explosive sphérique en champ libre
2.2. Caractérisation expérimentale
2.2.2. Campagne expérimentale
Les essais expérimentaux ont eu lieu au Polygone d'essais de Captieux, en France, grâce au Centre d’Etudes Techniques d'Infrastructure de la Défense (CETID). Une dalle carrée en béton armé de 15m de côté a été choisie comme le lieu des essais. Une plaque d'acier carrée de 1m de côté et de 4cm d'épaisseur était également présente au niveau de la charge afin d'empêcher le béton de cratériser, une illustration de la scène expérimentale est donnée en Figure 2.1. Un premier bunker, utilisé pour les équipements de mesures, était distant d'environ 80m par rapport à l'emplacement de la charge, et un second bunker, où les caméras à grande vitesse ont été placées, était situé à environ 50m de la charge. A l’exception de ces deux structures, aucune autre structure n’était présente permettant ainsi de mener une campagne expérimentale de caractérisation de la menace en champ libre. Le scénario d'intérêt est la propagation d’une onde de choc générée par la détonation d’une charge explosive sphérique (modelée à la main) en champ libre au-dessus d’un sol plat et considéré comme rigide. Bien que cette configuration paraisse relativement simple, il a été expliqué précédemment que des phénomènes complexes sont attendus, entrainant des menaces différentes (un ou plusieurs chocs) en fonction de la localisation par rapport à la charge explosive. En effet, une zone correspondra au régime de simple réflexion dans laquelle deux ondes de choc se suivent, et une seconde zone correspondra au régime de Mach dans laquelle le pied de Mach se propage.
L'explosif choisi est la Composition-4 (C-4). Afin de couvrir une gamme de phénomènes physiques aussi large que possible, cinq masses d’explosifs et trois HoBs ont été choisies, conduisant à un total de quinze configurations récapitulées dans leTableau 2.1.
Figure 2.1 : Vue globale de la scène expérimentale sur laquelle on peut y voir les sondes effilées et leurs supports ainsi que la plaque d’acier située sous la charge explosive.
Les hauteurs de détonation (définies ici comme la distance entre le bas de la charge et le sol) ont été choisies afin de couvrir une large gamme de phénomènes physiques et plusieurs configurations plausibles sur champ bataille : une détonation au niveau du sol (HoB 33cm), une détonation située au niveau du sternum de l’homme (HoB 133cm) et enfin une situation intermédiaire (HoB 66cm).
L’amorçage a été fait au centre de la charge sphérique au moyen d’un détonateur (SA4003MI, Davey Bickford) avec une insertion par le haut. La charge est placée sur un carton pour obtenir la hauteur de détonation désirée. Le calcul de la hauteur de détonation réelle se fait alors par l’ajout du rayon théorique de la charge sphérique à la hauteur de détonation définie dans le Tableau 2.1.
Tableau 2.1 : Masses d'explosifs et hauteurs de détonation considérées. Le rayon théorique de la charge sphérique est calculé en prenant une masse volumique pour le C-4 de 1,601g/cm3et en utilisant la formule suivante : ŸY.8 ¡
.¢.( ¡ O . Masse (kg) 0,2 0,5 1,0 2,0 5,0 Rayon théorique de la charge (cm) 3,1 4,2 5,3 6,7 9,1 HoB (cm) 33 66 133
Pour chacune des quinze configurations testées, le nombre de répétitions était de deux. Lorsque la reproductibilité des mesures physiques était pauvre, une troisième répétition était réalisée. En revanche, en raison de contraintes de temps, les configurations à 5kg n’ont pu être effectuées qu’une seule fois. Au total, trente explosions ont été réalisées. La matrice des tests est affichée dans le Tableau 2.2où sont explicités les nombres de tirs expérimentaux réalisés pour chacune des hauteurs de détonation considérées par masse d’explosif de C4.
Tableau 2.2 : Matrice des tests de la campagne expérimentale pour la détermination d’une cartographie en champ libre. 0,2kg 0,5kg 1,0kg 2,0kg 5,0kg Nombre total de tirs HoB 33cm x 2 x 2 x 2 x 2 x 1 9 HoB 66cm x 2 x 3 x 3 x 2 x 1 11 HoB 133cm x 2 x 2 x 2 x 3 x 1 10 Nombre total de tirs 6 7 7 7 3 30
2.2.3. Instrumentation
Huit sondes effilées PCB (modèle 137B24), dont l’une d’elle est illustrée en Figure 2.2A, ont été utilisées afin de mesurer la pression incidente à différentes positions autour de la charge. Afin d’avoir une mesure correcte de la pression, ces sondes sont pointées vers le centre de la charge de C-4 comme illustrée en Figure 2.2B. A noter que lors de chacune des sessions expérimentales, l’étalonnage préalable des capteurs de pression est systématiquement réalisé sur un banc d’essais PCB (annexe A). Afin de protéger les capteurs de pression contre les effets de la température et du flash lumineux, une cire d'abeille et une peinture aluminisée ont été appliquées sur la partie sensible du capteur. Enfin, ces capteurs de pression ont été montés sur des supports fixes et orientés vers le centre de la charge. Les positions des capteurs sont schématisées sur la Figure 2.2C et données précisément dans le Tableau 2.3 en utilisant les notations de la Figure 2.2B. En revanche, pour les configurations à 5kg, la sonde effilée la plus proche de la charge a été enlevée pour ne pas se trouver dans la boule de feu. Ces positions ont été choisies pour être réparties autour de la trajectoire du point triple. En raison de la symétrie du scénario, seule la distance horizontale et d'élévation jouent un rôle, par conséquent les capteurs ont été arrangés en forme de spirale.
Tableau 2.3 : Positions des capteurs de pression lors de la session expérimentale
Capteur i Distance horizontale x (cm) Distance verticale y (cm)
1 206 133 2 303 80 3 303 133 4 409 133 5 408 180 6 503 80 7 508 133 8 609 133
Afin de figer temporellement, sous différents angles de vues, le phénomène très rapide et analyser le déplacement du front de choc et l’expansion de la boule de feu, trois caméras rapides ont été utilisées lors des essais. Une photron RS couleur sert à visualiser toute la scène afin de pouvoir vérifier l'axisymétrie de l'explosion par observation visuelle de la boule de feu. Les deux autres caméras, une Photron SAX et une Phantom V1610, permettent des vues en noir et blanc de la scène avec différents niveaux de zoom et ont été
utilisées pour suivre l’onde de choc lors de sa propagation. En effet, les forts gradients de température créent une distorsion visuelle de l'arrière-plan observé, ce qui rend le front de choc visible lorsque l'arrière-plan est contrasté sans l'utilisation d'une autre technique optique comme l’interférométrie. L’échantillonnage est de 20000 images par seconde (ips) pour toutes les caméras. Ces trois caméras rapides sont placées à une distance d’environ 50m de la charge afin de retarder le plus possible l’instabilité vidéo lors du passage du front de choc sur la caméra. La fenêtre d’enregistrement de chacune de ces caméras est illustrée en Figure 2.3.
Figure 2.2 : (A) Illustration d’une sonde effilée PCB (modèle 137B24) ; (B) Orientation des sondes effilées par rapport à la charge explosive et notations des différentes grandeurs ; (C) Positions des capteurs de pression par rapport à la charge explosive
Enfin, étant donné que les conditions météorologiques peuvent avoir une influence sur la propagation de l’onde de choc, une centrale météo (VAISALA WXT520) a été positionnée sur le toit du bunker avec un enregistrement des données chaque seconde pendant toute la durée des essais. Les principales données recueillies sont : date, heure, direction du vent, vitesse du vent, pression atmosphérique, température, hygrométrie et pluviométrie. Ces données pourront servir lors d’un dépouillement ultérieur à expliquer des écarts importants enregistrés si tel est le cas et si de grosses variations pyrotechniques étaient observées.
Un ensemble complet de données expérimentales a ainsi été obtenue et va être présenté dans la section suivante, avec des charges explosives sphériques de Composition-4 dont la masse allait de 0,2kg à 5,0kg, détonant à une hauteur allant de 33cm à 133cm. Des caméras rapides et des capteurs de pression ont été utilisés pour suivre et enregistrer les phénomènes liés à la détonation aérienne au-dessus d’un sol. Les quinze configurations testées, amenant à la réalisation de trente tirs pour des questions de reproductibilité, couvrent à la fois la réflexion régulière et la réflexion de Mach.
Figure 2.3 : Fenêtres d'enregistrements des trois caméras rapides utilisées sur le champ de tirs et dont la fréquence d’enregistrement est de 20000 ips.