Développement d’une technique de mesure de charge d’espace

Les différents types d’énergies avioniques

Les aéronefs sont propulsés par des moteurs à hélice ou des réacteurs, transformant une énergie primaire thermique en énergie finale sous forme mécanique. Outre cette énergie propulsive, le contrôle et le fonctionnement de l’avion nécessitent l’usage d’un grand nombre d’accessoires alimentés sous différentes formes. Il existe 4 types d’énergie dites énergies non propulsives dans les aéronefs, l’énergie mécanique, l’énergie hydraulique, l’énergie pneumatique et l’énergie électrique. Un exemple de distribution de ces énergies est donné à la Figure 1.1.
– L’énergie mécanique est principalement utilisée pour alimenter les pompes à carburant et à huile des réacteurs. Cette énergie est fournie par les réacteurs.
– L’énergie hydraulique est produite par une pompe hydraulique couplée mécaniquement à l’arbre du réacteur. Elle est utilisée par les commandes de vols qui permettent le changement d’orientation de l’avion autour de son centre de gravité, en modifiant les forces de portance et de traînée appliquées à l’avion. Elle active aussi les actionneurs de train d’atterrissage qui existent sous deux formes distinctes. La première, appelée Nose Landing Gear est le train d’atterrissage avant qui assure la direction de l’avion lorsqu’il est en phase de roulage et tractage. La seconde, appelée Main Landing Gear est le train d’atterrissage central, qui supporte le poids de l’avion et assure la fonction de freinage.
– L’énergie pneumatique est produite par un prélèvement d’air chaud sur les étages haute et basse pression du réacteur. Le système de conditionnement d’air ou Environmental Control System (ECS) permet de pressuriser la cabine à une pression atmosphérique et de maintenir une température ambiante en haute altitude. Le système de dégivrage des ailes ou Wing Ice Protection System (WIPS), permet de prévenir la formation de givre sur les ailes de l’avion. En effet, lorsque le givre se forme sur les ailes de l’avion, il modifie le profil aérodynamique des ailes, diminuant la portance et augmentant la trainée. Le démarrage moteur ou Engine Start est effectué grâce à un auxiliaire de puissance ou Auxiliary Power Unit (APU) dont la fonction est d’injecter de l’air comprimé dans les turbines.
– L’énergie électrique est produite grâce à un alternateur entraîné mécaniquement par la rotation de l’arbre du réacteur. Elle permet d’alimenter les pompes à carburant qui transfèrent le carburant du réservoir vers les réacteurs, le système de dégivrage du cockpit, les différents ventilateurs du système de confinement d’air, les systèmes avioniques qui regroupent l’ensemble des calculateurs et instruments installés dans l’avion, ou encore les systèmes dits « cabine », qui sont des systèmes électriques qui ont pour fonction d’améliorer le confort des passagers.

Présentation des différents câbles aéronautiques

Avant le début de l’électrification des cœurs hydrauliques et pneumatiques des avions, les câbles électriques distribuaient l’énergie électrique pour l’alimentation de l’électronique de bord, mais aussi pour le confort des passagers, avec des charges telles que les cuisines pour la préparation des repas ou encore l’usage de la lumière ou des prises où la tension distribuée était essentiellement alternative. Par exemple, l’A320 qui est considéré comme un avion standard présente environ 200 km de câbles à son bord et l’A380 en compte 600 km. Il existe plusieurs types de câbles dont le système d’isolation peut être rubané ou extrudé. Ils sont tous soumis au système de jauge normalisé avec les normes EN4434 et EN2083 chez Airbus par exemple. Ces normes nous donnent les caractéristiques des câbles, le diamètre du conducteur en mm, sa section en mm², sa résistance en Ω/km et le courant max en A pour des jauges qui vont de 26 (la plus petite section de conducteur, 0.129 mm²) à 000 (la plus grande, 85 mm²), cf. Annexe (Tableau A.1). On présente ici uniquement les câbles communément utilisés actuellement chez Airbus. En effet, dans le cadre de cette thèse seul les câbles Airbus seront étudiés. Les câbles présents dans ces avions sont tous nommés par un « short code » normatif issu de la norme TR6068.
– Le câble DR est un câble avec une âme multibrin en cuivre, enrubanné par du polyimide (PI) et du polytétrafluroéthylène (PTFE) (Figure 1.11). Le choix du PI est fait bien sûr pour sa rigidité diélectrique mais aussi pour sa température de dégradation élevée et celui du PTFE pour sa résistance au phénomène de cheminement d’arc (arc tracking). En effet, en cas de départ de feu la distribution de l’énergie dans les organes vitaux de l’avion doit être assurée. La dénomination du câble change lorsque qu’il est associé à une jauge tel que DR26 pour un câble DR de jauge 26 ou encore DR000 pour un câble DR de jauge 000. Ce câble est utilisé pour transporter du 28 VDC afin d’alimenter l’électronique de vol ainsi que du 115 VAC à fréquence variable pour les équipements de puissance.
– Le câble AD est une déclinaison du câble DR. Il a exactement les mêmes caractéristiques à la différence près de l’âme du câble qui est en aluminium. Ce câble est utilisé lors de la transmission d’énergie à faible densité de courant permettant ainsi un gain de masse des câbles, mais aussi en coût de production.
– Le câble ML est un câble standard composé d’une âme multibrins en cuivre et d’un système d’isolation PI/PTFE. On y superpose un blindage hélicoïdal, le tout entouré par une enveloppe en PI/PTFE. Il est utilisé dans des zones qui nécessitent une immunité électromagnétique ou Electro Magnetic Immunity (EMI). En fonction du nombre de câbles utilisés, la dénomination change de MLA pour un câble jusqu’à MLD pour 4 câbles. Il existe une version avec une âme multibrins en aluminium appelé VN avec les mêmes propriétés que le câble ML.
– Avec la montée en tension sur l’A350, un nouveau type de câble a vu le jour. On retrouve dans le câble DZ, comme le câble DR, une âme multibrins en cuivre mais la particularité de ce câble réside dans son système d’isolation PTFE/PI/PTFE. Cela a pour effet de diminuer les cavités dues à l’enrubannage, ainsi que les phénomènes de points triples. La structure permet ainsi de diminuer le taux d’apparition des décharges partielles (DP). Ce câble est certifié pour une tension de 230 VAC à fréquence variable (300 à 800 Hz). Il existe également une déclinaison avec une âme multibrin en aluminium appelée AZ.
– Il existe aussi dans la gamme un câble extrudé composé d’éthylène tétrafluoréthylène (ETFE), appelé Tyco. Il est actuellement utilisé dans le transport d’énergie pour le « Green Taxi ». En effet, ce câble a la particularité d’être plus flexible que les câbles rubanés, ce qui est utile pour suivre le mouvement du train d’atterrissage.

Méthodes LIMM et FLIMM

La LIMM (Laser Intensity Modulation Method), dont le principe est représenté Figure 1.24 est une méthode qui consiste à apporter, à un échantillon pris entre deux électrodes à la masse, un apport de chaleur modulé en intensité par un faisceau laser [Lan 1986, Lan 2004, Lan 1981]. Le faisceau laser est alors à l’origine d’un gradient de température non uniforme dans l’échantillon. La position des charges varie relativement aux électrodes et la permittivité est modifiée transitoirement dans l’échantillon ce qui modifie l’équilibre électrostatique.

Polytétrafluoroéthylène

Le PTFE est un fluoropolymère (Figure 3.1), dont les propriétés nécessaires pour le travail réalisé sont citées dans le Tableau 3.1. Il est utilisé dans les câbles aéronautiques pour ses bonnes propriétés ignifugeantes et sa résistance au phénomène de cheminement d’arc (arc tracking). Nous avons à notre disposition des échantillons de PTFE de 100 µm d’épaisseur. La couche de PTFE est disposée sur la couche extérieure du câble aéronautique. Pour des questions de marquage des câbles un colorant peut être ajouté dans la composition du PTFE. Dans ces conditions, on peut avoir des variations des paramètres présentés dans le Tableau 3.1. À titre d’exemple la célérité du son du PTFE avec un colorant jaune se situe autour de 1250 m/s et dans la littérature on peut trouver des vitesses allant jusqu’à 1500 m/s [Gim 2014].

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Table des matières

Introduction Générale
État de l’art
I) Introduction
II) Contexte aéronautique
II.A) Les différents types d’énergies avioniques
II.B) De l’avion plus électrique vers l’avion tout électrique
III) Câble aéronautique
III.A) Présentation des différents câbles aéronautiques
III.B) Différences entre câbles terrestres et câbles aéronautiques
IV) Charge d’espace
IV.A) Effet de la charge d’espace
IV.B) Mécanismes de formation de charge d’espace
IV.C) Mécanismes de transport de charges
IV.D) Charges stabilisées
V) Les différentes techniques de mesure de charge d’espace
V.A) Méthodes thermiques
V.B) Méthodes acoustiques
VI) Conclusion
Méthode PEA
I) Introduction
II) Méthode PEA plan
II.A) Banc PEA plan
II.B) Expression de la force électrostatique
II.C) Déconvolution sur un échantillon plan
III) Méthode PEA sur un échantillon cylindrique
III.A) Génération de l’onde dans le cas d’un échantillon cylindrique
III.B) Déconvolution sur un échantillon cylindrique
IV) Conclusion
: Étude préliminaire sur les matériaux isolants de câbles
I) Introduction
II) Présentation des matériaux
II.A) Polytétrafluoroéthylène
II.B) Polyimide
II.C) Formation d’échantillons bicouches
III) Mesures préliminaires
III.A) Dispositif expérimental
III.B) Mesure PEA sur du PTFE
III.C) Mesure PEA sur du PI+FEP
III.D) Mesure PEA sur bicouche PI+FEP/PTFE
IV) Conclusion
Banc PEA pour câbles aéronautiques
I) Introduction
II) Descriptif du Banc PEA
II.A) Générateur de polarisation
II.B) Générateur d’impulsions
II.C) Oscilloscope
III) Cellule PEA
III.A) Boîtier d’interconnexion
III.B) Détection du signal acoustique
III.C) Système de serrage
IV) Mesures PEA préliminaires
IV.A) Mesure sur câble à isolation PE
IV.B) Mesure sur câble aéronautique
V) Processus de déconvolution sur câble aéronautique
V.A) Étape de calibration
V.B) Déconvolution
VI) Conclusion
Résultats de mesures sur câbles aéronautiques
I) Introduction
II) Répétabilité des mesures
III) Essais sous polarisation de courte durée
IV) Essais sous contrainte prolongée
V) Discussion
VI) Conclusion
Conclusion Générale
Annexe
I) Système de jauge des câbles aéronautiques
Bibliographie