Etat de l’art des sectionneurs pyrotechniques

La plupart des sectionneurs pyrotechniques sont basés la génération de gaz pour rompre directement une connexion ou mettre en mouvement un objet tranchant venant sectionner un câble ou une connexion. Mais d’autres systèmes existent, tels que les fusibles pyrotechniques et seront donc présentés dans ce rapide état de l’art. Ces différents types de sectionneurs sont utilisés dans de nombreux domaines comme l’architecture, les travaux de construction, de démolition, de transport, de libération de mines et la sécurité des personnes.

IV.2.2.1.Fusible pyrotechnique

Le principe du fusible pyrotechnique est d’utiliser une composition pyrotechnique comme élément de sectionnement et ne nécessite donc pas de commande extérieure pour déclencher son actionnement.

La composition pyrotechnique, sensible à la chaleur, est placée soit très proche du composant, soit joue le rôle de filament. Ainsi, lorsque la température du composant en défaut (concentration de courant par exemple) excède la température d’initiation de la composition cette dernière s’initie et déconnecte le composant du reste du circuit. Par exemple, un brevet de 2016 [99] présente un composant électronique de puissance incluant une sécurité de type fusible pyrotechnique. Le but dans ce brevet est de couper une connexion électrique de manière autonome, sans commande externe de déclenchement, en déposant de la nitrocellulose (température d’initiation 160-180 °C) sur le composant (cf. Figure IV.2). En cas de défaut lors de son fonctionnement, une concentration de courant provoque l’échauffement de la nitrocellulose puis son initiation et en conséquence la coupure de connexion comme schématisée sur la Figure IV.2 (b) et (c).

Pour ces dispositifs, le temps de sectionnement n’est pas contrôlable précisément car il dépend de la composition utilisée et plus particulièrement de sa température d’initiation et de sa réactivité mais aussi du défaut et de l’augmentation de température en résultant. Dans ce brevet, les temps d’actionnement sont estimés entre la µs – 100 µs.

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Figure IV.2 : Schéma d’un fusible pyrotechnique [99]. Schéma du fonctionnement du fusible (a) avant et (b) après le sectionnement.

En résumé, les fusibles pyrotechniques sont intéressants car très simples à mettre en œuvre, totalement autonomes en énergie. De plus, en choisissant bien la composition pyrotechnique ils peuvent assurer des temps de sectionnement très rapides. Cependant, l’inconvénient principal réside dans l’utilisation de composition pyrotechnique, sensible à l’environnement et se déclenchant à basse température ce qui nécessite des précautions de fabrications et de stockage. Enfin, ils ne peuvent pas assurer toutes les fonctions de sectionnement car ils ne sont pas assez puissants.

IV.2.2.2.Cisaille pyrotechnique

Les premières cisailles pyrotechniques datent des années 1950 et les premiers brevets déposés sont relatifs à la coupure de ligne de parachute [100], [101]. Des enrouleurs de lignes étaient utilisés afin d’éviter l’ouverture rapide du parachute limitant ainsi la décélération subie lors de l’ouverture. Un sectionneur permet de rompre l’enrouleur pour réaliser l’ouverture complète du parachute. Pour cela, un actionneur pyrotechnique est utilisé pour mettre en mouvement un élément coupant. Le sectionnement, c’est-à-dire le temps entre l’envoi de la commande à l’actionneur et la rupture, dépend ici encore de la composition pyrotechnique utilisée mais aussi de la configuration du système. Dans cette application aux parachutes, le sectionnement est réalisable en quelques secondes.

Plus récemment, en 2016, un brevet propose un sectionneur pour les applications dans le domaine de l’automobile [102]. Ce dernier est positionné sur des câbles électriques reliés à la batterie afin de les rompre lors d’un accident et ainsi assurer l’intégrité des autres parties du

véhicule. Cette invention présente un composant, relativement compact (volume < 110 cm3),

avec des temps d’actionnement rapides (< 5 ms). Un actionneur pyrotechnique, comprenant un initiateur électrique, génère des gaz dans une chambre de combustion. Sous l’effet de la

CONCEPTION ET FABRICATION D’UN SECTIONNEUR

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pression, la charge pyrotechnique propulse le couteau contre l’enclume qui rompt par cisaillement la piste conductrice comme présenté schématiquement sur la Figure IV.3.

La forme et la dimension du sectionnement varient selon les applications mais le principe de la cisaille reste assez générique. La Figure IV.3 présente un schéma typique de fonctionnement d’une cisaille pyrotechnique.

Figure IV.3 : Schémas d’une cisaille pyrotechnique (a) avant et (b) après sectionnement.

De nos jours les cisailles pyrotechniques sont couramment utilisées dans les parachutes (libération du parachute de secours), dans les lanceurs (libération et mise en service d’un satellite) et autres domaines variés nécessitant une découpe nette et/ou rapide. Le principe restant toujours la mise en mouvement d’un couteau par un système pyrotechnique comprenant une charge pyrotechnique et des initiateurs. La charge pyrotechnique est souvent composée d’une composition d’allumage, suivie d’une composition secondaire génératrice de gaz. Le choix de la composition secondaire dépend des propriétés et de la vitesse d’actionnement souhaitées.

En résumé, la cisaille pyrotechnique largement utilisées dans de nombreux domaines (automobile, aérospatial, bâtiment, ...), permet de rompre un câble en moins de 5 ms avec une

fiabilité supérieure à 99 %. Elle reste un dispositif volumineux (> 40 cm3) pour répondre à

notre cahier des charges. Ce volume est principalement lié à la taille du couteau et au volume de composition pyrotechnique à embarquer pour assurer des sectionnements puissants. Toutefois, pour sectionner de petites connexions, il n’est pas nécessaire de mettre en mouvement un couteau et la génération de gaz peut être suffisante comme présenté ci- dessous.

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IV.2.2.3.Sectionnement par génération de gaz

Le principe de ces sectionneurs à générateurs de gaz est très similaire aux cisailles

pyrotechniques sauf que, dans ce cas, le gaz généré ne permet pas de déplacer un couteau mais de rompre directement la connexion suite à une commande extérieure.

Par exemple, un brevet de 1974 présente un dispositif pyrotechnique de coupure des circuits électriques [103]. Ce coupe-circuit utilise une composition pyrotechnique déposée directement dans une cavité créée entre deux contacts électriques. Un filament de commande est placé à l’intérieur de cette cavité, comme présenté en Figure IV.4. Suite au passage d’un signal électrique, le filament s’échauffe par effet Joule, provoquant l’initiation de la composition pyrotechnique. Des gaz sont alors générés dans la cavité, résultant en une ouverture des deux contacts électriques (cf. Figure IV.4 (b)). Comme dans la plupart des sectionneurs présentés ici, le temps de sectionnement des contacts, ici inférieur à 9 ms, dépend essentiellement de la composition pyrotechnique utilisée.

Figure IV.4 : Schéma d’un coupe-circuit électrique (a) avant et (b) après le sectionnement [103].

Plus récemment, un article français présente un actionneur pyrotechnique intégrant de la nitrocellulose dans une cavité fermée par une membrane [104]. L’initiation de la composition est réalisée par 3 résistances et la génération de gaz au sein de la cavité a pour

objectif de rompre la membrane. Le système est miniature (volume ~ 22 cm3) et le temps de

sectionnement varie de quelques douzaines à quelques centaines de millisecondes, en fonction de la puissance fournie aux résistances chauffantes.

Finalement, l’ensemble de ces sectionneurs permet d’atteindre des temps de sectionnement proches de ceux demandés dans le cahier des charges. Cependant, les compositions utilisées dans ces différents sectionneurs sont sensibles à la chaleur et ne permettront pas de résister, sans dégradation de la composition, à 200 °C comme souhaité dans le cahier des charges. Enfin, les systèmes disponibles ou présentés dans la littérature sont

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trop volumineux pour notre application (notre requête est < 40 cm3). Des tentatives de

miniaturisation ont été explorées dès les années 95, notamment au LAAS.