FR2944156A1 - Antenne radioelectrique - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne une antenne radioélectrique (20) pour satellite spatial, comprenant un réflecteur et des moyens de support de ce réflecteur. Le réflecteur comprend une peau avant (22) propre à réfléchir les ondes radioélectriques, une structure arrière rigide (24) portée par les moyens de support, et une couche de matière élastique (28) interposée entre ladite peau avant (22) et ladite structure arrière rigide (24), propre à amortir les vibrations de la peau avant (22).
Description
ANTENNE RADIOELECTRIQUE
DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention se rapporte au domaine des antennes radioélectriques à réflecteurs, et concerne en particulier une antenne pour un engin spatial, tel qu'un satellite de télécommunications. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Les antennes d'engins spatiaux doivent être conformes à des spécifications concernant notamment la réflectivité de leurs réflecteurs, mais aussi la tenue mécanique des moyens de liaison des réflecteurs aux engins spatiaux, qui sont soumis aux sollicitations vibratoires acoustiques et dynamiques induites par les lanceurs spatiaux. Ces antennes doivent en outre être conformes à des spécifications concernant leur comportement thermoélastique en orbite. Le niveau des sollicitations acoustiques induites par les lanceurs étant très difficile à prévoir, il est préférable que ces antennes soient quasiment insensibles aux efforts acoustiques, pour limiter les risques de sous dimensionnement ou de sur dimensionnement des moyens de liaison des réflecteurs aux engins spatiaux. Les figures 1 et la représentent un exemple d'antenne radioélectrique 10 (figure 1) pour satellite de télécommunications fonctionnant à des fréquences comprises entre 12 GHz et 18 GHz environ (bande Ku), d'un type connu. 2 Le réflecteur 12 de l'antenne 10 comprend une coque 14 du type sandwich formée d'une structure en nid d'abeilles sur laquelle sont apposées une peau avant - couramment appelée peau active - et une peau arrière, chacune de ces peaux étant constituée d'un pli de fibres de carbone noyées dans une résine époxy. La coque 14 du réflecteur 12 est supportée par une structure arrière tubulaire rigide 16 de ce réflecteur. Cette structure arrière 16 est par exemple de forme hexagonale, centrée sur un axe du réflecteur, et d'étendue inférieure à l'étendue du réflecteur. La structure arrière 16 est reliée à la peau arrière de la coque 14 par des cornières 18 (figure la) aptes à assurer la tenue mécanique de l'antenne lors du lancement et de la mise en orbite du satellite équipé de cette antenne, ainsi qu'un découplage thermomécanique entre le réflecteur 12 et la structure arrière 16 lorsque le satellite est en orbite. Par ailleurs, la structure arrière 16 est portée par un bras de support 19 destiné à assurer la liaison entre l'antenne 10 et le satellite. Les fibres de carbone des plis des peaux avant et arrière précitées sont agencées sous la forme de tissus triaxiaux qui se caractérisent par des propriétés mécaniques quasi-isotropes et par la présence d'ajours traversants qui sont régulièrement répartis sur leur surface. Ces ajours permettent une réduction de la masse du réflecteur, et communiquent avec des alvéoles de la structure en nid d'abeilles de sorte que ce type de réflecteur est peu sensible aux sollicitations 3 vibratoires, en particulier aux sollicitations acoustiques lors du lancement du satellite équipé de l'antenne 10. D'une manière générale, les matériaux composites employés dans ces antennes leur confèrent une grande légèreté, ce qui constitue un avantage essentiel dans le domaine des applications spatiales. Toutefois, les propriétés de réflectivité des réflecteurs ajourés du type décrit ci-dessus ne sont pas satisfaisantes aux fréquences comprises entre 20 GHz et 40 GHz environ (bande Ka). Des solutions ont été proposées, qui consistent, à partir d'une antenne du type décrit ci-dessus, à réduire la dimension des ajours de la peau active, ou même à remplacer la peau active ajourée par une peau pleine, mais les antennes ainsi obtenues se sont révélées trop sensibles aux sollicitations acoustiques. En outre, à ces fréquences plus élevées, les tolérances relatives aux profils des réflecteurs sont plus strictes, ce qui conduit à des exigences plus sévères en termes de précision de fabrication et de stabilité dans le temps des réflecteurs, typiquement de l'ordre de 30 pm RMS, à comparer à 150 pm RMS pour les satellites opérant aux fréquences inférieures de la bande Ku. Or, les structures sandwich du type décrit ci-dessus, qui comportent des peaux formées d'un unique pli de matériau composite, ne permettent pas de satisfaire aisément les niveaux d'exigence inhérents à un fonctionnement dans la bande Ka.
EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, économique et efficace à ces problèmes, permettant d'éviter les inconvénients précités. Elle a notamment pour objet une antenne radioélectrique pour satellite spatial, apte à fonctionner aux fréquences de la bande Ka, et satisfaisant les exigences imposees à ce type d'antenne, notamment en ce qui concerne la sensibilité de l'antenne aux sollicitations vibratoires induites par les lanceurs, la précision de fabrication du profil du réflecteur de l'antenne et la stabilité de ce profil dans le temps, et d'une manière générale le comportement thermomécanique de l'antenne en orbite. L'invention propose à cet effet une antenne radioélectrique, en particulier pour engin spatial, comprenant un réflecteur et des moyens de support de ce réflecteur, le réflecteur comprenant une peau avant apte à réfléchir les ondes radioélectriques, et une structure arrière rigide portée par les moyens de support, l'antenne étant caractérisée en ce que le réflecteur comprend une couche de matière élastique qui est interposée entre la peau avant et la structure arrière rigide, et qui est apte à amortir les vibrations de la peau avant. La couche de matière élastique permet de réduire considérablement l'impact de sollicitations vibratoires, notamment acoustiques, sur les moyens de support du réflecteur de l'antenne. 4 Cela permet de limiter le niveau de tenue mécanique exigé pour les moyens de support, et cela rend ainsi plus aisé le dimensionnement de ces moyens de support. 5 Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, la peau avant du réflecteur est une peau pleine, c'est-à-dire non ajourée. La présence de la couche de matière élastique rend en effet possible l'utilisation d'une peau avant pleine, apte à doter le réflecteur de propriétés de réflectivité optimales, tout en limitant les risques de sous-dimensionnement des moyens de support du réflecteur. Dans le mode de réalisation préféré de l'invention, ladite matière élastique présente un module de Young compris entre 0.25 MPa et 1 MPa, une résistance en traction comprise entre 0.1 MPa et 0.5 MPa, et un allongement à rupture compris entre 20% et 40%. La couche de matière élastique est ainsi apte à amortir d'une manière optimale les sollicitations vibratoires auxquelles l'antenne est susceptible d'être soumise, en particulier lorsque cette antenne équipe un engin spatial. Dans le mode de réalisation préféré de l'invention, ladite matière élastique est une mousse et comprend au moins un composé appartenant au groupe des polyimides. De plus, cette matière élastique a de 30 préférence une densité comprise entre 10 kg/m3 et 20 kg/m3. 25 6 L'utilisation d'une matière élastique de ce type permet un gain de poids par rapport aux antennes de l'art antérieur dont la structure en nid d'abeilles a en général une densité comprise entre 26 kg/m3 et 34 kg/m3. Ce gain de poids peut être mis à profit pour accroître l'épaisseur de la peau avant, de manière à améliorer la précision et la stabilité dans le temps du profil de cette peau avant, sans alourdir sensiblement l'antenne par rapport aux antennes de type connu. Comme cela apparaîtra plus clairement dans ce qui suit, ce gain de poids peut aussi permettre de renforcer la structure arrière rigide du réflecteur. En variante, la matière élastique peut comprendre au moins un adhésif élastomère. Lorsque l'antenne équipe un engin spatial, la matière élastique est choisie pour ne pas se dégrader aux températures opérationnelles spatiales en orbite, et plus précisément aux températures comprises entre -1800C et +2000C. Dans le mode de réalisation préféré de l'invention, la structure arrière rigide comprend une peau structurale arrière reliée fixement auxdits moyens de support du réflecteur.
Les propriétés d'amortissement de la couche de matière élastique sont en effet suffisantes pour permettre à une telle peau arrière de remplir la fonction structurante des structures arrières tubulaires rigides des antennes de l'art antérieur du type décrit ci-dessus. 7 La peau structurale arrière comporte de préférence au moins une partie en surépaisseur à laquelle sont reliés lesdits moyens de support du réflecteur.
Une telle partie en surépaisseur permet de renforcer la liaison entre le réflecteur et les moyens de support de ce dernier. Dans le mode de réalisation préféré de l'invention, la peau avant et la peau structurale arrière sont réalisées en un matériau composite comprenant des fibres noyées dans une résine durcie. Ces fibres sont avantageusement des fibres de carbone agencées de manière à optimiser l'isotropie des propriétés mécaniques et thermiques de ces peaux.
Pour cela, ces fibres peuvent par exemple être agencées sous la forme de deux plis de tissus taffetas croisés selon des angles de plus ou moins 45 degrés ou sous la forme de trois à six plis de nappes de fibres drapées de façon symétrique (0°,+60°,- 60°) . Ces modes d'agencement des fibres permettent en outre d'améliorer la précision et la stabilité des profils des peaux par rapport aux peaux à un seul pli des réflecteurs conventionnels.
La couche de matière élastique est de préférence fixée à la peau avant et à la peau structurale arrière par collage. Ce collage peut être réalisé simplement par une mise en contact homogène et sous une pression d'accostage adéquate, des faces avant et arrière de la 8 couche de mousse respectivement avec la peau avant et avec la peau arrière structurale. Dans le mode de réalisation préféré de l'invention, la peau structurale arrière est plane et s'étend perpendiculairement à un axe du réflecteur. La couche de matière élastique est alors avantageusement profilée de sorte que ses faces avant et arrière aient sensiblement la même forme respectivement que la peau avant et que la peau arrière. En variante, la peau structurale arrière peut avoir une forme sensiblement identique à celle de la peau avant. Dans tous les cas, la couche de matière élastique est profilée pour maximiser la surface de contact entre sa face supérieure et la peau avant d'une part, et entre sa face inférieure et la peau arrière d'autre part. Du fait de son élasticité, la couche de matière élastique permet en outre de compenser les écarts entre les profils théoriques et réels des peaux avant et arrière, et aussi de compenser la présence d'éventuelles parties en surépaisseur de la peau structurale arrière. La surface de collage entre les peaux avant et arrière respectivement et la couche de matière élastique peut ainsi être maximale, de manière à permettre notamment une réduction des exigences relatives à la tenue mécanique en cisaillement des moyens de support du réflecteur.
Avantageusement, la peau structurale arrière comporte une partie centrale évidée. 9 Lorsque la couche de matière élastique est suffisamment dense, cette caractéristique permet un gain de masse. Dans le mode de réalisation préféré de l'invention, la peau structurale arrière comporte, d'un seul tenant, des éléments de fixation aux moyens de support. Ces moyens de support, qui sont par exemple formés d'un bras, peuvent en effet être reliés à la peau structurale arrière par noyage d'une partie de fixation de ces moyens de support dans la résine qui compose la peau structurale arrière. Cela permet une liaison optimale entre le réflecteur et les moyens de support de ce réflecteur.
D'une manière générale, l'antenne est avantageusement configurée pour fonctionner dans une bande de fréquences prédéterminée du spectre des micro-ondes, cette bande de fréquences pouvant être en particulier comprise dans la bande Ka.
L'utilisation d'une face active non ajourée, rendue possible par l'invention, est en effet particulièrement avantageuse dans la bande Ka, comme cela a été expliqué ci-dessus. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS L'invention sera mieux comprise, et d'autres détails, avantages et caractéristiques de celle-ci apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels : 10
la figure 1, déjà décrite, est une vue schématique en perspective d'une antenne radioélectrique d'un type connu ; la figure la, déjà décrite, est une vue à plus grande échelle du détail la de la figure 1 ; la figure 2 est une vue schématique en perspective du réflecteur d'une antenne radioélectrique selon l'invention. EXPOSÉ DÉTAILLÉ D'UN MODE DE RÉALISATION PREFERE La figure 2 représente un réflecteur 20 d'une antenne radioélectrique pour engin spatial selon un mode de réalisation de l'invention. Le réflecteur 20 comprend une peau avant 22, parfois également appelée peau active, et une peau arrière structurale 24 portée par un bras de support (non représenté sur la figure 2) destiné à assurer la liaison entre l'antenne et un engin spatial. Dans le mode de réalisation représenté, la peau avant 22 du réflecteur a sensiblement la forme d'un paraboloïde de révolution autour d'un axe 26. Cette peau avant 22 est réalisée en un matériau composite conventionnel, du type comportant un tissu de fibres structurales, par exemple de carbone, noyées dans une résine époxy ou analogue. Les fibres structurales sont tissées suivant un drapage propre à assurer une isotropie optimale du comportement mécanique de la peau avant 22, et de sorte que la peau avant 22 soit pleine. Pour cela, ces fibres structurales sont par exemple agencées sous la forme de deux plis de tissus taffetas croisés selon des angles 11 de plus ou moins 45 degrés ou sous la forme de trois à six plis de nappes de fibres drapées de façon symétrique (0°,+600,-60°). Ce type de structure permet notamment d'optimiser la précision et la stabilité dans le temps du profil de la peau avant. La peau arrière 24 est réalisée en un matériau composite analogue à celui de la peau avant 22, mais présente une structure plus rigide que celle de la peau avant de manière à pouvoir assurer la liaison mécanique entre la peau avant du réflecteur et le bras de support de l'antenne. La peau arrière 24 constitue ainsi une structure arrière rigide. Le bras de support comporte une extrémité fixée par collage sur la face arrière de la peau arrière 24. En variante, l'extrémité du bras de support peut être intégrée à la peau arrière 24, par exemple par noyage de cette extrémité dans la résine composant la peau arrière 24.
La peau arrière structurale 24 comporte une ou plusieurs parties renforcées en surépaisseur situées au niveau de la fixation du bras de support de l'antenne. La peau avant 22 et la peau arrière structurale 24 sont collées respectivement sur les faces avant et arrière d'une couche de mousse de polyimide 28, destinée à amortir les vibrations auxquelles la peau avant 22 est susceptible d'être soumise, notamment pendant le lancement et la mise en orbite d'un engin spatial équipé de l'antenne. 12 La mousse de polyimide est choisie pour ne pas se dégrader aux températures comprises entre -180°C et +200°C, et pour satisfaire les normes spatiales relatives au dégazage, spécifiant typiquement une perte totale de masse (TML) inférieure à 1% environ. Cette mousse est en outre choisie pour présenter des propriétés thermomécaniques telles que cette mousse affecte le moins possible le comportement thermomécanique du réflecteur 20. En particulier, la mousse est choisie pour présenter un coefficient thermoélastique aussi faible que possible. Par ailleurs, la mousse de polyimide présente une densité comprise entre 10 kg/m3 et 20 kg/m3, une résistance en traction comprise entre 0.1 MPa et 0.5 MPa, un module de Young compris entre 0.25 MPa et 1 MPa, et un allongement à rupture compris entre 20% et 40%. Les paramètres physiques précités sont choisis en fonction du niveau d'amortissement et de découplage mécanique requis entre la peau avant 22 et la peau arrière structurale 24. Dans le mode de réalisation représenté, la peau arrière structurale 24 a la forme d'un disque plan et la couche de mousse 28 est profilée de manière à maximiser la surface de contact d'une part entre la face avant de la couche de mousse 28 et la peau avant 22, et d'autre part entre la face arrière de la couche de mousse 28 et la peau arrière 24. En variante, la peau arrière 24 peut être d'une forme semblable à celle de la peau avant 22.
Dans tous les cas, la couche de mousse 28 permet de compenser les écarts entre les profils 13 théoriques et réels des peaux avant 22 et arrière 24, et aussi de compenser la ou les parties en surépaisseur de la peau arrière 24. En variante encore, dans le cas où la couche de mousse 28 est suffisamment dense, la peau arrière structurale 24 peut comporter une partie centrale évidée de manière à former une couronne centrée sur l'axe 26 du réflecteur. La peau avant du réflecteur peut bien entendu avoir une forme différente de celle décrite ci-dessus à titre d'exemple sans sortir du cadre de l'invention.
Claims (17)
- REVENDICATIONS1. Antenne radioélectrique (20), en particulier pour engin spatial, comprenant un réflecteur et des moyens de support de ce réflecteur, le réflecteur comprenant une peau avant (22) apte à réfléchir les ondes radioélectriques, et une structure arrière rigide (24) portée par les moyens de support, l'antenne étant caractérisée en ce que le réflecteur comprend une couche de matière élastique (28) qui est interposée entre ladite peau avant (22) et ladite structure arrière rigide (24), et qui est apte à amortir les vibrations de la peau avant (22).
- 2. Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite peau avant (22) est une peau pleine.
- 3. Antenne selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que ladite matière élastique présente un module de Young compris entre 0.25 MPa et 1 MPa.
- 4. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que ladite matière élastique présente une résistance en traction comprise entre 0.1 MPa et 0.5 MPa.
- 5. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que ladite matière élastique présente un allongement à rupture compris entre 20% et 40%. 15
- 6. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que ladite matière élastique est une mousse.
- 7. Antenne selon la revendication 6, caractérisée en ce que ladite matière élastique comprend au moins un composé appartenant au groupe des polyimides.
- 8. Antenne selon la revendication 6 ou 7, caractérisée en ce que ladite matière élastique a une densité comprise entre 10 kg/m3 et 20 kg/m3.
- 9. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que ladite matière élastique comprend au moins un adhésif élastomère.
- 10. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que ladite structure arrière rigide comprend une peau structurale arrière (24) reliée fixement auxdits moyens de support du réflecteur.
- 11. Antenne selon la revendication 10, caractérisée en ce que ladite couche de matière élastique (28) est fixée à ladite peau avant (22) et à ladite peau structurale arrière (24) par collage.
- 12. Antenne selon la revendication 10 ou 11, caractérisée en ce que la peau structurale 16 arrière (24) est plane et s'étend perpendiculairement à un axe (26) du réflecteur.
- 13. Antenne selon la revendication 10 ou 11, caractérisée en ce que la peau structurale arrière (24) a une forme sensiblement identique à celle de la peau avant (22).
- 14. Antenne selon l'une quelconque des revendications 10 à 13, caractérisée en ce que ladite peau structurale arrière (24) comporte une partie centrale évidée.
- 15. Antenne selon l'une quelconque des revendications 10 à 14, caractérisée en ce que ladite peau structurale arrière (24) comporte, d'un seul tenant, des éléments de fixation aux moyens de support.
- 16. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 15, caractérisée en ce qu'elle est configurée pour fonctionner dans une bande de fréquences prédéterminée du spectre des micro-ondes.
- 17. Antenne selon la revendication 16, caractérisée en ce que ladite bande de fréquences est comprise dans la bande Ka.
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