Composition explosive pour allumage thermique par source laser et son dispositif d'amorcage

Abstract

 L'invention se rapporte à une composition énergétique formée d'un mélange comprenant au moins un explosif secondaire et un dopant optique se présentant sous forme de poudre. Selon l'invention, le dopant optique est un métal. La composition énergétique peut être employée aussi bien dans un détonateur que dans un inflammateur.

Description

[0001] La présente invention concerne une composition énergétique pouvant être utilisée dans un détonateur optique (initiateur comportant un explosif) ou un inflammateur optique (initiateur comportant une composition pyrotechnique).

[0002] Les sources laser utilisées dans les détonateurs, notamment pour des applications militaires ou spatiales, doivent être robustes, de faible encombrement et à coût maîtrisé. Ces sources sont soit des lasers solides du type Nd-YAG (pour les applications militaires) qui délivrent une densité de puissance de l'ordre de 3 MW.cm^-2, soit des diodes laser en général de puissance de 1 W (pour les applications spatiales) qui délivrent une densité de puissance de l'ordre de 20 kW.cm^-2, ce qui est trop faible pour permettre un amorçage direct de la détonation d'explosif secondaire qui nécessite la délivrance d'une densité de puissance de l'ordre du GW.cm^-2.

[0003] Toutefois, ces densités de puissance délivrées permettent une élévation de température de l'explosif secondaire du premier étage du détonateur jusqu'à ce qu'il atteigne sa température de décomposition auto-entretenue à partir de laquelle la réaction de dégradation très vive qui s'en suit permet d'initier la détonation de l'explosif secondaire du second étage, soit par un processus de transition déflagration ― détonation, soit par un processus de transition choc ― détonation (selon la configuration du détonateur et les caractéristiques des explosifs secondaires utilisés). Cependant, comme les explosifs secondaires n'absorbent pas la lumière émise dans le proche infrarouge par les sources laser, la composition énergétique disposée dans le premier étage du détonateur est un mélange comprenant l'explosif secondaire et de la poudre de noir de carbone qui est utilisé comme dopant optique (il absorbe le rayonnement émis par les sources laser et transmet à l'explosif secondaire l'énergie thermique nécessaire pour qu'il atteigne sa température critique).

[0004] Cependant, pour les applications impliquant que le détonateur soit soumis à des conditions climatiques extrêmes, l'efficacité du noir de carbone est considérablement diminuée. La validation d'un détonateur pour une telle application nécessite la réalisation de tests après qu'un cycle thermique qui correspond au cycle subi en relation avec cette application lui ait été imposé. Ainsi, par exemple pour le domaine spatial, le cycle thermique imposé correspond à une montée à une température de 100°C maintenue pendant 5 heures puis à un refroidissement à température ambiante. Or après un tel cycle, quand la source laser utilisée est une diode laser, même lorsque cette dernière est utilisée à sa puissance maximale de 1 W, l'amorçage de l'explosif secondaire mélangé avec 1% massique de noir de carbone n'a pas lieu alors qu'une puissance de 0,1 W suffit si le détonateur n'a pas subi ce cycle.

[0005] Une première solution palliant l'inconvénient relatif à la nécessité d'avoir une source laser puissante pour pouvoir amorcer un détonateur soumis à des conditions climatiques sévères a été décrite dans la demande FR 2 831 659 et consiste à introduire dans le premier étage du détonateur, entre l'explosif secondaire et l'interface optique de focalisation, une composition pyrotechnique redox qui, absorbant dans l'infrarouge, est le siège d'une réaction d'oxydoréduction dégageant l'énergie thermique nécessaire pour l'amorçage de l'explosif secondaire. Cependant, en général, la composition pyrotechnique utilisée (composition ZPP) est très sensible à la friction et aux décharges électrostatiques.

[0006] De même, dans le domaine des inflammateurs optiques, afin d'avoir une fiabilité dans l'amorçage de la composition pyrotechnique redox quand la source laser utilisée est une diode laser (notamment de 1 W), il est nécessaire d'utiliser des compositions pyrotechniques dont l'agent réducteur présente une très fine granulométrie (typiquement entre 1 et 2 µm). Cependant cette granulométrie confère à la composition pyrotechnique redox une extrême sensibilité à la friction et aux décharges électrostatiques, ce qui rend sa fabrication et sa manipulation dangereuses.

[0007] La présente invention vise à permettre l'amorçage d'un initiateur optique (détonateur ou inflammateur) par une source laser de faible puissance, sans avoir les inconvénients précités des initiateurs de l'art antérieur.

[0008] Selon l'invention, l'initiateur comprend une composition énergétique formée d'un mélange comprenant au moins un explosif secondaire et un métal se présentant sous forme de poudre, ce métal agissant comme dopant optique.

[0009] Une telle composition permet d'avoir un amorçage de la composition principale de l'initiateur (explosif secondaire dans le cas d'un détonateur, composition pyrotechnique dans le cas d'un inflammateur) même avec une source laser de faible puissance, par exemple avec une diode laser d'une puissance de 1 W, et ceci en réduisant les risques liés à la manipulation de la composition principale.

[0010] D'autres avantages et particularités de la présente invention apparaîtront dans les modes de réalisation donnés à titre d'exemples non limitatifs et illustrés par les dessins mis en annexe.

La figure 1 est une vue en coupe d'un détonateur optique dont la cavité du premier étage comprend une composition énergétique conforme à la présente invention qui forme la composition principale du détonateur,

La figure 2 est une vue en coupe d'un détonateur optique dont la cavité du premier étage comprend une composition énergétique conforme à la présente invention et une composition principale formée par un explosif secondaire, et

La figure 3 est une vue en coupe d'un inflammateur optique dont la cavité comprend une composition énergétique conforme à la présente invention et une composition principale formée par une composition pyrotechnique.

[0011] La composition énergétique 1 conformé a la présente invention est formée d'un mélange comprenant au moins un explosif secondaire et un métal qui se présente sous forme de poudre et agissant comme un dopant optique.

[0012] Comme on peut le voir aux figures 1 à 3, en utilisation, la composition énergétique 1 est disposées dans une cavité d'un initiateur optique 2,3 et elle est en contact avec une interface optique de focalisation 4 qui obture cette cavité et qui permet de transmettre à la composition énergétique 1 le rayonnement infrarouge émis par une source de rayonnement laser et transmis de la source à l'interface optique de focalisation 4 par une fibre optique 5 qui est raccordée par une première extrémité à la source de rayonnement laser, et par sa deuxième extrémité à l'interface optique de focalisation 4.

[0013] Le métal utilisé possède la propriété d'absorber la lumière infrarouge émise par la source laser et, du fait qu'il soit intimement mélangé de façon homogène avec l'explosif secondaire, il transmet à ce dernier, par conduction thermique, la chaleur qu'il a accumulé, ce qui permet ainsi l'amorçage de la réaction de l'explosif secondaire.

[0014] De préférence, afin d'avoir un chauffage efficace de l'explosif secondaire par le métal, ce dernier a une diffusivité thermique au moins égale à 10^-5 m².s^-1, et de préférence au moins égale à 5.10^-5 m².s^-1, voire au moins égale à 9.10^-5 m².s^-1, la diffusivité thermique étant définie par le rapport de la conductivité thermique sur le produit de la capacité calorifique par la masse volumique du métal considéré. Ainsi, le métal utilisé peut être de l'aluminium (9,8.10^-5 m².s^-1), un alliage d'aluminium (Al2024 « dural » avec une diffusivité de 4,5.10^-5 m².s^-1), du tungstène (6,8.10^-5 m².s^-1), du cuivre (11,7.10^-5 m².s^-1), du magnésium ou un alliage de magnésium (11,7.10^-5 m².s^-1), voire du nickel, du zirconium ou du titane. L'aluminium est préféré vu la valeur de sa diffusivité thermique et son faible coût.

[0015] Le métal étant utilisé pour ses propriétés physiques d'absorption de la lumière infrarouge et de transfert thermique, et non pour ses propriétés chimiques (comme dans les explosifs aluminisés), une faible quantité suffit. Il représente ainsi au plus 10% massique de la composition énergétique 1, de préférence au plus 5% massique, voire de l'ordre de 1 % massique. Plus la teneur en métal est importante plus le temps d'initiation de la composition énergétique 1 est court, cependant, au-delà de 5% massique, pour les applications où un temps d'initiation très court n'est pas nécessaire, la composition énergétique 1 devient inutilement sensible aux épreuves standard de sécurité (impact, friction, décharges électrostatiques).

[0016] L'explosif secondaire utilisé dans la composition énergétique 1 peut être, par exemple, de l'octogène, de l'hexogène ou de l'hexanitrostilbène. Cette composition énergétique 1 peut comprendre plusieurs explosifs secondaires, par exemple de l'octogène avec de l'hexanitrostilbène, ce dernier ayant la propriété d'avoir une sensibilité à la friction relativement faible.

[0017] Il est par ailleurs préférable d'avoir une grande surface spécifique de contact entre l'explosif secondaire et le métal afin d'avoir de grandes vitesses de montée en température de l'explosif secondaire, et donc d'avoir un temps de réaction de l'initiateur optique 2,3 court et reproductible. Ainsi, l'explosif secondaire est de préférence une poudre dont la granulométrie est inférieure à 6 µm (de préférence inférieure à 3 µm). De même, le métal est finement divisé et sa granulométrie moyenne est inférieure à 6 µm, et de préférence inférieure à 2 µm, voire à 1 µm, ce qui correspond à la longueur d'onde de la lumière laser émise.

[0018] Egalement afin de réduire le temps de fonctionnement de l'initiateur 2,3 (ainsi que de réduire le seuil nécessaire de la densité de puissance délivrée par la source laser pour initier la décomposition de la composition énergétique 1), la composition énergétique 1 conforme à la présente invention est comprimée dans la cavité à une densité de chargement élevée, de préférence supérieure à 80% de la densité maximum théorique associée à la composition 1.

[0019] Afin de faciliter l'opération de mélange de la composition énergétique 1, il est préférable qu'elle soit réalisée mécaniquement par voie humide en ajoutant un agent dispersant qui permet d'éviter la création d'agglomérats (par exemple de l'isopropanol) et qui sera éliminé ensuite par séchage.

[0020] Il est également possible que la composition énergétique 1 comprenne un liant polymérique inerte ou de la cire (représentant, de préférence, au plus 5% massique de la composition) afin de réduire sa sensibilité lors des épreuves standard de sécurité aux agressions mécaniques. Il est également possible d'ajouter du graphite pour bénéficier de ses propriétés lubrifiantes et aussi accroître la sécurité de mise en oeuvre de la composition énergétique 1. En outre, le mélange de l'explosif secondaire avec le métal doit être particulièrement homogène afin d'assurer la fiabilité d'amorçage et de rendre reproductible le temps de réaction de l'initiateur optique 2,3. Ceci est d'autant plus vrai que la région efficace de la cavité dans laquelle peut se produire l'absorption du rayonnement par le métal est très limitée : le diamètre de la tache laser en sortie de l'interface optique de focalisation 4 est voisin du diamètre de la fibre optique 5 (le diamètre peut être réduit à 50 µm) et l'épaisseur d'absorption est du même ordre de grandeur.

[0021] Les figures 1 et 2 illustrent l'emploi d'une telle composition énergétique 1 dans un détonateur optique 2. De façon classique un détonateur optique 2 est à deux étages : la source laser initie par chauffage une composition énergétique principale (une composition comprenant essentiellement un explosif secondaire ou un mélange d'explosifs secondaires) disposée dans la cavité 10 du premier étage dont la réaction de dégradation très vive qui s'en suit permet d'initier la détonation d'un explosif secondaire 6 disposé dans la cavité 11 du second étage, soit par un processus de transition déflagration ― détonation, soit par un processus de transition choc ― détonation (selon la configuration du détonateur 2 et les caractéristiques des explosifs secondaires utilisés dans les premier et second étages).

[0022] La figure 1 illustre un détonateur 2 dans lequel la composition énergétique principale est formée par la composition énergétique 1 conforme à la présente invention.

[0023] Des essais ont été réalisés en utilisant comme source laser une diode 1 W reliée à l'interface optique 4 par une fibre optique 5 de diamètre de 62,5 µm afin de valider la composition 1 conforme à la présente invention pour les applications spatiales où le critère décisif est le niveau du seuil d'allumage (vu l'importance de l'économie d'énergie dans ce domaine). Dans ces essais, la composition 1 a été chargée dans la cavité du premier étage à une densité voisine de 1,7 g.cm^-3, et le détonateur 2 a subi un cycle thermique de 5 heures à 100°C suivi d'un refroidissement à température ambiante. Dans un premier détonateur, la composition 1 comportait de l'octogène ayant une granulométrie moyenne de 2,5 µm et 1 % massique d'aluminium ayant une granulométrie moyenne de 5 µm ; et dans un second détonateur, la composition 1 comportait de l'octogène ayant une granulométrie moyenne de 2,5 µm et 1% massique d'aluminium ayant une granulométrie moyenne de 160 nm. Pour les deux essais, le seuil d'allumage a été de 110 mW. Ces essais démontrent l'efficacité de l'aluminium finement divisé comme dopant optique, même dans des faibles proportions massiques. Ce seuil d'allumage très faible permet d'avoir une importante marge de fonctionnement pour un allumage fiable, la diode pouvant délivrer 1 W.

[0024] Des essais ont également été réalisés en utilisant une source laser solide Nd-YAG compacte capable de délivrer une densité de puissance de 3 MW.cm^-2 (100 fois supérieure à la diode laser 1 W) afin de valider la composition 1 conforme à la présente invention pour les domaines militaires où le critère décisif est le temps de réponse du détonateur et sa reproductibilité (afin de permettre un amorçage séquencé de plusieurs têtes militaires). La source laser utilisée dans de telles applications peut être un laser solide délivrant suffisamment d'énergie pour que le seuil d'allumage ne pose pas de problème. Pour ces essais la composition 1 a été chargée dans la cavité du premier étage à une densité voisine de 1,7 g.cm^-3, et le détonateur a subi un cycle thermique de 5 heures à 100°C suivi d'un refroidissement à température ambiante. Dans un premier détonateur, la composition 1 comportait de l'octogène ayant une granulométrie moyenne de 2,5 µm et 1% massique d'aluminium ayant une granulométrie moyenne de 5 µm ; et dans un second détonateur, la composition comportait de l'octogène ayant une granulométrie moyenne de 2,5 µm et 1% massique d'aluminium ayant une granulométrie moyenne de 160 nm. Pour le premier essai, la dispersion du temps de réponse est d'environ 10 µs (à comparer avec les 30 µs pour une composition énergétique comportant un explosif secondaire mélangé à du noir de carbone), et pour le second essai, la dispersion est inférieure à 2 µs, le temps de fonctionnement du détonateur étant de 41 µs. Ainsi, pour satisfaire aux exigences de reproductibilité du temps de fonctionnement, il est nécessaire que l'aluminium ait une granulométrie inférieure (ou très légèrement supérieure) à 1 µm.

[0025] La figure 2 illustre un détonateur 2 dans lequel la composition énergétique 1 conforme à la présente invention est disposée sous la forme d'une fine couche entre l'interface optique de focalisation 4 et une composition énergétique principale 7 (une composition comprenant essentiellement un explosif secondaire - octogène, hexogène, hexanitrostilbène... - ou un mélange d'explosifs secondaires, sans dopant optique) qui est disposée dans la même cavité 10 que la composition énergétique 1 conforme à la présente invention, l'énergie libérée par la dégradation de la composition énergétique 1 conforme à la présente invention permettant d'initier la composition énergétique principale 7.

[0026] Les bons résultats donnés par ce mode de réalisation particulier sont une conséquence de la faible épaisseur de la région efficace de la cavité. Cela permet d'économiser le coût présenté par la mise en oeuvre da la composition énergétique 1 conforme à la présente invention. Cela permet également d'utiliser comme explosif secondaire dans la composition énergétique principale 7 un explosif très insensible à l'allumage laser et de haute sécurité, comme par exemple l'hexanitrostilbène ou d'autres explosifs secondaires à très haute température de décomposition.

[0027] La figure 3 illustre l'emploi d'une composition énergétique 1 conforme à la présente invention dans un inflammateur optique 3. De façon classique un inflammateur optique 3 est à un étage : la source laser initie par chauffage une composition énergétique principale (une composition comprenant essentiellement une composition pyrotechnique redox) disposée dans la cavité 12 de l'inflammateur 3 dont la réaction de combustion libère de la chaleur sous forme de rayonnement, de particules solides chaudes et d'un peu de gaz chaud, ce qui permet la combustion d'une composition externe (une poudre propulsive chargée à l'intérieur du corps d'un pyromécanisme tel qu'un actionneur, un vérin..., ou un bloc de propergol solide chargé à l'intérieur de la coque d'un moteur fusée).

[0028] La figure 3 illustre un inflammateur 3 dans lequel la composition énergétique 1 conforme à la présente invention est disposée sous la forme d'une fine couche entre l'interface optique de focalisation 4 et une composition énergétique principale 8 (une composition comprenant essentiellement une composition pyrotechnique) qui est disposée dans la même cavité 12 que la composition énergétique 1 conforme à la présente invention, l'énergie libérée par la dégradation de la composition énergétique 1 conforme à la présente invention permettant d'initier la composition énergétique principale 8.

[0029] La composition pyrotechnique 8 (un mélange d'un agent réducteur finement divisé avec un oxydant minéral) peut être, par exemple, la composition ZPP (essentiellement un mélange de zirconium et de perchlorate de potassium) ou la composition BNP (essentiellement un mélange de bore et de nitrate de potassium).

[0030] Du fait que la composition énergétique 1 conforme à la présente invention présente une très faible sensibilité à la friction et aux décharges électrostatiques, il est possible d'utiliser des compositions pyrotechniques 8 de sécurité, c'est à dire ayant des sensibilités à la friction et aux décharges électrostatiques réduites. Une telle composition pyrotechnique principale 8 peut être, par exemple, la BNP ou encore une ZPP optimisée pour être de sécurité (zirconium de granulométrie plus importante).

Revendications

1. Composition énergétique (1) formée d'un mélange comprenant au moins un explosif secondaire et un dopant optique se présentant sous forme de poudre, caractérisé en ce que le dopant optique est un métal.

2. Composition énergétique (1) selon la revendication 1, caractérisée en ce que le métal a une diffusivité thermique au moins égale à 10^-5 m²s^-1, et de préférence au moins égale à 5.10^-5 m²s^-1, voire au moins égale à 9.10^-5 m²s^-1.

3. Composition énergétique (1) selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le métal est de l'aluminium ou un alliage d'aluminium, ou du tungstène, ou du cuivre, ou du magnésium, ou un alliage de magnésium.

4. Composition énergétique (1) selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le métal a une granulométrie moyenne inférieure à 6 µm, et de préférence inférieure à 2 µm, voire à 1 µm.

5. Composition énergétique (1) selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le métal représente au plus 10% massique de la composition, de préférence au plus 5% massique, voire de l'ordre de 1% massique.

6. Composition énergétique (1) selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que l'explosif secondaire est de l'octogène ou de l'hexogène ou de l'hexanitrostilbène.

7. Composition énergétique (1) selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que le mélange comprend au moins deux explosifs secondaires dont l'hexanitrostilbène.

8. Composition énergétique (1) selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que l'explosif secondaire est une poudre dont la granulométrie est inférieure à 3 µm.

9. Initiateur optique (2,3) comprenant une fibre optique (5) qui est raccordée par une première extrémité à une source de rayonnement laser et par une deuxième extrémité à une interface optique de focalisation (4) obturant une cavité dans la quelle est disposée une composition énergétique qui est en contact avec l'interface (4), caractérisé en ce que la composition énergétique en contact avec l'interface (4) est conforme à l'une des revendications 1 à 8.

10. Initiateur optique (2,3) selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il est formé par un détonateur optique (2), la composition énergétique (1) conforme à l'une des revendications 1 à 8 étant la composition énergétique principale du premier étage du détonateur (2).

11. Initiateur optique (2,3) selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il est formé par un détonateur optique (2), la composition énergétique (1) conforme à l'une des revendications 1 à 8 étant disposée entre l'interface optique de focalisation (4) et une composition énergétique principale (7) comprenant essentiellement un explosif secondaire disposée dans la même cavité que la composition énergétique (1) conforme à l'une des revendications 1 à 8.

12. Initiateur optique (2,3) selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il est formé par un inflammateur optique (3), la composition énergétique (1) conforme à l'une des revendications 1 à 8 étant disposée entre l'interface optique de focalisation (4) et une composition énergétique principale (8) comprenant essentiellement une composition pyrotechnique disposée dans la même cavité que la composition énergétique (1) conforme à l'une des revendications 1 à 8.

13. Initiateur optique (2,3) selon l'une des revendications 9 à 12, caractérisée en ce que la composition énergétique (1) conforme à l'une des revendications 1 à 8 est comprimée à une densité de chargement supérieure à 80% de sa densité maximum théorique.

Dessins