Brevet FR3027244A1 — publié le 20160422

Système de découpe ou de perforation à distance La présente invention concerne un système de découpe ou de perforation à distance. La présente invention se rapporte aussi à un véhicule comportant un tel système et à une utilisation dudit système. Dans les domaines du déminage et de la lutte contre les engins explosifs improvisés (aussi connu sous l'acronyme EEI), le démineur est amené à effectuer différentes opérations sur l'objet à traiter. Par exemple, le démineur effectue de la découpe de fil, de la perforation d'enveloppe ou de la mise en combustion de l'explosif. 10 De telles opérations sont effectuées grâce à des outils conventionnels comme des pinces ou des perceuses. Toutefois, l'emploi de tels outils conventionnels implique que le démineur s'approche suffisamment près de l'objet à traiter. Il est donc souhaitable d'effectuer une telle opération à distance pour améliorer la 15 sécurité du démineur. Pour cela, il est connu d'utiliser des robots qui sont envoyés à la place du démineur, les robots étant commandés par le démineur. Mais, le déploiement d'un robot implique une intendance et un temps importants. De plus, un déclenchement de l'objet à traiter est susceptible de détruire le robot. 20 Il existe donc un besoin pour un système permettant d'effectuer de telles opérations (découpe de fil, perforation d'enveloppe ou mise en combustion de l'explosif) à distance de l'objet qui améliore l'efficacité et la sécurité de l'intervention des démineurs. Pour cela, il est proposé un système de découpe ou de perforation à distance comprenant une source laser propre à émettre une puissance optique supérieure ou 25 égale à 200 W, une unité de refroidissement comprenant une boucle de refroidissement comportant un échangeur, une pompe propre à assurer la circulation d'un fluide de refroidissement dans la boucle de refroidissement et un tampon thermique en contact avec l'échangeur, le tampon étant réalisé en au moins un matériau à changement de phase. 30 Suivant des modes de réalisation particuliers, le système comprend une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles : - l'unité de refroidissement comporte un module Peltier propre à refroidir ledit au moins un matériau à changement de phase du tampon thermique. - le fluide de refroidissement, dont la pompe est propre à assurer la circulation, comprend des billes, chaque bille encapsulant au moins un matériau à changement de phase. - le système comprend au moins une batterie lithium-ion propre à délivrer un courant supérieur à 50 A pour alimenter la source laser. - la source laser est un laser fibré. - le laser fibré comporte un ensemble de diodes laser et une embase sur laquelle les diodes laser sont fixées, l'embase étant en aluminium et présentant une surface extérieure supérieure ou égale à 0,1 mètre carré. - le système comporte une unité de sécurité et un logement propre à accueillir l'unité de sécurité, la source laser fonctionnant uniquement lorsque le logement accueille l'unité de sécurité. Il est également proposé un véhicule muni du système tel que précédemment décrit. Il est aussi proposé une utilisation du système comme précédemment décrit, pour découper un objet à une distance supérieure ou égale à 10 mètres, et pour perforer un objet à une distance supérieure ou égale à 10 mètres. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit de modes de réalisation de l'invention, donnée à titre d'exemple uniquement et en référence aux dessins qui sont : - figure 1, une représentation schématique d'un exemple de système de découpe ou de performation et d'objet à traiter, et - figure 2, une représentation schématique du système de la figure 1. Un système 10 de découpe ou de perforation et un objet 12 à découper sont représentés schématiquement à la figure 1. Le système 10 est propre à déposer de l'énergie lumineuse sur l'objet 12 visé tout en restant à distance de l'objet 12 en question. L'énergie lumineuse permet d'assurer la perforation, la découpe, l'inflammation ou la mise en combustion d'une partie 14 de l'objet 12. Par l'expression « à distance », il est entendu une distance supérieure ou égale à 10 mètres. Généralement, la distance de l'objet 12 par rapport au système 10 est inférieure ou égale à 300 mètres, parfois 200 mètres. Dans le contexte de l'invention, la distance entre l'objet 12 et le système 10 correspond à la portée du système 10. Par définition, la portée est la distance maximale permettant de découper la partie d'objet 12 considérée pour un temps d'exposition donné à l'énergie lumineuse déposée par le système 10. La distance entre le système 10 et l'objet 12 est représentée schématiquement par la flèche 16 sur la figure 1. Selon l'exemple de la figure 1, l'objet 12 est un câble. Les éléments du système 10 sont détaillés en référence à la figure 2. Le système 10 comprend une source laser 20, une unité de refroidissement 22, une alimentation 24, une interface utilisateur 26. L'interface utilisateur 26 comporte une tête optique 28, une unité de sécurité 30 et une interface homme-machine 32. Le système 10 comporte un logement 34 propre à accueillir l'unité de sécurité 30. En l'occurrence, le logement 34 appartient à l'interface homme-machine 32 La source laser 20 est propre à émettre un faisceau optique F présentant une puissance optique supérieure ou égale à 200 Watts (W). Selon l'exemple de la figure 1, la source laser 20 est propre à émettre un faisceau optique F présentant une puissance optique égale à 1 kiloWatt (kW). La source laser 20 étant propre à émettre en continu, une telle source laser 20 est généralement considérée comme un laser de puissance. La source laser 20 est propre à émettre un faisceau optique F ayant une longueur d'onde dans l'infrarouge. Pour le cas de la figure 2, la source laser 20 est propre à émettre une onde optique ayant une longueur d'onde égale à 1,07 micromètre (lm). Dans l'exemple présenté, la source laser 20 est un laser fibré. Plus précisément, comme visible à la figure 2, la source laser 20 comporte une embase 36 aussi appelée plaque froide, un ensemble de diodes laser 38, une fibre amplificatrice 39 et une fibre optique de sortie 40. L'embase 36 est réalisée en métal, de préférence de l'aluminium. L'embase 36 présente une surface extérieure supérieure ou égale à 0,1 mètre carré (m2). Plus précisément, selon le mode de réalisation de la figure 2, la surface extérieure de l'embase 36 présente une surface de 0,25 m2. Comme visible à la figure 2, l'embase 36 a une forme sensiblement parallélépipédique. Les diodes laser 38 sont fixées sur l'embase 36. Les diodes laser 38 sont des diodes de puissance permettant d'assurer un pompage optique de la fibre amplificatrice 39. La fibre amplificatrice 39 est reliée d'une part à chacune des diodes laser 38 et d'autre part à la fibre optique de sortie 40. Dans le cas particulier présenté, la fibre amplificatrice 39 est une fibre Ytterbium La fibre optique de sortie 40 présente plusieurs mètres de long. L'unité de refroidissement 22 est propre à assurer le refroidissement de la source laser 20. L'unité de refroidissement 22 comprend une boucle de refroidissement 44 et un module Peltier 46. La boucle de refroidissement 44 permet un refroidissement plus important que le module Peltier 46 de la source laser 20. La boucle de refroidissement 44 comporte un ensemble de tuyaux 47, un échangeur 48, une pompe 50 et un tampon 52 thermique. Chacun des tuyaux de l'ensemble de tuyaux 47 est en cuivre ou en PVC (acronyme pour polychlorure de vinyle). L'ensemble de tuyaux 47 se répartit en deux parties distinctes en communication fluidique. La première partie 54 de l'ensemble de tuyaux 47 fait partie de l'échangeur 48. Les tuyaux de la première partie 54 serpentent dans l'échangeur 48. La deuxième partie 56 de l'ensemble de tuyaux 47 est en contact avec l'embase 36 de la source laser 20. Plus précisément, chaque tuyau de la deuxième partie 56 est confiné dans l'embase 36 pour permettre une circulation de fluide. Chacun des tuyaux de l'ensemble 56 est en cuivre. L'échangeur 48 est en communication fluidique avec la pompe 50. L'échangeur 48 est en communication fluidique avec la source laser 20. La pompe 50 est propre à assurer la circulation d'un fluide de refroidissement refroidissant la source laser 20. Selon un mode de réalisation, le fluide de refroidissement circulant dans la boucle de refroidissement 44 comprend des billes, chaque bille encapsulant au moins un matériau à changement de phase. Chaque bille a une taille inférieure à quelques millimètres. Chacune des billes peut donc être qualifiée de microbille. Un matériau à changement de phase - aussi appelé sous l'acronyme MCP - est un matériau capable de changer d'état physique dans une plage de température restreinte. Dans le cas de l'exemple présenté, la plage de température est comprise entre 20 degrés et 30 degrés. Une grandeur X est comprise entre une première valeur A et une deuxième valeur B lorsque, d'une part, la grandeur X est supérieure ou égale à la première valeur A et d'autre part, la grandeur X est inférieure ou égale à la deuxième valeur B. Dans l'intervalle de température précédent, le changement de phase prépondérant reste la fusion/solidification. De préférence, il est considéré des matériaux à changement de phase dont la température de fusion est comprise entre 20 degrés et 30 degrés. Le tampon 52 thermique assure le refroidissement du fluide circulant dans la deuxième partie 56. Le tampon 52 thermique est réalisé en au moins un matériau à changement de phase. La première partie 54 de l'ensemble de tuyaux 47 est en contact avec le tampon 52 thermique. Le module Peltier 46 permet de maintenir à température basse le ou les matériaux à changement de phase avant le tir par la source laser 20 pour assurer que le ou les matériaux à changement de phase soient dans l'état solide. Pour maintenir à température basse le tampon 52 thermique et ainsi en conserver la capacité thermique pour l'utilisation du système 10, le module Peltier 46 utilise l'effet Peltier (aussi appelé effet thermoélectrique) est un phénomène physique de déplacement de chaleur en présence d'un courant électrique. L'effet se produit dans des matériaux conducteurs de natures différentes liés par des jonctions (contacts). L'une des jonctions se refroidit alors légèrement, pendant que l'autre se réchauffe. Cet effet a été découvert en 1834 par le physicien Jean-Charles Peltier. Le module Peltier 46 est en contact avec l'échangeur 48. L'alimentation 24 est propre à alimenter le système 10 en électricité, et en particulier la source laser 20, la pompe 50, le module peltier 46 et les éléments de l'interface homme-machine 32. Selon l'exemple de la figure 2, l'alimentation 24 est une batterie lithium-ion propre à délivrer un courant supérieur ou égal à 50 A pour alimenter la source laser 20 pendant un temps donné. Par exemple, la batterie lithium-ion est capable de délivrer un courant de 50 A pendant 120 secondes. Une telle batterie lithium-ion est souvent qualifiée de « batterie lithium-ion haute densité ». En variante, l'alimentation 24 comporte une pluralité de batteries lithium-ion. Selon une autre variante, l'alimentation 24 comprend un redresseur alimenté par le secteur. Le redresseur est propre à convertir la tension alternative fournie par le secteur en une tension continue. Selon un mode de réalisation, le redresseur est un redresseur non commandé. Dans un tel cas, le redresseur comporte des diodes. En variante, le redresseur est commandé, ce qui permet d'obtenir une tension en sortie mieux contrôlée. Dans une telle variante, le redresseur comporte des transistors et éventuellement des diodes. La tête optique 28 comporte une unité optique 58 et une bague de translation 60. La tête optique 28 est connectée à la sortie de la fibre optique de sortie 40. L'unité optique 58 est propre à modifier la taille du faisceau optique F au niveau de l'objet 12. Cela permet d'adapter la taille du faisceau optique F en sortie de la source laser 20 à la partie 14 de l'objet 12 à découper. En pratique, le faisceau optique F gaussien peut être approximé par un faisceau collimaté dont la taille, c'est-à-dire le diamètre à 1/e2 de l'intersection avec un plan perpendiculaire à l'axe de propagation du faisceau optique F, est comprise entre 5 millimètres et 2 centimètres. L'unité optique 58 est propre à assurer la qualité de faisceau ainsi que la portée de du système 10. Par exemple, comme visible sur la figure 2, l'unité optique 58 comprend seulement une lentille 62. La lentille 62 a un diamètre suffisant par rapport au faisceau laser pour éviter les effets de bord. En variante, l'unité optique 58 comporte plusieurs lentilles pour améliorer la qualité du faisceau en sortie du système 10. La bague de translation 60 est propre à assurer un déplacement de l'unité optique 58 le long de la direction de propagation du faisceau laser que la source laser 20 est propre à émettre. L'interface homme-machine 32 permet à l'utilisateur d'interagir avec le système 10. Selon l'exemple de la figure 2, l'interface homme-machine 32 comporte un module de choix 64, un module de visée 66 et un module de déclenchement de tir 68. L'unité de sécurité 30 est propre à s'insérer en partie dans le logement 34 de l'interface homme-machine 32. L'unité de sécurité 30 assure la sécurité de l'utilisateur du système 10. A titre d'exemple, l'unité de sécurité 30 est une carte électronique munie de composants. La source laser 20 fonctionne uniquement lorsque le logement 34 accueille l'unité de sécurité 30. Selon une variante, l'unité de sécurité 30 comporte également un arrêt d'urgence, l'arrêt d'urgence permettant l'interruption de l'émission d'un faisceau optique F par la source laser 20. Le module de choix 64 permet à l'utilisateur de choisir la puissance optique adaptée à la partie d'objet 12 à découper ou à perforer. Selon un mode de réalisation plus élaborée, l'utilisateur entre dans le module de choix 64 la partie 14 de l'objet 12 à découper et le module de choix 64 suggère en conséquence la puissance optique adaptée. Par exemple, le module de choix 64 est un sélecteur multi-positions ou un potentiomètre. Le module de visée 66 permet à l'utilisateur d'aligner la sortie de l'unité optique 58 avec la partie 14 de l'objet 12 à découper ou à perforer pour s'assurer que le faisceau optique F que le système 10 est propre à générer, impacte la partie à découper. Par exemple, le module de visée 66 est une lunette de visée équipée d'un filtre propre à rejeter la longueur d'onde de la source laser 20. Selon une autre variante, le module de visée 66 comporte une caméra permettant à l'utilisateur d'opérer en téléopération grâce à un retour vidéo. Le module de déclenchement de tir 68 permet à l'utilisateur de déclencher le tir quand l'utilisateur le souhaite. Par exemple, le module de déclenchement de tir 68 est un interrupteur. Le fonctionnement du système 10 est maintenant décrit en référence à une utilisation pour une découpe ou une perforation de l'objet 12 à une distance supérieure ou égale à 10 mètres (m). Pour cet exemple, il est supposé que le système 10 comme expliqué précédemment est conditionné en deux sacs à dos. Dans un premier temps, l'utilisateur contrôle l'état de charge de l'alimentation 24. Dans le cas où l'alimentation 24 est déchargée ou n'est pas suffisamment chargée, l'utilisateur procède à la charge de l'alimentation 24. Puis, l'utilisateur contrôle l'état du ou des matériaux à changement de phase. Un tel contrôle est le plus souvent mise en oeuvre en mesurant la température du tampon 52. Lorsque la température est trop grande, la température du ou des Matériaux à changement de phase est diminuée à l'aide d'un refroidisseur externe au système 10. Dans un deuxième temps, l'utilisateur procède à l'assemblage du système 10. En particulier, l'unité de refroidissement 22 et l'alimentation 24 sont connectées à la source laser 20. Dans un troisième temps, la source laser 20 est mise en tension et l'unité de sécurité 30 est mise dans le logement 34 de l'interface homme-machine 32 du système 10. La source laser 20 est alors en condition de tir. Dans un quatrième temps, l'utilisateur vise la partie 14 de l'objet 12 à découper. L'utilisateur procède alors au tir, le tir impactant la partie 14 de l'objet 12 visée. Le système 10 permet ainsi de déployer sur terrain un système 10 dont les 10 performances permettent d'agir en quelques secondes sur la plupart des matériaux dans un rayon de 200 m. En outre, le système 10 permet de découper à distance de manière silencieuse, imperceptible à l'oeil humain. Le système 10 est propre à fonctionner dans de multiples environnements. 15 De plus, le système 10 présente une masse et un encombrement suffisamment faibles pour assurer la portabilité du système 10 par un utilisateur. Typiquement, une masse inférieure ou égale à 35 kilogramme (kg) pour l'ensemble du système 10 peut être obtenue. Le système 10 permet à l'utilisateur de bénéficier du meilleur compromis connu 20 entre la portée du système 10, la masse du système 10, l'encombrement du système 10 et l'autonomie du système 10. En effet, il est connu des systèmes de découpe avec une masse et un encombrement du même ordre mais la portée du système est alors bien moindre. Notamment, de tels systèmes délivrent une puissance optique insuffisante pour permettre 25 de brûler, de percer ou de détruire la plupart des matériaux. A contrario, les systèmes de découpe ayant la même portée ont une masse trop importante. De plus, aucun de ces systèmes de découpe ne permet d'obtenir une découpe silencieuse et imperceptible à l'oeil. L'obtention de la portabilité pour le système 10 permet une mobilité de l'utilisateur 30 et ouvre de nouveaux concepts d'emploi. Aussi, le système 10 est utilisable pour de nombreuses applications. En particulier, le système 10 permet d'assurer le déminage d'une zone. Le système 10 est également utilisable en milieu pollué ou contaminé (nucléaire ou autre) où l'obtention d'une découpe ou d'une .perforation tout en restant à distance de 35 sécurité En variante, le système 10 est utilisé dans des applications liées au génie militaire. De plus, le système 10 est utilisable par un utilisateur seul en mode portatif ou par un véhicule. REVENDICATIONS1.- Système (10) de découpe ou de perforation à distance comprenant : - une source laser (20) propre à émettre une puissance optique supérieure ou égale à 200W, - une unité de refroidissement (22) comprenant une boucle de refroidissement (44) comportant : - un échangeur (48), - une pompe (50) propre à assurer la circulation d'un fluide de refroidissement dans la boucle de refroidissement (44), et - un tampon (52) thermique en contact avec l'échangeur (48), le tampon (52) étant réalisé en au moins un matériau à changement de phase. 2.- Système selon la revendication 1, dans lequel l'unité de refroidissement (22) comporte un module Peltier (46) propre à refroidir ledit au moins un matériau à changement de phase du tampon (52) thermique. 3 ;- Système selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le fluide de refroidissement, dont la pompe (50) est propre à assurer la circulation, comprend des billes, chaque bille encapsulant au moins un matériau à changement de phase. 4.- Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le système (10) comprend au moins une batterie lithium-ion propre à délivrer un courant supérieur à 50 A pour alimenter la source laser (20). 5.- Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la source laser (20) est un laser fibré. 6.- Système selon la revendication 5, dans lequel le laser fibré comporte un ensemble de diodes laser (38) et une embase (36) sur laquelle les diodes laser (38) sont fixées, l'embase (36) étant en aluminium et présentant une surface extérieure supérieure ou égale à 0,1 mètre carré. 7.- Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le système (10) comporte une unité de sécurité (30) et un logement (34) propre à accueillirl'unité de sécurité (30), la source laser (20) fonctionnant uniquement lorsque le logement (34) accueille l'unité de sécurité (30). 8.- Véhicule muni du système (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7. 9.- Utilisation du système (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 pour découper un objet (12) à une distance supérieure ou égale à 10 mètres. 10 10.- Utilisation du système (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 pour perforer un objet (12) à une distance supérieure ou égale à 10 mètres.