Brevet FR3005500A1 — publié le 20141114

INITIATEUR OPTO-PYROTECHNIQUE AMELIORE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention se rapporte au domaine des initiateurs pyrotechniques, dont l'initiation (ou amorçage) est déclenchée par une énergie lumineuse. Ces initiateurs sont également connus sous le terme d'initiateurs optopyrotechniques. L'invention trouve application dans tous les domaines où les initiateurs pyrotechniques sont utilisés, notamment dans les domaines spatial et aéronautique en tant qu'actionneurs, dans les équipements de sécurité (vannes, coupe-files, etc.), etc. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE De manière connue, les initiateurs pyrotechniques comportent, dans une cavité, une charge pyrotechnique, qui est en contact intime avec un moyen d'allumage de cette charge. La charge pyrotechnique peut être, au choix, une composition explosive ou une composition pyrotechnique. Dans le premier cas, l'initiateur est généralement appelé détonateur ; dans le second cas, l'initiateur est généralement appelé inflammateur. Dans le cas des initiateurs pyrotechniques électriques et notamment dans les initiateurs à fil chaud, le moyen d'allumage est une résistance chauffante constituée d'un élément (fil ou couche) en matériau électriquement conducteur, relié à un générateur électrique. Lorsqu'il est parcouru par un courant, l'élément s'échauffe par effet Joule et cette chaleur est transmise par conduction thermique à la charge pyrotechnique qui est en contact avec l'élément. Comme exemple d'initiateur pyrotechnique électrique, on peut par exemple citer le document [1]. L'inconvénient des initiateurs électriques est qu'ils sont sensibles aux perturbations électromagnétiques et ils peuvent donc être activés accidentellement par des décharges électrostatiques ou des courants induits dus à des radiations électromagnétiques parasites. Dans le cas des initiateurs opto-pyrotechniques, l'initiation de la charge pyrotechnique ne se fait non plus par voie électrique, mais par voie optique, rendant les initiateurs opto-pyrotechniques insensibles aux perturbations électromagnétiques. De façon connue, les initiateurs opto-pyrotechniques comportent une charge pyrotechnique disposée dans une cavité, une source de rayonnement laser et une fibre optique pour guider le rayonnement laser de la source à la charge. L'inconvénient de ce type d'initiateur est que les charges pyrotechniques qui sont généralement utilisées pour la réalisation de détonateurs ou d'inflammateurs n'absorbent pas ou peu les rayonnements laser. Il est donc nécessaire de trouver un moyen d'allumage de ces charges qui soit réactif à une source laser. La solution proposée dans le document [2] consiste à doper optiquement une charge pyrotechnique en y introduisant une poudre d'un matériau métallique, rendant ainsi la charge modifiée apte à absorber le rayonnement laser et à chauffer jusqu'à atteindre sa température critique d'allumage. Une autre solution proposée dans le document [3], qui décrit spécifiquement un initiateur du type détonateur, consiste à placer une couche de poudre d'une composition pyrotechnique dopée optiquement avec un métal réducteur pulvérulent, entre l'extrémité de la fibre optique guidant le faisceau laser et la charge pyrotechnique, qui est ici un explosif secondaire. Le principal inconvénient de ces deux solutions proposant un dopage optique est qu'il est difficile de trouver un équilibre dans la sensibilité de la composition pyrotechnique dopée, qui doit être suffisamment sensible pour absorber efficacement le rayonnement laser, mais ne pas être trop sensible pour ne pas absorber les rayonnements thermiques et infrarouges parasites et/ou les échauffements par conduction thermique. Ainsi, si les initiateurs opto-pyrotechniques semblent garantir un meilleur niveau de sécurité que les initiateurs pyrotechniques électriques, des déclenchements intempestifs restent possibles lorsque les initiateurs sont soumis à des conditions thermiques fluctuantes. EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention a donc pour but de remédier au moins partiellement aux inconvénients mentionnés ci-dessus, relatifs aux réalisations de l'art antérieur. Pour ce faire, l'invention a pour objet un initiateur optique d'une charge pyrotechnique, comprenant : - un corps présentant une cavité, dans laquelle est située la charge pyrotechnique, ainsi qu'un moyen d'allumage de cette charge par absorption d'un rayonnement laser, ledit moyen d'allumage étant placé au contact de la charge ; - une source de rayonnement laser ; - une fibre optique pour guider un rayonnement laser de la source vers le moyen d'allumage ; et caractérisé en ce que le moyen d'allumage est une plaque métallique. La plaque métallique va absorber le rayonnement laser, convertir l'énergie lumineuse de ce rayonnement absorbé en une énergie thermique, et communiquer cette énergie thermique à la charge pyrotechnique par conduction thermique. Ainsi, selon le principe de l'invention, on utilise l'énergie lumineuse d'un laser qui est déposée dans la plaque métallique qui est en un matériau absorbant à la longueur d'onde du laser, ce qui provoque une montée très rapide à haute température de la plaque métallique qui, étant en contact avec la charge pyrotechnique, provoque l'allumage de la charge. L'initiateur opto-pyrotechnique objet de l'invention est particulièrement avantageux en ce qu'il combine les avantages des initiateurs électriques et des initiateurs optiques de l'art antérieur, sans leurs inconvénients, à savoir que l'initiateur selon l'invention est insensible aux variations électromagnétiques, ainsi qu'aux variations thermiques. En effet, le moyen d'allumage de la charge pyrotechnique, à savoir la plaque métallique absorbant le rayonnement laser, est pyrotechniquement inerte. Quant à la charge pyrotechnique, qui, contrairement à l'art antérieur, n'a pas besoin d'être optiquement dopée, elle est peu ou pas sensible au rayonnement laser. On peut donc utiliser les mêmes charges pyrotechniques que celles qui sont couramment utilisées dans les initiateurs électriques. La plaque métallique en tant que moyen d'allumage de la charge pyrotechnique apporte une sélectivité étroite aux rayonnements capables d'amorcer l'initiateur, puisqu'elle n'absorbe que les rayonnements laser, et spécifiquement que dans les gammes de longueurs d'ondes absorbables par le métal ou l'alliage métallique constituant la plaque métallique. La sûreté de l'initiateur est donc améliorée. De manière générale, l'initiateur selon l'invention peut soit amorcer un explosif, soit amorcer une poudre ou un propergol, soit enfin amorcer une charge pyrotechnique (fumigène, etc.). Plus particulièrement, la charge pyrotechnique peut être une composition pyrotechnique (l'initiateur opto-pyrotechnique objet de l'invention formant alors un inflammateur) ou bien une composition explosive (l'initiateur étant alors un détonateur). Les compositions pyrotechniques peuvent par exemple être choisies parmi les compositions éclairantes, traçantes, fumigènes, etc. Les compositions explosives peuvent par exemple être des explosifs primaires tels que les azotures, les fulminates, les tétrazènes, etc., des explosifs secondaires tels que le tétranitrate de pentaérythrite (PETN), la cyclotriméthylènetrinitramine (RDX), l'hexanitrostilbène (HNS), etc. De préférence, la plaque métallique présente une pluralité de perforations. Cela permet de diminuer la masse métallique à chauffer, et d'accroitre ainsi la vitesse de chauffage de la plaque métallique sans nuire - en la réduisant trop - à la surface de contact de la plaque avec la charge pyrotechnique. Avantageusement, les perforations sont agencées de manière périodique, pour définir, dans la plaque métallique, une pluralité d'éléments identiques reliés entre eux par des pontets. L'objectif de cette perforation périodique est de diminuer la taille de la plaque métallique (cible) que le laser doit chauffer en isolant des éléments (sous-cibles) entre lesquelles la conduction thermique est minimisée par des pontets dont le rôle est d'assurer la structuration et la cohésion de l'ensemble des sous-cibles en une seule entité. L'intérêt des sous-cibles est de diminuer la masse métallique à chauffer et, par conséquent, de diminuer le temps de chauffage et donc d'augmenter la dynamique de mise à feu de la charge pyrotechnique. En plus, comme le motif de perforation se répète sur toute la plaque métallique, la perforation périodique présente en outre l'avantage qu'un éventuel désalignement de la tâche focale du faisceau laser sur la plaque métallique n'influe pas significativement sur le transfert thermique. Les pontets permettent de diminuer la conduction thermique entre les éléments (sous-cibles). Les pontets ont une largeur qui est significativement plus petite que la plus grande dimension des perforations. Selon un mode de réalisation envisagé, les perforations sont situées aux sommets d'hexagones contigus, disposés de préférence de manière à former un motif en nids d'abeilles. L'avantage d'un motif en nids d'abeilles est que cette géométrie particulière permet d'optimiser la taille des sous-cibles et donc d'optimiser l'efficacité globale de la cible. Il est à noter que la plaque métallique étant le moyen d'allumage de la charge pyrotechnique par absorption du rayonnement laser, il est évident que le métal ou l'alliage métallique formant la plaque doit être absorbant à la longueur d'onde du laser. Avantageusement, la plaque métallique est en un métal choisi parmi le platine, l'or, le tungstène ou en un alliage d'au moins deux de ces métaux. Plus généralement, on choisira des métaux lourds pour lesquels la chaleur massique et la masse volumique présentent un avantage pour l'échauffement de la cible et pour lesquels l'absorptivité des rayonnements est plus favorable que pour les autres métaux, notamment dans l'UV. C'est la raison pour laquelle on préférera éviter d'utiliser le fer et l'aluminium, car ils ne présentent pas de bonnes caractéristiques d'absorptivité. Avantageusement, l'initiateur optique comprend en outre une optique de focalisation du rayonnement laser, qui est intercalée entre une première extrémité de la fibre optique et le moyen d'allumage, l'autre extrémité de la fibre optique étant raccordée à la source de rayonnement laser, cette optique de focalisation étant choisie parmi une lentille sphérique et une lentille cylindrique (barreau). En améliorant la focalisation du faisceau laser sur la plaque métallique, on améliore l'efficacité de l'initiation pyrotechnique. De préférence, la plaque a une épaisseur comprise entre 0,02 mm et 0,1 mm, la finesse de la plaque permettant de diminuer la masse de métal à chauffer et donc d'obtenir une variation de température plus rapide. De préférence, la plaque a un diamètre de l'ordre de trois millimètres correspondant à peu près à la taille de l'étoupille d'explosif primaire. Selon un mode de réalisation envisagé, la plaque est recouverte d'un revêtement dichroïque. Cela permet d'améliorer l'absorption du rayonnement laser par la plaque en maximisant l'absorptivité de la plaque métallique au rayonnement laser de la source laser et en limitant la réflectivité de la plaque métallique, ce qui permet au final d'augmenter le rendement du transfert énergétique de la source laser à la plaque métallique, et de la plaque métallique à la charge pyrotechnique. Le revêtement dichroïque de la plaque métallique peut être obtenu par dépôt en phase vapeur d'un ou plusieurs métaux idoines sur la partie de la plaque exposée au faisceau laser (par exemple des métaux ayant un coefficient d'absorption du rayonnement laser supérieur à celui de la plaque métallique). La source laser et la fibre optique sont les mêmes que celles utilisées couramment dans les initiateurs optiques de l'art antérieur. La source laser peut être une diode laser, ce type de source ayant l'avantage d'être très compact. La source laser peut émettre dans l'infrarouge (c'est-à-dire dans la gamme allant de 1000 um à 700 nm), mais on préférera utiliser une source laser émettant un rayonnement ultra-violet (c'est-à-dire dans la gamme allant de 400 nm à 200 nm), les rayonnements UV étant généralement mieux absorbés par les métaux que les rayonnements IR. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront dans la description détaillée non limitative ci-dessous. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS Cette description sera faite au regard des dessins annexés parmi lesquels : - la figure 1 représente une vue schématique en coupe longitudinale d'un initiateur optique selon l'invention ; - la figure 2 représente une vue de face d'une plaque multi-perforée, selon un premier mode de réalisation préféré de la présente invention ; et - la figure 3 représente une vue de face d'une plaque multi-perforée, selon un second mode de réalisation préféré de la présente invention. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS En référence à la figure 1, il est représenté un initiateur 1 qui comporte un corps 2 muni d'une cavité 3, dans laquelle sont disposées une charge pyrotechnique 4 et une plaque métallique 5, placée en contact de la charge. Une fibre optique 6 permet de guider un faisceau laser d'une source laser (non représentée) vers la plaque métallique 5. De façon connue, un embout 7 sert de support à la fibre optique 6 et permet ainsi de venir placer une extrémité 8 de la fibre optique au contact de la plaque métallique 5, l'autre extrémité 9 étant raccordée à la source laser. L'embout présente ici un filetage facilitant son raccordement avec le corps 2. Il est également possible d'améliorer la focalisation du faisceau laser sur la plaque métallique et d'accroitre ainsi l'efficacité de l'initiation opto-pyrotechnique en plaçant une optique de focalisation (non représentée) entre l'extrémité 8 de la fibre optique et la plaque métalliques. De façon connue, l'initiateur peut servir à former une chaine pyrotechnique, le corps de l'initiateur formant alors le premier étage de la chaine, les second, troisième, etc... étages de la chaine pyrotechnique comprenant des charges pyrotechniques de moins en moins sensibles et de plus en plus énergétiques que la charge de l'initiateur. Un faisceau laser étant un faisceau cohérent et formant un spot laser de faible diamètre, la plaque métallique n'a pas besoin d'être de grandes dimensions. En fait, il est préférable que la plaque soit de faibles dimensions afin d'accélérer son chauffage par le faisceau laser. Il est cependant préférable que la taille de la plaque soit suffisamment grande pour que l'alignement du faisceau laser sur la plaque soit aisé. De même, plus l'épaisseur de la plaque est fine, plus cette épaisseur est rapidement chauffée par le faisceau laser et moins cette plaque est facilement manipulable. Au final, le choix des dimensions de la plaque métallique est un compromis entre la rapidité de chauffage de la plaque métallique, la facilité d'alignement du faisceau laser et la facilité de manipulation de la plaque métallique. Par exemple, pour un faisceau laser ayant un spot laser de 1 mm de diamètre, on pourra choisir une plaque métallique ayant la forme d'une pastille d'environ 3 mm de diamètre et une épaisseur d'environ quatre-vingt centièmes de millimètre. Il est à noter que l'épaisseur de la plaque métallique dépend également de la puissance de la source laser qui est utilisée. Dans les modes de réalisations préférés de l'invention, la plaque métallique comporte de multiples perforations agencées de manière périodique. Deux exemples de possibles géométries des perforations sont illustrés dans les figures 2 et 3. En référence à la figure 2, la plaque métallique 5 est une pastille de forme circulaire, les perforations 10 sont circulaires et identiques, et sont situées aux sommets d'hexagones contigus formant une structure en nids d'abeilles. On obtient ainsi des éléments 11 identiques reliés entre eux par des pontets 12 ou ligaments de matière. La tache centrale 13 représente une tache focale circulaire, qui peut par exemple être obtenue en utilisant une lentille sphérique. Une autre architecture possible des perforations est représentée dans la figure 3, dans laquelle, à la différence de la figure 2, les perforations 10 ont une forme résultant de l'intersection de trois branches, chaque branche suivant la direction d'une paroi d'hexagone. La barre centrale 14 représente la zone d'impact du laser sur la plaque, qui est ici une tache focale rectangulaire pouvant être obtenue en faisant passer le faisceau laser à travers une lentille cylindrique, par exemple. Les perforations peuvent être obtenues en procédant à un usinage par laser ou par photogravure de la plaque métallique. Il est à noter que la forme circulaire des perforations dans la figure 2 est plus facile à réaliser que les perforations de la figure 3. L'objectif de la perforation de la plaque est de diminuer la surface de la plaque que le faisceau laser doit chauffer en isolant des éléments 11 entre lesquels la conduction thermique est minimisée par des pontets 12 dont le rôle est d'assurer la structuration et la cohésion de l'ensemble des éléments 11 en une seule plaque 5. L'intérêt des éléments 11 ainsi obtenus dans la plaque 5 est de diminuer la masse métallique à chauffer et, par conséquent, de diminuer le temps de chauffage et donc d'augmenter la dynamique de mise à feu de la charge pyrotechnique en contact avec la plaque 5. La multiplicité des éléments 11 qui sont chauffés augmente également le nombre de grains de la poudre, qui constitue la charge pyrotechnique, qui sont portés à la température d'allumage, c'est-à-dire la température à laquelle ils réagissent. L'initiation pyrotechnique de la charge pyrotechnique est ainsi moins ponctuelle et plus homogène, ce qui accroit la fiabilité d'amorçage et diminue les risques de long feu. Un autre avantage de la multi-perforation périodique est que, comme les motifs de perforation se répètent sur toute la surface de la plaque, les éléments 11 et les pontets 12 sont tous identiques. Par conséquent, un désalignement de la tache focale n'influe par significativement sur le transfert thermique. Par exemple, dans la figure 2, sept éléments 11 ou sous-cibles sont éclairés par la tache focale du faisceau laser (les éléments 11 non éclairés n'étant pas chauffés, du fait de la présence des pontets 12 qui limite la conduction thermique). Un désalignement de cette tache focale ferait que celle- 2 0 ci illuminerait encore l'équivalent de sept sous-cibles. Ainsi, même en cas de désalignement optique, la composition pyrotechnique serait échauffée de la même manière. Dans la figure 3, on a huit éléments qui sont éclairés et, même en cas de désalignement axial ou angulaire du faisceau laser, huit sous-cibles restent toujours illuminées. 25 REFERENCES CITEES [1] EP 2 508 838 Al [2] EP 1742 009 Al [3] FR 2 831 659 Al REVENDICATIONS1. Initiateur optique (1) d'une charge pyrotechnique (4), comprend : - un corps (2) présentant une cavité (3), dans laquelle est située la charge pyrotechnique (4), ainsi qu'un moyen d'allumage de cette charge par absorption d'un rayonnement laser, ledit moyen d'allumage étant placé au contact de la charge (4) ; - une source de rayonnement laser ; - une fibre optique (6) pour guider un rayonnement laser de la source vers le moyen d'allumage ; et caractérisé en ce que le moyen d'allumage est une plaque métallique (5). 2. Initiateur optique selon la revendication 1, dans lequel la plaque présente une pluralité de perforations (10). 3. Initiateur optique selon la revendication 2, dans lequel les perforations (10) sont agencées de manière périodique, pour définir, dans la plaque métallique, une pluralité d'éléments (11) identiques reliés entre eux par des pontets (12). 4. Initiateur optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la plaque métallique (5) est en un métal choisi parmi le platine, l'or, le tungstène ou en un alliage d'au moins deux de ces métaux. 5. Initiateur optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, comprenant en outre une optique de focalisation du rayonnement laser, qui est intercalée entre une première extrémité (8) de la fibre optique et le moyen d'allumage, l'autre extrémité (9) de la fibre optique étant raccordée à la source de rayonnement laser, cette optique de focalisation étant choisie parmi une lentille sphérique et une lentille cylindrique. 6. Initiateur optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la plaque (5) a une épaisseur comprise entre 0,02 mm et 0,1 mm. 7. Initiateur optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la plaque (5) est recouverte d'un revêtement dichroïque. 8. Initiateur optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel la source laser émet un rayonnement ultra-violet.