Foudroiement des avions et des hélicoptères
Foudroiement en aéronautique

1 - Environnement orageux de l'aéronautique

• 1.1 - Nuage d'orage
  Figure 1 - Évolution de la température de l'atmosphère en fonction de l'altitude (d'après [3]) Figure 2 - Champ électrique au sol créé par un nuage d'orage (d'après [2])
• 1.2 - L'éclair et ses différentes composantes
  Figure 3 - Vues de la propagation horizontale de décharges précurseurs de laboratoire de polarité positive et négative (d'après [9]) Figure 4 - Structure 3D d'une décharge intra-nuage (d'après [18]) Tableau 1 Tableau 2

2 - Foudroiement des avions et des hélicoptères

• 2.1 - Conséquences du foudroiement
  Figure 5 - Vues de foudroiements d'avion de ligne à basse altitude Figure 6 - Dommage subi par le rotor principal (gauche) et le rotor anti-couple (droite) d'un hélicoptère accidenté par un foudroiement Tableau 3
• 2.2 - Description de l'agression foudre
  Figure 7 - Capteur du type « moulin à champ » embarqué sur avion Figure 8 - Réseau de cinq moulins à champ sur avions CV580 et C160 Figure 9 - Variations de champ électrique mesurées sur le fuselage du Transall C160 et provoquées par l'amorçage d'un foudroiement par l'avion Figure 10 - Champ électrique mesuré sur le fuselage et courant électrique du précurseur de l'éclair pendant la phase d'amorçage Figure 11 - Scénario de l'amorçage déduit des observations Figure 12 - Visualisation du balayage de l'éclair sous le fuselage de l'avion Transall C160 Figure 13 - Variations de champ induites sur le fuselage par l'approche d'un canal de foudre (mesures sur avion C160) Figure 14 - Scénario d'interception d'un éclair par l'avion Figure 15 - Agression de courant foudre typique déduite des observations en vol Tableau 4

3 - Certification contre les foudroiements

• 3.1 - Normes aéronautiques
  Figure 16 - Onde de courant normalisée représentant l'agression directe sur aéronef
• 3.2 - Ondes de courant et de tension normalisées
  Figure 17 - Ondes de courant répétitives
• 3.3 - Essais de certification
  Figure 18 - Dommages sur un panneau composite carbone provoqués par l'injection d'une impulsion de courant (d'après [34]) Figure 19 - Essais d'injection de courant sur un avion Transall C160 Figure 20 - Exemple de répartition des zones d'agression sur un avion (d'après [42]) Figure 21 - Méthode de la sphère roulante (d'après [42]) Figure 22 - Essais d'attachement en laboratoire réalisé sur une maquette d'hélicoptère rendue conductrice en surface (photo DGA-TA, d'après [44])

4 - Étude des effets directs de la foudre

• 4.1 - Modélisation et expérimentation en laboratoire
  Figure 23 - Formation des ondes de choc … après l'amorçage de l'arc dans un dispositif de test préconisé dans le document SAE ARP 5416, dans l'application d'une onde de type C (§ 3) Figure 24 - Simulation à l'aide d'un code MHD du développement d'un arc de laboratoire Figure 25 - Simulation MHD du pied d'un arc de laboratoire sur l'éprouvette Figure 26 - Divergence du flux radiatif à l'instant … Figure 27 - Principe du balayage de l'arc de l'éclair sur la structure d'un avion Figure 28 - Comportement d'un arc long (d'après [48] [49])
• 4.2 - Interaction entre le canal de l'éclair et la surface de l'avion
  Figure 29 - Contraintes sur la structure au point d'attachement de l'arc représentées aux instants t 1 , t 2 et t 3 Figure 30 - Calcul de la répartition du courant au pied de l'arc pour trois valeurs du courant de l'onde C Figure 31 - Zones de dommages créés par une onde d'essais de type A (100 kA crête) sur un panneau d'aluminium nu et peint (d'après [50]) Figure 32 - Évolution radiale en fonction du temps de la température et de la pression au pied de l'arc, pendant l'application d'un onde d'essais A/2 (50 kA crête) Figure 33 - Évolution en fonction du temps du rayon de conduction R c du pied d'arc pour trois amplitudes d'une onde d'essais A (200 kA, 100 kA et 50 kA) Figure 34 - Formation d'un pied d'arc sur un panneau en aluminium (d'après [51]) Figure 35 - Protection des surfaces en matériaux composite Figure 36 - Endommagement de panneaux carbone protégés et peints par une onde de courant de type A (d'après [50]) Figure 37 - Simulation de l'application d'une onde D/2 d'amplitude crête 50 kA sur un panneau composite carbone de … Figure 38 - Évolutions temporelles de la déflexion mécanique mesurée aux centres de trois panneaux composite soumis à une onde de courant de type D Figure 39 - Illustration des mécanismes d'étincelage dans une fixation Figure 40 - Étincelage sur un rivet aéronautique (d'après [52])
• 4.3 - Phénomène d'étincelage sur les systèmes de fixation des panneaux composites

5 - Étude des effets indirects de la foudre

• 5.1 - Couplage électromagnétique provoqué par le foudroiement
  Figure 41 - Spectres en fréquence des différentes ondes normalisées de la figure 17 Figure 42 - Répartition des lignes de courant sur une plaque plane (d'après [41]) Figure 43 - Injection de courant moteur-aile Figure 44 - Atténuation des champs électrique et magnétique par la fermeture d'une ouverture circulaire par un matériau d'impédance de surface de … Tableau 5 Tableau 6
• 5.2 - Perturbation électromagnétique des systèmes
  Figure 45 - Courant I wire mesuré sur un même câble pour des courants injectés I inj , de contenu fréquentiel identique mais d'amplitude différente Tableau 7
• 5.3 - Protection des systèmes contre les effets indirects de la foudre
  Figure 46 - Exemple de schéma de protection active sur liaison ARINC 429 (d'après HOLT Inc. HI-8470)
• 5.4 - Modélisation du couplage électromagnétique
  Figure 47 - Modélisation 3D FDTD du moteur de l'avion TP400 (avec l'autorisation de Hispano-Suiza)

6 - Protection des lancements spatiaux contre les foudroiements

• 6.1 - Protection contre la foudre d'un lanceur en vol
• 6.2 - Protection contre la foudre d'un lanceur au sol
  Figure 48 - Illustration de la méthode de la sphère roulante pour une installation au sol Figure 49 - Protection de la navette spatiale de la NASA Figure 50 - Protection d'un pas de tir par 4 câbles supportés par un ensemble isolant et connectés à la terre Figure 51 - Schéma électrique équivalent du système de protection Soyouz de l'ESA à Kourou Figure 52 - Impédance d'une ligne enterrée de 100 m de long en fonction de la fréquence Figure 53 - Simulation de l'injection d'une onde de courant de type A sur un pylône : répartition du champ magnétique sur le pas de tir Soyouz de l'ESA Figure 54 - Configuration de mesure pour l'évaluation expérimentale d'une protection foudre de lanceur constituée par 4 pylônes Tableau 8

7 - Conclusions