Titre de l’invention : Antenne radiofréquence pour satellite

Domaine Technique

[0001] La présente invention se rapporte à une antenne radiofréquence en Alliage à mémoire de forme super élastique.

[0002] L'invention trouve des applications particulièrement intéressantes dans le domaine de l'aérospatial, en particulier pour les satellites et les rovers.

Technique antérieure

[0003] Il existe aujourd'hui un besoin de minimiser le volume alloué aux équipements sur les plateformes satellites afin de le rendre compatible avec le volume disponible sous une coiffe d'un lanceur. Ce besoin est d'autant plus vrai sur des plateformes nano-satellites dont le volume doit être compatible avec les dispenseurs qui assurent le maintien du satellite pendant la croisière.

[0004] On connaît de l'art antérieur l'utilisation d'Alliages à Mémoire de Forme qui permettent de modifier la géométrie d'une structure d'équipement satellite pour répondre à ce besoin de miniaturisation.

[0005] Le document US9742058 décrit une antenne en alliage à mémoire de forme comprenant du Nitinol qui nécessite d'être chauffée pour retrouver sa forme initiale.

[0006] Le document Quadrifilar Helical Antenna - Greg O'Neill décrit une antenne en alliage à mémoire de forme comprenant du Nitinol qui nécessite d'être chauffée pour retrouver sa forme initiale.

[0007] Un Alliage à Mémoire de Forme est un alliage métallique qui, après déformation permanente à basse température, retrouve sa forme initiale par transformation métallurgique provoquée par réchauffage. Ce type d'alliage permet en outre de fabriquer des structures déployables. [0008] Pour certaines applications spatiales cependant, il est très difficile de concevoir et de mettre en œuvre un réchauffage fiable et performant, d'autant que celui-ci implique l'utilisation de système de chauffage qui induit à la fois une complexité de mise en œuvre et un coût parfois conséquent.

[0009] Outre les problématiques techniques liées au circuit de réchauffage

(intégration, fiabilité, contrôle), le réchauffage de ce type d'alliage implique d'avoir un budget électrique suffisant en vol.

[0010] Or les petites plateformes, nano satellite par exemple, ne disposent pas systématiquement d'une puissance électrique suffisante pour embarquer ce type de technologie.

[0011] Il existe donc un besoin de fournir une antenne radiofréquence pour satellite, qui soit déployable et qui ne présente pas les inconvénients précités.

Exposé de l'invention

[0012] L'invention a notamment pour but de pallier au moins l'un de ces inconvénients et concerne selon un aspect une antenne radiofréquence adaptée pour être montée sur un véhicule spatial, l'antenne comprenant quatre brins hélicoïdaux en alliage à mémoire de forme super-élastique et étant configurée pour passer d'une configuration déployée à une configuration de gerbage sous contrainte et pour retourner en configuration déployée de manière autonome.

[0013] On entend par alliage à mémoire de forme super-élastique, un matériau qui possède des propriétés super-élastiques conférées par sa composition et par un traitement thermique qu'il a subi au cours de sa fabrication.

[0014] Un matériau qui pourrait posséder des propriétés super-élastique de par sa nature n'est pas un matériau super-élastique tant qu'il n'a pas subi un traitement thermique approprié.

[0015] L'avantage des alliages à mémoire de forme super-élastique est que contrairement aux alliages à mémoire de forme classique qui ne possèdent pas de propriétés super- élastique ou qui n'ont pas été traité thermiquement au cours de leur fabrication pour présenter leur propriété super-élastique, ne nécessitent pas d'être chauffé pour retrouver leur mémoire de forme.

[0016] Les alliages à mémoire de forme classiques lorsqu'ils sont utilisés nécessitent d'être chauffés pour retrouver leur mémoire de forme et réaliser une transformation du matériau de l'austénite vers la martensite. Pour un alliage à mémoire de forme dans sa version super-élastique, la structure est stable, c'est-à-dire qu'il y a réversion totale de la martensite formée sous contrainte dès que la contrainte est relâchée. L'alliage ne nécessite pas d'être chauffé.

[0017] Par configuration déployée on entend une configuration naturelle de l'antenne dans laquelle l'antenne, libre, est fonctionnelle.

[0018] Par configuration de gerbage on entend une configuration gerbée, confinée de l'antenne permettant en outre un stockage de l'antenne.

[0019] Par configurée pour retourner en configuration déployée de manière autonome, on entend que l'antenne ne nécessite pas de système de réchauffage pour retrouver sa configuration déployée naturelle et fonctionnelle lorsque la contrainte est supprimée, retirée, sur commande par exemple. L'antenne est démunie de système de chauffage, ce qui lui permet en outre de ne pas être impactée par des risques sous- jacents tels que des courts circuits, des problèmes de rendements, etc.

[0020] L'antenne est configurée pour retourner en configuration déployée de manière autonome sans être chauffée.

[0021] A condition de rester dans une plage de température spécifique

(température supérieure à -150°C) et de ne pas dépasser un taux de déformation, les alliages à mémoire de forme super-élastiques possèdent la capacité de reprendre leur forme initiale sans avoir à être chauffé.

[0022] Conventionnellement, on admet un taux de déformation de 20%. La valeur du taux de déformation est liée à la nature exacte de l'alliage, à son état obtenu par traitement thermique lors de la fabrication.

[0023] Un avantage de l'antenne en alliage à mémoire de forme super-élastique est sa capacité à restituer la géométrie attendue avec précision par rapport aux structures en alliage à mémoire de forme conventionnel. Ceci étant dû, pour les en alliage à mémoire de forme classiques à une mauvaise fiabilité du réchauffage et/ou une fatigue de l'effet mémoire engendré par les déformations plastiques.

[0024] L'antenne radiofréquence réalisée en alliage à mémoire de forme super élastique peut donc être contrainte par exemple par compression dans un petit volume par exemple en configuration de gerbage pour un stockage sous la coiffe du lanceur et se déployer de manière autonome par simple libération de la contrainte, sans apport énergétique et sans faire appel à un mécanisme auxiliaire. En d'autres termes, l'antenne est auto-déployable. Un avantage de l'antenne selon l'invention est donc son autonomie.

[0025] L'antenne radiofréquence selon l'invention présente en outre l'avantage de combiner système de déploiement et fonction d'antenne en phase opérationnelle lorsqu'elle est déployée.

[0026] Le véhicule spatial peut être un satellite par exemple.

[0027] Selon d'autres caractéristiques de l'invention, l'antenne radiofréquence de l'invention comporte l'une ou plusieurs des caractéristiques optionnelles suivantes considérées seules ou selon toutes les combinaisons possibles.

[0028] Selon une caractéristique, l'alliage à mémoire de forme super-élastique est un alliage à base de cuivre. Cet alliage permet d'optimiser la conductivité électrique de l'antenne.

[0029] Selon une caractéristique, l'alliage à mémoire de forme super-élastique est un alliage à base de Nickel.

[0030] Selon une caractéristiques, l'alliage à mémoire de forme super-élastique est un alliage à base de Titane.

[0031] Selon une caractéristiques, l'alliage à mémoire de forme super-élastique est un alliage à base de Fer.

[0032] Selon une caractéristique, l'alliage à mémoire de forme super-élastique est un alliage choisi dans le groupe constitué par CuAINi, CuAIBe, CuAIMn, FeMnAINi, NiTiCo et NiTiX. [0033] Selon une caractéristique, les quatre brins hélicoïdaux sont reliés deux à deux de sorte que l'antenne comporte deux paires de brins.

[0034] Selon une caractéristique, l'antenne est configurée pour fonctionner dans des bandes de fréquence comprises entre 3 MHz et 10 GHz. Ainsi l'antenne offre une solution haute performance, compatible à tous véhicules spatiaux, dont les plateformes nano satellites.

[0035] Selon une caractéristique, l'antenne est de forme cylindrique.

[0036] Selon une caractéristique, l'antenne est de forme conique.

[0037] Selon une caractéristique, l'antenne présente une hauteur en configuration déployée comprise entre 0.05 m et lm.

[0038] Selon une caractéristique, un ratio de hauteur entre la configuration de gerbage et la configuration déployée est supérieur à 10. Ainsi, l'antenne est adaptée au besoin de compacité par son volume réduit sous la coiffe d'un lanceur ou d'un dispenseur grâce aux propriétés super-élastique de l'alliage à mémoire de forme.

[0039] Selon une caractéristique, chaque brin hélicoïdal présente un pas compris entre 5 mm et 300 mm.

[0040] Selon une caractéristique, chaque brin hélicoïdal est tubulaire et présente un diamètre compris entre 0.5 mm et 4 mm.

[0041] Selon une caractéristique, l'antenne comprend une base de diamètre compris entre 20 mm et 200 mm.

[0042] Selon une caractéristique, l'antenne comprend un sommet de diamètre compris entre 20 mm et 200 mm.

[0043] Ces dimensions permettent à l'antenne de fonctionner dans les bandes de fréquences souhaitées, compatibles aux véhicules spatiaux.

[0044] Selon un aspect l'invention concerne un engin spatial comprenant une antenne telle que décrite ci-dessus.

[0045] Par exemple l'engin spatial est un satellite tel qu'un nano-satellite. [0046] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description nullement limitative qui suit et des figures annexées qui illustrent de manière schématique plusieurs modes de réalisation de l'antenne selon l'invention.

Brève description des dessins

[0047] [Fig. 1] La figure 1 représente une antenne radiofréquence selon un mode de réalisation en configuration déployée.

[0048] [Fig. 2] La figure 2 représente l'antenne radiofréquence selon un mode de réalisation en configuration déployée.

[0049] [Fig. 3] La figure 3 représente l'antenne radiofréquence selon un mode de réalisation en configuration de gerbage.

Description des modes de réalisation

[0050] Par souci de simplification, les éléments identiques sont repérés par des signes de référence identiques sur l'ensemble des figures.

[0051] On a représenté en figure 1 une antenne radiofréquence 1 selon un mode de réalisation de l'invention. L'antenne radiofréquence est adaptée pour être montée sur un véhicule spatial, par exemple un satellite, en particulier un nano satellite. En d'autres termes, l'antenne radiofréquence 1 est configurée pour être montée sur le satellite, en particulier le nano-satellite.

[0052] Dans le présent exemple, l'antenne radiofréquence 1 est une antenne quadri filaire. L'antenne 1 comprend quatre brins 10 hélicoïdaux en alliage à mémoire de forme super-élastique. L'alliage à mémoire de forme super élastique présente des caractéristiques lui permettant de retrouver spontanément sa forme d'origine lorsque des contraintes de déformation appliquées sont retirées.

[0053] De manière préférentielle, l'alliage est un alliage à base de cuivre, cependant l'antenne 1 n'est pas limitée à ce type d'alliage est peut-être en tout alliage métallique présentant des caractéristiques super-élastiques tel que des alliages à base de Nickel par exemple.

[0054] De préférence, l'alliage à mémoire de forme super-élastique est un alliage choisi dans le groupe constitué par CuAINi, CuAIBe, CuAIMn, FeMnAINi, NiTiCo et NiTiX.

[0055] Les antennes formées par ces alliages ont démontré un comportement optimal dans les conditions et sous les contraintes du spatiale dans lequel l'amplitude de température est très élevée allant de -100 à 200° par exemple.

[0056] En outre les antennes formées par ces alliages super-élastiques ont démontré un retour en position déployée optimal dans les conditions et sous les contraintes spatiales.

[0057] Le taux de déformation admissible pour le CuAINi à l'état monocristallin est de 10% avec un comportement super-élastique entre 123°K (-150°C) et 473°K (200°C).

[0058] Le taux de déformation admissible pour le CuAIBe à l'état monocristallin est de 20% avec un comportement super-élastique pour une température entre 123°K (- 150°C) et 343°K (70°C).

[0059] Le taux de déformation admissible pour le CuAIMn à l'état monocristallin est de 8% avec un comportement super-élastique pour une température supérieure à 4°K (-269°C).

[0060] Le taux de déformation admissible pour le FeMnAINi à l'état monocristallin est de 10% avec un comportement super-élastique pour une température supérieure à 10°K (-263°C).

[0061] Les alliages CuAINi, CuAIBe, CuAIMn et FeMnAINi sont également utilisables à l'état polycristallin avec une déformation admissible de 3%. [0062] Le taux de déformation admissible pour le NiTiCo à l'état polycristallin est de

5% avec un comportement super-élastique pour une température supérieure à 173°K (-100°C).

[0063] Le taux de déformation admissible pour le NiTiX à l'état polycristallin est de

5% avec un comportement super-élastique pour une température supérieure à 163°K (-110°C).

[0064] Le taux de déformation admissible pour le TiNb à l'état polycristallin est de

20% avec un comportement super-élastique pour une température supérieure à 73°K (-200°C).

[0065] L'antenne 1 est configurée pour passer d'une configuration déployée (figure 1 et 2) à une configuration de gerbage (figure 3) par application d'une contrainte telle qu'une compression par exemple et pour restituer sa géométrie pour retourner en configuration déployée de manière autonome. La configuration déployée correspond à une position initiale dans laquelle l'antenne a été fabriquée. La configuration de gerbage, dans laquelle l'antenne est rétractée constitue un état temporaire de l'antenne radiofréquence qui lui permet d'être placée sous une coiffe d'un lanceur par exemple.

[0066] Dans l'exemple représenté, les quatre brins 10 hélicoïdaux sont liés électriquement deux à deux au sommet de l'antenne de sorte que l'antenne comporte deux paires de brins et présente une architecture en double hélice.

[0067] Comme l'illustre la figure 2, les quatre brins 10 peuvent être indépendants les uns des autres de sorte que l'antenne présente une architecture en hélice avec quatre brins non liés électriquement deux à deux.

[0068] Dans un exemple non représenté, les brins 10 peuvent tous être liés électriquement au sommet de l'antenne. [0069] Ces configurations permettent à l'antenne de fonctionner dans les bandes de fréquences compatibles aux véhicules spatiaux.

[0070] Dans les exemples représentés, l'antenne présente une hauteur H égale à 173 mm en configuration déployée et égale à 20 mm en configuration de gerbage.

[0071] L'ordre de grandeur du ratio d'encombrement deux configurations de gerbage et déployée est de 10.

[0072] Dans les exemples représentés, l'antenne 1 présente une forme conique comportant une base 30 de diamètre DI supérieur au diamètre D2 du sommet 20 de l'antenne.

[0073] Dans les exemples représentés, le diamètre DI de la base 30 de l'antenne est égal à 55 mm et le diamètre D2 du sommet 20est égal à 42 mm.

[0074] Dans les exemples représentes, les brins hélicoïdaux sont tubulaires et présente un diamètre égale à 1,5 mm.

[0075] Chaque brin hélicoïdale 10 forme une hélice, à pas P constant. Dans l'exemple représenté le pas P de chaque brin 10 est égal à 114 mm.

[0076] Dans une variante non représentée, l'antenne peut être de forme cylindrique. Dans cette configuration, le diamètre DI de la base 30 de l'antenne est égal au diamètre D2 du sommet 20 de l'antenne.

[0077] Les dimensions de l'antenne 1 précédemment décrite permettent à l'antenne d'être configurée pour fonctionner dans une bande de fréquence égale à 1,7 GHz.

[0078] Cependant l'invention à cette bande de fréquence et l'homme du métier saura modifier les dimensions de l'antenne de sorte que celle-ci soit configurée pour fonctionner dans des bandes de fréquence comprises entre la bande HF (de l'ordre de 3 MHz) et la bande X (de l'ordre de 10 GHz).

[0079] Un procédé de fabrication de l'antenne radiofréquence 1 est décrit par la suite. [0080] Chaque brin 10 est formé dans l'alliage à mémoire de forme super élastique et les dimensions permettant à l'antenne de fonctionner dans la bande de fréquence choisie.

[0081] Les brins 10 sont placés sur un outillage (non représenté) comprenant des rainures hélicoïdales et circulaires adaptées pour recevoir chacun des brins 10.

[0082] Les brins 10 sont chauffés et formés sur l'outillage.

[0083] L'antenne radiofréquence est ainsi fabriquée en configuration déployée (figure 1 et 2) qui correspond à une position initiale de l'antenne dite première position.

[0084] Une application de l'antenne radiofréquence illustrées aux figures 1 à 3 réside dans son utilisation en aérospatial, en particulier dans le lancement de nano satellite.

[0085] L'antenne radiofréquence 1 est configurée pour occuper une configuration de gerbage (figure 3) lors de lancement et pour occuper une configuration déployée (figures 1 et 2) lors des phases opérationnelles du véhicule spatial.

[0086] Après fabrication, l'antenne est maintenue dans une configuration compacte, dite gerbée, ou de gerbage par une contrainte mécanique (figure 3). L'antenne subi les environnements liés au lancement et à la croisière du véhicule spatial dans cette configuration. Après mise en orbite, la contrainte mécanique est retirée, l'antenne libérée restitue sa géométrie pour retourner en configuration déployée grâce à la mémoire de forme de l'alliage des brins et sans nécessité de chauffage grâce aux propriétés super élastique de l'alliage.

[0087] Ainsi, l'antenne radiofréquence selon l'invention est adaptée au besoin de compacité permettant aux plateformes nano-satellites d'occuper un volume réduit sous la coiffe du lanceur et permet de s'affranchir des dispositifs de chauffage de l'art antérieur.

[0088] Bien évidemment, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention. Notamment, les différentes caractéristiques, formes, variantes et modes de réalisation de l'invention peuvent être associés les uns avec les autres selon diverses combinaisons dans la mesure où ils ne sont pas incompatibles ou exclusifs les uns des autres. En particulier, toutes les variantes et modes de réalisation décrits précédemment sont combinables entre eux.