Brevet FR2625305A1 — publié le 19890630

-1- La présente invention concerne un dispositif pyrotechnique, et plus particulièrement un dispositif destiné à être utilisé pour faire écran entre une source émettant de la chaleur et un dispositif de recherche de chaleur ou de détection de chaleur, comprenant par exemple un laser. En variante, il peut fonctionner comme leurre pour un tel dispositif. Le mot "chaleur" est utilisé présentement pour désigner un rayonnement électromagnétique dans la gamme de longueur d'ondes de 3 à 14 microns. L'invention trouve une application, à des fins militaires pour faire écran entre des tanks, des bateaux, ou autres véhicules émettant de la chaleur ou d'autres sources de chaleur, y compris les personnes, et des missiles de recherche de chaleur ou des systèmes de visée à détection infra-rouge, des lasers et analogues. L'invention concerne un dispositif pyrotech- nique destiné à faire écran entre une source émettant de la chaleur et un dispositif de recherche de chaleur ou de détection de chaleur, le dispositif pyrotechnique contenant une composition pyrotechnique qui comprend une substance en particules, un propulseur combustible capable, après allumage, de chauffer la substance en particules et de l'expulser du dispositif pour former un écran de particules chaudes ayant un degré important de rayonnement dans latande de longueur d'ondes de 3 à 14 microns, par combustion ou dJune autre manière, et des moyens pour inhiber l'oxydation de la substance en particules à l'intérieur du dispositif. En particulier, le dispositif est prévu pour émettre des particules de combustion discrètes sur un volume relativement important. La nature des 2- particules est telle qu'elles émettent un rayonnement électromagnétique sur une large gamme de longueur d'ondes mais principalement dans la région infra-rouge. Si un dispositif pyrotechnique selon l'invention est allumé à une distance, par exemple de 20 mètres, en face d'un véhicule émettant de la chaleur, ou si de préférence une salve de tels dispositifs, espacée par exemple à des intervalles de 3 mètres, est allumée en face d'un tel véhicule, un écran de particules d'émission infra-rouge s'établit en face du véhicule, l'écran ayant par exemple une hauteur de 5 mètres et une largeur de 3E mètres. Cet écran sera efficace pour réduire le rapport de contraste d'émission infra-rouge entre le véhicule et son environnement et brouiller ainsi le système de guidage d'un missile de recherche de chaleur ou brouiller le dispositif de détection thermosensible ou l'équipement de visualisation thermique d'un dispositif de visée analogue. Cet effet est renforcé si le dispositif émet des pulsations, et fait ainsi varier continuellement le rapport de contraste, ce qui fait échouer toutes tentatives de recaler l'équipement de détection pour contrer l'effet de l'écran. La pulsation peut être produite en faisant varier la composition à l'intérieur du dispositif, ou en incorporant des ingrédients pour ralentir la vitesse de combustion, ou par une conception mécanique de la buse à travers laquelle les gaz et les particules chaudes sontéjectées,ce qui aboutit à une oscillation de pression. Cet écran sera efficace pour produire une radiance moyenne (sur son étendue) qui est au moins aussi large que celle de la cible qui doit être masquée par l'écran, et peut même être suffisamment large pour -3- saturer tout équipement de détection, et il réduira le rapport de contraste entre la cible et son environ- nement. De cette manière, le système de guidage d'un missile de recherche de chaleur est brouillé et la cible est soustraite à l'équipement de visualisation thermique ou d'un dispositif de visée à laser. Cet effet est aussi renforcé par la pulsation de l'écran et le mouvemert continuel des particules de combustion qui font varier continuellement le rapport de contraste. En théorie, on peut utiliser toute matière combustible en tant que substance absorbant de la chaleur et émettant de la chaleur, mais, de façon à obtenir des dimensions pratiques de dispositif et des étendues d'écrans importantes avec des durées de vie raisonnables, il est important que les matières présentent de larges émissions infra-rouges dans les gammes de longueurs d'ondes intéressantes. A cet égard, on préfère les métaux pour les raisons suivantes: 1 ) ils présentent des chaleurs de combustion élevées par gramme de matière, 2 ) ils présentent des températures de combustion élevées, 3 ) les produits de combustion sont des oxydes métalliques qui ont des bandes d'émission dans les longueurs d'ondes requises, spécialement dans la gamme de 8 à 14 microns, 4 ) les produits de combustion sous forme d'oxydes métalliques ne sont pas volatiles et forment une fumée fine qui disperse et absorbe le rayonnement provenant du véhicule cible. Un certain nombre de poudres métalliques peuvent être utilisées avec ces dispositifs et elles peuvent être soit des éléments simples, soit des alliages d'au moins deux métaux, soit des alliages de métaux avec -4- des semi-métaux et des non-métaux, soit des mélanges de deux ou plusieurs métaux ou alliages. Le titane constitue un tel métal qui présente des caractéristi- ques convenables de combustion et d'émission d'infra- rouges. Une température typiques obtenue par la combus- tion du titane est de 3000 K et il en résulte la formation d'oxydes de titane, par exemple TiO2, Ti305, Ti203, Tio,etc. qui éettetensemble fortement dans la bande de 8 à 12 microns. Le pic de ce rayonnement se situe dans la région de 8 à 9 microns, et la radiance chute ensuite rapidement lorsque augmente la longueur d'onde. Toutefois, la radiance moyenne dans la bande de 8 à 12 microns est d'environ 20 à 30 fois celle qui est prévisible d'après la théorie du rayonne- ment du corps noir. Dans le cas du titane, du fait que la température de combustion est inférieure à la fois au point d'ébulli7 tion du métal et de l'oxyde métallique (respectivement de 3590 et35000 K), et du fait que les oxydes sont solubles dans le métal fondu, la particule de métal fait l'objet d'une combustion sous forme d'une gouttelette fondue avec de l'oxygène provenant de l'air migrant à travers les couches extérieures d'oxydes vers le métal. En conséquence, pour la plupart de la combustion, la gouttelette fondue reste essentiellement constante en dimension, bien que vers la fin il se produise une éjection explosive de pluies de petites particules (voir par exemple A.F. Clarke, J.C. Moulder et C.C. Runyan, Combustion and Flame (1974), 23, 129). Les métaux qui présentent des propriétés de combustion similaires à celles du titane sont les autres métaux du groupe IV A de la classification périodique, Zr et Hf, les éléments de groupe VA, V, Nb, Ta, les lanthanides et les actinides. -5- Les caractéristiques d'émission spectrales des métaux et alliages varieront en fonction des éléments concernés. Les métaux qui présentent des caractéristiques d'émission spectrales semblables à celles du titane comprennent Zr, Hf, Mn. D'autres éléments présentent une baisse moins profonde de la radiance que celle du titane lorsque la longueur d'onde augmente dans la région de 8 à 12 microns ou, en fait un pic d'émission à des longueurs d'ondes plus grandes, par exemple Si, V, Fe. Selon les caractéristiques d'émission spectrales désirées, on peut préférer un mélange de deux ou plusieurs métaux, par exemple des mélanges de titane et de silicium ont pour résultat une distribution de radiance spectrale dans l'intervalle de 8 à 12 microns qui est relativement plate étant donné que la bande d'émission centrée sur microns en raison de la combustion du silicium se combine avec la bande du titane mentionnée ci- dessus pour fournir un meilleur recouvrement de l'émission dans la fenêtre atmosphérique de 8 à 12 microns, (c'est- à-dire lYntervalle de longueurs d'ondes de rayonnement qui ne sont pas absorbées par l'atmosphère). On peut utiliser des alliages de métaux, ou de métaux avec des semi-métaux ou avec des non-métaux, par exemple TiC, TiSi2, TiB2, NiA12, CaSi2, Ni2Zr3. Les alliages de ce groupe sont les alliages Ti-Si. Il peut être avantageux d'utiliser des alliages plutôt que des mélanges lorsque l'un des éléments est difficile à allumer. 30. Une compositbn convenable pour la charge du dispositif pyrotechnique comprend: % de titane en poudre, % de carbone, par exemple sous la forme de charbon de bois, et -6- % de poudre à canon, ou des composants de poudre à canon. Une seconde composition convenable comprend 32 % de titane en poudre, 16 % de charbon de bois, 47 % de poudre à canon, 4 % de résine acaroide, 1 % de nitrate de potassium. Dans cette seconde composition la résine acaroide est incluse pour modifier la vitesse de combustion et le nitrate de potassium pour améliorer l'effet de la résine. Cette composition, bien que contenant un plus faible pourcentage de poudre de titane que la première composition, présente une durée de combustion plus longue et peut satisfaire aux exigences d'un dispositif capable de fournir un écran efficace sur une période de 30 secondes. Les exigences variables concernant la hauteur de l'écran, la durée de l'écran et la densité de l'écran, sont satisfaites en faisant varier les quantités relatives des constituants. Une augmentaton de la proportion de la substance en particules fournit une augmentation de densité, et de durée de l'écran, mais diminue la hauteur de l'écran si elle est accompagnée par une réduction de la proportion du propulseur. D'autre part, une augmentation de la proportion, ou effet de production de gaz, du propulseur augmente la hauteur de l'écran au prix de la durée, si la quantité de substances en particules est réduite. La durée de l'écran dépend de la vitesse de combustion du propulseur, qui peut être réduite par des additifs comme décrit ici, mais au prix de la diminution des proportions de la substance en particules -7- ou du propulseur. La dimension particulaire du combustible métallique constitue un facteur important pour formuler la meilleure composition pour l'écran. Evidemment, plus les particules sont petites, plus leur nombre est important par poids unitaire et plus la surface d'émission des particules est importante par poids unitaire. Toutefois, les durées de combustion diminuent avec la dimension particulaire. Les particules plus petites sont plus facilement éjectées du dispositif et continuent à se déplacer avant d'être brûlées; elles peuvent être également plus facilement allumées, ce qui non seulement affecte la performance du dispositif mais aussi la sûreté de manipulation des matières de l'écran. Par conséquent, l'intervalle de dimensions particulaires et les quantités de matière dans chaque dimension de particules seront choisies en fonction de la.taille, de l'intensité et de la durée de l'écran requis. Il apparaîtra que la teneur de poudre de titane dans lesexemploe mentionn ésci-dessus d'une composi- tion convenable est beaucoup plus élevée que celle nor- malement utilisée dans les feux d'artifice, o la teneur en titane est typiquement de 10 % et rarement supérieure à 20 %. De telles compositions typiques pour feux d'artifice tendent également à être riches en nitrate de potassium qui est une substance riche en oxygène. En revanche, la composition préférée utilisée dans la psente invention utilise du charbon de bois pour produire un défaut d'oxygène dans les produits de combustion en laissant le dispositif tel que la quantité de titane consumée avant d'être éjectée soit maintenue au minimum. Non seulement le carbone -8- en excès réagit avec tout oxygène à l'intérieur du dispositif, de préférence au titane, mais aussi les oxydes de carbone chauds formés par suite de la combustion, se dilatent et aident le propulseur à faire sortir et à diriger la poudre de titane en combustion. Les particules de carbone et les oxydes de carbone chauds déchargés du dispositif émettent eux-mêmes également un rayonnement électromagnétique dans la région infra-rouge. Par suite, le dispositif est très efficace en termes du poids de titane qui est éjecté et brûlé dans l'atmosphère, et du faible poids de charge restant à l'intérieur du dispositif une fois que la combustion est complète. Le dispositif est ainsi de loin supérieur en performance à une composition de feux d'artifice comparable. A la place du charbon de bois en tant que moyen pour ycuire un défaut d'oxygène, on pourrait utiliser d'autres agents réducteurs. A la place de la poudre à canon, on peut utiliser d'autres propulseurs, comme par exemple de la nitrocellulose, avec ou sans autres agents de production de gaz, comme par exemple du nitrate de guanidine. Des propulseurs avec des propriétés de production de gaz plus importantes augmenteront la vitesse et la distance d'éjection et diminueront ainsi la nécessité de créer un défaut d'oxygène. Si de tels autres propul- seurs produisent un défaut d'oxygène, la quantité de charbon de bois dans le mélange peut être diminuée. On peut également inclure des agents pour aider l'allumage des particules de métal ou d'alliage comme par exemple des polymères organiques fluorés, en particulier le P.T.F.E. -9- Les particules de métal ou d'alliage peuvent être revêtues avec des agents pour ralentir le procédé de combustion, comme par exemple des polymères organi- ques fluorés. De tels revêtements peuvent rendre les particules de métal ou d'alliage plus facileset/ou plus sûres à manipuler. Le dispositif pyrotechnique peut être incorporé dans un projectile de type mortier ou roquette, ou dans un dispositif supporté au sol, destiné à être utilisé sur terre, ou dans un dispositif flottant destiné à être utilisé en mer. En variante, le dispositif pyrotechnique pourrait être incorporé dans un obus conçu pour éclater au-dessus du sol, ou au-dessus de l'eau, ou prévu pour-tomber lentement en étant suspendu à un parachute, par exemple à la manière d'une fusée éclairante. Normalement, plusieurs dispositifs de ce genre convenablement espacés, et éventuellement en salves répétées, seront nécessaires pour produire et maintenir un écran convenable. Pour une utilisation marine, un tel écran peut nécessiter d'avoir une hauteur de 100 mètres. La figure unique du dessin annexé montre la relation entre a radiance spectrale d'une composition selon l'invention (la composition à laquelle on s'est référé ci-dessus comme seconde composition convenable) dans la courbe A et d'un écran particulaire hypothéti- que émettant simplement un rayonnement de corps noir dans la courbe B, les particules de l'écran ayant une densité particulaire dans l'air comparable à celle de la composition selon l'invention et étant maintenues à la même température. Le dessin illustre les deux fenêtres atmosphé- riques W1 et W2 pour la transmission de rayonnement -10- infra-rouge, à savoir dans les bandes de longueur d'ondes de 3 à 5 et de 8 à 12 microns. Le dessin montre également le rayonnement du corps noir, à savoir la courbe C, d'une cible typique à 360 K et montre en outre que, bien que l'écran hypothétique fournisse un rayonnement efficace dans la fenêtre atmosphérique W1 de longueur d'ondes la plus basse, la quantité de rayonnements qu'il fournit dans la fenêtre atmosphé- rique W2 de longueur d'ondes supérieures, comme décrit précédemment, est bien en dessous de celle nécessaire pour fournir un écran efficace. En outre l'effet d'écran chute rapidement lorsque augmente la longueur d'ondes. D'autre part, la composition selon l'invention fournit un rayonnement beaucoup plus grand que celui de la cible sur la bande de longueur d'ondes de 8 à 10 microns. La bande de longueur d'ondes de 8 à 10 microns est la bande dans laquelle les dispositifs de recherche de chaleur et de détection de chaleur sont couramment les plus sensibles. Si toutefois un tel intervalle de sensibilité était prolongé dans la bande de longueur d'ondes de 10 à 14 microns, la bande efficace de rayonnement de la composition pourrait être prolongée, comme décrit ici, par l'inclusion de substances telles que le silicium. L'effet de l'addition au titane d'autres métaux ou alliages métalliques peut être jugé d'après le tableau suivant qui donne les radiances moyennes dans trois bandes de longueurs d'ondes de diverses substances mesurées au laboratoire durant la combustion de petits dispositifs (par exemple de 3 à 5 grammes), comparativement au titane dont la radiance dans la bande de 5, 7 à 8,4 microns a reçu arbitrairement la valeur 100, et les autres valeurs ont été exprimées -11- relativement à celles-ci. RADIANCES RELATIVES EN BANDES DE LONGUEUR D'ONDE MATIERE BANDES DE LONGUEUR D'ONDE 7,5-8,4 9,8-11,5 8,0-13,3 microns microns microns VALEURS DE RADIANCE Titane 100 10 10 Silicium 25 19 13 Siliciure detitane 34 24 19 Zirconium 72 10 15 Siliciure de Zirconium 54 33 24 Siliciure d'aluminium 37 30 19 Les résultats montrent que l'effet du silicium (soit seul, soit sous forme d'alliage) pour augmenter le rayonnement infra-rouge aux environs de 10 microns, relativement à celui aux environs de 8 microns, ce qui peut être souhaitable dans certaines applications. Avec cette faculté de façonner la distribution spectrale du rayonnement émis par l'écran, il apparaîtra qu'il est possible de faire en sorte que la distribution spectrale de rayonnement varie au cours du fonctionnement du dispositif en ayant des zones de composition pyrotech- niques différentes dans le dispositif, par exemple une à base de titane alternant avec une à base de silicium. Ceci pourrait empêcher toute tentative de faire échouer l'écran en recalant le dispositif de visualisation thermique, etc., de la même manière que la pulsation de l'écran décrite ci-dessus. -12- REVENDICATIONS 1. Dispositif pyrotechnique destiné à faire écran entre une source émettant de la chaleur et un dispositif de recherche de chaleur ou de détection de chaleur, le dispositif pyrotechnique contenant une composition pyrotechnique qui comprend une substance en particules et un propulseur combustible capable, après allumage, de chauffer la substance en particules et de l'expulser du dispositif, caractérisé en ce que la composition est capable de former un écran de particules chaudes ayant un degré important de rayonne- ment dans la bande de longueur d'ondes de 3 à 14 microns, par combustion ou d'une autre manière, et en ce qu'il contient des moyens pour inhiber l'oxydation de la substance en particules dans le dispositif. 2. Dispositif pyrotechnique selon la reven- dication 1, caractérisé en ce que la composition dans son ensemble est telle que, après allumage, des gaz dépourvus d'oxygène se forment dans le dispositif. 3. Dispositif pyrotechnique selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les moyens pour inhiber l'oxydation sont une substance absorbant l'oxygène capable de retarder l'oxydation de la substance en particules avant son expulsion du dispositif. 4. Dispositif pyrotechnique selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la substance en particules comprend du titane métallique, un alliage de titane ou un composé combustible du titane. 5. Dispositif pyrotechnique selon la revendi- cation 4, caractérisé en ce que le titane métallique est présent en quantité de 20 à 60 %. 6. Dispositif pyrotechnique selon la revendi- cation 3, caractérisé en ce que la substance absorbant -13- l'oxygène est du charbon de bois. 7. Dispositif pyrotechnique selon la revendi- cation 6, caractérisé en ce que le charbon de bois est présent en quantité de 10 à 20 % de la composition pyrotechnique. 8. Dispositif pyrotechnique selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la composi- tion est efficace pour provoquer la pulsation de la quantité et/ou de la distribution spectrale du rayonne- ment dans la bande. 9. Dispositif pyrotechnique selon l'une des revendications 1 à 8, comprenant un conteneur pour la composition, caractérisé en ce que le conteneur comporte une buse à travers laquelle la substance en particules est expulsée, la buse étant capable de produire une oscillation de pression dans le conteneur pour réaliser la pulsation de la quantité de rayonnement dans la bande. 10. Dispositif pyrotechnique selon l'une des revendications 1.à 9, caractérisé en ce que la substance en particules comprend du zirconium, de l'hafnium,- du manganèse, du vanadium ou du fer ou au moins deux de ces substances, leurs alliages ou leurs composés. 11. Dispositif pyrotechnique selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que la composition contient du silicium, un alliage de silicium ou un composé de silicium sous forme de particules et dans une quantité efficace pour prolonger le recouvrement de l'émission de radiations dans la fenêtre atmosphérique de 8 à 12 microns. 12. Dispositif pyrotechnique selon l'une des revendications i à 11, caractérisé en ce que la compo- sition pyrotechnique comprend de 20 à 60 % de poudre de -14- titane, de 10 à 20 % de charbon de bois et le reste étant constitué par de la poudre à canon avec, le cas échéant, des constituants mineurs. 13. Dispositif pyrotechnique selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que la composition contientdu P.T.F.E. ouunautre polymère organique fluoré sur une autre substance efficace pour aider la combustion de la substance en particules. 14. Dispositif pyrotechnique selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que certaines particules de la composition sont revêtues d'un polymère organique fluoré ou d'une autre substance efficace pour retarder la combustion des particules revêtues avant leur expulsion du dispositif.