Thèse soutenue

Transition Combustion-Déflagration-Détonation d'un explosif secondaire poreux confiné. Influence de la microstructure
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Auteur / Autrice : Thomas Bouchet
Direction : Ashwin ChinnayyaEric Fousson
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Energétique, thermique, combustion
Date : Soutenance le 19/10/2021
Etablissement(s) : Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique et aéronautique (Poitiers ; 2009-2018)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pprime / PPRIME
Jury : Président / Présidente : Éric Goncalves
Examinateurs / Examinatrices : Maxime Reynaud
Rapporteurs / Rapporteuses : Gérard Baudin, Isabelle Sochet

Résumé

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Durant ces dernières années, l’ISL a développé des systèmes pyrotechniques basés sur la combustion d’explosif secondaire confiné. Afin de garantir la fiabilité de ces systèmes, il doit être certain que l’explosif qu’ils contiennent ne transitera pas en détonation. A l’inverse, pour d’autres applications, il pourrait être intéressant de faire détoner un explosif secondaire initié thermiquement. Il est donc impératif de pouvoir contrôler parfaitement l’occurrence ou non de la transition d’un régime de déflagration à un régime de détonation. Une étude expérimentale a été menée dans le but d’étudier l’influence de la microstructure sur le phénomène de transition. Trois lots de HMX ayant des granulométries initiales différentes ont été choisis (~1 μm, ~10 μm et ~100 μm). Pour chaque jeu de paramètres (granulométrie initiale/taux de compression), une caractérisation fine via diverses techniques (granulométrie par diffusion laser, physisorption gazeuse, pycnométrie hélium, porosimétrie au mercure) a été menée afin de corréler le comportement de l’échantillon en déflagration/détonation avec sa taille de grains, sa surface spécifique et sa porosité (nombres, dimension des pores). Les plus grosses granulométries se trouvent fortement fracturées et après compression, les granulométries des lots ne sont plus suffisamment différentes pour expliquer les différences de comportement observées quant à la capacité à transiter en détonation. Par contre, la taille moyenne des pores augmente avec la granulométrie initiale. La taille des pores diminue également lorsque le taux de chargement augmente. Ces trois lots finement caractérisés, ont été comprimés dans des tubes en laiton afin d’effectuer des tests de déflagration dans le but de déterminer dans le cas où la transition vers la détonation survient, la distance de transition en fonction du taux de chargement initial. L’explosif a été initié thermiquement à l’aide d’une source LASER. Les résultats montrent que le lot de diamètre initial le plus petit n’a transité que pour un taux de chargement très faible. Pour le lot le plus gros, la distance de transition a un comportement non monotone avec un minimum aux alentours de 70-75% de la TMD. Le lot de taille moyenne a lui un comportement semblable au plus gros lot mais lorsque le confinement présente une résistance accrue. Globalement c’est la présence de gros pores qui semble favoriser le phénomène de transition. En effet, dans le cas des plus petits pores, l’énergie de compaction se dissipe trop rapidement dans le matériau solide pour participer au dégagement de chaleur.Un modèle réactif multiphasique 1-D, issu du modèle proposé par Baer et Nunziato a été utilisé pour reproduire les distances de transition en fonction des caractéristiques initiales de l’explosif. Il a été testé pour le lot présentant la plus grosse granulométrie initiale. Ce modèle comprend trois phases : une phase solide modélisée par une équation d’état Stiffened Gas, une phase gazeuse pour les porosités initiales modélisée par une loi des gaz parfaits et une phase de produits de réaction modélisée par une équation d’état JWL. L’introduction dans ce modèle d’un paramètre de fluidisation du milieu en cours de combustion nous a permis de simuler le comportement de l’explosif au cours de la TCoDD, en s’appuyant sur la présence d’un mécanisme de combustion déconsolidante. Le modèle a été calibré afin de reproduire en partie les résultats expérimentaux. Nous sommes parvenus au final à restituer de nombreux mécanismes décrits dans la littérature comme la combustion convective, la formation d’un bouchon, la transition en détonation ainsi que le phénomène de sur-détonation présent juste après le bouchon.