Coussin gonflable de sécurité

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Un coussin gonflable de sécurité (appelé couramment en Europe par son nom anglais airbag, littéralement sac d’air) 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, pour la gonfler et ainsi amortir un choc[1],[2],[3].

Les coussins gonflables 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 optimum est obtenue dans son association au duo ceinture de sécurité + prétensionneur. Obligatoire en Europe, cette configuration ne l'est pas dans certains pays comme les États-Unis ce qui engendre des augmentations de volumes de sacs et donc des configurations sensiblement différentes entre les continents pour un même véhicule.

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[5] 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[6] 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[7] en cas d'accident.

General Motors appelait cela « système de retenue par coussins d'air [8]». Comme sur les nouvelles voitures, le coussin gonflable sur le côté passager des voitures General Motors des années 1970 était à déploiement variable [9] 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.

Module

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

Connecté à l'accéléromètre, 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 premiers n'utilisent pour générer des gaz que des éléments pyrotechniques (propergols solides, proche du carburant des fusées comme de l'azoture de sodium (NaN3) sous forme de pastilles. L'impulsion électrique transmise au détonateur enflamme ces pastilles. Le NaN3 se décompose et entraîne une libération d'azote (N2) qui gonfle le coussin (2NaN3 − − > 2Na + 3N2).

Les seconds associent ces mêmes éléments à des gaz inertes stockés dans un réservoir indépendant (type 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 derniers 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.

Un défi technologique consiste à garantir le bon fonctionnement du dispositif. En outre le contrôle de l'étanchéité du réservoir nécessite l'utilisation des techniques de détection de fuite les plus sensibles. Il faut contenir 300 bars pendant plus de 7 ans.

Le sac

Un coussin gonflable déployé côté conducteur d'une SEAT Ibiza

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

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 non 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

Il assure l'intégration et l'interface entre le véhicule (tableau de bord, caisse), le générateur de gaz et le sac.

Suivant l'utilisation du module (conducteur, passager, latéral, genou) le boîtier peut-être métallique, plastique ou en fibres. Une partie peut-être visible de l'occupant et donc dans le ton de l'intérieur du véhicule.

Principe de fonctionnement

Dans un premier temps, il est nécessaire de donner l'ordre de démarrage aux coussins gonflables. Cet ordre est donné par un calculateur (accéléromètre) positionné dans l'habitacle du véhicule (en général près du frein à main).

Cet élément permet de différencier un simple « coup de patin » d'un coup de frein avec collision. En ce sens que le plus gros des coups de frein ne peut reproduire les efforts engendrés (en « g ») lors d'un réel choc avec un obstacle. La valeur minimum de vitesse pour activer le système est située en général entre 20 et 30 km/h, tout cela dépendant de la cartographie du calculateur donnée par son constructeur.

Dans le cas d'un retournement de véhicule, (tonneau ou roll-over en anglais) 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 de l'accéléromètre 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. Le sac reste la seule partie visible et en contact de l'occupant pendant et après fonctionnement.

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 10 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.

Efficacité

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 (le plus dangereux), 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.

Risques

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, une dizaine de minutes.

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

  • des brûlures aux avant-bras a cause du gonflement du coussin ;
  • un traumatisme facial si le conducteur est proche du volant (par exemple une personne de petite taille ayant approché le siège au maximum) ;
  • la projection d'un objet que le passager pourrait tenir en main (par exemple stylo) ;
  • la détonation peut provoquer des lésions du tympan.

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)[10]. 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[11].

Si l'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 puissant systèmes d'aération ou de protection des personnels par masque à gaz.

Intervention des sauveteurs

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.

En présence d'un coussin gonflable non déclenché, les sauveteurs coupent l'alimentation électrique (la batterie). Les intervenants ne doivent rien mettre entre la victime et la zone de développement possible du coussin. Aucun dispositif de retenue pour les coussins n'est approuvé à ce jour

En 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 soviétique 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., 10 juin 2004, Conseil de la sécurité routière du Canada. 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. ↑ Schémas de coussin gonflable frontal.
  6. ↑ Schémas de coussin gonflable côté passager.
  7. ↑ Schémas de coussin pour protéger les genoux
  8. ↑ "Air Cushion Restraint System".
  9. ↑ Schémas de coussin à déploiement variable.
  10. ↑ Libération n° 8098, 22 mai 2007, p 15
  11. ↑ (fr)Déclaration pour une demande de désactivation de sacs gonflables, Transport Canada. Consulté le 2008-08-28[pdf]

Voir aussi

Œuvres de fiction

Articles connexes

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