1.2.1 Détonation idéale : modèle de Chapman-Jouguet . . . 15 1.2.2 Profil pic-détente : Modèle ZND . . . 18 1.2.3 Réactions chimiques associées à la détonation . . . 19 1.2.4 Propriétés de l’onde de détonation, influence de la géométrie . . . 20 1.3 Phase post-détonation et postcombustion . . . 20 1.3.1 Phases caractéristiques de l’écoulement . . . 20 1.3.2 Réactions chimiques de postcombustion . . . 23 1.4 Caractérisation des explosifs. . . 24 1.4.1 Grandeurs physiques d’intérêt . . . 24 1.4.2 Lois de similitude . . . 25 1.5 Enjeux liés à la postcombustion. . . 26
1.1 Les explosifs
Une substance explosive est une substance au sein de laquelle peuvent se propager des réactions de combustion de façon autonome [135]. Deux régimes de combustion existent : la déflagration et la détonation. Si la déflagration correspond à une transformation quasi isobare se propageant à vitesse subsonique dans le milieu réactif, la détonation est, quant à elle, une onde de choc réactive se déplaçant à vitesse supersonique par rapport à l’explosif [33]. Elle se traduit donc, contrairement à la déflagration, par une augmentation significative de la pression. Les produits de réaction sont accélérés en sens inverse de la propagation du front dans le cas d’une déflagration et dans le même sens que celui de propagation dans le cas d’une détonation. Il est à noter qu’un explosif peut être solide, comme le TNT, liquide, comme le nitrométhane, ou sous forme d’un mélange gazeux, comme le mélange hydrogène/oxygène. Il se dégage ainsi une première classification des explosifs qui tient
compte de leur état physique. Néanmoins, il est également possible de classer les explosifs selon d’autres critères dont quelques exemples sont donnés par la suite.
Explosifs monomoléculaires Parmi les toutes substances explosives, certaines ont la particularité de n’être composées que d’une seule molécule contrairement, par exemple, à un prémélange gazeux classique où oxydant et réducteur sont deux espèces distinctes. C’est notamment le cas de beaucoup d’explosifs condensés courants tels que le TNT, représenté sur la Figure 1.1.
NO2
NO2
CH3
O2
N
Figure 1.1 – Formule chimique du TNT
Pour ces substances explosives, oxydant et réducteur sont compris au sein de la même molécule ce qui impose de la dissocier pour que des réactions exothermiques aient lieu. Par exemple dans le cas du TNT, l’oxygène nécessaire à la combustion se trouve dans les groupements nitro, le reste de la molécule constituant le combustible. Ces groupements interviennent, d’ailleurs, dans de nombreux explosifs monomoléculaires car ils permettent d’inclure l’oxygène dans un état d’oxydation lui per- mettant de réagir, ce qui n’est pas le cas lorsqu’il est impliqué, par exemple, dans des liaisons C – O ou O – H. On retrouve donc une topologie similaire pour d’autres explosifs condensés tels que le HMX ou le RDX qui sont représentés sur la Figure1.2.
N NO2 N NO2 N O2 N (a) RDX N NO2 N NO2 N NO2 N O2 N (b) HMX
Figure 1.2 – Formules chimiques du HMX et du RDX, deux explosifs solides courants Explosifs primaires et secondaires Les explosifs peuvent en outre être classés en deux catégories selon leur capacité à déflagrer et leur facilité à détoner. On distingue ainsi les explosifs primaires, tels que le fulminate de mercure (Figure 1.3a) ou l’azoture de plomb (Figure1.3b), qui ne peuvent que détoner, des explosifs secondaires, comme par exemple le TNT ou le V401 (HMX-Viton© 96:4), qui
O− +N C− Hg++ C− +N O− (a) Fulminate de mercure
N− +N N− Pb++ N− +N N−
(b) Azoture de plomb
Figure 1.3 – Formules chimiques de deux explosifs primaires
Les premiers sont principalement utilisés, dans une quantité inférieure au gramme, comme dé- tonateur, du fait de leur très grande sensibilité et de leur trop grande dangerosité pour un usage en grande quantité. Les seconds, plus sûrs à utiliser, car nécessitant une énergie plus grande pour détoner, sont utilisés comme explosif principal. En pratique, leur détonation est initiée par celle d’un autre explosif très sensible, comme un explosif primaire, d’où leur nom d’explosif secondaire. Ils sont mélangés en général avec un liant qui peut lui-même être un explosif secondaire moins sensible que l’explosif principal, comme cela est illustré sur la Figure 1.4. Le TNT sert ainsi couramment de liant dans un certain nombre d’explosifs secondaires. Cette étude ne concernera que des explosifs secondaires.
Figure 1.4 – Coupe d’un explosif (TNT–ONTA) vue au microscope : on distingue les grains d’ex- plosifs (ONTA) au milieu du liant actif (TNT) [12]
Explosifs idéaux et non-idéaux On peut également distinguer les explosifs idéaux, au sens de Chapman-Jouguet (voir Section 1.2.1), des explosifs non-idéaux. La catégorie des explosifs non- idéaux comprend notamment celle des explosifs sous-oxygénés, qui connaît une phase de postcom- bustion, ou celle des explosifs hétérogènes qui est décrite ci-après. La non-idéalité d’un explosif se définit comme un écart aux conditions de Chapman-Jouguet et est indépendante de sa capacité à connaître une postcombustion. Elle n’est, en effet, qu’une condition nécessaire mais non suffisante à la possibilité de pouvoir donner lieu à cette dernière. Un explosif est non-idéal si toutes les réactions chimiques exothermiques qui ont lieu au cours de sa décomposition n’atteignent pas l’équilibre en même temps [50]. Les explosifs non-idéaux sont principalement de deux types :
— les mélanges de deux combustibles de cinétiques différentes, — ceux composés de grains réactifs dans un liant.
Explosifs homogènes et hétérogènes Il est enfin possible de distinguer les explosifs homogènes de ceux dits hétérogènes. A la différence des premiers, les seconds comportent plusieurs phases ce qui se traduit par une structure microscopique granulaire (Figure 1.4). Seul les mélanges explosifs
gazeux, les explosifs liquides et quelques rares explosifs solides tels que le TNT sont homogènes. Les autres explosifs solides, comme la B2211D, sont en général constitués d’un mélange de plusieurs explosifs. Il est à noter que certains explosifs hétérogènes font entrer dans leur composition des particules métalliques de différentes natures [137], le plus souvent d’aluminium (Figure1.5), en plus de l’explosif. On parle alors d’explosifs hétérogènes métallisés1. Les particules métalliques, chauffées et dispersées au cours de la détonation, sont ensuite oxydées à la fois par l’oxygène de l’air, et par les produits de détonation, ce qui amplifie le phénomène de postcombustion. L’énergie dégagée par cette oxydation permet d’augmenter significativement l’impulsion. Cette étude ne concernera que les explosifs homogènes et les explosifs hétérogènes non métallisés.
Figure 1.5 – Coupe d’un explosif hétérogène métallisé (RDX-PA-PBHT-Al) [12]