Conclusion de la partie expérimentale

Plusieurs processus intervenant dans le fonctionnement du premier étage ont été étudiés expérimentalement, du chargement à la récupération de la chambre de combustion et du projectile après le tir. Ces moyens permettent d’acquérir des informations essentielles sur le comportement global du système.

L’utilisation de l’adsorption de gaz par la technique BET a permis de déterminer les surfaces spécifiques de chaque lot d’explosif avant le tir. Les mesures ont mis en évidence l’influence de la méthode de chargement par compressions successives sur la granulométrie du matériau énergétique. La compression est indispensable pour obtenir un chargement homogène sans gradient de densité, et surtout pour assurer le contact parfait entre l’explosif et l’interface optique. Mais cette compression provoque également la fracturation des grains d’explosif qui composent le lot, modifiant la taille moyenne, la répartition et la forme des grains et des pores. Cela a pour conséquence l’augmentation de la surface spécifique, ce qui accélère le processus de combustion convective, si la taille des pores est suffisamment grande. Ce phénomène est plus marqué sur les explosifs composés initialement de gros grains.

La compression pourrait enfin modifier la répartition du noir de carbone dans le lot, ce qui aurait alors un impact pour l’initiation thermique de la charge. Il est certain que l’ajout de noir de carbone facilite l’initiation thermique. En revanche, son influence sur la combustion reste à étudier loin de la zone d’amorçage, où le laser influe peu.

La méthode BET montre également l’influence que pourrait avoir le processus de préparation des compositions explosives. L’usage d’ultrasons pour les phases de préparation, bien qu’à de faibles niveaux énergétiques et sur de courtes durées, est susceptible de dégrader la granulométrie, et contribue à augmenter encore la surface spécifique.

Toutes ces observations montrent l’influence de la granulométrie d’explosif.

La vélocimétrie hétérodyne (VH) a été utilisée pour mesurer la vitesse des projectiles à la sortie du premier étage. Les différences observées confirment le fait que la granulométrie de l’explosif est un paramètre fondamental. Les vitesses atteintes par le projectile diffèrent de plusieurs dizaines de mètres par seconde, parfois quelques centaines, en fonction de la taille moyenne des grains. De gros grains permettent d’atteindre des vitesses de projectile plus importantes et donnent des résultats très reproductibles. Toutefois, ils entraînent des incertitudes temporelles sur le délai d’induction thermique,

notamment lorsque le diamètre moyen de particule est plus grand que le diamètre de la tache laser. Des grains petits permettent quant à eux un allumage thermique avec des temps d’induction plus courts et plus reproductibles.

Le confinement joue un rôle sur le déroulement de la transition déflagration-détonation, en empêchant la fuite des gaz chauds qui contribuent à l’emballement de la réaction. Concrètement, cela influe sur la vitesse du projectile en sortie du premier étage. Le confinement d’une chambre de combustion peut être amélioré par l’utilisation d’un opercule avec jupe, ce qui se traduit par des vitesses de projectile plus élevées, bien que le processus mécanique de cisaillement soit consommateur d’énergie.

Des essais de DDT réalisés avec un confinement fort dans des tubes de 80 mm ont montré l’apparition de la détonation au bout d’environ 30 mm avec une grosse granulométrie (HMX 100-200). Cette distance de transition est supérieure à la longueur de la chambre de combustion du DOP, ce qui est satisfaisant d’un point de vue sécurité. Des expériences similaires avec une granulométrie fine (HMX M3C) n’ont pas permis quant à elles d’observer de détonation au sein des tubes de 80 mm. Cela est probablement dû à la taille des pores trop réduite dans cette granulométrie, ce qui empêche le phénomène de combustion convective de se développer. Ni la taille des pores, ni la perméabilité des gaz n’ont toutefois pu être mesurées dans cette étude.

Enfin, l’analyse post-mortem du premier étage avec des outils microscopiques (microscope optique, microscope électronique à balayage) a révélé la structure particulière obtenue à l’issue du processus de cisaillement de l’opercule métallique. L’influence de la granulométrie d’explosif est à nouveau illustrée, puisque la réactivité de l’explosif influe sur le cisaillement et la rupture. Quelle que soit la granulométrie, il y a toujours superposition de zones de bandes de cisaillement adiabatique, qui sont prédominantes, et de zones de tractions plus isolées. Cette superposition pourrait traduire une rupture en deux phases, l’une par cisaillement puis l’autre par traction. La première est rapide et se produit pour de hautes pressions, tandis que la suivante est plus lente et s’effectue à des pressions moins importantes. Une granulométrie fine permet de se rapprocher davantage des conditions pour la formation des bandes de cisaillement adiabatique, et donne naissance à très peu, voire à l’absence totale, de zones de traction. Le phénomène inverse est observé pour les grosses granulométries.

La formation de bandes de cisaillement adiabatique conduit à une rupture brutale et rapide de l’opercule, ce qui explique que le cisaillement influe peu sur la vitesse de projection, en comparaison d’autres paramètres tels que la granulométrie ou la masse du projectile.

La mesure des dimensions du DOP après-tir révèle des déformations plastiques au niveau des parois de la chambre de combustion et du canon. Celles-ci sont d’autant plus marquées qu’elles se situent à proximité de la source laser, et que le lot d’explosif possède

de gros grains. Les déformations traduisent les niveaux de pressions élevés qui sont atteints au cours d’un tir, supérieurs à la limite élastique de l’acier (≈ 2000 bars).

Sur les essais réalisés, un endommagement de la bretelle optique se produit sur plusieurs tirs sous l’effet de la pression des produits de combustion. Dans le dispositif industriel toutefois, le chargement en composition d’explosif est différent (quantité d’explosif plus importante dans le cas de l’étude) et le phénomène de détachement n’a pas lieu. Les tests d’étanchéité après-tir réalisés sur les chambres de combustion à l’aide d’une presse hydraulique montrent ainsi que le composant industriel est capable de résister à une pression statique de 3800 bars. A titre comparatif, la résistance après-tir des composants de l’étude a varié quant à elle de 600 bars à 3800 bars, selon le lot d’explosif étudié.

Il apparaît enfin que tout l’explosif n’est pas consommé lors de la réaction, et que des traces restent déposées à l’état solide sur le culot du projectile. Il se pourrait également que de l’explosif imbrûlé soit éjecté du canon lors de la rupture de l’opercule, ce qui est délicat à mettre en évidence. L’analyse des paillets après récupération, la qualité et la durée des signaux de VH montrent que le projectile est bien guidé dans le canon et ne présente pas de convexité. La configuration du premier étage semble donc optimale pour la réalisation d’un choc plan sur le second étage.