Airbag
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Coussin gonflable déployé dans un hélicoptère

Un airbag (de l'anglais, littéralement « sac d’air »), ou coussin gonflable de sécurité, est une membrane ou une enveloppe flexible, dans laquelle de l’air ou un autre gaz est très rapidement injecté par une réaction chimique explosive (perchlorate), pour la gonfler et ainsi amortir un choc[1],[2],[3].

Les airbags sont principalement utilisés dans les automobiles, pour protéger les passagers lors d'une collision et ainsi leur éviter de percuter violemment certains équipements de la voiture (volant, vitres latérales, appuie-tête avant pour un passager arrière, etc.). Son efficacité optimale est obtenue dans son association avec une ceinture de sécurité et un prétensionneur de ceinture.


Sommaire

Historique

Ford et General Motors ont commencé leurs expérimentations sur les dispositifs de retenue par coussins gonflables à la fin des années 1950, basés sur le brevet de 1953 de John Hetrick.

Chose peu connue, au cours de la conquête spatiale, des ingénieurs de la NASA étaient chargés de développer des ballons gonflables (les futurs coussins gonflables) dans le cadre du développement des accéléromètres spatiaux[4]. Le coussin gonflable a été également utilisé pour l'atterrissage sur Mars du robot Sojourner en 1996.

C'est Allen Breed qui, en 1968, inventa le détecteur d'impact. La détection d'une collision se faisait à l'aide d'une balle dans un tube. Plus tard, il collabora avec General Motors et Chrysler pour le développement de leurs systèmes de coussins gonflables.

Buick Electra Limited 1975 avec coussins gonflables frontaux.

Les premiers coussins gonflables ont été installés sur des voitures de production en 1973 sur les Buick Cadillac et Oldsmobile modèle 1974.

Les coussins gonflables frontaux ont d'abord été testés sur une flotte de véhicules Chevrolet 1973.

Les ceintures aux épaules qui étaient standard à l'avant sur les automobiles américaines des années 1970 (sauf les décapotables) étaient enlevées sur les automobiles équipées des coussins gonflables frontaux vu que ceux-ci étaient conçus pour remplacer les ceintures en cas de collision frontale. GM installait quand même des ceintures abdominales dont l'utilisation était recommandée pour protéger dans les autres types de collisions. Le coussin gonflable côté passager des voitures General Motors des années 1970 était situé dans la partie inférieure du tableau de bord et servait aussi de protection pour les genoux des passagers avant. La partie inférieure du tableau de bord des voitures équipées de ce système était coussinée du côté conducteur pour protéger les genoux en cas d'accident.

General Motors appelait cela « système de retenue par coussins d'air ». Comme sur les nouvelles voitures, le coussin gonflable sur le côté passager des voitures General Motors des années 1970 était à déploiement variable selon la force de l'impact.

General Motors a cessé d'installer des coussins gonflables après 1976 parce que ceux-ci n'étaient pas populaires.

En 1980, Mercedes Benz en offrait de nouveau dans ses voitures mais seulement sur le côté conducteur.

Description technique

Les différentes parties d'un airbag

En termes de pièces détachées chez un constructeur automobile, le coussin gonflable de sécurité est un module indépendant (appelé en Europe un « module-airbag »). Il se loge en différents endroits du véhicule suivant l'utilisation : dans le volant pour le conducteur, dans le tableau de bord pour le passager, dans les piliers de portières ou de coffre pour protéger le thorax, rideaux latéraux pour protéger la tête, sous la colonne de direction pour protéger les genoux. Ce module est constitué de 3 éléments :

Le générateur de gaz

Son déclenchement est géré par le calculateur, il débite des gaz afin d'assurer le gonflement du sac. Il existe trois types de générateurs : pyrotechniques, hybrides et cold gas (gaz froid en anglais).

Les générateurs pyrotechniques n'utilisent pour générer des gaz que des éléments pyrotechniques : propergols solides, proche du carburant des fusées comme par exemple, de l'azoture de sodium (NaN3), du nitrate d'ammonium (NH4NO3) sous forme de pastilles ou de blocs. L'impulsion électrique est transmise à un allumeur et enflamme ces pastilles. Le propergol brûle dans une chambre de combustion et entraîne une libération du gaz diazote (N2), par des trous de diffusion, qui gonfle le coussin. La réaction de formation du diazote est une décomposition spontanée de l'azoture de sodium au dessus de 275 °C : 2NaN3 = 2Na + 3N2, le sodium réagissant immédiatement avec son environnement.

Les générateurs hybrides associent ces mêmes éléments à des gaz inertes stockés dans un réservoir indépendant (type gaz rares : argon, hélium…) (il existe actuellement sur le marché quelques modèles mettant les propergols sous pression avec le gaz mais ils sont rares). Ces gaz viennent en complément de ceux créés par la combustion du propergol, pour les refroidir, mais aussi pour limiter la masse de produit explosif dans le générateur et conserver la même capacité de gonflage.

Les cold gas ne sont qu'une réserve de gaz, libéré au moment du gonflage et la totalité des gaz du réservoir serviront à gonfler le sac sans aucune aide pyrotechnique.

Dans le cadre des générateurs hybrides et cold gaz, il est difficile de garantir le bon fonctionnement du dispositif[réf. nécessaire]. En outre le contrôle de l'étanchéité du réservoir nécessite l'utilisation des techniques de détection de fuite. Il faut contenir des gaz entre 300 et 1000 bars pendant toute la vie du produit.

Le coussin gonflable

Un coussin gonflable déployé côté conducteur d'une SEAT Ibiza

Constitué de toile plus ou moins épaisse, il est plié au-dessus du générateur de manière à assurer une cinématique de déploiement optimale (rapidité et placement du sac vis-à-vis de l'occupant à protéger).

Le coussin déplié contient 35 à 70 litres de gaz pour un airbag conducteur et de 60 à 160 litres de gaz pour le passager[5],[6]

À l'arrière de certains sacs, des trous sont réalisés, appelés « évents ». Ils servent à calibrer le dégonflage du sac, soit par pression de l'occupant, soit par effet naturel les gaz de combustion sortent du sac. Les sacs qui ne sont pas équipés d'évents sont réalisés dans des matériaux plus ou moins poreux où là, la peau du sac joue ce rôle.

Les évents ou la porosité permettent également le dégonflage automatique du coussin après sa mise en œuvre.

Le boîtier / les capteurs

Le boitier électronique centralise les informations des différents capteurs, détermine via différents critères physiques la sévérité de la collision pour ensuite envoyer ou non un ordre de déclenchement à chacune des différentes protections. Le boîtier peut-être métallique, plastique ou en fibres, il est généralement fixé au niveau de la boite de vitesse.

Le ou les capteurs, généralement accélérométriques, sont positionnés à différents endroits du véhicule. L'utilisation de plusieurs capteurs permet d'améliorer les temps de réponse et la robustesse du système de détection de crash.

Principe de fonctionnement

Le calculateur reçoit en permanence les mesures des différents capteurs. Un algorithme de crash, intégré dans le calculateur, calcule alors différents critères physiques. Chaque critère vise à évaluer une caractéristique précise. Le type de collision (frontale, latérale, arrière), la vitesse d'impact, la raideur de l'obstacle, la surface de contact entre l'objet impacté et le véhicule peuvent alors être évaluées. Ceci déterminera l'utilité de déclencher ou non telle ou telle protection et à quel moment.

Le constructeur définit les protections à déclencher et les temps de décision sur un panel d'essais de laboratoire. Ceux-ci représentent les pires cas pour chaque type de collision (frontal, latéral, arrière, tonneau). Ils permettent de calibrer le système, les niveaux accélérométriques sur un même choc variant largement en fonction du véhicule. Ceci est dû aux différences structurelles des véhicules.

La vitesse d'impact minimale pour déclencher une protection est de l'ordre de 15 à 30 km/h pour une collision frontale, 15 à 25 km/h pour une collision latérale. Cette limite variant en fonction de la caractéristique du choc qui induit une cinématique différente de l'occupant.

Le système de détection est aussi capable de différencier :

  • Des essais de roulages (exemple: mauvais pavés, tôle ondulée).
  • Des frappes localisées (exemple: coups de marteau à proximité du capteur).
  • Des incidentiels (exemple: impact sur un trottoir de face).
  • Des collisions réelles.

Seule une collision doit déclencher la mise à feu d'une protection. Les autres types d'essai ne doivent en aucun cas provoquer le déploiement d'une protection, quelle que soit la vitesse d'impact, ceux-ci résultant d'une utilisation normale du véhicule.

Dans le cas d'un tonneau, la consigne de déclenchement est d'environ 30° par rapport à l'axe médian du véhicule en situation « normale ».

Une fois l'ordre de déclenchement donné, un signal électrique est envoyé à un actionneur pyrotechnique appelé « générateur de gaz ». Son rôle est de transformer le signal électrique du calculateur en un phénomène pyrotechnique destiné à gonfler le sac. Les gaz fournis par le générateur débitent dans le sac. Celui-ci est plié au-dessus de la diffusion du générateur.

Temps de fonctionnement

Les temps de fonctionnements des coussins gonflables dans un véhicule sont différents suivant leur localisation à bord, les coussins gonflables étant conçus pour un type de véhicule et une utilisation donnés. Leur dimensionnement est étudié grâce à des essais de déploiement et une même configuration peut se comporter différemment suivant les véhicules. Les valeurs données ci-dessous représentent donc des temps de fonctionnement moyen.

  • Dans le volant, pour le conducteur : les temps de fonctionnement sont de l'ordre de 50 à 150 millisecondes.
  • Dans le tableau de bord, pour le passager : les temps de fonctionnement sont de l'ordre de 50 à 150 millisecondes.
  • Dans le toit, les sièges, le haut de la portière, pour les latéraux : les temps de fonctionnement sont de l'ordre de 5 à 50 millisecondes.

À titre de comparaison, le clignement de l'œil se fait en environ 150 ms.

Il existe aussi des types de coussins à simple étage plus simple, ou à plusieurs étages qui permettent de réguler la puissance d'explosion et donc la vitesse de fonctionnement, en fonction de la vitesse d'impact et/ou du nombre de passagers.

Couplage avec le prétensionneur

Déclenchement des coussins gonflables lors du séisme du Sichuan de 2008.

Sur une voiture, le coussin gonflable est systématiquement associé à un prétensionneur de ceinture, un dispositif qui tend la ceinture de sécurité et plaque le passager contre le dossier. En effet, pour un choc frontal, en absence de ce dispositif, la tête viendrait percuter le coussin en cours de gonflage ; la vitesse de la toile, environ 300 km/h, provoquerait un « coup de fouet », de la tête vers l'arrière avec comme conséquence un traumatisme cervical probablement mortel.

La tête vient reposer sur le coussin au moment où le prétensionneur se détend. Puis le coussin se dégonfle.

On peut noter que le coussin sert au moment où le véhicule est déjà immobilisé (le choc dure environ 1/10e de seconde), ou du moins a perdu une grande partie de sa vitesse. On peut donc se poser la question de l'utilité réelle de ce dispositif. Les études comparant le port de la ceinture seule au système ceinture + prétensionneur + coussin gonflable ont montré l'efficacité du dispositif. Mais on ne dispose pas d'étude comparant le système ceinture + prétensionneur au système ceinture + prétensionneur + coussin gonflable.

L'intérêt de l'airbag

Lors d'un choc frontal, un airbag frontal diminue la probabilité de mourir de 25 % pour un conducteur ceinturé[5], mais comme il est mentionné ci-dessus, les statistiques évaluent le système global et ne permettent pas de distinguer le rôle du prétensionneur de celui du ballon proprement dit.

Les risques liés à l'airbag

Le risque principal est lorsque le coussin ne s'est pas déclenché lors de l'accident, par exemple en cas de choc latéral, arrière, ou de tonneau. Le système de mise à feu pouvant être en mauvais état, les manipulations des sauveteurs lors de la désincarcération peut provoquer le déclenchement du système, avec un risque :

  • d'immobiliser la victime par la tension de la ceinture ;
  • de projeter tout objet ou personne qui pourrait se trouver entre le volant et la victime.

Certains systèmes disposant d'un condensateur (pour éviter que le coussin gonflable ne fonctionne plus si la batterie venait à être détruite avant le déclenchement du coussin gonflable), ils restent ainsi actifs même après débranchement de la batterie. Le déchargement du condensateur prend environ une minute. Mais pour des raisons de sécurité, les secours intervenants sur place attendent, si cela est possible (victime ne présentant pas de traumatisme visible et pouvant sortir seule du véhicule), une dizaine de minutes.

Après le déclenchement du coussin gonflable, les sauveteurs intervenant ventilent le véhicule pour évacuer le gaz ayant servi au gonflement du coussin. Ils évitent également tout contact avec les générateurs de gaz ou le volant, qui peuvent être relativement chauds voire brûlants. Les mains et les yeux de la victime sont rincés à l'eau claire.

Enfin, le déclenchement, lors d'un choc peut provoquer :

  • des brûlures aux avant-bras à cause du gonflement du coussin[5] ;
  • un traumatisme facial si le conducteur est proche du volant[5] (par exemple une personne de petite taille ayant approché le siège au maximum) ;
  • des abrasions au visage pour les porteurs de lunettes ;
  • la détonation peut provoquer des lésions du tympan[5].

Une étude de l'université de science et de médecine de l'Oregon a montré que les coussins gonflables étaient dangereux pour les personnes de petite taille (moins de 1m49) ou au contraire de grande taille (plus de 1m92)[7]. Les personnes de petite taille ont des membres plus courts et ont donc le corps (tête et thorax) plus proche du volant. Le coussin n'a pas le temps de se gonfler si le conducteur est assis trop très du volant, soit 25 cm entre le centre de la poitrine et le couvercle du boitier. Dans ce cas le coussin gonflable doit être désactivé[8].

Si on utilise un siège pour bébé « dos à la route » sur le siège passager avant, le coussin de sécurité doit être désactivé : son déclenchement provoquerait la propulsion du siège bébé contre le dossier du siège.

Il existe aussi un risque d'intoxication en cas de contact répété avec les gaz contenus dans les sacs. Chez les fournisseurs de coussins gonflables de sécurité, et les équipementiers réalisant les essais de validation, sont installés de puissants systèmes d'aération ou de protection des personnels par masque à gaz.

À l'origine de l'airbag, la recherche astronautique

Test du déploiement des coussins gonflables de la sonde Mars Pathfinder.

Dans le domaine de l'astronautique, certains atterrisseurs des sondes spatiales utilisent des coussins gonflables pour amortir leur chute.

Ce sont les sondes lunaires soviétiques Luna 9 et Luna 13, en 1966, qui les premières furent équipées de coussins gonflables. Bien plus tard, les sondes martiennes telles que Mars Pathfinder, Mars Exploration Rover et Beagle 2 utilisèrent ce système. Cependant pour Beagle 2, un problème qui reste pour l'instant (janvier 2006) indéterminé, est survenu durant la descente, occasionnant la perte de l'engin.

Notes et références

  1. (fr)Les débats entourant le sac gonflable., Conseil de la sécurité routière du Canada, 10 juin 2004. Consulté le 2008-05-25
  2. (fr)Smith, Bradley, W. et Jordan, Michael, P., « Coussin gonflable de sécurité comportant un évent désactivé par une attache pour réduire les effets dus à une mauvaise position de l'occupant. », Organisation mondiale de la propriété intellectuelle. Consulté le 2008-05-25
  3. (fr)Une étude de l'ONISER sur l'efficacité des coussins gonflables, Sénat de France. Consulté le 2008-05-25
  4. Historia n°641, mai 2000, p78-79
  5. a, b, c, d et e Comment fonctionne l'airbag ?
  6. Physique de l'airbag sur un site personnel.
  7. Libération n° 8098, 22 mai 2007, p 15
  8. (fr)Déclaration pour une demande de désactivation de sacs gonflables, Transport Canada. Consulté le 2008-08-28[PDF]

Voir aussi

Articles connexes

Liens externes

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