FR2903770A1

FR2903770A1 - Sandwich electromagnetique

Info

Publication number: FR2903770A1
Application number: FR9315918A
Authority: FR
Inventors: Klaus Sterzelmeier; Gunter Weihrauch; Erich Wollmann; Richard Maurer
Original assignee: Institut Franco Allemand de Recherches de Saint Louis ISL
Current assignee: Institut Franco Allemand de Recherches de Saint Louis ISL
Priority date: 1992-12-30
Filing date: 1993-12-30
Publication date: 2008-01-18
Also published as: DE4244546A1; DE4244546C2

Abstract

L'invention concerne un sandwich électromagnétique doté d'un dispositif d'accélération, des éléments protecteurs placés sur le dispositif d'accélération et un système d'activation pour activer le mécanisme d'accélération comportant un dispositif privilégié de capteurs pour la détermination d'une menace. Selon l'invention, le sandwich comprend un système de bobines magnétiques (1), des couches conductrices (2) placées sur le système de bobines magnétiques (1) et portant les éléments protecteurs (3) proprement dits, en forme de plaques, ainsi qu'un dispositif d'activation qui inclut un système de condensateurs chargeables grâce à une alimentation électrique et dont la décharge sert à l'excitation du système de bobines magnétiques (1)

Description

A Sandwich E(ectromagnétique L'invention concerne un sandwich

électromagnétique destiné à la défense contre les menaces (projectiles), selon l'énoncé de la revendication 1. On connaît plusieurs types de dispositifs servant à la défense contre ces menaces qui, par l'intermédiaire d'un accumulateur d'énergie et/ou de systèmes d'accélération adaptés, expulsent des éléments protecteurs appropriés avant l'impact ou au début de la pénétration du projectile assaillant et dont l'action dynamique sur ce dernier en réduit alors la puissance. Les systèmes d'accélération connus accélèrent les éléments protecteurs surtout grâce à des matières explosives ou des forces électromagnétiques. De tels dispositifs réactifs de protection ne développent leur effet protecteur que directe-ment lors de l'impact du projectile ou lors de sa pénétration. On fait alors une distinction entre le cas où des éléments plats sont accélérés de la manière la plus plane possible et entre le cas dit d'un domaine de détonation lors duquel l'accélération d'une partie de la plaque de protection est obtenue par la détonation locale de matières explosives. L'inconvénient de ces dispositifs connus de protection réside surtout dans le fait que des zones de détonations locales exigent une répartition segmentée de la matière explosive ou une matière explosive fortement flegmatisée qui ne s'amorce qu'insuffisamment voire pas du tout lors d'un impact par des projectiles flèches ou à haute énergie cinétique. En outre, la matière explosive représente constamment un danger latent car un amorçage intempestif est toujours possible.

2903770 Au contraire de tels dispositifs réactifs de protection, une méthode de type "actif' associée à un système de détection adapté prend en compte le projectile assaillant déjà durant sa phase d'approche, détermine le point de collision optimal et déclenche la projection des éléments protecteurs par le dispositif d'accélération. A cette fin, les dispositifs de type actif connus emploient surtout des éléments protecteurs accélérés électriquement, par exemple des corps projetés, qui sont disposés sur une bobine de propulsion. Avec ces dispositifs qui, par rapport aux systèmes équipés de matières explosives, offrent une sécurité nettement améliorée pour un moindre volume et un poids réduit, le temps de déclenchement est raccourci et l'accélération est mieux reproductible. Dans le cas des dispositifs de protection réactifs classiques, lors de l'excitation de la bobine de propulsion, les éléments protecteurs (corps à projeter) sont expulsés dans une direction à partir de l'objet à protéger, entraînant un important contrecoup qui soumet l'objet à protéger à un effet de recul. En partant de ce stade de la technique, l'invention doit être en mesure d'éliminer au moins un des inconvénients précédemment cités et d'offrir un système de protection permettant l'emploi de mécanismes de protection aussi bien réactifs qu'actif. Ceci doit notamment étre rendu possible en retenant la solution, plus avantageuse, d'un dispositif d'accélération électrique. Tel est le but des caractéristiques de la revendication 1. Cette solution se distingue en premier lieu par le fait que, dans la conception en sandwich, on forme un système de bobines électriques servant de dispositif d'accélération et sur lequel sont placées des couches conductrices portant chacune des éléments de protection en forme de plaques. Un arrangement de condensateurs changeables permet de commander le système magnétique. Selon un type de réalisation recommandé de l'invention, les couches conductrices et les éléments protecteurs correspondants sont placés des deux côtés du système magnétique. L'activation du "sandwich électromagnétique" objet de l'invention se fait de préférence par des capteurs, comme pour les dispositifs de protection actifs connus à ce jour. Comme on peut commander le processus d'accélération de manière extrémement précise en faisant varier le courant et son intensité, le dispositif objet de l'invention permet la création d'une sorte de cible mobile, déjà formée ou composée de plusieurs plaques, si nécessaire très rapidement après la détection d'une menace ou encore à un moment 3 2903770 optimisé par calcul, de manière à obtenir une réduction importante de la puissance de pénétration d'un projectile. Si l'on veut maintenir le dispositif de protection objet de l'invention prés à l'emploi, il suffit de maintenir le condensateur dans un état de charge prédéfini et adapté à l'emploi prévu. si le dispositif de protection n'est pas employé, il suffit de décharger le condensateur à travers une résistance de court-circuit qui peut ensuite rester connectée et servir de fusible. Le dispositif de protection est alors dans un état de sécurité totale, contrairement à un système doté de matières explosives dans lequel l'explosif présente un certain danger même en position sécurité. La contrainte que subit le corps à protéger du fait du choc de recul est également inférieure à celle existant dans le cas d'un mécanisme de protection réactif classique car les éléments protecteurs peuvent se déplacer à partir des deux côtés de la bobine propulsive. Pour éviter une détérioration des éléments protecteurs lors de la connexion électrique du système de bobines, il est possible et avantageux, selon un arrangement recommandé de l'invention, de prévoir deux ou plusieurs étages de systèmes de bobines et de relier chacun d'entre-eux à son propre dispositif d'activation ou bien de les commander tous par un dispositif d'activation commun. Par un choix approprié du sens de bobinage, il est en plus possible, en cas d'attraction entre les paires de bobines, d'améliorer l'effet de protection, surtout contre les charges creuses, dans la mesure où on choisit un matériau approprié comme par exemple le verre pour la couche intermédiaire entre les paires de bobines. Selon une réalisation recommandée de l'invention, le système de bobines est formé par des bobines plates car, dans de nombreux cas d'utilisation comme par exemple lors de son utilisation à l'intérieur d'une structure, le dispositif objet de l'invention doit être le plus court possible. Pour améliorer l'efficacité du sandwich électromagnétique objet de l'invention, il est avantageux, selon un arrangement recommandé de rznvention, de donner aux éléments de protection un mouvement de rotation en plus de leur accélération de translation. Ceci peut être obtenu, par exemple, en décalant latéralement, par rapport au centre, les éléments de protection disposés sur le système de bobines ou encore en donnant une forme de coin à ces éléments ou aux couches conductrices adjacentes. Il est alors possible de positionner et d'aligner les éléments protecteurs de manière adaptée à une menace.

2903770 4 Selon un autre arrangement recommandé de r invention, il peut toutefois être également avantageux de prévoir plusieurs systèmes de bobines placés cite-à-cbte et pouvant être commandés sélectivement par le dispositif d'activation. Lors de cette réaction électromagnétique limitée à une certaine zone, les systèmes de bobines peuvent être plus ou moins éloignés les uns des autres, en fonction du comportement des plaques extérieures de protection qui recouvrent ici tous les systèmes de bobines. D est ainsi possible, lors de l'excitation sélective d'un système de bobines, d'activer localement une partie de la plaque de protection. Les systèmes de bobines du sandwich électromagnétique objet de l'invention doivent être fabriqués dans un matériau ayant une très grande conductibilité et, grâce à l'utilisation de couches de fibres de verre renforcées, ils peuvent améliorer de manière décisive l'effet protecteur contre les charges creuses. D est ainsi possible, avec le sandwich électromagnétique objet de l'invention, de réaliser des mécanismes de protection aussi bien réactifs qu'actifs et dont les montages mécaniques et électriques sont simples. L'objet de l'invention est encore explicité davantage par les dessins schématisés joints, qui représentent : Fig. 1 a Coupe longitudinale à travers un exemple de réalisation du sandwich électromagnétique objet de l'invention. Fig. lb Coupe longitudinale à travers un exemple de réalisation correspondant à la figure la, après activation du dispositif de protection et où la vitesse d'impact de la menace dépasse nettement celle des éléments protecteurs accélérés. Fig. 1c Coupe longitudinale selon la figure lb, mais la vitesse d'impact de la menace est ici nettement inférieure à celle des éléments protecteurs accélérés. Fig. 2a Coupe longitudinale à travers un deuxième exemple de réalisation du sandwich électromagnétique objet de l'invention. Fig. 2b Coupe longitudinale selon la figure 2a lors de l'activation du dispositif de protection. Fig. 3a Coupe longitudinale à travers un troisième exemple de réalisation du sandwich électromagnétique objet de l'invention. Fig. 3b Coupe longitudinale selon la figure 3a lors de l'activation du dispositif de protection.

2903770 Fig. 4a Représentauon en perspective du bobinage du système de bobines selon le deuxième exemple de réalisation de la figure 2. Fig. 4b Représentation en perspective du bobinage du système de bobines selon le troisième exemple de réalisation de la figure 3. Fig. 5 et 6 A chaque fois une coupe longitudinale à travers un exemple de réalisation du sandwich électromagnétique objet de l'invention, analogue à la figure 1, et où les couches conductrices sont positionnées sur le système de bobines avec un décalage latéral par rapport au milieu. Fig. 7 et 8 A chaque fois une coupe longitudinale à travers un autre exemple de réalisation du sandwich électromagnétique objet de l'invention, analogue à la figure 1, et où les éléments protecteurs sont en forme de coins. Fig.

9 Coupe longitudinale à travers un autre exemple de réalisation du sandwich électromagnétique où le système de bobines est composé de bobines plates placées côte-à-côte. Sur les figures, les mêmes symboles désignent toujours des éléments ou composants identiques ou similaires. La figure 1 a montre la coupe longitudinale d'un sandwich électromagnétique et présente le système de bobines magnétiques 1 à proximité immédiate duquel se trouvent placés, des deux côtés, deux plaques ou disques 2 réalisés dans un matériau bon conducteur et portant les éléments protecteurs 3 proprement dits. Le système de bobines 1 est composé de préférence d'une ou de plusieurs bobines plates bobinées avec du fil plat dont la largeur est orientée perpendiculairement au plan des bobines 1. Cependant, d'autres sections de fils sont également possibles, par exemple circulaires ou carrées. Pour obtenir un bon effet protecteur contre les charges creuses et pour garantir une bonne tenue mécanique et thermique, il est avantageux que les bobines et le fil soient réalisés en cuivre/béryllium. Les plaques ou disques 2, qui sont relativement minces, ont une fonction correspondant à celle d'un conducteur (couche conductrice). Les éléments protecteurs 3 proprement dits sont quant à eux réalisés dans des plaques épaisses et les matériaux entrant alors en ligne de compte sont tous les matériaux ou cou- 2903770 cher de matériaux servant habituellement de protection en balistique terminale comme par exemple les matériaux à base de fibres de verre ou de carbone renforcées, les structure composites ou encore les sandwiches de matières explosives. Pour une conductibilité électrique suffisamment bonne des éléments protecteurs 3, réalisés par exemple en al-liage de tungstène cuivre ou de tungstène/argent, ces éléments protecteurs 3 peuvent remplir des fonctions de conducteur et remplacer les plaques ou disques 2 (couche conductrice). Au titre de la source de courant servant à exciter le système de bobines 1, il est prévu d'employer l'impulsion de courant issue d'un condensateur 4 à haute énergie dont la dé-charge peut être commandée à travers un commutateur 5 et une liaison vers le système de bobines 1. Si un projectile 6 se rapproche maintenant de ce sandwich électromagnétique, par exemple sous la forme d'une charge creuse ou d'un barreau élancé stabilisé aérodynamiquement, le commutateur 5, qui est de préférence un éclateur, sera déclenché, juste avant l'impact, par un dispositif adéquat de capteurs non représenté sur le dessin et le condensateur 4 sera déchargé, ce qui va provoquer la décharge d'un choc de courant de très grande amplitude dans le système de bobines 1. Dans les couches conductrices 2 apparaissent des courants tourbillonnaires qui sont dirigés de manière à être repoussés par le champ magnétique du système de bobines 1. La conséquence en est que les conducteurs 2 et les éléments protecteurs 3 concernés sont accélérés des deux côtés par une force importante qui leur communique, partant du système de bobines 1, un mouvement de translation dans la direction normale à la bobine. Le projectile 6 percute alors une cible multiplaques déjà en mouvement. La force qui est à l'origine de l'accélération qui expulse les conducteurs 2 et les éléments protecteurs 3 concernés du système de bobines 1 peut être pilotée grâce à une variation de l'impulsion de courant. Deux cas fondamentaux d'interaction entre sandwich et menace, et qui dépendent du rapport des vitesses des composants individuels, sont représentés sur les figures lb et 1c. La figure 1 b montre le cas où la vitesse d'impact de la menace 6 est nettement supérieure à celle des éléments protecteurs 3 accélérés. Le projectile 6 ne pénètre alors pas seule-ment dans le sandwich électromagnétique, mais le traverse. Un effet protecteur amélioré par rapport aux dispositifs usuels peut être obtenu par le fait que la plaque en mouvement (plaque conductrice 2 et élément protecteur 3) vers l'objet protégé tire le nez du projectile vers le bas alors que la plaque qui s'éloigne atteint le projectile environ au milieu et en dévie l'arrière vers le haut. D en résulte, au moins, une importante déformation du projectile, voire sa cassure. Dans tous les cas, l'axe d'action du projectile n'est 2903770 plus identique à sa trajectoire, ce qui permet d'obtenir une importante réduction de la puissance de pénétration. C'est toujours le cas avec les projectiles à charge creuse, en raison des vitesses de jet élevées qui entralnent un écoulement latéral permanent des divers segments, donc une réduction très prononcée de la profondeur de pénétration. La figure le donne une représentation schématique du cas où le projectile 6 n'atteint plus que relativement lentement l'élément protecteur arrière. La vitesse de la plaque de protection arrière est si élevée que le très important angle d'impact effectif du projectile ne lui permet plus de pénétration. Comme le montre la figure 1, la première réalisation d'un sandwich électromagnétique objet de l'invention implique un perçage dans l'élément protecteur arrière ou inférieur pour permettre le passage des conducteurs électriques jusqu'au connecteur interne du système de bobines 1. Cet affaiblissement "de facto" d'un des deux éléments protecteurs 3 peut cependant être largement négligé en raison du mouvement des plaques lors de l'impact d'un projectile. Ainsi que le montrent les formes de réalisation recommandées suivantes, l'emploi de deux ou de plusieurs couches de bobines plates peut permettre d'éviter ce perçage. La forme de la réalisation présentée sur la figure 2 correspond, dans l'ensemble, à celle de la figure 1; le système de bobines 1 n'est cependant plus composé d'une bobine plate monocouche mais de plusieurs épaisseurs, par exemple de deux bobines plates superposées, dont les connections internes sont reliées. Les deux amenées de courant peuvent ainsi parvenir au système de bobines de l'extérieur. Dans cette forme de réalisation, le sens de bobinage des multiples couches de bobines plates est choisi de manière à ce que, lors d'une excitation, une mince épaisseur isolante 7 soit intercalée entre les bobines plates. Comme pour la première forme de réalisation, les éléments protecteurs 3 sont expulsés en même temps que les conducteurs 2 à partir des deux côtés du système de bobines 1. La représentation en perspective de la figure 4a met en évidence le bobinage du système de bobines. Lors de la représentation de la géométrie des bobines, on a choisi ici une forme carrée mais d'autres formes sont possibles telles que circulaires, ovales, elliptiques ou polygonales, ce qui facilite l'adaptation à l'objet à protéger lors de la construction. La forme de la réalisation présentée sur la figure 3 correspond, dans l'ensemble, à celle de la figure 2; le sens de bobinage des bobines plates est cependant conçu pour que les bobines se repoussent mutuellement lors d'une excitation. La figure 4b reproduit en perspective le sens de bobinage du système de bobines.

2903770 Pour ces formes de réalisation, tes couches conductrices 2 peuvent, en principe, être supprimées; elles sont cependant, de préférence, conservées pour améliorer l'efficacité globale du sandwich électromagnétique. La mince couche isolante 7 à utiliser avec des bobines multicouches n'est, a priori, nécessaire qu'en raison de la résistance électrique au claquage. Toutefois, avec le dispositif présenté sur la figure 2, elle peut, en balistique terminale, renforcer l'effet protecteur. Si cette mince couche isolante 7 est réalisée, par exemple, en verre ou en matériaux semblables au verre (céramiques ou matériaux renforcés par fibres de verre), la compression (électromagnétique) améliore encore l'effet protecteur en particulier contre les charges creuses. Deux autres exemples de réalisation d'un sandwich électromagnétique objet de l'invention sont montrés sur les figure 5 et 6. Les couches conductrices 2 placées sur le système de bobines 1 à une ou plusieurs couches, ainsi que les éléments protecteurs 3 correspondants, sont ici excentrées et décalées latéralement. Lors de l'excitation du système de bobines, on obtient ainsi non seulement une accélération de translation de l'élément protecteur mais également un mouvement de rotation simultané. Par rapport à l'axe de tir supposé horizontal, pour un dispositif correspondant à la figure 5a, ceci mène à une incidence décroissante des couches conductrices 2 et des éléments protecteurs 3 (figure 5b). L'expérience montre que la trajectoire de translation du centre de gravité de l'élément protecteur ne dévie que de quelques degrés par rapport à la direction normale à la plaque de protection au repos, alors que la direction que l'on souhaite donner au mouvement de rotation peut être pilotée au moyen de décalages latéraux. La figure 6 montre un dispositif semblable à celui de la figure 5 mais où les éléments protecteurs 3 ainsi que les couches conductrices 2 correspondantes sont positionnés hors du milieu du système de bobines 1 de manière à ce qu'une excitation de ce système de bobines 1 donne à l'élément protecteur, outre une accélération de translation, une incidence croissante (fig. 6b) par rapport à l'axe de tir horizontal. Il est ainsi pratiquement possible d'obtenir que des sandwiches électromagnétiques objets de invention qui n'ont pu être positionnés que sous un angle peu favorable sur l'objet à protéger puissent tout de même placer leurs éléments protecteurs dans une position favorable à une protection de balistique terminale. Les figures 7 et 8 présentent des dispositifs semblables à ceux des figures 6 et 5. Lors de l'excitation du système de bobines 1, _ le mouvement de rotation supplémentaire de :'ap 2903770 l'élément protecteur n'est cependant pas obtenu par le fait que les etéments protecteurs 3 ainsi que les couches conductrices 2 sont décalés latéralement sur le système de bobines mais parce que les éléments protecteurs 3 et/ou les couches conductrices 2 sont conçus en forme de coins. Comme le centre de gravité des éléments protecteurs 3 et/ou des couches conductrices 2 se situe hors de l'axe du système de bobines, on obtient également un mouvement de rotation. Les deux exemples de réalisation cités ci-dessus peuvent bien entendu être combinés. A titre d'exemple, une réalisation conforme aux figures 6 et 8 entraîne une augmentation de la surface de la cible vue du projectile attaquant. Ceci est particulièrement avantageux lorsqu'un sandwich électromagnétique de forme relativement compacte est destiné à protéger une surface cible relativement importante. La figure 9 présente une autre forme de réalisation du sandwich électromagnétique objet de l'invention. Le système de bobines 1 se compose de plusieurs bobines plates réalisées en une ou plu-sieurs couches placées côte-à-côte à une distance plus ou moins grande. Alors qu'à toutes les bobines plates, mono ou multicouches, correspondent des couches de conducteurs 2 dimensionnées en conséquence, la plaque de protection 3 recouvre toutes les bobines plates du système de bobines 1 ainsi que les couches conductrices 2. Les dispositifs d'activation du système de bobines peuvent être interconnectés ou être excités individuellement. Lors de l'approche d'un projectile/menace 6, il est ainsi possible, à l'aide d'une unité de capteur et de commande non représentés ici, de sélectionner et d'activer le système de bobines dans la zone prévue d'impact. Ce mécanisme de protection peut être désigné par l'appellation explicite de "domaine local de réaction électromagnétique". Comme tous les exemples précédents, il faut noter que cette forme d'arrangement d'un sandwich électromagnétique objet de l'invention peut également être réalisée unilatérale-ment. ÀO

Claims

Revendications

1. Sandwich électromagnétique pour la défense contre les menaces, comportant : ^ un dispositif d'accélération, ^ des éléments protecteurs placés sur le dispositif d'acceération et pour activer le mécanisme d'accélération, un système d'activation incluant un dispositif privilégié de capteurs pour la détermination de la menace, et caractérisé en ce que -le dispositif d'accélération est un système de bobines magnétiques (1), • les couches conductrices (2) sont placées sur le système de bobines magnétiques (1) et portent chacune des éléments protecteurs (3) le dispositif d'activation comprend un système de condensateurs chargeables grâce à une alimentation électrique et dont la décharge sert à l'excitation du système de bobines magnétiques (1)

2. Sandwich électromagnétique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le système de bobines magnétiques (1) est composé d'un système de bobines à une ou plusieurs couches (figure 2a) dont les dispositifs d'activation sont inter-connectés ou prévus pour être reliés à un dispositif d'activation commun.

3. Sandwich électromagnétique selon la revendication 2, caractérisé en ce que le système de bobines est composé de bobines plates bobinées avec du fil plat.

4. Sandwich électromagnétique selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les couches conductrices (2) et les éléments protecteurs correspondants (3) sont fixés des deux côtés sur le système de bobines magnétiques (1).

5. Sandwich électromagnétique selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que les couches conductrices (2) ainsi que les éléments protecteurs correspondants (3) sont placés au milieu du système de bobines magnétiques (1). 2903770

6. Sandwich électromagnétique selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les couches conductrices (2) ainsi que les éléments protecteurs correspondants (3) sont décalés latéralement (figures 5a et 6a) par rapport au milieu du système de bobines magnétiques (1) sur lequel ils sont placés.

7. Sandwich électromagnétique selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les couches conductrices (2) ou les éléments protecteurs (3) sont en forme de coin (figures 7a et 8a).

8. Sandwich électromagnétique selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le système de bobines magnétiques (1) est composé de plusieurs systèmes de bobines placés côte-à-côte (figure

9) qui peuvent être activés sélectivement par le dispositif d'activation. 9. Sandwich électromagnétique selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'à chaque système de bobines correspondent des couches conductrices (2) dimensionnées en conséquence et que les plaques de protection (3) recouvrent tous les systèmes de bobines.