Analyse Nanoseconde en Détonique par Réseaux Optiques dans les Matériaux Energétiques de DEfense – ANDROMEDE

Le projet ANDROMEDE a pour objectif de concevoir et de tester un procédé métrologique innovant apte à déterminer en temps réel et in situ de manière non intrusive, les distributions de pression et de vitesse de l’onde de choc inerte et réactive.

Les objectifs globaux sont d'enregistrer sous choc :
• les contraintes jusqu’à 16 GPa (limite du domaine intègre de la fibre) en analysant le décalage spectral induit par la compression locale de la fibre et suivi d’une phase de détente de quelques GPa,
• la vitesse de choc inerte associé au profil de contrainte,
• la vitesse de choc réactif en analysant la diminution de la longueur du réseau de Bragg lors de la rupture de la fibre au-delà de 16 GPa,

Les procédés métrologiques reposent sur l’usage de réseaux de Bragg photo-inscrits dans le cœur de fibres optiques. Ces fibres sont implantées au sein des matériaux énergétiques étudiés.
Ces réseaux de Bragg ne se comportent pas seulement comme des indicateurs de position, mais aussi comme transducteurs de contraintes.

L’ambition du projet ANDROMEDE est de lever trois verrous techniques pour améliorer les mesures de contraintes et de vitesse de choc :
- Mise au point et optimisation d'un spectromètre ultra-rapide infrarouge,
- Validation d’un modèle opto-mécanique de décalage spectral par rapport à l’état de contraintes sous choc jusqu’à 16 GPa,
- Intégration de transducteurs de Bragg dans le but de mesurer la vitesse de l’onde de choc réactive.

Le spectromètre a été reglé et testé sur un banc statique avec le nouveau réseau de diffraction, la barrette de photodiode et les cartes d'amplification adaptées. L'achat des fibres de Bragg et leur étalonnage ont été bégalement réalisés. Le dimensionnement des campagnes expérimentales est en cours. Une première campagne a pu être réalisée à Gramat et exploitée dans la configuration mesure de contrainte. Le décalage spectral induit par le réseau de Bragg comprimé est mesuré à 8 nm/GPa +/- 1.4 nm/GPa. Le jalon L3 à T0 +24 est conforme aux attentes.

Un projet maturation est à l'étude pour le transfert industriel.

Y. Barbarin, et al, « Optimization of detonation velocity measurements using a Chirped Fiber Bragg Grating », Proc. SPIE 9480-25, Fiber Optic Sensors and Applications XII, (2015)
Y. Barbarin, et al, « Mesures continues de la vitesse de détonation et du profil de contrainte par fibres optiques à réseau de Bragg » acceptée à CMOI 2015 (Lannion)
V. Chuzeville, et al, « Detonation Initiation of Heterogeneous Melt-Cast High Explosives », APS SCCM 15 – 19 juin 2015
V. Chuzeville, et al, « Shock Initiation of Heterogeneous Melt-Cast High Explosives » Europyro – IPS, mai 2015

La compréhension des phénomènes transitoires réactifs est fondamentale pour l’emploi des matériaux énergétiques en termes de sécurité et de performances.
Les instrumentations conventionnelles (aiguilles à contact, jauges électromagnétiques multibrins pour les mesures de vitesses et jauges piézo-résistives pour les mesures de contraintes) fournissent des mesures ponctuelles dans l'espace. L'utilisation de fibres optiques (fibres percées, interféromètres Doppler fibrés (IDF), réseaux de Bragg) offre une faible intrusivité, une totale immunité électromagnétique et une excellente résolution spatiale notamment pour des mesures réparties.
Le projet ANDROMEDE (Analyse Nanoseconde en Détonique par Réseaux Optiques dans les Matériaux Energétiques de DEfense) incluant le CEA LIST, le CEA Gramat et SME (Groupe SAFRAN), positionné en recherche fondamentale, vise à étendre la capacité des mesures dynamiques par réseaux de Bragg avec l’apport de la spectrométrie. Le CEA LIST et le CEA Gramat disposent déjà d'un retour d'expérience sur la mesure de vitesses de détonation par réseaux de Bragg. L'ambition du projet ANDROMEDE est d'établir la faisabilité d'une mesure des distributions de vitesses et de pressions sous choc et du profil de courbure de l’onde de choc. Pour cela, deux dispositifs optoélectroniques de résolution spatiale sub-millimétrique (un lecteur Bragg multivoies (5 voies) et un spectromètre ultra-rapide) seront développés et testés sur des configurations expérimentales adaptées.
L’objectif du projet ANDROMEDE est de révéler ces phénomènes transitoires par l'emploi d'un capteur de type réseau de Bragg photo-inscrit dans une fibre optique en silice (Fiber Bragg Grating) et intégré au sein même d’un assemblage explosif ou inerte. Les fibres optiques en silice envisagées présentent un seuil de rupture fragile sous choc de l’ordre de 16 GPa. L’utilisation d’une telle fibre permettra d’accéder à la pression pour des contraintes inférieures à ce seuil par une mesure du décalage spectral lié au "pic de choc" correspondant à la portion de réseau sous choc. L'évolution au cours du temps de la largeur du maintien du choc peut aussi être déduite de l'intégrale spectrale de ce pic et la vitesse de choc peut aussi être estimée. Au-delà de 16 GPa, il y a rupture de la fibre, la célérité de l’onde réactive est déduite d’une méthode "potentiométrique", consistant à relier l'amplitude du signal laser réfléchi à la position du front de choc en fonction du temps via un abaque position-longueur d'onde. L’implantation de plusieurs fibres en parallèle, dans la section de l'explosif, permettra d’accéder à la courbure de l’onde.
Ce nouveau capteur vient en rupture technologique par rapport aux capteurs habituellement utilisés en métrologie dynamique.

Le projet ANDROMEDE vise à fournir une nouvelle brique technologique utilisable pour améliorer la compréhension des phénomènes transitoires dans les matériaux énergétiques, et pour mieux caractériser les seuils réactifs par le suivi de l’évolution des grandeurs physiques en continu, permettant notamment un meilleur dimensionnement des systèmes d’amorçage, des relais de détonation et des chargements principaux.
De plus, ce projet s'inscrit dans la tendance actuelle de développements de technologies avancées en spectrométrie.
Le potentiel d’utilisation dans le domaine civil du savoir-faire acquis sera examiné par une étude prospective. Plusieurs axes de valorisation seront considérés, l’instrumentation de maquettes ou d’éprouvettes destinées à évaluer la tenue des structures industrielles aux sollicitations dynamiques, la caractérisation de Transition Combustion-Déflagration-Détonation (TCoDD) dans des conteneurs de produits pulvérulents et des propergols et l’étude des mécanismes d’explosion de gaz et de poussières.