128 Propellants, Explosives, Pyrotechnics 18, 128- 13 1 ( 1 993)

Amorgage par chocs simples et doubles d’une composition mixte TATB -octog&ne

M. Nicollet, R. Belmas, J.P. Plotard, B. Udiment et M. Leroy

Commissariat B 1’Energie Atomique, Centre d’Etudes de Vaujours-Moronvilliers, F-77 18 I Courtry (France)

Ziindung einer Sprengstoffmischung aus TATBIHMX durch Ein- fach- und Zweifach-StoR

Eine Untersuchung uber die StoBzundung einer Sprengstoffmi- schung aus TATB/HMX wird vorgestellt. Diese Studie basiert auf Druckrnessungen mit Manganinsonden im Explosivstoff, der mittels einer Pulverkanone Einfach- oder Zweifach-StoBen ausgesetzt wurde. Die experimentellen Ergebnisse werden analysiert unter Venvendung eines Hot-Spot-Modells, das bereits friiher entwickelt worden war. Diese Analyse zeigt den starken EinfluB der Mikrostruktur und beson- ders der Existenz von zwei Arten von Porositat bei der Sprengstoffmi- schung auf die StoBzundung.

Initiation of a Mixed TATB/HMX Composition by Single and Double Shocks

We present a study on the shock initiation of a mixed TATB/HMX explosive composition. This study is based on manganin gauges pres- sure measurements in the explosive subjected to single or double shocks by means of a launcher. The experimental results are analyzed using a hot spot model previously developed. This analysis shows the strong influence, on the shock initiation, of the microstructure and, particularly, of the existence of two kinds of porosities.

Resume

Une Ctude de I’amorGage par choc d’une cornposition mixte TATBloctogkne est prCsentCe. Des mewres de pression par jauges manganin sont realides, en rigime transitoire, suite B des chocs sim- ples ou doubles exercCs sur I’explosif par l’impact de projectiles pro- pulses 9 l’aide d’un lanceur B poudre. Les risultats obtenus sont inter- prCtCs en utilisant un modele de points chauds dCveloppC par ailleurs. Cette analyse montre I’importance de la microstructure de la composi- tion (et en particulier, celle de l’existence de deux types de porositC) pour I’initiation par choc de cette composition.

1. Introduction

Afin d’obtenir des explosifs performants, mais offrant des caractkristiques de skcuritk nettement suptrieures B cel- les des explosifs tout octogkne, des compositions mixtes TATB-octogkne ont ktk realisCes.

L’ktude de la ditonation de ces compositions - vitesse de dktonation, courbure de l’onde en Ccoulement cylindri- que de rkvolution, Cnergie dClivrCe - a montrd un comporte- ment directement liC aux proportions d’octogkne et de TATB utilisees (1).

Soumises B des chocs de pression klevCe, soutenus ou de brkves dudes, ces compositions montrent une amorGabilit6 voisine de celle des explosifs B I’octogkne(2). Par contre, tous les essais de sCcurit6 rCalisCs jusqu’8 ce jour et mettant en oeuvre le processus d’amoqage par chocs de faibles intensitks, mettent en Cvidence un comportement se rappro- chant de ceux des explosifs au TATB.

Pour mieux comprendre ce processus d’amorqage des compositions mixtes TATB-octogkne, des mesures de pres- sion en fonction du temps ont CtC effectukes dans la compo- sition TXI (52 % TATB, 45 % octogkne) soumise B diver- ses sollicitations par choc.

Nous prksentons ces rCsultats experimentaux qui sont ensuite analysks B I’aide d’un modkle de points chauds fond6 sur un ensemble d’ktudes mentes sur l’influence de la microstructure des compositions explosives sur leur amorpbilitk (3).

2. Experiences

Le but des experiences est d’evaiuer la rCactivit6 de la composition mixte TXl soumise 8 des chocs. Si le choc est simple, il faut faire la jonction entre le comportement type TATB (faibles pressions) et le comportement type octogkne (fortes pressions). Le domaine de pression de choc B explo- rer est alors compris entre 0 et 10 GPa.

I1 est, par ailleurs, important de connaitre la sensibilitC de cette composition aprks passage d’un choc prCcurseur de faible amplitude.

2 .I Dispositif expe‘rimental

L’ensemble est schCmatist sur la figure 1. Un lanceur B poudre de calibre 60 mm propulse sur la cible d’explosif un sabot en polyCthylkne dont la face avant supporte un impac- teur. Deux types d’impacteurs sont utilisCs (figure 2): - monocouches, de cuivre ou d’acier, qui engendrent dans

la cible un choc unique. L’Cpaisseur est telle que ce choc est soutenu pendant plusieurs microsecondes.

- bicouches, plexiglas/cuivre, qui induisent deux chocs successifs dans l’explosif. La cible, quant B elle, est constitu6e d’un empilement de

disques d’explosif. Des jauges piCzorCsistives basse impCdance au manganin sont implantCes entre deux dis- ques. Quelle que soit la distance entre la surface de mesure

0721-31 15/93/0306-0128 $5.00+.25/0 0 VCH Verlagsgesellschaft, D-6940 Weinheim, 1993

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4 . .

3.

2.

1.

AmorGage par chocs dune composition TATB/octog&ne 129

’

-

.

support d’Bchontillon

jauge au manganin -c

chant illon d‘explosi i

IDL par fibre optique -.

15.

10.

5.

0..

P(t1

- “P

-

-

bouche consommable

Figure 1. Sch6ma du montage expkrimental.

Figure 2. Pression cr66e dans la cible suivant le type d’impacteur.

jauges de pression \

impact eur

pol ye thylgne

ClBLE - PROJECTILE

Figure 3. Cible.

et la surface d’impact, un disque de 15 mm d’explosif est accolC 2 i l’arrikre du montage (figure 3).

La rdsistance des jauges utilistes est de 0,070 Q. Ces jauges sont enrobCes de PTFE et leur Cpaisseur totale est de l’ordre de 230 pm. Leur temps de rCponse est bien adapt6 B 1’6tude du rkgime transitoire des explosifs.

Suite B un Ctalonnage prkalable, ces jauges fournissent une mesure de la pression en fonction du temps dans la cible d’explosif impacd.

2.2 Re‘sultats

(a) Chocs simples soutenus

Les conditions exptrimentales suivantes on CtC mises en oeuvre (Tableau 1):

Tableau 1.

P Impact W a l

Profondeurs de mesure h m l

2 s 2.5 4 6

2,5 et 10 2 et 5,5 et 10

2,4 et 5 2,4 et 5

Les principales Cvolutions de pression mesurCes sont tracCes sur les figures 4, 5 et 6.

Pour un choc initial de 2,5 GPa, aucune augmentation de pression significative n’est observCe, m6me aprhs 10 mm de propagation du choc dans I’explosif. Ceci correspond B une rCactivitC trks faible, sinon nulle.

A 4 GPa, par contre, la rCactivitC de l’explosif est as- sez forte, et B 6 GPa le profil de pression en fonction du

- 1

2000. LOOO. 6000. t [nsl

0.

Figure 4. Choc initial: 2,5 GPa.

Figure 5. Choc initial: 4 GPa.

I30 M. Nicollet, R. Belinas, J.P. Plotard, B. Udiment et M. Leroy

P [GPal 25. 1

t [nsl

Figure 6. Choc initial: 6 GPa.

temps dtnote une tvolution rapide vers une onde de dttona- tion.

( h ) chocs doubles

Les chocs ttudits ttaient les suivants (voir figure 2).

P, = 1,6 GPa

P2 =4GPa

T = 1,2 ps; 0,5 ps ou 0,1 ps

Dans les trois configurations, la mesure de pression a CtC effectute B 2 mm de la surface d’impact. Les rtsultats obtenus sont prtsentts sur la figure 7. Sur cette mCme figu- re a ttt reportte la pression mesurke suite B un choc simple de 4 GPa.

Un premier regard sur ces courbes montre: - un effet dtsensibilisateur d’un choc prtcurseur, mCme de

trbs courte durCe. Ainsi, un choc de durte 100 ns induit

P [GPaJ lo., ‘ I 1

I 2000. LOOO. 6000 o.L ‘

t Ins1

Figure 7. Chocs doubles.

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un retard au dtveloppement des reactions de l’ordre d’une microseconde.

- Cet effet est d’autant plus important que le choc prtcur- seur est appliqut longtemps. Si, avec un choc de 1,6 GPa appliqut durant 0,5 ps, le retard B l’initiation est voisin de 3 ps, ce m&me choc appliqut pendant 1,2 ps conduit B une rtaction nulle de l’explosif sous un choc de 4 GPa (inhibition totale). Cet ensemble de rtsultats exptrimentaux a Ctt analyst B

l’aide du modble de points chauds(3) dtveloppt par ailleurs.

3. Analyse

Le modble utilist (3) prend en compte: - l’implosion de la porositt avec tchauffement de l’explo-

sif ptriphtrique dQ aux dtformations viscoplastiques, - les transferts thermiques par conduction, - l’apport de chaleur lit B la dtcomposition de l’explosif.

Une connaissance de la microstructure de la composition explosive est donc nkessaire pour utiliser le modtle.

3.1 Aspect microstructural de la composition TX1

La composition TXI comprend, en volume: - 93.4 % d’explosif, - 4,6 % de liant inerte, - 2 % de porositt, la phase explosive Ctant constitute d’octogbne (granu- lomttrie 0 - 100 pm) et de TATB (granulomttrie 50 - 60 pm), en proportions voisines.

Les observations au microscope tlectronique B balayage et les mesures de porosimttrie montrent que les 2 % de porositt se dtcomposent en: - 0,5 % de pores intergranulaires de faible taille (rayon

jusqu’i 0,2 pm), - 1,5 % de pores intragranulaires de forte taille (rayon

jusqu’B 0,5 pm) situts dans les grains de TATB. L’octo- gbne ne comporte pas de porositt intraganulaire signifi- cative. L’analyse de 1’amorGage de la composition TXI doit

donc &tre effectute dans la configuration microstructurale suivante: - des pores de faibles dimensions, associts B I’octogtne et

ne reprksentant qu’une faible fraction de la porositt tota- le,

- des pores plus importants, correspondant B la majoritt de la porositt prtsente dans la composition, situts dans le TATB, qui est la phase la moins sensible du milieu ttu- dit.

3.2 Cas des chocs simples

L’utilisation du modkle de calcul des points chauds(3, et l’analyse des exptriences montrent que la porositC incluse dans le TATB ne conduit pas B un amoqage de celui-ci B des pressions de choc inftrieures a 4 GPa.

A ces pressions, l’initiation des rtactions obtenues dans la composition TX1 doit donc Ctre recherchte dans l’octo- gtne.

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0.

Pour une pression de choc de 2,5 GPa, aucune rkaction ne peut &re crCCe dans l’octogt?ne par une porositk de 0,2 pm (figure 8). L’explosif reste inerte.

Par contre, sous un choc soutenu de 4 GPa, les pores intergranulaires conduisent B une rCactivitC de l’octogkne en moins de 100 ns.

La dkcomposition de l’ensemble de l’explosif peut alors se dkvelopper par la combustion des grains d’octogkne, qui entraine celle des grains de TATB.

I I I

0.2 0.L 0.6 0.8

3.3 Effet d‘un choc pre‘curseur

La porositC intergranulaire, inefficace pour amorcer l’explosif sous une pression soutenue de 2,5 GPa, est, bien sfir, totalement sans effet dans le cas d’un choc de 1,6 GPa.

De plus, de faibles dimensions, ces pores sont rapide- ment fermCs et aucune porositC ne pourra permettre l’initia- tion directe de l’octogbne lorsque le choc de 4 GPa traver- sera l’explosif.

Les pores i n c h dans le TATB sont de plus grandes dimensions et, la viscositC du TATB Ctant supCrieure B celle de l’octoghe, leur temps de fermeture est plus ClevC.

300.

250.

200.

150.

100.

50

t a1 lu mag e [nsI 1 1 I 1 I

I I I I I I 1

a. I p m l

Figure 8. Temps d’allumage des points chauds intergranulaires.

AmorGage par chocs dune composition TATB/octog&ne 13 1

Ainsi, quand la durCe du prCcurseur est brkve (z < 500 ns), le choc de 4 GPa induit un Cchauffement du TATB autour des pores (8 -800 K). Cette quantitd de chaleur pro- duite, insuffisante pour amorcer le TATB, est transmise aux grains d’octogbne contigus. Elle les porte B une tempCrature telle que des rCactions peuvent s’ y dkvelopper.

Comme dans le cas d’un choc unique, l’initiation de l’explosif a donc lieu par l’intermediaire des grains d’octo- gbne, mais dans un dClai Cvidemment plus long.

Lorsque la durCe du prCcurseur croit, les pores du TATB sont Cgalement rendus inefficaces, et la composition se trouve totalement dCsactivCe.

Cette analyse, effectuke B partir de la connaissance de l’amoqage de compositions tout octogkne ou tout TATB et du modble de points chauds CIaborC pour en rendre compte, fournit ainsi une explication de 1’amorc;age de la compositi- on TX1 parfaitement en accord avec les observations expirimentales.

4. Conclusion

Les Cvolutions de la pression mesurCe en rCgime transi- toire dans la composition TX1 soumise B des chocs d’amplitude variable sont parfaitement en accord avec les rksultats obtenus lors des essais de skcuritt classiques (Pan- tex, Susan-Test, ...).

L’ensemble de ces donntes montre bien que cette com- position a un comportement inerte lorsqu’elle est sollicitCe B des pressions infkrieures B 2,5 GPa.

De mCme, 1’amorc;abilitC B haute pression (P 2 6 GPa) est retrouvCe par ces mesures.

L’utilisation d’un modele de points chauds CvoluC, fond6 sur l’expkrience et valid6 par 1’Ctude de I’amorSage des compositions B l’octoghe ou au TATB, combinCe h une bonne connaissance de la microstructure de la composition mixte TATB-octogkne permet d’expliquer le comportement de l’explosif.

On montre ainsi que l’existence de deux types de poro- sit6 joue un r6le prkdominant pour la stcurit6 de la compo- sition h bas niveau d’agression et pour son comportement suite B l’existence d’un faible choc prCcurseur.

5. References

(1) J. AveillC, N. Carion, J. Montrosset, J.C. Protat et C. Mouchel, “Etude exPCrimentale de l’influence du diambtre sur la cC1CritC de dCtonation et loi cClCritC/courbure de charges explosives base d’octogkne et de TATB”, Journies Dttonique de Bourges, 1986.

(2) J. AveillC, J. Appencourt et G . Sancan, “Courbes critiques d’amorcage sous choc impulsionnel de compositions explosives B base de HMX et TATB”, Journtes Ditonique de Bourges, 1986.

(3) R. Belmas, J.P. Plotard, C. Bianchi, M. Leroy, M. Nicollet et E. Meillot, “Un modkle de points chauds fond6 sur I’implosion de la porositC microstructurale”. Soumis pour publication 1 Propellants, Explosives and Pyrotechnics.

(Remis le 11 mars 1992; Ms 12/92)