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CA 02977890 2017-08-25
WO 2016/142591
PCT/FR2016/000039
Réflecteur d'antenne, en particulier pour enclin spatial
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 télécommunication,
en particulier d'une antenne de grande dimension. Un réflecteur d'antenne 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 ri-
gide (coque) pourvue d'une surface réfléchissante, réfléchissant les ondes
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 as-
semblage 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 circu-
laire, ou dérivé d'un cercle (comme un cercle tronqué), pour optimiser les per-
formances 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, no-
tamment 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'énergie méca-
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nique 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
- 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-
dessus de la coque, et ne permet pas d'épouser la forme globalement parabo-
lique du réflecteur. Ainsi, le réflecteur n'est, géométriquement, pas très com-
pact.
En outre, avec une structure arrière polygonale, la longueur des élé-
ments de fixation entre la coque et la structure arrière varie en fonction 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 flam-
bage et diminue la tenue mécanique de l'élément de fixation (et du
réflecteur),
et un élément de fixation trop court ne permet 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 élé-
ments de fixation, et donc une partie au moins des éléments de fixation pré-
sente une longueur non optimale.
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 agencés radiale-
ment, 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, telles
que
précitées, n'est donc pas optimale.
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Il serait donc très utile et/ou avantageux de pouvoir remédier à au moins
certains des inconvénients précités.
Plus particulièrement, et selon un aspect de la présente invention, un
objectif
est de fournir un réflecteur d'antenne, ledit réflecteur comprenant une coque
pourvue d'une première surface qui 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 arrière de maintien de cette coque, ce
réflecteur
comportant une pluralité d'éléments de fixation agencés entre la seconde
surface de
Fa coque et une surface en regard de ladite structure arrière, lesdits
éléments de
la fixation étant destinés à solidariser le système de renfort et la coque,
caractérisé en
ce que ladite structure arrière comprend au moins une partie de structure
présentant
une forme générale au moins partiellement circulaire, en ce que lesdits tubes
formant ladite structure arrière sont des tubes à section transversale ronde,
et en ce
que lesdits éléments de fixation sont agencés perpendiculairement à ladite
seconde
surface arrondie de la coque.
Le réflecteur d'antenne peut être utilisé, en particulier, pour un engin
spatial,
et notamment, pour un satellite.
D'autres aspect(s), objectif(s), mode(s) de réalisation, et/ou avantage(s) de
la
présente invention, tous étant préférentiels et/ou optionnels, sont brièvement
décrits
ci-dessous et dans les sections suivantes.
Par exemple, selon un autre aspect préférentiel, la présente invention
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 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.
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Date Reçue/Date Received 2022-05-13
Selon l'invention, ladite structure arrière comprend au moins une 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 présente
de nombreux
avantages permettant de remédier à au moins certains 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.
la 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
paraboloIdale avec ou sans formage ( shaping ) local, et ladite au moins une
partie de structure de ladite structure arrière est agencée sur la seconde
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.
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 cir-
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culaire. Dans une variante particulière de ce second mode de réalisation, la-
dite forme générale mixte est une forme circulaire tronquée.
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,
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 ;
- 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 en-
semble ;
- ladite structure arrière est réalisée en matériau composite.
La présente invention concerne également un engin spatial, en parti-
culier un satellite, qui comporte au moins un réflecteur d'antenne tel que
préci-
té.
Les figures annexées feront bien comprendre comment l'invention
peut être réalisée. Sur ces figures, des références identiques désignent 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 réalisa-
tion particulier d'un réflecteur d'antenne pourvu d'une structure arrière com-
prenant plusieurs parties de structure concentriques.
La figure 4 est une vue schématique, en plan, d'un mode de réalisa-
tion particulier d'un réflecteur d'antenne présentant une forme circulaire
tron-
quée.
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Le réflecteur d'antenne 1 (ci-après réflecteur 1 ) illustrant
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 notam-
ment 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 diamètre 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.
113 Un tel
réflecteur d'antenne doit répondre à des spécifications très
strictes et présenter, notamment, une bonne tenue mécanique aux ambiances
existant lors du lancement du satellite, une précision de la surface, une
stabili-
té de la surface lors de variations de température extrêmes telles qu'elles
existent en orbite, une bonne tenue mécanique sur une plage de tempéra-
tures étendue, une grande légèreté, et une raideur élevée.
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
- 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 no-
tamment de fixer le réflecteur 1 sur le satellite considéré. Le système de ren-
fort 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 électromagnétiques
(radioélectriques), et sur laquelle sont apposées une peau avant et une peau
arrière. Chacune des peaux comprend un ou plusieurs plis de matériau com-
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posite 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 doit permettre de
garantir
une réflexion des ondes électromagnétiques. Un empilement de plis en maté-
riau 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
moins une partie de structure 7A, 7B, 7C, 7D présentant une forme générale
au moins partiellement circulaire.
Ainsi, grâce à l'invention, la structure arrière 6 du réflecteur 1, com-
prenant au moins une partie de structure 7A, 7B, 7C, 7D qui est circulaire,
n'est pas du type usuel complètement polygonal. L'utilisation d'une telle
partie
de structure 7A, 7B, 7C, 7D circulaire présente de nombreux avantages préci-
sés 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 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.
La coque 2 présente ainsi une structure paraboloïdale, dont on a re-
présenté 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.
Pour ce faire, le réflecteur 1 comporte également une pluralité
d'éléments de fixation 8, précisés ci-dessous, qui sont agencés entre la sur-
face arrière 5 de la coque 2 et une surface en regard de ladite structure au-
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rière 6. Ces éléments de fixation 8 sont destinés à solidariser le système de
renfort 4 et la coque 2.
Les éléments de fixation 8 sont répartis, de préférence uniformément,
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 (globa-
lement parabolique) du réflecteur 1. Ainsi, le réflecteur 1 est
géométriquement
très compact.
Les éléments de fixation 8 peuvent correspondre à tout élément mé-
lo canique,
notamment une cornière, par exemple en forme de T ou de L, per-
mettant de fixer à distance la structure arrière 6 à la surface arrière 5 de
la
coque 2 et présentant une flexibilité.
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 struc-
ture arrière 6. Grâce à la forme circulaire de la structure arrière 6, cette
der-
nière peut épouser la forme de la coque 2, et ainsi sur toute la partie circu-
laire, les éléments de fixation 8 peuvent être agencés radialement sans né-
cessiter par exemple de cales d'angles, ce qui est notamment avantageux
pour des raisons de facilité de montage et de réduction de masse.
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.
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 tubes de
liaison 9 sont agencés radialement par rapport aux parties de structure 7B et
7C.
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Un tel assemblage de tubes de liaison 9 rectilignes (ou droits) et de
tubes circulaires (parties de structure) peut être utilisé lorsque la
structure ar-
rière est constituée de plusieurs parties de structure circulaires
concentriques
et que des tubes de liaison 9 rectilignes (préférentiellement radiaux) sont
utili-
sés pour lier les parties circulaires entre elles.
La structure arrière 6 peut donc notamment comporter une ou plu-
sieurs parties de structure (arrière) complètement circulaires, comme repré-
senté sur la figure 2 (montrant une seule partie de structure 7A circulaire),
ou
bien elle peut comporter une combinaison de parties de structure arrière circu-
laires et de tubes de liaison rectilignes, comme représenté sur la figure 3.
L'utilisation d'une structure arrière 6 à partie(s) de structure circu-
laire(s), permet d'obtenir une longueur D de bord de coque (par rapport au
bord 2A radialement externe de la coque 2) qui est constante sur tout le pour-
tour 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
ar-
rière 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 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.
La longueur optimale de bord libre dépend du matériau et de l'épais-
seur 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 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 di-
minue les zones de concentrations de contraintes (qui sont des zones de fai-
blesse potentielle du réflecteur), et améliore l'ensemble des performances du
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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 struc-
ture 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 poly-
gonale (ou rectiligne) 13, 14, comme représenté sur la figure 4.
Dans le mode de réalisation particulier de la figure 4, cette forme gé-
nérale mixte 10 est une forme circulaire tronquée, comprenant des parties (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
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 ef-
fet, un élément de fixation trop long est plus sensible au flambage et 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 tenue de la jonction au pied
de l'élément de fixation. A titre d'illustration, la longueur optimale pour un
élé-
ment 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 coque, et le type de jonction entre
l'élément et
la structure arrière.
Par ailleurs, quel que soit le mode de réalisation considéré, la struc-
ture arrière 6 comprend, de préférence, des tubes en matériau composite à
base de carbone, qui permettent d'assurer la tenue et la raideur mécaniques,
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et une grande inertie de cette structure arrière pour obtenir de bonnes perfor-
mances du réflecteur complet. Ces tubes peuvent présenter 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 complet
ou plusieurs parties de tore. Les parties de tores peuvent être assemblées
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 ma-
nière à garantir un maintien de la coque 2 en des points répartis sur sa sur-
face.
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
- 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 partiel-
lement circulaire et non pas complètement polygonale. L'utilisation d'une
telle
structure arrière 6 (circulaire) présente ainsi de nombreux avantages, et no-
tamment 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 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 perfor-
mances mécaniques du réflecteur 1 par rapport à l'utilisation d'une structure
polygonale ;
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- 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 complètement
circulaire
permet d'obtenir une longueur D de bord de coque constante sur tout le pour-
tour de la coque 2, qui peut être choisie égale à une longueur optimale.
Le procédé de fabrication du réflecteur 1, tel que décrit ci-dessus, est
le suivant. La structure arrière 6 (au moins partiellement circulaire) est
fabri-
quée 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 polyméri-
sation de la résine.
A titre d'exemple, la fabrication d'une structure arrière 6 tubulaire to-
rique est réalisée par l'utilisation d'un moule torique et le drapage de plis
com-
posite 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 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.
11
