Développement et caractérisation expérimentale en microgravité de structures auto-déployables de réflecteurs paraboliques pour applications spatiales

Development and experimental characterization in microgravity of self-deployable structures of parabolic reflectors for space applications

• Auteur / Autrice : Xavier Maetz
• Direction : Jérôme Quirant
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique, Génie Civil et Architecture
• Date : Soutenance le 28/04/2022
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Structures innovantes, géomatériaux, écoconstruction (SIGECO)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Mécanique et Génie Civil (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Fabrice Gatuingt
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jérôme Quirant, Fabrice Gatuingt, Manuel Paredes, Simon Chesne, Bernard Maurin, Julien Averseng
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Manuel Paredes, Simon Chesne

Mots clés

Mots clés contrôlés

Construction durable

Antennes paraboliques

Satellites

Nanosatellites

Mots clés libres

Structure

Spatial

Antenne

Déploiement

Structure

Spatial

Antenna

Self deployable

Résumé

La miniaturisation des satellites représente un défi technologique important pour l'accès à l'espace en réduisant les coûts et les délais de développement. L'augmentation considérable des lancements de nanosatellites est une preuve de leur intérêt dans de multiples applications. Les antennes paraboliques réflectrices sont largement utilisées pour des applications de télécommunication, d'observation de la terre, de navigation et de science (exploration de l'espace lointain). C'est la solution la plus utilisée pour des antennes satellitaires qui ont besoin d'un gain élevé, car elles possèdent un bon rendement et peuvent supporter n'importe quelle polarisation. En général, le diamètre d'une antenne à géométrie fixe va dépendre de la taille et de la capacité d'aménagement de la plateforme du satellite. Mais quand une antenne à géométrie fixe n'est pas envisageable, alors une architecture déployable est considérée. Avec les petits satellites comme les MicroSats et les CubeSats, une antenne parabolique doit obligatoirement être une structure déployable. Cette thèse réalisée au Laboratoire de Mécanique et Génie Civil (LMGC) de Montpellier, cofinancée par le Centre National d'Etudes Spatiales (CNES) et la région Occitanie, s'inscrit dans la continuité d'une collaboration entre le service mécanisme du CNES et la partie structure innovante de l'équipe SIGECO du LMGC. L'objectif est de proposer un concept de structure porteuse de réflecteurs auto-déployables à l'échelle des CubeSats. Ce sont des structures qui sont pliées pour obtenir une configuration gerbée compacte lors du lancement, et qui présentent une bonne tenue mécanique en configuration déployée. Le passage entre les deux configurations s'effectue uniquement par libération d'énergie élastique stockée dans des joints, sans apport d'énergie extérieure. Afin d'assurer le déploiement fiable et précis des mécanismes envisagés, il faut être capable de comprendre et de modéliser le comportement des structures. L'approche proposée associe donc modélisation, conception, prototypage et caractérisation expérimentale. Les travaux de cette thèse ont menés à la fabrication et l'intégration de deux prototypes de type EM (Engineering Model). Afin de valider le modèle de ces réflecteurs, les prototypes ont été déployés et testés dans en environnement de microgravité, pendant une campagne de 3 vols paraboliques.

The miniaturization of satellites represents a significant technological challenge for access to space by reducing costs and development times. The considerable increase in nanosatellite launches is a proof of their interest in multiple applications. Reflective parabolic antennas are widely used for telecommunication, earth observation, navigation and science (deep space exploration) applications. It is the most used solution for satellite antennas that need high gain, because they have good performance and can support any polarization. In general, the diameter of a fixed geometry antenna will depend on the size and layout capability of the satellite platform. But when a fixed geometry antenna is not possible, then a deployable architecture is considered. With small satellites like MicroSats and CubeSats, a satellite parabolic antenna must be a deployable structure. This thesis carried out at the Laboratory of Mechanics and Civil Engineering (LMGC) in Montpellier, co-financed by the National Center for Space Studies (CNES) and the Occitanie region, is part of the collaboration between the mechanism department of CNES and the innovative structure part of the SIGECO team of the LMGC. The objective is to propose a concept of structure for self-deployable reflectors on the scale of CubeSats. These structures are folded to obtain a compact stacked configuration during launch, and have good mechanical strength in the deployed configuration. The passage between the two configurations is carried out only by the release of elastic energy stored in the joints, without any external energy input. In order to ensure the reliable and precise deployment of the mechanisms, it is necessary to be able to understand and model the behavior of the structures. The proposed approach combines modeling, design, prototyping and experimental characterization. The work of this thesis led to the fabrication and integration of two EM (Engineering Model) prototypes. In order to validate the model of these reflectors, the prototypes were deployed and tested in a microgravity environment, during a campaign of 3 parabolic flights.