1.2 Cas particulier de l’IEMN-HA
1.2.2 Moyens de simulation expérimentaux de l’IEMN-HA
Afin d’observer les effets nucléaires sur des systèmes, des simulations informatiques sont réalisées ou des essais sont effectués grâce à des simulateurs qui reproduisent des contraintes similaires, rayonnées ou conduites. Dans ce cadre, de nombreux simulateurs IEMN, rayonnés et conduits, ont été développés afin de reproduire localement cette menace et de tester différents systèmes plus ou moins volumineux.
Moyens de perturbations en mode rayonné
En 2002, la CEI a publié un recueil d’informations techniques sur un panel de 42 simulateurs rayonnés répartis dans 14 pays [40, 41, 42]. Le simulateur IEMN parfait n’existant pas, différents simulateurs répartis en trois catégories par C. E. Baum [43] ont été réalisées, dont chacune présente ses avantages et ses inconvénients.
La première catégorie correspond aux simulateurs à onde guidée qui reproduisent localement l’environnement de type espace libre lors d’une explosion nucléaire haute-altitude. Ils sont constitués de deux surfaces conductrices planaires, excitées par un ou plusieurs générateur(s) haute tension, afin de produire et propager une onde TEM (Transverse ÉlectroMagnétique) dans une région appelée « zone de travail » où l’équipement sous test (EST) est situé. La majorité des simulateurs à onde guidée produisent un champ électrique polarisé verticalement (avec un champ magnétique horizontal associé) en référençant l’une des deux plaques conductrices à la terre.
Ce type de simulateur IEM est le plus répandu et génère une forme « double exponentielle » grâce à un générateur de puissance pulsée. À titre d’exemple, un générateur de Marx de 1 MV, utilisé sur un simulateur à onde guidée, peut fournir des champs d’une amplitude d’au moins 100 kV/m sur des objets d’une longueur maximale de quelques mètres.
Ce type de structure peut propager des impulsions avec des temps de montée de l’ordre de quelques nanosecondes en fonction du générateur. Ils sont parfaitement adaptés pour tester des missiles ou des aéronefs dans des configurations simulées de vol. Bien que ces simulateurs soient parfois utilisés pour tester d’autres systèmes (camions ou trains par exemple), la prise en compte de la réflexion du sol est manquante pour obtenir des résultats fidèles à la réalité pour des systèmes au sol. Un traitement des résultats est alors nécessaire dans ce cas. De plus, ce type de simulateur est rarement transportable ; l’objet à tester est généralement amené au simulateur.
Il existe deux types de simulateurs à onde guidée :
•
ceux avec des sections d’alimentation d’entrée et de sortie coniques et connectées symétriquement à une plaque parallèle, se terminant par l’impédance caractéristique de la ligne de transmission (simulateurs référencés sur la figure A.1en annexe A.1),•
ceux avec une seule section d’alimentation fixée à une charge résistive et distribuée entreplusieurs conducteurs, généralement sans plaque parallèle intermédiaire (simulateurs référencés sur la figureA.2 en annexe A.1).
En France, le CEA/Gramat (Lot - 46) possède un simulateur à onde guidée, appelé SSR (Simulateur Semi Rhombique), présenté sur la figure 1.30. La liste des autres simulateurs à onde guidée, issue du compendium de la CEI [40,41], est donnée en annexeA.1, figuresA.1 etA.2.
Figure 1.30 – Simulateur à onde guidée (SSR) du CEA/Gramat [40]
La deuxième catégorie de simulateurs est constituée de ceux à dipôle, qui peuvent être mobiles ou fixes, et qui sont capables d’émettre des impulsions de temps de montée très rapides, inférieur à la dizaine de nanoseconde. Cependant, ils ont tendance à être inefficaces pour convertir la puissance des impulsions en champs rayonnés en raison de leur diagramme de rayonnement isotrope. Ils sont donc moins nombreux dans le monde et sont généralement utilisés pour tester des systèmes au sol (camions, trains, etc.), car ils permettent de simuler l’onde incidente avec sa réflexion sur le sol.
La majorité de ces simulateurs sont des dipôles équivalents sur une surface conductrice. Ils produisent un champ électrique polarisé verticalement avec un seul angle d’incidence.
La liste des autres simulateurs à dipôle, issue du compendium de la CEI [40, 41], est donnée en annexeA.1, figuresA.3. À titre d’exemple, les États-Unis possèdent un simulateur à dipôle à polarisation verticale appelé VPD-II et présenté sur la figure1.31. Il a notamment été utilisé pour tester différents avions et hélicoptères.
Figure 1.31 – Simulateur à dipôle vertical VPD-II de l’armée américaine [40]
il avait été construit sur une barge qui pouvait être déployée en mer afin de tester de gros navires. Il est maintenant démantelé.
Enfin, la troisième catégorie correspond aux simulateurs hybrides qui reproduisent l’onde plane incidente d’une IEMN ainsi que sa réflexion sur le sol [44]. Ces simulateurs fournissent la meilleure approximation de l’environnement rencontré par un système au sol suite à une explosion nucléaire à haute altitude. La source d’émission, généralement biconique, produit des champs électriques hautes fréquences polarisés horizontalement. Les courants et les charges répartis sur une grande structure (antenne) entourant l’objet à tester produisent des champs basses fréquences. La source biconique est généralement associée à une antenne composée d’un réseau de fils chargés avec des résistances, afin de réduire les interactions avec l’objet à tester ainsi que les résonances.
La liste des autres simulateurs hybrides, issue du compendium de la CEI [40, 41], est donnée en annexe A.1, figures A.4. Plusieurs simulateurs utilisent une antenne dipôle à polarisation horizontale (DPH) de forme elliptique, déployée pour la première fois par l’armée de l’air américaine au milieu des années 70, et suivie peu après par la marine américaine. Le CEA/Gramat possède également un simulateur DPH, présenté sur la figure 1.32, qui est en grande partie identique aux versions américaines. L’antenne DPH standard a un diamètre de 5 m, une longueur de 150 m et contient des résistances discrètes spécialement conçues et uniformément réparties sur un réseau de 12 fils afin d’obtenir le rapport souhaité des amplitudes du champ électrique et magnétique à basses fréquences [44]. Les résistances amortissent également les résonances indésirables dans la structure.
Moyens de perturbations en mode conduit
Les générateurs d’impulsions hautes tensions ont deux applications dans le domaine de la recherche IEMN. La première est leur utilisation comme excitation des simulateurs IEMN rayonnés décrits dans la partie1.2.2. La seconde est leur utilisation comme source d’injection directe de courants et / ou de tensions sur les équipements à tester.
En mode conduit, l’objectif est d’injecter une perturbation similaire au résultat du couplage de l’onde E1 de l’IEMN-HA sur un ou des câbles. Pour ce faire, l’impulsion représentative de ce couplage et produite par le générateur, de forme « double exponentielle », peut être injectée au travers d’une pince de couplage capacitive ou inductive. La figure 1.33, issue de la norme CEI 61000-4-25 [45] relative aux essais d’immunité à l’IEMN-HA, présente la configuration du dispositif expérimental recommandée pour effectuer ce genre d’essais.
Figure 1.33 – Recommandations de test en laboratoire dans le cadre d’essais d’injections sur des équipements [45]
Concernant ces générateurs de perturbations conduites, la CEI décrit également dans la norme CEI 61000-4-25 [45], le fonctionnement et les performances de deux types de générateurs, nommés EC10 et EC11, capables de reproduire une forme « double exponentielle » possédant des paramètres concordants avec ceux de l’IEMN-HA.
La figure1.34décrit le schéma électrique d’un générateur de type EC10. Il se compose de trois parties :
•
à gauche de l’éclateur : une source haute tension permet, dans une première phase, de charger un condensateur de stockage d’énergie à travers une résistance de charge,•
lorsque le condensateur de stockage atteint une certaine tension, l’éclateur permet de•
à droite de l’éclateur : une résistance en parallèle permet de régler la durée de l’impulsion, une résistance en série réalise l’adaptation d’impédance et un condensateur en série filtre le courant continu.Figure 1.34 – Schéma électrique d’un générateur de type EC10 [45]
Ce type de générateur fonctionne de manière identique aux générateurs utilisés dans la norme CEI 61000-4-4 relative à l’immunité aux transitoires électriques rapides (EFT) [46]. Les performances du générateur EC10 sont les suivantes :
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gamme de tension en circuit ouvert : 1 à 25 kV,Caractéristiques pour le fonctionnement dans des conditions de charge de 50 Ω :
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énergie maximale : 6 J / impulsion à 16 kV sur une charge de 50 Ω,•
temps de montée (10 % à 90 %) de l’impulsion : 25 ns ± 30 %,•
durée d’impulsion (50 % de la valeur) : 500 ns ± 30 % ,L’autre générateur de type EC11 est détaillé sur la figure1.35issue de la norme CEI 61000-4-25 [45]. Son fonctionnement se base sur un générateur de Marx et sur un schéma un peu plus complexe étant donné les amplitudes plus importantes et les constantes de temps plus faibles que pour le générateur EC10. En effet, ses performances sont les suivantes :
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gamme de tension en circuit ouvert : 20 à 160 kV,Caractéristiques pour le fonctionnement dans des conditions de charge de 50 Ω :
•
énergie maximale : 50 J / impulsion à 160 kV sur une charge de 50 Ω,•
temps de montée (10 % à 90 %) de l’impulsion : 10 ns ± 30 %,•
durée d’impulsion (50 % de la valeur) : 100 ns ± 30 % ,Figure 1.35 – Schéma électrique d’un générateur de type EC11 [45]
Les deux schémas décrits sur les figures1.34et1.35sont ceux principalement utilisés pour concevoir des générateurs de perturbations conduites. Quelques industriels ont conçu ce type de générateur comme par exemple la société EM TEST qui propose un générateur électrique de transitoires rapides (EFT) appelé « EFT 500N8 ». Il peut générer des tensions atteignant 7 kV avec un temps de montée de 5 ns et une largeur à mi-hauteur de 50 ns. De plus, la société Haefely EMC Technology propose également un générateur électrique de transitoires rapides (EFT) appelé « PEFT 8010 ». Il est capable de générer des tensions atteignant 7,3 kV avec un temps de montée de 5 ns et une largeur à mi-hauteur de 50 ns. Ce générateur et le précédent ont des formats assez compacts et similaires à celui de la figure1.36.
Figure 1.36 – Générateur d’EFT « PEFT8010 » de Haefely EMC Technology
Ces deux générateurs sont plus appropriés à la norme CEI 61000-4-4 relative aux EFT [46] mais, par leurs caractéristiques, ils peuvent avoir des applications dans le domaine de l’IEMN-HA.
Par ailleurs, la société Montena conçoit de nombreux générateurs adaptés aux essais conduits IEMN comme par exemple le « EMP10K-5-500 ». Ce dernier est capable de générer une double exponentielle d’amplitude comprise entre 200 V et 12 kV, avec un temps de montée inférieur à 20 ns et une largeur à mi-hauteur d’environ 500 ns. Le « EMP300K-5-500 », plus volumineux (figure1.37), possède les mêmes caractéristiques mais sur une gamme de tension
comprise entre 100 et 300 kV. Enfin, le « PPG-E1-1200 » possède les mêmes constantes de temps mais dans un moyen portable, comme présenté sur la figure 1.38, capable d’injecter des tensions comprises entre 5 et 80 kV.
Figure 1.37 – Générateur d’impulsions électromagnétiques « EMP300K-5-500 » de Montena
Figure 1.38 – Générateur d’impulsions électromagnétiques portable « PPG-E1-1200 » de Montena
Enfin, des générateurs uniques et plus spécifiques ont pu être développés comme au CEA/Gramat avec le générateur d’impulsions nommé « PIC » pour Plateforme d’Injection en Courant. Ce moyen, basé sur un schéma similaire à ceux d’EC10 et d’EC11, permet d’injecter jusqu’à 30 kV (1 kA) sur 30 Ω avec un temps de montée compris entre 3 et 75 ns et une largeur à mi-hauteur comprise entre 30 ns et 1 µs. L’amplitude, le temps de montée et la largeur à mi-hauteur sont autant de paramètres modifiables pour configurer l’impulsion souhaitée. En contrepartie, ce moyen est volumineux car il est contenu dans un container, comme présenté sur la figure 1.39.
Le moyen d’injection PIC est utilisé dans le cadre de cette thèse et est détaillé dans la partie 2.4du chapitre 2.
Figure 1.39 – Plateforme d’Injection en Courant (PIC) du CEA/Gramat, entièrement paramétrable et développé par Thales Gerac