Brevet FR2669725A1 — publié le 19920529

DETONATEUR PYROTECHMIQUE A CONNEXIONS COAXIALES La présente invention se rapporte à un détonateur pyrotechnique à connexions coaxiales, du type à couche projetée. De tels détonateurs (encore connus sous le nom de "slapper-détonator" ou "Explolding foil Initiator" dans la littérature anglo-saxons), peuvent être utilisés notamment pour déclencher le fonctionnement de charges militaires ou de propulseurs de roquettes, de missiles et de tout autre projectile guidé ou des générateurs de gaz (dans ce cas, les détonateurs sont dénommés inflammateurs à cause de leur emploi). Dans le domaine de la détonique c'est-à-dire le domaine des explosifs, les charges militaires solides peuvent être initiés, par exemple, par une projection violente d'un matériau sur une charge intermédiaire pour que l'impact du matériau sur la charge intermédiaire provoque l'initiation de celle-ci La projection du matériau est provoquée par l'explosion d'une pellicule métallique vaporisable, obtenue généralement par deux procédés différents: soit la circulation d'une impulsion de courant électrique soit l'absorption d'une impulsion d'énergie lumineuse générée par un laser. L'invention se rapporte plus particulièrement au premier type de procédé dans lequel on utilise un élément conducteur sur lequel on a placé le matériau devant être projeté Pour déclencher le fonctionnement, on envoie une décharge électrique, de très courte durée mals de très forte intensité, dans l'élément électrique Le matériau se trouve alors projeté contre la charge intermédiaire et provoque son initiation. Une première catégorie de ce type de détonateur, décrite dans la demande de brevet français N O 87 08813 déposée le 23 juin 1987, est équipée d'un élément électrique constitué de deux brins reliés à leur extrémité et placés suffisamment près l'un de l'autre pour constituer un conducteur peu selfique. Cet élément électrique sort latéralement au moins sur une des parois de l'artifice pour se connecter à une alimentation électrique extérieure Cette connexion à plat est difficile à mettre en oeuvre et est très fragile D'autre part, la réalisation d'un tel système pose des problèmes d'intégration, d'encombrement, d'étanchéité et d'herméticité. Une autre catégorie de détonateurs, décrite dans la même demande de brevet, possède un élément électrique dont l'alimentation est réalisée à l'aide de deux électrodes, placées perpendiculairement par rapport à l'élément électrique Dans ce système, l'encombrement, même s'il est réduit par rapport à la réalisation du premier type de détonateur, est toujours important Il existe également des problèmes d'étanchéité et d'herméticité qui ne sont pas résolus dans ce système et qui peuvent favoriser des événements, par exemple corrosion de l'élément conducteur, tendant à détériorer le système. Pour remédier à cela, il a été proposé par la demanderesse, dans la demande de brevet français N O 89 07675 déposée le 9 juin 1989, un inflammateur ou détonateur pyrotechnique à couche projetée présentant des connexions cylindriques coaxiales Une telle structure présente de nombreux avantages, notamment l'étanchéité de la partie fusible permettant des stockages prolongés, une construction rigide, une assez grande simplicité d'assemblage et de mise en oeuvre et un coût relativement faible Un tel inflammateur remédie aux inconvénients cités plus haut. La présente invention a pour objet un détonateur partant des mêmes principes mais améliorant notablement le dispositif précédent du point de vue notamment de la simplicité, de la robustesse et du coût, grâce à une structure plus légère et plus compacte. Selon l'invention, il est donc prévu un détonateur pyrotechnique à connexions coaxiales du type comportant des moyens électriques de commande à couche projetée, composés d'un canon, d'un premier élément cylindrique formant enclume et d'un ensemble constitué d'un pont fusible sur lequel est positionnée une mince couche d'un matériau et placé entre le premier élément cylindrique et le canon, des moyens d'alimentation électrique desdits moyens de commande, comprenant au moins une surface conductrice disposée sur le fond de l'enclume et des moyens de traversée électrique hermétique reliant ladite surface conductrice et une extrémité dudit pont fusible à travers ladite enclume, et des moyens pyrotechniques déclenchés par lesdits moyens électriques de commande à couche projetée, ledit détonateur étant caractérisé en ce qu'il comporte en outre un second élément cylindrique non conducteur formant douille dont une extrémité s'appuie sur ladite enclume et dont l'autre extrémité comporte un épaulement de guidage, une pièce de contact cylindrique souple étant enroulée autour de ladite douille entre ledit épaulement et le bord circulaire de l'enclume, en ce qu'il est prévu des moyens d'assemblage hermétique entre ladite douille et ladite enclume et en ce qu'il est prévu des moyens de fermeture hermétique dudit détonateur fixés à l'extrémité de ladite douille portant ledit épaulement et maintenant les moyens pyrotechniques à l'intérieur de la douille contre ledit canon. Selon un autre aspect de l'invention, il est également prévu un procédé de montage d'un détonateur tel que prévu ci-dessus, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à: assembler la douille et un cylindre de fermeture pour brasure à haute température du cylindre sur la surface interne métallisée de la douille; assembler la douille et une bague à collerette par brasure à basse température de la bague sur la surface latérale externe métallisée de la douille; braser ladite douille assemblée sur ladite enclume par l'intermédiaire de la collerette de la bague; monter ladite pièce de contact cylindrique souple sur ladite surface latérale externe de la douille; mettre en place, à l'intérieur de la douille, successivement ladite couche de matériau, le canon et lesdits moyens pyrotechniques; et fermer l'ensemble par un couvercle avec compression desdits éléments mis en place dans la douille, en soudant au laser ledit couvercle sur le cylindre de fermeture. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages apparaîtront à l'aide de la description ci-après et des dessins joints o: la figure 1 montre, vu en coupe, un premier mode de réalisation d'un détonateur selon l'invention; la figure 2 est une vue de dessus de l'enclume du détonateur de la figure i; et la figure 3 est une vue en coupe d'un second mode de réalisation d'un élément du détonateur selon l'invention. Le détonateur selon l'invention est un détonateur à couche projetée ("slapper detonator" ou encore EFI "Exploding Foil Initiator" dans la littérature anglo-saxonne) Il comporte de manière connue, comme on l'a brièvement indiqué précédemment, un circuit électrique tel qu'une impulsion de courant de quelques milliers d'ampères générée en quelques dizaines de nanosecondes provoque la volatilisation d'une partie d'un conducteur métallique (pont fusible) et la formation d'un plasma métallique L'expansion très brutale du plasma métallique confiné est utilisée pour projeter sur la face d'un chargement explosif secondaire un projectile constitué d'un disque de matériau plastique de quelques dizaines de micromètres d'épaisseur et d'un diamètre de l'ordre du millimètre La mise en régime de détonation du chargement explosif secondaire du détonateur est provoquée par le choc du projectile sur l'explosif avec une très grande vitesse d'impact. La figure i représente en coupe un mode de réalisation d'un détonateur selon l'invention basé sur ces principes de fonctionnement Ce détonateur comprend essentiellement une enclume métallisée 1 cylindrique portant un pont fusible 112, une douille 2 de révolution en matériau diélectrique, des moyens électriques de commande à couche projetée comprenant le pont fusible, une couche de matériau 13 et un confinement mécanique obtenu à l'aide d'un canon 3 comportant un trou 30, des moyens pyrotechniques 4, 5, 6 et un couvercle 8 fermant l'ensemble. L'ensemble douille-enclume est assemblé à l'aide d'une pièce 12 en forme de bague cylindrique à collerette.10 L'enclume 1 est par exemple une pièce cylindrique en alumine qui comporte sur son fond une surface conductrice 10 en forme par exemple de disque, servant de zone de contact électrique Sur la face opposée de l'enclume 1 est formé, comme représenté sur la figure 2, le pont fusible 112 dont une extrémité 111 est reliée à une surface conductrice circulaire périphérique 110 et dont l'autre extrémité est reliée à la surface conductrice 10 de contact par au moins une traversée électrique hermétique 14, constituée par exemple par un trou métallisé rempli ou obturé par un élément conducteur L'ensemble 11 de la surface conductrice 110 et du pont fusible 111, 112 est obtenu par exemple par métallisation. La douille 2 (figure 1) est une pièce de révolution, en alumine par exemple, ayant un corps cylindrique et un épaulement de guidage 20 La douille 2 est reliée à l'enclume 1 par la bague cylindrique à collerette 12, par exemple par brasage, la collerette étant brasée sur la surface 110 de l'enclume 1 La face supérieure (dans la position représentée sur la figure 1) de l'épaulement de guidage 20 porte une surface d'appui 21 destinée à transmettre la pression de contact30 nécessaire à la connexion plane 10 du détonateur avec un boîtier extérieur non représenté Dans l'ouverture de la douille 2 du côté de l'épaulement 20 est fixé, par exemple par brasage, un cylindre de fermeture 7 Ce cylindre peut être notamment en acier inoxydable. A L'intérieur de la douille 2, on dispose un disque de matériau 13, par exemple en polyimide (disque appelé "flyer" dans la littérature anglosaxonne) Ce disque est maintenu en place contre le pont fusible sur l'enclume 1 par le canon 3 qui peut être lui-aussi en alumine. Les moyens pyrotechniques sont constitués par un étui cylindrique 4 par exemple en acier inoxydable dans lequel est contenu un chargement explosif composé de deux explosifs secondaires 5 et 6. L'ensemble formé du matériau 13, du canon 3 et des moyens pyrotechniques 4, 5, 6 est mis en compression contre l'enclume 1 grâce au couvercle 8 rendu solidaire du cylindre de fermeture 7. Autour du corps de la douille 2 et de la bague 1 15 cylindrique 12 est disposée une pièce de contact cylindrique souple 9 Cette pièce 9 comprend une partie cylindrique en contact ou brasée à la bague 12 et des languettes souples repliées La pièce 9 est donc reliée électriquement à l'extrémité 111 du pont fusible par l'intermédiaire de la bague 12 et de la surface conductrice 110 sur l'enclume 1. Comme on le voit, le détonateur assemblé peut être introduit très facilement dans un boîtier cylindrique comportant au fond et sur sa face latérale interne deux surfaces conductrices constituant les arrivées d'alimentation électriques du système d'initiation, et qui sont en contact respectivement avec la surface de contact 10 et les languettes de la pièce 9 du détonateur On peut aussi très facilement enlever le détonateur du boîtier, par exemple pour effectuer des tests. On va maintenant décrire plus précisément la réalisation de chacun des éléments constitutifs principaux du détonateur selon l'invention. L'enclume 1 est obtenue à partir d'un substrat en alumine de grandes dimensions Le substrat est percé de trous qui sont bouchés avec du cuivre pour réaliser les traversées étanches 14 Pour boucher ces trous, on peut soit braser une broche en cuivre dans chaque trou après que la surface intérieure des trous ait été métallisée, soit remplir les trous par aspiration d'une pâte de sérigraphie Après rectification des deux faces du substrat en alumine, celles-ci sont métallisées par pulvérisation cathodique On peut déposer d'abord une couche d'accrochage de chrome de quelques dizaines de nanomètres puis une couche de quelques micromètres de cuivre sur le côté du circuit fusible Sur la face opposée, la métallisation comporte, de préférence, en plus une couche d'or de quelques micromètres pour la protection des contacts 10 La géométrie souhaitée pour les circuits des deux faces est ensuite obtenue par gravure chimique On découpe enfin chaque enclume au laser dans le substrat La douille 2 est également en alumine qui peut être usinée dans la masse ou obtenue par frittage puis rectification La douille est métallisée sur sa face latérale extérieure et sur son diamètre Intérieur au niveau de l'épaulement de guidage. Le cylindre de fermeture 7 est brasé à haute température sur la douille puis la bague à collerette 12 est brasée à basse température sur la douille. La pièce de contact cylindrique 9 peut être obtenue à partir d'une bande en alliage cuivre-beryllium dans laquelle sont découpées les languettes de contact Les languettes sont ensuite recourbées par formage puis la bande est enroulée et découpée à la bonne longueur L'anneau ouvert ainsi obtenu subit un recuit pour stabiliser ses propriétés mécaniques, notamment son élasticité On peut le dorer pour assurer une meilleure résistance à la corrosion. Les moyens pyrotechniques comprennent un étui cylindrique 4 en acier Inoxydable dans lequel est disposé le chargement explosif Celui-ci comprend un premier explosif secondaire 6 recevant l'impact du projectile en matériau plastique et qui peut être de l'hexanitrostylbène Sa détonation est renforcée par un second explosif secondaire 5 qui peut être de l'hexogène-cire par exemple Le chargement de ces deux explosifs est effectué par compression à hauteur constante dans l'étui 4 Naturellement, l'utilisation de deux explosifs secondaires n'est donnée qu'à titre d'exemple. Le montage du détonateur selon l'invention s'effectue en deux étapes: assemblage du corps inerte (enclume, douille pièce de contact, cylindre de fermeture) puis montage du matériau plastique 13, du canon et de l'étui chargé et fermeture de l'ensemble grâce au couvercle. Lors de la première étape, on brase d'abord à haute température le cylindre de fermeture 7 sur la douille 2 puis on brase à basse température la bague cylindrique 12 sur la douille On brase ensuite l'ensemble sur l'enclume métallisée (brasage de la collerette de la bague 12 sur la surface 110) On reporte ensuite la pièce cylindrique de contact 9 (anneau ouvert) sur le corps de la douille 2 et de la bague 12 o elle est maintenu en contact simplement par son élasticité ou par brasure. Lors de la seconde étape, le disque de matériau plastique 13, le canon 3 et l'étui chargé 4 sont successivement introduits dans l'ensemble assemblé lors de la première étape. Le couvercle 8 vient coiffer l'ensemble et assurer une compression suffisante des éléments 13, 3 et 4, 5, 6 contre l'enclume 1 pour le confinement du plasma de cuivre pendant le fonctionnement du détonateur Le couvercle 8 est rendu solidaire du cylindre de fermeture 7 par soudure laser. Grâce à la compression des éléments 13, 3 et 4, 5 6 par le couvercle 8, on évite tout jeu notamment de l'étui chargé 4 et donc une excellente tenue du détonateur aux vibrations. Par ailleurs, un des avantages majeurs du détonateur selon l'invention est une totale herméticité Cette herméticité est assurée par les brasages de la bague 12 sur l'enclume 1 et la douille 2, du cylindre de fermeture 7 sur la douille 2, par la soudure laser du couvercle 8 sur le cylindre 7 et par les traversées électriques hermétiques 14 Les parties actives du détonateur (pont fusible 112, matériau plastique 13 et chargement explosif 4, 5, 6) sont ainsi protégées de la corrosion et du vieillissement dus à l'atmosphère ambiante, ce qui permet des stockages prolongés. L'architecture du détonateur permet, ainsi qu'on l'a déjà mentionné, une mise en place et un démontage aisés, ce qui autorise des opérations de maintenance et de test des moyens électroniques de mise à feu. La légèreté du détonateur et son architecture particulièrement compacte le rendent apte à supporter les sollicitations mécaniques qu'il est susceptible de rencontrer dans divers types de munitions. Un autre avantage majeur du détonateur selon l'invention est la possibilité d'automatiser sa fabrication, donc de diminuer son coût. Avec en vue cet objectif de diminution des coûts de fabrication, on a représenté sur la figure 3 une variante de réalisation de la douille Sur la figure 3, la douille 2 ', le cylindre de fermeture 7 ' et la bague 12 ' sont réalisés et assemblés en une seule opération Pour cela, la douille 2 ' est réalisée à partir d'un matériau plastique, par injection, le cylindre 7 ' et la bague 12 ' étant des inserts noyés dans la douille. La figure 3 montre, à titre d'exemple, des formes possibles pour la bague 12 ', recourbée en 120 vers l'intérieur du côté opposé à la collerette, et pour le cylindre 7 ' comportant des bourrelets 70 vers l'extérieur au niveau de son insertion dans la douille 2 ' Celle-ci comporte, comme la douille 2 de la figure 1, un épaulement de guidage 20 ' avec une surface de pression 21 ' La douille 2 ' avec le cylindre 7 t et la bague 12 ' remplit exactement les mêmes fonctions que la douille en alumine 2 assemblée avec le cylindre de fermeture 7 et la bague 12 de la figure 1. La douille 2 ' peut être réalisée en matériau polymère hautes performances par exemple par Injection d'un polyétheréthercétone (PEEK) chargé de fibres de verre pour une bonne résistance mécanique On peut aussi utiliser du polyéthersulfone (PES) chargé de fibres de verre Le matériau choisi doit résister aux hautes températures (minimum 2000 C) et être étanche même sous faible épaisseur. De même, l'enclume 1 peut aussi être réalisée avec les mêmes matériaux selon la même technique Dans ce cas, les traversées étanches 14 et la surface de contact plan 10 sont alors réalisées sous forme d'inserts Seuls, le circuit fusible et la surface conductrice 110 sont réalisés par pulvérisation cathodique et gravure chimique. La fabrication du détonateur selon l'invention avec une enclume et une douille en matériau plastique est encore plus économique, tout en conservant les avantages déjà mentionnés ci-dessus. Bien entendu, les exemples de réalisation décrits ne sont nullement limitatifs de l'invention On pourrait imaginer notamment, sans sortir du cadre de l'invention d'utiliser une douille totalement cylindrique, la pièce 9 devant toutefois être brasée à la bague 12 ou 12 '. il REVEND I C ATI O NS 1 Détonateur pyrotechnique à connexions coaxiales du type comportant des moyens électriques de commande à couche projetée, composés d'un canon ( 3, 30), d'un premier élément cylindrique ( 1) formant enclume et d'un ensemble constitué d'un pont fusible ( 111, 112) sur lequel est positionnée une mince couche d'un matériau ( 13) et placé entre le premier élément cylindrique ( 1) et le canon ( 3, 30), des moyens d'alimentation électrique desdits moyens de commande, comprenant au moins une surface conductrice ( 10) disposée sur le fond de l'enclume ( 1) et des moyens de traversée électrique hermétique ( 14) reliant ladite surface conductrice ( 10) et une extrémité dudit pont fusible ( 111, 112) à travers ladite enclume, et des moyens pyrotechniques ( 4, 5, 6) déclenchés par lesdits moyens électriques de commande à couche projetée, ledit détonateur étant caractérisé en ce qu'il comporte en outre un second élément cylindrique non conducteur ( 2; 2 ') formant douille dont une extrémité s'appuie sur ladite enclume ( 1) et dont l'autre extrémité comporte un épaulement de guidage ( 20; 20 '), une pièce de contact cylindrique souple ( 9) étant enroulée autour de ladite douille entre ledit épaulement et le bord circulaire de l'enclume, en ce qu'il est prévu des moyens d'assemblage hermétique ( 12; 12 ') entre ladite douille et ladite enclume et en ce qu'il est prévu des moyens de fermeture hermétique ( 7, 8; 7 ') dudit détonateur fixés à l'extrémité de ladite douille ( 2; 2 ') portant ledit épaulement ( 20; 20 ') et maintenant les moyens pyrotechniques ( 4, 5, 6) à l'intérieur de la douille contre ledit canon ( 3, 30). 2 Détonateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens d'assemblage hermétique comprennent une bague métallique cylindrique à collerette ( 12; 12 ') fixée sur le corps cylindrique de la douille ( 2; 2 ') et sur la surface de l'enclume ( 1) portant ledit pont fusible. 3 Détonateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la surface de ladite enclume ( 1) portant le pont fusible comporte une surface conductrice circulaire périphérique ( 110), le côté ( 111) du pont fusible non relié auxdits moyens de traversée électrique ( 14) étant relié à ladite surface conductrice ( 110), et en ce que ledit pont fusible ( 111, 112) et ladite surface conductrice ( 110) sont formées par une couche métallique déposée sur ladite enclume ( 1). 4 Détonateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite bague métallique ( 12) est brasée sur ladite surface conductrice circulaire ( 110) et sur ladite douille ( 2) dont la surface latérale a été métallisée. 5 Détonateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que lesdits moyens de fermeture hermétique comprennent un cylindre de fermeture ( 7; 7 ') fixé dans l'ouverture de la douille ( 2) au niveau de l'épaulement de guidage ( 20; 20 ') et un couvercle ( 8) venant coiffer ledit cylindre de fermeture et lesdits moyens pyrotechniques, contenus dans ladite douille ( 2) prolongée par ledit cylindre ( 7; 7 '), et brasé sur celui-ci, de façon à appuyer lesdits moyens pyrotechniques, ledit canon et ledit matériau ( 13) contre ladite enclume ( 1). 6 Détonateur selon la revendication 5, caractérisé en ce que lesdits moyens pyrotechniques comprennent un étui cylindrique ( 4) dans lequel est compressé un chargement explosif ( 5, 6). 7 Détonateur selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit étui est en acier inoxydable. 8 Détonateur selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que ledit cylindre de fermeture ( 7) est brasé sur ladite douille ( 2) dont la surface interne a été métallisée à son extrémité côté épaulement de guidage ( 20). 9 Détonateur selon l'une quelconque des revendications i à 8, caractérisé en ce que la douille ( 2) et I O l'enclume ( 1) sont en alumine. Détonateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 ou 5 à 7, caractérisé en ce que ladite douille ( 2 ') est en un matériau plastique et en ce que ladite bague ( 12 ') et ledit cylindre de fermeture ( 7 ') sont réalisés sous forme d'inserts noyés dans la douille, ladite bague ( 12 ') étant brasée sur ladite enclume ( 1). 11 Détonateur selon l'une quelconque des revendications i à 10, caractérisé en ce que ladite enclume ( 1) est en un matériau plastique et en ce que lesdits moyens de traversée hermétiques ( 14) et ladite surface conductrice ( 10) sur le fond de l'enclume sont réalisés sous forme d'inserts. 12 Détonateur selon l'une des revendications 10 ou 11, caractérisé en ce que ledit matériau plastique est un polyétheréthercétone chargé de fibres de verre. 13 Détonateur selon l'une des revendications 10 ou 11, caractérisé en ce que ledit matériau plastique est un polyéthersulfone chargé de fibres de verre. 14 Détonateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que ladite pièce de contact cylindrique souple ( 9) est enroulée autour de ladite bague ( 12) et en contact électrique avec celle-ci. 15 Détonateur selon la revendication 14, caractérisé en ce que ladite pièce de contact ( 9) est brasée sur la surface cylindrique externe de ladite bague ( 12). 16 Détonateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 15, caractérisé en ce que ledit épaulement de guidage ( 20; 20 ') de la douille ( 2; 2 ') porte sur sa face opposée à l'enclume ( 1) une surface d'appui ( 21; 21 ') pour transmettre une pression de contact nécessaire pour la connexion dudit détonateur par ladite surface conductrice ( 10) sur le fond de l'enclume. 17 Procédé de montage d'un détonateur pyrotechnique à connexions coaxiales selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 ou 14 à 16, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à: assembler la douille ( 2) et le cylindre de fermeture ( 7) par brasure à haute température du cylindre sur la surface interne métallisée de la douille; assembler la douille ( 2) et la bague à collerette ( 12) par brasure à basse température de la bague sur la surface latérale externe métallisée de la douille; braser ladite douille assemblée sur ladite enclume ( 1) par l'intermédiaire de la collerette de la bague ( 12); monter ladite pièce de contact cylindrique souple ( 9) sur ladite surface latérale externe de la douille ( 2); mettre en place, à l'intérieur de la douille, successivement ladite couche de matériau ( 13), le canon ( 3, 30) et lesdits moyens pyrotechniques ( 4, 5, 6); et fermer l'ensemble par le couvercle ( 8) avec compression desdits éléments mis en place dans la douille, en soudant au laser ledit couvercle sur le cylindre de fermeture ( 7).