FR2924687A1 - Systeme parafoudre et aeronef comportant un tel systeme - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un système parafoudre pour structure composite ayant une surface externe (10) destinée à être soumise à un écoulement d'air, ledit système comprenant au moins une bande électriquement conductrice (13) et des fixations de ladite bande à ladite structure.Selon l'invention,- la structure comportant des trous destinés à recevoir lesdites fixations, au moins certaines de ces fixations comprennent un élément d'attachement (15) de la foudre à cette structure,- l'élément d'attachement (15) est destiné à être inséré dans le trou en ayant sa partie supérieure sensiblement au niveau de la surface externe (10) de cette structure, l'élément d'attachement (15) étant en contact électrique avec la bande électriquement conductrice (13), et- au moins une partie de la bande électriquement conductrice (13) est destinée à être placée dans l'épaisseur de la structure en étant reliée (20) à la masse.
Description
Système parafoudre et aéronef comportant un tel système La présente invention concerne un système parafoudre pour structure composite, en particulier des panneaux comportant une âme centrale légère telle qu'une âme en nid d'abeille. Elle est notamment adaptée à la protection contre le foudroiement du radôme ou du fuselage d'un aéronef.
Les structures sandwich en matériau composite présentent des propriétés, notamment mécaniques, exceptionnelles. Elles combinent une résistance élevée aux contraintes mécaniques et/ou thermiques et une forte rigidité pour une masse minimale. Ces structures sont donc largement mises en oeuvre dans l'industrie spatiale (satellites, sondes, lanceurs) et dans l'industrie aéronautique (radôme, trappes, bords d'attaque, ailerons, etc ). Toutefois, il est connu que ces structures sont vulnérables au foudroiement si elles ne sont pas proprement reliées à la masse. Les courants électriques de forte densité qui traversent alors ces structures composites peuvent endommager sérieusement celles-ci et conduire, par exemple, à un délaminage. Le cas du radôme est encore plus critique puisque par définition, il ne peut pas intégrer les dispositifs classiques d'écoulement du courant foudre, tels qu'un grillage métallique inséré dans la surface de structure, lesquels sont interdits de par les exigences de transparence vis-à-vis des ondes radar.
On connaît des moyens permettant de dissiper l'énergie de la foudre pour protéger ces structures en cas de foudroiement. La Figure 1 montre un tel moyen de dissipation de l'énergie de la foudre de l'art antérieur. Des bandes parafoudres 1 typiquement en aluminium ou en cuivre sont disposées à la surface externe 2 du radôme 3 d'un avion. Ces bandes 1 sont fixées sur le radôme par des organes de fixation 4 du type vis. Chaque bande parafoudre 1 est électriquement reliée à la surface externe 2 du radôme 3 pour permettre l'écoulement des charges électrostatiques qui s'y accumulent. La pièce 5 dans laquelle la vis 4 vient se loger pour fixer la bande 1 est en plastique isolant. Chaque bande 1 est également reliée à la jonction du fuselage de l'avion pour assurer sa mise individuelle à la masse. Ainsi un arc foudre frappant cette bande 1 voit son énergie évacuée vers la masse sans affecter aucun autre élément du radôme. Bien que ce moyen de dissipation de l'énergie donne de bons résultats, il a été observé des perturbations 6 dans l'écoulement de l'air 7 incident sur le radôme 3, lesquelles sont causées par les saillies formées par les bandes parafoudres 1 à la surface externe 2 du radôme (Fig. 1 b). Or, le radôme lorsqu'il constitue le "nez" d'un avion a une forme généralement conique pour assurer une bonne pénétration dans l'air, et contribue, par conséquent, grandement à l'aérodynamisme de cet avion. Ces perturbations aérodynamiques 6 génèrent une traînée augmentée notamment par le déclenchement de la transition de l'écoulement laminaire à turbulent, et par la même, une augmentation très sensible de la consommation en carburant de l'avion, ce qui est incompatible avec les exigences économiques des compagnies de transport aérien. De plus, lors d'un foudroiement sévère d'une bande parafoudre, on peut observer un endommagement de celle-ci, avec par exemple une fusion superficielle de la vis de fixation de cette bande. La maintenance du radôme nécessite alors la dépose de celui-ci pour démonter et remplacer la bande endommagée. Il serait donc intéressant de disposer d'un système de protection du 25 radôme d'un avion contre la foudre permettant de réduire la traînée pour réaliser un gain de masse en carburant important. L'objectif de la présente invention est donc de proposer un système parafoudre d'une structure composite dont la surface externe est soumise à un écoulement d'air, simple dans sa conception et dans son mode opératoire, 30 permettant de s'assurer d'une dissipation totale de l'énergie d'un impact foudre sans endommagement de la structure et sans perturbation dans l'écoulement d'air à proximité de cette pièce. A cet effet, l'invention concerne un système parafoudre pour structure composite ayant une surface externe destinée à être soumise à un écoulement 35 d'air, ledit système comprenant au moins une bande électriquement conductrice et des fixations de cette bande à cette structure. Selon l'invention, - la structure comportant des trous destinés à recevoir les fixations, au moins certaines de ces fixations comprennent un élément d'attachement de la foudre à cette structure, - l'élément d'attachement est destiné à être inséré dans le trou en ayant sa partie supérieure sensiblement au niveau de la surface externe de la structure, l'élément d'attachement étant en contact électrique avec la bande électriquement conductrice, et - au moins une partie de la bande électriquement conductrice est destinée à être placée dans l'épaisseur de la structure en étant reliée à la masse.
On entend par "partie supérieure sensiblement au niveau de la surface externe de la structure" que cette partie supérieure est au même niveau que la surface externe de la structure, c'est à dire que l'extrémité supérieure de l'élément d'attachement est au niveau, ou contiguë, à la surface externe de la structure aux tolérances d'assemblage près.
Ce système peut avantageusement être mis en oeuvre sur tout type de structure composite, qu'elle soit monolithique, simple sandwich ou multisandwich. Dans différents modes de réalisation particuliers de ce système parafoudre, chacun ayant ses avantages particuliers et susceptibles de nombreuses combinaisons techniques possibles : - l'élément d'attachement de la foudre à la structure est un plot conducteur monobloc comprenant dans sa partie inférieure une portion de tige filetée, cette portion étant destinée à passer au travers d'un perçage de la bande, La bande conductrice électriquement ayant une épaisseur e et une largeur I, la section de la tige filetée peut être au moins égale à I x e. De préférence, cette section de la tige filetée sera égale à la section de la bande électriquement conductrice. Le diamètre de la tige filetée est au minimum de 6,35 mm afin de conduire efficacement le courant foudre. - le système comprend un fourreau ayant un axe longitudinal, ce fourreau étant destiné à être intégré dans l'épaisseur de la structure composite pour recevoir la bande électriquement conductrice de manière à isoler électriquement celle-ci et à renforcer la tenue mécanique de la structure composite, Ce fourreau étant un fourreau composite, il est typiquement inséré au drapage et co-cuit avec la structure composite. Avantageusement, les matériaux et procédés mis en oeuvre pour la fabrication de ces fourreaux permettront de : • pénaliser le moins possible les performances radioélectriques du radôme lorsque ce dernier comporte des structures composites de l'invention, • d'assurer l'isolation électrique de la bande électriquement conductrice vis à vis de l'antenne radar que protège ce radôme, • de conserver des performances mécaniques équivalentes à une structure classique sandwich lorsque la structure composite est équipée d'un tel système parafoudre. - le fourreau est un profilé composite comportant des fibres choisies dans le groupe comprenant les fibres de verre, les fibres de quartz et des combinaisons de ces éléments, de sorte à générer peu de perturbations radioélectriques. Ces fibres présentent l'avantage d'avoir un coefficient de réflexion des ondes radioélectriques moins élevé que d'autres matériaux tels que des structures métalliques de manière à pénaliser le moins possible les performances radioélectriques d'un radôme. - le système comporte des pastilles électriquement conductrices destinées à être placées dans des logements sur la surface externe de la structure, ces logements étant sensiblement alignés et régulièrement espacés ou non entre deux fixations consécutives pour faciliter le balayage de l'arc foudre entre les éléments d'attachement de la foudre à la structure, - le système comporte un grillage métallique destiné à être intégré dans l'épaisseur de la paroi délimitant la surface externe de ladite structure, ce grillage étant alors destiné à être en contact électrique avec les éléments d'attachement de la foudre. L'invention concerne également un panneau comprenant au moins une structure composite monolithique, équipé d'un système parafoudre tel que décrit précédemment. On entend par "monolithique", une feuille ou plaque à pli unique ou composé de plusieurs plis associés ou solidarisés directement les uns aux autres, sans interposition d'une âme légère tel qu'en matériau alvéolaire, comme dans le cas de la structure sandwich. Dans un mode de réalisation particulier, ce panneau composite monolithique comporte une première peau formant la paroi externe du panneau et une seconde peau formant la partie interne du panneau. Les peaux constituant le panneau sont, par exemple, réalisées en matériaux composites.
L'invention concerne encore un panneau comprenant au moins deux parois disposées respectivement sur des faces opposées externes d'une âme, ce panneau étant équipé d'un système parafoudre tel que décrit précédemment. L'âme peut être en matériau alvéolaire tel qu'un nid d'abeille, ou en mousse. De préférence, le panneau comportant une structure composite monolithique, sandwich ou multi-sandwich, comprend dans son épaisseur un fourreau ayant un axe longitudinal. Ce fourreau sert de logement à au moins une partie de la bande électriquement conductrice de manière à isoler électriquement celle-ci et à renforcer la tenue mécanique de la structure composite. A titre purement illustratif, dans le cas d'une structure sandwich, le fourreau peut être placé entre les parois disposées de part et d'autre de l'âme, dans un évidemment de cette dernière. Le fourreau est alors solidaire de ces parois et de l'âme. Il est par exemple inséré au drapage et co-cuit avec la structure composite lors de sa fabrication. L'invention concerne un radôme équipé d'au moins un panneau tel que décrit précédemment. De préférence, la position de la bande électriquement conductrice dans le sens de la largeur du panneau peut varier d'un panneau à un autre de sorte que les bandes parafoudres du radôme respectent un espacement donné entre elles pour pénaliser le moins possible ses performances radioélectriques. L'invention concerne enfin un aéronef équipé d'au moins un panneau tel que décrit précédemment. A titre illustratif, ce panneau peut faire partie du carénage de l'aéronef ou 25 du radôme. L'invention sera décrite plus en détail en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 montre un exemple de moyen de dissipation de l'énergie de la foudre de l'art antérieur monté sur un panneau d'un radôme, la Fig. 1 a) montrant 30 une vue en coupe de ce panneau et la Fig. 1 b), une vue partielle en perspective de ce panneau schématisant les écoulements d'air à sa surface ; - la figure 2 est une représentation schématique en coupe longitudinale d'un panneau équipé d'un système parafoudre selon un premier mode de réalisation de l'invention ; 35 - la figure 3 est une vue en coupe transversale du panneau de la Figure 2 ; - la figure 4 est une représentation schématique d'un panneau équipé d'un système parafoudre selon un mode de réalisation préféré de l'invention ; Les Figures 2 et 3 montrent un panneau équipé d'un système parafoudre selon un premier mode de réalisation de l'invention. Le panneau comporte une structure sandwich de coeur comprenant deux parois 10, 11 disposées respectivement sur des faces opposées externes d'une âme en nid d'abeilles 12.
Ces parois 10, 11 sont des armatures en composite. Les composites peuvent être choisis dans le groupe, donné à titre non limitatif, comprenant les composites de verre, les composites de silice, les composites de carbure de silicium, les composites de quartz, les composites de basalte, les fibres aramides ou tout autre composite ayant des propriétés diélectriques adaptées.
L'âme en nid d'abeilles 12 est, par exemple, réalisée à partir d'aramide. Les fibres d'aramide présentent, en effet, une faible inflammabilité, une grande résistance à la rupture et un haut module d'élasticité. Ce panneau est un élément constitutif d'un radôme et sa paroi supérieure 10, dite paroi externe, est destinée à être exposée à un écoulement d'air.
Le panneau est équipé d'un système parafoudre comprenant une bande électriquement conductrice 13 ayant un axe longitudinal 14 et des fixations de cette bande 13 au panneau. La section des bandes électriquement conductrices 13 est conditionnée par deux critères, à savoir le choix du matériau utilisé et l'impact de la présence de ces bandes sur les performances radioélectriques. A titre purement illustratif, un état de l'art du minimum exigé permettant un bon passage du courant de foudre dans la bande est de 20 mm2 pour des bandes en cuivre et de 30 mm2 pour des bandes en aluminium. Les fixations comprennent chacune un élément d'attachement 15 de la 25 foudre au panneau inséré dans un évidemment débouchant et prévu à cet effet dans l'épaisseur du panneau. L'élément d'attachement 15 de la foudre au panneau est ici un plot conducteur monobloc comprenant dans sa partie inférieure une portion de tige filetée. Cette portion de tige filetée est destinée à passer au travers d'un perçage 30 de la bande électriquement conductrice 13 de sorte qu'un écrou 17 faisant partie des fixations et venant en appui sur la face opposée de cette bande assure sa fixation. Cet écrou 17 peut être réalisé en plastique isolant tel qu'une résine acétal ou un polycarbonate. La résine acétal Delrin commercialisée par la société 35 Dupont de Nemours est particulièrement adaptée à la présente invention. L'écrou 17 contribue à isoler électriquement la bande électriquement conductrice 13, ou bande parafoudre, de l'antenne radar que protège le radôme.
Chaque plot conducteur 15 comporte une portion cylindrique intermédiaire 16 reliant la partie inférieure à sa partie supérieure 18. Cette partie supérieure 18 présente la forme d'un tronc de cône inversé de sorte que la base de cette partie tronconique forme la surface externe supérieure du plot conducteur.
Les plots conducteurs 15 assurant la fixation de la bande électriquement conductrice 13 sont de préférence placés le long de l'axe longitudinal 14 de celle-ci. Les plots conducteurs 15 peuvent être réalisés dans un matériau métallique choisi dans le groupe comprenant le cuivre, l'acier inoxydable et l'aluminium. Le panneau comporte également un fourreau composite 19 servant de logement à une partie de la bande électriquement conductrice 13. Ce fourreau composite 19 qui est placé dans l'épaisseur du panneau, comporte des perçages pour le passage d'une partie du corps des éléments d'attachement de la foudre 15 au panneau et pour la liaison de la bande électriquement conductrice 13 à ces éléments par les écrous isolants 17.
Le fourreau composite 19 est placé entre les parois 10, 11 dans un évidemment réalisé dans l'âme 12 puis est co-cuit avec la structure sandwich formant le panneau pour assurer la solidarisation de celui-ci auxdites parois 10, 11 et à l'âme 12. Une portion de la bande électriquement conductrice 13 sort du panneau du coté opposé à la surface du panneau 10 destinée à être exposée à un écoulement d'air. Cette portion est destinée à être mise à la masse en étant reliée 20 par exemple à la base du radôme au fuselage de l'aéronef. La bande électriquement conductrice 13 est donc placée à l'intérieur du radôme et ne vient plus perturber l'écoulement de l'air sur la surface externe 10 du panneau. De plus, le plot conducteur 15 est placé dans le trou du panneau de sorte que sa partie supérieure 18 affleure avec la paroi externe 10 du panneau, c'est-à-dire que cette surface externe supérieure soit de même niveau que la surface externe 10 du panneau. Par conséquent, un écoulement d'air incident sur le panneau ne "voit" qu'une surface sensiblement uniforme et cet écoulement peut ainsi rester laminaire. La figure 4 est une vue partielle et en perspective d'un panneau équipé d'un système parafoudre selon un deuxième mode de réalisation de l'invention. Les éléments portant les mêmes références que ceux des Figures 2 et 3 représentent les mêmes objets. Le panneau de la figure 5 se distingue de celui des Figures 2 et 3 en ce que la paroi 10 délimitant la surface externe du panneau comporte un grillage métallique 21 dans son épaisseur. Ce grillage 21 est en contact électrique avec les éléments d'attachement 15 de la foudre au panneau.
Typiquement, la peau 10 comportant un ensemble de plis, le grillage métallique 21 est placée sous le premier pli externe de cette peau en s'étendant longitudinalement le long de la bande électriquement conductrice 13. Ce grillage 21 peut être réalisé en bronze.
Le système parafoudre peut comporter de plus une bande à pastilles 22 comportant une juxtaposition de pastilles électriquement conductrices telles que des pastilles métalliques, de faibles dimensions, typiquement 5 mm de diamètre, sensiblement alignées et espacées d'un petit entrefer, couramment 1 à 3 mm. Cette bande à pastilles 22 placée entre deux éléments d'attachement 15 de la foudre au panneau, permet un guidage le l'arc foudre par ionisation de l'air entre chaque pastille entre les éléments d'attachement de la foudre 15 au panneau. La figure 4 montre un système parafoudre équipé d'une seule bande à pastilles 22 mais il pourrait bien entendu en comporter plusieurs.
Claims (10)
1. Système parafoudre pour structure composite ayant une surface externe (10) destinée à être soumise à un écoulement d'air, ledit système comprenant au moins une bande électriquement conductrice (13) et des fixations de ladite bande à ladite structure, caractérisé en ce que -ladite structure comportant des trous destinés à recevoir lesdites fixations, au moins certaines desdites fixations comprennent un élément d'attachement (15) de la foudre à ladite structure, - ledit élément d'attachement (15) est destiné à être inséré dans ledit trou en ayant sa partie supérieure sensiblement au niveau de la surface externe (10) de ladite structure, ledit élément d'attachement (15) étant en contact électrique avec ladite bande électriquement conductrice (13), et en ce que - au moins une partie de ladite bande électriquement conductrice (13) est destinée à être placée dans l'épaisseur de ladite structure en étant reliée (20) à la masse.
2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit élément d'attachement (15) de la foudre à ladite structure est un plot conducteur monobloc comprenant dans sa partie inférieure une portion de tige filetée, ladite portion étant destinée à passer au travers d'un perçage de ladite bande (13).
3. Système selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend un fourreau (19) ayant un axe longitudinal, ledit fourreau étant destiné à être intégré dans l'épaisseur de ladite structure composite pour recevoir ladite bande électriquement conductrice (13) de manière à isoler électriquement celle-ci et à renforcer la tenue mécanique de ladite structure composite.
4. Système selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit fourreau (19) est un profilé composite comportant des fibres choisies dans le groupe comprenant les fibres de verre, les fibres de quartz et des combinaisons de ces éléments de sorte à générer peu de perturbations radioélectriques.
5. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte des pastilles (22) électriquement conductrices destinées à être placées dans des logements sur la surface externe de ladite structure, lesdits logements étant sensiblement alignés et régulièrement espacés ou non entredeux fixations consécutives pour faciliter le balayage de l'arc foudre entre lesdits éléments d'attachement de la foudre (15) à ladite structure.
6. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ledit système comporte un grillage métallique (21) destiné à être intégré dans l'épaisseur de la paroi (10) délimitant la surface externe de ladite structure, ce grillage (21) étant alors destiné à être en contact électrique avec lesdits éléments d'attachement (15) de la foudre.
7. Panneau comprenant au moins une structure composite monolithique équipé d'un système parafoudre selon l'une quelconque des revendications 1 à 6.
8. Panneau comprenant au moins deux parois (10, 11) disposées respectivement sur des faces opposées externes d'une âme (12), ledit panneau étant équipé d'un système parafoudre selon l'une quelconque des revendications 1 à 6.
9. Radôme équipé d'au moins un panneau selon la revendication 7 ou 8.
10. Aéronef équipé d'au moins un panneau selon la revendication 7 ou 8.
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