiellement transparente (130) est agencée entre le premier passage (120A) et la première surface rétroréfléchissante (140A) et entre le second passage (120B) et la seconde surface rétroréfléchissante (140B), de telle sorte que les ondes électromagnétiques de la seconde gamme de longueurs d’onde (190) qui sont incidentes sur la surface partiellement transparente (130) à travers le premier passage (120A) sont renvoyées en direction du second passage (120B).
  12. 12. Dispositif (10) selon la revendication 11, caractérisé en ce que non seulement la première surface rétroréfléchissante (140A) mais aussi la seconde surface rétroréfléchissante (140B) sont réalisées de manière plane et ont l’une par rapport à l’autre un angle non égal à 0° et non égal à 180°.
  13. 13. Dispositif (10) selon la revendication 11 ou 12, caractérisé en ce qu’il comporte en outre une unité d’émission et/ou de réception (110) qui est réalisée de manière à émettre des ondes électromagnétiques de la seconde gamme de longueurs d’onde (190) en direction de la surface partiellement transparente (130) et/ou à recevoir des ondes électromagnétiques de la seconde gamme de longueurs d’onde (190) qui sont réfléchies par la surface partiellement transparente (130).
  14. 14. Dispositif (10) selon l’une des revendications 11 à 13, comportant en outre un filtre solaire (160) et un dispositif de focalisation (170), caractérisé en ce que le filtre solaire (160) est agencé entre le dispositif de focalisation (170) et le second passage (120B), le filtre solaire (160) est réalisé de manière à filtrer un rayonnement incident dans le second passage (120B) et à être transparent pour des ondes électromagnétiques de la seconde gamme de longueurs d’onde (190), le dispositif de focalisation (170) est réalisé de manière à focaliser les ondes électromagnétiques de la seconde gamme de longueurs d’onde (190) et à les diriger vers une station distante.
  15. 15. Engin spatial comportant :
    un dispositif (10) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif (10) est destiné à établir une liaison de communication.
    1/2 ^170
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