Brevet FR2859065A1 — publié le 20050225

Les générateurs de plasma trouvent de nombreuses applications. Le brevet US 6 237 494 B1, par exemple, présente un générateur de plasma intégré à une arme à tube et à un projectile. Dans l'arme à tube, le générateur de plasma comporte un dispositif haute tension pour produire une haute tension. En ce qui concerne le projectile, le dispositif haute tension est raccordé à une première électrode et à une deuxième électrode. Une structure fibreuse conductrice, pouvant être composée de fils de cuivre ou de magnésium, est disposée entre la première et la deuxième électrode. Pour produire le plasma en vue d'amorcer la charge propulsive du projectile, on vaporise la structure fibreuse conductrice à l'aide de l'énergie électrique provenant du dispositif haute tension. Le brevet DE 38 51 965 T2, dans lequel le générateur de plasma est utilisé comme bistouri, présente un autre domaine d'application. Le générateur de plasma comporte un dispositif haute tension pour produire une haute tension, qui est raccordé à une première électrode et à une deuxième électrode. En fonctionnement, le dispositif haute tension entre en contact avec la première et la deuxième électrode pour une durée atteignant quelques secondes, ce qui entraîne la formation d'un arc électrique entre la première et la deuxième électrode. Un écoulement de fluide, qui peut prendre la forme d'un flux de gaz ou de gaz rare, est conduit sur l'arc électrique afin de produire un jet de plasma pour couper des tissus. L'invention a pour objet de concevoir un générateur de plasma de manière à produire le plasma d'une manière alternative. Selon l'invention, ce problème est résolu par un générateur de plasma comportant un dispositif haute tension apte à produire une haute tension et au moins raccordé à une première électrode et à une deuxième électrode, caractérisé en ce qu'il comporte un générateur de pression apte à pressuriser un liquide conducteur combustible, ce générateur de pression étant raccordé à une tuyère d'injection permettant de produire un jet de liquide fermé, et les électrodes étant disposées, par rapport au jet de liquide, de telle sorte que le jet de liquide forme un pont de contact lors de l'allumage par plasma. Les avantages de l'invention consistent en ce que le générateur produit un plasma sur la base de réactions physico-chimiques synergiques. Le générateur de plasma comporte tout d'abord un dispositif haute tension pour produire une haute tension, qui est au moins raccordé à une première électrode et à une deuxième électrode. Le générateur de plasma comprend en outre un générateur de pression servant à pressuriser un liquide conducteur combustible. Préférentiellement, la résistivité du liquide conducteur combustible est inférieure à 800 K.2mm2/m. Le générateur de pression est raccordé à une tuyère d'injection permettant de produire un jet de liquide fermé. Les électrodes sont positionnées par rapport au jet de liquide de telle manière que le jet de liquide forme un pont de contact lors de l'allumage par plasma. On peut faire fonctionner le générateur de plasma de manière à polariser dans un premier temps la première et la deuxième électrode à l'aide du dispositif haute tension. On produit ensuite avec le liquide conducteur combustible un jet de liquide qui court-circuite la première et la deuxième électrode. La conductivité électrique du liquide provoque le déclenchement de la décharge électrique. Le liquide constitue également un milieu générateur de plasma duquel provient, au moins en partie, le plasma. Etant donné que le liquide est également combustible, il se produit une combustion très rapide et une libération d'énergie supplémentaire considérable qui dépasse largement l'énergie électrique injectée. Trois réactions physico- chimiques successives se produisent, à savoir la décharge, la formation de plasma et la combustion. La synergie entre ces réactions est telle que l'énergie électrique nécessaire à l'allumage et à la transformation en plasma du jet de liquide est faible, ce qui permet de concevoir un dispositif haute tension de petite taille à bas coût. Selon une forme de réalisation de l'invention, un comburant entre dans la composition du liquide conducteur. Celui-là permet d'obtenir une durée de combustion très courte, de type explosion. De plus, le générateur de plasma peut ainsi également être utilisé sous vide. Selon une autre forme de réalisation, le liquide conducteur combustible est constitué 20 d'une solution contenant des sels de nitrate. Les sels de nitrate sont des comburants, qui, après chauffage, libèrent l'oxygène nécessaire à la combustion du liquide. Selon une autre forme de réalisation, l'élément principal de la solution contenant des sels de nitrate est une solution à base d'alcool. Une solution à base d'alcool contenant des sels de nitrate répond à quatre exigences à la fois. Elle est conductrice de courant, combustible, contient l'oxygène nécessaire à la combustion et permet la formation d'une solution. Selon une autre forme de réalisation, la teneur en énergie exploitable du liquide 30 conducteur combustible est supérieure à 6 kJ/cm3. Selon une autre forme de réalisation, le dispositif haute tension est conçu de telle façon qu'une seule décharge électrique se produit sur le pont de contact du jet de liquide. Cela entraîne la formation d'un plasma, qui amorce à nouveau le jet de liquide grâce à la 35 chaleur qui en résulte, et provoque rapidement sa combustion. Selon une autre forme de réalisation, le générateur de plasma est conçu comme un élément d'une arme à tube en vue d'amorcer une charge propulsive. L'énergie électrique à injecter ainsi que le liquide conducteur combustible peuvent être dosés, indépendamment l'un de l'autre, de manière exacte, de façon à ce que l'énergie globale puisse être adaptée précisément et simplement au besoin. Les poudres propulsives présentent la spécificité indésirable de s'amorcer de manière différente en fonction de la température ambiante. La possibilité de doser de manière exacte l'énergie globale à injecter augmente la précision de tir. Le comportement d'amorçage est également influencé par une modification dans la composition du liquide conducteur. Le milieu d'allumage n'est pas en contact avec la charge propulsive, ce qui rend la manipulation et le transport de la munition plus sûrs. En outre, le générateur de plasma convient à tous les calibres, particulièrement aux munitions sans douille. Selon une autre forme de réalisation de l'invention, la tuyère d'injection, la première électrode et la deuxième électrode sont disposées de telle sorte que le jet de liquide à transformer en plasma peut se former dans le canal d'allumage de la charge propulsive d'un projectile. Ainsi, on s'oriente plutôt vers une méthode de construction intégrale. Selon une autre forme de réalisation de l'invention, la tuyère d'injection, la première électrode et la deuxième électrode sont entourées d'un réservoir à pression, dans lequel le jet de liquide peut être transformé en plasma; ce réservoir présente une tuyère de sortie de gaz disposée de telle manière dans la culasse du tube d'arme que la charge propulsive d'un projectile peut être amorcée grâce aux gaz produits. Cette alternative, selon laquelle le générateur de plasma est fixé à l'arme à tube en tant que sous-ensemble, s'oriente plus vers une méthode de construction différentielle. Selon une autre forme de réalisation, le générateur de plasma est conçu comme élément d'une tuyère de commande. Selon une autre forme de réalisation, la tuyère d'injection, la première électrode et la deuxième électrode sont entourées par un réservoir à tuyère dans lequel le jet de liquide peut être transformé en plasma et qui présente une tuyère de sortie de gaz. Selon d'autres formes d'exécution, le générateur de pression comporte une pompe d'injection ou un dispositif de pression gazeuse, ou encore un dispositif de pression par ressort. Si le générateur de plasma fait partie d'une arme à tube, la pression peut alternativement être produite grâce à une capsule contenant un explosif. Selon une autre forme de réalisation de l'invention, la première électrode est intégrée à la tuyère d'injection. Cela simplifie la construction. Des exemples de réalisation de l'invention sont précisés ci-après à l'aide des dessins: la figure 1 représente une arme à tube munie d'un générateur de plasma pour l'amorçage d'une charge propulsive d'un projectile en coupe longitudinale; la figure 2 représente une arme à tube identique à celle de la figure 1 mais munie d'un autre générateur de pression; la figure 3 représente une arme à tube identique à celle de la figure 1 mais également munie d'un autre générateur de pression différent; la figure 4 représente un générateur de pression pouvant être utilisé à la place de celui représenté à la figure 3; la figure 5 représente une arme à tube similaire à celle de la figure 1, mais présentant une autre disposition de la première et de la deuxième électrode; la figure 6 représente une tuyère de commande munie d'un générateur de plasma en coupe longitudinale; la figure 7 représente une tuyère de commande identique à celle de la figure. 6 mais présentant une autre disposition de la tuyère de sortie de gaz. La figure 1 représente un générateur de plasma 1 conçu comme un élément d'une arme à tube 50 pour amorcer une charge propulsive 54 qui fait partie du projectile 53. Le générateur de plasma 1 comprend un dispositif haute tension 10 pour produire une haute tension. Le dispositif haute tension 10 est raccordé à une première électrode 11 et à une deuxième électrode 12. Le générateur de plasma 1 comprend un générateur de pression 20 afin de pressuriser un liquide conducteur combustible 40. La résistivité du liquide conducteur combustible 40 est inférieure à 800 KSZmm2/m. Le générateur de pression 20 est raccordé à une tuyère d'injection 30 permettant de produire un jet de liquide fermé 41. Les électrodes 11 et 12 sont disposés de telle manière par rapport au jet de liquide 41 que le jet de liquide 41 forme un pont de contact lors de l'allumage par plasma. Lors du fonctionnement de l'arme à tube 50, l'électrode 11 joue le rôle de la tuyère d'injection 30. La deuxième électrode 12 est placée dans le projectile 53 et la connexion électrique avec la deuxième électrode 12 se fait par le tube d'arme 51. Du point de vue électrique, la première électrode 22 est séparée de la deuxième électrode 12 par l'isolation 52. En ce qui concerne plus particulièrement le dispositif haute tension 10, celui-ci est conçu de telle sorte qu'une seule décharge électrique se produit sur le pont de contact du jet de liquide fermé 41. L'énergie électrique nécessaire à l'amorçage du jet de liquide 41 est de l'ordre de 1 kJ et dépend du calibre. En raison de la faiblesse de l'énergie électrique nécessaire à l'amorçage du jet de liquide, l'encombrement du dispositif haute tension 10 est peu important. La tension électrique est produite par un générateur haute tension qui charge un condensateur. La conception du circuit électrique est semblable à celle du flash d'un appareil photo. La tension nécessaire dépend du calibre. Plus le calibre est grand, plus les distances d'allumage et les tensions utilisées seront importantes. Pour atteindre une distance d'allumage de 10 à 14 cm par exemple, la tension a été réglée sur 8 kV. Dans l'exemple de réalisation représenté à la figure 1, le générateur de pression 20 comporte une pompe d'injection 21. La pompe d'injection 21 pressurise le liquide conducteur combustible 40, qui est conduit vers la tuyère d'injection 30 en passant par un clapet de dosage 215 et un clapet anti-retour 216. Le clapet anti-retour 216 protège le générateur de pression 20 de la pression élevée produite par la charge propulsive 54. Le clapet de dosage 215 est associé à un dispositif de commande de type connu et non représenté, qui commande son ouverture et donc l'injection d'une quantité de liquide définie. Le déroulement du tir d'un projectile se présente de la manière suivante. Après que le projectile 53 a été placé dans le tube d'arme 51, un jet de liquide 41 est produit. Le jet de liquide fermé 41 assure la liaison entre la première électrode 11, qui constitue également la tuyère d'injection 30, et la deuxième électrode 12, intégrée au projectile 53. Un canal d'allumage 541 est disposé entre la première électrode 11 et la deuxième électrode 12 dans la charge propulsive 54. Les électrodes 11 et 12, polarisées à l'aide du dispositif haute tension 10, amorcent le jet de liquide 41 et forment simultanément le plasma. La formation de plasma et la combustion du jet de liquide 41 entraînent une température très élevée qui allume la charge propulsive 54 entourant le jet de liquide 41 dans le canal d'allumage 541. Après l'amorçage de la charge propulsive 54, le projectile 53 est accéléré et sort du tube d'arme 51. Contrairement à la figure 1, la figure 2 présente une autre configuration du générateur de pression 20, permettant de produire la pression au moyen d'une capsule 22 contenant un explosif. Le jet de liquide 41 est produit de telle sorte que sous l'effet de la pression gazeuse de la capsule 22 contenant un explosif, le liquide 40, comprimé par un piston d'étanchéité 221, sort de la tuyère d'injection 30 sous forme de jet de liquide fermé 41. Après l'amorçage de la charge propulsive 54, le piston d'étanchéité 221 est à nouveau repoussé par la pression. Pour effectuer un autre tir, on introduit de nouveau une quantité donnée du liquide conducteur combustible dans la tuyère d'injection 30 et on remplace la capsule 32 contenant un explosif par une capsule inutilisée. Tout comme la figure 2 susmentionnée, la figure 3 présente une configuration différente du générateur de pression 20, selon laquelle le générateur de pression 20 comporte un dispositif de pression par ressort 24. Un ressort 242, placé dans un réservoir, entre en contact avec un piston intermédiaire 241. Le piston intermédiaire 241 exerce à son tour un effet de ressort sur le liquide conducteur combustible 40. Le liquide conducteur combustible 40 est conduit dans la tuyère d'injection 30 par l'intermédiaire d'un clapet de dosage 245. Un clapet anti-retour 246 est placé devant la tuyère d'injection 30 afin de la protéger contre la pression de la charge propulsive 54. Le dispositif de pression par ressort 24 représenté à la figure 3 peut être remplacé par le dispositif de pression gazeuse 23 que l'on peut voir à la fig. 4. Le réservoir contient alors de l'air comprimé 231 qui entre en contact avec le liquide conducteur combustible 40. Le liquide conducteur combustible 40 atteint, par l'intermédiaire du clapet de dosage 235, la tuyère d'injection 30, qui est représentée à la fig. 3 avec d'autres détails de l'arme à tube et du projectile. Chacun des clapet de dosage 235, 245 est associé à un dispositif de commande de type connu et non représenté, qui commande son ouverture et donc l'injection d'une quantité de liquide définie. En ce qui concerne plus particulièrement le liquide conducteur combustible 40, un comburant entre dans la composition de celui-ci. Par ailleurs, le liquide conducteur combustible 40 est une solution contenant des sels de nitrate. Au lieu des sels de nitrate, on peut également utiliser d'autres sels qui confèrent au liquide conducteur combustible une conductivité électrique suffisante, tels que, par exemple, les sels contenant du chlore et de l'oxygène. L'élément principal de la solution de sels de nitrate est une solution à base d'alcool. La teneur en énergie exploitable du liquide conducteur combustible est supérieure à 6 kJ/cm3. Dans le cas d'un générateur de plasma 1 conçu comme élément d'une arme à tube 50, la première composition décrite ci-après est appropriée: É 1 partie en poids de méthanol + 2 parties en poids de nitrate de magnésium (MgNO3). La deuxième composition suivante peut également être utilisée: É 1 partie en poids de méthanol + 2 parties en poids d'éthanol + partie en poids de nitrate de magnésium. Le nitrate de magnésium constitue le comburant de la solution. Un rajout de poudre fine de magnésium est possible. Lors de l'allumage, cette poudre forme des particules incandescentes et augmente la sûreté de l'allumage. Les figures 1 à 4 montrent que la tuyère d'injection 30, la première électrode 11 et la deuxième électrode 12 sont disposées de telle manière que le jet de liquide 41 à transformer en plasma peut se former dans le canal d'allumage 541 de la charge propulsive 54 d'un projectile 53. En revanche, la figure 5 présente une disposition différente selon laquelle la tuyère d'injection 30 débouche dans un réservoir à pression 70 dans lequel un jet de liquide peut être transformé en plasma. Un dispositif haute tension 10 est connecté à la première électrode 11 et à une seconde électrode 12 constituée par le réservoir à pression 70 luimême, les première et deuxième électrodes étant séparées par un matériau isolant 55. Le réservoir à pression 70 présente une tuyère 71 de sortie de gaz 42 disposée dans la culasse du tube d'arme 51 de telle manière qu'une charge propulsive 54 d'un projectile 53 peut être amorcée grâce aux gaz produits 42. Le déroulement du tir d'un projectile se présente de la manière suivante. Après que le projectile 53 a été placé dans le tube d'arme 51, un jet de liquide 41 est produit. Le jet de liquide fermé 41 assure la liaison entre la première électrode 11, qui constitue également la tuyère d'injection 30, et la deuxième électrode 12. Les électrodes 11 et 12, polarisées à l'aide du dispositif haute tension 10, amorcent le jet de liquide 41 et forment simultanément le plasma. La formation de plasma et la combustion du jet de liquide 41 produisent des gaz 42 qui d'échappent par la tuyère de sortie et dont la température très élevée allume la charge propulsive 54 disposée dans le canal d'allumage 541. Après l'amorçage de la charge propulsive 54, le projectile 53 est accéléré et sort du tube d'arme 51. La figure 6 présente un générateur de plasma conçu comme élément d'une tuyère de commande 60. Comme dans les exemples de réalisation précédents, le générateur de plasma 1 comporte un dispositif haute tension 10 pour produire une haute tension, qui est relié à une première électrode 11 et à une deuxième électrode 12. Du point de vue électrique, la première électrode 11 est séparée de la deuxième électrode 12 par une isolation 62. En outre, le générateur de plasma 1 comprend un générateur de pression 20 afin de pressuriser un liquide conducteur combustible 40. La résistivité du liquide conducteur combustible 40 est inférieure à 800 KS2mmzlm. Le générateur de pression 40 est raccordé à une tuyère d'injection 30 qui permet la production d'un jet de liquide fermé 41. Les électrodes 11 et 12 sont disposées de telle manière par rapport au jet de liquide 41 que le jet de liquide 41 forme un pont de contact lors de l'allumage par plasma. 8 2859065 La tuyère de commande 60 présente un réservoir de tuyères 61 doté d'une sortie de gaz 63. La tuyère d'injection 30 est constituée par la première électrode 11 et située à l'extrémité opposée à la sortie de gaz 63. La deuxième électrode 12 se trouve à l'intérieur du réservoir de tuyères 61, sur son axe longitudinal. Le générateur de pression 20 comporte une pompe d'injection 21. Alternativement, le générateur de pression 20 pourrait également comporter un dispositif de pression gazeuse 23, comme indiqué à la figure 4, ou un dispositif de pression par ressort 24, comme à la figure 3. En ce qui concerne plus particulièrement le dispositif haute tension 10, celui-ci est conçu de sorte qu'une seule décharge électrique se produit sur le pont de contact du jet de liquide 41. La tuyère de commande fonctionne par impulsions de commande. Un jet de liquide fermé conducteur combustible 41 est projeté de la première électrode polarisée 11 à la deuxième électrode. Cela déclenche la décharge électrique et entraîne la formation du plasma. Des températures si élevées apparaissent que le jet de liquide combustible 71 s'allume, et sa combustion est très rapide. Cela entraîne la formation de gaz chauds qui se dilatent fortement avec le plasma et produisent une répulsion au niveau de la sortie de gaz 63. En ce qui concerne plus particulièrement le liquide conducteur combustible 40, un comburant entre dans la composition de celui-ci. En outre, le liquide conducteur combustible est une solution contenant des sels de nitrate. Alternativement, on peut utiliser d'autres sels qui confèrent au liquide conducteur combustible 40 une conductivité électrique suffisante, tels que, par exemple, les sels contenant du chlore te de l'oxygène. L'élément principal de la solution de sels de nitrate est une solution à base d'alcool. La teneur en énergie exploitable du liquide conducteur combustible est supérieure à 6 kJ/cm3. Dans le cas d'un générateur de plasma 1 conçu comme élément d'une tuyère de commande 60, la première et la deuxième compositions précédemment décrites sont appropriées. La tuyère de commande 60 peut être montée à un projectile ou à un missile de façon à ce que la poussée s'exerce de manière radiale par rapport à l'axe longitudinal et permette ainsi de modifier la direction de vol. Un dosage précis de la quantité de liquide conducteur combustible 40 et un réglage exact de l'énergie électrique permettent d'obtenir des déviations de course que l'on peut déterminer à l'avance. La tuyère de commande peut également être intégrée dans un satellite. Comme liquide conducteur combustible, on doit alors utiliser une composition contenant un comburant. La figure 7 présente une configuration différente de celle observable à la figure 6. La figure 6 présente une variante selon laquelle la tuyère d'injection 30 est située à l'extrémité opposée à la tuyère de sortie de gaz 63. En revanche, dans la variante présentée à la figure 7, l'axe longitudinal de la tuyère d'injection 30 et celui de la tuyère de sortie de gaz 63 forment un angle droit. Selon cette variante, le montage de la tuyère de commande est simplifié. Io Revendications 1. Générateur de plasma (1) comportant un dispositif haute tension (10) apte à produire une haute tension et au moins raccordé à une première électrode (11) et à une deuxième électrode (12), caractérisé en ce qu'il comporte un générateur de pression (20) apte à pressuriser un liquide conducteur combustible (40), ce générateur de pression (20) étant raccordé à une tuyère d'injection (30) permettant de produire un jet de liquide fermé, et les électrodes (11, 12) étant disposées, par rapport au jet de liquide (41), de telle sorte que le jet de liquide (41) forme un pont de contact lors de l'allumage par plasma. 2. Générateur de plasma (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la résistivité du liquide conducteur combustible (40) est inférieure à 800 KS2mm2/m. 3. Générateur de plasma (1) selon selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, 15 caractérisé en ce qu'un comburant entre dans la composition du liquide conducteur combustible (40). 4. Générateur de plasma (1) selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que le liquide conducteur combustible (40) est une solution contenant des sels de nitrate. 5. Générateur de plasma (1) selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'élément principal de la solution contenant des sels de nitrate est une solution à base d'alcool. 6. Générateur de plasma (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la teneur en énergie exploitable du liquide conducteur combustible est supérieure à 6 kJ/cm3. 7. Générateur de plasma (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le dispositif haute tension (10) est conçu de telle manière qu'une seule décharge électrique se produit sur le pont de contact du jet de liquide (41). 8. Générateur de plasma (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, 30 caractérisé en ce qu'il constitue un élément d'une arme à tube (50) en vue d'amorcer une charge propulsive (54). 9. Générateur de plasma (1) selon la revendication 8, caractérisé en ce que la tuyère d'injection (30), la première électrode (11) et la deuxième électrode (12) sont disposées de telle manière que le jet de liquide (41) à transformer en plasma peut se former dans un canal d'allumage (541) d'une charge propulsive (54) d'un projectile (53). 10. Générateur de plasma (1) selon la revendication 8, caractérisé en ce que la tuyère d'injection (30), la première électrode (11) et la deuxième électrode (12) sont entourées d'un réservoir à pression (70), dans lequel le jet de liquide (41) peut être transformé en plasma, le réservoir à pression (70) comportant une tuyère (71) de sortie de gaz (42) placée dans la culasse du tube d'arme (51) de telle manière que la charge propulsive (54) d'un projectile (53) peut être amorcée grâce aux gaz (42) produits. 11. Générateur de plasma (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il constitue un élément d'une tuyère de commande (60). 12. Générateur de plasma (1) selon la revendication 11, caractérisé en ce que la tuyère d'injection (30), la première électrode (11) et la deuxième électrode (12) sont entourées d'un réservoir de tuyères (61) dans lequel le jet de liquide (41) peut être transformé en plasma, ce réservoir de tuyères (61) présentant une tuyère de sortie de gaz (63). 13. Générateur de plasma (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que le générateur de pression (20) comporte une pompe d'injection (21). 14. Générateur de plasma (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que le générateur de pression (20) comporte un dispositif de pression gazeuse (23) ou un dispositif de pression par ressort (24). 15. Générateur de plasma (1) selon l'une quelconque des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que le générateur de pression (20) est conçu de telle manière que la pression peut être produite grâce à une capsule (22) contenant un explosif. 16. Générateur de plasma (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 15, 30 caractérisé en ce que la première électrode (11) est intégrée à la tuyère d'injection (30).