Brevet FR2743625A1 — publié le 19970718

I 2743625 La présente invention concerne le domaine des dispositifs d'armement/de mise à feu (désignés ci-après également sous le sigle AFD), et plus particulièrement un dispositif AFD à laser (désigné ci-après sous le sigle LAFD). Dans des dispositifs classiques d'armement/de mise à feu (AFD) il est nécessaire de prévoir une barrière mécanique entre le dispositif électro- explosif (désigné sous le sigle EED) et la charge de sortie ou matière pyrotechnique. Cette barrière mécanique fait intervenir des parties mobiles et doit par conséquent posséder une aptitude du point de vue structurel à dégager la sortie du dispositif EED. Les parties mobiles réduisent la fiabilité et les barrières mécaniques augmentent le poids et les dimensions du dispositif. De même les dispositifs EED peuvent être affectés par des impulsions électromagnétiques (désignées ci-après par le sigle EMI) et une décharge électrostatique (désignée ci-après par le sigle ESD). Un exemple de dispositif d'armement/de mise à feu est décrit dans le brevet U.S. 5 022 324 ayant pour titre "Piezoelectric Crystal Powered Ignition Device", qui utilise des lampes flashes pyrotechniques pour déclencher un laser à l'état solide. Le laser est formé par un barreau laser en verre au néodyme, qui est "pompé" lorsqu'une lumière délivrée par les lampes flashes pénètre par les côtés du laser. Comme dans les dispositifs AFD classiques, ce dispositif utilise des dispositifs mécaniques de sécurité. Dans la forme de réalisation préférée, le dispositif mécanique de sécurité est un ensemble formé d'un poids chargé par un ressort, qui est utilisé pour ouvrir mécaniquement un obturateur. Dans une autre forme de réalisation on utilise un axe mécanique rotatif comportant un trou qui est désaligné, sauf lorsque ce trou est aligné avec le laser et la matière pyrotechnique. Il est souhaitable de disposer d'un dispositif AFD qui ne comporte pas la barrière mécanique ni les parties mobiles entre le dispositif EED et la charge de sortie. L'invention a pour but de fournir un dispositif d'armement/de mise à feu qui élimine les limitations indiquées précédemment. La présente invention supprime les limitations indiquées précédemment en fournissant un dispositif d'amorçage d'une matière pyrotechnique, et comprend des moyens formant interrupteur électronique pour déclencher l'amorçage de la matière pyrotechnique en réponse à un signal, des moyens formant laser connectés 2 2743625 électriquement aux moyens formant interrupteur électronique pour produire une impulsion laser en réponse à ces moyens formant interrupteur électronique, et une fibre optique, dont une extrémité est couplée optiquement aux moyens laser et dont l'autre extrémité est insérée dans la matière pyrotechnique de sorte que l'impulsion laser concentre de la chaleur au niveau de l'extrémité insérée de la fibre optique, et amorce la matière pyrotechnique. Les moyens laser peuvent être une diode laser. La matière pyrotechnique contient une capsule métallique et la fibre optique est scellée hermétiquement à la capsule métallique à l'aide d'un joint d'étanchéité en cuivre ou en époxy. Le joint d'étanchéité en cuivre peut être formé d'une fine poudre de cuivre disposée dans une zone d'étanchéité, qui est consolidée par des moyens de compression pour former le joint, ou bien le joint d'étanchéité en cuivre peut être constitué d'un manchon en cuivre disposé sur la fibre optique dans la zone d'étanchéité et qui est comprimé avec des moyens de compression pour former le joint. La longueur d'onde de l'impulsion laser est égale à environ 860 nanomètres. La fibre optique est insérée sur une longueur comprise entre 0,076 cm et 1,52 cm (0,030 et 0,60 pouce) dans la matière pyrotechnique qui est une poudre de B/KNO3 dimensionnée de manière à traverser à 100% un tamis ayant des mailles de 25 micromètres, la matière pyrotechnique contenant 2% en poids de noir de carbone pour améliorer l'absorption de l'énergie du laser. La poudre de B/KNO3 est consolidée autour de la fibre optique insérée, par l'application d'une pression comprise entre 13790.103 Pa et 20684.103 Pa (2000 à 3000 psi) pendant une durée d'application de 1 à 10 secondes. L'impulsion laser produit une chaleur dans une petite zone d'une manière suffisante pour qu'un amorçage se produise en environ 4millisecondes. La fibre optique possède un diamètre de micromètres. Le dispositif AFD à laser peut être utilisé dans un matériel militaire, pour des explosions commercialisées ou bien pour l'amorçage de moteurs de fusées à propulseur solide. Un procédé d'amorçage d'une matière pyrotechnique utilisant le dispositif décrit précédemment consiste à appliquer un signal électrique aux moyens formant interrupteur électronique. L'invention porte également sur un dispositif d'armement/de mise à feu à laser solide qui comprend un premier interrupteur électronique pour 3 2743625 réaliser l'armement du dispositif en réponse à un signal ARMEMENT, un second interrupteur électronique pour mettre à feu le dispositif et déclencher l'amorçage d'une matière pyrotechnique en réponse à un signal MISE A FEU. Une diode laser connectée électriquement au second interrupteur électronique produit une impulsion laser en réponse au signal de MISE A FEU. Ce dispositif comprend également une fibre optique dont une extrémité est couplée optiquement à la diode laser et dont l'autre extrémité est insérée dans la matière pyrotechnique de sorte que l'impulsion laser amorce la matière pyrotechnique. Ce dispositif comprend un indicateur visuel SURETE/ARMEMENT et un boîtier formant cage de Faraday formant le boîtier dudit dispositif. Le dispositif comprend des moyens pour effectuer un test de diagnostic pour vérifier que le fonctionnement de la diode laser est correct, sans amorçage de la matière pyrotechnique. Un procédé d'amorçage d'une matière pyrotechnique dont le dispositif est décrit précédemment inclut les étapes consistant à appliquer un signal d'ARMEMENT au premier interrupteur électronique et à appliquer un signal de MISE A FEU au second interrupteur électronique. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description donnée ci-après prises en référence aux dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 est une vue en coupe transversale d'un dispositif AFD classique de l'art antérieur; - la figure 2 représente une vue en coupe transversale d'un dispositif AFD à laser selon l'invention; - la figure 3 représente le schéma d'un circuit du dispositif AFD à laser selon l'invention; - la figure 4 est une coupe transversale montrant de quelle manière la fibre optique est scellée de façon étanche à une capsule métallique; et - la figure 5 représente une autre forme de réalisation du schéma du circuit du dispositif AFD à laser selon l'invention. Bien que l'invention puisse être réalisée sous de nombreuses formes différentes, on a représenté sur les dessins et on décrit ici de façon détaillée des formes de réalisation préférées spécifiques de l'invention. La 4 2743625 présente description donne un exemple des principes de l'invention et n'est pas censée limiter l'invention aux formes de réalisation particulières représentées. En se référant maintenant à la figure 1, on y voit représenté un dispositif AFD de l'art antérieur désigné d'une manière générale par la référence 10. L'indicateur mécanique SURETE/ARMEMENT est représenté en 12 et l'électroaimant, qui est une partie mobile mécanique, est désigné par la référence 14. Le détonateur est désigné par la référence 16 tandis que la charge formant donneur est désignée par la référence 18, la charge de réception est désignée par la référence 20 et la charge de sortie formée de B/KNO3 est désignée par la référence 22. En se référant maintenant à la figure 2, on y voit représenté le dispositif AFD à laser (LAFD) selon l'invention, désigné d'une manière générale par la référence 30. Un indicateur électrique et visuel de SURETE/D'ARMEMENT est désigné par la référence 32. Deux interrupteurs électroniques indépendants sont désignés respectivement par les références 34 et 36. Une diode laser est représentée en 38. Un câble d'une fibre optique, qui est couplé optiquement à la diode laser 38, est désigné par la référence 40. Le câble de fibre optique 40 est inséré dans la charge de sortie 42 en B/KNO3. Le dispositif LAFD comporte les mêmes entrées électriques et les mêmes sorties de pression que celles du dispositif AFD électromécanique classique représenté sur la figure 1. L'interface électrique accepte des signaux AFD standards pour les commandes d'ARMEMENT et de MISE A FEU. En se référant maintenant aux figures 2 et 3, on y voit représenté le schéma électrique du dispositif LAFD. Lors de la réception d'un signal d'ARMEMENT, représenté au niveau de la borne 7 avec le chiffre de référence 50, l'indicateur électrique et visuel 32 est éclairé par une diode LED rouge de haute intensité 52. Cette lumière est focalisée par un film qui est pourvu d'un fond vert, d'une lettre blanche "S" (SURETE) et d'une lettre "A" (ARMEMENT). En l'absence de lumière d'entrée, l'indicateur représente le fond vert sur lequel est superposé le "S" blanc. La diode LED rouge 52 est connectée en série à deux coupleurs optiques 54 et 56. Le coupleur optique 54 alimente l'indicateur électronique SURETE/ARMEMENT, représenté en 58. Le coupleur optique 56 représente le premier interrupteur électronique et valide le circuit de mise à feu. Si l'un quelconque des deux composants 52 ou 56 est défaillant, la fonction d'armement n'est pas exécutée et l'indicateur 2743625 visuel ne fonctionne pas. On peut recevoir une gamme étendue de signaux ARMEMENT sur la base d'une sélection de valeurs des composants, et le choix de différentes valeurs est considéré comme faisant partie de la technique routinière. Les choix indiqués sur la figure 3 règlent le dispositif LAFD pour un signal ARMEMENT de 30 volts. Lorsque le dispositif LAFD est armé, il est prêt à être mis à feu. Lors de la réception d'un signal de MISE A FEU, bornes 4 et 1 en 60, le second interrupteur électronique 64 est fermé et un courant traverse la diode laser 62. La facette d'émission de la diode laser 62 produit une impulsion laser à une longueur d'onde d'environ 860 nanomètres, cette impulsion étant transmise par la fibre optique 40 de 100 micromètres. La fibre optique 40 est insérée dans la charge de sortie 42 formée de B/KNO3. La fibre optique 40 fait saillie ou s'étend sur une distance comprise entre 0,076 cm et 1,52 cm, dans la charge de sortie 42. La granulométrie de la charge de sortie 42 est dimensionnée de manière telle qu'elle puisse traverser à 100% un tamis à mailles d'une taille de microns. Une quantité de 2-3% en poids de noir de carbone est ajoutée de manière à améliorer l'absorption de l'énergie du laser. En se référant maintenant à la figure 4, on y voit représentée une vue en coupe transversale du joint d'étanchéité. La fibre optique 40 est scellée à une capsule métallique 70 de la charge de sortie 42 moyennant l'utilisation d'un joint d'étanchéité en cuivre consolidé 72. Dans la forme de réalisation préférée du joint d'étanchéité consolidé, on place une fine poudre de cuivre dans la zone d'étanchéité 72 et on tasse la poudre au moyen du serrage d'une vis de serrage ou de la compression produite par un piston contre la zone d'étanchéité. Une autre forme de réalisation du joint d'étanchéité en cuivre consolidé ressemble à un montage à compression de cuivre moyennant l'utilisation d'un petit manchon de cuivre que l'on place sur la fibre et à l'intérieur de la zone d'étanchéité. On serre une vis de serrage ou on repousse un piston contre la zone d'étanchéité 72, ce qui provoque la dilatation du manchon et établit l'étanchéité. On soude les joints d'étanchéité de la forme de réalisation après compression pour obtenir un joint d'étanchéité absolument hermétique. On ajoute un joint d'étanchéité en époxy pour empêcher une corrosion et une contamination. Dans une autre forme de réalisation, on peut remplacer le joint d'étanchéité en cuivre par un pur joint d'étanchéité en époxy 6 2743625 pour des applications qui ne requièrent pas une étanchéité à haute température et pendant une longue durée. La poudre de B/KNO3 est tassée autour de la fibre optique 40 sous l'application d'une pression de 13790.103 Pa - 20684.103 Pa pendant une durée d'application de 1 à 10 secondes. On règle la quantité de poudre pour obtenir la pression de sortie requise, comme cela est bien connu dans la technique antérieure. On ferme de façon étanche la cavité logeant la charge en mettant en place un disque isolant non conducteur 74, à la suite duquel on applique une coupelle en acier inoxydable 76 (mieux visible sur la figure 4). La coupelle est soudée en place au moyen d'un soudage TIG, et on teste si l'ensemble fuit, de manière à s'assurer de son intégrité. Lorsque l'énergie du laser est reçue au niveau de la pointe de la fibre optique 40, la température de la charge de sortie 42 augmente brusquement jusqu'à ce que l'amorçage commence. Une première indication de pression apparaît de façon typique en l'espace de 4 millisecondes. Les inventeurs ont trouvé que l'utilisation d'une fibre optique insérée supprime l'effet de la température de fonctionnement sur le retard d'amorçage. Même si la charge est plus difficile à amorcer dans le cas de conditions de froid extrême, le système électronique est plus efficace et délivre une énergie laser plus importante. De façon analogue, à température élevée, la charge est plus facile à amorcer, mais le système électronique est moins efficace. Il s'avère que les variables s'équilibrent et il n'existe aucune différence statistiquement significative entre les retards d'amorçage dans la gamme tactique de températures. Un autre avantage qu'il y a d'insérer la fibre 40 directement dans la charge de sortie 40 est que ceci permet de satisfaire à la norme américaine MIL-STD-1901, ce qui supprime la nécessité de prévoir des systèmes de dégagement mécanique de confinement du gaz. L'utilisation d'une fibre optique conductrice 40 supprime également tout risque d'une réponse d'amorçage par inadvertance sous l'effet d'impulsions électromagnétiques EMI ou d'une décharge électrostatique ESD. Le dispositif AFD peut être logé dans une cage de Faraday complète pour l'obtention une protection additionnelle vis-à-vis de phénomènes EMI/ESD, tout en obtenant le poids le plus faible de types de réalisation concurrentes. La suppression de parties mobiles dans le 7 2743625 dispositif AFD réduit également les dimensions et le poids du dispositif et augmente également la fiabilité de ce dernier. Un autre avantage du dispositif LAFD selon l'invention est qu'il permet d'exécuter des tests diagnostics pour vérifier que la diode fonctionne correctement. Dans des dispositifs comportant un filament, cette caractéristique n'est pas disponible, étant donné que l'excitation d'un filament conduit à l'amorçage. Un autre avantage du dispositif LAFD selon l'invention est qu'en utilisant un joint d'étanchéité en cuivre résistant aux hautes pressions et aux hautes températures, le procédé de fabrication coûteux et compliqué pour créer l'étanchéité verre-sur-métal est supprimé. La possibilité d'utiliser un pur joint d'étanchéité en époxy pour des applications à basse température réduit de façon supplémentaire les coûts de fabrication. En se référant maintenant à la figure 5, on y voit représentée une autre forme de réalisation du circuit selon l'invention de la figure 3, qui confere en supplément une protection vis-à-vis d'une décharge électrostatique (ESD) et une protection vis-à-vis d'interférences électromagnétiques (EMI) au connecteur d'entrée en raison de la présence de filtres respectifs 66 et 68. Ceci achève la description de la forme de réalisation préférée et d'autres formes de réalisation de l'invention. On comprendra que même si de nombreuses caractéristiques et de nombreux avantages de la présente invention ont été indiqués dans la description qui précède, ainsi que les détails de la structure et du fonctionnement de l'invention, cette description est donnée uniquement à titre illustratif et que des modifications de détail peuvent y être apportées, notamment en ce qui concerne la forme, les dimensions et l'agencement de pièces dans le cadre de l'invention. 8 2743625 REVENDICATIONS 1. Dispositif d'amorçage d'une matière pyrotechnique, caractérisé en ce qu'il comprend: des moyens formant interrupteur électronique (56) pour déclencher l'amorçage de la matière pyrotechnique (42) en réponse à un signal; des moyens laser (62;38) connectés électriquement aux moyens formant interrupteur électronique (16) pour produire une impulsion laser en réponse à ces moyens; une fibre optique (40), dont une extrémité est couplée optiquement aux moyens laser (62; 38) et dont l'autre extrémité est insérée dans la matière pyrotechnique (42) de sorte que l'impulsion laser concentre de la chaleur au niveau de l'extrémité insérée de la fibre optique, et amorce la matière pyrotechnique. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens laser (62; 38) sont une diode laser. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la matière pyrotechnique inclut une capsule métallique (70) et que la fibre optique (40) est scellée hermétiquement à la capsule métallique (70) au moyen d'un joint d'étanchéité en cuivre (72). 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le joint d'étanchéité en cuivre (72) est constitué par une fine poudre de cuivre disposée dans un espace d'étanchéité (72) et qui est consolidée par des moyens de compression pour former le joint. 5. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le joint d'étanchéité en cuivre (72) est constitué d'un manchon de cuivre disposé au-dessus de la fibre optique (40) dans l'espace d'étanchéité et qui est comprimé par des moyens de compression pour former le joint. 6. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la matière pyrotechnique (42) inclut une capsule métallique (70) et que la fibre optique est scellée hermétiquement à ladite capsule métallique par un joint soudure/époxy. 7. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la longueur d'onde de l'impulsion laser est égale à environ 860 nanomètres. 9 2743625 8. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fibre optique (40) est insérée sur une distance comprise entre 0,076 cm et 1, 52 cm dans la matière pyrotechnique. 9. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matière pyrotechnique est une poudre de B/KNO3. 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que la poudre de B/KNO3 est dimensionnée de manière à traverser à 100% un tamis ayant des mailles de 25 micromètres et que la matière pyrotechnique contient 2-3% en poids de noir de carbone pour accroître l'absorption de l'énergie laser. 11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que la poudre de B/KNO3 est consolidée autour de la fibre optique insérée (40) sous une pression comprise entre 13790.103 Pa et 20684.103 Pa pendant une durée d'application de 1 à 10 secondes. 12. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'impulsion laser concentre suffisamment la chaleur au niveau de l'extrémité insérée de la fibre optique (40) pour que l'amorçage s'effectue en environ 4 millisecondes. 13. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matière pyrotechnique est utilisée dans un matériel militaire. 14. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matière pyrotechnique est utilisée pour des explosions commercialisées. 15. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matière pyrotechnique est utilisée pour l'amorçage de moteurs de fusée à propulseur solide. 16. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fibre optique (40) a un diamètre de 100 micromètres. 17. Procédé pour amorcer une matière pyrotechnique, utilisant le dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à appliquer un signal électrique aux moyens formant interrupteur électronique (56). 18. Dispositif d'armement/de mise à feu à laser à l'état solide, caractérisé en ce qu'il comporte: un premier interrupteur électronique (54) pour armer le dispositif en réponse à un signal ARMEMENT; 2743625 un second interrupteur électronique (64) pour la mise à. feu du dispositif et le déclenchement de l'amorçage d'une matière pyrotechnique (42) en réponse à un signal MISE A FEU; une diode laser (62; 38) connectée électriquement au second interrupteur électronique (64) pour produire une impulsion laser en réponse au signal de MISE A FEU; une fibre optique (40), dont une extrémité est couplée optiquement à la diode laser (62; 38) et dont l'autre extrémité est insérée dans la matière pyrotechnique (42) de sorte que l'impulsion laser produit une chaleur dans une petite zone d'une manière suffisante pour amorcer la matière pyrotechnique. 19. Dispositif selon la revendication 18, caractérisé en ce qu'il comporte un indicateur visuel SURETE/ARMEMENT (32). 20. Dispositif selon la revendication 19, caractérisé en ce qu'il comprend un boîtier formant cage de Faraday formant un boîtier dudit dispositif 21. Dispositif selon la revendication 18, caractérisé en ce qu'il comprend des filtres (66,68) de protection contre les décharges électrostatiques (ESD) et contre les impulsions électromagnétiques (EMI). 22. Dispositif selon la revendication 18, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour effectuer des tests de diagnostic pour vérifier si la diode laser fonctionne correctement, sans amorcer la matière pyrotechnique. 23. Procédé pour amorcer une matière pyrotechnique, moyennant l'utilisation du dispositif selon la revendication 18, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à: appliquer un signal d'ARMEMENT au premier interrupteur électronique (56), et appliquer un signal de MISE A FEU au second interrupteur électronique (62).