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WO2024003362A1 - Dispositif de protection antibalistique - Google Patents

Dispositif de protection antibalistique Download PDF

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Publication number
WO2024003362A1
WO2024003362A1 PCT/EP2023/068030 EP2023068030W WO2024003362A1 WO 2024003362 A1 WO2024003362 A1 WO 2024003362A1 EP 2023068030 W EP2023068030 W EP 2023068030W WO 2024003362 A1 WO2024003362 A1 WO 2024003362A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
conductors
shield
updated
separator
shielding part
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2023/068030
Other languages
English (en)
Inventor
Alexane MARGOSSIAN
Mickael BOINET
Benjamin Levy
Cédric PAYAN
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Saint Gobain Centre de Recherche et dEtudes Europeen SAS
Original Assignee
Saint Gobain Centre de Recherche et dEtudes Europeen SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Saint Gobain Centre de Recherche et dEtudes Europeen SAS filed Critical Saint Gobain Centre de Recherche et dEtudes Europeen SAS
Priority to EP23736709.9A priority Critical patent/EP4548036A1/fr
Publication of WO2024003362A1 publication Critical patent/WO2024003362A1/fr
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F41—WEAPONS
    • F41H—ARMOUR; ARMOURED TURRETS; ARMOURED OR ARMED VEHICLES; MEANS OF ATTACK OR DEFENCE, e.g. CAMOUFLAGE, IN GENERAL
    • F41H5/00—Armour; Armour plates
    • F41H5/02—Plate construction
    • F41H5/04—Plate construction composed of more than one layer
    • F41H5/0414—Layered armour containing ceramic material
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M5/00—Investigating the elasticity of structures, e.g. deflection of bridges or air-craft wings
    • G01M5/0033—Investigating the elasticity of structures, e.g. deflection of bridges or air-craft wings by determining damage, crack or wear

Definitions

  • the invention relates to an anti-ballistic protection device, in particular a bullet-proof vest or a protection device for a vehicle or any other military equipment.
  • An anti-ballistic protective shield is a device capable of resisting the impact of a bullet in order to protect a target, for example a person, a police or law enforcement vehicle, defense vehicle or other military equipment. It is preferably in the form of a plate, flat or not, which, in the service position, extends in front of the target in order to protect it.
  • the shield can in particular be a bulletproof vest conventionally comprising, as illustrated in Figure 1:
  • a protective plate 10 consisting of a superposition of an armor piece 12 in the form of a plate, preferably an intermediate layer 14, and a damping plate 16, called "backing", And
  • outer part 18e of the outer envelope which extends on the outer side and is exposed to projectiles
  • inner part 18i of the outer envelope which extends on the opposite side.
  • Each of these parts has an external face oriented towards the environment and an opposite internal face, oriented towards the shielding part.
  • the bulletproof vest is intended to protect a target C against the projection of a ball B thrown against an impact face 20.
  • the good condition of the shield is conventionally checked visually.
  • signs of possible damage to a piece of armor made of a fragile material are often very difficult to detect.
  • Brittle fracture, or “catastrophic rupture” can in fact result from the multiplication of microcracks that are difficult to detect.
  • the shielding part can also be covered with a coating or be placed in an environment making visual inspection difficult, or requiring the acquisition of x-ray images.
  • WO2021/116349A1 a device for checking the physical state of shielding. It includes a plastic sensor fixed to the shielding part and capable of locally detecting the appearance of an internal defect, for example a crack.
  • US20120191373A1 describes an anti-ballistic protection device comprising an armor piece and a sensor adapted in particular to electrical reflectometry.
  • the sensor conductors are placed on the same side of the shielding part. Furthermore, the sensor does not have sufficient sensitivity to reliably detect significant damage to the shielding part.
  • An aim of the invention is to respond, at least partially, to this need.
  • the invention proposes an anti-ballistic protection device, comprising:
  • a shield comprising a piece of armor capable of protecting a target from a projectile fired by a firearm
  • an interrogator electrically connected to said conductors and configured to measure an electrical property depending on the arrangement of said conductors and/or the shape of said conductors and/or the structure of the separator and/or the shape of the separator, or a connector capable of electrically connecting said conductors to said interrogator.
  • At least part of the shield preferably at least part of the shielding piece, constitutes, totally or in part, preferably completely, said separator.
  • the electrical property can be modified in the event of a change in the physical state of the separator, which makes it possible to detect damage to the shield, for example resulting from the appearance of cracks, in particular in the shielding part.
  • the electrical property can also be modified in the event of separation or disassembly of the different parts constituting the shield, and in particular the shielding piece with another piece of the shield.
  • the sensor can for example detect micro-cracking of the armor piece, but also a loss of cohesion between the armor piece, the damping plate, the intermediate layer and the layers of the armor. external envelope, which a simple visual observation of the shield does not generally allow.
  • the shield therefore has a dual function. It ensures the protection of the target and participates in the constitution of the sensor. The manufacturing of the device is facilitated. In addition, reducing the number of parts reduces the weight of the device, increases its compactness and improves its reliability and precision.
  • the shield preferably the shielding piece, extends between the conductors, that is to say in an optimal location so that its deformation or its change of state affects the measurements made with the sensor. Finally, the measurement and analysis by the interrogator is rapid and can be automated.
  • the shield may in particular be a bulletproof vest comprising an external envelope enveloping a protective plate consisting of a superposition of said armor piece in the form of a plate, optionally an intermediate layer, and a plate damping, a conductor being:
  • an environmental protection layer based on resin for example a layer based on polyurethane, in particular of Line-X®, or
  • the device comprises several conductors, for example more than two or more than 3 conductors, arranged at different depths, for example a conductor integrated in the outer part of the outer casing, a conductor arranged on the outer face of the shielding part, a conductor placed on the interior face of the shielding part, a conductor placed between the shielding part and the damping plate and a conductor arranged in the damping plate.
  • conductors for example more than two or more than 3 conductors, arranged at different depths, for example a conductor integrated in the outer part of the outer casing, a conductor arranged on the outer face of the shielding part, a conductor placed on the interior face of the shielding part, a conductor placed between the shielding part and the damping plate and a conductor arranged in the damping plate.
  • the damping plate comprises a fabric, preferably a fibrous composite, and a conductor is integrated into the fabric, for example as a warp or weft yarn.
  • the separator is constituted by the shielding piece or by an assembly consisting of the shielding piece and a damping plate, preferably made of a fibrous or metallic material intended to be placed between the target and the armor plate in the shield service position.
  • the separator is preferably in the form of a plate. It may be a piece of shielding in the form of a plate, and/or one or more other pieces integral with the piece of shielding. It may be in particular, in particular for a bulletproof vest, a cushioning plate and/or an intermediate layer and/or one or more layers of the external envelope. Preferably, the separator consists exclusively of the shielding part.
  • a separator in the form of a plate has exterior and interior faces.
  • the electrical conductors referred to as “exterior” and “interior” conductors, preferably extend on the side of the exterior and interior faces, respectively, preferably in contact with the exterior and interior faces, respectively.
  • the surfaces of said exterior and interior faces are preferably greater than or equal to 100 cm 2 .
  • the device comprises several said sensors, the separator being common to the plurality of sensors.
  • the device thus comprises several pairs of conductors, each pair comprising an outer conductor and an inner conductor, extending respectively on the outer and inner faces of a separator in the form of a plate, flat or not, parallel to one another. other, the distance between the outer conductor and the conductor interior being preferably substantially equal to the thickness of the plate.
  • the device may in particular comprise 2, more than 2, more than 3, more than 5, more than 10 and/or less than 1000 couples.
  • the surfaces of said exterior and interior faces are then preferably each greater than 300 cm 2 , in particular greater than 500 cm 2 , and more particularly greater than 1000 cm 2 .
  • each pair of conductors is connected to a respective connector, suitable for connecting the sensor to the interrogator.
  • Several pairs of conductors can also be connected to the same connector.
  • the device can also include a multiplexer to manage the incident signals injected into the different pairs of conductors, as well as the signals reflected accordingly.
  • the shielding part is preferably made of a material with a Vickers hardness greater than 3 GPa.
  • At least one of the conductors is made up of a deposit of material, preferably produced by laser engraving, screen printing or pad printing, or by application of a conductive paint, which improves compactness and ensures good transmission, at conductor, deformation and/or modification of the possible physical state(s) of the separator.
  • the electrical property is preferably a difference in electrical potential between the two conductors.
  • the conductors and the separator together form an electromagnetic waveguide.
  • the interrogator is configured to inject into the waveguide an incident signal, preferably an electrical signal, preferably a pulse, representing a potential difference between the two conductors, receive a reflected signal accordingly, and analyze said reflected signal or an evolution of the reflected signal.
  • the analysis comprises, preferably is a time or frequency reflectometry analysis.
  • the interrogator is programmed to perform an analysis of an electrical potential difference or an impedance difference measured between the electrical conductors.
  • the senor constitutes a waveguide and the interrogator is configured to carry out a so-called time or frequency reflectometry analysis from a reflected signal returned by the waveguide, preferably so as to implement of the following steps: a) at a “reference” instant, in a reference situation, injection, into the waveguide, of an incident signal, preferably an electrical signal; b) reception of a signal reflected by the waveguide in response to said injection, or “reflected reference signal”; c) at an “updated” instant, injection, into the waveguide, of an incident signal identical to that injected in step a); d) reception of a signal reflected by the waveguide in response to said injection, or “updated reflected signal”; comparison of the reflected reference and updated signals so as to determine a difference between said signals, and deduce information on the physical state of the shield, in particular of the shielding part, in the updated situation; e) optionally, preferably, transmission of a message containing said information.
  • step d) Preferably, in step d),
  • a score is determined by integrating over time a function providing, as a function of time, the difference between said reference and updated reflected signals, then
  • the invention also proposes a method for monitoring the physical state of a protective shield against shocks, preferably anti-ballistic, in particular the physical state of an armor part of said shield, said method comprising the following steps :
  • Step 2) can be repeated, two successive updated instants being for example separated by more than 1 minute, 1 hour, a day, or a week, and/or less than 6 months or less than 1 month.
  • brittle is meant a material whose range of plastic deformation under load before rupture represents less than 1% of the range of elastic deformation, preferably is substantially zero. In other words, the width of the stress range leading to plastic deformation without failure represents less than 1% of the width of the stress range leading to elastic deformation.
  • a “Ceramic Matrix Composite”, or “CMC”, is a product composed of fibers, preferably ceramic, bonded together by a ceramic matrix.
  • Ceramic material means any non-metallic and non-organic material. Diamond, graphite, graphene, carbide and cermet are considered here as ceramic materials.
  • An “Organic Matrix Composite”, or “CMO”, is a product composed of fibers, preferably ceramic, bonded together by an organic matrix, preferably consisting of resins comprising more than 50% by volume of thermoplastic polymers and/or elastomers and/or thermosettings.
  • the nature of the projectile is not limiting.
  • it could be a bullet or a rocket.
  • a firearm can be in particular a rifle, a handgun, or even a cannon.
  • a shield comprises an armor piece, typically made of a hard material, and optionally a damping plate which extends between the target and the armor piece in the service position.
  • the damping plate is preferably made of a ductile material, typically:
  • - made of a metal, for example steel or an aluminum alloy.
  • the Vickers hardness H v of a material can be measured by applying a force F, in Newton, perpendicular to the surface of a sample of said material, with a pyramid tip standardized as a diamond with a square base and a vertex angle between faces equal to 136°.
  • the imprint made on this surface therefore has the shape of a square.
  • We measure the two diagonals ch and cfe of this square, in mm, using an optical device. If cf designates the arithmetic mean of c and cfe, the hardness is calculated according to the following formula: Hv 0.189* F/cF.
  • the equivalent diameter of the grains of the material is determined from the observation of the microstructure of the material, conventionally using images taken in SEM (scanning electron microscopy) on a section of a sample of the material comprising a sufficient number of grains , in particular at least 500 grains, or even at least 600 grains, preferably after a chemical attack aimed at revealing the grains and their joints.
  • the grain diameter thus measured corresponds to the diameter of a disk with a surface area equivalent to said grain, as observed in two dimensions on the SEM image.
  • the percentiles or “percentiles” 10 (P10), 50 (D50), and 90 (D90) for the equivalent grain diameters are the equivalent diameters corresponding to the percentages, in number, of 10%, 50% and 90%, respectively, on the cumulative distribution curve of equivalent grain diameters classified in ascending order.
  • the median equivalent diameter (or percentile D50) is the diameter for which 50% by number of grains have an equivalent diameter less than or equal to this said diameter.
  • the “physical state” of the shield in particular of the shielding part, can be for example “damaged state” or “integrity state”. It can also be more precise. For example, it could be “minorly damaged condition”, “medium damaged condition” or “heavily damaged condition”. “Damage” is an irreversible consequence of the application of a constraint during, before or after use of the shield. The damage can in particular result in microcracks.
  • the equivalent diameter of a conductor in wire form is the diameter of a disc having the same area as the cross section of a conductor.
  • An electromagnetic waveguide is a waveguide preferably having the general shape of a transmission line, suitable for measurement by electrical time or frequency reflectometry. It conventionally comprises two electrical conductors electrically insulated from one another and which extend in the direction of the length of the waveguide.
  • the incident signal is conventionally a variation in the difference in electrical potential between said electrical conductors.
  • the incident signal is injected at the input end of the guide waves, then propagates in the form of an electromagnetic wave.
  • a variation in electrical impedance causes a partial reflection of this wave.
  • the reflected signal is also a temporal variation of potential difference between the electrical conductors.
  • echo the part of a reflected signal which is returned, in response to the incident signal, by a discontinuity (discontinuity echo), by the input end of the waveguide, at the connector (echo). transmission), or by the output end of the waveguide (background echo).
  • a discontinuity is a local modification of a waveguide, in particular of a conductor or of the separator, in particular when the conductors are in contact with the separator and preferably conform to the shape of the separator, capable of partially reflecting a signal circulating in the waveguide.
  • a region of a waveguide “corresponds” to a portion of a reflected signal when it is the origin of the portion of the reflected signal, that is, it has reflected the incident signal to generate the portion of the reflected signal.
  • the adjectives “baseline” or “updated” are used for clarity purposes only.
  • the adjective “outer” refers to the side of a shield likely to be exposed to bullets in the service position, that is, the position in which the shield is used to protect the target.
  • the adjective “inner” refers to the side opposite the outer side.
  • FIG 1 schematically represents, in cross section, a bulletproof vest of the prior art
  • FIG. 1 schematically illustrates a device according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 3 schematically illustrates a device according to a second embodiment of the invention
  • FIG 4 schematically represents, in cross section, a bulletproof vest according to different embodiments of the invention
  • - Figure 5 schematically illustrates a device according to a third embodiment of the invention
  • FIG. 6 represents an example of reflected signals received by the interrogator in one embodiment of the invention
  • FIG. 7 represents an enlargement of part of Figure 6;
  • FIG 8 schematically illustrates a device according to a fourth embodiment of the invention.
  • FIG. 9 schematically illustrates the bending test used for the second series of examples
  • a device 21 comprises a protective shield 22, a sensor 24 and preferably an interrogator 26, as illustrated in Figure 2.
  • the shield 22 is a device for protection against military projectiles, and in particular against bullets, preferably intended for the protection of a vehicle, in particular a military vehicle, or a person. It may in particular be a bulletproof vest or a helmet.
  • the shield preferably has the shape of a plate, preferably flat, possibly made up of a superposition of plates made of different materials.
  • a shield includes a shielding piece 12, or is even made up of a shielding piece, as in Figure 2.
  • the shielding part is preferably shaped to provide NIJ-IIIA, NIJ-III or NIJ-IV protection, preferably at least NIJ-III protection. For vehicles, it is preferably designed to ensure STANAG 4569 level 1, or 2, or 3, or even 4 protection.
  • the shielding part 12 may have a mass greater than 200g, preferably greater than 500g, preferably greater than 1kg and/or less than 100kg, less than 50kg, less than 10kg, or even less than 5kg.
  • the shielding part 12 can have any shape, determined according to the intended application.
  • the shielding part 12 preferably has the shape of a plate, preferably planar, for example the shape of a plate having:
  • an overall thickness greater than 3 mm, preferably greater than 5 mm, preferably greater than 10 mm, and/or less than 2 cm.
  • the shielding piece preferably has an average thickness greater than 3 mm, preferably greater than 5 mm, greater than 7 mm, preferably greater than 10 mm, preferably greater than 15 mm, preferably greater than 20 mm, and/or less than 100 mm, preferably less than 2 cm.
  • the length and/or width and/or thickness are preferably constant.
  • the shielding piece preferably has a length and width greater than 5, 10, 30 or 50 times the thickness of the plate.
  • a piece of shielding 12 in the form of a plate conventionally has an exterior face 12e, or "impact face”, an interior face 12i opposite the exterior face, and a peripheral edge 12p defining the thickness of the plate and connecting the one to the other the interior and exterior faces.
  • the thickness of the shielding piece is preferably substantially constant, that is to say that said interior and exterior faces are substantially parallel to each other.
  • the surface of the interior face and/or the exterior face is preferably greater than 150 cm 2 , greater than 200 cm 2 , greater than 250 cm 2 , preferably greater than 400 cm 2 , preferably greater than 500 cm 2 , or even greater than 1000 cm 2 , and/or less than 10,000 cm 2 .
  • the shape of the interior face and/or exterior face is not limiting. It can be smooth or rough, have through holes or be continuous, optionally have cavities or bosses, be developable or not, be flat or not. Preferably, this shape is flat.
  • the shielding part is preferably made of a metallic and/or ceramic material and/or of a glass and/or of a glass ceramic and/or of an organic matrix composite (CMO) or ceramic (CMC), preferably made of a ceramic material, preferably made of alumina, SiC or B4C.
  • CMO organic matrix composite
  • CMC ceramic
  • the shielding part material can conventionally be a fragile material.
  • the shielding part material preferably ceramic, preferably has:
  • the shielding part material is preferably a grain agglomerate, preferably a sintered material.
  • the grain material is preferably metallic and/or ceramic and/or cermet.
  • Said grains are preferably made of a metal carbide or a metal boride. More preferably, the grains are grains of silicon carbide or boron carbide or grains of a mixture of these two carbides.
  • the grains are exclusively silicon carbide grains, possibly with a metallic phase, preferably comprising the silicon element.
  • D50 a median equivalent diameter D50, less than 500 micrometers, preferably less than 200 micrometers, preferably less than 100 micrometers, preferably less than 50 micrometers, and/or
  • an equivalent diameter D 90 less than or equal to 1000 micrometers, preferably less than or equal to 700 micrometers or even less than or equal to 500 micrometers, and/or greater than 1 micrometer, preferably greater than 5 micrometers or even greater than 20 micrometers .
  • the grains are linked by a matrix.
  • the matrix comprises or consists of a silicon nitride phase and/or a silicon oxynitride phase. It preferably represents between 5 and 40% by mass, preferably between 15 and 35% by mass, of the mass of the shielding part.
  • the shield may include other parts.
  • a bulletproof vest as described in the preamble is an example of an antiballistic protection shield.
  • the shielding piece is glued to the intermediate layer, which is itself glued to the damping plate.
  • the outer envelope can also be glued to the protection plate.
  • the glue may for example be based on polyurethane, epoxy polymers or thermoplastic polymers or elastomers.
  • the armor part of a bulletproof vest is preferably made of metal or a ceramic material, typically alumina, SiC and/or B 4 C.
  • the damping plate is made of a material of lower hardness than that of the material constituting the shielding part.
  • the damping plate is made of a material chosen from PE polyethylenes, in particular ultra high density polyethylenes (UHMPE), glass or carbon fibers, aramids, metals such as aluminum, titanium or their alloys or steel.
  • the middle layer is optional. It is preferably a textile, preferably made of a material chosen from PE polyethylenes, in particular ultra high density polyethylenes (UHMWPE), glass or carbon fibers, aramids, and metals such as aluminum, titanium. or their alloys and steel.
  • PE polyethylenes in particular ultra high density polyethylenes (UHMWPE)
  • UHMWPE ultra high density polyethylenes
  • aramids glass or carbon fibers
  • metals such as aluminum, titanium. or their alloys and steel.
  • the external envelope is preferably made of a fabric, for example glass or carbon fibers. It may in particular be made of a material chosen from PE polyethylenes, in particular ultra high density polyethylenes (UHMPE), aramids, in particular Kevlar®, metals such as aluminum or even steel, in particular in the cases of non-personal protections.
  • PE polyethylenes in particular ultra high density polyethylenes (UHMPE)
  • aramids in particular Kevlar®
  • metals such as aluminum or even steel, in particular in the cases of non-personal protections.
  • the cushioning plate In the service position, i.e. when the body armor is worn, the cushioning plate extends towards the wearer's side of the body armor. The shock caused by a projectile therefore first hits the armor part, then the damping plate.
  • the sensor 24 includes
  • the interrogator 26 electrically connected to said conductors so as to measure said electrical property, and/or a connector 30 capable of electrically connecting the conductors to the interrogator, for example via a connection cord 32, preferably a coaxial cable.
  • a connection cord 32 preferably a coaxial cable.
  • the structure of the two electrical conductors may or may not be the same.
  • each conductor may have the shape of a plate or a ribbon or a wire or a cable, preferably the shape of a ribbon or a wire or a cable made up of one or more wires.
  • each conductor presents:
  • - a length less than 1000 mm, preferably less than 500 millimeters, and/or greater than 10 mm, preferably greater than 100 mm; and or
  • - a width or, when the conductor is in the form of wire or cable, an equivalent diameter of less than 10 millimeters, less than 5 mm, and/or preferably greater than 1 mm;
  • a thickness preferably less than 10 millimeters, less than 5 mm, and/or preferably greater than 10 micrometers, preferably greater than 50 micrometers, or even greater than 1 mm.
  • the conductor is deposited on the shielding piece 12, preferably in the form of a ribbon having a width of between 3 mm and 10 mm and a thickness of preferably between 10 pm and 100 pm, of preferably less than 50 pm.
  • the conductor can be produced by a local modification of the microstructure of the shielding part 12, in particular when the shielding part comprises more than 50% by mass of ceramic, preferably consisting of ceramic.
  • the local modification can for example result from local doping or from a decomposition or a phase transformation locally, preferably by means of a beam of high surface power, preferably greater than 50 W/mm 2 .
  • SiC silicon carbide
  • a laser in particular YAG or CO2
  • YAG or CO2 YAG or CO2
  • the two conductors have the same shape and preferably extend facing each other, ignoring the separator, and preferably still parallel to each other, as on Figures 2 and 3.
  • each conductor can have the same shape of a spiral ribbon fixed on a respective face of a plate-shaped separator, preferably the shielding piece, the two ribbons being superimposed in register, that is to say in such a way that when they are observed perpendicular to said faces, they overlap substantially exactly.
  • the predetermined distance between the two electrical conductors is preferably substantially constant.
  • the two conductors are preferably parallel except, possibly, in the areas of discontinuities. Local parallelism defects can be made to create discontinuities, as described below.
  • the material of a conductor is preferably an electrically conductive metal, such as aluminum, copper, steel or a metal alloy. It can also be a ceramic or a cermet. In particular, in applications in which the shield is subjected to temperatures above 500°C, said conductor material is preferably chosen from:
  • alloys 625 and 690 usable up to 1100°C;
  • a Kanthal of the FeCr type for example the KANTHAL APM, usable up to 1425°C;
  • each conductor may be made of a metal coated with an electrically conductive refractory oxide, preferably SnO2 or C ⁇ Os-MgO spinel or perovskite or metalloid or metal carbide.
  • an electrically conductive refractory oxide preferably SnO2 or C ⁇ Os-MgO spinel or perovskite or metalloid or metal carbide.
  • the difference between the thermal expansion coefficient of at least one, preferably of each conductor and the thermal expansion coefficient of the shielding part is, in absolute value, less than 20%, preferably less than 10% of the thermal expansion coefficient of the shielding part.
  • each conductor is preferably a material having an electrical resistivity:
  • an electrically insulating layer for example made of a polymer (for example PET or PE), or of a ceramic can be deposited on the separator, preferably the shielding piece.
  • the loss angle is a quantity usually referenced in tables concerning dielectric materials for microwaves. For a good dielectric, 5 is low and tan(5) “5.
  • the separator preferably has a tangent of the dielectric loss angle at 1 GHz less than 10 2 , preferably less than 5.10 -3 , preferably less than 1.10 -3 .
  • a conductor preferably each conductor, can be inserted into a protective sheath in order to protect the conductor from heat and/or corrosion and/or chemical attack.
  • the protective sheath may in particular be made of a polymer (for example PET or PE), or of ceramic, in particular alumina, in particular for an environment at a temperature above 400°C.
  • the protective sheath is preferably made of a material having a thermal expansion coefficient substantially identical to that of the conductor material.
  • a sheathing with a sheath made of an electrically insulating material is particularly advantageous if the separator, in particular the shielding part and/or the damping plate and/or the external envelope, has a resistivity less than 1000 microohm. cm, or even less than 100 microohm. cm.
  • the sheath can be segmented to create discontinuities, as described below.
  • the splitter establishes a minimum separation distance, or “gap,” between the two conductors.
  • the minimum and/or maximum and/or average spacing between said conductors is preferably less than 100 mm, preferably less than 80 mm, or even less than 60 mm or even 50 mm, and/or greater than 3 mm, preferably greater than 5 mm, or greater than 10 mm.
  • the conductors are not necessarily in contact with the separator, but such contact is preferred because it facilitates the measurement of a deformation and/or a modification of the state of the separator.
  • each conductor is preferably fixed on the separator, preferably on or in the shielding piece, or, for a bulletproof vest, on or in the damping plate 16, the intermediate layer 14 arranged between the shielding piece 12 and the damping plate 16, or the external envelope 18.
  • the conductor is fixed between two pieces of the shield, preferably in the form of a plate or layer, for example between the piece shield 12 and the outer casing 18 or between the damping plate 16 and the outer casing 18.
  • the conductor 28e can be arranged:
  • the conductor 28e can be integrated into the glue fixing the external envelope 18 to the shielding part 12.
  • the 28i driver can be arranged
  • the conductor 28i can be integrated in the glue fixing the intermediate layer 14 to the shielding part 12 or in the glue fixing the intermediate layer 14 to the damping plate 16 or in the glue fixing the outer envelope 18 to the plate d depreciation 16.
  • the damping plate is glued directly to the shielding part and the conductor 28i is integrated into the glue fixing the damping plate to the shielding part 12.
  • At least one, or even each conductor extends at least partially, preferably completely, inside the shielding part.
  • the shielding part is a part sintered from a mixture of grains which is shaped then subjected to a consolidation heat treatment compatible with the mechanical and thermal resistance of the conductor.
  • at least one conductor can be produced by infiltration of a metal into the open porosity of the material constituting the shielding part.
  • the infiltrated metal can advantageously be silicon or an alloy of silicon.
  • a metal containing more than 80%, more than 90% or 100% by mass of aluminum may be suitable.
  • the outer envelope is made up of several superimposed layers and, preferably, a conductor, or even each conductor, is inserted between two said layers.
  • a conductor or even each conductor, is inserted between two said layers.
  • at least one said layer of the external envelope protects it.
  • the fixing of a conductor can be obtained in particular:
  • a recess preferably a groove, in particular in a groove, previously made, preferably on the surface of the shielding part, and/or
  • incorporation within a constituent part of the shield or between two constituent parts of the shield, in particular between two superimposed layers of the external envelope.
  • the conductor can be in particular fixed, in particular glued at several separate fixing points, each fixing point having a length, along the conductor preferably less than 5 cm, 3 cm, 2 cm, 1 cm, or at 0.5 cm.
  • the driver is not straight between two fixing points, at room temperature.
  • the length of the conductor between two successive fixing points is greater than 1.05 times, preferably greater than 1.1 times and/or preferably less than 1.5 times, preferably less than 1.4 times, preferably less than 1.3 times the distance between said fixing points.
  • the conductor can thus adapt to dimensional variations of the substrate on which it is fixed.
  • a conductor preferably each conductor, is preferably non-intrusive, that is to say does not penetrate the shielding part.
  • the conductor results from a deposit of material, preferably on the shielding part. Screen printing or pad printing advantageously makes it possible to reduce the excess thickness resulting from the fixing of the conductors, without machining the substrate.
  • the conductor can also be fixed on a support, for example a plate, itself fixed on the separator, the support being preferably arranged in contact with the shielding part, preferably so as to match the shape of the separator, preferably the shape of the shielding part.
  • the support is preferably at least partly, preferably completely, made of a composite material consisting of fibers bonded together by a matrix, or “ceramic matrix composite” (CMC).
  • CMC ceramic matrix composite
  • the fibers and the matrix are preferably chosen according to the environment of the shield in the service position, in particular according to the conditions of temperature and/or corrosion and/or thermal cycling and/or expansion, and/or according to the nature of the shielding part.
  • the arrangement of the fibers is chosen according to the desired shape of the CMC, and the ease of fixing or inserting the conductor. For example, a stack of woven fabrics or layers of fibers is well suited for simple plates, a filament winding is well suited for plates having a geometry of revolution, a filament placement is well suited for large complex shapes.
  • the shielding piece is in the form of a plate, one of the conductors is on the exterior side of the shielding plate and the other is on the interior side of the shielding plate, the conductors being in contact or not with the shielding piece.
  • the total surface of said conductors projected onto the total surface of said exterior and interior faces of the shielding piece preferably represents less than 50%, less than 30%, less than 20%, less than 10%, preferably less than 5% of the total surface of said exterior and interior faces, in particular when the conductors are in the form of wires, ribbons or cables.
  • the conductors are arranged so as not to be exposed to the impact of a projectile, in particular a ball, in the service position, and in particular so as not to be in front of the exterior face of the shielding part. They can in particular be arranged on the periphery of the shielding piece, preferably along parallel edges of the shielding piece, preferably in contact with the edge 12p of the shielding piece which defines said edges, as illustrated in the figure 8.
  • this configuration reduces the risk of destruction when using the shield. It can be particularly advantageous for acquiring information on the state of the shield after the impact of a low energy projectile on the exposed exterior face of the armor piece.
  • the conductors are preferably placed on the most vulnerable parts of the shielding part, for example corners and edges.
  • the senor comprises a connector 30 to which the conductors are connected and which allows an electrical connection of the conductors to the interrogator 26.
  • the interrogator preferably miniaturized, can be integrated into the shield, as in Figure 5 , so as to be permanently connected to the conductors.
  • Connector 30 is then optional.
  • the senor is a waveguide for reflectometry measurement.
  • the two conductors of the sensor form a capacitor, the electrical property measured being the capacitance between the two conductors.
  • the two conductors preferably have the shape of two parallel plates.
  • the senor is an impedance sensor, preferably an acoustic and/or electrical impedance, preferably at least one electrical resistance, variable depending on the shape of the separator.
  • the separator deforms, elastically or plastically, the variation in impedance resulting from this deformation, for example resulting from the appearance of cracks, can be measured by the interrogator.
  • electrically conductive particles preferably carbon particles, preferably carbon nanotubes
  • the separator preferably in the shielding part. They together form a conductive network whose impedance, preferably the electrical resistance, preferably exclusively the electrical resistance, is a function of an arrangement of the conductive particles constituting the conductive network.
  • the arrangement of the conductive particles in the conductive network is changed when the separator deforms, such that a change in the impedance of the conductive network results.
  • EP2129991 B1 and US2012144934A1 describe sensors with variable impedance intended to be attached to a bulletproof vest. They do not, however, suggest that part of the body armor could be used as a separator.
  • the input ends of the conductors are electrically connected to the interrogator 26.
  • the interrogator can be integrated into the shield (FIG. 5) or be selectively connected to a connector 30 itself connected to the conductors (figure 3).
  • the interrogator is chosen based on the electrical property to be measured. It conventionally comprises a processor, a computer memory and software configured to evaluate, from one or more measurements made by the sensor, the physical state of the shield, preferably of the shielding part.
  • the value of the property depends on the spacing between the two conductors and/or the middle of the separator.
  • the spacing between the two conductors can in particular change when different elements of the shield become separated.
  • the middle of the separator may in particular change in the event of deformation of the shielding part and/or the appearance of cracks.
  • the communication between the interrogator and the waveguide is done wirelessly, preferably over the air, by wifi or Bluetooth®.
  • Electrical time domain reflectometry (“electrical time domain reflectometry” or “electrical frequency domain reflectometry” in English respectively, or “E-TDR” or “E-FDR”, respectively) is a technique for measuring changes in state of a medium by means of a sensor forming a waveguide.
  • the senor When the device is intended for measurement by reflectometry, as illustrated in Figure 3, the sensor is adapted so as to form a waveguide 34 which extends between an input end 34i and an output end 34 2 .
  • the free ends of the conductors are not electrically connected to each other and define the output end of the waveguide.
  • the conductors therefore do not form a closed electrical circuit, as in a resistive measuring sensor in which a direct or alternating current flows.
  • the waveguide When the waveguide is damaged, it can advantageously continue to operate. Damage can lead to the appearance of a specific echo, which makes it possible to detect the damage and locate it. If the waveguide is cut, the part of the waveguide still connected to the interrogator can continue to serve as the waveguide. The use of a waveguide thus provides robustness to the device.
  • the waveguide preferably has discontinuities preferably distributed, preferably randomly, along the waveguide.
  • the discontinuities make it possible to generate specific echoes that can be identified in the signal reflected by the waveguide.
  • the waveguide preferably satisfies the Rayleigh scattering condition.
  • discontinuities are surface irregularities on the separator, preferably the shielding part, preferably provided opposite the conductors, preferably in at least one zone of the separator in contact with the conductors.
  • Texturing of said zone advantageously makes it possible to generate random discontinuities.
  • the texturing comprises the creation of microreliefs with a height greater than 0.05 mm, preferably greater than 0.1 mm, preferably greater than 0.2 mm, preferably greater than 0.2 mm, preferably greater than 0.5 mm, or even greater than 0.8 mm, and/or less than 3 mm, less than 2 mm or less than 1 mm.
  • one or more dielectric tabs 36 are arranged on said zone or around at least one conductor of the waveguide so as to create discontinuities.
  • the dielectric tabs may have identical or different shapes and/or dimensions and/or be made of identical or different materials. Even though the dielectric cleats appear identical, no cleat is completely identical to another. It is thus possible to create discontinuities randomly.
  • the dielectric tabs, and in particular beads threaded onto a conductor may have a length, measured according to the length of the conductor, greater than 10 mm, 15 mm or 20 mm and/or less than 100 mm or 50 mm.
  • the discontinuities are spaced from each other by a distance, measured along the waveguide, at least 20 times, preferably at least 15 times, preferably at least 10 times less than the wavelength equal to the inverse of the frequency of the highest peak in the frequency spectrum of the reflected signal.
  • a distance measured along the waveguide, at least 20 times, preferably at least 15 times, preferably at least 10 times less than the wavelength equal to the inverse of the frequency of the highest peak in the frequency spectrum of the reflected signal.
  • beads with a length of less than 2 cm or 1 cm are well suited.
  • This distance can in particular be defined by the length of dielectric tabs, in particular of beads threaded on the conductors.
  • the dielectric tabs, and in particular the beads preferably have a width, that is to say a greater dimension in a plane transverse to the direction of their length, greater than 1 mm, 2 mm or 3 mm and/ or less than 10 mm or 5 mm.
  • the beads also make it easier to identify regions with discontinuities.
  • the separator preferably the shielding part, preferably has an electrical resistivity greater than 10, 50, 100 or 1000 times that of the conductors.
  • the separator may comprise a dielectric material interposed between the conductors, preferably in the form of a layer, for example of an organic nature, for example in an uncharged polymer, for example example of polyethylene or polyamide, or of mineral nature, for example of mica or a mica derivative, or comprising more than 50% by mass of titanium, or of barium, mullite, cordierite or alumina.
  • the dielectric insulation can be in one piece. It can be made up of an assembly of several dielectric tabs. Preferably, the dielectric tabs have the shape of beads threaded onto at least one of the conductors, or onto each of the conductors.
  • a protective sheath covering a conductor can also contribute to the electrical insulation between the conductors, or even constitute said dielectric insulator.
  • the interrogator is configured to:
  • Each incident signal preferably in the form of a pulse or “Dirac”, is generated by establishing a variation in the potential difference between the two conductors of the waveguide. The latter sends back a reflected signal, which is then analyzed in order to deduce information about the medium crossed by the pulse.
  • an impedance discontinuity for example a significant physicochemical variation in the medium causing a local variation in impedance
  • part of the incident signal is reflected towards the interrogator, which makes it possible to identify and analyze this variation.
  • the incident signal can take the form of a periodic wave of any shape.
  • the incident signal can be repeated.
  • the maximum amplitude of the incident signal is between 0.1 and 100 V, preferably less than 10 V, preferably less than 1 V.
  • the frequency of the highest peak in a frequency spectrum of the incident signal is preferably greater than 10 KHz, preferably greater than 100 KHz, preferably greater than 1 MHz, preferably greater than 100 MHz, preferably greater than 200 MHz, preferably greater than 500 MHz, preferably greater than 1 GHz, and /or less than 50 GHz, preferably less than 30 GHz, preferably less than 20 GHz, preferably less than 10 GHz, preferably less than 6 GHz, preferably less than 4 GHz.
  • the incident signals can be sent in the form of signal trains preferably comprising a series of periodic signals of variable frequencies depending on the periodic signal considered. Each incident signal propagates in the waveguide to the free end of the conductors. At each discontinuity, part of the incident signal, or “echo”, is reflected towards the interrogator. All the returned echoes together constitute the reflected signal associated with the incident signal and which the interrogator analyzes.
  • Figure 6 illustrates an example of a reflected signal, the ordinate axis giving the amplitude in Volt (V) and the abscissa axis giving the time elapsed since the instant to of reception of the reflected signal, in tens of nanoseconds ( 10 -7 sec).
  • V Volt
  • E o emission echo
  • Ef background echo
  • Ef echoes of discontinuities Ei returned by discontinuities.
  • the discontinuity echoes are of low amplitude, and are of various amplitudes and shapes.
  • Figure 6 is described in more detail below, in the description of the examples.
  • the interrogator is programmed to analyze the reflected signals, and possibly compare them, so as to determine said electrical property and/or an evolution of said property.
  • the interrogator implements steps a) to e) described above.
  • reflectometry is used to monitor the physical state of the shield, and in particular of a shield comprising an assembly of several parts creating a heterogeneous environment. Reflectometry is not traditionally used for heterogeneous environments and, surprisingly, has proven effective for monitoring the physical state of a shield.
  • the interrogator is programmed to generate an information message on the result of said analysis.
  • the message specifies:
  • the message can be sent to a central computer and/or be presented to an operator, for example on a screen and/or by activating a light and/or by emitting a sound signal.
  • the shielding piece thus provided with the conductors was then glued to a Dyneema HB26 organic matrix composite acting as a damping plate.
  • the whole thing was wrapped in Kevlar fabric.
  • An intermediate layer of Kevlar was inserted between the armor piece and the damping plate.
  • a 30 coaxial connector was connected to the two conductors so that the waveguide formed by the two conductors and the shielding piece can be connected, by a 32 coaxial connection cord, to a 26 Copper Mountain S5085 interrogator.
  • the device thus constituted was installed, horizontally, at the bottom of a drop well, the upper face of the shielding piece being oriented upwards.
  • An incident signal in the form of a 1 GHz pulse (Dirac) was injected into the waveguide by the interrogator.
  • the reflected reference signal received back by the interrogator is shown in Figure 6, in solid black line.
  • the analysis of this reflected signal makes it possible to locate a set 38 of echoes of the incident signal returned by the connection cable, the echo E o returned by the connector, a set 40 of echoes Ei returned by the waveguide and the background echo Ef returned by the end of the waveguide.
  • the portion of the set 40 of echoes Ei also shown in Figure 7, corresponds to the length L of the waveguide (from the connector to the free ends of the conductors) and it is possible to establish a correspondence between a peak on the reflected signal and a position along the waveguide.
  • a 40 kg hemispherical impactor was then dropped above the shield, 20 cm above the shield.
  • the reference and updated reflected signals were represented on the same graph, time 0 corresponding to the time of reception of the reflected signals (synchronization).
  • the graph shows a slight temporal shift in the background echo.
  • Post-mortem X-rays on the armor piece made it possible to locate cracks located at positions 0.1*L and 0.8*L. A reflectometry measurement is thus suitable for detecting and even locating cracks.
  • the amplitude of the peaks also makes it possible to estimate the amplitude of the cracks.
  • the inventors have also discovered that, when only detection of damage to the shield is sought, it is particularly advantageous to use a score calculated by integrating the differential signal.
  • the score resulting from this integration can be compared to a threshold, so that it can be deduced that if the score exceeds the threshold, there is damage or that if the score is below the threshold, there is no damage. damage.
  • the threshold can be conventionally determined by a statistical analysis of a set of tests.
  • a device makes it possible to reliably detect damage to the shield, and even to locate it and evaluate its extent. It is simpler to manufacture, more compact and less expensive to manufacture than the devices of the prior art.
  • the conductors being on either side of the shielding part, the sensor is very sensitive and makes it possible to detect deformations low amplitudes. The device thus makes it possible to detect weak signals, and therefore to anticipate catastrophic degradation of the shielding part even though the pseudo-plastic deformation zone (resulting from microcracks) of the shielding part is extremely limited.
  • Each shielding piece (reference 12 in Figure 9) was glued to a damping plate 16 of the same length and width as the shielding piece.
  • the damping plate was a 10 mm thick UHMWPE Dyneema HB26 organic matrix composite.
  • the thermoplastic glue was a Pentacol glue forming a 14a layer.
  • the two conductors each in the form of a copper-plated tape, reference 3M 2245, composed of a copper sheet 35 ⁇ m thick and 6 mm wide and an underlayer of acrylic adhesive, were glued to the exterior face 12th (impact face).
  • the conductors 28 formed two straight lines extending parallel to the sides defining the length L p of the shielding piece.
  • the two electrical conductors 28e and 28i were glued, facing each other, respectively on the exterior face 12e and on the interior face 12i of the shielding part.
  • the interior face 12i of each specimen was then glued to a damping plate of the same length and width as the shielding piece.
  • the damping plate was a 10 mm thick UHMWPE Dyneema HB26 organic matrix composite.
  • the thermoplastic glue was a Pentacol glue forming a 14a layer.
  • a 2*2 twill aramid fabric at 170 g/m 2 was then glued to form an envelope around each armor piece-damping plate assembly.
  • Each test piece thus obtained had a final thickness of approximately 20 mm.
  • a coaxial connector was also connected to the two conductors.
  • Each connector 30 was connected, by a coaxial connection cord 32, to a Copper Mountain S5085 interrogator 26.
  • Figures 10 (a and b) and 11 (a and b) show the reflected signals received by the interrogator during testing of the first and second examples, respectively. Each time we represented in amplitude (Volts):
  • the reflected reference signal for each of these examples presents a classic emission echo E o between 2.4 and 2.7.10 -8 seconds produced by the input end 34i of the waveguide. For example for the second example, this allows the input end 34i to be positioned at 2.55.10 -8 seconds.
  • the output end 34 2 of the waveguide can also be identified by the background echo Ef at 3.3.10 -8 seconds on the enlarged diagram of FIG. 11.
  • the magnification in Figure 11 b shows the presence of a particular and sharp peak p c at around 2.7. 10 -8 seconds. This particular peak corresponds to the position of the crack that appeared on the armor piece.
  • the device according to the invention remains operational, which also shows its great reliability and the possibility of being able to reuse or re-install the sensor of a used device on a new one. device if necessary.
  • the position of the conductors, in particular on the shielding part and the number of deformation sensors are not limiting.
  • the number of deformation sensors can be adapted in particular to the extent of the surface of the shielding part to be monitored.

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Abstract

Dispositif de protection antibalistique comportant - un bouclier (22) comportant une pièce de blindage (12) apte à protéger une cible d'un projectile tiré par une arme à feu, et - un capteur (24) comportant deux conducteurs électriques (28e, 28i) et un séparateur (22) disposé entre lesdits conducteurs, et - un interrogateur (26) connecté électriquement aux dits conducteurs et configuré pour mesurer une propriété électrique dépendant de l'agencement desdits conducteurs et/ou de la forme desdits conducteurs et/ou de la structure du séparateur et/ou de la forme du séparateur, ou un connecteur apte à connecter électriquement lesdits conducteurs à un dit interrogateur, au moins une partie du bouclier, de préférence au moins une partie de la pièce de blindage, constituant, totalement ou en partie, ledit séparateur.

Description

Description
Titre : DISPOSITIF DE PROTECTION ANTIBALISTIQUE
Domaine
L'invention concerne un dispositif de protection antibalistique, en particulier un gilet pare-balles ou un dispositif de protection d’un véhicule ou de tout autre équipement militaire.
Technique antérieure
Un bouclier de protection antibalistique est un dispositif apte à résister à l’impact d’une balle afin de protéger une cible, par exemple une personne, un véhicule de police ou de maintien de l’ordre, de défense ou un autre équipement militaire. Il se présente de préférence sous la forme d’une plaque, plane ou non, qui, dans la position de service, s’étend devant la cible afin de la protéger.
Le bouclier peut être en particulier un gilet pare-balle comprenant classiquement, comme illustré sur la figure 1 :
- une plaque de protection 10 constituée d’une superposition d’une pièce de blindage 12 sous la forme d’une plaque, de préférence d’une couche intermédiaire 14, et d’une plaque d’amortissement 16, dite « backing », et
- une enveloppe externe 18 enveloppant ladite plaque de protection.
A des fins de clarté, on distingue la partie extérieure 18e de l’enveloppe externe, qui s’étend du côté extérieur et est exposée aux projectiles, et la partie intérieure 18i de l’enveloppe externe, qui s’étend du côté opposé. Chacune de ces parties présente une face externe orientée vers l’environnement et une face interne opposée, orientée vers la pièce de blindage.
Le gilet pare-balle est destiné à protéger une cible C contre la projection d’une balle B lancée contre une face d’impact 20.
Le bon état du bouclier est classiquement vérifié visuellement. Cependant, les signes d’un éventuel endommagement d’une pièce de blindage en un matériau fragile sont souvent très difficiles à détecter. La rupture fragile, ou « rupture catastrophique », peut en effet résulter de la multiplication de microfissures difficiles à déceler. La pièce de blindage peut être aussi revêtue d’un revêtement ou être disposée dans un environnement rendant difficile l’inspection visuelle, ou nécessitant l’acquisition de clichés radiographiques. On connaît de WO2021/116349A1 un dispositif pour vérifier l’état physique d’un blindage. Il comprend un capteur plastique fixé sur la pièce de blindage et capable de détecter de manière localisée l’apparition d’un défaut interne, par exemple d’une fissure.
US20120191373A1 décrit un dispositif de protection antibalistique comprenant une pièce de blindage et un capteur adapté notamment à la réflectométrie électrique. Les conducteurs du capteur sont placés sur une même face de la pièce de blindage. En outre, le capteur ne présente pas une sensibilité suffisante pour détecter de manière fiable un endommagement significatif de la pièce de blindage.
Il existe un besoin permanent pour des solutions permettant de surveiller l’état physique d’un bouclier de protection, qui soit plus simple, plus rapide et plus fiable, et qui soit réalisable avec un dispositif plus compact et moins coûteux que dans l’art antérieur.
Un but de l'invention est de répondre, au moins partiellement, à ce besoin.
Exposé de l’invention
Résumé de l’invention
L'invention propose un dispositif de protection antibalistique, comportant :
- un bouclier comportant une pièce de blindage apte à protéger une cible d’un projectile tiré par une arme à feu, et
- un capteur comportant :
- deux conducteurs électriques,
- un séparateur disposé entre lesdits conducteurs, et
- un interrogateur connecté électriquement aux dits conducteurs et configuré pour mesurer une propriété électrique dépendant de l’agencement desdits conducteurs et/ou de la forme desdits conducteurs et/ou de la structure du séparateur et/ou de la forme du séparateur, ou un connecteur apte à connecter électriquement lesdits conducteurs à un dit interrogateur.
De manière remarquable, au moins une partie du bouclier, de préférence au moins une partie de la pièce de blindage, constitue, totalement ou en partie, de préférence totalement, ledit séparateur.
La propriété électrique peut être modifiée en cas d’évolution de l’état physique du séparateur, ce qui permet de détecter un endommagement du bouclier, par exemple résultant de l’apparition de fissures, en particulier dans la pièce de blindage. La propriété électrique peut être également modifiée en cas de désolidarisation ou de désassemblage des différentes pièces constituant le bouclier, et en particulier de la pièce de blindage avec une autre pièce du bouclier. Lorsque le bouclier est un gilet pare-balles, le capteur peut par exemple détecter une microfissuration de la pièce de blindage, mais aussi une perte de cohésion entre la pièce de blindage, la plaque d’amortissement, la couche intermédiaire et les couches de l’enveloppe externe, ce qu’une simple observation visuelle du bouclier ne permet généralement pas.
Comme on le verra plus en détail dans la suite de la description, le bouclier a donc une double fonction. Il assure la protection de la cible et participe à la constitution du capteur. La fabrication du dispositif en est facilitée. En outre, la réduction du nombre des pièces diminue le poids du dispositif, augmente sa compacité et améliore sa fiabilité et sa précision. En particulier, le bouclier, de préférence la pièce de blindage, s’étend entre les conducteurs, c'est-à-dire à un endroit optimal pour que sa déformation ou son changement d’état affecte les mesures réalisées avec le capteur. Enfin, la mesure et l’analyse par l’interrogateur sont rapides et peuvent être automatisées.
Le bouclier peut être en particulier un gilet pare-balles comportant une enveloppe externe enveloppant une plaque de protection constituée d’une superposition de ladite pièce de blindage sous la forme d’une plaque, optionnellement d’une couche intermédiaire, et d’une plaque d’amortissement, un conducteur étant :
- intégré dans la partie extérieure de l’enveloppe externe, ou
- disposé sur la face externe (orientée vers l’environnement du bouclier) de la partie extérieure de l’enveloppe externe, et de préférence protégé par une couche de protection environnementale à base de résine, par exemple une couche à base de polyuréthane, notamment de Line-X® , ou
- disposé entre l’enveloppe externe et la face d’impact de la pièce de blindage, l’autre conducteur étant
- disposé entre la face de la pièce de blindage opposée à la face d’impact et la couche intermédiaire, ou
- disposé dans la couche intermédiaire ou
- disposé entre la couche intermédiaire et la plaque d’amortissement, ou
- disposé entre la plaque d’amortissement et l’enveloppe externe, ou
- intégré dans la partie intérieure de l’enveloppe externe, ou
- disposé sur la face externe de la partie intérieure de l’enveloppe externe. Dans un mode de réalisation, le dispositif comporte plusieurs conducteurs, par exemple plus de deux ou plus de 3 conducteurs, disposés à différentes profondeurs, par exemple un conducteur intégré dans la partie extérieure de l’enveloppe externe, un conducteur disposé sur la face extérieure de la pièce de blindage, un conducteur disposé sur la face intérieure de la pièce de blindage, un conducteur disposé entre la pièce de blindage et la plaque d’amortissement et un conducteur disposé dans la plaque d’amortissement. On constitue ainsi plusieurs guides d’ondes électromagnétiques.
Dans un mode de réalisation, la plaque d’amortissement comporte un tissu, de préférence est un composite fibreux, et un conducteur est intégré dans le tissu, par exemple comme fil de chaine ou fil de trame.
Dans un mode de réalisation, le séparateur est constitué par la pièce de blindage ou par un ensemble constitué de la pièce de blindage et d’une plaque d’amortissement, de préférence en un matériau fibreux ou métallique destinée à être disposée entre la cible et la plaque de blindage dans la position de service du bouclier.
Le séparateur est de préférence sous la forme d’une plaque. Elle peut être une pièce de blindage sous la forme d’une plaque, et/ou une ou plusieurs autres pièces solidaires de la pièce de blindage. Elle peut être en particulier, notamment pour un gilet pare-balles, une plaque d’amortissement et/ou une couche intermédiaire et/ou une ou plusieurs couches de l’enveloppe externe. De préférence, le séparateur est constitué exclusivement par la pièce de blindage.
Un séparateur sous la forme d’une plaque présente des faces extérieure et intérieure. Les conducteurs électriques, qualifiés de conducteurs « extérieur » et « intérieur », s’étendent de préférence du côté des faces extérieure et intérieure, respectivement, de préférence en contact avec les faces extérieure et intérieure, respectivement. Les surfaces desdites faces extérieure et intérieure sont de préférence supérieures ou égales à 100 cm2. Comme on le verra plus en détail dans la suite de la description, un dispositif selon l’invention permet avantageusement de surveiller l’état physique d’un bouclier dont la pièce de blindage présente une grande surface, sans devoir multiplier le nombre de capteurs.
Dans un mode de réalisation, le dispositif comporte plusieurs dits capteurs, le séparateur étant commun à la pluralité de capteurs. Le dispositif comporte ainsi plusieurs couples de conducteurs, chaque couple comportant un conducteur extérieur et un conducteur intérieur, s’étendant respectivement sur les faces extérieure et intérieure d’un séparateur en forme de plaque, plane ou non, parallèlement l’un à l’autre, la distance entre le conducteur extérieur et le conducteur intérieur étant de préférence sensiblement égale à l’épaisseur de la plaque. Le dispositif peut en particulier comporter 2, plus de 2, plus de 3, plus de 5, plus de 10 et/ou moins de 1000 couples. Les surfaces desdites faces extérieure et intérieure sont alors de préférence chacune supérieures à 300 cm2, en particulier supérieures à 500 cm2, et plus particulièrement supérieures à 1000 cm2.
De préférence, chaque couple de conducteurs est connecté à un connecteur respectif, adapté à la connexion du capteur à l’interrogateur. Plusieurs couples de conducteurs peuvent être également connectés à un même connecteur. Le dispositif peut également comporter un multiplexeur pour gérer les signaux incidents injectés dans les différents couples de conducteurs, ainsi que les signaux réfléchis en conséquence.
La pièce de blindage est de préférence constituée d’un matériau de dureté Vickers supérieure à 3 GPa.
De préférence, au moins un des conducteurs est constitué d’un dépôt de matière, de préférence réalisé par gravure au laser, sérigraphie ou tampographie, ou par application d’une peinture conductrice, ce qui améliore la compacité et assure une bonne transmission, au conducteur, de la déformation et/ou de la modification de l’état physique éventuelle(s) du séparateur.
La propriété électrique est de préférence une différence de potentiel électrique entre les deux conducteurs.
De préférence, les conducteurs et le séparateur forment ensemble un guide d’ondes électromagnétiques. De préférence, l’interrogateur est configuré pour injecter dans le guide d’onde un signal incident, de préférence un signal électrique, de préférence une impulsion, représentant une différence de potentiel entre les deux conducteurs, recevoir un signal réfléchi en conséquence, et analyser ledit signal réfléchi ou une évolution du signal réfléchi. Dans un mode de réalisation préféré, l’analyse comporte, de préférence est une analyse de réflectométrie temporelle ou fréquentielle. Un tel mode de réalisation permet avantageusement non seulement de détecter un endommagement, mais aussi de la mesurer et de le localiser, même avec une pièce de blindage de grandes dimensions.
De préférence, l’interrogateur est programmé pour réaliser une analyse d’une différence de potentiel électrique ou d’une différence d’impédance mesurée entre les conducteurs électriques.
De préférence, le capteur constitue un guide d’ondes et l’interrogateur est configuré pour réaliser une dite analyse par réflectométrie temporelle ou fréquentielle à partir d’un signal réfléchi renvoyé par le guide d’ondes, de préférence de manière à mettre en œuvre des étapes suivantes : a) à un instant « de référence », dans une situation de référence, injection, dans le guide d’ondes, d’un signal incident, de préférence un signal électrique ; b) réception d’un signal réfléchi par le guide d’ondes en réponse à ladite injection, ou « signal réfléchi de référence » ; c) à un instant « actualisé », injection, dans le guide d’ondes, d’un signal incident identique à celui injecté à l’étape a) ; d) réception d’un signal réfléchi par le guide d’ondes en réponse à ladite injection, ou « signal réfléchi actualisé » ; comparaison des signaux réfléchis de référence et actualisé de manière à déterminer une différence entre lesdits signaux, et en déduire une information sur l’état physique du bouclier, en particulier de la pièce de blindage, dans la situation actualisée ; e) optionnellement, de préférence, émission d’un message contenant ladite information.
De préférence, à l’étape d),
- on détermine un score en intégrant dans le temps une fonction fournissant, en fonction du temps, la différence entre lesdits signaux réfléchis de référence et actualisé, puis
- on compare le score à un seuil et en fonction de la différence entre le score et le seuil, on détermine ladite information.
L'invention propose également un procédé de surveillance de l’état physique d’un bouclier de protection contre les chocs, de préférence antibalistique, en particulier de l’état physique d’une pièce de blindage dudit bouclier, ledit procédé comportant les étapes suivantes :
1 ) mise en œuvre desdites étapes a) et b), et à un premier instant actualisé, mise en œuvre desdites étapes c) et d), voire e), de manière à évaluer un premier état physique actualisé du bouclier, en particulier un état physique initial de la pièce de blindage ;
2) à un deuxième instant actualisé postérieur au premier instant actualisé, par exemple de plus de 1 heure, une journée, ou une semaine, mise en œuvre desdites étapes c) et d), voire e), de manière à évaluer un deuxième état physique actualisé du bouclier, en particulier de la pièce de blindage, au deuxième instant actualisé ;
3) comparaison desdits premier et deuxième états physiques actualisés de manière à évaluer une différence entre lesdits premier et deuxième états physiques actualisés, et en déduire une information sur une évolution dudit état physique entre les premier et deuxième instants actualisés, et optionnellement, de préférence, émission d’un message relatif à ladite évolution. L’étape 2) peut être renouvelée, deux instants actualisés successifs étant par exemple séparés de plus de 1 minute, 1 heure, une journée, ou une semaine, et/ou moins de 6 mois ou moins de 1 mois.
Définitions
On appelle « plaque », une pièce dont la largeur est supérieure à cinq fois l'épaisseur.
Par « fragile », on entend un matériau dont le domaine de déformation plastique sous charge avant rupture représente moins de 1% du domaine de déformation élastique, de préférence est sensiblement nul. Autrement dit, la largeur de la plage des contraintes conduisant à une déformation plastique sans rupture représente moins de 1% de la largeur de la plage des contraintes conduisant à une déformation élastique.
Un « Composite à Matrice Céramique », ou « CMC », est un produit composé de fibres, de préférence céramiques, liées entre elles par une matrice céramique.
On entend par « matériau céramique » tout matériau non métallique et non organique. Le diamant, le graphite, le graphène, un carbure et un cermet étant considérés ici comme des matériaux céramiques.
Un « Composite à Matrice Organique », ou « CMO », est un produit composé de fibres, de préférence céramiques, liées entre elles par une matrice organique, de préférence constituée de résines comportant plus de 50% de volume de polymères thermoplastiques et/ou élastomères et/ou thermodurcissables.
La nature du projectile n’est pas limitative. Il peut s’agir par exemple d’une balle ou d’une roquette. Une arme à feu peut être en particulier un fusil, une arme de poing, voire un canon.
Un bouclier comporte une pièce de blindage, classiquement en un matériau dur, et optionnellement une plaque d’amortissement qui s’étend entre la cible et la pièce de blindage dans la position de service. La plaque d’amortissement est de préférence en un matériau ductile, typiquement :
- en un matériau fibreux principalement constitué de fibres de polyéthylène, par exemple en Tensylon™, en Dyneema®, ou en Spectra™, de fibres d’aramide, par exemple en Twaron™, ou en Kevlar®, de fibres de verre, ou
- en un métal, par exemple en acier ou en un alliage d’aluminium.
La dureté Vickers Hv d’un matériau peut être mesurée en appliquant une force F, en Newton, perpendiculairement à la surface d’un échantillon dudit matériau, avec une pointe pyramidale normalisée en diamant de base carrée et d'angle au sommet entre faces égal à 136°. L'empreinte réalisée sur cette surface a donc la forme d'un carré. On mesure les deux diagonales ch et cfe de ce carré, en mm, à l'aide d'un appareil optique. Si cf désigne la moyenne arithmétique de c et cfe, la dureté est calculée suivant la formule suivante : Hv = 0, 189* F/cF.
Le diamètre équivalent des grains du matériau est déterminé à partir de l’observation de la microstructure du matériau, classiquement grâce à des images prises en MEB (microscopie électronique à balayage) sur une coupe d’un échantillon du matériau comprenant un nombre suffisant de grains, notamment au moins 500 grains, voire au moins 600 grains, de préférence après une attaque chimique visant à révéler les grains et leurs joints. Le diamètre de grain ainsi mesuré correspond au diamètre d’un disque de surface équivalente audit grain, tel qu’observé en deux dimensions sur l’image MEB.
Les percentiles ou « centiles » 10 (P10), 50 (D50), et 90 (D90) pour les diamètres équivalents de grains sont les diamètres équivalents correspondant aux pourcentages, en nombre, de 10 %, 50 % et 90 %, respectivement, sur la courbe de distribution cumulée des diamètres équivalents de grains classés par ordre croissant. En particulier, le diamètre équivalent médian (ou percentile D50) est le diamètre pour lequel 50% en nombre des grains présentent un diamètre équivalent inférieur ou égal à ce dit diamètre.
« L’état physique » du bouclier, en particulier de la pièce de blindage, peut être par exemple « état endommagé » ou « état intègre ». Il peut aussi être plus précis. Par exemple, il peut être « état peu endommagé », « état moyennement endommagé » ou « état fortement endommagé ». « L’endommagement » est une conséquence irréversible de l’application d’une contrainte pendant, avant ou après utilisation du bouclier. L’endommagement peut en particulier se traduire par des microfissures.
Le diamètre équivalent d’un conducteur sous forme filaire est le diamètre d’un disque présentant la même surface que la section transversale d’un conducteur.
Un guide d’ondes électromagnétiques est un guide d’ondes présentant de préférence la forme générale d’une ligne de transmission, adapté à une mesure par réflectométrie électrique temporelle ou fréquentielle. Il comporte classiquement deux conducteurs électriques isolés électriquement l’un de l’autre et qui s’étendent suivant la direction de la longueur du guide d’ondes.
Le signal incident est classiquement une variation de différence de potentiel électrique entre lesdits conducteurs électriques. Le signal incident est injecté à l’extrémité d’entrée du guide d’ondes, puis se propage sous la forme d’une onde électromagnétique. Une variation d’impédance électrique provoque une réflexion partielle de cette onde.
Le signal réfléchi est également une variation temporelle de différence de potentiel entre les conducteurs électriques.
On appelle « écho » la partie d’un signal réfléchi qui est renvoyée, en réponse au signal incident, par une discontinuité (écho de discontinuité), par l’extrémité d’entrée du guide d’ondes, au niveau du connecteur (écho d’émission), ou par l’extrémité de sortie du guide d’ondes (écho de fond).
Une discontinuité est une modification locale d’un guide d’ondes, en particulier d’un conducteur ou du séparateur, en particulier lorsque les conducteurs sont en contact avec le séparateur et de préférence épousent la forme du séparateur, apte à réfléchir partiellement un signal circulant dans le guide d’ondes.
Une région d’un guide d’ondes « correspond » à une portion d’un signal réfléchi lorsqu’elle est à l’origine de la portion du signal réfléchi, c'est-à-dire qu’elle a réfléchi le signal incident pour générer la portion du signal réfléchi.
Les adjectifs « de référence » ou « actualisé » ne sont utilisés qu’à des fins de clarté. L’adjectif « extérieur » fait référence au côté d’un bouclier susceptible d’être exposé aux balles dans la position de service, c'est-à-dire dans la position dans laquelle le bouclier est utilisé pour protéger la cible. L’adjectif « intérieur » fait référence au côté opposé au côté extérieur.
« Comporter », « présenter » ou « comprendre » doivent être interprétés de manière large, non limitative.
Brève description des dessins
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront encore à la lecture de la description détaillée qui va suivre et à l'examen du dessin annexé dans lequel
- la figure 1 [Fig 1] représente schématiquement, en coupe transversale, un gilet pare-balle de l’art antérieur ;
- la figure 2 [Fig 2] illustre schématiquement un dispositif selon un premier mode de réalisation de l’invention ;
- la figure 3 [Fig 3] illustre schématiquement un dispositif selon un deuxième mode de réalisation de l’invention ;
- la figure 4 [Fig 4] représente schématiquement, en coupe transversale, un gilet pare-balle selon différents modes de réalisation de l’invention ; - la figure 5 [Fig 5] illustre schématiquement un dispositif selon un troisième mode de réalisation de l’invention ;
- la figure 6 [Fig 6] représente un exemple de signaux réfléchis reçu par l’interrogateur dans un mode de réalisation de l’invention ;
- la figure 7 [Fig 7] représente un agrandissement d’une partie de la figure 6 ;
- la figure 8 [Fig 8] illustre schématiquement un dispositif selon un quatrième mode de réalisation de l’invention ;
- la figure 9 [Fig 9] illustre schématiquement le test de flexion utilisé pour la deuxième série d’exemples ;
- les figures 10 [Fig 10] a et b et 11 [Fig 11 ] a et b présentent les enregistrements des signaux réfléchis obtenus.
Dans les différentes figures, des références identiques sont utilisées pour désigner des organes identiques ou analogues.
Description détaillée
Un dispositif 21 selon l’invention comporte un bouclier de protection 22, un capteur 24 et de préférence un interrogateur 26, comme illustré sur la figure 2.
Bouclier
Le bouclier 22 est un dispositif de protection contre des projectiles militaires, et en particulier contre les balles, de préférence destiné à la protection d'un véhicule, en particulier d’un véhicule militaire, ou d'une personne. Il peut être en particulier un gilet-pare-balles ou un casque.
Le bouclier présente de préférence la forme d’une plaque, de préférence plate, éventuellement constituée d’une superposition de plaques en différents matériaux.
Un bouclier comporte une pièce de blindage 12, voire est constitué par une pièce de blindage, comme sur la figure 2.
La pièce de blindage est de préférence conformée pour assurer une protection NIJ-IIIA, NIJ-III ou NIJ-IV, de préférence au moins une protection NIJ-III. Pour les véhicules, elle est de préférence conformée pour assurer une protection STANAG 4569 niveau 1 , ou 2, ou 3, voire 4.
La pièce de blindage 12 peut présenter une masse supérieure à 200g, de préférence supérieure à 500 g, de préférence supérieure à 1 kg et/ou inférieure à 100 kg, inférieure à 50 kg, inférieure à 10 kg, voire inférieure à 5 kg. La pièce de blindage 12 peut présenter une forme quelconque, déterminée en fonction de l'application visée.
La pièce de blindage 12 présente de préférence la forme d'une plaque, de préférence plane, par exemple la forme d'une plaque présentant :
- une longueur hors tout supérieure à 20 cm et/ou inférieure à 50 cm, et/ou
- une largeur hors tout supérieure à 10 cm, ou supérieure à 20 cm, et/ou inférieure à 30 cm et/ou
- une épaisseur hors tout supérieure à 3 mm, de préférence supérieure à 5 mm, de préférence supérieure à 10 mm, et/ou inférieure à 2 cm.
La pièce de blindage présente de préférence une épaisseur moyenne supérieure à 3 mm, de préférence supérieure à 5 mm supérieure à 7 mm, de préférence supérieure à 10 mm, de préférence supérieure à 15 mm, de préférence supérieure à 20 mm, et/ou inférieure à 100 mm, de préférence inférieure à 2 cm.
La longueur et/ou la largeur et/ou l’épaisseur sont de préférence constantes.
La pièce de blindage présente de préférence une longueur et une largeur supérieures à 5, 10, 30 ou 50 fois l’épaisseur de la plaque.
Une pièce de blindage 12 en forme de plaque présente classiquement une face extérieure 12e, ou « face d’impact », une face intérieure 12i opposée à la face extérieure, et un chant périphérique 12p définissant l’épaisseur de la plaque et reliant l’une à l’autre les faces intérieure et extérieure.
L’épaisseur de la pièce de blindage est de préférence sensiblement constante, c'est-à-dire que lesdites faces intérieure et extérieure sont sensiblement parallèles entre elles.
La surface de la face intérieure et/ou de la face extérieure est de préférence supérieure à 150 cm2, supérieure à 200 cm2, supérieure à 250 cm2, de préférence supérieure à 400 cm2, de préférence supérieure à 500 cm2, voire encore supérieure à 1000 cm2, et/ou inférieure à 10 000 cm2.
La forme de la face intérieure et/ou de la face extérieure n’est pas limitative. Elle peut être lisse ou rugueuse, présenter des trous traversants ou être continue, optionnellement présenter des cavités ou des bossages, être développable ou non, être plate ou non. De préférence, cette forme est plate.
La pièce de blindage est de préférence en un matériau métallique et/ou céramique et/ou en un verre et/ou en une vitrocéramique et/ou en un composite à matrice organique (CMO) ou céramique (CMC), de préférence en un matériau céramique, de préférence en alumine, en SiC ou en B4C.
Le matériau de pièce de blindage peut être, classiquement, un matériau fragile.
Le matériau de pièce de blindage, de préférence céramique, présente de préférence :
- une masse volumique apparente inférieure à 8 g/cm3, de préférence inférieure à 5 g/cm3, de préférence inférieure à 3,2 g/cm3, de préférence inférieure à 3,0 g/cm3 et/ou supérieure à 1 ,0 g/cm3, et/ou
- une dureté Vickers supérieure à 3 GPa, de préférence supérieure à 10 GPa.
Le matériau de pièce de blindage est de préférence un agglomérat de grains, de préférence un matériau fritté.
Le matériau des grains est de préférence métallique et/ou céramique et/ou en un cermet.
Lesdits grains sont de préférence constitués en un carbure métallique ou en un borure métallique. De préférence encore, les grains sont des grains de carbure de silicium ou de carbure de bore ou des grains en un mélange de ces deux carbures.
Selon un mode de réalisation, les grains sont exclusivement des grains de carbure de silicium, avec éventuellement une phase métallique, de préférence comprenant l’élément silicium.
L’ensemble des grains présente de préférence :
- un diamètre équivalent médian D50, inférieur à 500 micromètres de préférence inférieur à 200 micromètres, de préférence inférieur à 100 micromètres, de préférence inférieur à 50 micromètres, et/ou
- un diamètre équivalent D90 inférieur ou égal à 1000 micromètres, de préférence inférieur ou égal à 700 micromètres ou même inférieur ou égal à 500 micromètres, et/ou supérieur à 1 micromètres, de préférence supérieur à 5 micromètres ou même supérieur à 20 micromètres.
De préférence, les grains sont liés par une matrice. De préférence, la matrice comprend ou est constituée d’une phase de nitrure de silicium et/ou d’une phase d’oxynitrure de silicium. Elle représente de préférence entre 5 et 40% en masse, de préférence entre 15 et 35% en masse, de la masse de la pièce de blindage.
Outre la pièce de blindage, le bouclier peut comporter d’autres pièces.
Un gilet pare-balles tel que décrit en préambule est un exemple de bouclier de protection antibalistique. De préférence, la pièce de blindage est collée à la couche intermédiaire, qui est elle-même collée à la plaque d’amortissement. L’enveloppe externe peut être également collée à la plaque de protection. La colle peut être par exemple à base de polyuréthane, de polymères époxydes ou de polymères thermoplastiques ou d’élastomères.
La pièce de blindage d’un gilet pare-balle est de préférence en métal ou en un matériau céramique, typiquement en alumine, en SiC et/ou en B4C.
De préférence la plaque d’amortissement est constituée dans un matériau de dureté inférieure à celui du matériau constituant la pièce de blindage. De préférence la plaque d’amortissement est constituée dans un matériau choisi parmi les polyéthylènes PE, notamment les polyéthylènes ultra haute densité (UHMPE), les fibres de verre ou de carbone, les aramides, les métaux tel que l’aluminium, le titane ou leur alliages ou l’acier.
La couche intermédiaire est optionnelle. Elle est de préférence un textile, de préférence en un matériau choisi parmi les polyéthylènes PE, notamment les polyéthylènes ultra haute densité (UHMWPE), les fibres de verre ou de carbone, les aramides, et les métaux tel que l'aluminium, le titane ou leur alliages et l'acier.
L’enveloppe externe est de préférence en un tissu, par exemple en fibres de verre ou de carbone. Elle peut être notamment en un matériau choisi parmi les polyéthylènes PE, notamment les polyéthylènes ultra haute densité (UHMPE), les aramides, en particulier le Kevlar®, les métaux tels que l'aluminium ou même de l'acier, en particulier dans le cas de protections non personnelles.
En position de service, c'est-à-dire lorsque le gilet pare-balles est porté, la plaque d’amortissement s’étend du côté du porteur du gilet pare-balles. Le choc provoqué par un projectile atteint donc d’abord la pièce de blindage, puis la plaque d’amortissement.
Le capteur 24 comporte
- des conducteurs électriques 28e et 28i,
- un séparateur disposé entre lesdits conducteurs et qui, selon l’invention est constitué par le bouclier ou par une partie du bouclier, et
- l’interrogateur 26 connecté électriquement aux dits conducteurs de manière à mesurer ladite propriété électrique, et/ou un connecteur 30 apte à la connexion électrique des conducteurs à l’interrogateur, par exemple par l’intermédiaire d’un cordon de raccordement 32, de préférence un câble coaxial. La structure des deux conducteurs électriques peut être la même ou non.
Au moins un, de préférence chaque conducteur peut présenter la forme d’une plaque ou d’un ruban ou d’un fil ou d’un câble, de préférence la forme d’un ruban ou d’un fil ou d’un câble formé d’un ou plusieurs fils.
De préférence, au moins un, de préférence chaque conducteur présente :
- une longueur inférieure à 1000 mm, de préférence inférieure à 500 millimètres, et/ou supérieure à 10 mm, de préférence supérieure à 100 mm ; et/ou
- une largeur ou, quand le conducteur est sous forme de fil ou de câble, un diamètre équivalent inférieur à 10 millimètres, inférieur à 5 mm, et/ou de préférence supérieur à 1 mm ;
- quand le conducteur est sous forme d’une plaque ou d’un ruban notamment, une épaisseur de préférence inférieure à 10 millimètres, inférieure à 5 mm, et/ou de préférence supérieure à 10 micromètres, de préférence supérieure à 50 micromètres , voire supérieure à 1 mm.
Dans un mode particulièrement avantageux, le conducteur est déposé sur la pièce de blindage 12, de préférence sous la forme d’un ruban présentant une largeur comprise entre 3 mm et 10 mm et une épaisseur de préférence comprise entre 10 pm et 100 pm, de préférence inférieure à 50 pm.
Le conducteur peut être réalisé par une modification locale de la microstructure de la pièce de blindage 12, notamment lorsque la pièce de blindage comporte plus de 50% en masse de céramique, de manière préférée est constituée de céramique. La modification locale peut par exemple résulter d’un dopage local ou d’une décomposition ou d’une transformation de phase localement, de préférence au moyen d’un faisceau de puissance surfacique élevée, de préférence supérieure à 50 W/mm2. Par exemple, pour des produits comportant plus de 50%, plus de 80%, plus de 90% ou 100% de carbure de silicium (SiC), il est possible, par exemple à l’aide d’un laser (en particulier YAG ou CO2), de décomposer localement le SiC en Silicium et en Carbone et de créer ainsi une ou plusieurs lignes en un matériau présentant une résistivité électrique au moins 100 fois, de préférence au moins 1000 fois inférieure à celle du matériau qui l’entoure et qui de préférence constitue le reste de la pièce de blindage.
Dans un mode de réalisation préféré, les deux conducteurs présentent la même forme et de préférence s’étendent l’un face à l’autre, en faisant abstraction du séparateur, et de préférence encore parallèlement l’un à l’autre, comme sur les figures 2 et 3. Par exemple, comme illustré sur la figure 3, chaque conducteur peut présenter la même forme d’un ruban spiralé fixé sur une face respective d’un séparateur en forme de plaque, de préférence la pièce de blindage, les deux rubans étant superposés en registre, c'est-à-dire de manière que lorsqu’ils sont observés perpendiculairement aux dites faces, ils se recouvrent sensiblement exactement.
La distance prédéterminée entre les deux conducteurs électriques est de préférence sensiblement constante. Les deux conducteurs sont de préférence parallèles hormis, éventuellement, dans les zones des discontinuités. Des défauts locaux de parallélisme peuvent être ménagés pour créer des discontinuités, comme décrit ci-dessous.
Le matériau d’un conducteur, de préférence de chaque conducteur est de préférence un métal conducteur électriquement, tel que l’aluminium, le cuivre, un acier ou un alliage métallique. Il peut être également une céramique ou un cermet. En particulier, dans des applications dans lesquelles le bouclier est soumis à des températures supérieures à 500°C, ledit matériau des conducteurs est de préférence choisi parmi :
- l’inconel, par exemple les alliages 625 et 690, utilisable jusqu’à 1100°C ;
- le platine,
- un Kanthal de type FeCr, par exemple le KANTHAL APM, utilisable jusqu’à 1425°C ;
- le tungstène,
- le rhodium,
- le ruthénium, et
- le palladium.
Au moins un, de préférence chaque conducteur peut être en un métal revêtu d’un oxyde réfractaire conducteur électriquement, de préférence de SnÛ2 ou de spinelle C^Os-MgO ou de pérovskite ou de carbure de métalloïde ou de métal.
De préférence, la différence entre le coefficient d’expansion thermique d’au moins un, de préférence de chaque conducteur et le coefficient d’expansion thermique de la pièce de blindage est, en valeur absolue, inférieure à 20%, de préférence inférieure à 10% du coefficient d’expansion thermique de la pièce de blindage.
Au moins un, de préférence chaque conducteur est de préférence un matériau présentant une résistivité électrique :
- au moins 100 fois, de préférence au moins 1 000 fois, de préférence au moins 100 000 fois, voire au moins 1 000 000 fois inférieure à la résistivité électrique du matériau constituant le séparateur, de préférence de matériau de la pièce de blindage ; et/ou
- inférieure à 1000 micro-ohm. cm dans le domaine de température de l’environnement du bouclier, de préférence entre 20°C et 1000°C. Si la résistivité électrique du matériau constituant le séparateur, de préférence du matériau de la pièce de blindage, est insuffisante, une couche isolante électriquement, par exemple en un polymère (par exemple en PET ou en PE), ou en une céramique peut être déposée sur le séparateur, de préférence la pièce de blindage.
La constante diélectrique complexe d'un diélectrique s'écrit classiquement E* = E'-iE". L'angle de perte 5 d'un diélectrique présentant une conductivité électrique nulle est défini par tan(5) = E"/E'. L'angle de perte est une grandeur usuellement référencée dans les tables concernant les matériaux diélectriques pour hyperfréquences. Pour un bon diélectrique, 5 est faible et tan(5) « 5.
Le séparateur a de préférence une tangente de l’angle de perte diélectrique à 1 Ghz inférieure à 102, de préférence inférieure à 5.10-3, de préférence inférieure à 1.10-3.
Dans un mode de réalisation, un conducteur, de préférence chaque conducteur peut être inséré dans une gaine de protection afin de protéger le conducteur de la chaleur et/ou de la corrosion et/ou d’attaques chimiques. La gaine de protection peut être notamment en un polymère (par exemple en PET ou en PE), ou en céramique, notamment en alumine, notamment pour un environnement à une température supérieure à 400°C. La gaine de protection est de préférence en un matériau présentant un coefficient d’expansion thermique sensiblement identique à celui du matériau du conducteur.
Un gainage avec une gaine en un matériau isolant électriquement est particulièrement avantageux si le séparateur, en particulier la pièce de blindage et/ou la plaque d’amortissement et/ou l’enveloppe externe, présente une résistivité inférieure à 1000 microohm. cm, voire inférieure à 100 microohm. cm.
Dans le cas où le capteur est destiné à une analyse par réflectométrie, la gaine peut être segmentée pour créer des discontinuités, comme décrit ci-après.
Le séparateur établit une distance de séparation minimale, ou « écartement », entre les deux conducteurs. L’écartement minimal et/ou maximal et/ou moyen entre lesdits conducteurs est de préférence inférieur à 100 mm, de préférence inférieur à 80 mm, voire inférieur à 60 mm ou même 50 mm, et/ou supérieur à 3 mm, de préférence supérieur à 5 mm, ou supérieur à 10 mm.
Les conducteurs ne sont pas nécessairement en contact avec le séparateur, mais un tel contact est préféré car il facilite la mesure d’une déformation et/ou d’une modification de l’état du séparateur. Y1
Un, de préférence chaque conducteur est de préférence fixé sur le séparateur, de préférence sur ou dans la pièce de blindage, ou, pour un gilet pare-balles, sur ou dans la plaque d’amortissement 16, la couche intermédiaire 14 disposée entre la pièce de blindage 12 et la plaque d’amortissement 16, ou l’enveloppe externe 18. Dans un mode de réalisation, le conducteur est fixé entre deux pièces du bouclier, de préférence en forme de plaque ou de couche, par exemple entre la pièce de blindage 12 et l’enveloppe externe 18 ou entre la plaque d’amortissement 16 et l’enveloppe externe 18.
Dans le mode de réalisation particulier où le bouclier est un gilet pare-balles, le conducteur 28e peut être disposé :
- au sein du matériau de la partie extérieure de l’enveloppe externe, de préférence entre deux couches de tissu, comme représenté sur la figure 4A, ou
- entre la partie extérieure de l’enveloppe externe et la face extérieure (c'est-à-dire exposée du côté opposé à la cible dans la position de service) de la pièce de blindage 12, comme représenté sur la figure 4B, ou
- sur la face externe de la partie extérieure de l’enveloppe externe, comme représenté sur la figure 4F.
Le conducteur 28e peut être intégré dans la colle fixant l’enveloppe externe 18 à la pièce de blindage 12.
Le conducteur 28i peut être disposé
- entre la pièce de blindage 12 et la couche intermédiaire 14, comme représenté sur la figure 4A, ou
- de préférence dans la couche intermédiaire 14 comme représenté sur la figure 4B,
- entre la couche intermédiaire 14 et la plaque d’amortissement 16, comme représenté sur la figure 4C, ou
- entre la plaque d’amortissement et la partie intérieure de l’enveloppe externe, comme représenté sur la figure 4D, ou
- au sein du matériau de la partie intérieure de l’enveloppe externe, de préférence entre deux couches de tissu, comme représenté sur la figure 4E, ou
- sur la face externe de la partie intérieure de l’enveloppe externe, comme représenté sur la figure 4F. Le conducteur 28i peut être intégré dans la colle fixant la couche intermédiaire 14 à la pièce de blindage 12 ou dans la colle fixant la couche intermédiaire 14 à la plaque d’amortissement 16 ou dans la colle fixant l’enveloppe externe 18 à la plaque d’amortissement 16.
Dans un mode de réalisation, la plaque d’amortissement est collée directement sur la pièce de blindage et le conducteur 28i est intégré dans la colle fixant la plaque d’amortissement à la pièce de blindage 12.
Dans un mode de réalisation, au moins un, voire chaque conducteur s’étend au moins en partie, de préférence complètement à l’intérieur de la pièce de blindage. Ce mode de réalisation est bien adapté lorsque la pièce de blindage est une pièce frittée à partir d’un mélange de grains qui est mis en forme puis soumis à un traitement thermique de consolidation compatible avec la résistance mécanique et thermique du conducteur. Par exemple au moins un conducteur peut être réalisé par infiltration d’un métal dans la porosité ouverte du matériau constituant la pièce de blindage. En particulier, dans le cas d’une pièce de blindage comportant plus de 80%, plus de 90% ou 100% en masse de carbure de silicium et/ou de carbure de bore, le métal infiltré peut être avantageusement du silicium ou un alliage de silicium. Notamment pour une pièce de blindage en alumine, un métal comportant plus de 80%, plus de 90% ou 100% en masse d’aluminium peut convenir.
De préférence, l’enveloppe externe est constituée de plusieurs couches superposées et, de préférence, un conducteur, voire chaque conducteur est inséré entre deux dites couches. Ainsi, avantageusement, au moins une dite couche de l’enveloppe externe le protège.
La fixation d’un conducteur peut être notamment obtenue :
- par collage et/ou
- par insertion dans un renfoncement, de préférence une rainure, en particulier dans une rainure, préalablement ménagé, de préférence à la surface de la pièce de blindage, et/ou
- par dépôt, de préférence par sérigraphie ou tampographie ou par application d’une peinture conductrice, en particulier sur la pièce de blindage, et/ou
- par incorporation, ou « intégration », au sein d’une pièce constitutive du bouclier ou entre deux pièces constitutives du bouclier, en particulier entre deux couches superposées de l’enveloppe externe.
Le conducteur peut être en particulier fixé, en particulier collé en plusieurs points de fixation séparés, chaque point de fixation ayant une longueur, le long du conducteur de préférence inférieure à 5 cm, à 3 cm, à 2 cm, à 1 cm, ou à 0,5 cm. Dans un mode de réalisation, le conducteur n’est pas rectiligne entre deux points de fixation, à température ambiante. De préférence, la longueur du conducteur entre deux points de fixation successifs est supérieure à 1 ,05 fois, de préférence supérieure à 1 ,1 fois et/ou de préférence inférieure à 1 ,5 fois, de préférence inférieure à 1 ,4 fois, de préférence inférieure à 1 ,3 fois la distance entre lesdits points de fixation. Avantageusement, le conducteur peut ainsi s’adapter à des variations dimensionnelles du substrat sur lequel il est fixé.
Un conducteur, de préférence chaque conducteur, est de préférence non intrusif, c'est-à-dire ne pénètre pas dans la pièce de blindage. De préférence, le conducteur résulte d’un dépôt de matière, de préférence sur la pièce de blindage. La sérigraphie ou la tampographie permettent avantageusement de réduire la surépaisseur résultant de la fixation des conducteurs, sans usinage du substrat.
Les différentes dispositions décrites ci-dessus pour les deux conducteurs peuvent être combinées.
Le conducteur peut être également fixé sur un support, par exemple une plaque, elle-même fixée sur le séparateur, le support étant de préférence disposé en contact avec la pièce de blindage, de préférence de manière à épouser la forme du séparateur, de préférence la forme de la pièce de blindage. Un avantage de ce mode de réalisation est une préparation séparée du conducteur, ce qui permet une meilleure organisation de la production du dispositif selon l’invention. De plus, le conducteur peut être déposé rapidement et de manière fiable sur le séparateur.
Le support est de préférence au moins en partie, de préférence complètement en un matériau composite constitué de fibres liées entre elles par une matrice, ou « composite à matrice céramique » (CMC).
Les fibres et la matrice sont de préférence choisies selon l’environnement du bouclier en position de service, notamment en fonction des conditions de température et/ou de corrosion et/ou de cyclage thermique et/ou de dilatation, et/ou en fonction de la nature de la pièce de blindage. L’agencement des fibres est choisi en fonction de la forme souhaitée pour le CMC, et de la facilité pour y fixer ou y insérer le conducteur. Par exemple, un empilement de tissés ou de nappes de fibres est bien adapté pour des plaques simples, un enroulement filamentaire est bien adapté pour des plaques ayant une géométrie de révolution, un placement filamentaire est bien adapté pour des formes complexes de grandes dimensions. Lorsque la pièce de blindage est en forme de plaque, un des conducteurs est du côté extérieur de la plaque de blindage et l’autre est du côté intérieur de la plaque de blindage, les conducteurs étant en contact ou non avec la pièce de blindage.
La surface totale desdits conducteurs projetée sur la surface totale desdites faces extérieure et intérieure de la pièce de blindage représente de préférence moins de 50%, moins de 30%, moins de 20%, moins de 10%, de préférence moins de 5% de la surface totale desdites faces extérieure et intérieure, en particulier lorsque les conducteurs présentent la forme de fils, de rubans ou de câbles.
Dans un mode de réalisation, les conducteurs sont disposés de manière à ne pas être exposés à l’impact d’un projectile, notamment d’une balle, dans la position de service, et en particulier de manière à ne pas être en face de la face extérieure de la pièce de blindage. Ils peuvent être en particulier disposés en périphérie de la pièce de blindage, de préférence le long de bords parallèles de la pièce de blindage, de préférence en contact avec le chant 12p de la pièce de blindage qui définit lesdits bords, comme illustré sur la figure 8. Avantageusement, cette configuration réduit le risque de destruction lors de l’utilisation du bouclier. Elle peut être en particulier avantageuse pour acquérir une information sur l’état du bouclier après l’impact d’un projectile de faible énergie sur la face extérieure, exposée, de la pièce de blindage.
Les conducteurs sont préférence disposés sur les parties les plus vulnérables de la pièce de blindage, par exemple les coins et les arêtes.
De préférence, le capteur comporte un connecteur 30 auquel les conducteurs sont reliés et qui permet une connexion électrique des conducteurs à l’interrogateur 26. Alternativement, l’interrogateur, de préférence miniaturisé, peut être intégré dans le bouclier, comme sur la figure 5, de manière à être en permanence relié aux conducteurs. Le connecteur 30 est alors optionnel.
Dans un mode de réalisation préféré, le capteur est un guide d’ondes pour une mesure par réflectométrie.
Dans un mode de réalisation, les deux conducteurs du capteur forment un condensateur, la propriété électrique mesurée étant la capacité entre les deux conducteurs. Les deux conducteurs ont de préférence la forme de deux plaques parallèles.
Dans un mode de réalisation, le capteur est un capteur à impédance, de préférence une impédance acoustique et/ou électrique, de préférence au moins une résistance électrique, variable en fonction de la forme du séparateur. Lorsque le séparateur se déforme, élastiquement ou plastiquement, la variation d’impédance résultant de cette déformation, par exemple résultant de l’apparition de fissures, peut être mesurée par l’interrogateur.
De préférence, des particules conductrices électriquement, de préférence des particules de carbone, de préférence des nanotubes de carbone, sont réparties dans le séparateur, de préférence dans la pièce de blindage. Elles forment ensemble un réseau conducteur dont l’impédance, de préférence la résistance électrique, de préférence exclusivement la résistance électrique, est fonction d’un agencement des particules conductrices constituant le réseau conducteur. L’agencement des particules conductrices du réseau conducteur est modifié lorsque le séparateur se déforme, de sorte qu’il en résulte une modification de l’impédance du réseau conducteur.
Un capteur fonctionnant de manière similaire est décrit dans PCT/EP2020/085638.
Des précisions sur ce mode de réalisation sont décrites dans PCT/EP2020/085638, la matrice de capteur décrite dans PCT/EP2020/085638 étant, selon la présente invention, constituée par le séparateur, de préférence par la pièce de blindage.
EP2129991 B1 et US2012144934A1 décrivent des capteurs à impédance variable destinés à être fixés sur un gilet pare-balle. Ils ne suggèrent cependant pas qu’une partie du gilet pare-balle puisse être utilisé comme séparateur.
Figure imgf000023_0001
Pour réaliser une mesure la propriété électrique, les extrémités d’entrée des conducteurs sont connectées électriquement à l’interrogateur 26. L’interrogateur peut être intégré dans le bouclier (figure 5) ou être sélectivement connecté à un connecteur 30 lui-même relié aux conducteurs (figure 3).
L’interrogateur est choisi en fonction de la propriété électrique à mesurer. Il comporte classiquement un processeur, une mémoire informatique et un logiciel configurés pour évaluer, à partir d’une ou plusieurs mesures réalisées par le capteur, l’état physique du bouclier, de préférence de la pièce de blindage.
De préférence, la valeur de la propriété dépend de l’écartement entre les deux conducteurs et/ou du milieu du séparateur. L’écartement entre les deux conducteurs peut en particulier évoluer lorsque différents éléments du bouclier se désolidarisent. Le milieu du séparateur peut en particulier évoluer en cas de déformation de la pièce de blindage et/ou de l’apparition de fissures. De préférence, la communication entre l’interrogateur et le guide d’ondes se fait sans fil, de préférence par voie hertzienne, par wifi ou Bluetooth®.
Cas particulier préféré d’une mesure par réflectométrie
La réflectométrie électrique temporelle ou fréquentielle (« electrical time domain reflectometry » ou « electrical frequency domain reflectometry » en anglais respectivement, ou « E-TDR » ou « E-FDR », respectivement) est une technique de mesure des changements d’état d’un milieu au moyen d’un capteur formant un guide d’ondes.
Lorsque le dispositif est destiné à une mesure par réflectométrie, comme illustré sur la figure 3, le capteur est adapté de manière à former un guide d’ondes 34 qui s’étend entre une extrémité d’entrée 34i et une extrémité de sortie 342.
Les extrémités libres des conducteurs ne sont pas électriquement connectées l’une à l’autre et définissent l’extrémité de sortie du guide d’ondes. Les conducteurs ne forment donc pas un circuit électrique fermé, comme dans un capteur de mesure résistif dans lequel un courant continu ou alternatif circule.
Lorsque le guide d’ondes est endommagé, il peut avantageusement continuer à fonctionner. L’endommagement peut conduire à l’apparition d’un écho spécifique, qui permet de détecter l’endommagement et de le localiser. Si le guide d’ondes est coupé, la partie du guide d’ondes encore connectée à l’interrogateur peut continuer à servir de guide d’ondes. L’utilisation d’un guide d’ondes apporte ainsi de la robustesse au dispositif.
Pour améliorer l’interprétation du signal réfléchi, le guide d’ondes présente de préférence des discontinuités de préférence distribuées, de préférence aléatoirement, le long du guide d’ondes. Les discontinuités permettent en effet de générer des échos spécifiques identifiables dans le signal réfléchi par le guide d’ondes. Pour faciliter cette identification, le guide d’ondes satisfait de préférence à la condition de diffusion de Rayleigh.
Dans un mode de réalisation, des discontinuités sont des irrégularités de surface sur le séparateur, de préférence la pièce de blindage, de préférence ménagées en face des conducteurs, de préférence dans au moins une zone du séparateur en contact avec les conducteurs. Une texturation de ladite zone permet avantageusement de générer des discontinuités aléatoires. De préférence, la texturation comporte la création de microreliefs d’une hauteur supérieure à 0,05 mm, de préférence supérieure à 0,1 mm, de préférence supérieure à 0,2 mm, de préférence supérieure à 0,2 mm, de préférence supérieure à 0,5 mm, voire supérieure à 0,8 mm, et/ou inférieure à 3 mm, inférieure à 2 mm ou inférieure à 1 mm.
Il est aussi possible de créer des discontinuités aléatoires en modifiant l’état de surface sur le séparateur ou sur une gaine entourant un conducteur, par exemple en créant des rugosités par exemple par abrasion.
Dans un mode de réalisation, un ou plusieurs taquets diélectriques 36 sont disposés sur ladite zone ou autour d’au moins un conducteur du guide d’ondes de manière à créer des discontinuités.
Les taquets diélectriques peuvent présenter des formes et/ou des dimensions identiques ou différentes et/ou être en des matériaux identiques ou différents. Même si les taquets diélectriques apparaissent identiques, aucun taquet n’est complètement identique à un autre. Il est ainsi possible de créer des discontinuités de manière aléatoire.
Les taquets diélectriques, et en particulier des perles enfilées sur un conducteur, peuvent présenter une longueur, mesurée suivant la longueur du conducteur, supérieure à 10 mm, 15 mm ou 20 mm et/ou inférieure à 100 mm ou 50 mm.
De préférence, les discontinuités sont écartées les unes des autres d’une distance, mesurée le long du guide d’ondes, au moins 20 fois, de préférence au moins 15 fois, de préférence au moins 10 fois inférieure à la longueur d’onde égale à l’inverse de la fréquence du pic le plus élevé du spectre de fréquences du signal réfléchi. Par exemple, pour une longueur d’onde d’une quinzaine de centimètres, des perles d’une longueur inférieure à 2 cm ou à 1 cm sont bien adaptées.
Cette distance peut être en particulier définie par la longueur de taquets diélectriques, en particulier de perles enfilées sur les conducteurs. Les taquets diélectriques, et en particulier les perles, présentent de préférence une largeur, c'est-à-dire une plus grande dimension dans un plan transversal à la direction de leur longueur, supérieure à 1 mm, 2 mm ou 3 mm et/ou inférieure à 10 mm ou 5 mm.
Les variations de forme et de composition des perles et les variations de positionnement des perles par rapport aux conducteurs permettent de rendre aléatoires les discontinuités qu’elles génèrent.
Les perles facilitent également l’identification de régions comportant les discontinuités.
Le séparateur, de préférence la pièce de blindage, présente de préférence une résistivité électrique supérieure à 10, 50, 100 ou 1000 fois celle des conducteurs. Pour isoler électriquement les conducteurs l’un de l’autre, le séparateur peut comporter un matériau diélectrique interposé entre les conducteurs, de préférence sous la forme d’une couche, par exemple de nature organique, par exemple en un polymère non chargé, par exemple en polyéthylène ou en polyamide, ou de nature minérale, par exemple en mica ou en un dérivé de mica, ou comportant plus de 50% en masse de titane, ou en baryum, en mullite, en cordiérite ou en alumine.
L’isolant diélectrique peut être monobloc. Il peut être constitué d’un assemblage de plusieurs taquets diélectriques. De préférence, les taquets diélectriques présentent la forme de perles enfilées sur au moins un des conducteurs, ou sur chacun des conducteurs.
Une gaine de protection enrobant un conducteur peut également participer à l’isolation électrique entre les conducteurs, voire constituer ledit isolant diélectrique.
Classiquement, l’interrogateur, appelé « réflectomètre », est configuré pour :
- injecter des signaux incidents dans le guide d’ondes ; et
- analyser les signaux réfléchis en réponse aux signaux incidents.
Chaque signal incident, de préférence sous la forme d’une impulsion ou « Dirac », est généré par établissement d’une variation de la différence de potentiel entre les deux conducteurs du guide d’ondes. Ce dernier renvoie un signal réfléchi, qui est ensuite analysé afin d’en déduire des informations sur le milieu traversé par l’impulsion. En présence d’une discontinuité d'impédance, par exemple une variation physico-chimique significative du milieu entraînant une variation locale d’impédance, une partie du signal incident est réfléchie vers l’interrogateur, ce qui permet d’identifier et d’analyser cette variation.
Le signal incident peut prendre la forme d’une onde périodique de forme quelconque. Le signal incident peut être répété. De préférence, l’amplitude maximale du signal incident est comprise entre 0,1 et 100 V, de préférence inférieure à 10 V, de préférence inférieure à 1 V. La fréquence du pic le plus élevé dans un spectre de fréquence du signal incident est de préférence supérieure à 10 KHz, de préférence supérieure à 100 KHz, de préférence supérieure à 1 MHz, de préférence supérieure à 100 MHz, de préférence supérieure à 200 MHz, de préférence supérieure à 500 MHz, de préférence supérieure à 1 GHz, et/ou inférieure à 50 GHz, de préférence inférieure à 30 GHz, de préférence inférieure à 20 GHz, de préférence inférieure à 10 GHz, de préférence inférieure à 6 GHz, de préférence inférieure à 4 GHz. Les signaux incidents peuvent être envoyés sous forme de trains de signaux comportant de préférence une série de signaux périodiques de fréquences variables selon le signal périodique considéré. Chaque signal incident se propage dans le guide d’ondes jusqu’à l’extrémité libre des conducteurs. A chaque discontinuité, une partie du signal incident, ou « écho », est réfléchie vers l’interrogateur. Tous les échos renvoyés constituent ensemble le signal réfléchi associé au signal incident et que l’interrogateur analyse.
La figure 6 illustre un exemple de signal réfléchi, l’axe des ordonnées donnant l’amplitude en Volt (V) et l’axe des abscisses donnant le temps écoulé depuis l’instant to de réception du signal réfléchi, en dizaines de nanosecondes (10-7 s). On distingue en particulier l’écho d’émission Eo renvoyé par l’extrémité d’entrée du guide d’ondes, l’écho de fond Ef renvoyé par l’extrémité de sortie du guide d’ondes, et un ensemble d’échos de discontinuités Ei renvoyés par des discontinuités. Les échos de discontinuités sont de faibles amplitudes, et sont d’amplitudes et de formes diverses. La figure 6 est décrite plus en détail ci-dessous, dans la description des exemples.
L’interrogateur est programmé pour analyser les signaux réfléchis, et éventuellement les comparer, de manière à déterminer ladite propriété électrique et/ou une évolution de ladite propriété.
De préférence, l’interrogateur met en œuvre les étapes a) à e) décrites ci-dessus.
Dans un mode de réalisation préféré de l’invention, la réflectométrie est utilisée pour surveiller l’état physique du bouclier, et en particulier d’un bouclier comportant un assemblage de plusieurs pièces créant un milieu hétérogène. La réflectométrie n’est classiquement pas utilisée pour des milieux hétérogènes et de manière surprenante, s’est avérée efficace pour la surveillance de l’état physique d’un bouclier.
De préférence, l’interrogateur est programmé pour générer un message d’information sur le résultat de ladite analyse.
De préférence, le message précise :
- une valeur pour l’état physique du bouclier, et en particulier de la pièce de blindage ; et/ou
- une valeur pour une évolution de ladite valeur par rapport à une situation antérieure ; et/ou
- une localisation de défauts ou dommages affectant ledit état physique.
Le message peut être envoyé à un ordinateur central et/ou être présenté à un opérateur, par exemple sur un écran et/ou par activation d’une lumière et/ou par l’émission d’un signal sonore.
La fabrication du dispositif découle directement de ce qui précède. Les exemples qui suivent sont donnés à titre purement illustratif et ne limitent sous aucun des aspects décrits la portée de la présente invention.
Figure imgf000028_0001
Deux conducteurs électriques, chacun sous la forme d’un ruban de scotch cuivré, de référence 3M 2245, composé d’une feuille de cuivre de 35 pm d’épaisseur et de 6 mm de large et d’une sous-couche d’adhésif acrylique, ont été collés sur les faces intérieure et extérieure d’une pièce de blindage en carbure de silicium Forceram Premium®, respectivement, formant ainsi un guide d’ondes électromagnétiques. Observés perpendiculairement aux dites grandes faces, les rubans de cuivre apparaissaient superposés, et dessinaient une spirale d’une longueur de 30 cm épousant les irrégularités de la surface des faces intérieure et extérieure de la pièce de blindage, la pièce de blindage comprenant des grains de SiC de diamètre équivalent médian de 50 micromètres liés par une matrice de nitrure de silicium, comme sur la figure 3.
La pièce de blindage ainsi pourvue des conducteurs a ensuite été collée à un composite à matrice organique Dyneema HB26 faisant office de plaque d’amortissement. L’ensemble a été enveloppé dans un tissu de Kevlar. Une couche intermédiaire de Kevlar a été intercalée entre la pièce de blindage et la plaque d’amortissement. Un connecteur 30 coaxial a été connecté aux deux conducteurs afin que le guide d’ondes formé par les deux conducteurs et la pièce de blindage puisse être branché, par un cordon de raccordement 32 coaxial, à un interrogateur 26 Copper Mountain S5085.
Le dispositif ainsi constitué a été installé, horizontalement, au fond d’un puits de chute, la face supérieure de la pièce de blindage étant orientée vers le haut.
Un signal incident, sous la forme d’une impulsion (Dirac) de 1 Ghz, a été injecté dans le guide d’ondes par l’interrogateur. Le signal réfléchi de référence reçu en retour par l’interrogateur est représenté sur la figure 6, en trait noir plein. L’analyse de ce signal réfléchi permet de localiser un ensemble 38 d’échos du signal incident renvoyées par le câble de raccordement, l’écho Eo renvoyé par le connecteur, un ensemble 40 d’échos Ei renvoyés par le guide d’ondes et l’écho de fond Ef renvoyé par l’extrémité du guide d’ondes. La portion de l’ensemble 40 des d’échos Ei , également représentée sur la figure 7, correspond à la longueur L du guide d’ondes (depuis le connecteur jusqu’aux extrémités libres des conducteurs) et il est possible d’établir une correspondance entre un pic sur le signal réfléchi et une position le long de du guide d’ondes. Un impacteur hémisphérique de 40 kg a ensuite été lâché au-dessus du bouclier, à 20 cm au- dessus du bouclier.
Le même signal incident a été de nouveau injecté. Le signal réfléchi actualisé reçu en retour par l’interrogateur est représenté sur la figure 6, en trait noir pointillé.
Les signaux réfléchis de référence et actualisé ont été représentés sur le même graphique, l’instant 0 correspondant à l’instant de réception des signaux réfléchis (synchronisation). Le graphique fait apparaitre un léger décalage temporel de l’écho de fond.
On a également représenté un signal différentiel représentant la différence entre les signaux réfléchis de référence et actualisé, en trait noir interrompu. A des fins de clarté, le signal différentiel a été représenté avec une plus grande échelle sur la figure 7.
Une analyse du signal différentiel permet d’identifier deux pics correspondant aux positions xi à 0,1 *L (soit à environ 3 cm du connecteur) et x2 à 0,8*L (soit à environ 24 cm du connecteur) le long du guide d’ondes.
Des radiographies X post-mortem sur la pièce de blindage ont permis de localiser des fissures situées aux positions 0,1*L et 0,8*L. Une mesure par réflectométrie s’avère ainsi adaptée pour détecter, et même localiser des fissures.
L’amplitude des pics permet également d’estimer l’amplitude des fissures.
Les inventeurs ont aussi découvert que, lorsque seule une détection d’un endommagement du bouclier est recherchée, il est particulièrement avantageux d’utiliser un score calculé en intégrant le signal différentiel. Le score résultant de cette intégration peut être comparé à un seuil, de manière que l’on puisse déduire que si le score dépasse le seuil, il existe un endommagement ou que si le score est inférieur au seuil, il n’existe pas d’endommagement. Le seuil peut être classiquement déterminé par une analyse statistique d’un ensemble de tests.
Comme cela apparaît clairement à présent, un dispositif selon l’invention permet de détecter, de manière fiable un endommagement du bouclier, et même de le localiser et d’en évaluer l’ampleur. Il est plus simple à fabriquer, plus compact et moins coûteux à fabriquer que les dispositifs de l’art antérieur Enfin, les conducteurs étant de part et d’autre de la pièce de blindage, le capteur est très sensible et permet de détecter des déformations de faibles amplitudes. Le dispositif permet ainsi de détecter de signaux faibles, et donc d’anticiper une dégradation catastrophique de la pièce de blindage alors même que la zone de déformation pseudo-plastique (résultant de microfissures) de la pièce de blindage est extrêmement limitée.
Figure imgf000030_0001
Deux pièces de blindage en un même matériau que pour la première série d’exemple, en carbure de silicium Forceram Premium® présentant une épaisseur égale à 18 mm, ont été usinées pour obtenir une longueur Lp égale à 152 mm et une largeur lp égale à 30 mm. Chaque pièce de blindage (référence 12 sur la figure 9) été collée à une plaque d’amortissement 16 de même longueur et même largeur que la pièce de blindage. La plaque d’amortissement était un composite à matrice organique UHMWPE Dyneema HB26 d’épaisseur 10 mm. La colle thermoplastique était une colle Pentacol formant une couche 14a.
Pour l’éprouvette du premier exemple, comparatif, les deux conducteurs, chacun sous la forme d’un ruban de scotch cuivré, de référence 3M 2245, composé d’une feuille de cuivre de 35 pm d’épaisseur et de 6 mm de large et d’une sous-couche d’adhésif acrylique, ont été collés sur la face extérieure 12e (face d’impact). Les conducteurs 28 formaient deux lignes droites s’étendant parallèlement aux côtés définissant la longueur Lp de la pièce de blindage.
Pour l’éprouvette du deuxième exemple, selon l’invention, les deux conducteurs électriques 28e et 28i, de même nature et de même longueur que pour le premier exemple, ont été collés, en regard l’un de l’autre, respectivement sur la face extérieure 12e et sur la face intérieure 12i de la pièce de blindage.
La face intérieure 12i de chaque éprouvette a ensuite été collée à une plaque d’amortissement de même longueur et largeur que la pièce de blindage. La plaque d’amortissement était un composite à matrice organique UHMWPE Dyneema HB26 d’épaisseur 10 mm. La colle thermoplastique était une colle Pentacol formant une couche 14a.
Un tissu d’aramide serge 2*2 à 170 g/m2 a ensuite été collé afin de constituer une enveloppe autour de chaque ensemble pièce de blindage-plaque d’amortissement. Chaque éprouvette ainsi obtenue présentait une épaisseur finale d’environ 20 mm.
Pour chaque éprouvette, un connecteur 30 coaxial a également été connecté aux deux conducteurs. Chaque connecteur 30 a été relié, par un cordon de raccordement 32 coaxial, à un interrogateur 26 Copper Mountain S5085.
Chaque éprouvette a été soumise à un test en flexion 3 points illustré par les figures 9a (éprouvette du premier exemple) et 9b (éprouvette du deuxième exemple). La face extérieure 12e de la pièce de blindage reposait sur deux appuis écartés d’une distance le de 100 mm, par l’intermédiaire de l’enveloppe en tissu d’aramide, non représentée par souci de clarté. Une fissure a ensuite été créée dans la pièce de blindage, entre les deux conducteurs. A cet effet, un poinçon a été descendu à une vitesse de 0,6 mm par minute. La force F exercée sur la face intérieure 16i de la plaque d’amortissement est notée F. A chaque fois, une fissure est apparue dans le sens de la largeur sans rompre le guide d’ondes qui est resté fonctionnel.
Les figures 10 (a et b) et 11 (a et b) représentent les signaux réfléchis reçus par l’interrogateur lors des tests des premier et deuxième exemples, respectivement. On a représenté à chaque fois en amplitude (Volts) :
- le signal réfléchi de référence « R » avant mise sous contrainte de flexion,
- la différence entre le signal de référence et le signal réfléchi dans un état intermédiaire « I » lorsque la force F était de 1000 N, avant rupture, et
- la différence entre le signal de référence et le signal réfléchi dans un état après rupture « C ».
Le signal réfléchi de référence pour chacun de ces exemples présente un écho d’émission classique Eo entre 2,4 et 2,7.10-8 secondes produit par l’extrémité d’entrée 34i du guide d’ondes. Par exemple pour le deuxième exemple, cela permet de positionner l’extrémité d’entrée 34i à 2,55.10-8 secondes. L’extrémité de sortie 342 du guide d’ondes est repérable également par l’écho de fond Ef à 3,3.10-8 secondes sur le diagramme grossi de la figure 11 .
La comparaison de ces signaux montre la présence d’un décalage temporel du « pic de fin » pf réfléchi par l’extrémité du guide d’ondes, très net, de 3,4.108 à 3,2.108 secondes au stade intermédiaire lors de l’amorce de la fissure pour l’éprouvette du deuxième exemple (figure 11 a) ce qui n’apparait pas pour l’éprouvette du premier exemple (figure 10a).
Le grossissement sur la figure 11 b montre la présence d’un pic particulier et net pc à environ 2,7. 10-8 secondes. Ce pic particulier correspond à la position de la fissure apparue sur la pièce de blindage.
Il est notable que même après avoir capté l’apparition d’un endommagement, le dispositif selon l’invention reste opérationnel, ce qui montre également sa grande fiabilité et la possibilité de pouvoir réutiliser ou réimplanter le capteur d’un dispositif usagé sur un nouveau dispositif si nécessaire.
Ce test montre que le dispositif du premier exemple comparatif, représentatif de l’art antérieur dans lequel les conducteurs connectés sont disposés sur une même couche ou une même surface et dans lequel la plaque de blindage ne fait partie du séparateur, présente une fiabilité bien plus faible que pour le dispositif du deuxième exemple selon l’invention. Bien entendu, l’invention n’est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés, fournis à des fins illustratives seulement.
En particulier, la position des conducteurs, notamment sur la pièce de blindage et le nombre de capteurs de déformation ne sont pas limitatifs. Le nombre de capteurs de déformation peut être en particulier adapté à l’étendue de la surface de la pièce de blindage à surveiller.

Claims

REVENDICATIONS Dispositif de protection antibalistique comportant
- un bouclier (22) comportant une pièce de blindage (12) apte à protéger une cible (C) d’un projectile (B) tiré par une arme à feu, et
- un capteur (24) comportant deux conducteurs électriques (28e, 28i) et un séparateur (22) disposé entre lesdits conducteurs, et
- un interrogateur (26) connecté électriquement aux dits conducteurs et configuré pour mesurer une propriété électrique dépendant de l’agencement desdits conducteurs et/ou de la forme desdits conducteurs et/ou de la structure du séparateur et/ou de la forme du séparateur, ou un connecteur (30) apte à connecter électriquement lesdits conducteurs à un dit interrogateur, au moins une partie du bouclier constituant ledit séparateur, dispositif dans lequel le capteur constitue un guide d’ondes, et l’interrogateur est programmé pour réaliser une analyse d’une différence de potentiel électrique ou d’une différence d’impédance mesurée entre les conducteurs électriques, par réflectométrie temporelle ou fréquentielle à partir d’un signal réfléchi renvoyé par le guide d’ondes. Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel
- la pièce de blindage (12) ou
- un ensemble constitué de la pièce de blindage (12) et d’une plaque d’amortissement (16) en un matériau fibreux ou métallique destinée à être disposée entre la cible et la plaque de blindage dans la position de service du bouclier, constitue, totalement ou en partie, ledit séparateur. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la pièce de blindage (12) est conformée pour assurer au moins une protection NIJ-III. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’interrogateur est programmé de manière à mettre en œuvre des étapes suivantes : a) à un instant « de référence », dans une situation de référence, injection, dans le guide d’ondes, d’un signal incident ; b) réception d’un signal réfléchi par le guide d’ondes en réponse à ladite injection, ou « signal réfléchi de référence » ; c) à un instant « actualisé », injection, dans le guide d’ondes, d’un signal incident identique à celui injecté à l’étape a) ; réception d’un signal réfléchi par le guide d’ondes en réponse à ladite injection, ou « signal réfléchi actualisé » ; d) comparaison des signaux réfléchis de référence et actualisé de manière à déterminer une différence entre lesdits signaux, et en déduire une information sur l’état physique du bouclier dans la situation actualisée ; e) optionnellement, émission d’un message contenant ladite information. Dispositif selon la revendication immédiatement précédente, dans lequel à l’étape d),
- on détermine un score en intégrant dans le temps une fonction fournissant la différence entre lesdits signaux réfléchis de référence et actualisé en fonction du temps, puis
- on compare le score à un seuil et en fonction de la différence entre le score et le seuil, on détermine ladite information. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel au moins un des conducteurs est constitué d’un dépôt de matière. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le bouclier est un gilet pare-balles comportant une enveloppe externe (18) enveloppant une plaque de protection (10) constituée d’une superposition de ladite pièce de blindage (12) sous la forme d’une plaque, optionnellement d’une couche intermédiaire (14), et d’une plaque d’amortissement (16), un conducteur (28e) étant
- intégré dans la partie extérieure (18e) de l’enveloppe externe, ou
- disposé sur la face externe de la partie extérieure de l’enveloppe externe, ou
- disposé entre l’enveloppe externe et la face d’impact, dite « face extérieure » (12e), de la pièce de blindage (12), l’autre conducteur étant
- disposé entre la face intérieure opposée à la face extérieure de la pièce de blindage et la couche intermédiaire, ou
- disposé dans la couche intermédiaire ou
- disposé entre la couche intermédiaire et la plaque d’amortissement, ou
- disposé entre la plaque d’amortissement et l’enveloppe externe, ou - intégré dans la partie intérieure (18i) de l’enveloppe externe, ou
- disposé sur la face externe de la partie intérieure (18i) de l’enveloppe externe. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la pièce de blindage est en un matériau métallique et/ou céramique et/ou en un verre et/ou en une vitrocéramique et/ou en un composite à matrice organique ou céramique. Dispositif selon la revendication immédiatement précédente, dans lequel la pièce de blindage est en alumine, en SiC ou en B4C. . Procédé de surveillance de l’état physique d’un bouclier d’un dispositif selon l’une quelconque des revendications 4 à 9, ledit procédé comportant les étapes suivantes :
1) mise en œuvre desdites étapes a) et b), et, à un premier instant actualisé, mise en œuvre desdites étapes c) et d), voire e), de manière à évaluer un premier état physique actualisé du bouclier ;
2) à un deuxième instant actualisé postérieur au premier instant actualisé, de plus d’une journée, mise en œuvre desdites étapes c) et d), voire e), de manière à évaluer un deuxième état physique actualisé du bouclier ;
3) comparaison desdits premier et deuxième états physiques actualisés de manière à évaluer une différence entre lesdits premier et deuxième états physiques actualisés, et en déduire une information sur une évolution dudit état physique entre les premier et deuxième instants actualisés, et optionnellement, de préférence, émission d’un message relatif à ladite évolution.
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