Conception et réalisation d'un microsystème d'initiation pyrotechnique intelligent et sécurisé pour applications spatiales
Résumé
Pyrotechnic systems (i.e. initiators, transmission lines, time delays, rod cutters...) are key elements for space launch vehicles as they fulfill critical functions like engine starting, booster separation and distancing, spacecraft releasing etc. Existing pyrotechnic devices are reliable and robust but also heavy, quite large and complex. Furthermore, their installation is relatively costly due to their hazardous characteristics. Importantly, they also have to ensure high reliability level requirements. In this context, the LAAS-CNRS in collaboration with the French Space Agency (CNES) and Dassault-Aviation has proposed a new technological solution suitable for next generation launchers in replacement of classical pyrotechnic devices. It is based on smart and safe PyroMEMS interconnected and communicating via digital bus. This work relies on the knowledge of LAAS-CNRS in nano energetics and micro technology integration, and on Dassault-Aviation skills in pyrotechnics engineering. The work of this PhD thesis consists in the design and fabrication of safe and smart pyrotechnic initiator able to communicate on a digital bus and also to charge up electrical energy. This initiator is compatible with terminal functions using the European Standard Initiator (ESI). It includes energy storage, mechanical arming system, electrical protection circuitry, and also a micro controller that drives the different elements and communicates with the bus. The innovation of this works lies in the on-chip integration (ASIC) of several functions like energy management, electric safeties, mechanical arming management, and communication. Mechanical arming is based on a micro brushless motor allowing a safe and arm device smaller than 0,5cm3. Electro-pyrotechnic conversion is realized by micro-chip initiators integrating multilayer nano-thermite. The energetic material is initiated by Joule effect in a metallic filament insulated from the substrate by a polymeric membrane (SU-8). The MEMS fabrication uses standard and collective micro-electronic processes that allow the fabrication of 1000 micro-chips on a 4 inch wafer. Thanks to these innovations, we fabricated an Integrated Functions Initiator demonstrator, smaller than 3cm3 and we experimentally validated the device good functioning.
Le lancement d'une fusée fait appel à de nombreux équipements pyrotechniques chargés de réaliser des fonctions clés comme l'allumage des moteurs, la séparation et la neutralisation des étages, la découpe de la coiffe et la libération de la charge utile, et enfin, l'autodestruction du lanceur en cas de problème. Traditionnellement, les systèmes pyrotechniques utilisés sont basés sur des ordres détoniques transmis et distribués grâce à des lignes et des relais pyrotechniques intégrant donc des explosifs. Ces chaines et systèmes pyrotechniques basés sur des ordres détoniques sont certes robustes et fiables mais présentent l'inconvénient d'être lourds, volumineux, délicats et couteux dans leur mise en œuvre en raison du caractère dangereux inhérent à tout explosif et système les intégrant. Dans ce contexte, Dassault-Aviation, le CNES et le LAAS ont proposé une nouvelle solution technologique de systèmes pyrotechniques basée sur des ordres non plus détoniques mais électriques et codées intégrant des micro systèmes de mise à feu pyrotechniques codés sécurisés et intelligents. Ces derniers, appelé dans le projet µIFI pour Micro Initiateurs à Fonctions Intégrés intègrent dans quelques cm3, outre une adresse numérique permettant de les identifier pour communiquer, un micro initiateur électro-pyrotechnique, des sécurités électriques, une barrière de sécurité mécanique déplaçable par un micromoteur, un stockage local d'énergie et une électronique numérique. Ce travail de thèse a consisté à concevoir, réaliser et caractériser un Micro Initiateur à Fonction Intégré. Après avoir évalué les différentes technologies existantes, nous avons conçu puis fabriqué les différents éléments constitutifs du µIFI permettant de répondre au cahier des charges du spatial. Après fabrication, chacun de ces éléments ont été caractérisés pour valider leur fonctionnalité et leur conformité au cahier des charges. Un important travail s'est porté essentiellement sur deux points. Le premier concerne la conception et la mise en œuvre d'une technologie MEMS innovante pour réaliser une puce d'initiation optimisée à base de nanothermite Al/CuO déposée sur une plateforme en SU-8 qui a permis d'atteindre des performances d'initiation electro-pyrotechnique jusqu'ici jamais atteinte. Le deuxième point concerne le travail important et délicat d'interfaçage mécanique et électrique des différents éléments constitutifs du µIFI : les puces d'initiation MEMS, un micromoteur brushless permettant de sécuriser mécaniquement l'initiateur dans un volume de moins de 0,5mm3, une électronique numérique, une capacité de stockage de l'énergie et les connectiques associées. Ce fut un défi technologique important de par la complexité du système à intégrer dans moins de 3 cm3 et assurant un fonctionnement avec une fiabilité exemplaire. Ce travail de thèse a permis des avancées technologiques certaine et constitue la première étape d'un processus d'innovation très important dans le domaine de la pyrotechnie spatiale.
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