ES2279741T3 - Dispositivo de iniciación que comprende una composición explosiva para el encendido térmico por fuente láser. - Google Patents

Abstract

Composición energética (1) formada por una mezcla que comprende por lo menos un explosivo secundario y un dopante óptico que se presenta en forma de polvo, caracterizada porque el dopante óptico es un metal.

Description

Dispositivo de iniciación que comprende una composición explosiva para el encendido térmico por fuente láser.

[0001] La presente invención se refiere a la utilización de una composición energética en un detonador óptico (iniciador que comprende un explosivo) o un inflamador óptico (iniciador que comprende una composición pirotécnica).

[0002] Las fuentes láser utilizadas en los detonadores, en especial para aplicaciones militares o espaciales, deben ser robustas, de reducida ocupación de espacio y de coste controlado. Estas fuentes son o bien láseres sólidos del tipo Nd-YAG (para las aplicaciones militares) que suministran una densidad de potencia del orden de 3 MW.cm-2, o bien diodos láser en general de potencia de 1 W (para las aplicaciones espaciales) que suministran una densidad de potencia del orden de 20 kW.cm-2, lo cual es demasiado poco para permitir una iniciación directa de la detonación de explosivo secundario que necesita el suministro de una densidad de potencia del orden del GW.cm-2.

[0003] Sin embargo, estas densidades de potencia suministradas permiten una elevación de temperatura del explosivo secundario de la primera etapa del detonador hasta que alcanza su temperatura de descomposición automantenida a partir de la cual la reacción de degradación muy viva que la sigue permite iniciar la detonación del explosivo secundario de la segunda etapa, ya sea por un proceso de transición deflagración-detonaci6n, o bien por un proceso de transición choque-detonación (según la configuración del detonador y las características de los explosivos secundarios utilizados). Sin embargo, como los explosivos secundarios no absorben la luz emitida en el infrarrojo cercano por las fuentes láser, la composición energética dispuesta en la primera etapa del detonador es una mezcla que comprende el explosivo secundario y polvo de negro de carbono que se utiliza como dopador óptico (absorbe la radiación emitida por las fuentes láser y transmite al explosivo secundario la energía térmica necesaria para que alcance su temperatura crítica).

[0004] Sin embargo, para las aplicaciones que implican que el detonador esté sometido a unas condiciones climáticas extremas, la eficacia del negro de carbono disminuye considerablemente. La validación de un detonador para una tal aplicación necesita la realización de pruebas después de que se le haya impuesto un ciclo térmico que corresponde al ciclo padecido en relación con esta aplicación. Así, por ejemplo para el ámbito espacial, el ciclo térmico impuesto corresponde a una subida a una temperatura de 100°C mantenida durante 5 horas y una refrigeración a temperatura ambiente. Sin embargo, después de este ciclo, cuando la fuente láser utilizada es un diodo láser, incluso cuando esta última se utiliza a su potencia máxima de 1 W, la iniciación del explosivo secundario mezclado con un 1% másico de negro de carbono no ocurre mientras que una potencia de 0,1 W es suficiente si el detonador no ha sido sometido a este ciclo.

[0005] Una primera solución que palia el inconveniente relativo a la necesidad de tener una fuente láser potente para poder iniciar un detonador sometido a unas condiciones climáticas severas se ha descrito en la solicitud FR 2 831 659 y consiste en introducir en la primera etapa del detonador, entre el explosivo secundario y la interfaz óptica de focalización, una composición pirotécnica redox que, al absorber en el infrarrojo, es el asiento de una reacción de oxido-reducción que libera la energía térmica necesaria para la iniciación del explosivo secundario. Sin embargo, en general, la composición pirotécnica utilizada (composición ZPP) es muy sensible a la fricción y a las descargas electrostáticas.

[0006] Asimismo, en el ámbito de los inflamadores ópticos, con la finalidad de tener una fiabilidad en la iniciación de la composición pirotécnica redox cuando la fuente láser utilizada es un diodo láser (en especial de 1 W), es necesario utilizar composiciones pirotécnicas cuyo agente reductor presenta una muy fina granulometría (típicamente de entre 1 y 2 !m). Sin embargo, esta granulometría confiere a la composición pirotécnica redox una extrema sensibilidad a la fricción y a las descargas electrostáticas, lo cual hace que su fabricación y su manipulación sean peligrosas.

[0007] La presente invención tiene como objetivo permitir la iniciación de un iniciador óptico (detonador o inflamador) mediante una fuente láser de reducida potencia, que no tenga los inconvenientes precitados de los iniciadores del estado de la técnica.

[0008] Según la invención, el iniciador comprende una composición energética constituida por una mezcla que comprende al menos un explosivo secundario y un metal que se presenta en la forma de polvo, actuando este metal como dopador óptico.

[0009] Esta composición permite tener una iniciación de la composición principal del iniciador (explosivo secundario en el caso de un detonador, composición pirotécnica en el caso de un inflamador) incluso con una fuente láser de reducida potencia, por ejemplo con un diodo láser de una potencia de 1 W, y todo ello reduciendo los riesgos ligados a la manipulación de la composición principal.

[0010] Otras ventajas y particularidades de la presente invención aparecerán en los modos de realización ofrecidos a título de ejemplos no limitativos e ilustrados mediante los dibujos adjuntos.

la figura 2 es una vista en sección de un detonador óptico cuya cavidad de la primera etapa comprende una composición energética utilizada en la presente invención y una composición principal formada por un explosivo secundario, y

la figura 3 es una vista en sección de un inflamador óptico cuya cavidad comprende una composición energética utilizada en la presente invención y una composición principal formada por una composición pirotécnica.

[0011] La composición energética 1 utilizada en la presente invención está constituida por una mezcla que comprende al menos un explosivo secundario y un metal que se presenta en la forma de polvo y que actúa como un dopador óptico.

[0012] Tal como se puede ver en las figuras 1 a 3, durante su utilización, la composición energética 1 está dispuesta en una cavidad de un iniciador óptico 2, 3 y está en contacto con una interfaz óptica de focalización 4 que obtura esta cavidad y que permite transmitir a la composición energética 1 la radiación infrarroja emitida por una fuente de radiación láser y transmitida de la fuente a la interfaz óptica de focalización 4 por una fibra óptica 5 que está conectada por un primer extremo a la fuente de radiación láser, y por su segundo extremo a la interfaz óptica de focalización 4.

[0013] El metal utilizado tiene la propiedad de absorber la luz infrarroja emitida por la fuente láser y, debido a que está íntimamente mezclado de manera homogénea con el explosivo secundario, transmite a este último, por conducción térmica, el calor que se ha acumulado, lo cual permite así la iniciación de la reacción del explosivo secundario.

[0014] Preferentemente, con la finalidad de tener una calefacción eficaz del explosivo secundario por el metal, este último tiene una difusividad térmica al menos igual a 10-5 m2.s-1, y preferentemente al menos igual a 5.10-5 m2.s-1, incluso al menos igual a 9.10-5 m2.s-1, estando la difusividad térmica definida por la relación entre la conductividad térmica y el producto de la capacidad calorífica por la masa volumétrica del metal considerado. Así, el metal utilizado puede ser aluminio (9,8.10-5 m2.s-1), una aleación de aluminio (Al2024 « dural » con una difusividad de 4,5.10-5 m2.s1), tungsteno (6,8.10-5 m2.s-1), cobre (11,7.10-5 m2.s-1), magnesio o una aleación de magnesio (11,7.10-5 m2.s-1),

incluso níquel, zirconio o titanio. El aluminio es el preferido por el valor de su difusividad térmica y su reducido coste.

[0015] Al utilizarse el metal por sus propiedades físicas de absorción de la luz infrarroja y de transferencia térmica, y no por sus propiedades químicas (como en los explosivos a base de aluminio), es suficiente una reducida cantidad. De este modo, representa como máximo 10% másico de la composición energética 1, preferentemente como máximo un 5% másico, incluso del orden de 1 % másico. Cuanto más elevada sea la concentración de metal más corto es el tiempo de iniciación de la composición energética 1, sin embargo, más allá de un 5% másico, para las aplicaciones donde un tiempo de iniciación muy corto no es necesario, la composición energética 1 se vuelve inútilmente sensible a las pruebas estándar de seguridad (impacto, fricción, descargas electrostáticas).

[0016] El explosivo secundario utilizado en la composición energética 1 puede ser, por ejemplo, octógeno, hexógeno

o de hexanitroestilbeno. Esta composición energética 1 puede comprender varios explosivos secundarios, por ejemplo octógeno con hexanitroestilbeno, teniendo este último la propiedad de tener una sensibilidad a la fricción relativamente reducida.

[0017] Es por otro lado preferible tener una gran superficie específica de contacto entre el explosivo secundario y el metal con la finalidad de tener grandes velocidades de subida de temperatura del explosivo secundario, y por lo tanto tener un tiempo de reacción del iniciador óptico 2, 3 corto y reproductible. Así, el explosivo secundario es preferentemente un polvo cuya granulometría es inferior a 6

!m (preferentemente inferior a 3 !m). Asimismo, el metal está finamente dividido y su granulometría media es inferior a 6 !m, y preferentemente inferior a 2 !m, incluso a 1 !m, lo cual corresponde a la longitud de onda de la luz láser emitida.

[0018] También, con el fin de reducir el tiempo de funcionamiento del iniciador 2,3 (así como reducir el umbral necesario de la densidad de potencia suministrada por la fuente láser para iniciar la descomposición de la composición energética 1), la composición energética 1 utilizada en la presente invención está comprimida en la cavidad a una densidad de carga elevada, preferentemente superior a 80% de la densidad máxima teórica asociada a la composición 1.

[0019] Con el fin de facilitar la operación de mezcla de la composición energética 1, es preferible que se realice mecánicamente por vía húmeda añadiendo un agente dispersante que permita evitar la creación de aglomerados (por ejemplo isopropanol) y que será eliminado a continuación por secado.

[0020] También es posible que la composición energética 1 comprenda un ligante polimérico inerte o cera (que representa, preferentemente, como máximo un 5% másico de la composición) con el fin de reducir su sensibilidad durante las pruebas estándar de seguridad frente a las agresiones mecánicas. También es posible añadir grafito para beneficiarse de sus propiedades lubrificantes y también incrementar la seguridad de realización de la composición energética 1. Además, la mezcla del explosivo secundario con el metal debe ser especialmente homogénea con la finalidad de asegurar la fiabilidad de iniciación y de hacer reproductible el tiempo de reacción del iniciador óptico 2,3. Esto es aún más cierto debido a que la región eficaz de la cavidad en la cual puede producirse la absorción de la radiación por el metal es muy limitada: el diámetro de la mancha láser a la salida de la interfaz óptica de focalización 4 es vecina del diámetro de la fibra óptica 5 (el diámetro puede reducirse a 50

!m) y el espesor de absorción es del mismo orden de magnitud.

[0021] Las figuras 1 y 2 ilustran el empleo de una tal composición energética 1 en un detonador óptico 2. De manera clásica un detonador óptico 2 es de dos etapas: la fuente láser inicia por calefacción una composición energética principal (una composición que comprende esencialmente un explosivo secundario o una mezcla de explosivos secundarios) dispuesta en la cavidad 10 de la primera etapa cuya reacción de degradación muy viva que sigue a esta permite iniciar la detonación de un explosivo secundario 6 dispuesto en la cavidad 11 de la segundo etapa, ya sea por un proceso de transición deflagración-detonaci6n, o bien por un proceso de transici6n choque-detonaci6n (según la configuración del detonador 2 y las características de los explosivos secundarios utilizados en las etapas primera y segunda).

[0022] La figura 1 ilustra un detonador 2 en el cual la composición energética principal está formada por la composición energética 1 utilizada en la presente invención.

[0023] Se han realizado unas pruebas utilizando como fuente láser un diodo 1 W conectada a la interfaz óptica 4 por una fibra óptica 5 de diámetro de 62,5 !m con el fin de validar la composición 1 utilizada en la presente invención para las aplicaciones espaciales donde el criterio decisivo es el nivel del umbral de encendido (debido a la importancia del ahorro de energía en este campo). En estas pruebas, la composición 1 se ha cargado en la cavidad de la primera etapa a una densidad vecina de 1,7 g.cm-3, y el detonador 2 ha padecido un ciclo térmico de 5 horas a 100°C seguido de una refrigeración a temperatura ambiente. En un primer detonador, la composición 1 llevaba octógeno con una granulometría media de 2,5 !m y 1 % másico de aluminio con una granulometría media de 5 !m; y en un segundo detonador, la composición 1 llevaba octógeno con una granulometría media de 2,5

!m y 1% másico de aluminio con una granulometría media de 160 nm. Para las dos pruebas, el umbral de encendido ha sido de 110 mW. Estas pruebas demuestran la eficacia del aluminio finamente dividido como dopador óptico, incluso con proporciones másicas reducidas. Este umbral de encendido muy reducido permite tener un margen de funcionamiento elevado para un encendido fiable, pudiendo el diodo suministrar 1 W.

[0024] También se han realizado pruebas utilizando una fuente láser sólida de Nd-YAG compacta capaz de suministrar una densidad de potencia de 3 MW.cm-2 (100 veces superior al diodo láser 1 W) con el fin de validar la composición 1 utilizada en la presente invención para los sectores militares donde el criterio decisivo es el tiempo de respuesta del detonador y su reproducibilidad (con el fin de permitir una iniciación en secuencia de varias cabezas militares). La fuente láser utilizada en estas aplicaciones puede ser un láser sólido que suministra suficientemente energía para que el umbral de encendido no plantee problemas. Para estas pruebas, la composición 1 se cargó en la cavidad de la primera etapa a una densidad cercana de 1,7 g.cm-3, y el detonador sometido a un ciclo térmico de 5 horas a 100°C seguido de una refrigeración a temperatura ambiente. En un primer detonador, la composición 1 llevaba octógeno con una granulometría media de 2,5 !m y 1% másico de aluminio con una granulometría media de 5 !m; y en un segundo detonador, la composición llevaba octógeno con una granulometría media de 2,5 !m y 1% másico de aluminio con una granulometría media de 160 nm. Para la primera prueba, la dispersión del tiempo de respuesta es de aproximadamente 10 !s (a comparar con los 30 !s para una composición energética provista de un explosivo secundario mezclado con negro de carbono), y para la segunda prueba, la dispersión es inferior a 2

!s, siendo el tiempo de funcionamiento del detonador de 41 !s. De este modo, para satisfacer las exigencias de reproducibilidad del tiempo de funcionamiento, es necesario que el aluminio tenga una granulometría inferior (o muy ligeramente superior) a 1 !m.

[0025] La figura 2 ilustra un detonador 2 en el cual la composición energética 1 utilizada en la presente invención está dispuesta en la forma de una fina capa entre la interfaz óptica de focalización 4 y una composición energética principal 7 (una composición que comprende esencialmente un explosivo secundario -octogeno, hexogeno, hexanitroestilbeno... - o una mezcla de explosivos secundarios, sin dopador óptico) que está dispuesta en la misma cavidad 10 que la composición energética 1 utilizada en la presente invención, permitiendo la energía liberada por la degradación de la composición energética 1 utilizada en la presente invención iniciar la composición energética principal 7.

[0026] Los buenos resultados ofrecidos por este modo de realización particular son una consecuencia del reducido espesor de la región eficaz de la cavidad. Ello permite ahorrar el coste presentado por la realización de la composición energética 1 utilizada en la presente invención. Ello permite también utilizar como explosivo secundario en la composición energética principal 7 un explosivo muy insensible al encendido láser y de alta seguridad, como por ejemplo hexanitroestilbeno u otros explosivos secundarios a temperatura de descomposición muy elevada.

[0027] La figura 3 ilustra la utilización de una composición energética 1 utilizada en la presente invención en un inflamador óptico 3. De manera clásica, un inflamador óptico 3 es de una etapa: la fuente láser inicia por calefacción una composición energética principal (una composición que comprende esencialmente una composición pirotécnica redox) dispuesta en la cavidad 12 del inflamador 3 cuya reacción de combustión libera calor en forma de radiación, [0028] La figura 3 ilustra un inflamador 3 en el cual la composición energética 1 utilizada en la presente invención

5 está dispuesto en la forma de una fina capa entre la interfaz óptica de focalización 4 y una composición energética principal 8 (una composición que comprende esencialmente una composición pirotécnica) que está dispuesta en la misma cavidad 12 que la composición energética 1 utilizada en la presente invención, permitiendo la energía liberada por la degradación de la composición energética 1 utilizada en la presente invención iniciar la composición energética principal 8.

10 [0029] La composición pirotécnica 8 (una mezcla de un agente reductor finamente dividido con un oxidante mineral) puede ser, por ejemplo, la composición ZPP (esencialmente una mezcla de zirconio y de perclorato de potasio) o la composición BNP (esencialmente una mezcla de boro y de nitrato de potasio).

[0030] Debido a que la composición energética 1 utilizada en la presente invención presenta una muy reducida sensibilidad a la fricción y a las descargas electrostáticas, es posible utilizar composiciones pirotécnicas 8 de

15 seguridad, es decir que tienen sensibilidades a la fricción y a las descargas electrostáticas reducidas. Una tal composición pirotécnica principal 8 puede ser, por ejemplo, la BNP o una ZPP optimizada para ser de seguridad (zirconio de granulometría más elevada).

Claims (12)

1. REIVINDICACIONES

   1.

   Iniciador óptico (2,3) que comprende una fibra óptica (5) que está conectada por un primer extremo a una fuente de radiación láser y por un segundo extremo a una interfaz óptica de focalización (4) que obtura una cavidad en la cual está dispuesta una composición energética (1) que está en contacto con la interfaz (4), y que está constituida por una mezcla que comprende al menos un explosivo secundario y un dopador óptico que se presenta en la forma de polvo, caracterizado por el hecho de que el dopador óptico es un metal y por el hecho de que la fuente de radiación láser es capaz de generar una reducida densidad de potencia tal como un diodo láser que puede suministrar 1W, que permite la iniciación reducida de la composición energética (1) tras haber sido sometida a ciclos térmicos.

2. 2.

   Iniciador óptico (2,3) según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que el metal tiene una difusividad térmica al menos igual a 10-5 m2s-1, y preferentemente al menos igual a 5.10-5 m2s-1, incluso al menos igual a 9.10-5

   2-1

   ms.

3. 3.

   Iniciador óptico (2,3) según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado por el hecho de que el metal es aluminio o una aleación de aluminio, o tungsteno, o cobre, o magnesio, o una aleación de magnesio.

4. 4.

   Iniciador óptico (2,3) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por el hecho de que el metal tiene una granulometría media inferior a 6 !m, y preferentemente inferior a 2 !m, incluso a 1 !m.

5. 5.

   Iniciador óptico (2,3) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por el hecho de que el metal representa como máximo un 10% másico de la composición, preferentemente como máximo un 5% másico, incluso del orden de un 1% másico.

6. 6.

   Iniciador óptico (2,3) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado por el hecho de que el explosivo secundario es octógeno o hexógeno o hexanitroestilbeno.

7. 7.

   Iniciador óptico (2,3) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado por el hecho de que la mezcla comprende al menos dos explosivos secundarios uno de los cuales es hexanitroestilbeno.

8. 8.

   Iniciador óptico (2,3) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado por el hecho de que el explosivo secundario es un polvo cuya granulometría es inferior a 3 !m.

9. 9.

   Iniciador óptico (2,3) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado por el hecho de que la composición energética (1) dopada ópticamente por un metal está comprimida a una densidad de carga superior a 80% de su densidad máxima teórica.

10. 10.

    Iniciador óptico (2,3) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado por el hecho de que constituye un detonador óptico (2), siendo la composición energética (1) dopada ópticamente por un metal la composición energética principal de la primera etapa del detonador (2).

11. 11.

    Iniciador óptico (2,3) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado por el hecho de que constituye un detonador óptico (2), estando la composición energética (1) dopada ópticamente por un metal dispuesto entre la interfaz óptica de focalización (4) y una composición energética principal (7) que comprende esencialmente un explosivo secundario y que está dispuesta en la misma cavidad que la composición energética (1) dopada.

12. 12.

    Iniciador óptico (2,3) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado por el hecho de que constituye un inflamador óptico (3), estando la composición energética (1) dopada ópticamente por un metal dispuesto entre la interfaz óptica de focalización (4) y una composición energética principal (8) que comprende esencialmente una composición pirotécnica y que está dispuesta en la misma cavidad que la composición energética (1) dopada.