Brevet FR2667438A1 — publié le 19920403

COMMUTATEUR PYROTECHNIQUE A FONCTIONNEMENT RAPIDE La présente invention a pour objet un commutateur pyrotechnique et elle trouve une application particulièrement importante dans les installations destinées à constituer une source impulsionnelle de courant électrique à haute densité d'énergie, qui exigent un commutateur permettant de transférer des énergies très élevées en un temps très bref. On connaît déjà des commutateurs pyrotechniques comprenant une électrode fixe massive, une électrode déformable et une charge pyrotechnique en appui contre l'élec- trode déformable, placée de façon que son explosion plaque l'électrode déformable contre l'électrode fixe. Les commutateurs pyrotechniques existants ont, indépendamment de leur inconvénient inhérent qui est de fonctionner une seule fois, des propriétés qui limitent leur emploi. En particulier, les commutateurs pyrotechniques existants exigent, pour provoquer une fermeture rapide compatible avec les exigences de nombreuses applications, telles que les canons électromagnétiques, une charge importante qui provoque des perturbations extérieures (souffle, éclats) élevées. La présente invention vise à fournir un commutateur pyrotechnique ayant un volume et une masse relativement faibles, ne mettant en oeuvre qu'une charge réduite et ayant une constitution le rendant aisément remplaçable, ce qui élimine, dans une large mesure l'inconvénient représenté par le caractère "monocoup". Dans ce but l'invention propose un commutateur caractérisé en ce que l'électrode fixe est annulaire, en ce que l'électrode déformable est placée dans l'axe de l'électrode fixe, à distance de l'électrode fixe, et en ce que la charge est placée dans une cavité de l'électrode déformable délimitée par une paroi mince destinée à s'appliquer contre l'électrode fixe. Dans la pratique, l'électrode déformable peut comporter un pied massif prolongé par un pion dont la partie supérieure est creuse et à paroi mince ; l'électrode fixe est alors placée au droit de la paroi mince et centrée par rapport au pied par l'intermédiaire d'une bague isolante. La configuration cylindrique du commutateur permet une utilisation optimale de l'énergie chimique de ltexplo- sif, donc augmente le rendement, permet d'utiliser une masse d'explosif faible et assure un blindage électromagnétique. Le caractère semi-fermé de la configuration limite les effets extérieurs de la détonation. Un tel commutateur est susceptible de plusieurs modes de fonctionnement. Il peut être placé en série dans un circuit électrique pour transférer l'énergie d'une source vers une charge. I1 peut également être monté en parallèle sur une source ou une charge, de façon à la courtcircuiter et isoler deux parties de circuit. L'invention propose également un commutateur pyrotechnique permettant d'effectuer en séquence ou au choix une opération de fermeture de circuit et une opération d'ouverture. Pour cela, l'électrode déformable comporte, un prolongement de la partie à paroi mince, ayant une cavité tubulaire contenant un garnissage de matériau isolant non ionisable ou peu ionisable et une charge centrale ; ce prolongement est entouré par un manchon en matériau isolant, présentant avantageusement des saillies circonférentielles vers le prolongement. La mise à feu de la charge centrale cisaille alors le prolongement par jets d'isolant et permet d'ouvrir un circuit entre la paroi mince, éventuellement déjà venue en contact avec l'électrode fixe, et un circuit auquel est fixé le prolongement. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de modes particuliers de réalisation donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se référe aux dessins qui l'accompagnent dans lesquels - la figure 1 est une vue schématique, en coupe suivant un plan passant par l'axe, d'un commutateur pyrotechnique de fermeture selon un mode particulier de réalisation de l'invention ; - la figure 2 montre des phases successives de gonflement de l'électrode déformable du commutateur de la figure 1 lors du fonctionnement - la figure 3, similaire à la figure 1, montre un commutateur de fermeture et d'ouverture selon un autre mode particulier de réalisation. Le commutateur pyrotechnique montré, à titre d'exemple, en figure 1 est à fermeture unique. I1 est représenté monté en série dans un dispositif d'alimentation électrique comportant une ligne plate reliant une source et une charge (non représentées). La ligne comporte un conducteur "froid" 10 séparé d'un conducteur "chaud" 12, en deux tronçons entre lesquels est interposé le commutateur, par une lame de matériau isolant 14, mince pour réduire l'impédance de la ligne. Les conducteurs sont maintenus par une structure support suffisamment robuste pour résister aux forces électromagnétiques créées par les courants élevés, pouvant atteindre 1 MA, qui traversent la ligne lors de la fermeture du commutateur. La structure support représentée comporte une équerre 16 plaquée contre la ligne par une barrette 18 serrée par des vis latérales 20 contre une poutre dont le conducteur "froid" 10 est séparé par une couche isolante 21. L'équerre supporte une plaque d'amenée de courant 22, raccordée à un des tronçons du conducteur "chaud" 12. L'extrémité de l'autre tronçon est placée sous la partie arrière d'une semelle en matériau conducteur 23 plaquée contre le conducteur par une barrette isolante 24 et des vis latérales non représentées. Le commutateur proprement dit constitue un ensemble aisément remplaçable pouvant être regardé comme ayant une électrode centrale 26 et une électrode fixe annulaire 28 entourant une partie déformable de l'électrode centrale 26. L'électrode centrale 26 a un pied circulaire appliqué sur la semelle 23 et une partie cylindrique, en forme de pion, de plus faible diamètre, dont la partie haute est percée d'un trou axial borgne 29 ne laissant subsister qu'une paroi mince 30. L'électrode fixe annulaire 28 est séparée du pied par une bague 32 en matériau isolant qui assure également le centrage relatif des deux électrodes. Ce centrage peut être complété par une rondelle isolante de faible rigidité placée entre les électrodes à l'entrée de l'électrode 28. Pour éviter l'apparition d'un arc entre la plaque d'amenée de courant 22 et le pied de l'électrode 26, la lame isolante 14 présente avantageusement une partie terminale courbée pour venir s'interposer entre la plaque 22 et le pied de l'électrode centrale. Dans le mode de réalisation de l'invention montré en figure 1, le commutateur est fixé sur le reste du dispositif par des vis 34 traversant la semelle 16 et la plaque 22 et éventuellement des vis traversant la barrette 24. Ce montage permet de maintenir l'électrode annulaire fixe 28, la bague isolante 32 et l'électrode centrale 26 assemblées et appliquées contre la semelle 23. Le trou borgne 29 contient la charge 36, en forme d'anneau, constituée d'un explosif soufflant peu énergétique. Cet explosif est avantageusement pulvérulent et choisi de façon que la vitesse de l'onde de détonation y soit inférieure à la vitesse du son dans le matériau constitutif de l'électrode centrale 26. Pour provoquer une déformation de la paroi mince 30 du type "relèvement" la charge doit être amorcée au fond du trou. Pour cela, on utilise un détonateur 38 relié par un cordon 40 à un dispositif de mise de feu non représenté. Il est avantageux de substituer, à une liaison entièrement électrique, un coupleur optoélectronique et une fibre optique, de façon & assurer un isolement galvanique entre la mise de feu et le détonateur pour éviter un amorçage intempestif. Une telle disposition rend en particulier le commutateur peu sensible & une agression électromagnétique. Les électrodes et la charge sont constituées de façon qu'il y ait finalement soudage de la paroi mince 30 et de l'électrode fixe annulaire 28. Pour cela, on constituera généralement l'électrode fixe 28 en cupronickel et l'électrode centrale en cuivre pur de grande ductilité. La bague de centrage 32 peut être en polychlorure de vinyle, moins sensible à l'humidité qu'un isolant du genre Kapton. La charge peut être soit constituée par un anneau d'explosif glissé en place contre un amortisseur occupant le fond du trou, soit directement moulée dans l'électrode centrale. L'électrode 26 montrée en figure 1 déborde sur une longueur 1 de l'électrode annulaire fixe 28 : dans de nombreux cas, cette saillie pourra être omise. Le mode de déformation de l'électrode centrale 26 pour provoquer la fermeture du circuit apparait sur la figure 2, où les lignes en tirets 42, 44 et 46 montrent les formes sucessives prises au bout de 20 ,40 et 80 ms après la mise à feu. On voit qu'il y a relèvement progressif circonférentiel de la paroi mince 30, à partir de la zone la plus proche du pied. On peut indiquer, à titre d'exemple, qu'un commutateur du genre montré en figure 1 a été réalisé pour établir des courants dépassant 100 kA, sous une tension dépassant 15 kV. I1 avait une électrode centrale en cuivre pur à paroi mince de diamètre extérieur égal à 24 mm. Une charge d'explosif soufflant de 12 g s'est révélée surabondante. La ligne plate était constituée de deux bandes de cuivre de qualité commerciale séparées par une lame de Kapton de 2 mm d'épaisseur, très surabondante pour supporter la tension de 15 kV. La ligne plate était portée par une poutre métallique et séparée de la poutre par une feuille de cuivre et une couche isolante 21 de résine époxy, contribuant également à la rigidité mécanique. Un commutateur du genre décrit ci-dessus est susceptible d'être monté non seulement sur une ligne plate, mais aussi sur une ligne d'autre nature et notamment sur une ligne coaxiale. Lorsque l'on souhaite disposer d'un commutateur pouvant assurer successivement la fermeture d'un circuit, puis son ouverture, on peut utiliser le mode de réalisation montré en figure 3 où les éléments correspondant à ceux déjà montrés en figure 1 portent le même numéro de référence affecté de l'indice a. L'électrode 26a est dans ce cas tubulaire et simplement emmanchée dans un pied en forme de disque circulaire. Un trou borgne est limité d'une part par la paroi latérale 30a, d'autre part par un noyau de matériau isolant 46. La partie inférieure de l'électrode 26a est prévue pour être cisaillable par un ou plusieurs jets radiaux d'isolant (au nombre de trois dans le cas montré sur la figure 3). Pour cela, une cavité axiale ménagée dans la partie inférieure du noyau d'isolant 46 reçoit une charge d'explosif 48 en forme de bâtonnet, munie d'un détonateur 50 placé au droit du pied et relié à une mise de feu non représentée. La partie inférieure de l'électrode 28a, destinée à la coupure du circuit, est entourée d'un manchon en matière isolante 52, par exemple en polychlorure de vinyle, destiné à centrer les électrodes 28a et 30a l'une par rapport à l'autre et à retenir les éclats. Le manchon représenté présente des saillies internes annulaires 54 placées en face d'entailles 56 du noyau isolant et de l'électrode 30a formant des amorces de rupture. Le cisaillement par jets d'isolant s'effectue alors dans les espaces compris entre les saillies 54. Le fonctionnement du commutateur d'ouverture découle de la description qui précède : l'onde de détonation qui se propage à partir du détonateur 50 provoque des cisaillements par jets d'isolant, successivement de bas en haut. Les efforts électromagnétiques dus au courant facilitent la coupure, en tendant à provoquer l'expansion de la paroi mince. REVENDICATIONS 1. Commutateur pyrotechnique comprenant une électrode fixe massive, une électrode déformable et une charge pyrotechnique en appui contre l'électrode déformable et placée de façon à la plaquer contre l'électrode fixe, caractérisé en ce que l'électrode fixe (28,28a) est annulaire, en ce que l'électrode déformable (30,30a) est placée dans l'axe de l'électrode fixe et à distance de l'électrode fixe et en ce que la charge (36,36a) est placée dans une cavité de l'électrode déformable délimitée par une paroi mince (30,3osa) destinée à s'appliquer contre l'électrode fixe et à se souder à elle. 2. Commutateur pyrotechnique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'électrode fixe est en cupronickel et l'électrode déformable en cuivre pur. 3. Commutateur pyrotechnique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'électrode déformable comporte un pied prolongé par un pion dont la partie supérieure est creuse et à paroi mince et en ce que l'électrode fixe (28) est placée au droit de la paroi mince et centrée par rapport au pied par l'intermédiaire d'une bague isolante (32). 4. Commutateur pyrotechnique selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que la charge (36,36a) est constituée d'un explosif soufflant peu énergétique, avantageusement tel que la vitesse de l'onde de détonation y soit inférieure à la vitesse du son dans le matériau constitutif de l'électrode centrale (26). 5. Commutateur pyrotechnique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'électrode fixe est prévue pour être fixée sur une structure support par des moyens aisément enlevables, tels que des vis (34) permettant le remplacement du commutateur. 6. Commutateur pyrotechnique suivant l'une quelconque des revendications précédentes permettant d'effectuer en séquence ou au choix une opération de fermeture de circuit et une opération d'ouverture, caractérisé en ce que l'électrode déformable (30a) comporte, un prolongement de la partie à paroi mince, ayant une cavité tubulaire contenant un garnissage (46) de matériau isolant non ionisable ou peu ionisable et une charge centrale (48). 7. Commutateur pyrotechnique selon la revendication 6, caractérisé en ce que le prolongement est entouré à distance par un manchon de confinement (52) en matériau isolant. 8. Commutateur pyrotechnique selon la revendication 7, caractérisé en ce que le manchon présente des saillies internes annulaires (54) placées en face d'entailles (56) du noyau isolant et de l'électrode centrale (30a), formant des amorces de rupture. 9. Commutateur pyrotechnique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la charge ou chaque charge est munie d'un détonateur relié à une mise de feu par un coupleur opto-électronique et une fibre optique d'isolement galvanique.