Outils d’ingénierie Assistée par ordinateur pour la conception de SYStèmes pyrotechniques intégrant des thermites – OASYS

Les thermites, mélanges de poudres fines de métaux hautement énergétiques (Al, B, Si, Ti) et d’oxydes métalliques, se distinguent des explosifs par le fait que les fronts de réaction se propagent de manière subsonique et sont contrôlés par diffusion atomique des réactifs. Ainsi les thermites peuvent être conçus pour réagir sur une large gamme d'échelles de temps. En d’autres termes, par une ingénierie minutieuse des réactifs, comprenant le réglage de la taille mais aussi la périodicité des réactifs, la stœchiométrie, il est possible de régler finement la réactivité de ces matériaux en fonction de l'application visée. En raison de leur densité énergétique élevée et de leur très forte réactivité réglable, les thermites sont considérées comme des matériaux énergétiques de choix pour de nombreuses applications exigeant une forte puissance. Parmi les applications industrielles, on trouve des dispositifs d'autodestruction, des allumeurs et amorces pyrotechniques, des fusibles, les réparations par soudure dans des zones confinées, ainsi que la séparation d’étages pour le spatial. Cependant, le déploiement de ces matériaux prometteurs dans les diverses applications militaires, civiles et spatiales se heurte à un obstacle majeur lié au manque d’outil de simulation numérique pour la combustion thermite. Or c’est un passage obligé pour la conception des futurs produits pyrotechniques intégrant des thermites. L’espace de conception de ces matériaux énergétiques étant immense, les procédures classiques basées sur des essais/erreurs sont à la fois imprécises et inefficaces : non seulement la nature des réactifs (métal et oxyde) choisis, mais aussi la taille des particules de chacun d’eux, la pureté du métal, la densité et les conditions stœchiométriques du mélange sont des facteurs d’influence majeur sur leurs propriétés énergétiques (vitesse de combustion, température et produits de combustion).
Le projet OASYS propose de développer la première génération de modèles physiques capables de prédire précisément et efficacement les propriétés de combustion d’une thermite en fonction de la nature de ses réactifs, de la taille des particules, de la pureté du métal, de la densité et stœchiométrie du mélange. C’est une première étape clé dans la mise en œuvre d’une méthodologie de conception plus systématique et efficace basée sur des modèles statistiques adaptée au « inverse-design ».
Cet objectif ambitieux soulève plusieurs défis scientifiques et numériques : (1) approfondir la compréhension de la physique de l'écoulement multiphasique dans la zone de réaction d’une thermite ; (2) développer une description mathématique réaliste de la physique de la déflagration dans ces matériaux; (3) implémenter une méthode numérique efficace pour la résolution des équations différentielles hyperboliques multiphasiques couplées. L’effort scientifique se focalisera sur deux thermites à base d’aluminium, Al/CuO et Al/Fe2O3, identifiées d’importance pour l’actionnement, l’initiation ou la soudure. A l’issu des 3 ans, une plateforme logicielle validée par des expériences sera fournie. Elle comprendra deux modules principaux : (1) des modèles de combustion 1D capables de simuler à coût de calcul raisonnable la propagation du front de combustion, dans chacune des thermites Al/CuO et Al/Fe2O3 contenues dans un tube fermé, ouvert ou semi-fermé ; (2) un code de simulation multiphysique par éléments finis permettant d’évaluer l’évolution temporelle du champ de température subi par une structure mécanique en interaction avec la thermite en combustion.
Les retombées du projet sont évidentes, un enrichissement du secteur des matériaux énergétiques par les thermites, ouvrant la voie à la conception de nouvelles fonctionnalités et/ou permettant de concevoir des systèmes pyrotechniques innovants et plus miniaturisés, pour les domaines de la défense, de l’espace et du civil.