Brevet FR2958912A1 — publié le 20111021

La présente invention se rapporte au domaine technique général des dispositifs de protection contre la foudre. L'invention trouve application entre autre dans le domaine de l'aéronautique et concerne plus particulièrement un dispositif de protection destiné à protéger les aéronefs des effets des impacts directs de la foudre. Classiquement, une structure d'aéronef (fuselage, voilure, ...) est réalisée à partir de panneaux métalliques montés et fixés autour d'une ossature interne également métallique. Ces panneaux métalliques sont assemblés par des fixations également métalliques et forment, une fois assemblés, une peau externe de l'aéronef. En moyenne, un aéronef est touché par la foudre en vol toutes les 1000 heures de vol, dans les zones du monde les plus foudroyées. Un impact de foudre sur l'aéronef peut engendrer des dommages sur sa structure mais aussi induire des interférences sur les systèmes. Il est donc important de protéger l'aéronef des impacts de foudre qui pourraient l'endommager. Pour cela, il est connu, comme pour tout système électrique à protéger de la foudre, de mettre au même potentiel électrique tous les équipements de l'aéronef et de métalliser tous ces équipements aux éléments métalliques dudit aéronef, afin de drainer les courants directs ou indirects issus de la foudre. Par métalliser, on entend assurer une continuité électrique afin de mettre au même potentiel électrique un ensemble d'éléments. Dans les aéronefs classiques, c'est-à-dire à structure métallique, la structure métallique présente l'avantage de réaliser une fonction de cage de Faraday lorsque l'aéronef est touché par la foudre en vol. Dans ce type d'aéronef, la peau externe, elle-même, sert à drainer des courants de foudre. Cependant, les aéronefs à structure métallique présentent l'inconvénient d'être lourds. Pour diminuer la masse structurelle d'un aéronef, certaines structures en matériau métallique, telles que par exemple la peau externe, sont remplacées par des structures en matériau composite. En effet, les matériaux composites ayant l'avantage d'être relativement légers par rapport au métal, la masse totale d'un aéronef à structure composite est significativement allégée par rapport à celle d'un aéronef classique. Toutefois, une structure en matériau composite, au contraire d'une structure en matériau métallique, n'est pas électriquement conductrice et la peau externe ne présente plus l'avantage de réaliser une fonction de cage de Faraday lorsque l'aéronef est touché par la foudre en vol. Pour remédier à cette problématique, il est connu de métalliser la structure en matériau composite de l'aéronef. Pour cela il est connu par exemple, sur certains types d'aéronefs, de placer une couche de métal déployé ou une couche de grillage métallique sur la peau externe en matériau composite. Ce métal déployé ou grillage métallique est ajouté pour drainer les courants électriques générés par la foudre, de manière à assurer la même fonction qu'une peau externe métallique en cas de foudre. Cette solution s'avère très contraignante, génère des pénalités de masse du fait de l'ajout de matériaux pour la métallisation afin d'éviter un endommagement sévère de la structure de l'aéronef par un impact de foudre. Cette solution rend aussi complexe l'installation des systèmes, câblages, architecture électrique dans certaines zones de l'aéronef. La présente invention se propose d'améliorer la protection de l'aéronef soumis au risque d'impacts de foudre tout en limitant la métallisation de 20 l'aéronef. L'invention a pour but un dispositif de protection d'un aéronef contre des impacts de foudre permettant de contrôler des lieux d'attachements initiaux de la foudre sur ledit aéronef. Par lieux d'attachements initiaux, on entend les lieux initiaux de départ ou d'arrivée de décharges. L'invention consiste à 25 détourner des lieux d'attachements initiaux naturels de la foudre vers des lieux d'attachements privilégiés souhaités, sans risque et ou adaptés pour recevoir des impacts de foudre. La maîtrise des lieux d'attachements initiaux de la foudre sur l'aéronef permet ainsi d'alléger la protection mise en place dans des zones où l'attachement initial sera évité grâce au dispositif mis en place et par 30 conséquent de contribuer à l'allègement global de l'aéronef. A cet effet, l'invention concerne un dispositif de protection contre la foudre pour aéronef comportant : une source laser adaptée à provoquer un phénomène de filamentation, un guide d'onde optique destiné à transmettre un faisceau laser issu de la source laser vers un point d'attachement privilégié d'une structure de l'aéronef, dit point d'attachement souhaité, à proximité immédiate duquel est souhaité l'attachement de la foudre. La structure de l'aéronef peut être un fuselage, une voilure, un empennage. La source laser émet des impulsions ultracourtes. De préférence, la source laser est une source laser femtoseconde. Ainsi, en présence de conditions orageuses propices à l'occurrence d'un coup de foudre, la source laser est en fonctionnement et émet un faisceau laser impulsionnel, ledit faisceau est guidé dans le guide d'onde jusqu'au point d'attachement souhaité puis se propage dans l'air. Lors de la propagation dans l'air du faisceau laser impulsionnel, et lorsqu'une puissance crête du faisceau excède quelques gigawatts, un phénomène de filamentation apparaît spontanément dans ledit faisceau laser impulsionnel. A ce régime d'intensité, un équilibre dynamique s'établit entre la diffraction, l'effet Kerr et la défocalisation par l'air ionisé, permettant la formation, dans le sillage du faisceau impulsionnel, d'un canal de plasma auto-guidé qui résulte en une structure filamenteuse constituée d'un ou plusieurs filaments, et dont la longueur peut atteindre des centaines de mètres. Cet ensemble de filaments permet alors de rendre attractif un chemin pour la propagation de décharges naturelles de foudre. Au niveau d'une extrémité de sortie du guide d'onde, un ensemble de filaments est donc formé et lorsque la foudre tombe, elle est détournée d'un point d'attachement naturel initial (c'est-à-dire un point où la foudre tomberait naturellement en l'absence du faisceau laser impulsionnel) grâce aux filaments qui guident le canal foudre vers le point d'attachement souhaité à proximité de l'extrémité de sortie du guide d'onde. Afin d'éviter, dans la mesure du possible, que la foudre ne tombe directement sur la structure de l'aéronef ou sur une extrémité de sortie du guide d'onde, au niveau du point d'attachement souhaité, le dispositif de protection comporte, à proximité immédiate de l'extrémité de sortie du guide d'onde, sur la structure de l'aéronef, un élément sacrificiel apte à supporter l'attachement d'un canal de la foudre. Cet élément sacrificiel est réalisé en matériau métallique, de forme géométrique adaptée pour minimiser l'impact aérodynamique telle que par exemple une tige métallique rigide et pleine terminée par une sphère de quelques centimètres de diamètre et dirigée dans le sens de l'écoulement de l'air. Dans un mode de réalisation préféré, afin de couvrir différentes zones de la structure de l'aéronef, le dispositif de protection comporte N guides d'onde reliés à la source laser par un coupleur optique 1*N où N est supérieur ouégalà2. La source laser doit être calibrée de sorte à avoir une puissance crête initiale suffisante afin d'obtenir en sortie de chaque guide d'onde une énergie suffisante pour former les filaments. Dans un autre mode de réalisation, le dispositif de protection comporte au moins deux sources laser, adaptées chacune à provoquer un phénomène de filamentation, associées chacune à au moins un guide d'onde. Ce mode de réalisation permet, en cas de panne de l'une des deux sources laser, d'assurer constamment une protection de l'aéronef contre la foudre. De préférence, le guide d'onde est un élément non conducteur de l'énergie électrique, telle que par exemple une fibre optique. Ainsi la source laser est isolée électriquement du point d'impact de la foudre sur la structure de l'aéronef. Le dispositif de protection suivant l'invention permet avantageusement de maîtriser les points d'attachement de la foudre sur la structure de l'aéronef. Ainsi des zones environnant les points d'attachement souhaités mais aussi des zones où l'attachement est évité grâce au dispositif de protection nécessitent une protection moindre que les zones non protégées par ce dispositif de protection, ce qui est particulièrement intéressant dans le cas d'un aéronef réalisé en matériau composite. Bien évidemment, il est également possible d'installer ce dispositif de protection sur un aéronef réalisé en matériau métallique. De préférence, les points d'attachement de la foudre souhaités sont situés entre autre au niveau des extrémités des ailes et/ou de la dérive, sans que ce choix soit limitatif de l'invention. Dans un mode de fonctionnement du dispositif de protection, ledit dispositif de protection est piloté par une électronique de commande qui déclenche le dispositif de protection (par la mise en fonctionnement de la source laser) de manière continue durant certaines phases de vol, telles que par exemple les phases de décollage et d'atterrissage. Dans un autre mode de fonctionnement du dispositif de protection, ledit dispositif de protection est piloté par une électronique de commande qui déclenche le dispositif de protection lors de la détection d'une décharge naturelle en approche ou au départ de l'aéronef. Dans un exemple de réalisation, l'électronique de commande reçoit des données issues de mesures d'un champ électrique externe, l'analyse de la forme temporelle de ce champ électrique permettant de déterminer si un évènement foudre est en préparation. L'invention est également relative à un aéronef comportant un dispositif de protection. La description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple d'un mode de réalisation de l'invention, est faite en se référant aux figures annexées dans lesquelles la figure 1 illustre schématiquement un dispositif de test de détournement de la foudre, la figure 2a illustre, dans le cadre du dispositif de test, l'attachement de la foudre en un point naturel en l'absence d'un système laser la figure 2b illustre, dans le cadre du dispositif de test, le détournement 25 de la foudre vers un point privilégié en présence d'un système laser en fonctionnement la figure 3a illustre une vue de dessus d'un aéronef comportant un dispositif de protection contre la foudre, et illustrant un exemple de cheminement des guides d'onde, 30 la figure 3b illustre une vue de coté du même aéronef que la figure 3a avec le même cheminement des guides d'onde. Pour illustrer le détournement de la foudre de son point d'attachement naturel initial vers un point d'attachement privilégié souhaité, un dispositif de test est réalisé et illustré sur la figure 1. Le dispositif de test comporte une large électrode, dite électrode HV 10, reliée à un générateur de haute tension 17 et placée au dessus de deux électrodes, dites première 11 et seconde 12 électrodes, lesdites première et seconde électrodes étant reliées à une masse 13. La première électrode 11 représente un point d'attachement géométrique d'une structure à protéger, dit point d'attachement naturel de la foudre, et présente avantageusement la forme d'un pic, forme géométrique utilisée pour les paratonnerres pour attirer la foudre. La seconde électrode 12 représente un point d'attachement géométrique de la même structure à protéger, dit point d'attachement souhaité ou sacrificiel de la foudre, et présente avantageusement la forme d'une sphère, forme géométrique moins adaptée pour attirer la foudre que la première électrode 11 en forme de pic. Le dispositif de test comporte en outre un système laser 14. Ledit système laser 14 comporte une source de rayonnement lumineux cohérent du type laser émettant des impulsions ultracourtes, de type femtoseconde, et une électronique associée. Par exemple, dans le cadre de ce test, la source est une source femtoseconde ENSTAmobile, développée par Amplitude Technology dont les caractéristiques principales sont : - énergie impulsionnelle : 350 millijoules ; - durée impulsionnelle : 50 fentosecondes ; - puissance crête : 7 térawatts. Le faisceau laser impulsionnel 15 est dirigé, au moyen de moyens optiques 18 adaptés connu en soi, par exemple du type miroir, à proximité immédiate de la seconde électrode 12 et en direction de l'électrode HV 10. Lors de la propagation dans l'air d'un faisceau laser impulsionnel de type femto seconde, issu du système laser, et lorsque sa puissance crête excède quelques gigawatts, un phénomène de filamentation apparaît spontanément dans ledit faisceau impulsionnel. A ce régime d'intensité, le faisceau impulsionnel s'effondre sur lui-même par effet Kerr et un équilibre dynamique s'établit entre la diffraction, l'effet Kerr et la défocalisation par l'air ionisé, permettant de maintenir une intensité très élevée dans un coeur du faisceau impulsionnel sur une grande distance. Cet équilibre dynamique permet la formation, dans le sillage du faisceau impulsionnel, d'un canal de plasma auto-guidé qui résulte en une structure filamenteuse constituée d'un ou plusieurs filaments, et dont la longueur peut atteindre des centaines de mètres. Cet ensemble de filaments permet alors de rendre attractif un chemin pour la propagation de décharges naturelles. Ainsi dans le cadre du test, lorsque le système laser 14 est en fonctionnement, ledit système laser génère un faisceau laser 15 sous la forme d'une série d'impulsions laser de haute puissance. Les impulsions laser sont focalisées en temps et en espace, au moyen de moyens électroniques et optiques adaptés, de sorte que la puissance crête des impulsions laser excède la puissance critique pour un effet auto focalisant des impulsions laser, de sorte que des filaments 16 vont se former dans le sillage des impulsions laser. Les filaments 16 s'étendent jusqu'à une surface de l'électrode HV 10. Les filaments 16 permettent alors de rendre attractif un chemin pour la propagation de décharges au départ ou en approche de la seconde électrode et de polarité positive comme négative. Les dimensions du dispositif de test sont définies de sorte à obtenir 20 une décharge dite naturelle entre la première électrode 11 et l'électrode HV 10 lorsque le système laser 14 n'est pas en fonctionnement. A titre d'exemple non limitatif, et comme illustré sur la figure 1, la distance di entre l'électrode HV 10 et la première électrode 11 est sensiblement de 2.2 mètres, la distance d2 entre l'électrode HV 10 et la 25 seconde électrode 12 est sensiblement de 2.5 mètres et la distance d3 entre les première 11 et seconde 12 électrodes est sensiblement de 1 mètre. Le système laser 14 est placé à une distance d'au moins 20m des électrodes. Le faisceau impulsionnel est focalisé avec une lentille d'une focale de 10m et génère un réseau d'une quarantaine de filaments sur une longueur 30 de 5m, reliant virtuellement la seconde électrode à l'électrode HV. Les résultats obtenus à partir de ce dispositif de test sont illustrés sur les figures 2a et 2b. Lorsque le système laser 14 n'est pas en fonctionnement, la décharge a lieu naturellement entre la première électrode 11 et l'électrode HV 10, comme illustré sur la figure 2a. Lorsque le système laser 14 est en fonctionnement, comme illustré sur la figure 2b, la décharge est attirée et guidée par les filaments induits par le système laser vers la seconde électrode 12, malgré la présence de la première électrode qui présente une forme géométrique plus propice à l'attachement de la décharge. La décharge a lieu entre la seconde électrode 12 et l'électrode HV 10. Ce dispositif de test permet de démontrer la possibilité de détourner la 10 foudre vers un point d'attachement privilégié, au moyen de la source laser femtoseconde de haute puissance. Ce détournement de la foudre peut être avantageusement mis en oeuvre au sein d'un aéronef, moyennant des adaptations nécessaires à réaliser pour surmonter des contraintes liées à l'aéronef. 15 Suivant un mode de réalisation de l'invention, comme illustré sur les figures 3a et 3b, un dispositif de protection 20 contre la foudre embarqué dans un aéronef 30 comporte un système laser 21 et un guide d'onde optique 22 destiné à transmettre un faisceau laser issu du système laser. Le système laser 21 est une source laser impulsionnelle femtoseconde 20 associée à une électronique. Il peut être par exemple tel que le système laser décrit précédemment dans le dispositif de test. Le système laser est de préférence placé sous le plancher passager, à l'avant de l'aéronef, tel que par exemple dans une baie électrique. Le guide d'onde optique 22 permet de transmettre un faisceau laser 25 impulsionnel issu du système laser, vers un point de l'aéronef où est souhaité l'attachement de la foudre. De préférence, le guide d'onde optique est un élément non conducteur de l'énergie électrique, par exemple un guide d'onde creux ou une fibre optique, telle que par exemple une fibre à cristal photonique, une fibre 30 photonique à corps creux. Le faisceau laser impulsionnel issu du système laser 21 est injecté dans la fibre optique 22 par une extrémité d'entrée 221 et ressort par une extrémité de sortie 222, opposée, de ladite fibre optique. Dans l'exemple non limitatif de l'invention illustré sur les figures 3a et 3b, afin de couvrir plusieurs zones d'une structure 33 de l'aéronef 30, trois fibres optiques sont représentées et reliées au système laser 21, par exemple par un coupleur optique 1 *3 : - une première fibre optique 22a qui transmet le faisceau laser impulsionnel du système laser 21 vers une extrémité 311 d'une première aile 31 de l'aéronef 30, - une deuxième fibre optique 22b qui transmet le faisceau laser impulsionnel du système laser 21 vers une extrémité 311 d'une seconde aile 31 de l'aéronef 30, - une troisième fibre 22c qui transmet le faisceau laser impulsionnel du système laser 21 vers une extrémité 321 d'une dérive 32 de l'aéronef 30. La présente invention ne se limite pas à cet exemple comportant trois fibres optiques (guides d'onde) décrit ci-dessus à titre d'exemple non limitatif. Elle ne se limite pas non plus à un seul système laser. L'homme du métier est en mesure d'adapter l'invention à un nombre de systèmes laser et un nombre de fibres optiques non décrits. De préférence, afin d'éviter que la foudre ne tombe directement sur la structure 33 de l'aéronef 30, le dispositif de protection 20 comporte, à proximité de la face de sortie 222 de chaque fibre optique 22, 22a, 22b, 22c, un élément dit sacrificiel saillant pour attirer le canal foudre. Ainsi, suite à un impact de foudre sur l'aéronef, les opérations de maintenance, lorsque l'aéronef est au sol, seront moins importantes et coûteuses. Le dispositif de protection ainsi mis en place permet de forcer l'attachement initial de la foudre sur un ou plusieurs éléments sacrificiels qui peuvent éventuellement ne pas être des lieux naturels d'attachement en l'absence du faisceau laser impulsionnel. Ce détournement du point d'attachement est réalisé en envoyant un faisceau laser impulsionnel issu du système laser au moyen des fibres optiques vers les extrémités des ailes et de la dérive de manière à ce qu'il effleure les éléments sacrificiels. Les filaments 23 induits par le faisceau laser impulsionnel en sortie de chaque fibre optique permettent alors de rendre attractif le chemin pour la propagation de décharges naturelles au départ ou en approche de l'aéronef. Le dispositif de protection est piloté par une électronique de commande (non représentée sur les figures). L'électronique de commande permet le déclenchement du fonctionnement de la source laser impulsionnelle durant une phase de vol prédéfinie de l'aéronef. Dans un exemple de mise en oeuvre du dispositif de protection, par défaut, le dispositif de protection ne fonctionne pas et n'est déclenché qu'au cours d'une phase de vol prédéfinie. Ce déclenchement peut être tel que le dispositif de protection fonctionne de manière continue durant certaines phases de vol, telles que par exemple le décollage ou l'atterrissage et ou lors de la détection d'une décharge naturelle de foudre en approche ou au départ de l'aéronef. Pour permettre la détection d'une décharge naturelle de foudre, l'électronique de commande reçoit en entrée, dans le présent exemple, des données issues de mesures d'un champ électrique externe, via des capteurs connus de l'homme du métier. Cette électronique de commande peut être une électronique dédiée au système laser et installée par exemple à proximité dudit système laser. Alternativement, l'électronique de commande peut être une des fonctions gérées par un des calculateurs multifonctions usuellement présents à bord des aéronefs. Ainsi, le dispositif de protection permet de réduire l'attachement initial de la foudre sur des éléments sensibles de l'aéronef tels que des trains d'atterrissage sous voilure ou encore sur des moteurs, qu'ils soient situés sous la voilure comme à l'arrière du fuselage. De plus, la maîtrise des points d'attachement permet ainsi d'alléger la protection mise en place dans les zones situées à proximité des points d'attachement souhaités et par conséquent de contribuer à l'allègement global de l'aéronef. Bien que le dispositif de protection contre la foudre suivant l'invention soit décrit de manière détaillé pour une application dans un aéronef, ledit dispositif de protection contre la foudre est aussi applicable sur des bases de lancements où le dispositif permettrait de protéger un pas de tir d'une fusée ou d'un missile, ou encore sur des sites aéroportuaires. REVENDICATIONS1 - Dispositif de protection (20) contre la foudre pour aéronef (30) comportant : une source laser (211) adaptée à provoquer un phénomène de filamentation, un guide d'onde optique (22) destiné à transmettre un faisceau laser issu de la source laser vers un point d'attachement privilégié d'une structure (33) de l'aéronef (30) à proximité immédiate duquel est souhaité l'attachement de la foudre. 2 - Dispositif de protection (20) selon la revendication 1 dans lequel la source laser (211) est une source laser femtoseconde. 3 - Dispositif de protection (20) selon l'une des revendications précédentes comportant un élément sacrificiel sur la structure de l'aéronef, à proximité d'une extrémité de sortie (222) du guide d'onde optique, apte à supporter l'attachement d'un canal de la foudre. 4 - Dispositif de protection (20) selon l'une des revendications précédentes comportant au moins deux guides d'ondes optiques (22) reliés à la source laser par un coupleur optique pour couvrir différentes zones de la structure (33) de l'aéronef (30). 5 - Dispositif de protection (20) selon l'une des revendications précédentes dans lequel le guide d'onde optique (22) est une fibre optique. 6 - Dispositif de protection (20) selon l'une des revendications précédentes dans lequel le point d'attachement privilégié est situé au niveau d'une extrémité (311) d'une aile (31) de l'aéronef (30). 7 Dispositif de protection (20) selon l'une des revendications précédentes dans lequel le point d'attachement privilégié est situé au niveau d'une extrémité (321) d'une dérive (32) de l'aéronef (30). 8 Dispositif de protection (20) selon l'une des revendications précédentes comportant une électronique de commande apte à déclencher la source laser (211) durant une phase de vol prédéfinie de l'aéronef. 9 - Aéronef (30) comportant un dispositif de protection selon l'une des revendications 1 à 8.