Brevet FR2962979A1 — publié le 20120127

-1- L'invention concerne la protection des équipements électriques et électroniques des aéronefs. Les systèmes installés à bord des avions font appel à des équipements électriques ou électroniques qui sont de plus en plus intégrés pour accroitre leur vitesse et leur réactivité et réduire leur masse et leur volume. Ces mêmes équipements demandent des puissances électriques de plus en plus importantes pour fonctionner afin de gagner en densité de puissance ou d'actionner de puissants éléments mécaniques, hydrauliques ou pneumatiques. Cette tendance actuelle est destinée à se poursuivre sur les futurs avions pour améliorer leurs performances tout en respectant les exigences de sécurité, de fiabilité et de disponibilité et en permettant d'assurer facilement leur maintenance. Toutefois, l'installation de ces équipements à bord des avions pose certains problèmes. Ainsi, il existe des risques d'échauffement excessif de ces équipements par effet joule. En cas d'échauffement, leur taux de défaillance augmente drastiquement en suivant la loi d'Arrhenius, tandis que leur fiabilité diminue. Ces équipements sont également très sensibles aux radiations diverses en raison de leur intégration élevée qui entraîne que les facteurs d'échelle de la matière et du rayonnement se rapprochent. En effet, du fait des propriétés d'interaction matière-rayonnement, les composants et les équipements électriques ou électroniques peuvent être sensibles aux radiations générées par les ions lourds, les neutrons, les particules alpha, les rayons X, ... Les effets sur le fonctionnement de ces composants et ces équipements sont multiples. On peut citer : - le SEE (Single Event Effect ou effet à événement simple) ou le SEP (Single Event Phenomenon ou phénomène à événement simple); - SEU (Single Event Upset ou trouble à événement simple) : il s'agit d'un changement d'état induit dans un composant digital par une particule ionisée (rayonnement cosmique ou proton). L'effet d'un SEU est réversible. Par ailleurs, le design peut être, dans certains cas, rendu tolérant par l'utilisation de circuits correcteurs d'erreurs. - SHE (Single Hard Error ou erreur de matériel simple) : changement d'état permanent dû à un ion lourd ou à un proton (SEU non réversible). Par exemple, il s'agit d'un bit collé de façon définitive dans un registre. - MBU (Multiple Bit Upset ou trouble de bits multiples) : multiples changements d'états induits dans un composant digital (analogue au SEU). - SET (Single Event Transient ou transitoire à événement simple) : état transitoire 2962979 -2- induit dans un composant analogique par une particule ionisée (rayonnement cosmique ou proton). - SEL (Single Event Latchup ou amorçage à événement simple) : Cette situation consiste en la présence de circuits parasites (de comportement PNPN) de type 5 thyristor qui s'amorceraient au passage d'un courant transitoire. Un courant permanent circule alors (courant pouvant dépasser la spécification maximale du composant et détruire celui-ci). La seule solution envisageable pour prévenir la destruction du composant consiste à détecter suffisamment tôt ce sur-courant et à couper la puissance (circuit anti-latch-up ou délatcheur). 10 - SEB (Single Event Burnout ou court-circuit à événement simple) : Il s'agit d'un court-circuit destructif entre la source et le drain d'un MOSFET à canal N provoqué par le passage d'un ion lourd. Le design peut être rendu tolérant aux SEB à condition d'appliquer un derating ou réduction de régime sur la tension de polarisation du composant. 15 - SEGR (Single Event Gate Rupture ou rupture de grille à événement simple) : c'est un court-circuit destructif provoqué par l'impact d'un ion lourd sur un MOSFET de puissance. Une tension de grille positive pour les canaux N et négative pour les canaux P est requise afin de prévenir les SEGR. Tous ces phénomènes peuvent survenir et donc menacer la fiabilité des 20 équipements électriques ou électroniques embarqués. Aux altitudes de navigation habituelles des avions, les radiations reçues par les équipements et les composants sont principalement dues aux neutrons. Les problèmes causés par ces deux types de risques, surchauffe et radiations, peuvent avoir des impacts sur la fiabilité opérationnelle de l'avion, sa 25 disponibilité et la maintenance dont il fait l'objet, et ce à court, moyen ou long terme. On a proposé des solutions pour faire face à ces risques. On a ainsi envisagé de choisir de façon adaptée l'emplacement des équipements à bord des avions pour favoriser leur refroidissement naturel ou leur 30 offrir une protection vis-à-vis des radiations. On a proposé des systèmes de refroidissement des composants et des équipements qui favorisent la conduction ou la convection thermique ou encore qui mettent en oeuvre des ventilateurs ou des boucles de fluide. On a envisagé l'utilisation de composants dits « durcis » vis-à-vis des 35 radiations ou encore le choix d'architectures tolérantes à leur égard, par exemple par triplication des composants et des équipements. Enfin, on a proposé des contrôles de parité (par exemple par une vérification 2962979 -3- en redondance verticale ou vertical redundancy check), des contrôles par votes, des contrôles par chiens de garde (ou watch dog) au moyen de bascules de temporisation monostables, ou encore des codes correcteurs. Il s'agit par exemple d'un code correcteur linéaire de Hamming ou le code de Reed Solomon 5 qui est basé sur les corps de Galois. Ils constituent des solutions logicielles pour prendre en compte des effets des radiations sur les composants et les équipements. Toutefois, toutes les solutions sont complexes à mettre en oeuvre, elles sont basées sur des systèmes actifs et sont contraignantes dans le cadre de la 10 conception d'un avion. De plus, chacune ne vise à résoudre que l'un des deux problèmes, à savoir le problème de la surchauffe ou le problème des radiations. Un but de l'invention est de résoudre ces deux problèmes à la fois au moyen d'une solution facile à mettre en oeuvre. A cet effet, on prévoit selon l'invention un aéronef qui comprend un 15 équipement électrique et/ou électronique comportant au moins une couche comprenant une cire de type paraffine. Les cires de type paraffine sont celles appartenant à la famille des cires de paraffine. Une telle cire effectue un contrôle passif de l'environnement thermique et radiatif de l'équipement et apporte donc une solution de protection 20 particulièrement efficace et performante à bord de l'aéronef. Elle absorbe la chaleur excédentaire éventuellement dégagée par un composant ou un équipement. D'une manière générale, la température de fusion des cires de type paraffine est comprise généralement entre 45°C et 70°C environ suivant leur composition chimique. Cependant, certaines vont au-delà, comme par 25 exemple la cire de paraffine de type microcristalline qui contient des composés à haute masse moléculaire (i.e des hydrocarbures à branches iso-paraffiniques et des hydrocarbures naphthéniques) et possède une température de fusion de l'ordre de 90°C. La chaleur spécifique des cires de paraffine est environ comprise entre 2100 et 2900 J.kg-1.K-1 et leur enthalpie de fusion (AHf) est de l'ordre de 30 200-220 kJ.kg-1. Aussi les cires de type paraffine constituent d'excellents matériaux pour stocker de la chaleur. Elle forme aussi un écran contre les radiations, notamment aux neutrons, en raison de la forte hydrogénation des chaînes hydrocarbonées de la cire. Comme ces cires sont des matériaux très hydrogénés (comme le polyéthylène, ...), elles 35 sont utilisées comme modérateur de neutrons. En effet, la perte d'énergie par les neutrons est maximale lorsqu'ils traversent un noyau qui a une masse voisine, ce 2962979 -4- qui est le cas dans les matériaux très hydrogénés. Dans ce cas, la réaction est élastique, l'énergie cinétique étant conservée et le transfert d'énergie étant maximal quand les masses des particules sont identiques. Les cires de type paraffine se comportent donc comme des ralentisseurs de neutrons. 5 La cire de type paraffine peut également être mélangée à des additifs permettant de modifier le point de fusion de la couche et/ou d'améliorer la protection vis-à-vis des neutrons. Ces additifs peuvent notamment comprendre des cires végétales, animales ou de synthèse. Par exemple, les additifs comprennent une cire de silicone, une cire d'abeille, une cire de carnauba ou 10 encore une cire de jojoba. D'autres additifs peuvent également être utilisés, par exemple la stéarine. En variante, la couche est constituée de la cire de type paraffine. L'invention permet de faire face en même temps aux risques de surchauffe et aux risques liés aux radiations alors qu'ils sont issus de phénomènes physiques 15 indépendants. Elle présente l'avantage d'être simple et fiable car elle est passive. Ainsi, l'invention constitue la mutualisation d'une solution technologique passive qui résout les risques liés à la surchauffe en même temps que ceux liés aux radiations. Elle conduit à améliorer significativement les performances, la durée de vie et la facilité de maintenance de l'aéronef. 20 Grâce à l'invention, on réduit les contraintes pouvant peser sur l'installation et la localisation des équipements à bord de l'avion, ce qui permet d'optimiser celles-ci. L'invention permet de simplifier, voire de supprimer, certains systèmes de refroidissement, ce qui entraîne notamment un gain de masse et de temps d'installation. L'invention permet de simplifier, voire de supprimer, certaines 25 solutions logicielles destinées initialement à pallier aux effets des radiations (par exemple triplication, contrôle de parité, chiens de garde, codes correcteurs, ...). Elle conduit ainsi à des gains de temps en matière de développement de logiciels, spécialement en phases de validation et de vérification. L'invention en outre rend possible d'utiliser des composants « non durcis » ou encore des techniques 30 d'assemblage et d'installation moins exigeantes en termes de tolérance aux radiations. On peut ainsi diminuer les coûts concernés et mieux gérer l'obsolescence des composants faisant partie des équipements. Enfin, l'invention permet de diminuer les tâches de maintenance, en particulier leur coût opérationnel. 35 De préférence, la cire est une cire de paraffine de formule CnH2n+2. Ces paraffines saturées sont constituées de molécules d'hydrocarbures saturées appartenant au groupe des alcanes. Ces alcanes peuvent avoir des 2962979 -5- chaines linéaires ou ramifiées. Elles sont très facilement accessibles dans le commerce et leur coût est relativement faible. Suivant la molécule, les paraffines saturées peuvent être à température ambiante à l'état : 5 - solide quand n est compris environ entre 20 et 40 : la paraffine se présente alors sous forme de cire de paraffine; - liquide quand n est compris environ entre 8 et 19. Les principales caractéristiques physiques de telles cires de paraffine sont les suivantes : 10 - couleur blanche relativement transparente, sans odeur, ni goût; - insoluble dans l'eau, l'éthanol, ... - masse volumique comprise entre 870 et 930 kg/m3; - excellent isolant électrique (de résistivité comprise environ entre 1013 et 1017 ohm.mètre); 15 - point éclair compris environ entre 200 et 300°C; - température d'ébullition comprise entre 350 et 430°C; et - viscosité cinématique comprise entre 3 et 7 cSt à 100°C. Avantageusement, la cire est une cire de paraffine de formule CnHmXp dans laquelle X désigne l'ensemble des atomes différents de C et H et m>p. 20 Certaines cires de type paraffine peuvent comprendre un ou plusieurs groupes de substitution remplaçant un ou plusieurs hydrogènes de la cire de paraffine saturée. C'est le cas, par exemple, des cires de paraffine halogènée, par exemple chlorée. D'autres groupes de substitution peuvent également être envisagés afin de modifier le point de fusion de la couche et/ou d'améliorer la 25 protection vis-à-vis des radiations. Avantageusement, la couche est en contact direct avec au moins un composant électrique et/ou électronique de l'équipement. Ainsi, on dispose l'écran de protection au plus près du ou des éléments à protéger, ce qui augmente l'efficacité de la protection sans utiliser une quantité 30 excessive de cire. Avantageusement, l'équipement comprend un circuit portant des composants électriques et/ou électroniques, On peut prévoir que la couche est en contact direct avec les composants électriques et/ou électroniques du circuit. 35 Avantageusement, au moins l'un des composants est recouvert par la couche ou l'une des couches, au moins un autre des composants n'étant pas recouvert 2962979 -6 par la ou les couches. Ainsi, on ne met en place l'écran de protection que sur les composants qui le nécessitent, ce qui permet de réaliser une économie de cire et de ne pas augmenter en excès le poids et le volume de l'équipement. 5 Avantageusement, la couche ou l'une des couches recouvre un seul des composants indépendamment des autres composants. On peut alors prévoir que les couches de l'équipement sont au moins au nombre de deux et recouvrent chacune un seul respectif des composants indépendamment des autres composants. 10 On peut prévoir que la couche recouvre plusieurs des composants indépendamment des autres composants. Dans un mode de réalisation, l'équipement comprend un boîtier présentant une enceinte recevant au moins un circuit électrique et/ou électronique, la couche s'étendant dans l'enceinte. 15 Dans un autre mode de réalisation, l'équipement comprend un boîtier, la couche s'étendant à l'extérieur du boîtier. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront encore dans la description suivante de plusieurs modes de réalisation donnés à titre d'exemples non limitatifs en référence aux dessins annexés sur lesquels : 20 - la figure 1 est une vue en perspective d'un avion selon l'invention ; et - les figures 2 à 6 sont cinq vues en perspective de circuits d'équipements montés à bord de l'avion de la figure 1 et illustrant plusieurs modes de réalisation de l'invention. On a illustré à la figure 1 un aéronef selon l'invention. Il s'agit dans le présent 25 exemple d'un aérodyne et en l'espèce d'un avion 2. L'avion comprend un fuselage 4, deux ailes 6, un empennage 8 et des réacteurs 10 ici au nombre de deux et fixés aux ailes respectives. Il s'agit d'un avion destiné au transport de marchandises et/ou d'une ou plusieurs personnes. A l'avant du fuselage 4 se trouve un poste de pilotage 12 destiné à être occupé par au moins un pilote. 30 L'avion 2 comprend de nombreux équipements et dispositifs électriques et/ou électroniques embarqués, pour certains à demeure, à bord de l'avion, et formant des équipements de bord. Parmi ceux-ci, on peut citer des calculateurs, des dispositifs d'électronique de puissance, des circuits d'asservissement, des transformateurs ou des convertisseurs de courant ou de tension, etc. 35 Nous allons décrire, à l'appui des figures 2 à 6, différentes configurations de ces équipements embarqués dans l'avion 2 et mettant chacune en oeuvre l'invention dans un mode de réalisation. 2962979 -7- En référence à la figure 2, l'équipement 14 comprend un circuit 16 tel qu'un circuit imprimé. Ce dernier comprend une carte de forme plate rectangulaire en plan et des composants électriques et/ou électroniques 18 portés par la carte. Les composants 18 sont fixés sur une même face 20 de la carte en étant alimentés en 5 courant et/ou connectés les uns aux autres par le circuit de façon adaptée. Ces composants sont de natures diverses. Il s'agit par exemple de résistances, de bobinages, de condensateurs, de relais, de microprocesseurs, de mémoires, d'horloges, de transistors, etc, tout ou partie d'entre eux étant à semi-conducteurs. Certains de ces composants 18 sont identiques entre eux tandis que d'autres sont 10 différents les uns des autres dans leurs fonctions, leur nature, leur volume et leur agencement. Le circuit 16 forme en l'espèce un circuit électronique. Dans ce mode de réalisation, l'équipement comprend des couches de cire 22 recouvrant certains seulement des composants. Il y a en l'espèce quatre couches distinctes 22 distantes les unes des autres et recouvrant chacune quatre 15 composants respectifs de sorte que chaque couche recouvre un seul des composants. En même temps qu'elle recouvre un composant, chaque couche est en contact direct à la fois avec le composant et la zone de la face 20 du circuit qui l'environne. En l'espèce, chacun des composants recouverts par une couche est noyé dans la cire de sorte qu'aucune face externe du composant n'est exempte 20 de cire, mise à part celle qui fait face à la face 20 du circuit. Les composants 18, autres que les quatre associés à une couche, ne sont donc pas recouverts par la cire et sont en contact avec l'air environnant. Les composants recouverts par la cire sont ceux qui ont été identifiés comme ceux formant les plus fortes sources de chaleur et/ou encore comme ceux les 25 plus sensibles aux radiations, notamment aux radiations liées aux neutrons. Bien qu'on ait décrit cet agencement comme comprenant quatre couches recouvrant indépendamment les unes des autres quatre composants respectifs, on peut aussi considérer qu'il s'agit de quatre portions disjointes d'une même couche. 30 La cire est en l'espèce une paraffine saturée de formule C25H52. Pour chaque composant concerné, la couche forme un écran de protection contre les radiations et absorbe la chaleur éventuelle dégagée par le composant. Un autre mode de réalisation d'un équipement 14 est illustré à la figure 3. Dans ce mode comme dans les suivants, les caractéristiques qui sont communes 35 avec le mode de réalisation de la figure 2 ne sont pas à nouveau décrites. L'équipement 14 comprend à nouveau plusieurs couches de cire 22, ici au nombre de trois. Toutefois, chacune de ces couches recouvre en propre plusieurs 2962979 -8- composants 18 à la fois. La couche forme donc un écran de protection commun pour les composants du groupe ainsi recouverts. Sur la figure, la couche 22 la plus à gauche recouvre cinq composants, la couche médiane recouvre neuf autres composants tandis que la couche la plus à droite recouvre deux autres 5 composants. Les couches sont distinctes les unes des autres et éloignées les unes des autres. Par ailleurs, le circuit 14 comprend, comme précédemment, des composants qui ne sont recouverts par aucune de ces trois couches. Dans le mode de réalisation de la figure 4, l'équipement porte une unique couche de cire 22 qui recouvre cette fois l'intégralité de la face 20 du circuit 16. 10 Toute la face 20 ainsi que tous les composants 18 qu'elle porte sont donc noyés dans cette couche. La couche présente une face supérieure dont la superficie est sensiblement égale à la superficie de la face 20. Dans le mode de réalisation de la figure 5, l'équipement 14 comprend un boîtier 24 en forme générale de parallélépipède rectangle qui définit une enceinte 15 de même forme dans laquelle est logé tout entier le circuit 14 avec ses composants 18. La paroi supérieure du boîtier, formant par exemple un couvercle, a été ôtée sur la figure pour laisser voir le circuit. L'équipement comporte une couche unique de cire 22 qui s'étend contre la face externe de cette paroi, à l'extérieur du boîtier. La couche 22 recouvre toute la superficie du couvercle. La 20 couche 22 n'est pas en contact avec le circuit 16 ni donc avec sa carte et ses composants 18. On peut prévoir en variante que la couche de cire recouvre non seulement le couvercle mais les quatre parois latérales du boitier. Elle couvre ainsi cinq faces du boîtier, sauf la face inférieure qui est celle qui jouxte la surface du support du 25 boîtier. Enfin, dans le mode de réalisation de la figure 6, on retrouve le boîtier 24 dans lequel est logé en l'espèce au sein de la même enceinte non pas un mais deux circuits 16 portant chacun des composants 18. Les deux circuits se trouvent en l'espèce l'un au dessus de l'autre. Cette fois, tout le volume de l'enceinte laissé 30 libre par les deux circuits 16 est rempli de cire. Cette dernière s'étend donc notamment en dessous du circuit inférieur, entre les deux circuits superposés et au-dessus du circuit supérieur. Les circuits, avec leurs composés 18, sont donc intégralement noyés dans la cire. Le couvercle, qui a été ôté sur la figure, obture cette enceinte. On peut prévoir en variante d'augmenter le nombre de circuits 35 dans l'enceinte et noyés dans la cire. Dans chacun de ces modes de réalisation, la cire permet de capter la chaleur éventuellement dégagée par l'élément qu'elle recouvre directement ou à distance, 2962979 -9- notamment le ou les composés ou encore le ou les circuits. Elle permet donc de les protéger à l'égard d'un risque de surchauffe. La cire forme également un écran de protection à l'égard des radiations. On pourra choisir l'un ou l'autre de ces modes de réalisation ou un autre 5 encore en fonction de l'environnement thermique à prendre en compte. Cet environnement comprend notamment la puissance thermique susceptible d'être émise par les sources (processeurs, composants de puissance, ...), la température et les durées d'échauffement maximales admissibles pour les composants et les équipements concernés, ou encore l'existence d'un 10 refroidissement naturel via une conduction ou une convection. On considère aussi l'environnement radiatif, à savoir le type de radiations rencontrées aux altitudes auxquelles l'avion va voler (il s'agit principalement des radiations dues aux neutrons), les flux de ces radiations, leur durée en fonction du profil de mission de l'avion, etc. 15 On effectue également ce choix en analysant les effets potentiels du risque de surchauffe et des risques liés aux radiations sur les composants et les équipements concernés. On examine en particulier les paramètres liés à leur endommagement éventuel (temporaire ou permanent) tels que la facilité de détection, le caractère critique de cet endommagement, etc. A titre d'illustration 20 non exhaustive, les SEE ont notamment pour cible les SRAM (Static Random Access Memory ou mémoire vive statique), les FPGA (Field Programmable Gate Array ou réseau de portes programmables in situ), les MOSFET (Meta/ Oxide Semiconductor Field Effect Transistor ou transistor à effet de champ à structure métal-oxyde-semiconducteur) et les IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor ou 25 transistor bipolaire à grille isolée). De manière générale, la sensibilité des composants aux SEE augmente lorsqu'on accroit l'utilisation du silicium, l'intégration de ces composants et/ou encore la fréquence d'horloge. Plus généralement, on prend en compte l'environnement thermique et radiatif en termes de température, de chaleur à évacuer, de flux radiatif, de durée, etc.. 30 On tient compte des conséquences de cet environnement sur les composants et les équipements à protéger en termes de fiabilité, de facilité de détection et de reconfiguration. On prend aussi en compte les caractéristiques propres des équipements à protéger telles que masse, dimensions, localisation dans l'avion et exigences d'accessibilité. On pourra donc, selon les cas, privilégier l'une ou l'autre 35 des architectures présentées et notamment la protection de composants isolés (figure 2), la protection de groupes isolés de composants (figure 3), la protection de l'ensemble de la carte électronique (figure 4), la protection sur une ou plusieurs 2962979 -10- parois du boîtier en partie externe (figure 5) ou la protection en partie interne au contact direct du circuit (figure 6). Bien entendu, on pourra apporter à l'invention de nombreuses modifications sans sortir du cadre de celle-ci. 5 On pourra modifier le nombre de couches. Il pourra être inférieur ou supérieur à quatre dans le premier mode, ou à trois dans le deuxième mode. On pourra combiner certains modes de réalisation entre eux, par exemple le premier ou le deuxième mode avec le quatrième mode. REVENDICATIONS1. Aéronef (2) caractérisé en ce qu'il comprend un équipement électrique et/ou électronique (14) comportant au moins une couche comprenant une cire (22) de type paraffine. 2. Aéronef selon la revendication précédente, dans lequel la cire (22) est une cire de paraffine de formule CnH2n+2. 3. Aéronef selon la revendication 1, dans lequel la cire (22) est une cire de paraffine de formule CnHmXp dans laquelle X désigne l'ensemble des atomes différents de C et H et m>p. 4. Aéronef selon au moins l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel la couche (22) est en contact direct avec au moins un composant électrique et/ou électronique (18) de l'équipement. 5. Aéronef selon au moins l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel l'équipement (14) comprend un circuit (16) portant des composants électriques et/ou électroniques, la couche (22) étant de préférence en contact direct avec les composants électriques et/ou électroniques (18) du circuit. 6. Aéronef selon la revendication précédente, dans lequel au moins l'un des composants (18) est recouvert par la couche (22) ou l'une des couches, au moins un autre des composants (18) n'étant pas recouvert par la ou les couches. 7. Aéronef selon au moins l'une quelconque des revendications 5 à 6 dans lequel la couche (22) ou l'une des couches recouvre un seul des composants (18) indépendamment des autres composants, les couches (22) de l'équipement étant de préférence au moins au nombre de deux et recouvrant chacune un seul respectif des composants (18) indépendamment des autres composants. 8. Aéronef selon au moins l'une quelconque des revendications 5 à 7 dans lequel la couche (22) recouvre plusieurs des composants (18) indépendamment des autres composants. 9. Aéronef selon au moins l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel l'équipement comprend un boîtier (24) présentant une enceinte recevant au moins un circuit électrique et/ou électronique (16), la couche (22) s'étendant dans l'enceinte. 10. Aéronef selon au moins l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel l'équipement comprend un boîtier (24), la couche (22) s'étendant à l'extérieur du boîtier.35