Brevet FR3054649A1 — publié le 20180202

La présente invention concerne un procédé de fabrication et d'utilisation d'un projectile de glace. Dans le domaine de l'aéronautique, il s'avère nécessaire de tester la résistance de certaines structures aux grêlons. C'est par exemple le cas des pare-brise 5 d'avion ou des aubes de réacteurs. Actuellement, on distingue quatre procédés majoritairement utilisés pour réaliser un projectile simulant un grêlon. Un premier procédé permet de réaliser un grêlon proche de ce que la nature réalise. Selon ce procédé, le projectile est réalisé par solidifications successives 10 de gouttelettes d'eau en suspension en surfusion. Un autre procédé connu est la fabrication d'un grêlon par solidification en continue de vapeur d'eau autour d'un doigt froid. Ces deux procédés permettent d'obtenir des propriétés mécaniques proches de celles du grêlon naturel, mais sont très longs et complexes à mettre en oeuvre. 15 Une autre méthode consiste à placer de l'eau, si possible distillée ou déminéralisée, dans une enceinte refroidissante type congélateur. Le moule dans lequel est placée l'eau confère une première ébauche de la forme finale, et un usinage ou un polissage final parfait la forme. Ce projectile de glace homogène dans sa composition a des propriétés mécaniques significativement plus dégradées (moins 20 bonne tenue mécanique) que celles du grêlon naturel. Enfin, il est connu d'ajouter une pelote de coton, ou plus généralement des fibres, à de l'eau si possible distillée ou déminéralisée. Ce procédé fait l'objet d'une norme « ASTM F320 : Standard Test Method for Hail Impact Resistance of Aerospace Transparent Enclosures». Comme pour le projectile de glace d'eau seule 25 évoqué ci-avant, le tout est placé dans une enceinte refroidissante et la forme est donnée par le moule, puis une finition mécanique ou manuelle est réalisée. Ce projectile de glace, hétérogène dans sa composition, a des propriétés mécaniques significativement meilleures (meilleure tenue mécanique) que celles du grêlon naturel. 30 L'inconvénient des deux premières techniques est la complexité et la durée très longue de fabrication du projectile de glace. L'inconvénient de la troisième technique est d'utiliser un projectile moins résistant que le grêlon naturel, et donc de réaliser un essai moins destructif qu'un vrai grêlon et par conséquent sous-estimer l'impact d'un vrai grêlon. A contrario, l'inconvénient de la quatrième est de conduire 35 à un essai qui surestime l'impact d'un vrai grêlon. De plus, cette quatrième technique, par le caractère hétérogène du projectile, peut induire une dispersion importante 3054649 2 entre deux essais pour des projectiles de faibles dimensions. Généralement, afin d'encadrer les effets réels de la grêle, les troisième et quatrième techniques sont conjointement utilisées, ce qui revient à doubler le nombre des essais. En conséquence, la présente invention a pour objectif de fournir un procédé de fabrication et d'utilisation qui permette de fabriquer rapidement et simplement des projectiles de glace présentant des caractéristiques mécaniques similaires aux caractéristiques mécaniques des grêlons naturels. Selon une définition générale, l'invention concerne un procédé de fabrication et d'utilisation d'un projectile de glace. Le procédé comprend les étapes 10 de : - Fourniture d'une quantité d'eau ; - Fourniture d'une quantité d'alcool correspondant à au moins 5% en masse de la quantité d'eau ; - Mélange de la quantité d'eau et de la quantité d'alcool ; 15 - Transfert du mélange vers des moyens de refroidissement et de solidification du mélange en glaçon; - Refroidissement du mélange dans les moyens de refroidissement et de solidification du mélange en glaçon, jusqu'à une température de solidification du mélange, pour obtenir au moins un glaçon ; 20 - Projection du, ou de chaque, glaçon sur une cible, par des moyens de projection. Le mélange d'eau et d'alcool permet de ralentir le processus de solidification lors du refroidissement. Ainsi, avant d'être complètement solidifié, le mélange liquide passe par une phase aqueuse dans laquelle des cristaux 25 majoritairement constitués d'eau sont entourés d'une solution liquide majoritairement constituée d'alcool. Cette phase aqueuse, avant la solidification totale, permet une relaxation des contraintes internes induites par la cristallisation de l'eau et son expansion volumétrique. La solution liquide qui entoure les cristaux joue le rôle de lubrifiant. 30 De plus, le mélange d'eau et d'alcool permet de contrôler précisément les dimensions finales du glaçon : la dilatation thermique ayant lieu en phase aqueuse, elle se répartit de manière homogène dans toutes les directions du glaçon, contrairement à un glaçon d'eau pure qui se déforme et se fige localement à des instants légèrement différents d'un point à l'autre du glaçon. 35 Le procédé selon l'invention permet de fabriquer rapidement et simplement des projectiles de glace en utilisant un mélange d'eau et d'alcool. 3054649 3 De plus, le mélange d'eau et d'alcool permet de fabriquer des projectiles de glace présentant des caractéristiques mécaniques similaires aux caractéristiques mécaniques des grêlons naturels. En outre, le procédé selon l'invention permet de fabriquer des projectiles 5 de glace composés d'éléments volatiles qui ne laisse aucun résidu solide après leur projection et séchage, contrairement aux projectiles qui contiennent une âme en fibres solides. Selon une disposition particulière, la température de solidification du mélange est sensiblement égale à 200°K. L'étape de refroidissement du mélange dans les moyens refroidissement et de solidification du mélange en glaçon, jusqu'à une température de solidification du mélange, pour obtenir au moins un glaçon, présente palier de températures de transition dans lequel le mélange présente une phase aqueuse composée de cristaux solides principalement composés d'eau, les cristaux solides étant entourés d'une solution liquide principalement composée d'alcool. Selon une disposition particulière, le palier de températures de transition peut être compris entre 270°K et 230°K. Selon une disposition particulière, l'étape de refroidissement du mélange dans les moyens de refroidissement et de solidification du mélange en glaçon, jusqu'à 20 une température de solidification du mélange, pour obtenir au moins un glaçon peut être effectuée à une vitesse supérieure ou égale à 0.5°K par seconde. Ainsi, le procédé selon l'invention permet de produire rapidement un projectile de glace à partir de solutions liquides. Selon une autre disposition particulière, l'étape de refroidissement du 25 mélange dans les moyens de refroidissement et de solidification du mélange en glaçon, jusqu'à une température de solidification du mélange, pour obtenir au moins un glaçon peut être effectuée à une vitesse inférieure ou égale à 0.5°K par seconde. Selon une même disposition, l'étape de refroidissement du mélange dans les moyens de refroidissement et de solidification du mélange en glaçon, jusqu'à une 30 température de solidification du mélange, pour obtenir au moins un glaçon peut être effectuée en agitant le mélange pour en maintenir l'homogénéité. L'étape de projection du, ou de chaque, glaçon est réalisée à une température comprise entre 60°K et 250°K. La température du projectile de glace lors de sa projection permet d'en 35 optimiser les propriétés mécaniques pour simuler le plus précisément possible un grêlon. 3054649 4 Les moyens de refroidissement et de solidification peuvent comprendre au moins un moule pour mettre en forme au moins un glaçon. Les moyens de refroidissement et de solidification peuvent comprendre au moins un tube permettant de refroidir et mettre en forme au moins un glaçon. 5 Le, ou chaque, tube peut être relié à des moyens de projection permettant de projeter le, ou chaque, glaçon positionné dans le tube correspondant. Ainsi, le projectile de glace peut être solidifié et projeté par le même dispositif. Les moyens de refroidissement et de solidification peuvent comprendre 10 au moins un cryostat. L'alcool peut appartenir au groupe comprenant l'éthanol, le méthanol, le butanol et le propanol. La quantité d'alcool est fournie par une solution alcoolique présentant une pureté supérieure ou égale à 90%. 15 L'eau est fournie par une solution aqueuse prise parmi l'eau distillée et l'eau déminéralisée. REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication et d'utilisation d'un projectile de glace caractérisé en ce qu'il comprend les étapes de : - Fourniture d'une quantité d'eau ; - Fourniture d'une quantité d'alcool correspondant à au moins 5% en masse de la quantité d'eau ; - Mélange de la quantité d'eau et de la quantité d'alcool ; - Transfert du mélange vers des moyens de refroidissement et de solidification du mélange en glaçon; - Refroidissement du mélange dans les moyens de refroidissement et de solidification du mélange en glaçon, jusqu'à une température de solidification du mélange, pour obtenir au moins un glaçon ; - Projection du, ou de chaque, glaçon sur une cible, par des moyens de projection. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape de refroidissement du mélange dans les moyens refroidissement et de solidification du mélange en glaçon, jusqu'à une température de solidification du mélange, pour obtenir au moins un glaçon, présente un palier de températures de transition dans lequel le mélange présente une phase aqueuse composée de cristaux solides principalement composés d'eau, les cristaux solides étant entourés d'une solution liquide principalement composée d'alcool. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que l'étape de refroidissement du mélange dans les moyens de refroidissement et de solidification du mélange en glaçon, jusqu'à une température de solidification du mélange, pour obtenir au moins un glaçon est effectuée à une vitesse supérieure ou égale à 0.5°K par seconde. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que l'étape de refroidissement du mélange dans les moyens de refroidissement et de solidification du mélange en glaçon, jusqu'à une température de solidification du mélange, pour obtenir au moins un glaçon est effectuée à une vitesse inférieure ou égale à 0.5°K par seconde. 3054649 6 5. Procédé selon la revendication 4 caractérisé en ce que l'étape de refroidissement du mélange dans les moyens de refroidissement et de solidification du mélange en glaçon, jusqu'à une température de solidification du mélange, pour obtenir au moins un glaçon est effectuée en agitant le mélange pour en maintenir 5 l'homogénéité. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'étape de projection du, ou de chaque, glaçon est réalisée à une température comprise entre 60°K et 250°K. 10 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les moyens de refroidissement et de solidification comprennent au moins un moule pour mettre en forme au moins un glaçon. 15 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les moyens de refroidissement et de solidification comprennent au moins un tube permettant de refroidir et mettre en forme au moins un glaçon. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que le, ou chaque, 20 tube est relié à des moyens de projection permettant de projeter le, ou chaque, glaçon positionné dans le tube correspondant. 10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les moyens de refroidissement et de solidification comprennent au moins un cryostat. 25 11. Procédé selon l'une des revendications 1 à 10 caractérisé en ce que l'alcool appartient au groupe comprenant l'éthanol, le méthanol, le butanol et le propanol. 30 12. Procédé selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que la quantité d'alcool est fournie par une solution alcoolique présentant une pureté supérieure ou égale à 90%. 13. Procédé selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en que 35 l'eau est fournie par une solution aqueuse prise parmi l'eau distillée et l'eau déminéralisée.