Brevet FR3004161A1 — publié le 20141010

VITRAGE POUR AERONEF SPATIAL Arrière plan de l'invention Domaine de l'invention La présente invention concerne les vitrages pour aéronefs spatiaux et en particulier les vitrages pour aéronefs spatiaux du type avion spatial comportant un 5 pare brise et des hublots passagers. On entend par avion spatial, un véhicule capable de se déplacer dans l'atmosphère terrestre à la manière d'un avion, mais également capable de vol spatial suborbital, par exemple à l'aide d'un moteur fusée pouvant lui faire atteindre une altitude d'au moins 100 Km. 10 Arrière plan technologique Par définition, les vitrages pour aéronefs sont destinés à permettre à leur passagers ou membres d'équipage de voir aux alentours de l'aéronef. De ce fait, ces vitrages doivent permettre non seulement de voir, mais ils doivent résister aux mêmes contraintes d'environnement et d'utilisation que les 15 autres parties des aéronefs ; et donc résister à l'avancement dans l'air, assurer le maintien de la pression interne à l'aéronef, résister aux différentes agressions en vol telles que pluie, grêle, oiseaux ou au sol comme les graviers, résister et filtrer les rayonnements, pouvoir être dégivrés, assurer la sécurité des passagers en cas de défaillances, etc.... . 20 II existe une grande quantité de données et une grande expérience quant aux vitrages pour avion civils ou militaires. Usuellement, on distingue pour les avions deux types de vitrage : - les vitrages pour pare-brises et poste de pilotage, - les vitrages pour passagers ( hublots). Les premiers, du fait de leur position sur l'avant de l'aéronef étant soumis à des agressions plus fortes. Il est connu de réaliser des pare-brises en plusieurs couches comme décrit par exemple dans les documents US2010/0020381 A1, US2010/0163676 A1, EP 5 0 322 776 A2. Les vitrages de pare brises aéronautiques présentent généralement une structure multicouche qui alterne par exemple des couches en verre, en acrylique ou en polycarbonate avec des couches vinyle. Ils sont assemblés par un dispositif périphérique. 10 Un exemple connu de vitrage de pare brise pour des avions de ligne tels que les avions Airbus A300, A320, A340 comporte 3 couches de verre de sécurité, des intercalaires vinyle pour séparer les couches de verre, des intercalaires uréthane pour coller les intercalaires vinyle aux couches de verre et des moyens de dégivrage et anti buée. 15 La plupart des assemblages de vitrages pare-brise connus sont ainsi basés sur un multi-pli comportant des intercalaires solides entre des couches de verre sécurité ou de matériau acrylique. L'inconvénient de ces structures multi-pli est qu'elles ne comportent pas de zone de rupture de conduction de la chaleur comme une lame d'air ou de vide 20 peuvent le faire. Globalement ces structures constituent des parois conductrices de chaleur. Pour les fenêtres passagers appelés notamment hublots, il est connu de réaliser un vitrage résistant à la pression cabine en assemblant deux lames de verre ou de matériau acrylique maintenues écartées par un joint périphérique pour 25 réaliser une lame d'air et d'ajouter une troisième lame acrylique ou autre plastique transparent côté intérieur pour faire écran thermique et éviter que les passager ne touchent à la fenêtre. Dans un tel montage, un petit trou dans la lame de verre interne met en communication la lame d'air avec l'intérieur de l'aéronef de sorte que seule la lame 30 de verre ou acrylique externe subit les différentiels de pression, la lame de verre interne étant une lame assurant une redondance en cas de rupture de la lame externe. 3004 1 6 1 3 Du fait de la présence d'une lame d'air entre deux lames de verre ou équivalent, ces structures offrent une meilleure isolation thermique que les structures multi pli. Les véhicules spatiaux rencontrent des conditions d'environnement 5 différentes de celle des avions ; en particulier les véhicules spatiaux destinés à un retour sur terre sont soumis à des échauffement très important que ne connaissent pas les avions même supersoniques. Par ailleurs, dans l'espace, les rayonnements sont plus intenses, dans toutes les gammes du spectre électromagnétique. De plus, la température 10 extérieure peut être très froide ou très chaude. Plus exactement, les parois peuvent être très chaudes + 150°C) ou très froides- 150°C si elles sont soumises au rayonnement du soleil ou pas. De ce fait, la conception de ces vitrages doit comporter une parois extérieure très réfractaire, et l'ensemble du vitrage doit être un bon isolant 15 thermique. En outre en vol spatial un aéronef peut rencontrer des micro météorites. Pour les capsules spatiales du programme Apollo, les hublots comportaient une lame externe épaisse silice et deux lames internes alumine/silicate. La lame externe avait pour fonction de résister aux impacts et à la chaleur 20 lors du retour sur terre, et les lames internes à la pression, l'espace entre la lame externe et la première lame interne étant soumis au vide lors de la phase orbitale alors que l'espace entre les lames internes était rempli d'azote sec sous pression. La navette spatiale de la NASA comportait des vitrages à trois lames également. Les vitrages frontaux étaient pourvus d'une lame externe de résistance 25 thermique d'environ 16 mm d'épaisseur, fixée à la structure du fuselage de la navette, une lame intermédiaire de redondance en cas de rupture de la lame interne d'environ 33 mm d'épaisseur et une lame interne de résistance à la pression d'épaisseur de l'ordre de 16 mm. La lame intermédiaire et la lame interne sont assemblées ensemble avec un joint non pas sur le fuselage de la navette, 30 mais sur le compartiment étanche destiné à l'équipage. La lame centrale et la lame externe sont réalisées en verre de silice fondu. Le choix des matériaux pour un vitrage d'aéronef spatial est crucial, comme l'est le choix des matériaux pour toute structure d'un aéronef. Il faut rechercher l'efficacité technique avec la masse la plus faible possible. Il est donc fondamental de choisir les matériaux en fonction des besoins 5 spécifique du véhicule que l'on veut construire. Ainsi, la lame externe d'un vitrage pour véhicule spatial destiné au retour sur terre depuis une orbite terrestre ou au delà devra être réalisée en Silice refondue, très réfractaire mais de densité 2,6, la densité étant de 2,5 pour les verres en général, alors qu'un polycarbonate plus résistant au choc a une densité 10 de 1,1. Brève description de l'invention La présente invention a donc pour objectif de définir un système de vitrage optimisé pour un aéronef de type avion spatial, qui a successivement un fonctionnement d'avion classique subsonique, et est donc soumis à toutes les 15 exigences d'un avion civil classique, en particulier de part sa certification, et un fonctionnement de véhicule spatial, donc soumis au vide et à la rentrée atmosphérique avec de nouvelles exigences dues aussi à la certification. Les contraintes identifiées pour la conception des pare-brises/hublots d'aéronefs tels que des avions spatiaux réalisant des vols suborbitaux sont : 20 - la protection contre l'échauffement cinétique durant la rentrée atmosphérique, avec toutefois un échauffement cinétique moindre en vol suborbital par rapport aux véhicules orbitaux - la protection contre les micro-impacts lors des phases balistiques, à la fois sur le pare-brise et les hublots et les impacts de type aéronautiques pour 25 les pare-brises lors des phases de vol aéronautique. En effet, un avion spatial est plus exposé qu'une capsule portée par une fusée du fait qu'il réalise des vols atmosphériques plus longs et à l'horizontale et du fait qu'il se pose et décolle au sol. Le vitrage de l'invention a en outre pour contrainte de constituer un isolant 30 thermique. Il doit en outre absorber les rayons solaires et les rayons X et être résistant aux micro-débris spatiaux à haute vélocité. Il doit protéger les passagers contre les rayonnements solaires lors de la phase de vol hors de l'atmosphère (besoin spatial). Ce vitrage doit bien entendu maintenir le différentiel de pression entre la cabine et le milieu atmosphérique tant en vol aéronautique qu'en vol spatial, garantir la sauvegarde du véhicule en cas de rupture intempestive du panneau supportant la pression cabine et assurer la redondance du panneau de pression pour répondre aux exigences de certification de l'aviation civile. Une protection des hublots contre les agressions internes en provenance des passagers doit être prévue de même que les vitrages doivent assurer une vision claire à l'extérieur du véhicule durant toutes les phases de vol pour le pilote, besoin aéronautique, et pour les passagers ; dans le cadre d'un vol spatial avec passagers, non seulement le pare brise mais aussi les hublots latéraux doivent être pourvus de dispositifs de dégivrage sur toutes les couches du vitrage. Enfin, la conception du système doit être optimisée en termes de masse, comme pour tout véhicule volant ; mais cette exigence est d'autant plus forte qu'il s'agit ici d'un avion spatial. Enfin le vitrage doit être certifié en tant que vitrage d'aéronef aérien et spatial. Pour ce faire la présente invention propose un vitrage certifié, pour aéronef adapté à un vol suborbital et un vol aéronautique, qui comporte un panneau externe en matière plastique de type Polycarbonate ou aluminosilicate apte à résister aux chocs et à un faible échauffement thermique, un panneau principal de tenue en pression, dimensionné selon les coefficients de sécurité standard avion et un panneau interne, de redondance du panneau principal, dimensionné à marge minimale, les panneaux externe, principal et interne de redondance étant séparés les uns des autres par des espaces. Selon un premier mode de réalisation du panneau principal et du panneau de redondance, l'espace entre le panneau principal et le panneau interne de redondance contient de l'air sec, ou de l'azote pour éviter les condensations dues au froid ambiant. Selon un second mode de réalisation du panneau principal et du panneau 30 de redondance, l'espace entre le panneau principal et le panneau interne de redondance est mis sous vide. Selon un premier mode de réalisation des panneaux externe et principal, l'espace entre le panneau externe et le panneau principal est rempli d'une couche d'air de séparation. Selon un deuxième mode de réalisation des panneaux externe et principal, l'espace entre le panneau externe et le panneau principal est sous vide. Selon un troisième mode de réalisation des panneaux externe et principal, le panneau externe comporte au moins un perçage d'équilibrage de pression entre 5 sa face externe et sa face interne. Ce mode de réalisation particulièrement avantageux supprime totalement les contraintes de pression sur le panneau externe qui n'a ainsi qu'à remplir ses fonctions de protection aux impacts et de barrière thermique. Avantageusement le panneau principal est réalisé en matériau acrylique 10 étiré, selon la norme américaine mil-prf-25690. Dans le cas où le vitrage forme un hublot passager, un panneau supplémentaire fin de protection passagers est ajouté pour protéger les panneaux fonctionnels du vitrage. Le vitrage de l'invention comporte avantageusement un ou plusieurs films 15 de protection aux rayonnements solaires sur le panneau principal. Il comporte avantageusement au moins un film chauffant dégivrant sur la face interne du panneau externe et préférablement au moins un film chauffant dégivrant (10) sur la face externe du panneau principal. Il comporte avantageusement un film chauffant antibuée sur le panneau 20 interne. Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront apparents à la lecture de la description qui suit d'exemples de réalisation non limitatifs de l'invention en référence aux dessins qui représentent: 25 en figure 1: un vitrage de l'invention monté dans une fixation à serrage; en figure 2 : un vitrage de l'invention monté dans un assemblage en deux parties ; Description détaillée de modes de réalisation de l'invention L'invention est décrite en figure 1 dans le cadre d'un vitrage assemblé dans 30 un encadrement de type connu adapté à être fixé par serrage, l'encadrement comportant des cales 100, 101, 103, les cales 101, 103 définissant des espaces 5, 6 entre les panneaux du vitrage, un joint anti humidité 105, une plaque de maintien 104 en Z. Selon l'invention, le vitrage comprend un panneau externe 1, aussi appelé lame externe, qui doit résister principalement aux contraintes de tenue aux impacts et isolation thermique en rentrée atmosphérique. Les impacts comprennent les impacts définis dans le domaine aéronautique 5 et notamment les oiseaux mais aussi les impacts qui peuvent être dus à des objets tels que débris spatiaux en phase de vol suborbital. Contrairement à un avion atmosphérique, les hublots passagers doivent être conçus avec la même résistance que les vitrages de pare-brise du fait que des débris spatiaux de haute vélocité peuvent frapper l'aéronef sous des angles 10 quelconques. Pour le panneau externe, commun aux vitrages de pare brise et aux hublots, qui assure la protection contre les échauffements thermiques de rentrée atmosphérique et contre les impacts, le matériau préféré est un polycarbonate de type Lexan qui a une bonne résistance aux chocs et en température. Ses surfaces 15 interne et externes doivent être protégées l'une de l'ambiance externe et l'autre de l'ambiance interne et le panneau externe sera recouvert de couches de protection ou traitements de surface connus dans la technique de fabrication des panneaux polycarbonates, par exemple traitement de surface anti UV ou autre. Ce panneau externe, qui n'est pas doublé, est isolé vis-à-vis des autres 20 panneaux par la présence d'une couche d'air ou un vide de séparation, cette couche pouvant être toutefois en communication avec l'extérieur de l'aéronef par un ou plusieurs perçages 7 d'équilibrage de pression de dimension réduite. Côté intérieur, le vitrage de l'invention comporte un premier panneau interne, appelé panneau principal 2. 25 Selon l'invention un espace est réalisé entre le panneau externe 1 et le panneau principal 2. Cet espace est créé au moyen d'un joint périphérique 101 dans le cas de la figure 1 ou d'un empilage d'un élément de cadre 106 et de joints 101, 109. Ceci est contraire à la technique des vitrages tels qu'utilisés pour les avions 30 atmosphériques où l'espace entre les lames est rempli d'un matériau tel qu'une couche vinyle. Selon l'invention le rôle de tenue à la pression est dévolu au deuxième panneau ou panneau principal 2. L'épaisseur et le matériau de ce panneau principal sont conformes aux coefficients de sécurité standard de l'aviation pour la tenue en pression et le panneau est préférentiellement en matériau acrylique. La tenue du vitrage en cas d'avarie du panneau principal est assurée par l'ajout d'un second panneau interne 3 dimensionné à marge de conception plus 5 faible par rapport à la pression à supporter. L'isolation thermique en vol en dehors de la rentrée atmosphérique est réalisée par une lame d'air entre les deux panneaux de tenue à la pression. Pour que le panneau interne assure sa fonction de redondance, Il faut que cet espace soit scellé, avec un gaz à une pression équivalente à celle à l'intérieur 10 du véhicule (0,8 bar). Mais il faut prévoir un dispositif de maintenance pour maintenir cette pression pour tous les vols ; c'est différent des solutions spatiales, où il n'y a que peu de vols séparés par de longues périodes. Le panneau principal et le panneau de redondance adaptés à supporter la pression interne cabine sont réalisés en matériau acrylique. L'utilisation de 15 panneaux en matériau acrylique est optimale en masse et le matériau permet par ailleurs de filtrer au moins une partie des rayons X tout en assurant une bonne clarté. Dans le cas des hublots, une protection contre les agressions internes par les passagers est réalisée par l'ajout d'un panneau 4 de très faible épaisseur de 20 protection du hublot représenté à la figure 2. Selon cette figure 2, la fixation des lames est différente de celle de la figure 1 puisque le second panneau interne est monté à part alors que les panneaux externe et principal sont montés entre un cadre 106 fixé sur le fuselage 108 par un dispositif de bridage 107 tandis qu'un encadrement 111 entourant le hublot 25 renforce ledit fuselage 108 autour du trou recevant le hublot. La protection aux rayonnements solaires est complétée par l'ajout d'un film de protection solaire 8 qui est selon l'exemple réalisé sur la face interne du panneau principal 2. De même la protection contre le givrage est réalisée par des films 30 chauffants dégivrants 9, 10 sur la face interne du panneau externe et sur la face externe du panneau principal. Ces films sont connectés électriquement par des pistes conductrices telle que la piste 110 de la figure 1. Le vitrage comporte en outre un film ou revêtement antibuée 11, par exemple un film chauffant, sur le panneau interne. Ces revêtements sont par exemple des fins grillages reliés à une source électrique ou un revêtement tel que connu sous la marque NESATRON de la société PPG Industries Inc. Le panneau interne 3 permet également d'améliorer l'isolation thermique 5 moyennant une couche d'air suffisante dans l'espace 5 entre le panneau interne et le panneau principal 2 de reprise des charges de pression. La fixation du pare-brise ou des hublots selon l'invention sur la structure avion se fait suivant les technologies aéronautiques connues qui permettent un démontage rapide des vitrages. 10 L'invention s'applique à un aéronef comportant des éléments de pare brise et des hublots réalisés au moyen du vitrage tel que décrit précédemment L'invention n'est pas limitée aux exemples représenté et notamment le panneau 4 peut être assemblé avec les panneaux 1 à 3 pour réaliser les hublots. REVENDICATIONS1 - Vitrage certifié pour aéronef adapté à un vol suborbital et un vol aéronautique, caractérisé en ce qu'il comporte un panneau externe (1) en Polycarbonate ou Aluminosilicate de tenue en température, un panneau principal (2) de tenue en pression, dimensionné selon les coefficients de sécurité standard avion et un panneau interne (3), de redondance du panneau principal, dimensionné à marge mini de pression, les panneaux externe, principal et interne de redondance étant séparés les uns des autres par des espaces (5, 6). 2 - Vitrage selon la revendication 1 pour lequel l'espace (5) entre le panneau principal et le panneau interne de redondance contient de l'air sec, ou de l'azote. 3 - Vitrage selon la revendication 1 pour lequel l'espace (5) entre le panneau principal et le panneau interne de redondance est mis sous vide. 4 - Vitrage selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 pour lequel l'espace (6) entre le panneau externe et le panneau principal est rempli d'une 15 couche d'air de séparation. 5 - Vitrage selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 pour lequel l'espace (6) entre le panneau externe et le panneau principal est sous vide. 6 - Vitrage selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 pour lequel le panneau externe (1) comporte au moins un perçage (7) d'équilibrage de 20 pression entre sa face externe et sa face interne. 7 - Vitrage selon l'une quelconque des revendications précédentes pour lequel le panneau principal (2) est réalisé en matériau acrylique étiré, selon la norme américaine mil-prf-25690 8 - Vitrage selon l'une quelconque des revendications précédentes 25 formant un hublot passager et comportant un panneau supplémentaire (4) fin de protection passagers. 9 - Vitrage selon l'une quelconque des revendications précédentes comportant un ou plusieurs films (8) de protection aux rayonnements solaires sur le panneau principal. 10 - Vitrage selon l'une quelconque des revendications précédentes comportant au moins un revêtement chauffant dégivrant (9) sur la face interne du panneau externe. 11 - Vitrage selon l'une quelconque des revendications précédentes 5 comportant au moins un revêtement chauffant dégivrant (10) sur la face externe du panneau principal. 12 - Vitrage selon l'une quelconque des revendications précédentes comportant un film chauffant antibuée (11) sur le panneau interne. 13 - Aéronef comportant des éléments de pare brise et des hublots 10 réalisés au moyen du vitrage selon l'une quelconque des revendications précédentes.