Brevet FR3159851A1 — publié le 20250905

Câble supraconducteur comprenant une zone fusible supraconductrice et aéronef comprenant un tel câble supraconducteur. L’invention se rapporte à un câble supraconducteur (10) comportant un élément supraconducteur (12) et une zone fusible supraconductrice (14) agencée sur une section (L) prédéfinie de l’élément supraconducteur, ladite zone fusible supraconductrice comprenant un élément chauffant (30) configuré pour réguler la température de l’élément supraconducteur dans la zone fusible supraconductrice. Avantageusement, un tel fusible supraconducteur présente un meilleur rapport entre sa capacité de coupure de courant d'une part et son volume et son poids d'autre part. Fig. 1 CÂBLE SUPRACONDUCTEUR COMPRENANT UNE ZONE FUSIBLE SUPRACONDUCTRICE ET AÉRONEF COMPRENANT UN TEL CÂBLE SUPRACONDUCTEUR La présente demande se rapporte à un câble supraconducteur comprenant un élément supraconducteur et une zone fusible supraconductrice de cet élément supraconducteur, notamment pour un circuit d’électronique de puissance d’un aéronef à propulsion électrique. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE L'hydrogène liquide est un fluide cryogénique qui peut être utilisé comme source d'énergie pour la production d'électricité. Ainsi, par exemple, il est possible d'utiliser une pile à combustible à hydrogène pour alimenter tous les systèmes de commandes de vol et de communication d'un aéronef, ainsi que l'éclairage à bord et l'alimentation électrique de plusieurs dispositifs accessoires utilisés dans l’aéronef. L'hydrogène liquide peut également être utilisé comme source d'énergie pour la propulsion d'un aéronef, en alimentant une pile à combustible ou par combustion directe, ce qui présente l'avantage de ne rejeter que de l'eau dans l'atmosphère. L'utilisation de l'hydrogène nécessite des systèmes de distribution entre un ou plusieurs réservoirs de production ou de stockage et des appareils consommateurs. Ainsi, des canalisations sont classiquement utilisées pour acheminer l'hydrogène liquide entre un réservoir de stockage et un dispositif consommateur d'hydrogène liquide, comme par exemple une pile à combustible à hydrogène. Il existe une nécessité de réduire massivement la production d’émissions de dioxyde de carbone pour préserver l’environnement, et la propulsion électrique ou hybride s’avère prometteuse à cet égard. Mais les systèmes classiques embarqués à bord d'un aéronef sont tels que le rapport masse/puissance électrique n'est pas satisfaisant en l'état et il existe donc un besoin d'obtenir des systèmes électriques permettant de fournir de la puissance en fonction de leur poids pour satisfaire toutes les contraintes. C'est le cas des fusibles électriques ainsi que d'autres composants électriques des avions. Il est donc nécessaire d'optimiser le rapport puissance électrique/poids de tous les éléments du système propulsif d'un aéronef, et en particulier des composants de puissance traversés par de forts courants et qui doivent avoir un pouvoir de coupure de courant élevé. La situation peut donc être améliorée. La présente invention se rapporte à une fonction de fusible d’un câble supraconducteur ayant une capacité pour rompre ledit câble supraconducteur compatible avec les exigences de courant électrique d’un aéronef à propulsion électrique, tout en ayant des caractéristiques de poids et de dimensions compatibles avec les contraintes de l’aéronautique. A cet effet, l’invention a pour objet un câble supraconducteur pour alimenter en énergie électrique un moteur électrique de propulsion d’aéronef, comportant un élément supraconducteur s’étendant longitudinalement entre des première et deuxième extrémités, ainsi qu’une zone fusible supraconductrice agencée sur une section prédéfinie entre les première et deuxième extrémités de l’élément supraconducteur, ladite zone fusible supraconductrice comprenant un élément chauffant configuré pour réguler la température de l’élément supraconducteur dans la zone fusible supraconductrice. Selon une caractéristique, l’élément chauffant est un câble métallique connecté à une source de courant électrique, ladite source de courant électrique étant configurée pour contrôler le courant électrique circulant dans ledit élément chauffant. Selon une caractéristique, l'élément supraconducteur prend la forme d’une bande supraconductrice ou d’un ruban supraconducteur. Selon une caractéristique, l’élément supraconducteur comporte, dans la zone fusible supraconductrice, des impuretés insérées dans ledit élément supraconducteur. Selon une caractéristique, les impuretés sont des fragments d’aluminium ou de cuivre. Selon une caractéristique, l’élément supraconducteur comporte, dans la zone fusible supraconductrice, une réduction locale de la section transversale de l’élément supraconducteur. Selon une caractéristique, l’élément supraconducteur comporte, dans la zone fusible supraconductrice, une courbure dans la section transversale de l'élément supraconducteur. Selon une caractéristique, le câble supraconducteur comprend également une première chambre contenant un fluide cryogénique et une seconde chambre sous vide, l’élément supraconducteur et l’élément chauffant étant agencés dans la première chambre, la première chambre étant entourée de la seconde chambre. Selon une caractéristique, la source de courant électrique est agencée en dehors de la seconde chambre. Selon une caractéristique, le câble comprend également une première chambre sous vide et des moyens de refroidissement agencés en partie dans la première chambre, l’élément supraconducteur et l’élément chauffant étant agencés dans la première chambre, les moyens de refroidissement étant configurés pour refroidir l’élément supraconducteur par conduction. Selon une caractéristique, les moyens de refroidissement comportent un élément conducteur et une source de refroidissement agencée pour refroidir l’élément conducteur, l’élément conducteur étant agencé dans la première chambre en contact avec l’élément supraconducteur. Selon une caractéristique, l'élément conducteur est réalisé en cuivre. L’invention a également pour objet un aéronef comprenant un câble supraconducteur selon l’invention. Les caractéristiques de l'invention mentionnées ci-dessus, ainsi que d'autres, apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'au moins un mode de réalisation, ladite description étant faite en relation avec les dessins annexés parmi lesquels : FIG. 1 représente schématiquement un câble supraconducteur comprenant une zone fusible selon un premier mode de réalisation de l’invention ; FIG. 2 représente schématiquement un câble supraconducteur comprenant une zone fusible selon un deuxième mode de réalisation de l’invention ; FIG. 3 représente schématiquement un câble supraconducteur comprenant une zone fusible selon un troisième mode de réalisation de l’invention ; FIG. 4 représente schématiquement un câble supraconducteur comprenant une zone fusible selon un quatrième mode de réalisation de l’invention ; FIG. 5 représente schématiquement un aéronef comprenant au moins un câble supraconducteur comprenant une zone fusible selon l’une des FIG. 1 , FIG. 2 , FIG. 3 ou FIG. 4 ; FIG. 6 représente schématiquement un câble supraconducteur comprenant une zone fusible selon un autre mode de réalisation de l’invention ; FIG. 7 représente schématiquement un câble supraconducteur comprenant une zone fusible selon un autre mode de réalisation de l’invention ; et FIG. 8 représente schématiquement un câble supraconducteur comprenant une zone fusible selon un autre mode de réalisation de l’invention. DESCRIPTION DÉTAILLÉE D’UN MODE DE RÉALISATION La FIG. 1 représente un câble supraconducteur 10 comprenant un élément supraconducteur 12 s’étendant longitudinalement selon une direction longitudinale X entre des première et deuxièmes extrémités, ainsi qu’une zone fusible supraconductrice 14 (ou fusible supraconducteur) selon un premier mode de réalisation de l’invention. L’élément supraconducteur 12 est configuré pour transmettre un courant électrique entre ses première et deuxième extrémités. L’élément supraconducteur 12 peut être un ruban supraconducteur, une bande supraconductrice ou un fil supraconducteur. Le câble supraconducteur 10 est ainsi agencé entre un premier élément 20 du type source d’énergie électrique et un deuxième élément 22 du type charge électrique, le câble supraconducteur 10, et plus précisément l’élément supraconducteur 12, ayant une fonction de lien d’alimentation électrique supraconducteur de la charge électrique à partie de la source d’énergie électrique. Par exemple, la première extrémité 12a de l’élément supraconducteur 12 est connectée électriquement à une source d’énergie électrique 20 et la deuxième extrémité 12b de l’élément supraconducteur 12 est connectée électriquement à une charge électrique 22, telle qu’un moteur électrique de propulsion d’aéronef. L’élément supraconducteur 12 est réalisé dans un matériau supraconducteur, même dans la zone fusible supraconductrice 14. De façon non limitative et à titre d’exemple, l’élément supraconducteur 12 peut être réalisé en étain, en aluminium, en plomb, en zinc ou encore en titane. La zone fusible supraconductrice 14 s’étend sur une section prédéfinie du câble supraconducteur 10, et donc sur une section L de longueur prédéterminée entre les première et deuxième extrémités de l’élément supraconducteur 12. Par exemple, la section L représente moins de 20% de la longueur de l’élément supraconducteur 12, notamment moins de 10% de la longueur de l’élément supraconducteur 12, préférentiellement moins de 1% de la longueur de l’élément supraconducteur 12. La zone fusible supraconductrice 14 est configurée pour définir un courant électrique de rupture de l’élément supraconducteur 12, c’est-à-dire un courant électrique que peut supporter de transmettre l’élément supraconducteur 12 sans détérioration, et le courant électrique à partir duquel l’élément supraconducteur 12 va se rompre et interrompre la transmission du courant électrique. La zone fusible supraconductrice 14 permet donc de prédéfinir un courant électrique de fusion de la section de l’élément supraconducteur 12 dans ladite zone fusible supraconductrice 14, c'est-à-dire un courant électrique qui, lorsqu'il est présent pendant un temps prédéterminé, provoque la fusion de l'élément supraconducteur 12, au moins dans la zone fusible supraconductrice 14. La zone fusible supraconductrice 14 est ainsi nommée “zone d’initiation de rupture” ou “zone d’amorçage de coupure”, cette zone fusible supraconductrice 14 représentant une portion de l’élément supraconducteur 12 qui est plus fragile (ou faible) vis-à-vis d'une surintensité (d’un sur-courant) circulant à travers l'élément supraconducteur 12. Comme pour les fusibles classiques, les caractéristiques précises de la zone fusible supraconductrice 14 ne sont pas détaillées ici et on considère qu'elles sont définies par des tests et étalonnages en laboratoire ou par retour d'expérience, avant la fabrication du câble supraconducteur 10, en fonction des courants électriques à ne pas transmettre, les conditions environnantes, le matériau utilisé pour l'élément supraconducteur 12... Ainsi, dans la présente description, on considère que la zone fusible supraconductrice 14 est configurée pour ouvrir le circuit électrique lorsqu'un courant Imax le traverse pendant une durée T1 prédéterminée. Les caractéristiques Imax et T1 correspondantes sont en outre déterminées pour chacun des circuits ou branches de circuit d'un aéronef qu'il convient de pouvoir isoler électriquement des autres circuits en cas de défaut survenant dans ce circuit ou branche de circuit. Selon un premier mode de réalisation, la zone fusible supraconductrice 14 comporte, un élément chauffant 30. L’élément chauffant 30 est agencé dans la zone fusible 14, à proximité de l’élément supraconducteur 12, et configuré pour contrôler la température de la zone fusible 14. La zone fusible supraconductrice 14 a une valeur de courant de fusion prédéfinie qui lui est associée. L’élément chauffant 30 est configuré pour, lorsque nécessaire, faire atteindre à la zone fusible supraconductrice 14 cette valeur de courant de fusion prédéfinie (l’élément chauffant agissant sur la température de la zone fusible supraconductrice 14, qui est intrinsèquement liée à la valeur du courant électrique circulant dans ladite zone fusible supraconductrice 14). L’élément chauffant 30 peut être une boucle d’un fil métallique connecté à une source de courant électrique 32, qui est elle-même configurée pour contrôler le courant électrique qui traverse l’élément chauffant 30. La source de courant électrique 32 est configurée pour laisser passer une faible quantité de courant électrique dans l’élément chauffant 30 de manière à ce que l’élément chauffant 30 puisse générer de la chaleur. L’élément chauffant 30 est configuré pour réguler le courant électrique circulant dans l’élément supraconducteur 12, au niveau de la zone fusible supraconductrice 14, c’est-à-dire sur la section de l’élément supraconducteur 12 correspondant à la zone fusible supraconductrice 14. L’élément chauffant 30 est configuré pour réguler le courant électrique circulant dans l’élément supraconducteur 12, localement dans la zone fusible supraconductrice 14, de manière à créer un “quench” localisé. Les éléments supraconducteurs ont un paramètre appelé courant critique, qui est défini comme le courant électrique auquel les éléments supraconducteurs perdent leur supraconductivité (c'est-à-dire qu'un phénomène de “quench” apparaît dans les éléments supraconducteurs). Ce phénomène de “quench” est ainsi défini comme une transition inattendue de l'état supraconducteur de l’élément supraconducteur à l'état conventionnel. Le courant traversant un élément supraconducteur est proportionnel à la température dudit élément supraconducteur. En ajoutant un élément chauffant 30 dans la zone d'initiation de rupture (zone fusible supraconductrice 14) de l’élément supraconducteur, il est possible de limiter le courant critique / de “quench” dans cette zone d'initiation de rupture. Comme le courant critique dépend de la température, en régulant la température de l'élément chauffant 30, il est possible de réguler le courant critique dans l’élément supraconducteur 12. Lorsqu'un défaut apparaît dans le système électrique de propulsion de l’aéronef, la source d'énergie (ici des piles à combustible ou des batteries) continue à alimenter ledit défaut, risquant d'endommager des composants ou de provoquer un incendie. Selon l'invention, l'utilisation d'une zone d'initiation de rupture qui peut s'éteindre (c'est-à-dire qui peut perdre sa supraconductivité) permet ainsi de prélever toute l'énergie de la source d’énergie au lieu de l'injecter dans ledit défaut. En effet, le phénomène de “quench” est provoqué par des défauts ou des courts-circuits dans le système électrique de propulsion de l’aéronef. Avec un fusible supraconducteur selon l'invention, il est possible de réguler le courant auquel le phénomène de “quench” va se produire, créant ainsi différents niveaux de protection pour le décollage, le vol croisière et l'atterrissage de l’aéronef, pour lesquels il existe différents courants de fonctionnement. Afin de maintenir l’état supraconducteur du câble supraconducteur 10, l’élément supraconducteur 12 est disposé dans une première chambre 50 remplie d’un fluide cryogénique 52, tel que du dihydrogène (H2) liquide ou gazeux. Afin d’isoler thermiquement la première chambre 50 d’une influence d’une température externe, une seconde chambre 54, placée sous vide, entoure la première chambre 50. L’élément chauffant 30 est agencé dans la première chambre 50, et la source de courant électrique 32 alimentant ledit élément chauffant 30 est agencée en dehors de la seconde chambre 54. Selon une configuration, le vide dans la seconde chambre 54 est obtenu au cours de la fabrication du câble supraconducteur. Selon une configuration alternative, le vide dans la seconde chambre 54 est obtenu avant de la mise sous tension du ou des circuits électriques concernés par le fusible supraconducteur 14, au moyen d'un équipement dédié tel qu'une pompe à vide. Selon une configuration, le câble supraconducteur 10 est un câble cryogénique comprenant également la première chambre 50 disposée autour du conducteur supraconducteur 12 et la seconde chambre 54, sous vide, entourant ladite première chambre 50. Une telle configuration simplifie les opérations de fabrication et d'assemblage en limitant le nombre de points de connexion entre le fusible supraconducteur et des conducteurs de puissance cryogéniques, ce qui permet également de réduire le poids de l’assemblage. De plus, comme le fusible supraconducteur 14 est refroidi de la même manière que l’élément conducteur 12 du câble supraconducteur 10 cryogénique, la résistance continue (courant continu) du fusible supraconducteur 14 est quasiment nulle. De ce fait, le gain de rendement est très élevé par rapport à un fusible classique puisque la perte de puissance dans le fusible supraconducteur 14 est très faible. De plus, l'isolation assurée par la seconde chambre 54 sous vide permet de contrôler la génération d’un éventuel arc électrique après qu'un défaut se soit produit et que le fusible supraconducteur 14 se soit rompu. Ainsi, aucun système ou matériau supplémentaire n’est requis pour amortir les effets de l’arc électrique généré. Selon une configuration, la première chambre 50 contenant le fluide cryogénique 52 est reliée à un système d'alimentation en fluide cryogénique de l’aéronef, au niveau d’une ouverture. Selon une configuration représentée sur la FIG. 6 , le câble supraconducteur 10 a une source dédiée de fluide cryogénique 60, telle qu'un cryo-refroidisseur, connectée à l'ouverture de la première chambre 50. Les exigences en matière de calibre des fusibles sont très variées pour différents systèmes d'un aéronef, et il peut être utile de disposer d'une valeur réglable pour le courant de fusion d'un fusible donné. Selon une configuration, le courant de fusion du fusible supraconducteur 14 est également contrôlé par le contrôle de la température du fluide cryogénique 52 présent dans la première chambre 50. A cet effet, le système d'alimentation en fluide cryogénique de l'aéronef, ou la source dédiée de fluide cryogénique 60, est relié à un module 62 de contrôle de la température du fluide cryogénique (représenté sur la FIG. 6 ). Selon une configuration représentée sur la FIG. 7 , le courant de fusion du fusible supraconducteur 14 est également contrôlé en plaçant une source de champ magnétique 70 (connectée à un générateur de courant alternatif 70) dans ou à proximité de la zone fusible supraconductrice 14. Le champ magnétique généré dans la zone fusible supraconductrice 14 permet alors d'ajuster le courant de fusion dudit fusible supraconducteur. Ceci est particulièrement avantageux pour les branches du circuit principal d'un aéronef, sachant par exemple que le courant total nécessaire au décollage de l'aéronef peut être jusqu'à trois fois le courant nominal consommé par le même aéronef en vol croisière. Il est ainsi avantageusement possible de moduler le courant de fusion d'un fusible d'une branche spécifique d'un circuit d'aéronef en fonction des différentes phases de vol comme par exemple le décollage, le vol croisière, l'atterrissage ou une situation d'urgence. Selon un deuxième mode de réalisation représenté sur la FIG. 2 , l’élément supraconducteur 12 comprend, dans la section L correspondant à la zone fusible supraconductrice 14, des impuretés 40 insérées dans l’élément supraconducteur 12. Les impuretés sont par exemple des fragments de cuivre ou d’aluminium. Selon un troisième mode de réalisation représenté sur la FIG. 3 , l’élément supraconducteur 12 présente, dans la section L correspondant à la zone fusible supraconductrice 14, une réduction locale 42 de la section transversale (c'est-à-dire un rétrécissement calibré) de l’élément supraconducteur 12. Selon un quatrième mode de réalisation représenté sur la FIG. 4 , l’élément supraconducteur 12 présente une courbure 44 dans la section transversale (c'est-à-dire un pli calibré) dans l'élément supraconducteur 12. N'importe lequel de ces différents modes de réalisation dans lequel la zone d'initiation de coupure est obtenue par ajout d'un élément chauffant 30, et en outre par ajout, dans la zone fusible supraconductrice 14, d’impuretés 40 dans l'élément supraconducteur 12, ou par réduction locale 42 de la section de l'élément supraconducteur 12 ou par au moins une courbure 44 calibrée dans l'élément supraconducteur 12, peut comprendre des moyens supplémentaires pour contrôler et ajuster le courant de fusion ou le temps de fusion en ajustant la température du fluide cryogénique, un champ magnétique dans la zone d'initiation de rupture, ou les deux. La FIG. 5 représente un aéronef 1 qui comporte au moins un câble supraconducteur 10 tel que décrit précédemment, implémenté soit en composant autonome ou comme faisant partie d’un circuit de puissance cryogénique comme par exemple un câble supraconducteur cryogénique. La FIG. 8 représente un mode de réalisation du câble supraconducteur 10 cryogénique dans lequel l'élément supraconducteur 12 est refroidi par conduction. Comme mentionné précédemment, l'élément supraconducteur 12 est disposé dans une première chambre 80, ladite première chambre 80 étant placée sous vide, au lieu d'être remplie d'un fluide cryogénique. L'élément chauffant 30 est également disposé dans la première chambre 80 qui est mise sous vide. L'élément supraconducteur 12 est refroidi par conduction, par exemple par contact avec un élément conducteur 82 refroidi. L'élément conducteur 82 peut être en cuivre, et est, par exemple, une liaison en cuivre. L'élément conducteur 82 est refroidi avec une source de refroidissement 84 et forme avec la source de refroidissement 84 des moyens de refroidissement 86. La source de refroidissement 84 peut être à température cryogénique. La source de refroidissement 84 est ainsi agencée pour refroidir l'élément conducteur 82, tandis que l'élément conducteur 82 est disposé en contact avec l'élément supraconducteur 12 pour refroidir l'élément supraconducteur 12. L'élément conducteur 82 est ainsi placé dans la première chambre 80 mise sous vide. La source de refroidissement 86 peut être disposée dans la première chambre 80 mise sous vide, ou à l'extérieur de la première chambre 80 (configuration représentée sur la FIG. 8 ). Les moyens de refroidissement 86 peuvent ainsi être disposés au moins partiellement dans la première chambre 80 et refroidir l'élément supraconducteur 12 par conduction. Câble supraconducteur (10) pour alimenter en énergie électrique un moteur électrique de propulsion d’aéronef, comportant un élément supraconducteur (12) s’étendant longitudinalement entre des première et deuxième extrémités (12a, 12b), ainsi qu’une zone fusible supraconductrice (14) agencée sur une section (L) prédéfinie entre les première et deuxième extrémités (12a, 12b) de l’élément supraconducteur (12), ladite zone fusible supraconductrice (14) comprenant un élément chauffant (30) configuré pour réguler la température de l’élément supraconducteur (12) dans la zone fusible supraconductrice (14). Câble supraconducteur (10) selon la revendication 1, dans lequel l’élément chauffant (30) est un câble métallique connecté à une source de courant électrique (32), ladite source de courant électrique (32) étant configurée pour contrôler le courant électrique circulant dans ledit élément chauffant (30). Câble supraconducteur (10) selon l’une des revendications 1 ou 2, dans lequel l’élément supraconducteur (12) comporte, dans la zone fusible supraconductrice (14), des impuretés (40) insérées dans ledit élément supraconducteur (12). Câble supraconducteur (10) selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel l’élément supraconducteur (12) comporte, dans la zone fusible supraconductrice (14), une réduction locale (42) de la section transversale de l’élément supraconducteur (12). Câble supraconducteur (10) selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel l’élément supraconducteur (12) comporte, dans la zone fusible supraconductrice (14), une courbure (44) dans la section transversale de l'élément supraconducteur (12). Câble supraconducteur (10) selon l’une des revendications 1 à 5, comprenant également une première chambre (50) contenant un fluide cryogénique (52) et une seconde chambre (54) sous vide, l’élément supraconducteur (12) et l’élément chauffant (30) étant agencés dans la première chambre (50), la première chambre (50) étant entourée de la seconde chambre (54). Câble supraconducteur (10) selon la revendication 6, en dépendance avec la revendication 2, dans lequel la source de courant électrique (32) est agencée en dehors de la seconde chambre (54). Câble supraconducteur (10) selon l’une des revendications 1 à 5, comprenant également une première chambre (50) sous vide et des moyens de refroidissement (86) agencés en partie dans la première chambre (50), l’élément supraconducteur (12) et l’élément chauffant (30) étant agencés dans la première chambre (50), les moyens de refroidissement (86) étant configurés pour refroidir l’élément supraconducteur (12) par conduction. Câble supraconducteur (10) selon la revendication 8, dans lequel les moyens de refroidissement (86) comportent un élément conducteur (82) et une source de refroidissement (84) agencée pour refroidir l’élément conducteur (82), l’élément conducteur (82) étant agencé dans la première chambre (50) en contact avec l’élément supraconducteur (12). Aéronef (1) comprenant un câble supraconducteur (10) selon l’une des revendications 1 à 9.