Brevet FR2669416A1 — publié le 19920522

La présente invention concerne un dispositif piézoélectrique pour projectile chargé d'explosif,destiné à l'amorçage d'un détonateur électrique de mise à feu de cet explosif. L'invention vise également un projectile chargé d'explosif comportant un tel dispositif. On connaît un dispositif piézoélectrique destiné à l'amorçage d'un détonateur électrique de mise à feu de l'ex- plosif contenu dans un projectile balistique ou un missile. Ce dispositif comprend un matériau ferroélectrique relié électriquement au détonateur. Ce matériau ferroélectrique est placé dans le projectile, d'une façon telle qu'il subisse une contrainte mécanique lors de l'impact du projectile. Cette contrainte mécanique engendre une tension électrique qui provoque l'amorçage du détonateur. L'énergie électrique fournie par ce type de dispositif piézoélectrique est toutefois, relativement faible. Ce type de dispositif ne peut par conséquent convenir que pour l1amor- çage d'explosifs primaires très sensibles. Or, pour des raisons de sécurité et de fiabilité, il est avantageux de pouvoir amorcer des explosifs primaires peu sensibles ou directement des explosifs secondaires qui nécessitent une énergie électrique de l'ordre de 0,1 à 0,5 J pendant une durée comprise entre 0,5 et 1 ps. Le but de la présente inventiontest précisemment de réaliser l'objectif précité. Le dispositif piézoélectrique visé par l'invention comprend un matériau ferroélectrique relié électriquement au détonateur, ce matériau étant destiné à être placé dans le projectile d'une façon telle qu'il subisse une contrainte mécanique lors de l'impact du projectile. Suivant l'invention, ce dispositif piézoélectrique est caractérisé en ce qu'il comprend un empilement de plusieurs plaques en matériau ferroélectrique, reliées électriquement en parallèle, cet empilement étant relié électriquement avec un condensateur capable de stocker l'énergie électrique engendrée sous l'effet de la contrainte mécanique subie par l'empilement lors de l'impact du projectile, cet empilement étant en outre relié électriquement avec un interrupteur haute tension relié électriquement avec le détonateur, cet in interrupteur fonctionnant à un seuil déterminé de l'énergie stockée dans le condensateur. Lors de l'impact, les plaques empilées en matériau ferroélectrique, sont dépolarisées successivement. L'énergie électrique ainsi fournie est stockée dans le condensateur. Lorsque l'énergie ainsi stockée atteint le seuil de fonctionnement de l'interrupteur haute tension, cette énergie est libérée dans le détonateur, ce qui entraîne la mise à feu de l'explosif. Du fait de l'utilisation d'un empilement de plaques ferroélectriques reliées en parallèle, on obtient un rapport surface/épaisseur très favorable, de sorte que l'énergie électrique obtenue peut atteindre 0,1 à 0,5 J, ce qui est suffisant pour amorcer des explosifs primaires peu sensibles ou des explosifs secondaires. De plus, du fait de l'utilisation d'un empilement de plaques ferroélectriques, le dispositif conforme à l'invention présente un encombrement latéral très réduit, autorisant son logement dans des projectiles ou missiles classiques. Selon une version avantageuse de l'invention, on prévoit des moyens pour limiter la tension appliquée sur les plaques en matériau ferroélectrique à une valeur inférieure au champ coercitif du matériau constituant lesdites plaques. On obtient ainsi que l'ensemble des plaques ferroélectriques de 1'empilement soient dépolarisées successisument et intégralement sous l'effet de tonde de choc. Selon une version préférée de l'invention, les plaques ferroélectriques sont en un matériau ferroélectrique susceptible de passer d'un état ferroélectrique à un état anti-ferroélectrique. Dans ce cas, on prévoit des moyens pour limiter la tension appliquée sur lesdites plaques à une valeur inférieure à la tension de la première transition du passage d'un état anti-ferroélectrique vers un état ferroélectrique. Dans ces conditions, on assure également que l'ensemble des plaques ferroélectriques soient dépolarisées successivement sous l'effet de l'onde de choc. L'invention vise également un projectile chargé d'explosif comprenant une ogive comportant une cavité interne dans laquelle est logé un dispositif piézoélectrique conforme à l'invention. Cette ogive comporte une paroi latérale compressible lors de l'impact du projectile, un marteau étant placé entre le fond de l'ogive et l'empilement de plaques en matériau ferroélectrique. Selon une particularité de la présente invention, le jeu compris entre le fond de la cavité de l'ogive et le marteau et le jeu compris entre ce marteau et l'empilement de plaques en matériau ferroélectrique sont calculés de telle sorte que lorsque la vitesse d'impact du projectile est comprise entre 500 et 1000 m/s., la pression de choc induite par le marteau sur l'empilement soit comprise entre 10 et 20 kbar. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront encore dans la description ci-après. Aux dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs: - la figure 1 est une vue en coupe longitudinale de l'extrémité d'un projectile balistique renfermant un dispositif piézoélectrique conforme à l'invention, - la figure 2 est un schéma du circuit électrique du dispositif conforme à l'invention, - la figure 3 est un schéma montrant le branchement électrique des plaques ferroélectriques empilées du dispositif. - la figure 4 représente des courbes de la tension mesurée aux bornes du condensateur du dispositif, en fonction du temps pour différents matériaux ferroélectriques. Dans la réalisation de la figure 1, le projectile balistique comprend une ogive 1 dont la base la est vissée sur le corps 2 du projectile. L' ogive 1 comprend une cavité interne 3 axée sur l'axe X-X' du projectile. Le fond 4 de cette cavité 3 est sensiblement tronconique. Au voisinage de ce fond 4, la paroi latérale 5 de l'ogive 1 comporte un rétrécissement 6 qui rend cette paroi latérale 5 compressible dans la direction de l'axe X-X', lors de l'impact de l'ogive A l'intérieur de la cavité 3, sont disposés suivant l'axe X-X', un marteau 7 et un empilement de plaques en forme de disque 8, 9, 10, 11 et 12 en matériau ferroélectrique. Le marteau 7 comporte une partie avant tronconique 13 écartée du fond 4 de la cavité 3, suivant un certain jeu j1. Ce marteau 7 comporte d'autre part, une partie arrière 14 tronconique et élargie, écartée de la première plaque 8 de l'empilement, suivant un jeu i2. Le marteau 7 et l'empilement des plaques ferroélectriques 8 à 12 sont logés dans un manchon 15 qui est lui-meme fixé dans la cavité 3 de l'ogive 1. On voit sur la figure 1 que la partie 15a de ce manchon 15 dans laquelle est monté le marteau 7 est libre par rapport à une portion de la paroi latérale 5 de l'ogive 1 proche du rétrécissement 6. Le marteau 7 est relié à cette partie 15a du manchon 15 à l'aide d'une bague 16 en matière plastique qui est destructible par cisaillement lors de l'impact de l'ogive 1. Les plaques 8 à 12 empilées en matière ferroélectrique sont en contact électrique les unes avec les autres et avec l'embase 17 d'une électrode 18 qui est également disposée suivant l'axe XX'. Cette électrode 18 et les plaques 8 à 12 sont isolées électriquement par rapport au manchon 15, à l'ogive 1 et au corps 2 par une résine synthétique 19 telle qu'une résine époxy. Cette résine 19 entoure latéralement les plaques 8 à 12 et l'électrode 18. On voit sur les figures 1 et 3 que les plaques ferroélectriques 8 à 12 sont reliées électriquement en parallèle à l'aide de conducteurs 20, 21. Les conducteurs 20 sont noyés dans la résine 19 et sont reliés à l'électrode de sortie négative 18. Les conducteurs 21 sont en contact électrique avec le manchon 15 qui constitue l'électrode positive. Les plaques ferroélectriques empilées 8 à 12 sont reliées électriquement (voir figure 2) avec un condensateur 22 capable de stocker l'énergie électrique libérée successivement par ces plaques 8 à 12, sous l'effet de l'onde de choc qui est appliquée lors de l'impact de l'ogive 1. Le circuit électrique du dispositif conforme à l'invention comprend également un interrupteur haute tension tel qu'un éclateur 23 à claquage diélectrique relié électrique ment avec les plaques 8 à 12 et avec le condensateur 22. Cet éclateur 23 fonctionne à partir d'un seuil de tension déterminé en libérant l'énergie stockée par le condensateur 22 dans le détonateur 25, par exemple du type à fil explosant. Dans l'exemple de la figure 2, les plaques 8 à 12 et le condensateur 22 sont en outre, reliés électriquement par un composant redresseur 24 telle qu'une diode. Pour les plaques empilées 8 à 12, on peut utiliser tout matériau ferroélectrique pourvu que ce dernier puisse se dépolariser lorsqu'il est sous tension électrique. Pour que cette dépolarisation soit possible, il faut que cette tension soit inférieure à la valeur du champ coercitif du matériau ferroélectrique. Les meilleurs résultats sont obtenus en utilisant des plaques en matériau ferroélectrique susceptible de passer d'un état ferroélectrique à un état anti-ferroélectrique sous choc. Pour que la dépolarisation du matériau puisse s'effectuer, il faut que la tension délivrée par le matériau comprimé reste à une valeur inférieure à la tension correspondant à la première transition du passage d'un état anti-ferroélectrique (AF) vers un état ferroélectrique (F).Le rendement de conversion d' énergie est maximum en limiaS la pression qui est aquoe' sur lm- pllement des plaques 8 à 12 ,lors de l'impact du projectile, à une valeur comprise entre 10 et 20 kbar pour une vitesse dtim- pact comprise entre 500 et 1000 m/sec. Ces conditions de pression sont obtenues en réglant les jeux jl et j2 précités et en choisissant pour le matériau ferroélectrique des plaques 8 à 12, une impédance de choc appropriée. En tant que matériau ferroélectrique susceptible de passer d'un état ferroélectrique à un état anti-ferroélectrique, on peut utiliser les céramiques frittées obtenues par synthèse, répondant aux formules suivantes: a) les matériaux du type Pb(Zr1-x Tix)O3 avec 0,03 0,08 présentant en montée de température la succession de phases suivantes: AF (anti-ferroélectrique)+ F (ferroélectrique) P (paraélectmique). Exemple Pb(Zr0,965Ti0,035)03 + 1% Nb205 Pb(Zr0,95Ti0,05)03 + 0,82 W03 b) les composés ternaires Pb(Zr, Sn, Ti)03 qui, en montée de température, présentent la succession de phases suivantes Exemple Pb0,99Nb0,02 [(Zr0,73Sn0,27)0,93Ti0,07] 0,98O3 c) les composés de formule générale Pb(Hf1yZry) 1-x TixO3 Exemple Pb(Hf0,3Zr0,7)0,915Ti0,085O3 % 1% 3 d) les composés de formule générale Pb1-yLay(Zr1-xTix)O3 Ces matériaux ont la propriété de se polariser sous champ électrique par changement de phase AF HF F. Le champ électrique de transition (3,5 kV/mm et plus est bien supérieur à la valeur du champ coercitif.Le matériau polarisé reste ferroélectrique dans un large domaine de température. Il se dépolarise sous choc plan par changement de phase irréversible meme sous champ électrique (cas de l'empilement). 2 Enfin, tous ces matériaux présentent une valeur Pr/2E (Pr polarisation rémanente, E permittivité) élevée qui représente théoriquement l'énergie électrique stockée. On peut utiliser d'autres matériaux ferroélectriques pour réaliser cet empilement, à condition que ces matériaux présentent un champ coercitif élevé et une faible permittivité de façon qu'ils puissent se dépolariser au moins partiellement lorsque la tension augmente aux bornes de leurs électrodes (cas de certaines céramiques PZT ou de polymères piézoélectriques). En effet, un accroissement du champ électrique tend à stabiliser l'état ferroélectrique du matériau, surtout si ce champ est égal ou supérieur du champ coercitif. Pour contourner cette difficulté on peut augmenter l'épaisseur des matériaux placés en dernière position dans l'empilement. L'épaisseur des plaques ferroélectriques 8 4 12 est choisie en fonction de la valeur de la permittivité électrique et de la valeur de la tension maximale à obtenir aux bornes du condensateur 22. A titre d'exemple, chaque plaque 8 à 12 peut présenter un diamètre de 10 mm et une épaisseur de 0,5 mm. Le fonctionnement du dispositif conforme à l'invention est le suivant: Lors de l'impact de l'ogive 1, la paroi latérale 5 de cette dernière est comprimée. Le fond 4 de cette ogive 1 prend appui sur le marteau 7, ce qui entraîne le cisaillement de la bague 16. Le marteau 7 coulisse alors suivant l'axe X-X' et induit une onde de choc dans la première plaque ferroélectrique 8. Grâce aux jeux jl et j2 , la pression de choc est comprise entre 10 et 20 kbar pour une vitesse d'impact habituelle variant entre 500 et 1000 m/sec. Grâce aux formes tronconiques du fond 4 de l'ogive 1 et de la partie avant 13 du marteau 7, un fonctionnement correct est obtenu lorsque l'incidence de l'impact est comprise entre O et 60 par rapport à l'axe X-X'. L'onde de choc obtenue à l'impact se propage dans les cinq plaques ferroélectriques 8 à 12 et les dépolarise successivement. De ce fait, la première plaque 8 charge le condensateur 22 à une tension V1, ainsi que les quatre autres plaques ferroélectriques 9 à 12. La deuxième plaque 9, chargée à la tension V1 se dépolarise à son tour et charge le condensateur 22 dont la tension atteint V2 et ainsi de suite. La tension maximale mesurée aux bornes du condensateur 22 dont la capacité est par exemple, de l'ordre de 30 nF est obtenue au bout d'une microseconde environ. Le composant redresseur 24 compris entre le condensateur 22 et les plaques ferroélectriques 8 à 12 évite les pertes diélectriques et toute repolarisation des plaques 8 à 12 dépolarisées. L'éclateur 23 se met en court-circuit lorsque la tension électrique atteint un seuil maximal déterminé par exemple, égal à 3000 V.Le condensateur 22 se décharge alors instantanément dans le détonateur 25,ce qui entraîne la mise à feu de l'explosif. La quantité d'énergie électrique fournie par l'empilement des plaques ferroélectriques 8 à 12 atteint dans l'exem- ple considéré 100 à 150 mJ. On peut augmenter cette énergie jusqu'à 500 mJ en utilisant des matériaux ferroélectriques plus performants et/ou en utilisant un plus grand nombre de plaques empilées. Grâce à l'obtention de telles valeurs d'énergie électrique, il est possible d'amorcer des explosifs primaires peu sensibles ou même des explosifs secondaires. On peut de ce fait, augmenter notablement la sécurité de mise à feu des projectiles balistiques ou des missiles. Ainsi, l'utilisation d'un empilement de plaques ferroélectriques reliées électriquement en parallèle, permet d'obtenir des énergies électriques très élevées, tout en présentant un encombrement très réduit. La figure 4 représente à titre d'exemple les courbes de tension T en volts en fonction du temps t en microsecondes, mesurées aux bornes du condensateur 22 de 32 nF dans les cas suivants a) cas d'un empilement de cinq disques ferroélectriques du type "métastable " à changement de phase, b) cas d'un empilement de cinq disques ferroélectriques dont les deux derniers ont une épaisseur double des trois premiers, c) cas d'un empilement de cinq disques ferroélectriques à champ coercitif de l'ordre de 2 000 V/mm. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples que l'on vient de décrire, et on peut apporter à ceux-ci de nombreuses modifications sans sortir du cadre de l'invention. Ainsi, l'épaisseur des plaques ferroélectriques 8 à 12 au lieu d'être constante, peut être croissante dans la direction de déplacement de l'onde de choc. Cette disposition permet encore d'accroitre la valeur de lrénergie électrique obtenue. Dans le cas d'un projectile à charge creuse, les plaques ferroélectriques présentent avantageusement une forme annulaire de façon à présenter une ouverture axiale qui a pour effet de limiter la perturbation du jet de charge creuse. L'éclateur 23 peut être remplacé par tout autre interrupteur haute tension ou par un composant à semiconducteur fonctionnant en avalanche. REVENDICATIONS 1. Dispositif piézoélectrique pour projectile chargé d'explosif, destiné à l'amorçage d'un détonateur électrique de mise à feu de cet explosif, ce dispositif comprenant un matériau ferroélectrique relié électriquement au détonateur, ce matériau étant destiné à être placé dans le projectile d'une façon telle qu'il subisse une contrainte mécanique lors de l'impact du projectile, ce dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend un empilement de plusieurs plaques (8, 9, 10, 11, 12) en matériau ferroélectrique, reliées électriquement en parallèle, cet empilement étant relié électriquement avec un condensateur (22) capable de stocker l'énergie électrique engendrée sous l'effet de la contrainte mécanique subie par l'empilement lors de l'impact du projectile, cet empilement étant en outre relié électriquement avec un interrupteur haute tension (23) relié électriquement avec le détonateur (25), cet interrupteur (23) fonctionnant à un seuil déterminé de l'énergie stockée dans le condensateur (22). 2. Dispositif conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que des moyens sont prévus pour limiter la tension appliquée sur les plaques (8, 9, 10, 11, 12) en matériau ferroélectrique, à une valeur inférieure au champ coercitif du matériau constituant lesdites plaques. 3. Dispositif conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que les plaques (8, 9, 10, 11, 12) sont en un matériau ferroélectrique susceptible de passer d'un état ferroélectrique à un état anti-ferroélectrique et en ce que des moyens sont prévus pour limiter la tension appliquée sur lesdites plaques, à une valeur inférieure à la tension de la première transition du passage d'un état anti-ferroélectri que vers un état ferroélectrique. 4. Dispositif conforme à la revendication 3, caractérisé en ce que ledit matériau ferroélectrique est choisi parmi les céramiques frittées de formule suivante Pb (Zr1 -x Tix) 3 Pb (Zr , Sn , Ti) 03 Pb (Hf1 -y Zry) l-x Tix 03 Pb 1-y La (Zrl x Ti y les proportions des éléments étant choisies pour que ces matériaux soient ferroélectriques métastables. 5. Dispositif conforme à la revendication 4, caractérisé en ce que ledit matériau ferroélectrique est constitué par : Pb (Zr Ti ) O avec 0,03 1-x x 3 6. Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 5,caractérisé en ce que le circuit électrique compris entre l'empilement de plaques (8,9,10,11,12) en matériau ferroéRectrique,comprend un composant redresseur (24). 7. Dispositif conforme à 1'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'épaisseur des plaques (8, 9, 10, 11, 12) en matériau ferroélectrique est progressivement croissante dans le sens de l'onde de choc appliquée sur l'empilement, lors de l'impact du projectile. 8. Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 7, destiné à un projectile à charge creuse, caractérisé en ce que les plaques en matériau ferroélectrique comportent chacune une ouverture, destinée à être centrée sur l'axe du projectile. 9. Projectile chargé d'explosif comprenant une ogive (1 comportant une cavité interne (3) dans laquelle est logé un dispositif piézoélectrique conforme à l'invention, cette ogive comportant une paroi latérale compressible (5) lors de l'impact du projectile, un marteau (7) étant placé entre le fond (4) de la cavité (3) de l'ogive et l'empilement des pla ques (8, 9, 10, 11, 12) en matériau ferroélectrique, carac térisé en ce que le jeu (jl) compris entre le fond (4) de la cavité (3) de l'ogive et le marteau (7) et le jeu (j2) compris entre le marteau (7) et l'empilement de plaques (8, 9, 10, 11, 12) en matériau ferroélectrique sont calculés de telle sorte que lorsque la vitesse d'impact du projectile est comprise entre 500 et 1000 m/sec., la pression de choc induite par le marteau (7) sur l'empilement soit comprise entre 10 et 20 kbar. 10. Projectile conforme à la revendication Q, caractérisé en ce que l'empilement de plaques (8, 9, 10, 11, 12) en matériau ferroélectrique et le marteau (7) sont montés axialement dans un manchon (15) logé dans la cavité (3) de l'ogive (1), la partie (15a) de ce manchon adjacente à la paroi déformable (5) de l'ogive, étant libre par rapport à cette dernière, le marteau (7) étant rendu solidaire de ladite partie (15a) du manchon par une liaison mécanique (16) destructible lors de l'impact du projectile, sous ltef- fet de la poussée exercée par le fond (4) de l'ogive contre le marteau (7).