FR2669417A1 - Generateur piezoelectrique pour l'amorcage d'un detonateur. - Google Patents

Abstract

Le générateur pièzoélectrique pour projectile chargé d'explosif, destiné à l'amorçage d'un détonateur électrique de mise à feu de cet explosif, comprend un matériau ferroélectrique relié électriquement au détonateur, ce matériau étant destiné à être placé dans la projectile (1) d'une façon telle qu'il subisse une contrainte mécanique lors de l'impact du projectile. Ce générateur comprend deux plaques (8, 9) en matériau ferroélectrique reliées électriquement en parallèle et disposées parallèlement l'une par rapport à l'autre et des moyens pour que lors de l'impact du projectile ces deux plaques (8, 9) subissent simultanément un choc. Utilisation pour l'amorçage d'un détonateur à explosif secondaire ou à explosif primaire peu sensible.

Description

La présente invention concerne un générateur piézoélectrique pour projectile chargé d'explosif, destiné à l'amorçage d'un détonateur electrique de mise à feu de cet explosif.

L'invention vise également un projectile chargé d'explosif comportant un tel générateur
On connaît un dispositif piézoélectrique destiné à l'amor/çage d'un détonateur électrique de mise à feu de l'explosif contenu dans un projectile balistique ou un missile. Ce dispositif comprend un matériau ferroélectrique relié électriquement au détonateur. Ce matériau ferroélectrique est placé dans le projectile, d'une façon telle qu'il subisse une contrainte mécanique lors de l'impact du projectile.Cette contrainte mécanique induit une onde de choc qui dépolarise le matériau èrroélectrique en engendrant une tension électrique qui provoque l'amorçage du détonateur.

L'énergie électrique fournie par ce type de dispositif piézoélectrique est toutefois relativement faible. Ce type de dispositif ne peut par conséquent convenir que pour l'amorçage d'explosifs primaires très sensibles
Or, pour des raisons de sécurité et de fiabilité, il est avantageux de pouvoir amorcer des explosifs primaires peu sensibles ou directement des explosifs secondaires qui nécessitent une énergie électrique de l'ordre de 0,1 à 0,5 J pendant une durée comprise entre 0,5 et 1 ps.

Le but delaprésente invention est précisément de réaliser cet objectif.

Le génerateur piézoélectrique visé par l'invention comprend un matériau ferroélectrique relié électriquement au détonateur, ce matériau étant destiné à être placé dans le projectile d'une façon telle qu'il subisse une contrainte mécanique lors de l'impact du projectile.

Suivant l'invention, ce générateur piézoélectrique est caractérisé en ce qu'il comprend deux plaques en matériau ferroélectrique reliées électriquement en parallèle et disposées parallèlement l'une par rapport au l'autre, et des moyens pour que lors de l'impact du projectile ces deux plaques subissent simulta nément un choc.

Du fait que les deux plaques en matériau ferroélectrique subissent lors de l'impact simultanément un choc, les matériaux ferroélectriques de ces deux plaques sont dépolarisés simultanément et non pas successivement.

De ce fait, ces matéraux ferroélectriques libèrent en un temps très court (inférieur à 1 ps) une énergie électrique nettement plus élevée que dans le cas de l'utilisation d'une sede plaquede diamèteetwokee de matériau ferroélectrique iderr- tiques.Cette énergie est ainsi suffisante pour assurer l'amorçage d'un détonateur pour explosif primaire peu sensi L% ou explosif secondaire.

Par ailleurs,l'utilisation de deux plaques disposées parallèlement l'une par rapport à l'autre et destinées à être placées perpendiculairement à l'axe du projectile est avantageux pour l'encombrement en largeur du générateur.

D'autre part, du fait de la libération d'une énergie électrique très élevée en un temps très court, il est inutile de prévoir dans le circuit électrique compris entre les plaques en matériau ferroélectrique et le détonateur, de composant- électrique , tel qu'un condensateur pour stocker cette énergie et un interrupteur haute tension susceptible de fonctionner lorsque l'énergie ainsi stockée atteint un certain seuil, ou tel qu'un transformateur d'adaptation d'impédance.

Ainsi les plaques en matériau ferroélectrique peuvent être reliées directement à un ensemble détonateur-amorce d'impédance égale à quelques ohms.

En utilisant des matériaux ferroélectriques
courant du type PZT "mous", on obtient une énergie au
moins égale à 100 mJ.

Des énergies plus élevées (supérieures à
200 mJ) peuvent être obtenues avec des matériaux du type PZT (durs) à changement de phase, c'est-à-dire
susceptible de passer d'un état ferroélectrique à un
état antiferroélectrique lorsqu'ils sont soumis à une
onde de choc. De tels matériaux sont constitués par des
céramiques frittées répondants aux compositions indiquées
ci-après: Pb 1 - x Tix) 03 , avec 0,034 x 4 0,08
Pb (Zr, Sn, Ti) 03
Ti
Pb (Hf1 - y Zry)1 -x x TiX
Pb - y Lay (Zr1 - x Tix) 03,
L'invention vise également un projectile chargé
d'explosif comprenant une ogive comportant une cavité
interne dans laquelle est logé un générateur piézoélectri
que conforme à l'invention. L'ogive de ce projectile
comporte une paroi latérale déformable lors de l'impact du projectile .Un marteau est placé entre l'ogive et
un support sur lequel est fixée l'une des plaques en
matériau ferroélectrique, l'autre plaque étant fixée
au marteau.

Suivant une particularité de l'invention, ce
projectile est caractérisé en ce qu'entre le fond de la
cavité et la face adjacente du marteau existe un jeu
prédéterminé, ce jeu ainsi que le jeu compris entre les plaques en matériau ferroélectrique étant défini pour
que la pression du choc subi par les plaques lors de
l'impact du projectile soit comprise entre 12 et 20
Kbar.

D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront encore dans la description ci-après.:
Aux dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs
- La figure 1 est une vue en coupe longitudinale avec arrachements de l'extrémité d'un projectile balistique renfermant un générateur conforme à l'invention,
- La figure 2 est une vue en coupe longitudinale partielle montrant une variante de générateur conforme à l t invention,
- La figure 3 montre des courbes représentant l'énergie libérée par un générateur piézoélectrique, en fonction de l'impédance interne du détonateur.

- La figure 4 montre des courbes représentant la tension mesurée aux bornes d'un générateur piézoélectrique, en fonction du temps.

Dans la réalisation de la figure 1, le projectile balistique comprend une ogive 1 dont la base la est vissée sur le corps du projectile. L'ogive 1 comprend une cavité interne 3 axée sur l'axe X-X' du projectile. Le fond 4 de cette cavité 3 est sensiblement tronconique. Au voisinage de ce fond 4, la paroi latérale 5 de l'ogive 1 comporte un rétrécissement 6 qui rend cette paroi latérale 5 déformable dans la direction de l'axe X-X', lors de l'impact de l'ogive 1. A l'intérieur de la cavité 3 est disposé un marteau 7 et deux plaques en forme de disque 8, 9 en matériau ferroélectrique, disposées de façon parallèle l'une à l'autre et perpendiculairement à l'axe X-X' du projectile. De plus, ces disques ferroélectriques 8, 9 sont reliés électriquement en parallèle.

Le marteau 7 comporte une partie avant tronconique 10 écartée du fond 4 de la cavité 3, suivant un certain jeu jl. Ce marteau 7 comporte d'autre part, une partie arrière élargieloa comportant un évidement lOb.

dans lequel est fixé le disque 8 en matériau ferroélectrique. L'autre disque 9 en matériau ferroélectrique est fixé dans un évidement îla ménagé dans un support 11 monté de façon fixe dans le corps 2.

Les deux plaques 8 9 sont distantes l'une de l'autre suivant un jeu j2.

Le marteau 7 et les disques ferroélectriques 8, 9 et le support fixe 11 sont logés dans un manchon 12 qui est lui-même fixé à l'intérieur de l'ogive 1.

On voit sur la figure 1 que la partie 12a de ce manchon 12 dans laquelle est monté le marteau 7, est libre par rapport à une portion de la paroi latérale 5 de l'ogive 1 proche du rétrécissement 6.

Le marteau 7 est relié à cette partie 12a du manchon 12 à l'aide d'une bague 13 en matière plastique ou autre matériau approprié qui est destructible par cisaillement lors de l'impact de l'ogive 1.

Le disque 9 fixé au support 11 comporte une ouverture centrale 9a dans laqueleest engagée une électrode axiale 14 dont le diamètre est inférieur au diamètre de cette ouverture 9a. Cette électrode 14 est reliée directement à un détonateur non représenté. Ce détonateur est par exemple du type à fil explosant,à couche ou du type éclateur ou à fente.Ce détonateur peut avoir un chargement à explosif primaire ou secondare,directement amor cabale parle géératsr.L8eercde 14 est isolée électriquement par rapport au support 11 et au disque 9 par une résine synthétique 15 telle qu'une résine époxy. Cette électrode 14 comporte une extrémité plane 14a située dans le prolongement de la surface 9b du disque ferroélectrique 9.

Les deux disques ferroélectriques 8, 9 sont placés l'un par rapport à l'autre dans l'ogive 1 de fa - con qu'ils subissent lors de l'impact du projectile simultanément un choc mécanique. A cet effet on prévoit entre le fond 4 de la cavité 3 de l'ogive 1 et la partie tronconique 10 du marteau 7 un jeu déterminé jl .Un jeu prédéterminé j2 est également prévu entre les deux disques ferroélectriques 8 et 9
Ces deux jeux jl et j2 sont déterminés expérimentalement car ils dépendent de nombreux paramètres tels que l'impédance de choc du matériau ferroéiectrique constituant les disques 8 et 9, la vitesse impact du projectile et la pression optimale que ces disques doivent subir lors de cet impact
En assurant que les disque ferroélectriques 8 et 9 subissent lors de l'impact un choc simultané, les matériaux ferroélectriques constituant ces diques sont dépolarisés en meme temps et non successivement comme dans le cas où ces deux disques seraient simplement disposés en contact l'un avec l'autre.Les disques ferroélectrique s 8 et 9 libèrent ainsi pendant une durée très courte une énergie électrique élevée, et suffisante pour amorcer un détonateur pour explosif primaire peu sensible ou directement un explosif secondaire.

Les meilleurs résultats sont obtenus en limitant la pression qui est appliquée sur les disques ferroélectriques 8, 9 lors de l'impact du projectile, à une valeur comprise entre 12 et 20 Kbar,pour une vitesse d'impact comprise entre 500 et 800 m/sec et plus.

Les meilleurs résultats sont également obtenus en utilisant pour les disques 8, 9 un matériau ferroélectrique susceptible de passer d'un état ferroélectrique à un état anti-ferroélectrique sous choc.Parmi ce type de matériau on peut citer les céramiques frittées obtenues par synthèse , répondant aux formules suivantes
a) les matériaux du type Pb (Zr 1-x Tir)03 avec 0,03 C x < 0,08 présentant en montée de température la succession de phases suivantes : AF (anti-ferroéectrique)+
F (ferroélectrique)

P (paraélectrique).

Exemple
Pb(Zr0,965Ti0,035)O3 + 1% Nb205
Pb(Zr0,95Ti0,05)03 + 0,8% WO3 ;
b) les composés ternaires Mb(Zr, Sn, Ti)O3 qui, en montée de température, présentent la succession de phases suivantes : F

AF

P.

Exemple
Pb0,99Nb0,02 [Zr0,73Sn0,93Ti0,07]0,98O3 c) les composés de formule générale
Pb(Hf1-yZry)1-xTixO3 Exemple :
Pb(Hf0,3Zr0,7)0 > 915Ti0,08503 % 1% La2O3 d) les composés de formule générale
Pb1-yLay(Zr1-xTix)O3
Ces matériaux ont la propriété de se polariser sous champ électrique par changement de phase AF

F.
Le champ électrique de transition AF

F (3,5 kV/mm et plus)est bien supérieur à la valeur du champ coercitif.

Le matériau polarisé reste ferroélectrique dans un. large domaine de température. Il se dépolarise sous choc plan par changement de phase F

AF irréversible même sous champ électrique
Enfin, tous ces matériaux présentent une valeur P2r/2E (P polarisation rémanente, E permittivité) élevée qui représente théoriquement l'énergie électrique stockée.

L'épaisseur des disques ferroélectriques 8 et 9 est chosie en fonction de la valeur de l'impédance électrique du détonateur et de la valeur de la tension maximale à obtenir aux bornes de celui-ci.A titre d'exemple,chaque disque ferroélectrique 8, 9 peut présenter un diamètre de 14 mm et une épaisseur de 0,5 mm.

Le fonctionnement du dispositif conforme à l'invention est le suivant
Lors de l'impact de l'ogive 1, la paroi latérale 5 de cette dernière est comprimée. Le fond 4 de cette ogive 1 prend appui sur le marteau 7, ce qui entraîne le cisaillement de la bague 13. Le marteau 7 coulisse alors suivant l'axe X-X' vers le support 11 qui porte le disque ferroélectrique 9. Une onde de choc est alors induite simultanément dans les deux disques ferroélectriques 8 et 9.

Grâce aux jeux jl et j2 s la pression de choc est comprise entre 12. et 20 Kbar pour une vitesse d'impact habituelle variant entre 500 et 800 m/sec.

Grâce aux formes tronconiques du fond 4 de l'ogive X et de la partie avant 10 du marteau 7, un fonctionnement correct est obtenu lorsque l'incidence de l'impact est comprise entre O et 60 % par rapport à l'axe X-X'.

L'onde de choc obtenue à l'impact provoque une dépolarisation simultanée des matériaux ferroélectriques qui composent les disques 8, 9 , ce qui libère une énergie qui est aussitôt transférée au détonateur au moyen de 11 électrode 14.

L'énergie ainsi obtenue atteint au minimum 100 mJ en utilisant des matériaux ferroélectriques du type PZT "mous".Cette énergie délivrée dans un temps très court est compatible avec la faible impédance (3 ohms) de l'ensemble amorce-détonateur.De ce fait,le détonateur peut être relié électriquement directement aux disques ferroélectriques 8,9,sans aucun composant électrique intermédiaire.

Des énergies électriques plus élevées (supérieure à 200 mJ) peuvent être obtenues en utilisant pour les disques 8, 9 des mRikiaux ferroélectriques du type PZT "durs", tels que les céramiques mentionnées précédemment ou des polymères piézoélectriques comme le polyfluorure de vinylidène.

L'amélioration des performances obtenues conforme ment à l'invention est illustrée par les figures 3 et 4.

A la figure 3, la courbe a montre que dans le cas où on utilise deux disques ferroélectriques disposés dans le générateur de façon qu'ils se dépolarisent simultanément,on diminue d'un facteur 2 la valeur d'impédance correspondant à un transfert d'énergie optimun,cette valeur ce faisant se rapproche dès lors des valeurs d'impédance courantes des détonateurs électriques (voir courbe b) ou on n'utilise qu'un eeul disque ferroélectrique.

D'autre part on voit sur cette figure 3, que dans le cas de l'invention (courbe a) on double la densité d'énergie libérée.

A la fig. 4,la courbe c représente la tension mesurée lors de l'impact aux bornes des disques ferroélectriques 8,9 dans le cas où l'impédance interne du générateur piézoélectrique est égale à 3,5 ohms.

La courbe d est relative au cas où le générateur ne comporte qu'un seul disque ferroélectrique.

Ces courbes c et d montrent que dans le cas de l'invention (courbe c), la puissance électrique fournie est plus du double de celle fournie dans le cas ou on n'utilise qu'un seul disque ferroélectrique.

Dans la variante de réalisation de la fig. 2, les disques ferroélectriques 17,18 en contact respectivement avec le marteau 16 et le support 11 sont recouverts chacun par un disque métallique 19, 20.Ces disques métalliques 19,20 comportent chacun une ouverture centrale tronconique dans laquelle est engagée la tête 21a,22a d'une électrode axiale 21,22.La face plane de ces têtes 21a,22a est située dans le prolongement de la surface du disque métallique 19,20 correspondant.

Les deux électrodes axiales 21, 22 sont isolées électriquement par rapport au support 11, au marteau 16 et aux disques ferroélectriques 17, 18 par une résine synthétique 23, 24.

Les disques métalliques 19, 20 sont écartés l'un de l'autre par un jeu j3, qui comme dans le cas de la réalisation selon la figure 1 est déterminé pour que l'onde de choc engendrée lors de l'impact soit induite simultanément dans les disques ferroélectriques 17 et 18. L'énergie électrique ainsi libérée est transférée directement au détonateur par l'électrode 21, l'autre électrode 22 étant reliée à la masse.

Les disques métalliques 19, 20 peuvent servir d'amortisseur de choc pour les disques ferroélectriques 17, 18 si le matériau constituant ces disques métalliques 19, 20 présente une impédance de choc supérieure à celle des disques ferroélectriques 17, 18. Tel est le cas par exemple lorsque les disques métalliques 19, 20 sont réalisés en cuivre.

Bien entendu l'invention n'est pas limitée aux exemples que l'on vient de décrire, et on peut apporter à ceux-ci de nombreuses modifications sans sortir du cadre de l'invention.

Ainsi le générateur piézoélectrique conforme à l'invention est également utilisable pour des projectiles à charge creuse. Ainsi dans le cas d'application aux projectiles à charge creuse on peut par souci d'optimisation prévoir une variante avec aménagement d'ouvertures axiales dans les disques ferroélectriques pour faciliter le passage du jet de charge creuse.

Claims (12)

REVENDICATIONS

1. Générateur piézoélectrique pour projectile chargé d'explosif, destiné à l'amorçage d'un détonateur électrique de mise à feu de cet explosif, ce générateur comprenant un matériau ferroélectrique relié électriquement au détonateur, ce matériau étant destiné à être placé dans le projectile d'une façon telle qu'il subisse une contrainte mécanique lors de l'impact du projectile ce générateur étant caractérisé en ce qu'il comprend deux plaques (8, 9); (17,18) en matériau ferroélectriquereliées électriquement en parallèle et disposées parallèlement l'une par rapport à l'autre et des moyens pour que lors de l'impact du projectile ces deux plaques (8, 9) ; (17, 18) subissent simultanément un choc.

2. Générateur conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que les plaques (8, 9) ; (17, 18) en matériau ferroélectrique sont reliées électriquement directement au détonateur.

3. Générateur conforme à l'une quelconque des revendications 1 ou 2,pour un projectile dont la vitesse d'impact est supérieure à 500 m/sec , caractérisé en ce que la distance j2 comprise entre les deux plaques (8, 9) est déterminée pour que la pression du choc subi par les plaques lors de l'impact soit comprise entre 12 et 20 Kbar.

4. Générateur conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le matériau ferroélectrique des plaques (8, 9) ; (17, 18) est choisi parmi les céramiques frittées de formules suivantes

Pb (Zr Tix)03

Pb (Zr, Sn, Ti)03

Pb (Hfl yZry)l~x TixO3 Pb Lay(zrl x Tix) 3'

1-y y

et le polyfluorùre de vinylidène.

5. Générateur conforme à la revendication 4, caractérisé en ce que le matériau ferroélectrique est du

Pb (Zrîxflx) 03 avec 0,03 < x C 0,08.

6. Générateur conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 5,caractérisé en ce que l'une des plaques est un disque (9,18) fixé sur un support (11) destiné à être monté de façon fixe dans le projectile,l'autre plaque est un disque (8,17) fixé à un marteau (7,16) monté dans un manchon (12) pour pouvoir coulisser vers le support fixe (11) lors de l'impact du projectile.

7. Générateur conforme à la revendication 6,caractérisé en ce que le disque en matériau ferroélectrique (9) fixé sur le support (11) comporte une ouverture (9a), en ce que dans l'axe de cette ouverture (9a) est disposée une électrode (14) reliée au détonateur,cette électrode étantisolée électriquement du support (11) et cette électrode présentant une extrémité plane (14a) située dans le prolongement de la surface (9b) de ce disque(9).

8. Générateur conforme à la revendication 6,,caractérisé en ce que les faces adjacentes des disques (17,18) en matériau ferroélectrique sont recouvertes chacune par un disque métallique (19,20) constituant chacun une électrode, l'une d'entre elle étant reliée électriquement au détanateur, et ces deux disques métalliques (19,20) étant séparés l'un de l'autre par un jeu (j3) prédéterminé pour que ces deux disques subissent simultanément un choc lors de l'impact du projectile.

9. Générateur conforme à la revendication 8,caractérisé en ce que les disques métalliques (19,20) présentent une impédance de choc telle que la pression de choc induite dans les disques ferroélectriquesest optimale.

10. Générateur conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 5, destiné à un projectile à charge creuse, caractérisé en ce que les plaques ou disques en matériau ferroélectrique comportent chacun une ouverture, destinée à être centrée sur l'axe du projectile.

11 . Projectile chargé d'explosif comprenant une ogive (1) comportant une cavité interne (3) dans laquelle est logé un générateur piézoélectrique conforme à l'une quelconque des revendications 4 à cette ogive (1) comportant une paroi latérale (5) déformable lors de l'impact du projectile, un marteau (7) étant placé entre le fond (4) de l'ogive et un support(ll) surlequEl est fixée l'une (9) des plaques en matériau ferroélectrique ,, l'autre plaque (8) étant fixée au marteau (7), caractérisé en ce qu'entre le fond (4) de la cavité (3) et la face adjacente du marteau (7) existe un jeu prédéterminé (il) ce jeu ainsi que le jeu (j2);;(j3) compris entre les plaques (8, 9) en matériau ferroélectrique ou des disques métalliques (19, 20) recouvrant des plaques en matériau ferroélectrique (17, 18) étant définis pour que la pression du choc subi par les plaques en matériau ferroélectrique lors de l'impact du projectile soit compris entre 12 et 20 Kbar.

12. Projectile conforme à la revendication 11, caractérisé en ce que les plaques (8, 9) en matériau ferroélectrique et le marteau (7) sont montés axialement dans un manchon (12) logé dans la cavité (3) de l'ogive (1), la partie (12a) de ce manchon adjacente à la paroi déformable (5) de I'ogive, étant libre par rapport à cette dernière, le marteau (7) étant rendu solidaire de ladite partie (12a) du manchon par une liaison mécanique (13) destructible lors de l'impact du projectile, sous l'effet de la poussée exercée par le fond (4) de l'ogive contre le marteau (7).