Littérature scientifique sur le sujet « Composition pyrotechniques »

Le chromatrope est une plaque animée, constituée de deux verres peints avec des bandes de couleurs brillantes formant des motifs ornementaux abstraits. Les verres sont mis en rotation en sens inverse l’un de l’autre grâce à un châssis à manivelle qui, une fois inséré dans la lanterne magique, permet de projeter sur un écran des compositions de couleurs en mouvement. Grâce au succès public des spectacles présentés au théâtre optique de la Royal Polytechnic Institution de Londres par le peintre et lanterniste Henry Langdon Childe, le chromatrope devient à partir des années 1840 une forme d’attraction très populaire dans les théâtres français. Il possède à la fois une fonction de divertissement et une fonction pédagogique visant à instruire les spectateurs sur les théories de la couleur. Si les origines culturelles de l’instrument sont liées à une sorte d’hybridation entre la tradition prémoderne des spectacles pyrotechniques et les développements plus récents de l’ornement industriel, sa longévité au cours du XIXe siècle s’explique plutôt par l’évolution de son statut et des discours savants qui ont accompagné son passage de la physiologie optique à la psychophysiologie de la couleur. Grâce au mouvement captivant et répétitif de ses rosaces multicolores, le chromatrope, avec son potentiel de projection suggestive, paraît susceptible de produire un conditionnement psychologique sur les spectateurs. En vertu de ce pouvoir de suggestion, l’instrument est alors décrit à la fois comme un mécanisme spectaculaire et comme un dispositif hypnotique à visée thérapeutique.

Les compositions pyrotechniques sont des matériaux énergétiques composites dont la combustion provoque divers effets tels que la production de lumière, de fumée, de son ou encore de chaleur. Cette diversité les rend très versatiles, et leur permet de trouver des applications multiples, tant civiles que militaires. Constituées d'un mélange granulaire d'au minimum un oxydant et un réducteur, leurs caractéristiques de combustion sont modifiables aux travers de nombreux facteurs : la nature et la composition du mélange, la taille des particules, le taux de compaction ou encore méthode de fabrication. Chacun de ces paramètres influence la structuration de la composition en générant des variations locales de richesse en réactifs plus ou moins favorables à la propagation de la combustion. Ce travail de thèse a pour objectif le développement d'un modèle numérique intégrant l'effet de l'anisotropie grâce à des techniques de traitement d'images. À la suite d'un bref état de l'art sur les compositions pyrotechniques, le développement d'un modèle différenciant les grains d'oxydant et de réducteur est présenté. Ce modèle intègre deux réactions couplées à des phénomènes de transport de matière : l'oxydant se décompose en libérant de l'oxygène, qui diffuse au sein du matériau avant de réagir avec le réducteur. Une étude paramétrique a permis d'identifier deux régimes distincts, caractérisés grâce au nombre de Damköhler. Finalement, des compositions sous formes de pastilles ont été fabriquées et caractérisées. Des images de microscopie électronique à balayage (MEB) de leur surface ont été utilisées pour développer des cartographies 2D de la répartition des constituants grâce à des techniques de traitement d'images. Ces cartographies ont ensuite été utilisés pour initialiser les concentrations dans les domaines de calcul du modèle. Leur diffusivité thermique a été calculée numériquement et comparées à des mesures expérimentales. Les simulations de combustion ont mis en évidence l'impact de la répartition locale des grains sur la propagation du front de combustion
Pyrotechnic compositions are composite energetic materials whose combustion produces various effects such as light, smoke, sound, or heat. This diversity makes them highly versatile, allowing for multiple applications in both civilian and military contexts. Composed of a granular mixture of at least one oxidizer and one reducer, their combustion characteristics can be modified by numerous factors: the nature and composition of the mixture, particle size, compaction rate, and manufacturing method. Each of these parameters influences the structuring of the composition by generating local variations in reactant concentration, which can be more or less favorable to the propagation of combustion. This thesis aims to develop a numerical model that incorporates the effect of anisotropy using image processing techniques.Following a brief review of the state of the art on pyrotechnic compositions, the development of a model differentiating between oxidizer and reducer grains is presented. This model incorporates two reactions coupled with mass transport phenomena: the oxidizer decomposes, releasing oxygen that diffuses within the material before reacting with the reducer. A parametric study helped identify two distinct regimes, characterized by the Damköhler number. Finally, compositions in the form of pellets were manufactured and characterized. Scanning electron microscopy (SEM) images of their surfaces were used to develop 2D maps of the distribution of the constituents using image processing techniques. These maps were then used to initialize the concentrations in the model's computational domains. Their thermal diffusivity was calculated numerically and compared to experimental measurements. Combustion simulations highlighted the impact of the local grain distribution on the propagation of the combustion front

L'initiation thermique de la combustion de compositions pyrotechniques par une diode laser est un mode d'allumage alliant un niveau de fiabilite eleve a un faible encombrement spatial, ce qui autorise son utilisation dans des systemes embarques de haute precision. Les performances de l'allumeur sont etudiees en mesurant le seuil d'initiation et le delai d'allumage du melange pyrotechnique. Deux montages differents ont ete mis en place, le premier utilisant une fibre optique pour amener l'energie du laser jusqu'a la composition et le deuxieme un systeme de deux lentilles pour refocaliser l'energie sur la composition. Trois melanges pyrotechniques differents ont ete etudies dans la deuxieme configuration d'initiateur. L'etude des performances de l'initiateur a montre que la granulometrie du reducteur, la stoechiometrie du melange, le type d'allumeur et la porosite de la pastille agissent de maniere importante sur les parametres de l'allumage. En ce qui concerne la porosite, son effet peut etre inhibe par introduction d'opacifiant dans la masse de composition pyrotechnique. Afin de pouvoir mettre en evidence le parametre physique qui pilote l'initiation thermique par un laser, des analyses physico-chimiques et une modelisation de l'initiation thermique en phase solide ont ete entreprises. Les resultats de ces etudes ont montre que pour les quatre parametres influant sur l'initiation, c'est essentiellement ceux qui concernent l'aspect chimique qui permettent de justifier les tendances observees. De plus cette etude montre, qu'une bonne adequation entre les resultats de la modelisation et l'experience impose la determination des parametres cinetiques par une methode autre que l'analyse thermique de type dsc. Des moyens specifiques aux reactions pyrotechniques doivent alors etre utilises. C'est donc paradoxalement la cinetique chimique qui controle les parametres de l'allumage lorsqu'une composition pyrotechnique est initiee par un laser avec un effet thermique.

Parmi les méthodes d'allumage, l'initiation par diode laser présente de nombreux avantages. Les diodes laser sont très fiables, leur encombrement et leur poids sont faibles, elles peuvent donc facilement être utilisées dans les systèmes embarqués d'ignition. L'opto-inflammateur est composé de deux lentilles qui focalisent le faisceau laser sur le comprimé. Un hublot en saphir, juxtaposé à la composition pyrotechnique, protège l'ensemble optique mais provoque des pertes de chaleur qui se traduisent par une augmentation des seuils d'énergie. Ce montage a été utilisé pour déterminer la sensibilité de trois mélanges : Fe/KlO4, B/KClO4 et B/KNO3. Sur ce dernier, un comportement particulier a été observé car il y a une augmentation de l'énergie d'ignition lorsque la puissance laser augmente. Un emodélisation, basée sur une absorption progressive du faisceau laser à l'intérieur d'une composition pyrotechnique réactive a été mise au point. Elle tient compte des échanges d'énergie entre le système d'amorçage et le comprimé. Deux paramètres d'interface permettent d'optimiser les calculs. L'un concerne les échanges de chaleur au niveau de l'interface hublot/comprimé, l'autre concerne l'absorption du faisceau laser par le matériau énergétique. En combinant ces deux termes, il a été possible de corroborer les seuils expérimentaux sur cinq mélanges pyrotechniques.