Conception et réalisation d'un microsystème d'initiation pyrotechnique intelligent et sécurisé pour applications spatiales

par Guillaume Taton

Thèse de doctorat en Micro et nano systèmes

Sous la direction de Carole Rossi.

Soutenue en 2013

à Toulouse 3 .


  • Résumé

    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 l'éloignement des étages, la découpe de la coiffe et la libération de la charge utile, et enfin, l'autodestruction du lanceur en cas de problème. Les systèmes pyrotechniques existants aujourd'hui sont certes robustes et fiables, mais ils sont aussi lourds, volumineux, et complexes. Leur installation sur lanceur est en outre relativement coûteuse en raison du caractère dangereux inhérent à tout équipement pyrotechnique. En effet, dans les systèmes pyrotechniques utilisés actuellement, les ordres sont générés par des détonateurs, puis sont transmis et distribués grâce à des lignes et des relais pyrotechniques chargés d'explosifs. Le signal peut être retardé via l'utilisation de relais retardateurs pyrotechniques. Dans ce contexte, le LAAS-CNRS en collaboration avec Dassault-Aviation et le CNES propose une nouvelle solution technologique en remplacement des technologies existantes pour répondre aux besoins de gains de masse, de volume, ainsi que de compétitivité pour les lanceurs de demain. Cette solution consiste au déploiement d'initiateurs pyrotechniques miniatures, sécurisés et intelligents, interconnectés par un BUS numérique. Ce travail de thèse consiste à concevoir et à fabriquer un démonstrateur d'initiateur capable de décoder le signal électrique codé provenant du bus numérique, de réaliser des opérations de tests, de stocker de l'énergie, et d'assurer une mise à feu sécurisée électriquement et mécaniquement. Ces travaux s'appuient sur le savoir faire du LAAS en nano-énergétique, micro-technologie et intégration des systèmes. Après avoir évalué les différentes technologies existantes pour répondre a chacune des fonctions que doit réaliser l'initiateur, nous avons procédé à la conception précise des différents éléments constitutifs. Nous retiendrons comme principales innovations de ces travaux : le projet d'intégrer sur une même puce les fonctions l'intelligence du système, la gestion du stockage local d'énergie, la sécurité électrique et le pilotage du système d'armement mécanique ; le choix d'un système d'armement mécanique basé sur un micromoteur brushless, permettant de sécuriser mécaniquement l'initiateur dans un volume de moins de 0,5 mm3 ; le choix d'une conversion électro-pyrotechnique réalisée en technologie MEMS, permettant d'intégrer une composition pyrotechnique de type nano-thermite multicouche Al/CuO sur une plateforme de chauffe sur membrane SU-8 et enfin une architecture compacte de moins de 3 cm3 intégré dans un corps d'interface mécanique et électrique prenant en compte au maximum les contraintes d'interconnexions au faibles dimensionnalités. Pour réaliser un démonstrateur de thèse, nous avons développé puis appliqué les procédés de mise en œuvre technologique permettant la fabrication des différentes briques technologiques. Après fabrication, ces éléments ont étés caractérisés pour valider leur conformité au cahier des charges.

  • Titre traduit

    Safe and smart MEMS pyro igniter for space applications


  • 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 fonctionning.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (150 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 147-150

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  • Bibliothèque : Université Paul Sabatier. Bibliothèque universitaire de sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 2013 TOU3 0273
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