FR2978253A1 - Ensemble comportant un miroir et une structure porteuse en treillis - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un ensemble comportant : - un miroir (1), et - une structure (2) porteuse du miroir (1), comportant au moins une base (20) comportant : - un premier plan (201), - un deuxième plan, et - un lien interne (203) situé entre le premier plan (201) et le deuxième plan, caractérisé en ce que le premier plan (201), le deuxième plan et le lien interne (203) respectivement comportent uniquement des poutres ininterrompues, sans pièce intermédiaire entre poutres, afin de former une structure (2) rigide en treillis.

Description

DOMAINE TECHNIQUE GENERAL La présente invention concerne un ensemble comportant un miroir, et une structure porteuse du miroir comportant elle-même au moins une base comportant un premier plan, un deuxième plan, et un lien interne situé entre le premier plan et le deuxième plan. ETAT DE L'ART On connaît des miroirs allégés de grandes dimensions et de qualité optique, pour des applications à des télescopes terrestres ou éventuellement embarqués sur des satellites artificiels ou des avions ou des ballons gonflables. Pour ces applications, on connaît - soit un ensemble comportant le miroir, par exemple un miroir 15 en verre, et une structure porteuse du miroir, la structure comportant en général une base comportant deux plans parallèles entre lesquels est situé un lien interne ; - soit un ensemble comportant le miroir, par exemple un miroir en carbure de silicium et des nervures perpendiculaires au 20 miroir. Cependant, d'une part les deux plans parallèles de la base sont en général des plaques pleines et usinées, et sont par conséquent relativement lourds pour supporter des miroirs de plus de 3 m de diamètre. D'autre part, il est difficile de fabriquer et d'usiner des miroirs de qualité optique en carbure de 25 silicium de plus de 1,5 m de diamètre. PRESENTATION DE L'INVENTION L'invention propose de pallier au moins un de ces inconvénients. A cet effet, on propose selon l'invention un ensemble comportant un miroir, et une structure porteuse du miroir, comportant au moins une base 30 comportant un premier plan, un deuxième plan, et un lien interne situé entre le premier plan et le deuxième plan, caractérisé en ce que le premier plan, le deuxième plan et le lien interne respectivement comportent uniquement des poutres ininterrompues, sans pièce intermédiaire entre poutres, afin de former une structure rigide en treillis. L'invention est avantageusement complétée par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en une quelconque de leur combinaison 5 techniquement possible : - les poutres comportent des fibres longitudinales, et sont préférentiellement des éléments pultrudés ; - la structure comporte un plan de support de tiges solidaires du miroir, le plan de support comportant uniquement des poutres ininterrompues, sans 10 pièce intermédiaire entre poutres, et étant parallèle au premier plan et au deuxième plan ; - le plan de support de tiges est confondu avec le deuxième plan ; - le plan de support de tiges est situé entre le premier plan et le deuxième plan, chaque tige étant alors liée également au premier plan par une 15 articulation ; - l'ensemble comporte une liaison de rigidification entre le plan de support de tiges et le deuxième plan ; - le miroir est en un premier matériau, préférentiellement du verre, de coefficient de dilatation thermique a1, le premier plan, le deuxième plan, et 20 l'espace intermédiaire sont en un deuxième matériau, préférentiellement un matériau composite, de coefficient de dilatation thermique a2, le plan de support de tiges est en un troisième matériau, préférentiellement un matériau composite, de coefficient de dilatation thermique a3, avec h2 = hl (a2-al) -1 (a3-a2) 25 où h2 est la hauteur entre le premier plan (201) et le plan (208) de support de tiges (205) ; et h1 est la hauteur entre le premier plan (201) et le miroir (1) ; - l'ensemble comporte en outre des bloqueurs adaptés pour bloquer les tiges par rapport au plan de support de tiges, lorsque le miroir a une forme 30 recherchée ; - le miroir comporte des usinages locaux sur une face arrière ; et - la structure en treillis est de motif tétraédrique.

L'invention présente de nombreux avantages. L'invention permet de fournir une structure porteuse du miroir, rigide et 5 légère. La structure est en effet rigide du fait que les éléments constitutifs de la base de la structure porteuse du miroir comportent uniquement des poutres ininterrompues, sans pièce intermédiaire entre les poutres. Il n'y a donc pas d'articulation entre les poutres, et donc pas de baisse de rigidité. 10 Avantageusement, les poutres comportent des fibres longitudinales et ont donc une forte rigidité longitudinale, et sont par exemple pultrudées. La structure est légère du fait qu'elle est en forme de treillis et ne comporte pas de plaques. L'invention permet de réaliser des miroirs de grande dimension 15 ultralégers, c'est-à-dire ayant un diamètre supérieur à 2 mètres pour masse surfacique totale inférieure à 25 kg/m2. L'ensemble selon l'invention permet d'utiliser un miroir en verre, ce qui permet d'utiliser les procédés classiques de fabrication et de polissage. Les procédés classiques de polissage ne présentent quasiment aucune 20 limitation liée à la taille ou la qualité optique du miroir (liée à la rugosité de la surface du miroir) atteignables. Il est ainsi possible de fabriquer des miroirs ayant un diamètre allant par exemple au-delà de 8 mètres. L'ensemble selon l'invention permet d'utiliser un matériau à très faible coefficient de dilatation thermique d'une part pour le miroir (de l'ordre de 25 10-$), mais aussi d'autre part pour la structure : il est en effet possible d'optimiser le coefficient de dilatation thermique des poutres pour obtenir un coefficient de dilatation thermique très faible (par exemple inférieur à 10-6), pour éviter les déformation de l'ensemble en cas de flux thermique externe important. 30 La structure porteuse du miroir permet d'effectuer également des retouches de la forme figée du miroir par usinage ionique, c'est-à-dire sans contact.

PRESENTATION DES FIGURES D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 représente schématiquement une vue en coupe d'un mode de réalisation possible d'un ensemble selon l'invention ; - la figure 2 représente schématiquement une vue en coupe d'un deuxième mode de réalisation possible d'un ensemble selon l'invention ; - la figure 3 est une vue en perspective d'un troisième mode de réalisation 10 possible selon l'invention ; - la figure 4 est une vue détaillée de la coupe IV-IV représentée sur la figure 3, et - la figure 5 est une vue en coupe d'un miroir selon l'invention. Sur l'ensemble des figures, les éléments similaires portent des références 15 numériques identiques. DESCRIPTION DETAILLEE Les figures représentent schématiquement des modes de réalisation possibles d'un ensemble selon l'invention. L'ensemble comporte principalement un miroir 1 de qualité optique et 20 de grande dimension, et une structure 2 porteuse du miroir 1. Le miroir 1 comporte une face avant 11 et une face arrière 12. Il est de qualité optique, c'est-à-dire que la face avant 11 est polie avec une précision optique, soit une tolérance de l'ordre de quelques dizaines de nanomètres sur la rugosité de la surface (la rugosité est environ 25 de l'ordre de 2nm sur une échelle spatiale inférieure à 1 mm). La face arrière 12 est également polie pour éviter les contraintes internes au miroir 1, mais sans nécessairement présenter un polissage à précision optique. Alternativement, elle peut avoir subi un traitement à l'acide qui élimine les microfissures et contraintes 30 Le miroir 1 a préférentiellement mais non Iimitativement des applications à un télescope terrestre ou embarqué sur un satellite artificiel, un avion ou un ballon gonflable.

Sur les figures, le miroir 1 est représenté sous la forme d'un miroir plan, mais le miroir 1 peut également être courbé en fonction des applications souhaitées. La structure 2 comporte une base 20 comportant elle-même un premier plan 201, un deuxième plan 202 et un lien interne 203 situé entre le premier plan 201 et le deuxième plan 202, et reliant le premier plan 201 et le deuxième plan 202, pour conférer de la rigidité à la base 20. Le premier plan 201 fait face à la face arrière 12 du miroir 1. Le deuxième plan 202 est parallèle au premier plan 201.

Le premier plan 201, le deuxième plan 202 et le lien interne 203 respectivement comportent uniquement des poutres 204, pour conférer également de la légèreté à la base 20, en plus de sa rigidité. La structure 2 est donc sous forme de treillis rigide. La structure 2 peut avoir un motif de treillis quelconque, par exemple cubique ou en étoile, mais est préférentiellement tétraédrique. Le motif peut être régulier ou irrégulier : les mailles du motif peuvent ainsi être plus hautes que larges pour optimiser la rigidité de la structure en fonction des applications visées. De manière classique, chaque poutre 204 est un élément de la structure destiné à la rigidifier, généralement avec une section droite petite par rapport à sa longueur longitudinale. Les poutres 204 peuvent avoir une section droite quelconque, et être - creuses (par exemple avec une section droite en forme d'anneau ; la poutre 204 peut ainsi être qualifiée de tube), ou - pleines (par exemple avec une section droite de profil externe circulaire ou rectangulaire ; la poutre 204 peut ainsi être qualifiée de jonc).

Les poutres 204 du premier plan 201, deuxième plan 202, et du lien interne 30 203 sont ininterrompues, c'est-à-dire qu'elles s'étendent sur leur longueur sans pièce intermédiaire entre poutres. En effet, la mise en place de poutres liées les unes aux autres par des pièces intermédiaires, formant des articulations au sein du premier plan 201, du deuxième plan 202 ou du troisième plan 203, serait préjudiciable à la rigidité de la structure 2 et à sa stabilité thermique, du fait de la dilatation des joints de colle par exemple. Chaque poutre 204 s'étend ainsi respectivement dans le premier plan 201, le deuxième plan 202 ou le lien interne 203 au maximum de sa longueur pour former une géométrie de structure 2 souhaitée, limitée par la périphérie 2011 du premier plan 201 ou la périphérie 2021 du deuxième plan 202, sans être interrompue par une pièce intermédiaire. Par exemple, au niveau de la périphérie 2011 ou 2021, chaque poutre 204 s'étend sans interruption jusqu'à un changement de direction, sans être interrompue par une pièce intermédiaire. De même, les seules jonctions 211 entre poutres 204 sont effectuées préférentiellement par collage, sans pièce intermédiaire. En outre, pour éviter la présence de pièces intermédiaires entre poutres, les poutres 204 sont décalées les unes par rapport aux autres dans l'espace pour éviter toute intersection entre poutres. Comme le montre la figure 4 par exemple, les poutres 204 peuvent cependant être en contact les unes avec les autres. L'exemple d'assemblage de la figure 4 est non limitatif, et d'autres assemblages des poutres 204 entre elles dans la structure sont également possibles.

Pour fixer les idées, la longueur de poutres nécessaire pour réaliser un miroir de 2m de diamètre est d'environ 300m.

La structure 2 comporte un plan 208 de support de tiges 205. Les tiges 205 assurent ainsi la liaison entre d'une part le miroir 1 et 25 d'autre part la base 20 de la structure 2. A cet effet, les tiges 205 sont solidaires du miroir 1, et les tiges 205 s'étendent entre le plan 208 de support et la face arrière 12 du miroir 1. Afin de garder une légèreté optimale, le plan 208 de support comporte uniquement des poutres 204 ininterrompues, de même que le premier plan 30 201, le deuxième plan 202 et le lien interne 203. Selon un premier mode de réalisation représenté à la figure 1, le plan 208 est confondu avec le deuxième plan 202.

L'ensemble comporte également des bloqueurs 210 adaptés pour bloquer les tiges 205 par rapport au plan 208 de support lorsque le miroir a une forme recherchée. Le miroir 1 a en effet une forme figée, c'est-à-dire que sa forme ne peut être modifiée point par point par déformation du miroir lors de son fonctionnement. Au contraire, une fois la forme recherchée obtenue pour le miroir lors de sa fabrication, sa forme est figée pendant toute sa durée de vie. En effet, lors de la fabrication de l'ensemble, la surface déformable du miroir 1 est déformée en agissant sur la longueur respective de la pluralité de tiges 205 les unes par rapport aux autres et par rapport au plan 208, l'écart entre la forme modifiée obtenue et la forme théorique recherchée du miroir 1 est ensuite contrôlé, et ladite surface du miroir 1 est enfin figée par les bloqueurs 210 lorsque la forme théorique est atteinte avec une précision inférieure à un seuil de précision donné.

La structure 2 porteuse du miroir 1 permet d'effectuer également des retouches de la forme figée du miroir par usinage ionique, c'est-à-dire sans contact. Cependant, on comprend que le fait de pouvoir régler mécaniquement la forme de la face 11 avant du miroir 1 permet, à partir d'un polissage initial dont la précision est relâchée, de n'effectuer que de petites retouches par usinage ionique (i.e. sans retouche par procédé à contact) après assemblage avec la structure 2 treillis. Le réglage mécanique préalable minimise l'amplitude des retouches nécessaires, qui sont très lentes à effectuer. La séparation de la structure par rapport à la face optique permet cet avantage.

Les bloqueurs 210 peuvent être formés par collage, ou par tout autre moyen de fixation.

Le miroir 1 est en un premier matériau, de coefficient de dilatation thermique a1.

Le premier plan 201, le deuxième plan 202 et le lien interne 203 sont en un deuxième matériau, de coefficient de dilatation thermique a2. On a en général al a2 Préférentiellement, on a al ~ a2 ceci afin de minimiser les besoins de flexion 3 des tiges 205 lors des dilatations thermiques. Les tiges 205 peuvent ainsi être choisies un peu flexibles, mais avec suffisamment de rigidité résiduelle pour que le miroir 1 ne présente pas un mode trop bas de vibration dans le plan. Le premier matériau est préférentiellement du verre de qualité optique, par exemple de la marque zerodur. Le verre peut être fabriqué et poli à la précision optique par les procédés connus de l'homme du métier.

Le deuxième matériau est un matériau à grande rigidité, par exemple - un matériau comportant des fibres longitudinales, avantageusement un très fort taux de fibres dans l'axe longitudinal des poutres, par exemple un matériau composite, par exemple de type fibres de verre ou très préférentiellement de carbone, à haut module ou ultra haut module, dans une résine par exemple époxy, polyester, ou ester cyanate (à faible coefficient de dilation hydrique), ou - un carbure de silicium par exemple. La rigidité longitudinale du matériau des poutres 204 est par exemple supérieure à 100 GPa, avantageusement supérieure à 150 GPa. Par exemple mais non limitativement, le matériau composite permet de conférer aux poutres 204 un module d'Young longitudinal supérieur à 150 GPa, mais par exemple très avantageusement supérieur à 400 GPa, préférentiellement supérieur à 500 GPa et très préférentiellement supérieur à 600 GPa. De plus, les fibres de carbone permettent également d'avoir la relation al ~ a2 .

Les fibres longitudinales du matériau des poutres 204 leur confèrent une 30 grande rigidité (raideur) longitudinale. On peut réaliser des poutres comportant des fibres longitudinales par tout procédé de fabrication. 8 Par exemple mais non limitativement, pour renforcer la rigidité de la structure 2, les poutres 204 sont des éléments pultrudés, c'est-à-dire fabriqués par pultrusion, à savoir une technique connue consistant à forcer, à travers une filière, des mèches de fibres continues, par exemple en verre ou préférentiellement en carbone, préalablement imprégnées de résine, par exemple époxy, polyester, ou ester cyanate, et permettant d'obtenir une grande raideur unidirectionnelle dans l'axe longitudinal. L'utilisation de la pultrusion permet d'exploiter de façon optimale le potentiel de rigidité du matériau : le choix du bon type de fibres et de la résine formant la matrice permet en effet d'obtenir une très grande rigidité longitudinale. La pultrusion est également peut onéreuse. Les tiges 205 peuvent par exemple être aussi mais non limitativement en matériau composite.

Pour éviter encore davantage les contraintes thermiques sur le miroir 1, les tiges 205 sont avantageusement solidaires du miroir 1 par l'intermédiaire de patins 13 dans le même matériau que le miroir 1. Les tiges 205 et les patins 13 sont par exemple collés ensemble et sur le miroir 1.

Comme le montrent les flèches 3 de la figure 1, l'ensemble permet un découplage thermique entre le miroir 1 et la structure 2, par flexion des tiges 205. Le miroir 1 peut donc se déplacer légèrement dans son plan.

On peut cependant souhaiter ne pas autoriser ce déplacement du miroir 1 25 dans son plan, pour éviter les modes propres de vibration du miroir par exemple. Ainsi, selon un deuxième mode de réalisation possible représenté à la figure 2, le plan 208 de support de tiges 205 est situé entre le premier plan 201 et le deuxième plan 202.

30 Dans ce cas, chaque tige 205 est également liée au premier plan 201 par une articulation 209 flexible, par exemple par la flexion des poutres 204 du premier plan 201 et/ou du deuxième plan 202 et/ou du lien interne 203, les tiges 205 n'étant alors plus flexibles dans le mode de réalisation de la figure 2. L'articulation 209 peut être effectuée par exemple par une coopération de la tige 205 avec un perçage d'une poutre 204 du premier plan 201, ou par appui mécanique de la tige 205 sur des poutres 204 du premier plan 201 De même, la structure 2 comporte une liaison 206 de rigidification entre le plan 208 de support de tiges 205 et le deuxième plan 202. Dans ce cas, pour compenser la flexion des poutres 204 du premier plan 201 et/ou du deuxième plan 202 et/ou du lien interne 203, - le plan 208 de support de tiges 205 est en un troisième matériau, différent du deuxième matériau, et de coefficient de dilatation thermique «3, et - la hauteur h2 entre le premier plan 201 et le plan 208 de support de 15 tiges 205; et la hauteur h1 entre le premier plan 201 et le miroir 1 sont liées par la relation : h2 = hl (a2-al) -1 . (a3-a2) Ainsi, dans le mode de réalisation de la figure 2, il n'y a aucune contrainte 20 latérale au niveau des tiges 205 sous le miroir 1, et donc pas de déformation du miroir 1. La structure de la figure 2 bénéficie également d'une grande rigidité, renforcée dans les plans 201 et 202, grâce à la liaison 206. Comme le montre la figure 5, la face arrière 12 du miroir 1 peut 25 comporter des usinages 207 locaux, afin d'optimiser la rigidité locale du miroir. Comme le montre la figure 3, la structure 2 peut comporter plus d'une base 20, afin d'augmenter encore la rigidité de la structure 2 en treillis, les bases 20 étant alors superposées les unes sur les autres. 30

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Ensemble comportant : - un miroir (1), et - une structure (2) porteuse du miroir (1), comportant au moins une base (20) comportant : - un premier plan (201), - un deuxième plan (202), et - un lien interne (203) situé entre le premier plan (201) et le deuxième 10 plan (202), caractérisé en ce que le premier plan (201), le deuxième plan (202) et le lien interne (203) respectivement comportent uniquement des poutres (204) ininterrompues, sans pièce intermédiaire entre poutres, afin de former une structure (2) rigide en treillis. 15
2. 2. Ensemble selon la revendication 1, dans lequel les poutres (204) comportent des fibres longitudinales, et sont préférentiellement des éléments pultrudés. 20
3. 3. Ensemble selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel la structure (2) comporte un plan (208) de support de tiges (205) solidaires du miroir (1), le plan (208) de support - comportant uniquement des poutres (204) ininterrompues, sans pièce intermédiaire entre poutres, et 25 - étant parallèle au premier plan (201) et au deuxième plan (202).
4. 4. Ensemble selon la revendication 3, dans lequel le plan (208) de support de tiges (205) est confondu avec le deuxième plan (202). 30
5. 5. Ensemble selon la revendication 3, dans lequel le plan (208) de support de tiges (205) est situé entre le premier plan (201) et le deuxième plan (202), chaque tige (205) étant alors liée également au premier plan (201) par une articulation (209).
6. 6. Ensemble selon la revendication 5, comportant une liaison (206) de rigidification entre le plan (208) de support de tiges (205) et le deuxième plan (202).
7. 7. Ensemble selon l'une des revendications 5 ou 6, dans lequel le miroir (1) est en un premier matériau, préférentiellement du verre, de coefficient de dilatation thermique a1, le premier plan (201), le deuxième plan (202), et l'espace intermédiaire 10 (203) sont en un deuxième matériau, préférentiellement un matériau composite, de coefficient de dilatation thermique a2, le plan (208) de support de tiges (205) est en un troisième matériau, préférentiellement un matériau composite, de coefficient de dilatation thermique a3, 15 et dans lequel : h2 = hl (a2-al) -1 (a3-a2) où h2 est la hauteur entre le premier plan (201) et le plan (208) de support de tiges (205) ; et h1 est la hauteur entre le premier plan (201) et le miroir (1).
8. 8. Ensemble selon l'une des revendications 3 à 7, comportant en outre des bloqueurs (210) adaptés pour bloquer les tiges (205) par rapport au plan (208) de support de tiges (205), lorsque le miroir a une forme recherchée. 25
9. 9. Ensemble selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel le miroir comporte des usinages (207) locaux sur une face (12) arrière.
10. 10. Ensemble selon l'une des revendications 1 à 9, dans lequel la structure (2) en treillis est de motif tétraédrique. 20 30