Brevet FR2697342A1 — publié le 19940429

PROCEDE DE SIMULATION DES EFFETS DE LA FOUDRE. DESCRIPTION L'invention concerne un procédé permettant de simuler certains des effets de la foudre tels que les agressions liées à la densité de courant et au champ électromagnétique appliqué sur une structure par la foudre, ainsi que les décharges secondaires qui suivent la décharge principale au cours du phénomène naturel. Lorsque la foudre frappe certains objets tels qu'un aéronef en vol, il est important de connaître à l'avance les agressions subies par ces objets à proximité de l'impact ainsi que les effets électromagnétiques auxquels peuvent être soumis certains circuits et composants électroniques voisins. En effet, on doit s'assurer que ces effets seront insuffisants pour entraîner des dommages inacceptables sur les structures proprement dites ainsi que sur les circuits et composants électroniques présents à proximité de ces structures. Cependant, la foudre est un phénomène complexe qu'il est impossible de reproduire dans sa totalité en laboratoire. Ainsi, lorsque la foudre touche un objet, il se produit une décharge principale suivie d'une vingtaine de décharges secondaires contenant chacune 20 pics. La densité de courant appliquée par la foudre sur la structure est d'environ 105 A/cm2. L'intensité de la décharge principale est d'environ 200 kA, la durée de cette décharge principale étant d'environ 300 ps et son temps de montée d'environ 10 l0. En revanche l'in- tensité de crête des pics de chacune des décharges secondaires n'excède pas environ 50 kA, mais leur temps de montée est très supérieur puisqu'il est d'environ 1 ijs. En outre, les décharges secondaires qui suivent la décharge principale provoquent, en raison de leur nature aléatoire et répétitive, des interférences et des champs électromagnétiques élevés qui dépassent les valeurs critiques acceptables des composants électroniques. Pour tester en laboratoire les effets de la foudre sur différents matériaux destinés à être utilisés dans des objets tels que dans des aéronefs susceptibles d'être frappés par la foudre, on dispose actuellement d'appareils complexes appelés générateurs de foudre. Un générateur de foudre peut être représenté schématiquement par un circuit RLC. L'élément essentiel de ce circuit est un banc de condensateurs capable de stocker une forte énergie (par exemple, 40 kJ). Les condensateurs peuvent être chargés jusqu'à environ 40 kV, puis déchargés sur l'objet à tester par l'amorçage d'un éclateur. Un dispositif permet de redresser la décharge oscillatoire amortie et de régler la largeur de l'impulsion. Généralement, le courant est appliqué sur l'objet par le claquage de l'intervalle d'air, de quelques centimètres, qui sépare une électrode du générateur de l'objet. Le courant i délivré peut atteindre 200 kA en valeur de crête et une intégrale d'action (J i2 dt) de 2.106 A2.s. Le temps de montée t de l'impulsion est de tordre de quelques dizaines de ps et sa durée de l'ordre de quelques centaines de ps. Ces générateurs de foudre existants permettent de simuler de façon acceptable la décharge principale de la foudre. Cependant, ils présentent certains inconvénients. Ainsi, ils sont peu aisés à mettre en oeuvre, de sorte que la reproductibilité des essais ainsi que la précision de l'impact sont médiocres. De plus, leur utilisation n'est pas adaptée pour tester des matériaux présentant une résistance électrique importante. Par ailleurs, si les générateurs de foudre existants reproduisent avec une certaine fidélité la décharge principale de la foudre, ils ne permettent pas de simuler de façon satisfaisante les décharges secondaires, compte tenu notamment de leur temps de montée relativement long. Enfin, les générateurs de foudre existants sont des appareils coûteux dont la cadence de tirs est limitée et dont la mise en oeuvre nécessite l'utilisation d'éprouvettes de relativement grande taille (300 mm x 300 mm). Le coût d'exploitation de ces appareils est donc très élevé. L'invention a précisément pour objet un procédé original permettant de simuler les effets de la foudre d'une manière précise et reproductible, même sur des matériaux présentant une résistance électrique importante. L'invention a aussi pour objet un procédé de simulation des effets de la foudre permettant de simuler les décharges secondaires de la foudre grâce à un temps de montée particulièrement court et à la production de champs magnétiques élevés. Enfin, l'invention a pour objet un procédé permettant de simuler les effets de la foudre à l'aide d'un appareillage sensiblement moins coûteux et autorisant une cadence de tirs beaucoup plus élevée que les générateurs de foudre existants et permettant de travailler sur des éprouvettes de taille réduite (100 mm x 100 mm ou moins). Conformément à l'invention, ce résultat est obtenu au moyen d'un procédé de simulation des effets de la foudre, caractérisé par le fait qu'il consiste à utiliser un laser impulsionnel pour irradier une zone superficielle d'une structure à tester avec une densité de puissance incidente au moins égale à environ 106 W/cm2, de façon à créer localement un plasma dans cette structure. Dans une mise en oeuvre préférée de l'invention, on irradie la zone superficielle de la structure sous une pression au plus égale à environ 10-1 mbar. Par ailleurs, on utilise avantageusement un laser impulsionnel choisi dans le groupe des lasers Yag néodyme, des lasers verre-néodyme, des lasers CO2 TEA et des lasers à excimère pulsés. Le procédé selon l'invention peut être avantageusement utilisé pour simuler les décharges secondaires de la foudre en effectuant plusieurs tirs lasers successifs sur la zone superficielle. Le procédé selon l'invention peut aussi être utilisé pour simuler le champ électromagnétique appliqué sur la structure par la foudre et/ou pour simuler la densité de courant appliquée sur la structure par la foudre. Afin d'illustrer de façon plus concrète les possibilités offertes par l'utilisation d'un laser impulsionnel pour simuler les effets de la foudre, on exposera à présent les résultats les plus significatifs d'essais comparatifs qui ont été effectués sur une même cible à l'aide d'un générateur de foudre traditionnel et au moyen de deux lasers impulsionnels différents, conformément à l'invention. Cette description se réfère aux dessins annexés, dans lesquels - la figure 1 illustre de façon très schématique le montage utilisé pour mesurer le courant appliqué sur la cible, lors des essais effectués avec le générateur de foudre et avec les lasers - les figures 2A, 2B et 2C représentent l'évolution du courant i appliqué sur la cible (en ampère) en fonction du temps t (en seconde), lorsque la foudre est simulée respectivement par un générateur de foudre classique, par un laser impulsionnel déclenché verrenéodyme, sous pression réduite, et par un laser CO2 TEA, sous pression réduite ; et - les figures 3A à 3C représentent l'évolution du champ magnétique H (exprimé en A/m) en fonction du temps t (en seconde) lorsque la foudre est simulée res pectivement par un générateur de foudre traditionnel, par un laser impulsionnel déclenché verre-néodyme, sous pression réduite, et par un laser impulsionnel CO2 TEA, sous pression réduite. Lorsque le faisceau d'un laser impulsionnel heurte la surface d'une structure avec une densité de puissance incidente suffisamment élevée (au moins égale à environ 106 W/cm2) les molécules de la structure s 'ioni- sent sous l'action des forts potentiels qui se produisent alors à la surface de la structure, et créent un plasma par effet d'avalanche. Ce phénomène est voisin de celui qui se produit en théorie lorsqu'une structure est frappée par la foudre. Cependant, la complexité du phénomène naturel est telle que cette analogie théorique concernant les phénomènes physiques engendrés ne permet pas d'en déduire qu'un laser pourrait être utilisé à la place ou en complément des générateurs de foudre classiques pour simuler les effets de la foudre en laboratoire. Une campagne d'essais a donc été menée, afin de comparer les effets produits par l'irradiation d'une zone superficielle d'une cible par deux lasers impulsionnels aux effets produits par l'irradiation d'une cible semblable par un générateur de foudre classique. Pour effectuer ces essais, on a utilisé des cibles identiques, en alliage d'aluminium. De plus, pour chacune des simulations réalisées avec les différents appareils, on a mesuré, avec les mêmes capteurs de mesure, les courants électriques ainsi que les champs électriques et magnétiques appliqués sur la cible. Comme l'illustre très schématiquement la figure 1, les mesures des courants électriques appliqués sur la cible 10 ont été faites au moyen d'un capteur de courant 12. Ce capteur de courant 12 était placé sur la face arrière de la cible 10 par rapport à la face de cette dernière tournée vers le générateur de foudre ou vers le laser. Le capteur de courant 12 comprend une boucle primaire dont une extrémité est fixée à la cible par un support 14 électriquement conducteur et dont l'autre extrémité est reliée électriquement à un support 16, électriquement conducteur, qui traverse la cible 10 tout en étant isolé électriquement de cette dernière par un manchon isolant 18.Le conducteur 16 est placé dans l'axe de l'appareil permettant de simuler les effets de la foudre (générateur de foudre ou laser), de telle sorte que le courant engendré par la foudre simulée par cet appareil passe dans la boucle primaire du capteur de courant 12. Ce dernier comprend de plus une boucle secondaire dans laquelle sont créés des courants induits qui sont mesurés, par exemple, sur un oscilloscope. Pour mesurer le champ électrique E engendré par la simulation, on utilise un capteur comprenant deux calottes hémisphériques séparées par un écran. Ce capteur de champ électrique est assimilable à une capacité (non montrée sur la figure 1). I1 délivre un signal proportionnel à la dérivée de l'induction électrique D engendrée par la simulation. Les mesures du champ magnétique H ont été effectuées quant à elles au moyen d'un capteur de type boucle inductive (non montré sur la figure 1). Ce capteur de champ magnétique 22 est constitué par une boucle cylindrique à segmentations multiples, qui délivre un signal proportionnel à la dérivée de l'induction magnétique B engendrée lors de la simulation. Afin que la densité de puissance incidente soit suffisante (au moins égale à environ 106 W/cm2) pour créer localement un plasma dans la cible 10, les essais ont été effectués avec des lasers impulsionnels délivrant des énergies significatives (environ 1 Joule ou plus) en des temps suffisamment courts (10 Ps ou moins). Parmi les lasers impulsionnels remplissant ces conditions (lasers Yag néodyme, lasers déclenchés verrenéodyme, lasers CO2 TEA, lasers à excimère pulsés, etc.) on a choisi un laser déclenché verre-néodyme et un laser CO2 TEA pour effectuer les essais. Le laser verre-néodyme présente une longueur d'onde de 1,06 ym, une durée d'impulsion de 25 ns et une énergie de 60 Joules. Le laser CO2 TEA présente une longueur d'onde de 10,6 pm, une durée d'impulsion de 10 ps et une énergie de 1000 Joules. Avec chacun de ces deux lasers, des essais ont été effectués à pression atmosphérique et sous un vide primaire contrôlé, correspondant à une pression au plus égale à 10-1 mbar. L'interaction entre les faisceaux délivrés par de tels lasers et la cible 10 en alliage d'aluminium permet la création d'un plasma dont certains effets sont la formation de courants de surface et de champs électromagnétiques puissants, permettant de simuler certains effets de la foudre. Les figures 2A à 2C montrent le résultat des essais effectués respectivement avec le générateur de foudre classique pour la figure 2A, avec le laser déclenché verre-néodyme pour la figure 2B et avec le laser C 2 TEA pour la figure 2C. Plus précisément ces trois figures montrent l'évolution dans le temps t (en s) du courant i (en A) du courant électrique engendré dans chaque cas à l'intérieur de la cible lors de la simulation. Dans le cas du générateur de foudre, la densité de puissance incidente est de 109 W/cm2, alors qu'elle est de 3.109 W/cm2 dans le cas du laser verre-néodyme, sous pression réduite (0,1 mbar) et de 0,13.109 W/cm2 dans le cas du laser CO2 TEA, sous pression réduite (0,66 mbar). La comparaison des courbes des figures 2A, 2B et 2C montre que ces trois courbes se ressemblent forte ment et, en particulier, que la courbe de la figure 2B représentant la forme du courant obtenu avec le laser verre-néodyme sous pression réduite ressemble fortement à la forme du courant obtenu avec le générateur de foudre traditionnel, illustré sur la figure 2A. Plus précisément, le courant i obtenu avec le générateur de foudre (figure 2A) présente une valeur de crête de 100 kA environ, dure 300 ps environ et son temps de montée est proche de 3 us. Etant donné que le diamètre de tache est d'environ 1 cm, la densité de courant est d'environ 105 A/cm2. Le courant engendré par le laser verre-néodyme, illustré sur la figure 2B, possède une valeur de crête de 1000 A environ, s'annule en 1 ijs et son temps de montée est proche de 150 ns. Etant donné que le diamètre de tache est d'environ 1 mm, la densité de courant obtenue dans ce cas est donc également d'environ 105 A/cm2. Cela montre que les agressions de la foudre spécifiquement liées à la densité de courant peuvent être simulées par un tel laser. Dans l'industrie aéronautique, l'étude des peintures protectrices peut donc être envisagée en remplaçant les générateurs de foudre traditionnels par un laser impulsionnel tel qu'un laser verre-néodyme. Comme l'illustre la figure 2C, le courant engendré par un laser CO2 TEA à pression réduite possède une valeur de crête de 4000 A environ, dure 5 ps environ et son temps de montée est proche de 2 ps. Le diamètre de tache étant de 3 mm, la densité de courant obtenue est de 1,6.104 A/cm2 environ, ce qui reste très proche de la densité de courant naturelle de la foudre. Un tel laser permet donc lui aussi de simuler les agressions de la foudre spécifiquement liées à la densité de courant. Les essais effectués ont également permis de comparer les champs électromagnétiques créés par l'impact de faisceaux laser sur la cible aux champs électromagnétiques créés par le générateur de foudre traditionnel. Les résultats concernant le champ magnétique H sont illustrés sur les figures 3A à 3C, qui représentent respectivement les évolutions du champ magnétique H lorsque la cible reçoit l'impact de la foudre simulé par le générateur de foudre (figure 3A), l'impact d'un faisceau laser verre-néodyme (figure 3B) ou l'impact d'un faisceau laser CO2 TEA (figure 3C). Comme l'illustre la figure 3A, lorsqu'on utilise un générateur de foudre traditionnel, la valeur de crête du champ magnétique est comprise entre 104 et 105 A/m, le temps de montée étant de 15 ps environ et la durée de 300 iis environ. Lors de l'utilisation d'un laser déclenché verre-néodyme, la valeur de crête du signal est de 103 A/m environ, le temps de montée étant de 150 ns et la durée proche de 1 ps. Enfin, la valeur de crête du signal créé par l'utilisation d'un laser CO2 TEA est de 104 A/m environ, le temps de montée étant de 2 ijs environ et la durée proche de 5 ps. Ces essais comparés montrent que les champs magnétiques engendrés dans la cible sont du même ordre de grandeur. En outre, on peut observer que le champ magnétique engendré par le laser déclenché verre-néodyme pourrait sans aucun doute être augmenté d'un facteur 10 en utilisant un laser délivrant une énergie plus élevée. I1 est à noter que des résultats comparables ont été obtenus en ce qui concerne le champ électrique E engendré par l'utilisation d'un faisceau laser conformément à l'invention. L'utilisation d'un laser pulsé de forte énergie pour simuler les forts champs produits par la foudre est donc tout à fait possible. Dans l'industrie aéronau tique, on peut donc envisager d'étudier les dommages subis par les composants électroniques à bord d'un aéronef frappé par la foudre, en simulant les effets de cette dernière à l'aide d'un laser. En plus des mesures de courant et de champ qui ont été effectuées au cours des essais, on a également observé que les dégats extérieurs produits par le générateur de foudre et par les lasers sont apparemment les mêmes. Par ailleurs, il est important de noter que des essais effectués avec le laser déclenché verre-néodyme à pression atmosphérique ont conduit à obtenir des courants et des champs inférieurs à ceux créés par la foudre, alors que les courants et les champs obtenus à pression réduite sont du même ordre que ceux que l'on obtient avec le générateur de foudre. I1 est donc souhaitable dans ce cas de travailler sous vide primaire, c'est-à-dire à une pression inférieure à 10-1 mbar et, de préférence, comprise entre 10-1 et 10-2 mbar. Les essais qui ont été réalisés ont aussi permis de mettre en évidence que l'énergie incidente n'est pas à un paramètre prédominant. En effet, les essais effectués avec le laser CO2 TEA ont permis d'obtenir des courants et des champs comparables à ceux qui ont été obtenus avec le générateur de foudre, alors que les énergies incidentes étaient inférieures d'un facteur 30 à celles de ce générateur. Par ailleurs, on observe que les différentes courbes de courants et de champs obtenues avec les tirs lasers présentent des temps de montée plus courts que ceux des courbes obtenues avec le générateur de foudre. Cette observation est intéressante, car elle montre que les temps de montée des signaux obtenus par les tirs lasers sont du même ordre de grandeur que les temps de montée (1 ps) des pics des décharges secondaires de la foudre naturelle. I1 apparaît donc qu'en programmant la fréquence de tir d'un laser impulsionnel conforme à l'invention, il est possible de simuler les décharges secondaires de la foudre, ce qui n'est pas possible avec les générateurs de foudre existants, compte tenu du temps de montée relativement long du signal produit par ces générateurs.Une telle simulation présente un intérêt évident si l'on observe que les décharges secondaires de la foudre, par leur nature aléatoire et répétitive, provoquent des interférences et des champs électromagnétiques qui dépassent les valeurs critiques de certains composants électroniques, dont on sait qu'ils sont de plus en plus nombreux dans les aéronefs. En résumé, la simulation des effets de la foudre à l'aide d'un laser impulsionnel, conformément à l'invention, peut notamment être utilisée pour rendre compte des dégradations secondaires d'un arc de foudre, grâce aux forts champs électromagnétiques engendrés, pour simuler les impulsions secondaires de la foudre, grâce aux courants à fronts de montée élevés, et pour étudier les agressions de la foudre spécifiquement liées à la densité de courant. Par rapport aux générateurs de foudre traditionnels, les lasers présentent de nombreux avantages. Ainsi, ils permettent d'améliorer la qualité des mesures effectuées, grâce à une meilleure reproductibilité des tirs et à une meilleure précision de l'impact. Ils permettent aussi de réaliser des tirs sur des matériaux présentant une résistance électrique importante. En outre, l'utilisation de lasers permet de simuler certains effets indirects de la foudre, en produisant des impulsions à faible temps de montée (100 Vs), ce qui n'est pas possible avec les générateurs de foudre existants. Enfin, l'utilisation de lasers pour simuler les effets de la foudre permet de réduire sensiblement les coûts. Ainsi, un laser impulsionnel de 30 Joules est au moins 10 fois moins cher qu'un générateur de foudre. De plus, la mise en oeuvre d'un laser autorise une cadence de tir beaucoup plus élevée (un tir/min au lieu de un par 10 min au plus pour un générateur de foudre). En outre, les lasers permettent de travailler sur des cibles de taille réduite (100 mm x 100 mm au lieu de 300 mm x 300 mm pour le générateur de foudre) ce qui implique une réduction sensible du coût de fabrication des cibles. REVENDICATIONS 1. Procédé de simulation des effets de la foudre, caractérisé par le fait qu'il consiste à utiliser un laser impulsionnel pour irradier une zone superficielle d'une structure à tester avec une densité de puissance incidente au moins égale à environ 106 W/cm2, de façon à créer localement un plasma dans cette structure. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'on irradie la zone superficielle de la structure sous une pression au plus égale à environ 10-1 mbar. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait qu'on utilise un laser impulsionnel choisi dans le groupe des lasers Yag néodyme, des lasers verre-néodyme, des lasers CO2 TEA et des lasers à excimère pulsés. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il est utilisé pour simuler les décharges secondaires de la foudre en effectuant plusieurs tirs lasers successifs sur ladite zone superficielle. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il est utilisé pour simuler le champ électromagnétique appliqué sur la structure par la foudre. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il est utilisé pour simuler la densité de courant appliquée sur la structure par la foudre.