Caractérisation et modélisation du comportement lors de l'allumage de poudres propulsives à vulnérabilité réduite en balistique intérieure

Experimental characterization and numerical modeling of the ignition of low vulnerability gun propellants in interior ballistics

• Auteur / Autrice : Christophe Boulnois
• Direction : Philippe Gillard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique
• Date : Soutenance le 30/05/2012
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies (Orléans ; 2009-2012)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Laboratoire Pluridisciplinaire de recherche en ingénierie des systèmes, mécanique et énergétique (Orléans ; 2008-....)
• Jury : Président / Présidente : Christine Mounaïm-Rousselle
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Gillard, Christine Mounaïm-Rousselle, Frédéric Gruy, Boris Khasainov, Virginie Tihay, Amar Bouchama, Kenneth K. Kuo, Gilles Légeret
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Frédéric Gruy, Boris Khasainov

Mots clés

Mots clés contrôlés

Balistique intérieure

Pyrolyse

Poudres sans fumée

Pyrotechnie

Munitions

Mots clés libres

Matériaux énergétiques

Poudres propulsives

Balistique intérieure

Allumage

Analyse thermique

Thermogravimétrie

Calorimétrie

Spectrométrie

Analyse cinétique

Ecoulement réactif

Pyrotechnie

Vulnérabilité réduite

Modélisation biphasique

Energetic materials

Propellants

Interior ballistics

Firing

Thermal analysis

Thermogravimetry

Calorimetry

Spectrometry

Kinetic analysis

Reactive flow

Pyrotechnics

Low vulnerability

Biphasic modeling

Résumé

Les poudres propulsives pour armes sont des matériaux énergétiques dont la combustion permet l’accélération de projectiles jusqu’à des vitesses importantes. Ces matériaux énergétiques sensibles peuvent être soumis à de fortes contraintes (chocs, impacts et incendies) lors de leur utilisation. Le remplacement de certaines substances entrant dans leur formulation permet de diminuer leur vulnérabilité. En conséquence, ces poudres propulsives présentent une dynamique d’allumage différente. Ce travail de recherches est consacré à l’allumage des poudres propulsives pour armes et se présente en quatre chapitres. Un état de l’art sur le sujet est réalisé. Il porte en particulier sur la phénoménologie de l’allumage, la caractérisation de poudres propulsives, et la modélisation de l’allumage. Deux poudres propulsives sont expérimentalement analysées par thermogravimétrie, calorimétrie et spectrométrie de masse. Cette analyse permet de caractériser les différentes étapes cinétiques de la dégradation thermique de ces poudres propulsives. Un code de modélisation biphasique 2D est développé pour servir de support à la comparaison de modèles d’allumage. Le modèle implémenté décrit la chambre de combustion du canon dans les premières phases du coup de canon, lorsque le lit de poudre propulsive est compacté et que les gaz issus du dispositif pyrotechnique d’allumage le parcourent. Un modèle d’allumage est développé à partir des résultats expérimentaux obtenus au deuxième chapitre. Le code de calcul précédemment évoqué permet de comparer l’influence de différents modèles sur la propagation de l’allumage.

Gun Propellants are energetic materials whose combustion can accelerate projectiles to high speeds. These sensitive energetic materials can be subjected to high stresses (shocks, impacts and fires), potentially able to ignite them. The modification of their chemical formulation reduces such vulnerability. Consequently, these propellants have different ignition dynamics. This work focuses on the ignition of gun propellants and comes in four chapters. A state of the art on the subject is firstly made. It focuses on the phenomenology of the ignition and on energetic materials experimental characterization, and modeling of their ignition. Two gun propellants are experimentally analyzed by thermogravimetry, calorimetry and mass spectrometry. This analysis allows characterizing the various stages of the degradation kinetics of these propellants. A 2D biphasic modeling code was developed to provide support for the comparison of ignition models. It describes the combustion chamber in the early stages of the gun firing, when the propellant bed is compacted and the gases from the pyrotechnic igniter are flowing through it. An ignition model is developed from the experimental data obtained in the second chapter. The previously mentioned modeling code allows comparing the influence of different ignition models on the spreading speed of the ignition signal through the packed bed of propellant.