Brevet FR2590103A1 — publié le 19870515

Dispositif d'élimination de charges électrostatiques La présente invention concerne un dispositif d'élimination des charges électrostatiques engendrées par le frottement de l'air sur un véhicule mobile à grande vitesse, comprenant un émetteur d'ions relié électriquement à la surface externe du véhicule. Elle s'applique plus particulièrement à l'élimination des charges électrostatiques de la surface externe d'avions, d'hélicoptères ou de dirigeables, qui seront désignés ci-après sous le terme général d'aéronefs. On sait qu'un aéronef en se déplaçant à grande vitesse dans l'air, et notamment dans les nuages, se charge électriquement, négativement en général, par tribo-électricité. Le potentiel de l'aéronef par rapport à l'air ambiant augmente et des décharges électriques s'amorcent plus spécialement aux endroits de faible rayon de courbure de sa surface externe Ces décharges, entre autres inconvénients, produisent des parasites radioélectriques qui brouillent les communications et les radionavigations. Ce brouillage peut devenir suffisamment intense pour priver l'aéronef de liaisons radio et entrainer la possibilité de catastrophes. On a depuis longtemps proposé divers artifices pour supprimer ces charges électrostatiques et les parasites qu'elles entraînent. On a proposé en premier lieu des déperditeurs de potentiel à pointes métalliques, à mèches, à plastiques conducteurs, ou encore des déperditeurs radioactifs, que l'on peut définir comme des déperditeurs passifs, car ils ne demandent aucune intervention de l'équipage et ne prélèvent aucune énergie sur l'aéronef ; toutefois ceux-ci n'assurent la décharge qu'au-dessus d'un certain seuil de potentiel. Le courant évacué par chaque déperditeur est faible, ce qui conduit à en multiplier le nombre. Le courant de décharge de ces déperditeurs crée un certain bruit radioélectrique. Il a été proposé dans le document FR-A-2.299.214 aux noms de MM. FEVROT et COURTONNE un déperditeur passif amélioré, comprenant un système de pointes et une tuyauterie reliée à une source de gaz à haute pression, notamment à l'échappement du compresseur d'air d'un réacteur, et dirigeant le flux gazeux sur les pointes. De tels dispositifs améliorent notablement la situation au point de vue des parasites radioélectriques, mais ne les suppriment pas complètement. On a également proposé des déperditeurs dits actifs, prélevant de l'énergie sur un circuit électrique de l'aéronef, notamment dans le document FR-A-2.419.647 au nom de l'ONERA, un dispositif comprenant une pointe portée à un potentiel élevé à travers une résistance par un circuit de bord de l'aéronef et une source d'air comprimé dirigeant un flux d'air dans une tuyère entourant la pointe. De tels dispositifs ne procurent aussi qu'une amélioration incomplète. La présente invention a pour but de procurer un dispositif d'élimination des charges électrostatiques qui élimine celles-ci de fanon beaucoup plus complète, et qui soit cependant simple, ne nécessite qu'une énergie d'alimentation faible et ne fasse pas intervenir de générateur de tension élevée. Le dispositif selon l'invention est caractérisé en ce que l'émet- teur d'électrons relié à la surface externe du véhicule est constitué par une résistance chauffante en matériau réfractaire et inoxydable. Il répond en outre de préférence à au moins l'une des caractéristiques suivantes - La résistance chauffante est disposée à l'intérieur d'une tuyère munie, en amont de la résistance, d'ouvertures d'admission de l'air ambiant. - La résistance chauffante est reliée à un réseau d'alimentation à bord du véhicule par l'intermédiaire d'un régulateur maintenant constant le rapport tension/courant dans le circuit alimenté. - Il comprend un circuit d'alimentation sous plus forte tension pour assurer la décharge électrique du véhicule, et sous tension plus faible pour éviter le givrage de la résistance chauffante. - Il comprend un organe de mise en service automatique de l'alimentation sous tension élevée piloté par l'apparition de parasites sur un récepteur radioélectrique à bord du véhicule. - Il comprend un organe de mise en service automatique de l'alimentation sous faible tension piloté par un organe de mesure de la température à l'extérieur du véhicule. Il est décrit ci-après, à titre d'exemple et en référence aux figures schématiques du dessin annexé, un dispositif selon l'invention. La figure 1 représente l'ensemble du dispositif. La figure 2 représente en coupe partielle plus en détail la résistance chauffante et la tuyère de passage de l'air ambiant. La figure 3 est une coupe transversale selon l'axe III-III de la figure 2. La figure 4 représente la variation du courant évacué en fonction de champ électrique dans un déperditeur de potentiel. La figure 5 représente un circuit de régulation du courant délivré à la résistance chauffante, de manière que le rapport tension/courant reste constant. La figure 6 représente un montage d'essai pour la vérification de l'efficacité du dispositif. La figure 7 comporte les caractéristiques courant évacué.potentiel pour différents courants de chauffage dans le montage d'essai. La figure 8 donne les tensions de seuil en fonction du courant de chauffage. Dans la figure 1, le dispositif est fixé sur la partie avant 1 de la carlingue de l'avion. Il a naturellement été représenté très agrandi par rapport à celle-ci. Il est porté par un support isolant 2 qui éloigne de la surface de l'avion le déperditeur de potentiel proprement dit. Celui-ci comprend un filament 3 en métal réfractaire et inoxydable, tel que le platine. Ce filament est relié au réseau électrique de bord 6 par un conducteur 4, le retour à la masse s'effectuant par un conducteur 5. Il est disposé sur le conducteur 6 un organe de régulation de courant 7 permettant de porter le filament 3 à haute température. Cet organe de régulation sera décrit plus en détail en référence à la figure 5. En vue de protéger le circuit d'alimentation contre un coup de foudre, en circuit est protégé par un transformateur d'isolement 7A et un pont de diodes 7B. Le support isolant de la résistance est représenté plus en détail en figures 2 et 3. Ce support comprend une base cylindrique 8, une zone bombée 9 percée d'ouvertures 10 régulièrement réparties sur son pourtour, et une embouchure formant tuyère 11 entourant le filament 3. Il a été représenté sur la figure cinq ouvertures, mais ce nombre peut naturellement être modifié. Les conducteurs 4 et 5 sont munis de gaines isolantes 12, 13. L'organe de régulation de tension représenté en figure 5 est alimenté par un réseau de bord en courant continu sous 28 volts. On pourrait aussi utiliser une alimentation alternative sous 400 Hz. Le transistor de puissance 14 est monté en ballast avec le filament 3. Une diode Zener 15 est reliée en 16 au conducteur 4 d'alimentation du filament, en 17 à la base 18 du transistor 14 et par l'intermédiaire d'une résistance 19 à la masse. Le fonctionnement du dispositif est le suivant. Le filament 3, alimenté par le réseau de bord 6 par l'intermédiaire du régulateur 7 et du conducteur 4, est porté à haute température. Par émission thermoionique, il émet un faible courant. S'il n'y a ni champ électrique, ni vent, les électrons émis forment rapidement une gaine autour du filament, freinant toute émission ultérieure. Mais s'il existe un champ électrique appréciable et de sens convenable, ce qui est le cas le plus courant en aviation, les électrons accélérés par le champ ne s'opposent plus à 11 émission d'autres électrons, ce qui entraine une forte augmentation du courant initial à partir d'une tension de seuil Vs, la variation du courant évacué en fonction de la tension appliquée étant représentée sur la figure 4, où ltéchelle des abscisses est linéaire, et celle des ordonnées logarithmique. De même, le vent résultant du déplacement de l'avion augmente le courant en détruisant la gaine formée par les électrons initiaux, qui freinaient l'émission thermoionique, la vitesse de l'air augmentant par ailleurs du fait de son passage dans la tuyère 11. Si le vent se superpose au champ électrique, l'émission thermoionique est encore plus importante. Le fonctionnement d'un tel déperditeur de potentiel repose sur le même principe que celui des déperditeurs passifs à pointes, mais son efficacité est très supérieure pour plusieurs raisons. Le seuil de la décharge est ramené à un champ de quelques dizaines de volts par mètre, au lieu de quelques kilovolts/mètre pour les meilleurs déperditeurs passifs connus. A champ électrique égal, l'intensité du courant est beaucoup plus élevée qu'avec un déperditeur passif connu, et on peut donc éliminer plus de charges avec moins de déperditeurs. A courant débité égal, le bruit radioélectrique de fond engendré est beaucoup plus faible. Dans le régulateur représenté en figure 5, si, pour une raison quelconque, la température de la résistance chauffante 3 augmente, sa résistance augmente, et le potentiel au point 16 s'élève par rapport à la masse. Il en est de même à la jonction 17 avec la base 18. Le transistor 14 devient moins conducteur. L'intensité diminuant dans la résistance, sa température diminue. On peut mettre sous tension la résistance chauffante soit uniquement lorsqu'il apparait des parasites radioélectriques, soit en permanence sous une tension plus faible pour éviter le givrage, et la mettre sous une tension plus élevée lors de l'apparition de parasites. Cette permutation de tension d'alimentation peut être effectuée automatiquement par un commutateur piloté par un détecteur de parasites relié à un récepteur radioélectrique, soit un récepteur de trafic, soit un récepteur auxiliaire. La mise en service de l'alimentation sous faible tension peut être commandée par un détecteur de la température à l'extérieur de l'avion. L'efficacité de ce dispositif a été vérifiée expérimentalement à l'aide d'un montage d'essai (fig.6) comportant un fil de platine de 0,25 mm de diamètre suspendu à une potence 20, placée à une distance D réglable d'une plaque de cuivre carrée 20A posée sur le support isolant 20B. La plaque était reliée au pôle + d'une alimentation réglable 21 dont la tension était contrôlée par le voltmètre 22. Une telle source était nécessaire pour figurer le potentiel auquel est porté l'aéronef en fonctionnement réel, par suite de l'accumulation des charges électrostatiques sur sa paroi externe. Dans un dispositif monté à bord d'un aéronef, une source d'alimentation à haute tension n'est plus nécessaire, puisque c'est l'aéronef lui-même qui en joue le rôle. La masse de l'alimentation (pôle -) était reliée à une des extré mités du fil de platine à travers une résistance 23 de 1 M Q aux bornes de laquelle étaient connectés : 1) un voltmètre continu sans consommation 24 permettant de connaitre le courant débité, 2) un oscilloscope cathodique 25 donnant l'enveloppe de courants alternatifs. Enfin, les deux extrémités du fil de platine étaient reliées à travers un ampèremètre 26 et un rhéostat 27 à un accumulateur 28. Pour une distance D connue de 59 mm et un courant de chauffage I constant, on a enregistré la variation de l'indication du voltmètre 24, c'est-à-dire à un coefficient près le courant évacué en fonction de la tension appliquée, mesurée par le voltmètre 22. Le tableau suivant donne les résultats expérimentaux obtenus ( : Courant évacué i en nA : Parasites en V : Parasites en V par A) ( V 22 : : ) ( : pour I: pour I = : pour I = ) ( : : : ) ( (kV) : 0 : 3 : 4 : 5,1 : 0 : 3 : 4 : 5,1: O : 3 : 4 : 5,1 ) ( : : : : : : : : : : : ) ( : : : : : : : : : : : : ) ( O : 0,1: 0,2: 0,8: 0,5:0,15 :0,1:0,18:0,2 :1500 :500 :225 :400 ) ( 2 : : : 38 : 38 : :0,21: : : : 5,5 ) ( 3 : : : : 85 : : : :0,25: : : : 2,9 ) ( 4 : : : 0,6: 210 : : :0,12:0,23: : :220 : 1,1 ) ( 4,8 : : : 50 : : : :0,7 : : : : 14 : ) ( 5 : 0,4: 1,3: 280 : 650 :0,13 :0w15:1,6 :0,25: 325 :115 : 5,7: 0,38) ( 10 : 13 : 2650 : 4050 : 5900 :0,175:2 :6 :2,1 : 13 : 0,75: 1,5 : 0,36) ( 11 : 480 : 2900 : 5950 : 7300 :2 :4 :4s2 :2 : 4,2 : 1,38: 0,71: 0,27) ( 12 : 1340 : 4000 : 7000 : 9100 :1,75 :3,5:4,2 :2,3 : 1,3 : 0,88: 0,60: 0,25) ( 14 : 3730 : 7300 :10700 :12700 :2,1 :4 :3,7 :2,5 : 0,56: 0,55: 0,35: 0,20) ( 15 : 4600 : 9300 :13000 :15800 :2 :2 :4 :2,5 : 0,43: 0,22: 0,31: 0,16) ( 16 : 6400 :11300 :15500 :17600 :2,25 :3 :4 :2,55: 0,35: 0,27: 0,26: 0,14) ( 17 : 8070 :13300 :18000 :20000 :1,85 :3 :4,5 :2,8 : 0,23: 0,23: 0,25: 0,14) ( 19 :12400 :18650 :23600 :26800 :4 :4 :4 :2,8 : 0,32: 0,21: 0,17: 0,10) ( 20 :14650 :21200 :26800 :30000 :4 :4 :3,8 :2,8 : 0,27: 0,19: 0,14: 0,09) ( : : : : : : : : : : : : ) La figure 7 donne les caractéristiques courant évacué/potentiel pour différents courants de chauffage I (0,3, 4 et 5 Amp). La figure 8 donne les tensions de seuil Vs (en volts) en fonction du courant de chauffage I en ampères. On a constatés ainsi 1) que le courant expulsé est plus que doublé (pour i = 5 ampères et V22 = 20 kV). 2) que la tension de seuil est divisée par 10. 3) que les parasites pour un même courant sont divisés par 3. Ces résultats confirment amplement l'efficacité d'un tel dispositif. Le dispositif de l'invention est applicable en premier lieu à l'élimination des charges électrostatiques des avions, hélicoptères ou dirigeables, mais il convient également pour tous véhicules circulant à grande vitesse, tels que trains ou automobiles. REVENDICATIONS 1/ Dispositif d'élimination des charges électrostatiques formées par frottement de l'air sur un véhicule mobile à grande vitesse (1), comprenant un émetteur d'électrons (3) relié électriquement à la surface externe du véhicule, caractérisé en ce que l'émetteur d'électrons est constitué par une résistance chauffante en matériau réfractaire et inoxydable. 2/ Dispositif selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la résistance chauffante est disposée à l'intérieur d'une tuyère (11) munie, en amont de la résistance, d'ouvertures (10) d'admission de l'air ambiant. 3/ Dispositif selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la résistance chauffante est reliée à un réseau d'alimentation (6) à bord du véhicule par l'intermédiaire d'un régulateur (7) maintenant constant le rapport tension/courant dans le circuit alimenté. 4/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit d'alimentation sous plus forte tension pour assurer la décharge électrique du véhicule, et sous plus faible tension pour éviter le givrage de la résistance chauffante. 5/ Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend un organe de mise en service automatique de l'alimentation sous tension élevée piloté par l'apparition de parasites sur un récepteur radioélectrique à bord du véhicule. 6/ Dispositif selon les revendications 4 ou 5, caractérisé en ce qu'il comprend un organe de mise en service automatique de l'alimentation sous faible tension piloté par un organe de mesure de la température à l'exté- rieur du véhicule.