Équations d'état des produits de détonation des explosifs solides

Equation of State of Detonation Products of High Solid Explosives

• Auteur / Autrice : Sandra Poeuf
• Direction : Ashwin Chinnayya, Gérard Baudin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique, thermique, combustion
• Date : Soutenance le 25/09/2018
• 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 : Bruno Serio
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Catoire, Rémi Boulanger, Peggy Lamy
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Arnaud Bultel, Nabiha Chaumeix

Mots clés

Mots clés contrôlés

Interférométrie

Gaz ionisés

Ondes de choc

Basses pressions

Équations d'état

Équilibre thermodynamique

Explosifs

Mots clés libres

Produits de détonation

Explosifs condensés

Spectrométrie d'émission

Detonation products

Compressde explosives

Emission spectrometry

Résumé

Le calcul des caractéristiques de détonation d’un explosif solide requiert l’utilisation d’équations d’état pour modéliser le comportement des produits de détonation. Cependant, les pressions et les températures auxquelles sont soumis ces produits rendent difficile la mise au point d’une équation d’état valide de la centaine de kilobars à la centaine de bar si l’on souhaite couvrir l’ensemble des effets d’une détonation. Les nombreuses recherches effectuées dans ce domaine ont abouti à l’élaboration d’un grand nombre d’équations d’état à caractère plus ou moins théorique ou empirique. Malheureusement aucune d’elle ne s’est révélée être entièrement satisfaisante. Dans ces travaux nous nous intéressons au domaine de validité à basse pression de l’équation d’état JWL implémentée dans les codes d’hydrodynamique et de l’équation BKW utilisée dans les codes de thermochimie pour les produits des matériaux énergétiques sous oxygénés. La première équation d’état considère le mélange des produits à une échelle macroscopique tandis que la seconde assure une description plus fine du mélange en considérant les différentes phases présentes. En effet, les produits de détonation comprennent en plus des molécules simples des particules solides de carbone. A cette fin, une étude numérique et expérimentale a été menée pour deux compositions explosives : la Composition B (RDX/TNT) et l’octoviton (HMX/Viton). Des expérimentations d’adaptation d’impédance entre des matériaux énergétiques et des matériaux inertes ont été réalisées afin de détendre les produits de détonation de la centaine de kilobars à quelques bars. Ce dispositif est instrumenté avec des métrologies innovantes dans le domaine de la détonique. La spectrométrie d’émission ultra rapide est utilisée pour effectuer l’analyse spectrale des produits de détonation au cours de leur détente dans le domaine spectral du visible. Deux signatures thermiques sont identifiées sur les spectres obtenus : l’une liée au rayonnement des gaz ionisés, l’autre liée au rayonnement des particules solides de carbone. L’interférométrie haute fréquence permet un enregistrement continu de la propagation du choc dans les différents milieux (explosif, matériau inerte). Ces expériences font l’objet de simulations numériques avec le code d’hydrodynamique Ouranos et le code de thermochimie SIAME du CEA. Les résultats expérimentaux et numériques concordent jusqu’à des pressions de l’ordre du kilobar. Ces deux mesures permettent d’avancer dans la validation de l’équation d’état des produits de détonation implémentée dans les codes numériques.

The calculation of detonation characteristics of condensed explosives requires the use of equations of state to model the behavior of the detonation products. However, the extreme pressures and temperatures of these products complicate the development of an equation of state, which is valid from hundreds of kilobars to hundreds of bars range. Numerous investigations in this field have resulted in the development of a large number of theoretical or empirical equations of state. Unfortunately, none of them have been entirely satisfactory. This work addressed the low-pressure range validity of the JWL equation of state and the BKW equation, respectively, used in hydrodynamic codes and the thermochemical codes for the products of energetic materials. The first equation of state considers the mixture of products on a macroscopic scale whereas the second one provides a more detailed description by considering the various phases of the products. The detonation products are composed of simple molecules and solid carbon particles. To this end, a numerical and experimental investigation was undertaken involving two explosive compositions: Composition B (RDX/TNT) and octoviton (HMX/Viton). Impedance matching of energetic materials with inert materials tests were performed to expand the detonation products from a hundred kilobars to a few bars. The setup was instrumented with innovative diagnostics not commonly used in detonation research: ultra-fast emission spectroscopy and high frequency interferometry. The former was used for carrying out the spectral analysis in the visible spectrum range of detonation products during their expansion. Two thermal signatures were identified in the experimental spectra: one associated with radiation from ionised gases, the other with radiation from solid particles of carbon. The latter was used to continuously record shock-wave propagation in the different media (explosive and inert materials). These experiments were simulated using the Ouranos hydrodynamic code and the SIAME thermochemical code from CEA. The experimental and numerical results were in agreement up to pressures of the order of 1 kbar. These measurements offer a set of validation points for the equations of state of detonation products implemented in numerical codes.