Configuration de l'âme en nid d'abeille sur des réflecteurs d'antennes spatiales

Les réflecteurs installés sur les antennes satellitaires doivent être stables en température pour assurer leur performance d'autant plus que la température vue en orbite peut facilement varier entre -150 ˚C jusqu'à + 150 ˚C. Les réflecteurs sont généralement constitués de deux éléments : la coque et la structure arrière. La coque est la partie utile de l'antenne qui comporte la face réflectrice, tandis que la structure arrière rigidifie l'assemblage. La coque est construite sur la base d'une construction sandwich avec une âme en nid d'abeille de papier de fibre de para-aramide. Ces âmes en nid d'abeille ont des propriétés de dilatation thermique orthotropes et induisent une distorsion thermique sur la surface des réflecteurs qui réduisent leur performance. Les nids d'abeille sont découpés en sections à géométries variables qui sont ensuite cousues l'une à l'autre pour former l'âme du panneau sandwich. En modifiant l'orientation des sections, les caractéristiques thermomécaniques orthotropes du nid d'abeille peuvent être prises en compte lors de la conception. L'objectif principal du mémoire est de trouver la configuration des sections d'âme sur le réflecteur qui minimise les distorsions thermiques. En premier lieu, les propriétés mécaniques et thermiques du nid d'abeille sont caractérisées à l'aide de plusieurs tests expérimentaux. Par la modélisation des tests mécaniques effectués, une estimation des propriétés du papier de para-aramide constituant le nid d'abeille est obtenu. Il a aussi été remarqué que la dilatation thermique du nid d'abeille est principalement causée par une déformation des cellules de celui-ci. En deuxième lieu, des tests mécaniques sont menés sur le panneau sandwich pour mesurer les propriétés équivalentes du nid d'abeille. Ceux-ci ont permis d'évaluer l'apport de rigidité réel du nid d'abeille lorsque ses parois sont contraintes par des laminés rigides. Un modèle numérique est ensuite développé en utilisant les propriétés équivalentes mesurées sur le panneau sandwich. En troisième lieu, un panneau sandwich est soumis à une charge thermique et ses déformations sont mesurées expérimentalement. La modélisation de ce test expérimental a permis de montrer que les défauts dans les laminés ont un grand impact sur la réponse thermique du panneau. Finalement, plusieurs configurations d'âme sont testées numériquement sur deux types de réflecteurs ; l'un avec une structure arrière traditionnelle et l'autre avec un système d'attaches flexibles. Les résultats de l'étude numérique proposent qu'une diminution des distorsions thermiques est possible en utilisant plusieurs sections de nid d'abeille. En revanche, pour une réelle augmentation des performances, l'âme doit être divisée en un très grand nombre de sections, ce qui rend la solution peu pratique.

Abstract

Reflectors installed on space antennas need temperature stability to ensure their performance especially given that experienced temperatures in orbit can easily vary between -150 ˚C and +150 ˚C. Reflectors are generally composed of two elements: the shell and the backing structure. The shell, which comprises the reflective surface, is the useful part of the antenna whereas the backing structure rigidifies the assembly. The shell is built in a sandwich panel and is composed of a para-aramid fiber paper honeycomb core. These honeycomb cores have orthotropic properties of thermal expansion and induce a thermal distortion on the reflectors' surface that reduces its performance. The honeycombs are cut in sections of varying geometry that are sewed together to form the core of the sandwich panel. By changing the orientation of these sections, the honeycomb's orthotropic thermomechanical properties can be taken into account in the design. The main goal of this research is to find the configuration of the core sections on the reflector that minimizes the thermal distortions. Firstly, honeycomb's mechanical and thermal properties are characterized based on several experimental tests. By modeling the mechanical tests conducted, we obtain an estimate of the para-aramid paper's properties, the material of the honeycomb. The mechanical tests have allowed to estimate the properties of the para-aramid paper, the material of the honeycomb. It was also noted that the honeycomb's thermal expansion is mainly caused by a deformation of its cells. Secondly, mechanical tests are conducted on the sandwich panel in order to measure the honeycomb's equivalent properties. These tests have allowed to evaluate the actual stiffness contribution of the honeycomb when its walls are constrained by rigid face sheets. A digital model is then developed using the equivalent properties measured on the sandwich panel. Thirdly, a sandwich panel is submitted to a thermal load and its deformations are measured experimentally. The modeling of this experimental test has permitted to show that flaws in the face sheets have a considerable impact on the thermal response of the panel. Finally, several core configurations are numerically tested on two types of reflectors: one composed of a traditional backing structure and the other composed of a flexible interface. The results of the numerical study suggest that a diminution in thermal distortions is possible when using several honeycomb sections. However, to obtain a significant augmentation of the performances, the core needs to be devised in many sections; thus, making the solution not very practical.