Naissance d’un orage

Entre 6000 m et 15000 m d’ altitude il y ad’ abord de simples nuages tels que les cirrus qui s’étendent sur des kilomètres, en dessous des 6000 m les nuages sont plus danse comme par exemple les altocumulus et les altostratus qui rendent le ciel gris, en dessous de 2000 m on parle de nuage bas. Tout commence par un nuage constitué de gouttelettes d’ eau, les courants ascendants et les courants descendants sont des courants qu’on retrouve au sein d’un orage. Pendant tous les mouvements de ces différents courants les gouttelettes d’eau qui constituent les nuages s’entrechoquent et s’arrachent donc des électrons soit positivement soit négativement. La configuration du nuage se fait donc tel que les charges négatives se concentrent à la base du nuage et les charge positive tout en haut du nuage, le nuage est donc chargé comme une pile. Le plus gros nuage peut mesurer plusieurs kilomètres de large et surtout plusieurs kilomètres de haut variant entre 12 et 14 kilomètres en moyenne. Mais en dessous de l’équateur le plus gros nuage qui s’appelle cumulo-nimbus peut atteindre jusqu’à 18 kilomètres[II] .

Avec une accumulation des charges positives au sommet et des charges négatives à la base du nuage, les charges positives au sol sont donc attirées par les charges négatives à la base du nuage selon la loi d’attraction. La tension augmente donc jusqu’à un seuil où il va se produire une décharge électrique entre le nuage et le sol : c’ est un éclair. Lors de la libération de l’éclair il se produit une libération considérable d’énergie qui produit de la lumière et qui fait littéralement exploser l’ air par lequel passe le canal de foudre. Nous savons que l’air chauffé se dilate et s’élève contrairement à l’ air froid qui s’ écrase. Avec cette énorme explosion la température qui se forme est tellement importante que l’ air au lieu de se dilater explose et crée ainsi le tonnerre. L’ éclair et le tonnerre se produisent au même moment mais comme la lumière voyage à une vitesse plus élevé que le son alors le phénomène de la lumière atteint d’abord le sol puis ensuite nous parvient le « boum ». Le bruit nous arrive avec un décalage car la lumière se déplace 874030 fois plus vite que le son.

Cumulonimbus

Un cumulonimbus peu se développer sur plus de 1 0000 m de hauteur. Quand ils atteignent le plafond de la troposphère zone dans laquelle se développent les nuages ils s’ étalent d’où vient la forme d’une enclume. Dans le cumulonimbus on a de l’eau sous toutes les formes, liquide, gazeuse, solide. L’ air contient de l’eau sous fom1e de vapeur en fonction de la température et de la pression, plus il fait chaud plus l’ air contient de la vapeur d’eau et plus il fait froid moins l’ air tolère de la vapeur d’eau. En passant de l’ état gazeux à l’ état liquide, l’eau libère de l’énergie sous forme de chaleur. A cause de cette source de chaleur, un cumulonimbus qui contient beaucoup d’humidité (gazeux à solide ou liquide) va se refroidir moins vite que l’air ambiant car il perd 6° à 7° à tous les millimètres. Le cumulonimbus n’en perd que 4° à 5°, pour cette raison le cumulonimbus va continuer à se développer et à prendre de l’ altitude à l’intérieur du nuage.

Les courants ascendants et descendants peuvent atteindre les 150 kmIh. Les plus gros peuvent attirer jusqu’ à 9000 tonnes de vapeur d’eau ce qui va retomber sous forme de pluie. Entre 0° et -20° les gouttes d’eau fondent et entrent en contact avec les cristaux qui se congèlent instantanément et forment des grains de grésil ; ces grains prennent du volume et lorsqu’ ils sont trop lourd ils tombent dans leurs chutes ils percutent d’ autres grains de grésil mais aussi de simples cristaux. Lors de ces chocs les grains de grésil se chargent donc négativement et les cristaux deviennent positifs. Les grains de grésil tombent alors que les cristaux eux sont entrai nés par les courants ascendants, alors la base du cumulonimbus devient négative et le sommet positif. Un excès de charge à la base et un déficit au sommet sont tous les deux séparé par une couche d’ air isolante. Quand la différence de potentiel devient trop importante un courant se crée entre les deux pôles et crée ainsi un éclair[12].

Effets directe et indirecte de la foudre sur un avion

Comme expliqué dans le chapitre 1, l’atmosphère est très ionisée, quel que soit l’ appareil qu’on mettrait dans l’ air il serait susceptible de déclencher une décharge électrostatique. Les extrémités de l’avion amplifient le champ et déclenchent une décharge électrique. Vu les conditions que doit remplir un avion avant d’ effectuer un vol, on constate très souvent que des conséquences mineures comme des trous millimétrique, peuvent entrainer la destruction de certains capteurs il est aussi possible que le champ électromagnétique qui émane de la foudre ou de l’orage agisse sur le système électronique et de communication de l’ appareil. Car le foudroiement est aussi l’ initiateur de fortes tensions engendrant des surtensions qui se propagent par conduction ou par rayonnement affectant ainsi les structures à protéger. Mais des précautions sont prises pour que les dégâts restent mineurs. Néanmoins, les points d’entrée et sortie peuvent être sérieusement atteint par le fait de l’augmentation subite et très élevée de la température (des dizaines de milliers de degré Celsius). Ces parties peuvent être mécaniquement déformées. Si la température est très élevée et atteint la température de fusion de la structure principale de l’avion: le fuselage, peut à partir de ce moment commencer à se détériorer. L’ objectif dans cette recherche est de comprendre quelles seraient les conséquences sur le câblage d’un avion si ce dernier ne possédait aucune forme de protection.

Description du système et modèle choisi

Notre système est axé autour de la conception d’un générateur de tension et de courant qui sera utilisé pour générer une forte tension ainsi qu’un fort courant qui seront appliqué à un câble de conduite comme on en trouve dans les avions. L’ objectif est de pouvoir observer les variations que subirons les caractéristiques des câbles qui sont: la conductivité thermique, permittivité (isolant : la gaine), capacité linéique et son coefficient d’auto-inductance afin de pouvoir traduire nos résultats et comprendre comment une perturbation électromagnétique externe dépendamment de sa puissance influence un circuit interne d’un avion en plein vol. Le système sera conçu sous le logiciel Matlab-Simulink. Simulink étant l’ extension graphique de Matlab utilisé pour la modélisation et la simulation des systèmes multiphysique. Dans Simulink une hiérarchie sera suivie pour concevoir notre système et les paramètres choisis de manière à optimiser nos résultats. Les résultats obtenus de Simulink seront alors utilisé dans Matlab via des fonctions pour les intégrer au code. Le logiciel Matlab-Simulink a été choisi pour sa fluidité et aussi pour la possibilité de modéliser des données simples ou avec plusieurs canaux. Dans Simulink les blocs seront utilisés pour modéliser les équations. Les blocs dans Simulink sont essentiellement utilisés pour simuler le courant et la tension lors d’un choc de foudre. Les Sources sont utilisées pour générer différents signaux, les oscilloscopes utilisés pour afficher les signaux, les blocs continu pour les éléments du système continu (fonctions de transfert, modèles d’espace d’état, contrôleurs PID, … ) Les opérations mathématiques: contiennent de nombreuses opérations mathématiques courantes (gain, somme, produit, valeur absolue, etc.), les ports et sous-systèmes contiennent des blocs utiles pour créer un système.

Conclusion

Pour la rédaction de ce document le travail a commencé par une revue littéraire, l’étude de tout ce qui concerne les phénomènes électromagnétiques. A partir des matériaux jusqu’aux différentes méthodes de propagations dépendamment de la couche de l’ atmosphère. Dans un second temps on s’est intéressé au phénomène naturelle plus redoutable soit la foudre. Comment se forme un orage, les étapes de la formation des nuages et les effets directes et indirectes qui peuvent en découler. Puis fut entamé la description et modélisation du système vu qu’on est dans un domaine expérimentale il fallait trouver le moyen de reproduire la foudre du moins avoir des paramètres de tension et de courant qui s’approche de ceux qu’on pourrait enregistrer dans un vrai cas de foudre. C’est donc à ce niveau que furent abordés les différents générateurs possible: générateur de courant et de tension. Enfin la modélisation numérique où sont exposés les modélisations de l’ avion, du câble et les résultats. Dépendamment de la description de la problématique à laquelle on fait face, il existe plusieurs moyens et méthodes pour l’aborder et le résoudre.

La résolution numérique des équations avec la méthode des différences finis est envisageable et offre la possibilité d’étudier et observer l’évolution du champ magnétique au cours du temps. Dans la modélisation des effets de la foudre sur un avion, il existe plusieurs paramètres en prendre en compte. Les matériaux composites, le fuselage de l’avion, les années de vol de l’ avion, la longueur de l’avion el la hauteur à laquelle vol ce dernier puis si l’avion est l’ initiateur de la foudre ou s’il fait juste parti du canal. Un autre paramètre très important à prendre en compte est le câblage. Le type de blindage d’un câble est le moyen le plus important pour vérifier et contrôler comment celui-ci interagit dans son environnement. L’ impédance de transfert est le critère sur lequel on se base pour faire les calculs. Ce dernier met en relation : la longueur du câble et un courant perturbateur. L’ objectif est d’avoir l’impédance la plus faible possible ce qui qualifiera le blindage de bon ou mauvais. Tout avion dépendamment de sa longueur et de ses matériaux de construction a un champ électrique critique qui est le champ maximal qu’ il peut supporter. Analyser les perturbations de la foudre sur un avion demande un travail sur tous ce qui est couplage car tout joue entre la propagation de la source jusqu’ à l’équipement. La difficulté la plus souvent rencontré est la modélisation du câblage car il faudrait prendre en compte le nombre de câble par faisceau, le diamètre de chaque faisceau de câble et la géométrie du cheminement des câbles, les connections avec le fuselage. Les calculs et simulations faits d’après les recherches donnent des résultats assez proches des travaux faits par nos prédécesseurs. Parfois des écarts sont dus à des paramètres pris différemment ou à des méthodes de calculs différentes. Tous les paramètres utilisés ont été considérés ont été identifiés dans le document.