EP1306643B1

EP1306643B1 - Détonateur optique basse énergie

Info

Publication number: EP1306643B1
Application number: EP02292357A
Authority: EP
Inventors: Henry Moulard; Augustre Ritter; Jean-Marie Brodbeck
Original assignee: Institut Franco Allemand de Recherches de Saint Louis ISL
Current assignee: Institut Franco Allemand de Recherches de Saint Louis ISL
Priority date: 2001-10-26
Filing date: 2002-09-25
Publication date: 2010-03-03
Anticipated expiration: 2022-09-25
Also published as: EP1306643A1; DE60235518D1; FR2831659B1; US7051655B1; DE02292357T1; FR2831659A1; US20060096484A1

Description

La présente invention concerne les détonateurs optiques basse énergie dans lesquels l'amorçage est réalisé par une source laser qui peut être, par exemple une diode laser.
Un détonateur est un dispositif conçu pour amorcer en détonation un chargement externe d'explosif secondaire situé en aval ; pour cela, tout détonateur contient une petite quantité d'explosif secondaire (100 mg à 1 g) qui doit être amenée en détonation (au moins) dans sa partie terminale à partir de l'énergie fournie à l'entrée du détonateur par une source externe.
De façon connu, ( US 3 724 383 ou EP 1 067 357 ) le détonateur optique est du type comprenant un explosif secondaire disposé dans une cavité, une fibre optique raccordée par une première extrémité à une source de rayonnement laser, et une interface optique de focalisation située entre l'autre extrémité de la fibre optique et l'explosif secondaire et adaptée à transmettre le rayonnement laser vers l'explosif secondaire.
De façon tout à fait classique dans le domaine des explosifs, on appelle explosifs secondaires des explosifs relativement insensibles, par opposition aux explosifs primaires, par exemple l'azoture de plomb, qui sont très sensibles et donc dangereux.
Dans les détonateurs optiques basse énergie (moins de 10 mJ) et basse puissance (quelques watts), on utilise l'énergie lumineuse du rayonnement laser issue d'une source laser solide en mode relaxé ou d'une diode laser quasi continu (d'encombrement limité de 1 cm³) via une fibre optique pour allumer en déflagration l'explosif secondaire chargé à l'interface optique.
Ce chauffage par absorption du rayonnement laser à travers l'interface optique présente une sécurité reconnue d'emploi des détonateurs optiques par rapport aux détonateurs électriques dans lesquels la substance explosive près de l'interface d'entrée est en contact intime et permanent avec un fil conducteur électrique résistif s'échauffant lors du passage en son sein d'un courant électrique et transmettant sa chaleur par conduction thermique à la substance explosive qui l'enrobe mais pouvant être activé accidentellement par des décharges électrostatiques inopinées ou par des courants induits dus à des radiations électromagnétiques parasites.
Malgré cet avantage indéniable des détonateurs optiques, leur utilisation pose quelques problèmes du fait que les explosifs secondaires utilisés n'absorbent pas la lumière émise dans le proche infrarouge, que ce soit des laser à solide ou des diodes lasers.
Aussi, afin de palier à ce problème, l'état de la technique enseigne de doper optiquement l'explosif secondaire, c'est à dire de mélanger à cet explosif secondaire (d'une granulométrie proche de 3 µm) entre 1 et 3% massique de noir de carbone ultra fin (d'une granulométrie comprise entre 50 et 200 nm) qui absorbe la lumière laser.
Ainsi, grâce à ce dopage optique, et en focalisant la lumière laser en une tache d'un diamètre compris entre 50 et 100 µm, on abaisse le seuil d'énergie laser d'allumage, ce qui permet d'assurer un allumage thermique de la composition explosive même avec des diodes laser qui délivrent une puissance nominale d'un watt pendant 10 millisecondes.
Toutefois, au cours d'essais de fonctionnement qui servent à valider l'utilisation des détonateurs dans des environnements opérationnels sévères (utilisation sur des avions, des missiles, des véhicules spatiaux...) et qui sont réalisés soit après des chocs thermiques intenses (essai à température ambiante après soumission pendant 5 heures à des températures supérieures à 100 °C), soit après des cycles thermiques (de -160 °C à 100 °C), il s'est avéré que l'allumage laser de la composition explosive optiquement dopée avec du noir de carbone n'était pas suffisamment fiable.
Ce manque de fiabilité concerne tout spécialement les nitramines (octogène et hexogène) qui sont les explosifs secondaires les plus usuels pour ces applications.
En fait, le coefficient de dilatation thermique des cristaux d'explosif secondaire organique est beaucoup plus élevé (entre 3 et 7 fois) que ceux des matériaux utilisés pour la construction du détonateur (la silice de l'interface optique, l'acier inoxydable ou l'inconel du corps de chargement). Aussi, lors de la libération des contraintes issues des chocs thermiques, des fissures apparaissent dans la composition explosive comprimée au voisinage de l'interface optique et la distribution du noir de carbone dans la composition explosive n'est plus homogène. En conséquence, l'explosif secondaire n'est plus suffisamment enrobé par le noir de carbone, ce qui accroît subitement le seuil énergétique d'allumage et diminue l'efficacité du dopage optique.
Le problème posé est de réaliser un détonateur optique basse énergie dont l'efficacité du dispositif d'allumage soit fiable et élevée, notamment quand un tel détonateur est destiné à être utilisé dans des environnements sévères. Comme solution, l'invention propose un détonateur selon la revendication 1.
Suivant l'invention, une couche de poudre d'allumage formée par une composition pyrotechnique est disposée dans la cavité du détonateur optique du type précité, entre l'explosif secondaire et l'interface optique de focalisation.
Dans l'art antérieur relatif aux poudres d'allumage qui sont essentiellement un mélange d'un corps chimique oxydant et d'un corps chimique réducteur (composition pyrotechnique), on constate que celles-ci sont utilisées pour allumer la combustion des poudres propulsives qui sont notamment utilisées pour accélérer un projectile.
En effet, les poudres propulsives sont généralement utilisées en grande quantité - un canon de 120 mm utilise environ 8 kg de poudre propulsive dans une chambre de 10 litres - et l'allumage de la combustion d'un si grand volume est difficile et rend nécessaire l'utilisation d'un inflammateur contenant une poudre d'allumage.
Les inflammateurs utilisés pour allumer les poudres propulsives sont des inflammateurs électriques dans lesquels la poudre d'allumage est allumée par conduction thermique de la chaleur dégagée par les fils électriques, le démarrage de la réaction chimique entre le corps oxydant et le corps réducteur étant obtenu lorsqu'une très petite quantité de la poudre d'allumage a atteint la température critique de démarrage de cette réaction (typiquement 400°C).
Il est tout à fait surprenant d'utiliser une poudre d'allumage formée par une composition pyrotechnique pour allumer un détonateur, le domaine technique des détonateurs étant totalement différent de celui des inflammateurs utilisés pour l'allumage de la poudre propulsive des canons ou du propergol des propulseurs.
Dans les canons et les propulseurs on cherche à obtenir, avec les inflammateurs ou allumeurs, une combustion contrôlée d'une poudre propulsive générant une pression assez faible (5 000 bar maximum dans un canon), la vitesse de ces fronts de combustion étant au mieux de quelques m.s^-1. Dans les détonateurs, on cherche à obtenir une détonation, c'est à dire une combustion extrêmement rapide générant une très forte pression (entre 300 000 et 400 000 bar), la vitesse de l'onde de détonation se propageant à des vitesses comprises entre 7 000 et 9 000 m.s^-1.
De plus, la combustion des poudres d'allumage utilisées dans les inflammateurs électriques est générée par la forte température dégagée par les fils résistifs. Au contraire, dans la présente invention, les poudres d'allumage sont allumées par l'absorption photonique d'une énergie lumineuse.
En utilisant un détonateur optique comprenant une poudre d'allumage conformément à la présente invention, on augmente de façon très importante leur fiabilité par rapport à ceux utilisant des dopants optiques, surtout en ce qui concerne ceux destinés à être utilisés dans des conditions d'environnement sévères.
De plus, le temps de déclenchement des détonateurs selon la présente invention est réduit d'un facteur 5, voire 10, par rapport aux détonateurs optiquement dopés.
D'autres particularités et avantages de la présente invention résulteront de la description qui va suivre.
Aux dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs :

la figure 1 est une vue en coupe longitudinale du premier étage d'un détonateur optique selon la présente invention;
la figure 2 est une vue en coupe longitudinale d'un détonateur optique selon la présente invention, la transition dans le deuxième étage étant du type choc-détonation; et
la figure 3 est une vue en coupe longitudinale d'un détonateur optique selon la présente invention, la transition dans le deuxième étage étant du type déflagration-détonation.

Comme on peut le voir aux figures annexées, le détonateur optique 1 comporte un embout 2, un premier étage 3 et un deuxième étage 4.
L'embout 2 sert de support à une fibre optique 5 dont une première extrémité est reliée à une source laser, et dont la deuxième extrémité 6 est libre.
Le premier étage 3 comporte un logement 7 à l'intérieur duquel est confiné un explosif secondaire déflagrant 8. Ce confinement est réalisé par les parois de la structure 9 du premier étage 3, un dispositif 10 permettant de déclencher la transition vers la détonation dans le deuxième étage 4 à une première extrémité, et une interface optique de focalisation 11 à l'autre extrémité.
Une fois l'embout 2 solidarisé au premier étage 3 du détonateur 1, la deuxième extrémité 6 de la fibre optique 5 se trouve à proximité immédiate de l'interface optique de focalisation 11, cette interface 11 servant de séparation entre le logement 7 et la fibre optique 5.
Le deuxième étage 4 comporte un logement 12 à l'intérieur duquel est confiné un explosif secondaire détonant 13. Ce confinement est réalisé par les parois de la structure 14 du deuxième étage 4, le dispositif 10 permettant le déclenchement de la transition vers la détonation dans le deuxième étage 4 et une plaque 15 propulsée lors de la détonation du deuxième étage 4.
Selon l'invention, une poudre d'allumage 16 formée par une composition pyrotechnique est disposée dans le logement 7 du premier étage 3, entre l'explosif secondaire déflagrant 8 et l'interface optique de focalisation 11.
Le fonctionnement d'un détonateur 1 selon la figure 3 est le suivant :
Dans un premier temps, la source laser est activée.
La lumière infrarouge laser est transportée par la fibre optique 5 et est focalisée sur la poudre d'allumage 16 par l'interface optique de focalisation 11 comprenant une bille en verre 11b associée à une plaquette en verre 11c.
Dans un deuxième temps, la poudre d'allumage 16 située dans le premier étage 3 est allumée par absorption de la lumière infrarouge laser et subit, en conséquence, une combustion.
L'un des constituants de la composition pyrotechnique formant la poudre d'allumage 16, soit l'oxydant, soit le réducteur (le cas le plus fréquent), est absorbant de l'énergie lumineuse fournie par un rayonnement dans le proche infrarouge. Les métaux réducteurs sous forme micronisés présentent cette propriété d'absorption optique.
Le seuil d'allumage laser de la poudre d'allumage 16 formée par une composition pyrotechnique dépend de sa densité de chargement, de la stoechiométrie et de la granulométrie de ses constituants.
La pression de compaction de la poudre d'allumage 16 sera choisie avantageusement égale à celle de l'explosif secondaire déflagrant 8, la densité de chargement de cet explosif secondaire déflagrant 8 étant supérieure à 80% de sa densité maximum théorique.
L'utilisation d'une composition pyrotechnique dans des conditions proches de la stoechiométrie permet d'abaisser le seuil d'énergie d'allumage de la poudre d'allumage 16. Toutefois, pour des raisons de sécurité lors de la manipulation de cette poudre d'allumage 16, il est préférable d'avoir un mélange à 15% des conditions stoechiométriques.
De même, l'utilisation d'une poudre d'allumage 16 dont la granulométrie est faible permet d'abaisser son seuil d'allumage laser. La focalisation efficace de la tache laser par l'interface optique 11 nécessaire pour diminuer le seuil d'énergie d'allumage laser, réduit la tâche laser à un diamètre de 50 à 100 µm, de sorte que les métaux réducteurs utilisés sont sous forme micronisés (d'une granulométrie inférieure à 10µm) pour augmenter l'absorption dans le proche infrarouge. Les oxydant minéraux auront de préférence une granulométrie voisine.
De façon générale, le réglage de ces paramètres dépend d'un compromis entre la sécurité d'emploi des substances explosives et la performance de fonctionnement.
Dans un troisième temps, l'explosif secondaire déflagrant 8 situé dans le premier étage 3 est allumé par la combustion de la poudre d'allumage 16 formée par une composition pyrotechnique avec laquelle il est en contact.
La réaction chimique de combustion de la composition pyrotechnique 16 (réaction d'oxydoréduction) est exothermique et libère une grande chaleur de réaction permettant de démarrer de façon fiable et immédiate la déflagration de l'explosif secondaire 8 au contact de cette couche de poudre d'allumage 16.
On notera que si cette poudre d'allumage 16 libère beaucoup de chaleur favorable à l'allumage de l'explosif en déflagration 8, par contre elle toute seule libère trop peu de gaz pour remplacer les explosifs secondaires, ce qui limite son emploi à l'allumage de ces derniers.
Dans un quatrième temps, l'explosif secondaire détonant 13 situé dans le deuxième étage 4 est amorcé en détonation par la transmission de l'énergie dégagée par l'explosif secondaire déflagrant 8.
La transition vers le régime de détonation est déclenchée par la déflagration de l'explosif secondaire déflagrant 8: la déflagration provoque le compactage dynamique du chargement en explosif secondaire détonant 13. La grande porosité de l'explosif 13 (la compacité est proche de 50%, l'explosif ayant une grosse granulométrie et étant chargé avec une faible densité) et l'utilisation du disque 10a (qui se découpe en paillet et agit comme un piston écrasant la colonne d'explosif secondaire détonant 13 poreux) favorisant la transition déflagration - détonation sur une distance réduite.
Dans un cinquième temps, la plaque 15 est propulsée par la détonation de l'explosif secondaire détonant 13, ce qui amorce en détonation le chargement externe d'explosif secondaire.
Le fonctionnement du détonateur 1 selon la figure 2, diffère de celui illustré à la figure 3 uniquement par l'amorçage de l'explosif secondaire détonant 13 (quatrième temps).
Dans le détonateur 1 représenté à la figure 2, la transition vers le régime de détonation est déclenchée par l'onde de choc qui est créée lors de l'impact du disque projectile 10b propulsé dans la cavité 10c par la déflagration de l'explosif secondaire déflagrant 8, cette onde étant focalisée sur la surface nue de l'explosif secondaire détonant 13 par la configuration de cette cavité 10c.
De préférence, dans le cas de cette transition choc-détonation (décrite dans la demande FR 2 796 172 ), l'explosif secondaire détonant 13 a une fine granulométrie et est chargé avec une densité plus élevé que celle des explosifs secondaires détonants 13 utilisé dans les détonateurs à transition déflagration-détonation.
Bien évidemment, il est possible d'utiliser, comme interface optique de focalisation 11, un barreau de verre à gradient d'indice 11a (comme illustré à la figure 1) au lieu de la bille en verre 11b associée à la plaquette en verre 11c (comme illustré aux figures 2 et 3).
Dans l'art antérieur, le noir de carbone servant à capter l'énergie lumineuse et à transmettre l'énergie par conduction thermique nécessitait d'être mélangé de façon homogène avec l'explosif secondaire déflagrant 8.
De plus, comme le noir de carbone, ou tout autre dopant optique, est chimiquement inerte et ne participe aucunement à une réaction chimique exothermique, il est nécessaire de l'utiliser en très faible quantité pour ne pas diminuer l'énergie chimique totale contenue dans le mélange de l'explosif secondaire.
Un premier avantage des poudres d'allumage 16 formées par des compositions pyrotechniques est qu'elles absorbent facilement la lumière laser. La poudre d'allumage 16 n'a pas à être mélangée avec une quelconque matière optiquement dopante, elle est allumée par sa propre absorption d'énergie lumineuse.
Un deuxième avantage des poudres d'allumage 16 formées par des compositions pyrotechniques est qu'elles sont chimiquement réactives. La poudre d'allumage 16 subit une combustion (réaction chimique exothermique) dont la flamme amorce la combustion de l'explosif secondaire déflagrant 8. La poudre d'allumage 16 n'a pas à être mélangée avec l'explosif secondaire 8, un contact entre la composition pyrotechnique 16 et l'explosif secondaire déflagrant 8 étant suffisant.
Comme il n'est pas nécessaire, lors de la préparation du détonateur 1, de réaliser un quelconque mélange homogène (ce qui est assez délicat) avec la poudre d'allumage 16 (ni avec du noir de carbone, ni avec un explosif secondaire), la préparation du détonateur 1 s'en trouve énormément facilitée.
Une autre conséquence particulièrement intéressante de la composition chimique des poudres d'allumage 16 formées par des compositions pyrotechniques est qu'il est possible d'avoir par unité de volume un pourcentage beaucoup plus élevé de matière absorbante (le pourcentage de noir de carbone étant de l'ordre de 1%), augmentant de façon considérable l'allumage de l'explosif secondaire déflagrant 8.
La poudre d'allumage 16 ne sert qu'à allumer la déflagration de l'explosif secondaire déflagrant 8 qui reste le matériau énergétique majoritaire du premier étage 3. Il ne suffit que d'une fine couche de poudre d'allumage 16 dont l'épaisseur est entre 4 et 10 fois moins importante que celle de l'explosif secondaire déflagrant 8. Par exemple, une épaisseur comprise entre 0,5 et 1 mm de poudre d'allumage adjacente à une couche de 4 mm d'explosif secondaire déflagrant 8 (par exemple d'octogène) suffit pour réaliser une déflagration permettant l'amorçage de l'explosif secondaire détonant 13.
Un troisième avantage des poudres d'allumage 16 formées par des compositions pyrotechniques est qu'elles permettent de réduire le temps de déclenchement du détonateur d'un facteur 5 voire 10.
Le temps mis pour l'allumage de la composition pyrotechnique 16 par absorption du rayonnement laser, pour la réaction chimique d'oxydoréduction de cette poudre d'allumage 16, et pour la transmission de la chaleur de cette réaction exothermique à l'explosif secondaire 8 permettant sa déflagration est plus court que celui mis pour l'absorption du rayonnement laser par le noir de carbone et pour la transmission par conduction thermique de l'énergie à l'explosif secondaire permettant sa déflagration.
En effet, la réaction chimique exothermique de combustion de la poudre d'allumage 16 libère une plus grande chaleur de réaction (+100%) que la réaction de décomposition de l'explosif secondaire dopé optiquement par le noir de carbone, de sorte que cette chaleur de réaction plus importante permet de démarrer de façon rapide et immédiate la déflagration de l'explosif secondaire 8 au contact de cette poudre d'allumage 16.
Un quatrième avantage des poudres d'allumage 16 formées par des compositions pyrotechniques est qu'elles sont physiquement stables.
La poudre d'allumage 16 est beaucoup plus stable physiquement quand elle est soumise aux essais de tenue aux chocs et cycles thermiques et reste par conséquent intègre au contact de l'interface optique 11. En fait, la poudre d'allumage 16 possède un coefficient de dilatation thermique plus faible que l'explosif secondaire organique. Par exemple, le zirconium qui est un des métaux réducteurs pouvant être utilisés dans ces poudres, est dix fois moins dilatable que l'octogène.
Avantageusement, la poudre d'allumage 16 formée par une composition pyrotechnique est une poudre rédox composée d'un mélange de métal réducteur et d'oxydants minéraux. En effet, ces poudres 16 absorbent facilement la lumière laser infrarouge et ont une température de flamme particulièrement élevée.
Les métaux réducteurs sont, par exemple, le zirconium, les alliages de zirconium-nickel, le titane, les hydrures de titane, l'aluminium, ou le magnésium.
Les oxydants minéraux utilisés sont, par exemple, le perchlorate de potassium, le perchlorate d'ammonium, le nitrate d'ammonium, le bichromate d'ammonium, le chromate de baryum, ou les oxydes de fer.
Ainsi, on peut utiliser comme composition pyrotechnique agissant comme poudre d'allumage 16 :

les thermites comprenant de l'aluminium et de l'oxyde de fer,
les poudre de type ZPP, c'est à dire contenant pour l'essentiel du zirconium et du perchlorate de potassium, par exemple, un mélange comprenant 52% de zirconium, 42% de perchlorate de potassium, 5% de viton et 1% de graphite (pourcentage massique),

Il est possible d'utiliser d'autres poudres rédox, comme, par exemple :

une poudre contenant pour l'essentiel du zirconium et du chromate de baryum, par exemple, un mélange comprenant 45% de zirconium, 34% de chromate de baryum, 7% bichromate d'ammonium et 14% de perchlorate d'ammonium (pourcentage massique),
une poudre contenant pour l'essentiel du titane et du perchlorate de potassium, par exemple, un mélange comprenant 40% de titane et 60% de perchlorate de potassium (pourcentage massique) ou un mélange comprenant 40% d'hydrure de titane TiH_x et 60% de perchlorate de potassium (pourcentage massique), x étant égal à 0,2 ; 0,65 ou 1,65.

Bien entendu l'invention n'est pas limitée aux poudres d'allumage décrites ci-dessus. D'autres poudres absorbant la lumière laser et générant des réactions exothermiques peuvent convenir.

Claims

Détonateur optique (1) comprenant une source laser, une fibre optique (5) raccordée par une première extrémité à la source laser, un premier étage (3) comportant une cavité (7) à une extrémité de laquelle est disposée une interface optique (11) servant de séparation entre la cavité (7) et la fibre optique (5), la cavité (7) renfermant, d'une part, un explosif secondaire (8), et, d'autre part, une couche d'une poudre d'allumage (16) qui est formée par une composition pyrotechnique et qui est disposée entre l'interface optique (11) et l'explosif secondaire (8), caractérisé en ce que la source laser est formée par une diode laser, en ce que l'interface optique (11) est une interface optique de focalisation (11) adaptée à réduire la tâche laser à un diamètre de 50 à 100 µm, et en ce que la composition pyrotechnique (16) est stoechiométrique à 15% près et comprend un métal réducteur pulvérulent dont la granulométrie est inférieure à 10 µm.
Détonateur optique (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'épaisseur de la couche de poudre d'allumage (16) est entre 4 et 10 fois moins importante que l'épaisseur de l'explosif secondaire (8).
Détonateur optique (1) selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la pression de compaction de la poudre d'allumage (16) est sensiblement égale à celle de l'explosif secondaire (8).
Détonateur optique (1) selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le métal réducteur présente la propriété d'absorber l'énergie lumineuse fournie par un rayonnement dans le proche infrarouge.
Détonateur optique (1) selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le métal réducteur est du zirconium, un alliage de zirconium-nickel, du titane, un hydrure de titane, de l'aluminium ou du magnésium.
Détonateur optique (1) selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'oxydant minéral est du perchlorate de potassium, du perchlorate d'ammonium, du chromate de baryum, du bichromate d'ammonium, du nitrate d'ammonium ou un oxyde de fer.
Détonateur optique (1) selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la composition pyrotechnique est soit une thermite comprenant de l'aluminium et de l'oxyde de fer, soit une poudre du type ZPP comprenant pour l'essentiel du zirconium et du perchlorate de potassium, soit une poudre comprenant pour l'essentiel du zirconium et du chromate de baryum, soit une poudre comprenant pour l'essentiel du titane et du perchlorate de potassium.
Détonateur optique (1) selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend un deuxième étage (4), le processus de transition vers la détonation déclenché dans le deuxième étage (4) étant du type déflagration-détonation.
Détonateur optique (1) selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend un deuxième étage (4), le processus de transition vers la détonation déclenché dans le deuxième étage (4) étant du type choc-détonation.