FR2727784A1 - Parafoudre, notamment pour un aeronef, dont la resistivite possede un coefficient de temperature eleve - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un parafoudre. Ce parafoudre est destiné à être installé sur un radôme (7) situé sur le nez de la carcasse (9) d'un avion et est formé de bandes (1) réalisées en un matériau possédant un coefficient de température positif de résistivité dépassant celui d'un matériau métallique et qui est constitué par exemple par un polymère conducteur. Application notamment aux parafoudres installés sur le nez d'avions.

Description

La présente invention concerne des parafoudres destinés à écarter la foudre d'un corps devant être protégé de la foudre, en particulier concerne des parafoudres servant à écarter la foudre de certaines parties d'une carcasse d'avion telle que le radôme, des panneaux et des pales formés uniquement par des matériaux diélectriques.

Des parafoudres sont largement utilisés pour protéger des parties sensibles d'une carcasse d'avion visà-vis de décharges de foudre et évacuent de façon sûre la foudre à partir de ces parties de l'avion, en direction du sol. Un appareillage de navigation et de communication d'avion comprenant des antennes radar, qui comprend de nombreuses pièces métalliques, est souvent logé au niveau de positions extrêmes de l'avion comme,par exemple, dans le nez ou dans la queue. Ces parties et d'autres extrémités de l'avion telles que les extrémités des ailes sont, en raison de leur position, les plus susceptibles d'être frappées par la foudre.La partie de l'avion, qui loge le radar et l'équipement de communication, comme par exemple le radôme situé dans le nez, est nécessairement réalisée en un matériau qui est transparent au rayonnement électromagnétique et son isolation peut aisément être le siège d'un claquage (décharge disruptive) en présence des champs électriques intenses qui précèdent immédiatement une décharge de foudre. C'est pourquoi l'appareillage logé dans le radôme est extrêmement sensible à des coups de foudre et, sans protection, la foudre peut aisément perforer le radôme et endommager gravement à la fois le radôme et l'appareillage.

Pour empêcher que la foudre pénètre dans le radme, il est connu d'utiliser un certain nombre de bandes métalliques espacées régulièrement, qui s'étendent depuis la pointe du nez vers l'arrière sur le radôme jusqu'à des positions de masse sur l'avion. Ces bandes de parafoudre protègent l'appareillage en garantissant que l'amorce de la décharge de foudre s'applique de préférence à une ou plusieurs des bandes, plutôt qu'à un objet métallique situé dans le radôme.

Une bande connue de parafoudre comprend une feuille métallique mince, par exemple comme cela est décrit dans le brevet US 4583702 déposé par Baldwin. Cependant, la bande se vaporise lorsqu'elle véhicule le courant de retour dû à un coup de foudre et,de ce fait, ne peut être utilisée qu'une fois. En outre, la feuille métallique tend à interférer avec la transmission du rayonnement HF.

Un autre parafoudre connu comprend une barre métallique, qui peut résister à plus d'un coup de foudre, mais au prix d'une traînée et d'un poids accrus. En outre, les barres peuvent se déformer pendant des coups de foudre sévères, ce qui provoque une déformation du radôme. Elles interfèrent également avec la transmission HF.

Un autre parafoudre connu comprend une bande mince formée de particules d'aluminium oxydé, finement déposées sur un substrat diélectrique flexible. Cet agencement est un perfectionnement par rapport aux bandes formées de feuilles métalliques, en ce qu'il interfère moins avec un rayonnement HF, mais peut encore se consumer après un seul coup de foudre.

Une autre bande de parafoudre connue est ce qu'on appelle une bande du parafoudre segmentée, qui est constituée par une série de minces segments conducteurs en forme de disques fixés à une bande d'un matériau résistif.

En présence d'un champ électrique intense produit par l'amorce de la décharge de foudre se rapprochant, l'air situé dans les espaces présents entre les segments s'ionise, ce qui établit un trajet conducteur pour le courant de retour. Un problème avec cet agencement est qutéventuelle3ent l'air présent entre deux segments adjacents ne s'ionise pas, par exemple en raison de la présence d'eau entre les segments, de sorte que le courant est porté par la bande de support résistive qui, par conséquent, se consume. Un autre problème dans le cas de cet agencement est qu'il est relativement complexe à fabriquer et relativement coûteux. C'est pourquoi, il est nécessaire d'utiliser un parafoudre perfectionné, qui peut résister à des coups de foudre multiples, qui soit fiable et qui soit d'une fabrication bon marché.

Selon un aspect de la présente invention, il est prévu une partie de carcasse d'avion comprenant un parafoudre servant à protéger cette pièce vis-à-vis de la foudre, caractérisée en ce que le parafoudre est réalisé en un matériau possédant un coefficient de température positif de résistivité.

Le coefficient de température positif de résistivité du matériau est supérieur à celui d'un matériau métallique lorsque le matériau est chauffé par un courant produit par la foudre. L'expression "matériau métallique" désigne des métaux et des matériaux constitués essentiellement par un métal, dont le coefficient de température positif de résistivité, s'il est présent, reste relativement faible dans la gamme des températures auxquelles on s'intéresse.

De préférence, la résistivité du matériau du parafoudre en l'absence de courant est choisie de manière qu'un coup de foudre s'applique de préférence au parafoudre plutôt qu'à la partie de l'avion à laquelle est fixé le parafoudre.

De préférence, la résistivité du matériau du parafoudre augmente à une valeur telle, lorsque le courant produit par la foudre le traverse, que le champ électrique dans la direction du flux de courant est suffisant pour ioniser l'air au-dessus du matériau avant que le courant soit suffisant pour vaporiser ce matériau.

Dans une forme de réalisation préférée, la résistivité du matériau du parafoudre présente une variation fractionnelle, lorsque la température augmente, d'au moins 0,02 par "C pour au moins une valeur de température atteinte lorsque le matériau est chauffé par le courant produit par la foudre.

De préférence, la résistivité du parafoudre varie d'un facteur égal au moins à 10 lorsque le matériau est chauffé par le courant produit par la foudre, et de façon plus préférentielle d'un facteur égal au moins à 100.

De préférence , le parafoudre possède une résistivité initiale en l'absence de courant, choisie de telle sorte qu'un coup de foudre s'applique au parafoudre, de préférence à ladite partie, à au moins des températures comprises entre -10'C et +5 C.

Dans cette forme de réalisation, le parafoudre est une bande formée du matériau et possède une résistance linéique entre -10 C et +5"C, comprise entre 0,02 et 2 mégohms par mètre en l'absence de courant.

Le parafoudre peut être formé par un matériau composite, et dans une forme de réalisation, le parafoudre peut être formé d'un matériau isolant dans lequel sont disposées des particules conductrices. Le matériau isolant peut être constitué par un élastomère et l'élastomère peut être de l'éthylène - acétate de vinyle. Les particules conductrices peuvent être formées de carbone.

Dans une autre forme de réalisation, le parafoudre peut être formé par un matériau semiconducteur dans lequel sont dispersées des particules conductrices.

Avantageusement, une forme de réalisation du parafoudre comprend une bande qui peut posséder une face intérieure essentiellement plane destinée à être fixée à la surface extérieure de la partie de carcasse et une surface extérieure comportant une structure en forme de nervure allongée. La structure en forme de nervure sert à évacuer l'eau résidant sur au moins une partie de la surface extérieure de la bande. La surface extérieure de la bande peut être conformée de manière à favoriser l'écoulement du liquide dans une direction transversale par rapport à la longueur de cette bande. Dans une forme de réalisation, la structure en forme de nervure allongée possède une cambrure entre les bords de la bande. De préférence, le rayon de courbure de la nervure est relativement faible de manière à empêcher la formation de pellicules d'eau résidant dans cette zone.Avantageusement, une telle nervure sert également à concentrer le champ électrique dans cette région. Dans une forme de réalisation particulière, la bande possède une section transversale de forme générale triangulaire sur au moins une partie de sa longueur.

La bande du parafoudre possède,de préférence,une largeur comprise entre 0,5 mm et 5 mm.

Conformément à un autre aspect de la présente invention, il est prévu une partie de carcasse d'avion comprenant un parafoudre servant à protéger la partie de carcasse vis-à-vis de la foudre, le parafoudre étant formé d'un matériau composite, par exemple un matériau isolant ou semiconducteur dans le volume duquel sont dispersées des particules conductrices. De préférence, les particules conductrices sont dispersées de manière à produire des variations locales de résistance dans le matériau.Dans une forme de réalisation préférée, les variations de résistance sont à même de produire des zones locales de champ électrique au niveau de la surface du matériau, qui sont suffisantes pour ioniser l'air lorsque le matériau véhicule un courant produit par la foudre, alors que la résistance moyenne du matériau est, en général, inférieure à celle requise pour ioniser l'air pour la même valeur du courant produit par la foudre. De préférence, les variations de résistance apparaissent à une échelle microscopique.

D'autres formes de réalisation de cet aspect de l'invention peuvent comporter une ou plusieurs caractéristiques décrites précédemment en rapport avec le premier aspect de l'invention. Sinon, le parafoudre peut comporter un matériau conducteur dans l'ensemble du volume duquel est dispersé un isolant.

Selon un autre aspect de la présente invention, il est prévu une bande du parafoudre servant à protéger une partie de carcasse d'avion vis-à-vis de la foudre, cette bande possédant une face intérieure destinée à être fixée à la surface extérieure de la partie de la carcasse et une surface extérieure comprenant une structure en forme de nervure allongée.

La structure en forme de nervure allongée peut être formée sur un bord de la bande ou entre les bords. La nervure forme une partie surélevée sur la surface extérieure du parafoudre de manière à empêcher l'eau de résider sur au moins une partie de la bande, cette eau tendant par ailleurs à réduire l'efficacité du parafoudre.

Une partie de la surface extérieure peut être inclinée en direction d'un bord de la bande. La partie inclinée peut être courbe, soit concave, soit convexe. Sinon, la partie inclinée peut être sensiblement plane. Avantageusement, la structure en forme de nervure sert non seulement à empêcher des pellicules d'eau de résider sur cette partie de la bande, mais sert également à accroître l'intensité du champ électrique au niveau de la surface extérieure du parafoudre de manière à contribuer à garantir le fait que la foudre s'applique de préférence à la bande plutôt qu'à n'importe quel autre endroit.

Dans une forme de réalisation particulière, la bande du parafoudre possède une section transversale de forme générale triangulaire sur au moins une partie de sa longueur.

D'autres formes de réalisation de la bande du parafoudre peuvent comporter l'une quelconque ou plusieurs des caractéristiques du parafoudre décrit précédemment, inclus avec ladite partie de carcasse de l'avion.

Selon un autre aspect de la présente invention, il est prévu une bande du parafoudre réalisée en un matériau possédant un coefficient de température positif de résistivité, présentant une résistance linéique en l'absence de courant comprise entre 0,02 et 2 mégohms par mètre entre -10"C et +5"C, et une résistivité présentant une variation fractionnelle, lorsque la température augmente, d'au moins 0,02"C-1 pour au moins une valeur de température lorsque le matériau est chauffé par un courant produit par la foudre.

D'autres formes de réalisation de la bande du parafoudre peuvent comprendre l'une quelconque ou plusieurs des caractéristiques du parafoudre décrit précédemment inclus avec la partie de carcasse d'avion.

Selon un autre aspect de la présente invention, il est prévu un procédé pour protéger une partie de carcasse d'avion vis-à-vis de la foudre, comprenant les étapes consistant à fixer à ladite partie de carcasse un parafoudre formé d'un matériau possédant un coefficient de température positif de résistivité, pour évacuer la foudre à partir de ladite partie de carrosserie.

D'autres formes de réalisation du procédé comprennent l'étape consistant à appliquer à ladite partie de carcasse un parafoudre qui comprend en outre l'une quelconque ou plusieurs des caractéristiques décrites précédemment en rapport avec le parafoudre contenu dans la partie de carcasse d'avion.

Le corps même de la présente invention réside dans le fait de prévoir un parafoudre constitué par un matériau possédant un coefficient positif de résistance en fonction de la température (PTC) et/ou un matériau comprenant un isolant ou un semiconducteur dans lequel sont dispersées des particules conductrices. Il est important que le matériau présente certaines propriétés dans les conditions prévues de fonctionnement et, tant que ce matériau présente ces propriétés, aucune limitation n'est imposée au choix du matériau.

Les propriétés, que le matériau doit présenter dans la gamme prévue de températures de fonctionnement, sont les suivantes.

(a) Pour une géométrie donnée du parafoudre, la résistance du matériau en l'absence d'un courant le traversant doit être suffisamment faible pour que l'amorce de la décharge de foudre s'applique de préférence au parafoudre plutôt qu'à la carcasse ou à la partie de carcasse devant être protégée.

(b) Dans le cas d'un matériau PTC, le coefficient de résistance du matériau lorsque la température augmente doit fournir une variation positive de résistance en présence du courant, suffisante pour établir un champ électrique à la surface du matériau, égal ou supérieur à celui nécessaire pour ioniser l'air avant que la température du matériau augmente à une valeur qui vaporise le matériau. Dans le cas d'un matériau comprenant un isolant ou un semiconducteur dans lequel sont dispersées des particules conductrices (qui peut être également un matériau PTC), le matériau doit produire des zones locales de champ électrique en présence de courant, suffisantes pour ioniser l'air au niveau de la surface du matériau, pour une valeur moyenne du courant traversant le matériau et qui peut être supportée par ce matériau sans endommagement substantiel.

La résistance initiale du parafoudre est choisie de manière à être inférieure à la résistance de la surface à laquelle il est fixé, dans la gamme de températures dans laquelle on désire protéger la carcasse vis-à-vis de la foudre. La plupart des décharges de foudre apparaissent à des températures comprises entre -10 C et +5"C, bien qu'elles puissent apparaître en dehors de cette gamme. La gamme des températures normales de fonctionnement pour un avion est comprise de façon typique entre -60 C et +50 C, bien qu'on puisse se situer en dehors de cette gamme, en fonction de la température ambiante et de la vitesse et de la forme de l'avion.La limite inférieure de résistivité de la surface de la carcasse à protéger peut être fixée par exemple par des pellicules superficielles d'eau ou de glace ou de peinture antistatique et possède une valeur située de façon typique dans la gamme de 0,02 à 2 mégohms par mètre.

On va décrire ci-après le principe de fonctionnement du parafoudre comprenant un matériau PTC.

Lorsque le parafoudre commence à véhiculer un courant pendant la phase d'application de l'amorce de la décharge de foudre, la température du parafoudre augmente en raison du chauffage par effet Joule. Lorsque le parafoudre a un coefficient positif de résistance en fonction de la température (PTC), l'augmentation de la température provoque un accroissement de la résistance, à une vitesse telle que le matériau atteint une valeur de résistance suffisante pour provoquer le développement d'un champ électrique à une valeur ou au-dessus de la valeur nécessaire pour ioniser l'air, avant que la température du matériau, due au chauffage par effet Joule, atteigne une valeur suffisante pour provoquer un endommagement irréversible du parafoudre ou vaporiser le matériau.Une fois que le champ électrique à la surface du matériau est suffisante pour ioniser l'air, le courant traversant le parafoudre est évacué de ce dernier et circule le long du trajet de conduction formé par l'air ionisé, pour aboutir de façon sûre à la masse.

Par conséquent, l'invention fournit un parafoudre, qui peut résister à de multiples coups de foudre, étant donné que le courant de retour n'est pas véhiculé par le parafoudre lui-même. En outre, étant donné que l'ionisation de l'air au-dessus du parafoudre ne dépend pas de la présence de disques conducteurs (comme avec le parafoudre segmenté), la surface du parafoudre peut être unie, sans ondulations dans lesquelles de l'eau ou d'autres polluants de surface peuvent être piégés, ce qui garantit d'une manière plus fiable qu'un champ ionisé est établi à la surface du matériau.

Dans une forme de réalisation préférée de l'invention, le parafoudre est réalisé sous la forme d'une bande allongée possédant une section transversale triangulaire. Avantageusement, la section transversale triangulaire forme une nervure au niveau de son sommet qui s'étend à l'extérieur, cette nervure intensifiant le champ électrique dans cette région pour garantir que la foudre s'applique au parafoudre et non à un quelconque autre emplacement, et optimise l'évacuation de pellicules de films d'eau qui peuvent être présents sur le parafoudre, en fonctionnement, et facilite le montage du parafoudre sur la surface de la partie de carcasse devant être protégée, tout en conservant une configuration relativement profilée.

D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description donnée ci-après, prise en référence aux dessins annexés, sur lesquels
- la figure 1 représente une pluralité de bandes de parafoudre conforme à une forme de réalisation préférée de l'invention, appliquée à un radôme d'avion;
- la figure 2 représente une vue à plus grande échelle de l'une des bandes de parafoudre représentées sur la figure 1;
- la figure 3 représente une vue en coupe transversale de la bande du parafoudre représentée sur la figure 2;
- la figure 4 représente une vue en coupe transversale d'une autre forme de réalisation d'une bande du parafoudre;
- la figure 5 représente une vue en coupe transversale d'une autre forme de réalisation d'une bande du parafoudre;;
- les figures 6a à 6d représentent le fonctionnement d'une forme de réalisation du parafoudre pendant la phase d'amorçage et la phase à courant intense; et
- la figure 7 représente un graphique de la caractéristique résistance - température d'un matériau PTC convenant pour une forme de réalisation de l'invention.

Une forme de réalisation du parafoudre comprend un polymère conducteur. Le polymère conducteur peut comporter par exemple un élastomère chargé de noir de carbone comme ,par exemple, de l'éthylène - acétate de vinyle 'EVA). Dans une forme de réalisation, le matériau est de l'éthylène - acétate de vinyle chargé de 10 à 25 pour cent en poids de carbone avec une surface spécifique faible, par exemple de l'ordre de 100 à 300 m2 par gramme.

Les matériaux ayant une surface spécifique supérieure ont tendance à ne pas présenter l'effet PTC.

De préférence, le matériau possède une résistance spécifique (de bloc) dans la gamme de 5 à 100 ohm.cm par exemple 20 ohm.cm. Le matériau possède un coefficient positif élevé de résistance avec la température, qui dépasse 2 pour cent par "C, par exemple dans la gamme de 8 pour cent par "C, au-dessus de la température normale de fonctionnement.

La résistance linéique initiale pour le parafoudre est modérément faible, par exemple dans la gamme de 0,02 à 2 mégohms par mètre, par exemple 0,1 mégohm par mètre et est choisie de manière à vaincre les effets conducteurs de la peinture antistatique et de pellicules d'eau sur la surface du radôme, sans interférer fortement avec la transmission HF.

Avantageusement, la surface en coupe transversale de la bande du parafoudre peut être aussi faible que 4 mm2.

Par conséquent, une quantité relativement faible du matériau est nécessaire pour fabriquer le parafoudre de sorte que ce dernier peut être léger et relativement bon marché et, en outre, présente une section transversale relativement faible pour le rayonnement électromagnétique transmis à travers le radôme. Avec cette surface en coupe transversale, la bande du parafoudre peut canaliser des impulsions de foudre de haute énergie d'environ 200 kiloampères, sans aucun endommagement superficiel du parafoudre.

En référence à la figure 1, on y voit représentée une pluralité de bandes de parafoudre 1 conformes à une forme de réalisation préférée de la présente invention, et qui sont disposées autour du radôme 3 du nez d'un avion, en s'détendant depuis la pointe 5 du nez jusqu'à l'arrière du radôme 7, niveau auquel elles sont en contact avec la coque ou la carcasse conductrice du fuselage d'avion 9.

Les figures 2 et 3 représentent, de façon plus détaillée, une forme de réalisation d'une bande de parafoudre 1. La bande de parafoudre 1 possède une section transversale triangulaire 11 qui forme une nervure 13 s'détendant sur la longueur de la bande 1. Avantageusement la nervure 13, qui dans cette forme de réalisation possède un faible rayon de courbure, sert à empêcher la formation de films d'eau ou d'autres dépôts tels que de la glace, sur cette partie de la bande 1. En outre, le faible rayon de courbure de la nervure 13 sert à intensifier et concentrer les champs électriques dans cette partie de la bande. Comme on peut le voir à partir de la figure 3, la partie supérieure 15 de la bande du parafoudre 1 est située audessous de la surface du film d'eau et/ou de la couche de glace 17, qui recouvre la surface du substrat 19 auquel est fixé le parafoudre 1. Ceci garantit que la foudre s'applique directement au parafoudre uniquement par l'intermédiaire de l'air. En outre, les surfaces exposées 21 et 23 situées de part et d'autre de la nervure 13 facilitent le positionnement de la nervure 1 sur la surface 4 du radôme ou sur une autre surface, sur laquelle elle doit être fixée.

Les figures 4 et 5 représentent chacune une autre géométrie en coupe transversale pour une bande de parafoudre 1. La géométrie représentée sur la figure 4 présente l'aspect d'un "T" renversé, la partie supérieure possédant une section transversale triangulaire 11, qui forme une nervure 13 dont le sommet possède à nouveau un faible rayon de courbure de manière à empêcher que des pellicules d'eau résident sur cette partie de la nervure 1.

Sinon, la partie supérieure de la nervure pourrait être plate. La hauteur "H" de la bande 1 est choisie de telle sorte qu'au moins une partie de la bande 1 est située audessus du niveau de la pellicule d'eau 17 recouvrant le substrat 19 auquel la bande 1 est collée ou fixée d'une autre manière. Avantageusement, la partie inférieure plane 25 de la bande 1 adjacente au substrat 19 possède une largeur suffisante pour fournir une bonne surface de contact avec le substrat 19, pour la solidité d'adhérence, alors que la partie supérieure 15 de la bande 1 forme une nervure 13 qui présente une surface en coupe transversale relativement faible pour l'écoulement d'air glissant, afin de réduire la traînée lorsque l'avion est en vol.

La géométrie en coupe transversale 11 de la bande 1 représentée sur la figure 5 est essentiellement triangulaire, les côtés 23, 21 du triangle, qui sont adjacents au sommet 13, étant convexes et le sommet 13 possédant un rayon de courbure inférieur à celui des côtés 23,21, de manière à former une nervure entre les bords 27,29 de la bande 1. La hauteur "H" de la bande 1 est dimensionnée de sorte qu'au moins une partie de la bande 1 est située au-dessus du niveau de la pellicule d'eau 17 recouvrant le substrat 19, sur lequel la bande 1 est collée ou fixée d'une autre manière.

Fonctionnement du parafoudre
On va maintenant décrire le fonctionnement détaillé du parafoudre en référence à la figure 6, qui représente les étapes d'application et de dérivation de la foudre, en référence à la figure 7, qui représente la courbe caractéristique résistance - température d'une forme de réalisation particulière formée d'un matériau approprié.

Le premier stade dans la phase d'application de l'amorce de la décharge de foudre est illustré sur la figure 6a, qui représente l'état du champ électrique en différents points sur et au voisinage du radôme 3 sur le nez d'un avion, juste avant un coup de foudre. Cet état initial peut être décrit en se basant uniquement sur l'électrostatique, c'est-à-dire qu'aucun courant ne circule dans le parafoudre 1. A ce stade initial, le radôme situé sur le nez est placé dans un champ électrique extérieur uniforme E. La présence du radôme modifie le champ électrique extérieur E au voisinage de ce radôme.L'état du champ électrique est tel que le champ électrique EA au niveau de l'extrémité 2 de la bande du parafoudre 1 est supérieur au champ électrique Eg au niveau de la pointe 5 du radôme 3 situé au niveau du nez, qui est supérieur au champ électrique de base E (c'est-à-dire que l'on EA > EB >
E).

L'étape supérieure de la phase de l'application de l'amorçe de la décharge est représentée sur la figure 6B, sur laquelle l'intensité de champ TA au niveau de l'extrémité 2 du parafoudre 1 atteint la valeur de seuil d'effet couronne (3 mégavolts par mètre au niveau de la mer) de sorte qu'une décharge par effet couronne s'établit au niveau de l'extrémité du parafoudre. Un courant i commence à circuler dans le parafoudre 1 et augmente avant l'application de l'amorce de la décharge de foudre.

Dans la troisième phase représentée sur la figure 6c, l'amorce de de la décharge de foudre se fixe au parafoudre 1. Simultanément, le champ électrique Eg au niveau de la pointe 5 du radôme 3 situé sur le nez commence à diminuer. La résistance de la bande du parafoudre 1 augmente rapidement en raison de l'effet PTC, et la chute de tension 6 V sur l'étendue en longueur du parafoudre augmente sous l'effet à la fois de l'augmentation du courant i traversant le parafoudre 1 et de l'augmentation de sa résistance en fonction de la température (sous l'effet d'un chauffage ohmique). Ce double accroissement de la chute de tension bV établit très rapidement, au niveau de la surface du parafoudre 1, un champ électrique qui est suffisant pur ioniser l'air.Par conséquent, un canal d'air ionisé est créé au-dessus de la surface du parafoudre.

La figure 6d représente la phase à courant intense, qui succède immédiatement à la création d'un canal d'air ionisé au-dessus de la bande du parafoudre, à la fin de la phase d'application de l'amorce de la décharge de foudre. Une fois que le canal d'air ionisé a été établi audessus de la bande du parafoudre, le courant produit par la foudre est éjecté du parafoudre 1 dans le canal d'air ionisé, qui fournit alors un trajet de conduction à faible résistance en direction de la masse (formé par la structure 9 de l'avion) pour transférer le coup de foudre à courant intense.

En se référant maintenant à la figure 7, le matériau particulier utilisé pour la bande du parafoudre était de l'éthylène - acétate de vinyle, imprégné par une poudre de carbone et était fabriqué à partir d'un lot désigné par "EXPO26" obtenu auprès de Whitaker Technical
Plastics Limites, Royaume Uni. La bande particulière testée possède une longueur de 345 mm. La caractéristique résistance - température du matériau représenté sur la figure 7 est subdivisée en trois régions distantes, qui représentent l'action de commutation du parafoudre.

Dans la région A, à gauche de la ligne en trait mixte 10, la bande du parafoudre possède une résistance linéique relativement faible, qui augmente graduellement depuis environ 0,06 mégohm par mètre à -60 C jusqu'à environ 0,15 mégohm par mètre à environ 5"C.

Dans la région B, qui est située entre les deux lignes en trait mixte 10 et 12, la résistance linéique du matériau augmente rapidement lorsque la température augmente depuis une température de transition située entre 0 et 10 C jusqu'à une température située entre 50 et 600C, à laquelle la résistance linéique est d'environ 7 mégohm par mètre. Par conséquent, dans la région B, la résistance augmente à un facteur égal à environ 50. La région B est la région active dans laquelle le matériau est commuté de façon effective d'un état de faible résistance à un état de résistance élevée.Dans cette région, le coefficient de résistance en fonction de la température est défini par
1 dR = = - ~ 0,081"C61
R dT
R étant la résistance linéique de la bande du parafoudre et dT/dT étant la relation de la résistance en fonction de la température.

Dans la région C, à droite de la ligne en trait mixte 12 sur la figure 7, la résistance du matériau atteint une valeur maximale comprise entre environ 60 et 80 e C, puis commence graduellement à diminuer lorsque la température augmente.

Le matériau, dont la caractéristique résistance température est représentée sur la figure 7, convient pour des applications dans l'aviation civile, dans lesquelles les températures de fonctionnement s'étagent de façon typique entre -60 et +20"C. Cependant la température à laquelle apparaissent la plupart des coups de foudre, est située entre -10 et +5"C. I1 est important que le parafoudre possède une résistance par rapport à la masse, à la température à laquelle apparaît un coup de foudre, qui soit suffisante pour que l'amorce de la décharge de foudre s'applique à la bande du parafoudre de préférence à n Importe quel autre site voisin, par exemple la surface à laquelle elle est fixée.Simultanément, la résistance doit être suffisamment élevée pour ne pas interférer fortement avec la transmission HF. Tous ces critères sont satisfaits dans la région A de la figure 7, dans laquelle le matériau possède une résistance relativement faible dans la gamme de températures à laquelle une décharge de foudre est la plus susceptible d'apparaître.

Dans le cas d'un coup de foudre situé quelque part dans la gamme de températures de la région A, un courant traversant la bande du parafoudre au cours de la phase d'application de l'amorce de la décharge, provoque un échauffement par effet Joule du matériau de sorte que la température de ce dernier augmente dans la région B. Pour la température de transition représentée par J sur la figure 7, la résistance du matériau augmente rapidement.

Lorsque le courant de l'amorce de la décharge augmente, la température et ,par conséquent, la résistance du matériau augmentent jusqu'à ce que, en un certain point, dans la région active B, le champ électrique le long de la surface de la bande atteigne le champ de claquage dans l'air (de façon typique 3MVm-1) et un trajet de conduction de faible résistance dans l'air ionisé se forme au-dessus de la bande. Le courant circulant dans la bande de parafoudre est alors injecté dans l'air ionisé, et le courant de retour, qui peut être de l'ordre de plusieurs kiloampères, est véhiculé de façon sûre jusqu'à la masse par le canal d'air ionisé. La température et,par conséquent,la résistance de la bande diminuent ensuite et reviennent par exemple dans la région A. Le parafoudre reste alors dans l'état de faible résistance en étant prêt à dériver un autre coup de foudre.Le courant, pour lequel une injection se produit, peut être de l'ordre de 50 ampères et le parafoudre peut être commuté de l'état à faible résistance à l'état de résistance élevée à une température d'environ 1 à 10 microsecondes.

Un aspect important d'isolants imprégnés de particules conductrices pour l'obtention de l'effet désiré réside dans la manière dont l'air situé à l'extérieur du matériau est ionisé. Les particules conductrices dispersées dans le matériau présentent des distances entre particules, qui varient à une échelle microscopique. C'est pourquoi, à une échelle microscopique, la résistance du matériau varie et possède des propriétés d'un réseau de percolation qui présente des caractéristiques de fractures. Par conséquent, lorsqu'un courant traverse le matériau, le champ électrique induit dans le moteur dans la direction du flux de courant varie également à une échelle microscopique. C'est pourquoi, le champ électrique nécessaire pour ioniser l'air apparaît tout d'abord dans les régions locales possédant une résistance relativement élevée.Etant donné que, sur une base statistique aléatoire, il existe un grand nombre de régions à résistance élevée dans le matériau, l'effet global est que le champ électrique nécessaire pour ioniser l'air est atteint pour une valeur du courant nettement inférieure au courant qui, sinon, serait nécessaire si la résistance dans l'ensemble du matériau était constante à une échelle microscopique. C'est pourquoi, le matériau crée un trajet de conduction ionisé au-dessus de sa surface, pour des niveaux de puissance modérément faibles, et bien avant que le matériau n'atteigne une température qui entraîne un endommagement du matériau ou entraînerait une vaporisation du matériau.

Si le matériau atteint une température supérieure à la région active (par exemple région B sur la figure 7), dans laquelle la résistance du matériau tend vers une valeur constante ou commence à diminuer, et le courant n'a pas encore été éjecté du matériau, il est improbable que le courant soit injecté dans cette région. Par conséquent, il est important que le matériau soit conçu de manière que l'événement formé par le coup de foudre se produise dans les régions A ou B, mais pas dans la région C. Si l'événement se produit dans la région B, de telle sorte que la résistance du matériau augmente d'un ordre de grandeur avant d'atteindre la température de la résistance maximale du matériau, la température de seuil est supérieure du matériau, par exemple comme indiqué par K sur la figure 7.

En outre, il est préférable que la résistance du matériau varie de deux ordres de grandeur dans la région active (région B).

Naturellement, lorsque la résistance du matériau augmente lorsque le parafoudre est actif, ce dernier a moins d'effet sur la transmission d'un rayonnement HF.

Bien que la forme de réalisation préférée du parafoudre soit une bande linéaire, le parafoudre peut être réalisé avec n'importe quelle autre forme appropriée. En outre, le parafoudre peut posséder n'importe quelle géométrie en coupe transversale appropriée, par exemple une forme carrée, rectangulaire, circulaire, semi-circulaire, polygonale, etc., bien que la forme triangulaire soit préférée pour les raisons indiquées précédemment.

Le parafoudre peut être appliqué à n'importe quelle partie d'un avion, où il est souhaitable qu'il soit appliqué, par exemple, la queue ou les pointes des ailes, et sa forme peut être adaptée de façon appropriée.

Le parafoudre peut être également utilisé dans d'autres applications, par exemple pour un autre objet aérien, comme par exemple des missiles, des fusées et des ballons atmosphériques et peut être également utilisé pour protéger des installations basées au sol.

Des modifications pouvant être apportées aux différentes formes de réalisation du parafoudre ici décrit apparaîtront au spécialiste de la technique.

Claims (33)

REVENDICATIONS

1. Partie de carcasse d'avion comportant tin parafoudre (1) pour la protéger vis-à-vis de la foudre caractérisée en ce que le parafoudre (1) est forme dun matériau possédant un coefficient de température positif de résistivité dépassant celui d'un matériau métallique.

2. Partie d'avion selon la revendication 1 caractérisée en ce que la résistivité dudit matériau dU parafoudre (1) en l'absence de courant est choisie de telle sorte qu'une décharge de foudre s'applique de préférence au parafoudre plutôt qu'à la partie de l'avion, à laquelle le parafoudre est fixé.

3. Partie d'avion selon l'une des revendicationfl 1 ou 2, caractérisée en ce que la résistivité du matériau du parafoudre (1) augmente, lorsque le courant produit par la foudre circule dans ce matériau, à une valeur telle que le champ électrique dans la direction du flux de courant est suffisante pour ioniser 1'air au-dessus du matériau avant que le courant devienne suffisamment élevé pour vaporiser le matériau.

4. Partie d'avion selon la revendication 3 caractérisée en ce que la résistivité dudit matériau du parafoudre (1) présente, lorsque la température augmente une variation fractionnelle d'au moins 0,02'C'' pour au moins une valeur de température atteinte lorsque le matériau est chauffé par le courant produit par la foudre.

5. Partie d'avion selon l'une des revendicationfl 3 ou 4, caractérisée en ce que la résistivité du parafoudre (1) varie d'un facteur égal à au moins 10 lorsque le matériau est chauffé par un courant produit par la foudre.

6.Partie d'avion selon la revendication s caractérisée en ce que ledit facteur est égal à au moinn 100.

7. Partie d'avion selon l'une quelconque dofl revendications 1 & 6, caractérisée en ce que ledit parafoudre (1) possède une résistivité initiale en l'absence de courant, choisie de telle sorte qulufle décharge de foudre s'applique de préférence au parafoudre, plutôt qu'à ladite pièce, à au moins des températures comprises entre -l0'C et +5-c.

8. Partie d'avion selon l'une quelconque des revendications 1 h 7, caractérisée en ce que le parafoudre (1) est formé par une bande du matériau et possède utie résistance linéique entre -10 C et +5*C, se situant entre 0,02 et 2 megohms par mètre en l'absence de courant.

9. Partie d'avion selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que ledit parafoudre (1) comprend un matériau isolant dans lequel sont dispersées de particules conductrices.

10. Partie d'avion selon la revendication 9* caractérisée en ce que ledit matériau isolant comprend un élastomère.

11. Partie d'avion selon la revendication 10 caractérisée en ce que ledit élastomère est de l'éthylêne- acétate de vinyle.

12. Partie d'avion selon l'une quelconque des revendications 9 à 11, caractérisée en ce que lesdites particules conductrices comprennent du carbone.

13. Partie d'avion selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que ledit parafoudre (1) comprend un matériau semiconducteur dans lequel sont dispersées des particules conductrices.

14. Partie d'avion selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisée en ce que ledit parafoudre (1) possède la forme d'une bande, la bande ayant une face intérieure utilisée pour sa fixation à la surface extérieure de la partie de carcasse et une surfs extérieure (21,23) incluant une structure en forme de nervure allongée (13).

15. Partie d'avion selon la revendication 14 caractérisée en ce que la bande possède une 8eCtid transversale (11) de forme générale triangulaire sut au moins une partie de sa longueur.

16. Partie d'avion selon l'une des revendications 14 ou 15, caractérisée en ce qu'au moins une partie de ladite surface extérieure (21,23) est courbe en coupe transversale.

17. Partie d'avion selon la revendication 14 ou 15, caractérisée en ce que la largeur de ladite bande ont comprise entre 0,5 mm et 5 mm.

18. Partie d'avion selon l'une quelconque den revendications 1 à 17, caractérisée en ce que ladite partie de carcasse est un radôme (3), une aile, une queue de fuselage, un aileron de queue ou un empennage arrière.

19. Bande de parafoudre (1) servant à protéger une partie de carcasse d'avion vis-à-vis de la foudre, caractérisée en ce que cette bande possède une face inférieure destinée à etre fixée à la surface supérieure de la partie de carcasse et une surface extérieure (21, 23) comportant une structure en forme de nervure allongée (i3).

20. Bande de parafoudre (1) selon la revendication 19, caractérisée en ce que ladite bande possède une section transversale (11) de forme générale triangulaire sur au moins une partie de sa longueur.

21. Bande de parafoudre (1) selon l'utie des revendications 19 ou 20, caractérisée en ce qu'au moins une partie de ladite surface extérieure (21,23) possède une section transversale courbe.

22. Bande de parafoudre (1) selon l'une quelconque des revendications 19 à 21, caractérisée en outre en ce quelle comporte les caractéristiques du parafoudre défini dans l'une des revendications l à 13 ou17.

23. Bande de parafoudre (1) caractérisée on qu'elle est réalisée en un matériau possédant uti coefficient de température positif de réslstltit4 possédant une résistance linéique en 1'absence de courant comprise entre 0,02 et 2 megohms par mètre entre -lO*C et SC, et une résistivité possédant une variation fractionnelle lorsque la température augmente, d'au moitin 0,02'C-1 pour au moins une valeur de la température lorsque le matériau est chauffé par le courant produit par la foudre.

24. Bande de parafoudre (1) selon la revendication 23, caractérisée en outre en ce que comporte les caractéristiques du. parafoudre défini dans l'une des revendications 1 à 7 ou 9 à 17.

25. Parafoudre (1) disposé au voisinage d'une carcasse devant etre protégée vis-à-vis de la foudre5 caractérisé en ce qu'il comprend un matériau dont. la composition est essentiellement homogène à l'échelle macroscopique et qui permet d'établir un champ électrique suffisant pour ioniser l'air adjacent au parafoudre lorsque ce dernier conduit le courant électrique.

26. Parafoudre (1) selon la revendication 25* caractérisé en ce que la résistance du matériau augmente au-deld de celle de 1'air ionisé lorsque le parafoudre conduit un courant produit par la foudre.

27. Parafoudre (1) selon l'une des revendicationn 25 ou 26, caractérisé en ce que le parafoudre comprend titi matériau composite.

28. Parafoudre (1) selon l'une quelconque des revendications 25 à 27, caractérisé en ce que le parafoudre comprend un matériau possédant un coefficient de température positif de résistivité, dépassant celui d'un matériau métallique.

29. Parafoudre (1) selon 1'une quelconque des revendications 25 à 28, caractérisé en ce que le parafoudre comprend les caractéristiques du parafoudre défini dans l'une des revendications 2 à 24.

30. Parafoudre (1) disposé au voisinage d'une carcasse (9) devant être protégée vis-à-vis de la foudre, caractérisé en ce qu'il comprend un matériau isolant AU semiconducteur dans le volume duquel sont dispersées dos particules conductrices, ledit matériau étant apte & BR< établir un champ électrique suffisant pour ioniser litait adjacent au parafoudre lorsque ce dernier conduit un courant produit par la foudre.

31. Procédé pour protéger une partie de carcasSe d'avion (9) vis-à-vis de la foudre, caractérisé en ce qull comprend l'étape consistant à monter sur ladite partie de carcasse un parafoudre (1) formé d'un matériau possédant un coefficient de température positif de résistivité dépassant celui d'un matériau métallique pour écarter la foudre de ladite partie de carcasse.

32. Procédé selon la revendication 31 caractérisé en ce que le parafoudre (1) présente les caractéristiques du parafoudre défini dans l'une quelconque des revendications 2 à 30.

33. Procédé selon l'une des revendications 31 ou 32, caractérisé en ce que ladite partie de la carcasse d'avion (9) comprend un radôme (7), une aile, une section de queue de fuselage, un aileron arrière ou un empennage.