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Vers une plus grande discrétion grâce aux plasmas

Ingénieur de recherche au Département Electromagnétisme et radar (DEMR), Gérard Bobillot est chargé de mission "furtivité radar" auprès du directeur de ce département. Travaillant à l'Onera depuis une trentaine d'années, ce radariste s'intéresse au thème de la furtivité depuis les années 1982/83. Aujourd'hui, les travaux du DEMR dans ce domaine portent, entre autres,  sur les plasmas dont les travaux ont été lancés courant 2002. Premières applications à l'horizon 2020.

Dès 2003, cet axe des plasmas appliqués à la furtivité s'est concrétisé par le lancement d'un Projet de Recherche Fédérateur (PRF), qui associe des équipes des départements Mesures physiques (DMPH), Traitement de l'information et modélisation (DTIM) et celles du DEMR travaillant sur ce qu'on appelle des "miroirs plasma". "Ce sont des antennes radar "immatérielles", de véritables réflecteurs, qui présentent l'avantage théorique de pouvoir être orientées très rapidement. Aujourd'hui, cette activité se poursuit à Toulouse et à Palaiseau", explique Gérard Bobillot. L'objectif de ces travaux est de parvenir à orienter des faisceaux d'ondes électromagnétiques à travers un plasma, non plus à travers de la réflexion, mais par de la réfraction, ceci en modifiant ses paramètres.

Protection des antennes

Dans le cadre de ce PRF, d'autres recherches visent à concevoir des plasmas à l'intérieur de micro-capillaires qui, empilés les uns sur les autres, permettraient d'obtenir des méta-matériaux ou des matériaux dits "à bandes de photons", dont les propriétés de propagation sont extrêmement intéressantes. "Généralement, ces méta-matériaux sont conçus soit avec des tiges métalliques, soit avec des tiges de verre. Or là, il s'agit de remplir de plasma des capillaires de verre, ce qui va permettre par commutation de changer les propriétés de cette structure", précise l'ingénieur de l'Onera Palaiseau. Dans le futur, ces matériaux pourraient être utilisés pour créer des systèmes de protection d'antennes commutables. Ainsi, quand l'antenne ne fonctionne pas, le plasma est mis en place afin de la protéger contre les agressions électromagnétiques. Il y a eu à l'étranger plusieurs tentatives pour concevoir des réflecteurs d'antennes avec des tubes de ce type, mais de diamètre plus important, c'est-à-dire de l'ordre du centimètre contre quelques millimètres ou moins pour les microcapillaires. "Nous réalisons des études papier sur ce sujet en liaison étroite avec le Centre de Physique des Plasmas et Applications de Toulouse (CPAT) qui a des acquis techniques importants sur ces tubes", souligne-t-il.

Parallèlement, les chercheurs de l'Onera s'intéressent à l'emploi des plasmas pour accroître la furtivité de certains systèmes comme les radômes. Deux études sont en cours. Réalisée en collaboration avec le CPAT, l’étude porte sur la possibilité de protéger la pointe avant d'un avion d'armes. "Pour cela, il faut développer du plasma à l'intérieur du radôme, ce qui implique que ce plasma occupe tout l'intérieur du volume", souligne Gérard Bobillot. L'objectif est d'aboutir à un dispositif capable de commuter de manière extrêmement brève. "Concernant les plasmas utilisés, nous avons le choix du gaz et de la pression. Aussi cherchons-nous à jouer avec ces paramètres pour essayer d'arriver à commuter en quelques micro-secondes".

Deux décharges dans l'air très différentes

Si l'Onera s'intéresse aux plasmas confinés, ses équipes développent aussi des plasmas dans l'air. "Certes, l'idée n'est pas nouvelle. Il s'agit en effet de rendre un avion furtif en l'entourant d'une boule de plasma. Le seul problème est que l'énergie nécessaire pour y parvenir est colossale", résume Gérard Bobillot. C'est pourquoi les équipes de l'Onera ont opté pour un objectif plus raisonnable en ne traitant que certains points "brillants" locaux de l'appareil, ce qui implique de produire un plasma stable. Une étude bibliographique et une série d'essais réalisés par Serge Larigaldie, Maître de recherche au sein de l'unité Diagnostics optiques et plasmas (DOP) du DMPH et spécialiste des plasmas au Centre de Palaiseau, ont permis de découvrir deux décharges stables dans l'air.

De couleur violette, la première de ces décharges est froide et résiste au vent. Celle-ci reste stable en présence d'air circulant à une vitesse de 80 m/s. De plus, elle ne consomme que quelques dizaines de watts. Son seul défaut est de ne mesurer que 8 mm. "Nous avons fait varier les différents paramètres sans pour autant parvenir à accroître la longueur de cette décharge. La seule solution est de baisser la pression d'un facteur dix ce qui permet alors d'allonger cette décharge de manière conséquente. Cela signifie qu'elle ne pourrait être utilisée qu'à haute altitude", indique cet ingénieur. Pourquoi ne pas imaginer dans le futur des rampes, conçue avec ces plasmas, pour équiper certaines parties mobiles d'un avion, justement à des endroits où il existe des fentes ? En dotant celles-ci d'un continuum de plasma, il serait alors sans doute possible de les masquer.

Préparation d'une expérience de décharge sur le banc Chypre

Produite sur une longueur de 30 cm, lors d'une expérience réalisée courant 2004 sur le banc Chypre, la seconde décharge, qui ne consomme que quelques centaines de watts, est de nature assez différente de la première, même si le dispositif pour la produire est toujours constitué d'une pointe et d'un plan, la pointe étant anodique et le plan cathodique à l'inverse du dispositif utilisé pour la première décharge. Des chercheurs ont commencé à s'y intéresser, il y a environ une dizaine d'année, dans le cadre de travaux centrés sur la dépollution. "Les densités électroniques étaient cent fois plus faibles que celles qui nous permettent aujourd'hui de faire de l'absorption", précise Gérard Bobillot. Stable et ne rayonnant que peu de lumière, cette décharge plasma absorbe de l'ordre de 3 dB. Aussi les chercheurs de l'Onera vont-ils essayer d'en produire plusieurs afin d'arriver à une absorption d'une dizaine de dB. Cela dit, cette décharge présente un défaut majeur, celui de pas être stable dans le vent. "Nous avons donc décidé de la laisser se développer, en essayant de la régénérer en permanence de manière à toujours disposer d'un volume d'électrons suffisant". Ces travaux sont menés dans le cadre d'une thèse lancée en novembre 2004.

Décharge plasma en écoulement dans la veine du banc Chypre

Premières applications : entre dix et quinze ans

A quel horizon les premières applications de ces plasmas pourraient-elles émerger ? "Tout dépend de quels plasmas nous parlons", répond Gérard Bobillot. "Concernant les plasmas confinés capables de protéger des antennes, cet horizon se situe à une dizaine d'années. Pour les plasmas dans l'air, ce sera plus long, au minimum 15 ans. Beaucoup de problèmes ne sont pas résolus. Actuellement, nous n'en sommes qu'à obtenir des plasmas très petits. Il va donc falloir beaucoup travailler pour espérer traiter la manche à air d'un avion de combat et disposer d'une solution opérationnelle", estime l'ingénieur du DEMR.

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