Brevet FR3024298A1 — publié le 20160129

DISPOSITIF DE PROTECTION CONTRE LA FOUDRE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention se rapporte au domaine des structures exposées à la foudre et concerne plus particulièrement un dispositif de protection d'une telle structure contre la foudre. L'invention concerne en particulier une éolienne et un aéronef équipés d'un tel dispositif de protection contre la foudre. Le dispositif de protection contre la foudre selon l'invention peut néanmoins être utilisé pour protéger tout autre type de structure susceptible d'être exposée à la foudre. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Les pales des éoliennes de dimensions dites moyennes, c'est à dire présentant une longueur comprise entre 10 mètres à 60 mètres environ, sont en général réalisées à partir d'une structure en matériau composite à base de fibres de verre. La protection d'une pale d'une éolienne de ce type contre la foudre repose conventionnellement sur un système comportant des récepteurs de foudre métalliques affleurant la surface externe de la pale et répartis le long de celle-ci en étant reliés à un câble de descente électriquement conducteur s'étendant à l'intérieur de la pale le long du longeron interne de celle-ci et raccordé à des moyens de liaison à la Terre intégrés au moyeu du rotor de l'éolienne. Ainsi, la foudre s'attache préférentiellement sur les récepteurs de foudre et est canalisée par le câble de descente jusqu'aux moyens de liaison à la Terre. Toutefois, les progrès techniques en matière d'éolienne tendent à favoriser l'utilisation d'éoliennes de grandes dimensions, dont la longueur des pales peut dépasser 80 mètres. 3024298 2 Ces éoliennes constituent des édifices de grande hauteur, dépassant typiquement 200 mètres, pour lesquels il est connu que la foudre se manifeste essentiellement de manière ascendante, c'est à dire à partir de précurseurs circulant depuis l'édifice vers le nuage. 5 De plus, pour garantir la tenue mécanique des pales de telles éoliennes, la structure de ces pales intègre des matériaux composites à base de fibres de carbone, appréciées pour leurs propriétés mécaniques plus avantageuses que les fibres de verre. Or, les fibres de carbone présentent notamment une conductivité électrique considérablement supérieure à celle des fibres de verre. La conductivité 10 électrique d'un matériau composite à base de fibres de carbone demeure néanmoins considérablement inférieure à celle d'un matériau métallique, et en tout état de cause trop faible pour être en mesure de disperser le courant électrique induit par un impact de foudre sans que la structure ne soit endommagée au-delà d'un niveau acceptable. Il en résulte un risque de compétition entre les récepteurs de foudre et 15 les régions de la pale comprenant des fibres de carbone, ainsi qu'un risque d'arc électrique à l'intérieur de la pale entre les régions comprenant des fibres de carbone et le câble de descente. Un tel arc électrique à l'intérieur de la pale est susceptible de provoquer l'explosion de la pale. De plus, les pales des éoliennes perturbent les faisceaux RADAR utilisés 20 par les systèmes RADAR civils et militaires au point d'entraver le fonctionnement de ces systèmes. Il est donc souhaitable de réduire la signature RADAR des pales d'éoliennes. EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, économique et efficace à ces problèmes. 25 Elle propose à cet effet un dispositif de protection contre la foudre destiné à former au moins une partie d'une surface externe d'une structure à protéger, comprenant un plan de masse, un substrat diélectrique agencé sur le plan de masse, et un ensemble d'éléments métalliques agencés sur le substrat diélectrique et s'étendant de manière sensiblement parallèle au plan de masse, de sorte que tout couple d'éléments 3024298 3 consécutifs parmi lesdits éléments métalliques est séparé d'une distance comprise entre 0.01 millimètre et 10 millimètres, lesdits éléments métalliques étant répartis en des motifs semblables juxtaposés, chacun desdits motifs comportant des éléments métalliques de dimensions différentes correspondant respectivement à des fréquences 5 de résonance électromagnétique différentes dont la juxtaposition définit une bande d'absorption électromagnétique du motif. Le dispositif de protection contre la foudre selon l'invention permet un glissement de la foudre de proche en proche sur les éléments métalliques, en particulier du fait du faible écartement entre ces éléments métalliques. La foudre peut ainsi être 10 déviée jusqu'à un dispositif récepteur adapté, sans endommager la structure à protéger. De plus, la configuration du dispositif de protection contre la foudre lui confère des propriétés d'absorption vis-à-vis des ondes électromagnétiques dans une bande de fréquence déterminée par les dimensions des éléments métalliques. Ces dimensions sont de préférence choisies pour permettre l'absorption d'ondes RADAR, 15 typiquement autour de 5,6 GHz. Le dispositif de protection contre la foudre permet ainsi de réduire la signature RADAR de la structure à protéger. Ces propriétés d'absorption électromagnétique sont obtenues au moyen d'éléments surfaciques ou sensiblement surfaciques, comme cela apparaîtra plus 20 clairement dans ce qui suit. De ce fait, ces éléments n'induisent aucun risque d'arc électrique au sein de la structure à protéger. De préférence, tout couple d'éléments consécutifs parmi lesdits éléments métalliques d'un même motif est séparé d'une distance comprise entre 0,3 millimètre et 3 millimètres. 25 De préférence, le dispositif comprend en outre une grille métallique formée d'un entrecroisement de pistes métalliques agencées sur le substrat diélectrique entre lesdits éléments métalliques. De préférence, lesdites pistes métalliques s'étendent entre lesdits motifs. 3024298 4 L'invention concerne également une pale pour éolienne, comprenant une peau extérieure aérodynamique intégrant au moins un dispositif du type décrit ci-dessus, dont ledit plan de masse est situé d'un côté intérieur de la pale tandis que ledit ensemble d'éléments métalliques est situé d'un côté extérieur de la pale. 5 L'invention concerne également une éolienne comprenant au moins une pale du type décrit ci-dessus. De préférence, ladite peau extérieure de ladite pale intègre au moins un dispositif du type décrit ci-dessus, dont ladite grille métallique est raccordée à des moyens de liaison à la Terre. 10 L'invention concerne également un aéronef comprenant une peau extérieure aérodynamique intégrant au moins un dispositif du type décrit ci-dessus, dont ledit plan de masse est situé d'un côté intérieur de l'aéronef tandis que ledit ensemble d'éléments métalliques est situé d'un côté extérieur de l'aéronef. De préférence, ledit dispositif relie au moins deux régions de la peau 15 extérieure de l'aéronef formant des points d'entrée et de sortie privilégiés pour la foudre. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS L'invention sera mieux comprise, et d'autres détails, avantages et caractéristiques de celle-ci apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels : 20 la figure 1 est une vue schématique d'une éolienne selon un mode de réalisation préféré de l'invention ; la figure 2 est une vue schématique en coupe transversale d'une pale de l'éolienne de la figure 1; la figure 3 est une vue schématique partielle en coupe d'un dispositif de protection 25 contre la foudre intégré à la peau extérieure de la pale de la figure 2 ; la figure 4 est une vue schématique partielle de dessus du dispositif de la figure 3 ; la figure 5 est une vue schématique d'un aéronef selon un mode de réalisation préféré de l'invention. 3024298 5 Dans l'ensemble de ces figures, des références identiques peuvent désigner des éléments identiques ou analogues. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PRÉFÉRÉS La figure 1 illustre une éolienne 10 comprenant de manière générale un 5 mât 12, une nacelle 14 portée par le mât et logeant un moyeu de rotor 16 supportant des pales 18 et monté à rotation autour d'un axe de rotor 19. Chaque pale 18 comporte une base, par exemple de forme cylindrique, raccordée au moyeu de rotor 16, et se prolongeant en un profil aérodynamique effilé, d'une manière bien connue. La figure 2 illustre grossièrement une pale 18 de l'éolienne 10 en coupe 10 transversale. La pale 18 est globalement formée d'un longeron 20 et d'une peau extérieure aérodynamique 22 solidaire du longeron 20. Le longeron 20 peut bien entendu être réalisé d'une seule pièce ou être formé de plusieurs sections assemblées bout-àbout. De plus, l'invention n'est pas limitée à une pale comportant un unique longeron. Ainsi, la pale 18 peut comporter plusieurs longerons parallèles, par exemple deux 15 longerons. La peau extérieure 22 de la pale intègre un dispositif de protection contre la foudre 30, formé d'un empilement visible sur la figure 3, comprenant un plan de masse 32, d'un substrat diélectrique 34 disposé sur le plan de masse 32, ainsi qu'un ensemble d'éléments métalliques 36 et une grille métallique 38 disposés sur le substrat 20 diélectrique. Le plan de masse 32 est situé du côté intérieur de la pale 22 tandis que l'ensemble d'éléments métalliques 36 est situé du côté extérieur de la pale. Dans l'exemple illustré, le plan de masse 32 prend la forme d'un grillage réalisé en un matériau métallique, tel que du cuivre. La dimension des mailles de ce grillage est de préférence inférieure à 3 mm. Une telle finesse en ce qui concerne le plan 25 de masse 32 permet la réflexion de rayonnements électromagnétiques de fréquence inférieure à 10 Ghz environ. En variante, le plan de masse 32 peut être formé d'une feuille de métal expansé. 3024298 6 Le grillage ou la feuille de métal expansé formant le plan de masse 32 présente par exemple une densité surfacique de 80 g/m2 environ. En variante encore, le plan de masse peut être constitué d'une couche de matériau composite plastique renforcé par des fibres de carbone (CFRP). Le dispositif 5 de protection contre la foudre peut ainsi tirer parti des propriétés de conduction électrique de fibres de carbone éventuellement intégrées à la peau extérieure 22 de la pale d'éolienne, notamment lorsque l'éolienne considérée comprend des pales de grandes dimensions, c'est à dire de longueur supérieure à 60 mètres. Dans tous les cas, le plan de masse présente une structure ajourée qui 10 permet la diffusion de résine au travers de celui-ci, ce qui est avantageux pour la fabrication du dispositif de protection 30 et de la pièce sur laquelle ce dispositif est agencé, comme cela apparaîtra plus clairement dans ce qui suit. Par ailleurs, le substrat diélectrique 34 est par exemple constitué d'une couche de matériau composite plastique renforcé par des fibres de verre (GFRP), par 15 exemple d'épaisseur égale à 1 mm environ. La matrice du matériau composite est par exemple constituée de résine époxy. En outre, la peau extérieure 22 de la pale comporte de préférence une couche relativement épaisse de matériau composite 40, par exemple également du type plastique renforcé par des fibres de verre ou de carbone, sur laquelle est disposé le 20 dispositif de protection contre la foudre 30. Enfin, le dispositif de protection contre la foudre 30 est avantageusement recouvert d'un revêtement de protection tel qu'une couche de peinture 42, d'épaisseur par exemple égale à 300 um environ. Cette couche de peinture est de préférence munie d'ajours (non visibles sur la figure 3) laissant certains des 25 éléments métalliques 36 à découvert de manière à favoriser l'accroche de la foudre sur ces derniers. Les éléments métalliques 36 sont par exemple réalisés en cuivre et prennent par exemple la forme de plaquettes relativement minces, dont l'épaisseur est de préférence comprise entre 15 um et 70 um, et est par exemple égale à 35 um. 3024298 7 Chaque élément métallique 36 peut être de for0.me quelconque, par exemple polygonale ou circulaire, et est de préférence de forme rectangulaire ou carrée. Comme le montre la figure 4, les éléments métalliques 36 sont agencés sous la forme de motifs semblables 44 de forme sensiblement carrée, chaque motif 5 s'étendant dans l'espace correspondant à une maille de la grille métallique 38, en étant centré dans ledit espace. Autrement dit, la grille métallique 38 est formée d'un entrecroisement de pistes métalliques 46 et 48 agencées sur le substrat diélectrique et cheminant entre les motifs 44 formés par des éléments métalliques 36. Chacune des pistes métalliques 46 et 48 présente par exemple une largeur de 1 mm environ. 10 Chaque élément métallique 36 est espacé de chacun de ses voisins d'une distance comprise entre 0,01 mm et 10 mm, comme cela apparaîtra plus clairement dans ce qui suit. Une telle distance est en effet apparue comme optimale pour permettre un glissement de la foudre de proche en proche sur les éléments métalliques 36. La foudre peut ainsi être déviée jusqu'à un dispositif récepteur adapté, sans 15 endommager la peau extérieure 22 de la pale. Dans l'exemple illustré sur les figures, la grille métallique 38 est raccordée électriquement à un dispositif de liaison à la Terre intégré au moyeu de rotor 16 et au mât 12 de l'éolienne (ce dispositif de liaison à la Terre n'étant pas visible sur les figures). De plus, des éléments métalliques 36 situés à une extrémité du dispositif de 20 protection contre la foudre 30 de la pale du côté du moyeu de rotor 16 sont également raccordés électriquement au dispositif de liaison à la Terre. Le dispositif de liaison à la Terre forme ainsi le dispositif récepteur précité, par lequel la foudre peut être canalisée jusqu'à la Terre. Ainsi, lorsque la foudre frappe le dispositif de protection 30, plusieurs 25 canaux de passage du courant électrique peuvent être mis en oeuvre, d'une part au sein de la grille métallique 38 et d'autre part de proche en proche par l'intermédiaire des éléments métalliques 36, jusqu'au dispositif de liaison à la Terre. Au lieu de pénétrer dans la peau extérieure 22 de la pale, la foudre glisse sur le dispositif de protection 30 jusqu'au dispositif de liaison à la Terre. Le risque d'endommagement de la peau extérieure 22 se trouve ainsi réduit. De plus, le dispositif de protection 30 n'inclut aucun élément 3024298 8 conducteur électrique dans le volume interne de la pale, ce qui permet d'éviter les risques d'arcs électriques internes rencontrés dans les pales d'éolienne de l'art antérieur. Par ailleurs, du fait de sa structure, le dispositif de protection contre la foudre 30 procure un effet d'absorption des ondes électromagnétiques dans une bande 5 de fréquence déterminée. En effet, chaque élément métallique 36 agit comme une antenne planaire passive. Ainsi, un élément métallique de forme rectangulaire présente une fréquence de résonance électromagnétique fr qui, au premier ordre, est 10 approximativement égale à : fr = 2V L2 + W2 V prEr où : fr est la fréquence de résonance d'ordre zéro de l'élément métallique 36, cc, est la vitesse de la lumière dans le vide, 15 L est la longueur de l'élément métallique 36, W est la largeur de l'élément métallique 36, yr est la perméabilité relative du substrat diélectrique 34, Er est la permittivité relative du substrat diélectrique 34. Selon un principe de l'invention, les motifs 44 formés d'éléments 20 métalliques 36 comportent chacun des éléments métalliques de dimensions différentes correspondant respectivement à des fréquences de résonance électromagnétique différentes. La juxtaposition de ces fréquences de résonance permet de définir une bande d'absorption électromagnétique élargie du motif. Dans l'exemple particulièrement performant illustré sur la figure 4, 25 chaque motif 44 est de forme générale carrée et est formé de quatre sous-motifs élémentaires 50 régulièrement répartis autour d'un centre C du motif 44 de sorte que le motif 44 soit symétrique par rapport audit centre. Chaque sous-motif élémentaire 50 est ainsi semblable aux autres sous-motifs élémentaires et résulte d'une rotation de 90 co 3024298 9 degrés de chacun des deux sous-motifs élémentaires qui lui sont adjacents au sein du motif 44. Dans chaque motif 44, l'un des sous-motifs élémentaires 50 comporte sept éléments métalliques agencés de la manière suivante, par référence aux directions X 5 et Y de la figure 4 : - un premier élément métallique 36a, de forme carrée, disposé dans le coin du sous-motif élémentaire proche du centre du motif 44, dont la longueur du côté est égale à 5,25 mm ; - un deuxième élément métallique 36b, de forme rectangulaire, s'étendant au droit 10 du premier élément métallique 36a en direction des cotes X croissantes en étant espacé de ce dernier d'une distance égale à 0,6 mm selon la direction X, et ayant pour étendue 10,55 mm selon la direction X et 5,25 mm selon la direction Y ; - un troisième élément métallique 36c, de forme rectangulaire, s'étendant au droit du premier élément métallique 36a en direction des cotes Y croissantes en étant espacé 15 de ce dernier d'une distance égale à 0,6 mm selon la direction Y, et ayant pour étendue 5,25 mm selon la direction X et 10,55 mm selon la direction Y ; - un quatrième élément métallique 36d, de forme carrée, s'étendant au droit du deuxième élément métallique 36b en direction des cotes Y croissantes en étant espacé de ce dernier d'une distance égale à 0,6 mm selon la direction Y et au droit du troisième 20 élément métallique 36c en direction des cotes X croissantes en étant espacé de ce dernier d'une distance égale à 0,6 mm selon la direction X, et dont la longueur du côté est égale à 10,55 mm ; - un cinquième élément métallique 36e, de forme rectangulaire, s'étendant au droit du deuxième élément métallique 36b et du quatrième élément métallique 36d en 25 direction des cotes X croissantes en étant espacé de ces derniers d'une distance égale à 2,4 mm selon la direction X, et ayant pour étendue 10,60 mm selon la direction X et 15,83 mm selon la direction Y ; - un sixième élément métallique 36f, de forme rectangulaire, s'étendant au droit du troisième élément métallique 36c et du quatrième élément métallique 36d en direction 30 des cotes Y croissantes en étant espacé de ces derniers d'une distance égale à 2,4 mm 3024298 10 selon la direction Y, et ayant pour étendue 15,83 mm selon la direction X et 10,60 mm selon la direction Y ; - un septième élément métallique 36g, de forme carrée, s'étendant au droit du cinquième élément métallique 36e en direction des cotes Y croissantes en étant espacé 5 de ce dernier d'une distance égale à 2,4 mm selon la direction Y et au droit du sixième élément métallique 36f en direction des cotes X croissantes en étant espacé de ce dernier d'une distance égale à 2,4 mm selon la direction X, et dont la longueur du côté est égale à 10,60 mm. En outre, le quatrième élément métallique 36d et le septième élément 10 métallique 36g sont espacés de la piste 48 la plus proche appartenant à la grille métallique 38, et parallèle à la direction Y, d'une distance égale à 2,4 mm. De manière analogue, le sixième élément métallique 36f et le septième élément métallique 36g sont espacés de la piste 46 la plus proche appartenant à la grille métallique 38, et parallèle à la direction X, d'une distance égale à 2,4 mm. 15 Les trois autres sous-motifs élémentaires 50 du motif 44 se déduisent du sous-motif élémentaire décrit ci-dessus par rotations successives de ce dernier de 90 degrés dans le sens antihoraire. Les éléments métalliques 36a, 36b et 36e de chaque sous-motif élémentaire sont séparés des éléments métalliques adjacents 36a, 36d et 36f d'un autre 20 sous-motif élémentaire par une distance égale à 0,6 mm. L'agencement des éléments métalliques 36 décrit ci-dessus permet par exemple d'obtenir une atténuation des ondes électromagnétiques supérieure à 20 dB dans une bande de fréquence centrée sur la fréquence de 5,7 GHz environ et de largeur égale à 1 GHz environ. 25 La pale d'éolienne 18 peut être réalisée au moyen d'un procédé comprenant les étapes consistant à : - empiler successivement les fibres du substrat diélectrique 34, le plan de masse 32, et les fibres de la couche de matériau composite 40, sur l'ensemble d'éléments métalliques 36 et la grille métallique 38, puis 30 - infuser de la résine au travers de l'ensemble ainsi formé, puis 3024298 11 polymériser la résine de manière à solidifier l'ensemble, puis appliquer des couches de finition (typiquement de la peinture) sur l'ensemble ainsi constitué. Le caractère ajouré du plan de masse 32 permet ainsi de réaliser le 5 dispositif de protection 30 conjointement avec la couche de matériau composite 40 sur laquelle le dispositif est agencé, d'une manière particulièrement simple. La figure 5 illustre un aéronef 60 dont la peau extérieure du fuselage et de la voilure est recouverte d'un dispositif de protection contre la foudre 61 semblable au dispositif décrit ci-dessus. Ce dispositif s'étend en particulier depuis le nez 62 de 10 l'aéronef, jusqu'aux extrémités 64 des ailes et jusqu'à la pointe arrière 66 de l'aéronef. Ces zones constituent en effet des points d'entrée et de sortie privilégiés pour la foudre. De manière analogue à ce qui est décrit ci-dessus en ce qui concerne l'éolienne 10, le plan de masse 32 est situé du côté intérieur de l'aéronef 60 tandis que l'ensemble d'éléments métalliques 36 est situé du côté extérieur de l'aéronef 60. 15 Le dispositif de protection contre la foudre 61 permet à la foudre 68 de glisser de proche en proche sur les éléments métalliques du dispositif, depuis un point d'entrée privilégié tel que le nez 62 de l'aéronef jusqu'à un point de sortie privilégié tel que la pointe arrière 66 de l'aéronef, sans endommager la structure de l'aéronef, et tout en réduisant la signature RADAR de l'aéronef. 20 REVENDICATIONS1. Dispositif de protection contre la foudre (30, 61) destiné à former au moins une partie d'une surface externe (22) d'une structure (18, 60) à protéger, caractérisé en ce qu'il comprend un plan de masse (32) formé d'un grillage métallique, un substrat diélectrique (34) agencé sur le plan de masse, et un ensemble d'éléments métalliques (36) agencés sur le substrat diélectrique (34) et s'étendant de manière sensiblement parallèle au plan de masse (32), de sorte que tout couple d'éléments consécutifs parmi lesdits éléments métalliques (36) est séparé d'une distance comprise entre 0,01 millimètre et 10 millimètres, lesdits éléments métalliques étant répartis en des motifs semblables (44) juxtaposés, chacun desdits motifs comportant des éléments métalliques de dimensions différentes (36a, 36b, 36c, 36d, 36e, 36f, 36g) correspondant respectivement à des fréquences de résonance électromagnétique différentes dont la juxtaposition définit une bande d'absorption électromagnétique du motif. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel tout couple d'éléments consécutifs parmi lesdits éléments métalliques (36) d'un même motif (44) est séparé d'une distance comprise entre 0,3 millimètre et 3 millimètres. 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre une grille métallique (38) formée d'un entrecroisement de pistes métalliques (46, 48) agencées sur le substrat diélectrique (34) entre lesdits éléments métalliques (36). 4. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel lesdites pistes métalliques (46, 48) s'étendent entre lesdits motifs (44). 5. Pale (18) pour éolienne, comprenant une peau extérieure aérodynamique (22), caractérisée en ce que ladite peau extérieure intègre au moins un dispositif (30) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dont ledit plan de masse 3024298 13 (32) est situé d'un côté intérieur de la pale tandis que ledit ensemble d'éléments métalliques (36) est situé d'un côté extérieur de la pale. 6. Éolienne (10), caractérisée en ce qu'elle comprend au moins une 5 pale (18) selon la revendication précédente. 7. Éolienne selon la revendication précédente, dans laquelle ladite peau extérieure (22) de ladite pale (18) intègre au moins un dispositif (30) selon la revendication 3 ou 4, dont ladite grille métallique (38) est raccordée à des moyens de 10 liaison à la Terre. 8. Aéronef (60), comprenant une peau extérieure aérodynamique, caractérisé en ce que ladite peau extérieure intègre au moins un dispositif (61) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dont ledit plan de masse est situé d'un côté 15 intérieur de l'aéronef tandis que ledit ensemble d'éléments métalliques est situé d'un côté extérieur de l'aéronef. 9. Aéronef selon la revendication précédente, dans lequel ledit dispositif (61) relie au moins deux régions (62, 64, 66) de la peau extérieure de l'aéronef 20 formant des points d'entrée et de sortie privilégiés pour la foudre.