Brevet FR2757738A1 — publié le 19980626

l)ispositif d'essai pour envoyer un jet de gaz de haute énergie sur un échantillon L'invention concerne un dispositif d'essai pour unvoy.r un jet dc gaz de haute énergie sur un échantillon, un brûleur à plasma étant prévu qui produit un jet de gaz chauffé par un plasma, dirigé sur l'échantillon, pour simuler par exemple des sollicitations aérodynamiques de matériaux. Le comportement face à l'envoi de jets de gaz de haute énergie est toujours intéressant lorsque l'on choisit des matériaux pour des applications dans lesquelles apparaissent ou au moins peuvent appara tre ces jets de gaz. Ceci est le cas par exemple pour les matériaux qui tbrment la surface de la tite chercheuse d'un missile. Ces matériaux doivent conserver leur transparence, y compris à des nombres de Mach élevés. Il est caractéristique que les propriétés significatives des matériaux doivent être conservées uniqucment pendant une période limitée, car la sollicitation par des jets de gaz dc haute énergie ne se produit aussi dans la réalité que pendant une courte période. En conséquence il suBlit en principe, lors de l'essai de matériaux, de réaliser la sollicitation avec un jet de gaz de haute énergie, pendant un temps limité. Un dispositif d'essai du type précité est connu par le document US 5.207.388. Ce brevet ancien décrit l'essai de matériaux, qui sont soumis à de fortes sollicitations thermiques et à des pressions élevées, par exemple dans des véhicules spatiaux, par envoi d'un jet de gaz de haute énergie, sur un échantillon des matériaux. Concrètement cet ancien brevet concerome la réalisation d'mune bust, siluéc en aval du brûleur à plasma, destinée à orienter le jet de gaz de haute énergie sur l'échantillon considéré. [les dispositifs d'essai connus, destinés à solliciter un échantillon au moyen d'un jet de gaz de haute énergie, présentent une construction stationnaire. Lors de la réalisation d'un essai individuel, il s'écoule un certain temps avant que le jet de gaz, sollicitant l'échantillon, ne se stabilise et avant que ne s'établissent des conditions définies pour cette sollicitation. On a des conditions non contrôlées aussi pendant que le jet de gaz est à nouveau coupé, après la fin dc l'essai proprement dit. La mise en marche et la mise à l'arrêt du dispositif d'essai ont des répercussions négatives d'incertitude, en particulier lorsque la sollicitation définie au moyen du jet de gaz ne doit s'effectuer que pendant une très courte période. D'autres dispositifs d'essai connus destinés à envoyer un jet de gaz de haute énergie sur un échantillon se fondent sur des canaux à vent ou des chariots tests, qui servent essentiellement à détecter des forces provoquées de manière aérodynamique. Le fonctionnement de canaux à vent ou de chariots de test pour envoyer un jet de gaz de haute énergie sur un échantillon, est d'un coût extrêmement élevé. L'invention a pour but d'indiquer un dispositif d'essai pour solliciter de manière définie un échantillon avec un jet de gaz de haute énergie, qui puisse être exploité avec une dépense réduite et qui permette l'envoi d'un jet de gaz défini sur l'échantillon, pendant de courtes périodes définies. Suivant l'invention ce but est atteint en ce qu'il est prévu un brûleur à plasma, qui produit un jet de gaz dirigé sur l'échantillon et en ce que devant l'échantillon est placée une plaque métallique massive, qui constitue une contre- électrode du brûleur à plasma, qui est montée, de manière à pouvoir être entraînée autour d'un axe de rotation, et qui présente un ajour, lequel libère l'échantillon pour le jet de gaz, dans une position de rotation détermnninée do la plaque métallique autour de l'axe de rotation. Dans le nouveau dispositif d'essai, le jet de gaz de haute énergie est préparé par un brûleur à plasma. Ces brûleurs à plasma sont connus et sont habituellement utilisés pour la découpe de métaux et d'autres matériaux. Lors de l'allumage et de l'extinction d'un brûleur à plasma il se produit certes des états indéfinis pendant certaines périodes. Ceci est toutefois insignifiant, car le jet de gaz ne parvient pas sur l'échantillon, pendant ces périodes, mais est retenu par la plaque métallique massive. Ce n'est que lorsque le plasma s'est stabilisé dans le brûleur à plasma et donc le jet de gaz chauffé, que la plaque métallique est tournée autour de son axe de rotation, de manière que l'ajour libère l'échantillon pour le jet de gaz. Après et/ou pendant la durée voulue de la sollicitation, on continue de faire tourner la plaque métallique, de sorte que le jet de gaz parvient ensuite à nouveau sur la plaque métallique. Le brûleur à plasma peut alors être éteint, sans que ceci n'entramnc des conditions indéfinies pour l'essai. La plaque métallique est de préférence toumrnée en continu, l'ajour croisant le jet de gaz chauffé et ce faisant libérant celui-ci. Même pendant que le jet de gaz parvient sur la plaque métallique, on continue de préférence de faire tourner celle-ci, afin que le jet de gaz ne perce pas un trou à travers la plaque métallique en la brûlant. Une fusion locale de la plaque métallique au point d'impact du jet de gaz est prise en compte dans cc cas. Après poursuite de la rotation de la plaque métallique, le métal fondu se solidifie à nouveau dans cette zone, car la chaleur de la fusion est déviée dans le métal environnant. Le nouveau dispositif d'essai est constitué de composants très simples o10 et convient néanmoins à la réalisation d'une sollicitation définie, de courte durée, d'un échantillon avec un jet de gaz de haute énergie. En principe la plaque métallique peut présenter aussi plusieurs ajours. Mais ceci n'est généralement pas nécessaire. L'ajour peut être délimité de manière rectiligne ou arrondie, une section transversale ronde étant dans ce cas préférable à cause de la disposition symétrique autour d'un jet de gaz de section transversale ronde. Pour pouvoir imposer avec précision les positions de rotation de la plaque métallique autour de l'axe de rotation, il est possible de prévoir un entraînement en rotation de la plaque métallique, commandable par rapport à la position de rotation de la plaque métallique autour de l'axe de rotation. Il peut s'agir par exemple dans ce cas d'un moteur pas à pas commandé par ordinateur. Si le jet de gaz parvient sur la plaque métallique, sur le fond d'une rainure annulaire, dans la surface de la plaque métallique, on empêche que du métal fondu de la plaque métallique ne s'écoule dans le plan de la surface de celle-ci. La rainure présente de préférence une section transversale arrondie, afin que les contraintes de la surface du métal fondu soient utilisées pour maintenir le métal à son emplacement d'origine. Le fond de la rainure peut être pourvu d'une couverture céramique. Cette couverture céramique empêche une fusion de la plaque métallique à sa surface. Le métal de la plaque métallique, adjacent au tond de la raminure, sert de contre- électrode au brûleur à plasma et sert aussi à dévier rapidement l'énergie thermique se produisant, de la couverture céramique et à la distribuer. L'ajour peut aussi présenter un revêtement céramiquc, afin de protéger à cet endroit le métal de la plaque métallique, contre le jet de gaz de haute énergie. Une section transversale arrondie de la rainure empêche l'apparition de pointes de champ à la surface de la plaque métallique. La couverture céramique, là o le jet de gaz parvient sur la plaque métallique et le revêtement céramique de l'ajour font que les courants ioniques présentent à peu près le même parcours, que le jet de gaz soit capté par la plaque métallique ou qu'il parvienne à l'échantillon, à travers l'ajour. Dans chaque cas, ils s'écoulent vers les zones de la plaque métallique, qui sont limitrophes, sur le côté, de la couverture céramique, ou du revêtement céramique. La plaque métallique peut être prévue non seulement comme contre- électrode, mais aussi comme électrode d'allumage du brûleur à plasma. Pour éviter des effets de charge lors de l'envoi du jet de gaz de haute énergie sur l'échantillon, on peut prévoir une électrode d'aspiration pour éliminer des particules chargées du jet de gaz, devant l'échantillon. La neutralité du jet de gaz peut être contrôlée devant l'échantillon. au moyen d'une sonde de Langmuir, le nombre de particules chargées pouvant être déterminé quantitativement par un courant se produisant, en raison d'un potentiel d'aspiration. Diverses autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortent de la description détaillée qui suit. Deux formes de réalisation de l'invention sont représentées à titre d'exemples non limitatifs sur les dessins annexés. La figure 1 représente la construction de principe d'une première forme de réalisation du dispositif d'essai, la figure 2 représente une deuxième forme de réalisation du dispositif d'essai dans ses détails s'écartant de la forme de réalisation de la figure 1 et la figure 3 est une vue de dessus de la plaque métallique du dispositif d'essai de la figure 2. Le dispositif d'essai 1, représenté sur la figure 1, sert à envoyer de manière défmie, sur un échantillon 2, un jet de gaz 3 de haute énergie, qui est représenté ici sur les dessins sous la forme de jets partiels. Le jet de gaz 3 sort à l'origine d'un composant 4, qui comporte une électrode d'allumage 5 et qui cst désigné toujours ici par brûleur à plasma, bien que lc brûleur à plasma 4 comporte aussi une contre- électrode, qui est constituée ici par une plaque métallique 6, à l'extérieur du composant 4. Entre le brûleur à plasma 4 et la plaque métallique 6 s'applique une haute tension 8, qui maintient une décharge d'arc électrique entre le brûleur à plasma 4 et la plaque métallique 6, qui a d'abord été allumée avec l'électrode d'allumage 5. C'est-à-dire qu'entre le brûleur à plasma 4 et la plaque métallique 6 brûle un plasma, qui chauffe le jet de gaz 3. Le jet de gaz 3 ne parvient sur l'échantillon 2 que dans la position de rotation de la plaque métallique 6, autour d'un axe de rotation 9, représentée sur la figure 1. Sinon le jet de gaz 3 parvient sur le fond d'une rainure 10, de section transversale arrondie, sur la plaque métallique 6 et est retenu par celle-ci Dans ce cas la plaque métallique 6 est fondue localement. Le métal fondu est cependant retenu à son emplacement initial, par des contraintes de surface, favorisées par la formnne de la rainure 10. Une rotation de la plaque métallique 6 autour de l'axe de rotation 9 empêche que le jet de gaz 3 ne perce un trou à travers la plaque métallique 6, par combustion. L'ajour 11, à travers lequel le jet de gaz 3 parvient sur l'échantillon 2, dans la position de rotation de la plaque métallique 6 autour de l'axe de rotation 9, selon la figure 1, est pratiqué, de manicre contrôlée, dans la plaque métallique 6 et sert d'ouverture de diaphragme au jet de gaz 3. La plaque métallique 9 est tournée dans le scns d'une flèche rotative 12, par un entraînement en rotation 7, qui est commandable au moyen d'un dispositif dc commande 13, par rapport à la position dc rotation dc la plaque métallique 6 autour de l'axe de rotation 9. Dans ce cas il importe non seulement dc prévoir l'ajour 11, pendant une période définie, au-dessus de l'échantillon 2, afin que le jet de gaz 3 parvienne sur l'échantillon, mais il est intéressant de faire tourner la plaque métallique 6 en continu, afin que le jet de gaz incident fasse tbndre la plaque métallique 6, certes localement, mais qu'il ne puisse jamais agir suffisamment longtemps pour percer un trou à travers la plaque métallique 6. Le dispositif de commande 13 commande en outre le flux de gaz à travers le brûleur à plasma 4, par l'intermédiaire d'une soupape 14, qui est montée dans une arrivée de gaz 15 du brûleur à plasma 4. En outre le dispositif de commande 13 est prévu pour régler la haute tension 8 entre le brûleur à plasma 4 et la plaque s métallique 6. Par exemple la haute tension 8 peut être nettement abaissée après l'allumage du plasma, pour maintenir le plasma. Par ailleurs le dispositif de commande 13 applique un potentiel d'aspiration, à une électrode d'aspiration 16, entre la plaque métallique 6 et l'échantillon 2, pour élininer des particules chargées, du jet de gaz 3. On empêche ainsi des essais de charge lors de la sollicitation de l'échantillon 2 au moyen du jet de gaz 3. L'électrode d'aspiration 16 peut être prévue pour aspirer soit des électrons, soit des ions gazeux. Ceci dépend du potentiel appliqué. Avec une sonde de Langmuir 17 le dispositif de commande 13 constate quels types de particules chargées sc trouvent en excédent dans le jet de gaz 3 et devraient être aspirées. Mais à côté de l'électrode d'aspiration 16 on peut aussi prévoir une deuxième électrode d'aspiration, de sorte qu'il est possible d'éliminer aussi bien des particules négatives que des particules positives, du jet dc gaz 3. Lors du fonctionnement du dispositif d'essai 1 selon la figure 1, il est prévu en particulier de réaliser l'allumage du plasma, entre le brûleur à plasma 4 et la plaque métallique 6, à l'aide de rl'ectrode d'allumagc 5 et aussi l'extinction du plasma, lorsque l'échantillon 2 est recouvert par la plaque métallique 6. Ce n'est que dans le cas d'un plasma stable que l'ajour Il est pivoté au-dessus de l'échantillon 2, pendant une période défminie. Sinon la plaque métallique 6 est tournée sous le brûleur à plasma 4, afin de protéger l'échantillon 2, sans que la plaque métallique 6 ne soit percée par combustion. [la forme de réalisation esquissée sur la figure 2, du dispositif d'essai 1, diffre de celle de la figure 1 en ce que la plaque métallique 6 forme aussi l'électrode d'allumage du brûleur à plasma 4 et en ce qu'il n'est pas prévu d'électrode d'aspiration séparée. Dans la plaque métallique 6 selon la figure 2 il est prévu, là o le jet de gaz parvient sur le fond de la rainure 10, une couverture 17 faite d'un matériau céramique. Un revêtement 18 en matériau céramique entoure l'ajour Il dans la plaque métallique 6. Ceci est visible aussi sur la vue de dessus de la figure 3, qui ne montre que la plaque métallique 6. La couverture céramique 17 empêche une fusion de la plaque métallique 6 sur le fond de la rainure 10, par le jet de gaz 3 incident. Le flux de courant ne s'effectue dans ce cas que sur les zones de la plaque métallique 6, adjacentes à la couverture céramique 17. La plaque métallique 6 détourne la chaleur de la face arrière de la couverture céramique 10 et la répartit. Le revêtement céramique 18 de l'ajour 11 protège la plaque métallique 6, dans la région de l'ajour 11, et empêche qu'il ne se forme un flux de courant sur la paroi intérieure de l'ajour 11. La couverture 17 et le revêtement 18 de rajour 11 assurent une distribution à peu près uniforme du courant d'ions ou du courant d'électrons dans la zone de bordure du jet de gaz 3. Les parties conductrices de la plaque métallique 6, sur lesquelles s'écoulent ces courants, sont toujours disposées dans une géométrie à peu près identique par rapport au jet de gaz, que l'ajour 11 laisse passer ou non le jet de gaz 3. X REVENI)ICATIONS 1. Dispositif d'essai pour envoyer Ui jet de gaz de haute élergic sur ml échantillon, un brûleur à plasma étant prévu qui produit un jet de gaz chauffé par un plasma, dirigé sur l'échantillon, caractérisé en ce que devant l'échantillon est placée une plaque métallique (6) massive, qui constitue une contre-électrode du brûleur à plasma (4 à 6), qui est montée, de mani.rc à pouvoir être entraînée autour d'un axe de rotation (19), et qui présente un ajour (11), lequcl libère lÉchantillon (2) pour le jet de gaz (3), dans une position de rotation déterminée de la plaque métallique (6) autour de l'axe de rotation (9). 2. Dispositif d'essai selon la revendication 1, caractérisé en cc qu'il est prévu pour la plaque métallique (6), un entranemment en rotation (7) commandable par rapport à la position de rotation de la plaque métallique (6) autour de l'axe de rotation (9). 3. Dispositif d'essai selon la revendication I ou 2, caractérisé on ce que le jet de gaz (3) parvient sur la plaque metallique (6), sur le fond d'une ramure (1 0) annulaire, dans la surface de la plaque métallique (6). 4. Dispositif d'essai selon la revendication 3, caractérisé en ce que la rainure (10) présente une section transversale arrondie. 5. D)ispositif d'essai selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que la plaque métallique (6) cst pourvue d'une couverture (17) céramique, sur le tfond de la rainure (10). 6. l)ispositif d'essai selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'ajour présente un revêtement céramique (1 8). 7. Dispositif d'essai selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la plaque métallique (6) est prévue aussi en tant qu'électrode d'allumage (5) du brûleur à plasma (4 à 6). 8. ispositit d'essai selon l'une des revendications 1 à 7. caractérisé en cc qu'une électrode d'aspiration (16) est placée devant l'échantillon (2), pour éliminer des particules chargées du jet de gaz (3). 9. I)ispositif d'essai selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'une sonde de Langmuir (19) contrôle la neutralité du jet de gaz (3) devant l'échantillon (2).