Brevet FR3097860A1 — publié le 20210101

Description Titre de l'invention : Assemblage explosif associant énergies chimique et électrique. Domaine de l'invention [0001] Le domaine technique de l'invention est celui des assemblages explosifs associant énergies chimique et électrique. Etat de la technique [0002] L'art antérieur, dans le domaine militaire et civil, décrit des générateurs d'énergie couplant une charge combustible ou explosive avec des dispositifs à énergie électromagnétique. [0003] Dans le domaine militaire, on connait des dispositifs d'amorçage d'un chargement explosif par effet électromagnétique. Le brevet US 8387534 décrit un chargement explosif contenant des nanotubes (0,1 à 100 nm) de carbone. L'échauffement rapide des nanotubes sous l'effet d'un rayonnement micro-onde induit une onde de choc qui amorce en détonation le chargement explosif. Le rayonnement micro-onde est produit soit par un générateur de micro-onde associé à des guides d'onde, soit par un générateur à compression de flux comprenant un chargement explosif. [0004] Dans le domaine des blindages réactifs, il est connu d'utiliser des plaques explosives et/ou des dispositifs électromagnétiques pour dévier/disloquer le jet métallique d'une munition perforante. Le blindage réactif le plus commun est le blindage explosif réactif. Par exemple, la demande de brevet FR-A-2 670 574 décrit un blindage purement électromagnétique. Le blindage est constitué de condensateurs reliés à des plaques conductrices. Lorsque le projectile explosif perfore le blindage, les plaques sont mises en court circuit via le corps du projectile. Le courant qui circule alors exerce sur le projectile une force électromagnétique (Force de Lorentz) qui le fait dévier de sa trajectoire. La demande de brevet US 2004/0118273 décrit un blindage multicouche constitué de deux plaques de blindage séparées par une plaque de blindage en matériau piézoélectrique. Cette plaque intermédiaire génère un champ électrique et/ou magnétique par sollicitation mécanique lorsqu'elle est impactée par un projectile. La demande de brevet WO 2006/085989 décrit un blindage réactif hybride explosif et électromagnétique pour disloquer un jet de charge creuse. Le blindage réactif comprend une couche explosive à fonctionnement conventionnel du type blindage explosif réactif mais qui a aussi pour fonction d'activer mécaniquement un matériau piézoélectrique pour la génération d'un champ électromagnétique. [0005] Dans le domaine civil, il existe des accumulateurs électrochimiques pour amorcer des détonateurs comprenant un électrolyte explosif La demande de brevet US 2 2014/0230679 décrit ainsi un accumulateur électrochimique dans lequel l'électrolyte est un composé explosif ou un composé dérivé d'un explosif Ce dispositif est destiné à être utilisé comme générateur d'électricité pour l'amorçage de tirs de mines. Le composé explosif est une émulsion à base de nitrate d'ammonium pouvant contenir des additifs pour en augmenter la conductivité électrique. Il existe aussi des batteries dites « thermiques » activées par une charge pyrotechnique combustible. La demande de brevet US 2018/0099912 décrit ainsi l'utilisation d'éléments pyrotechniques combustibles pour l'activation par chauffage d'électrolyte d'un état solide inerte vers un état liquide ionique de batteries dites «thermiques». On connaît aussi des batteries miniaturisées renfermant en leur sein des matériaux combustibles servant d'anode et de cathode. Le brevet US 6042963 décrit un générateur pyrotechnique de courant utilisé par exemple comme détecteur d'incendie. Le générateur comprend une anode constituée d'un matériau énergétique ayant un excès de composant réducteur et une cathode en matériau énergétique ayant un excès d'oxydant. La cathode et l'anode sont séparées par une couche de matériau alcalino-terreux fluoré ou fluorure de lithium. [0006] Par ailleurs, dans le domaine des accumulateurs électrochimiques, l'énergie électrique Eciiqu. stockée est en constante augmentation. Les batteries conventionnelles, par exemple les accumulateurs de type Li-ion, peuvent stocker une énergie électrique d'environ 280 Wh/kg soit 0,72 MI/kg, voire 500 Wh/kg soit 1,8 MI/kg. Les nouvelles générations de batterie de type Li-S sont susceptibles de stocker plus de 500 Wh/kg soit 1,8 MJ/kg, voire 1400 Wh/kg soit 5 MJ/kg à relativement court terme (réf : Rapport INERIS « Batterie haute densité énergétique au LI-S : Différences avec la technologie Li-ion, évaluation des risques et mise en sécurité », n° DRA19-180147-00590A du 07/02/2019). Il est à noter que des valeurs de stockage électrique théorique de plus de 10 000 Wh/kg soit 36 MJ/kg sont annoncées pour les batteries Li-air en développement. Les énergies électriques stockées dans les batteries actuelles sont donc du même ordre de grandeur (voire dans un proche futur d'un ordre de grandeur supérieur), que l'énergie libérée par la détonation de l'explosif de référence, le trinitrotoluène (TNT), soit environ 4,2 MJ/Kg. La sécurité d'emploi des batteries fait l'objet de nombreuses études notamment pour des utilisations dans les transports. Les batteries Li-ion à électrolytes liquides organiques sont susceptibles, lorsqu'elles soumises à un échauffement dysfonctionnel (provoqué par un court-circuit ou un incendie) de réagir par emballement thermique puis par explosion. L'énergie thermique libérée est importante, environ 6 fois la quantité d'énergie électrique stockée dans la batterie, pour des tests en présence d'air et d'une bougie d'allumage des gaz de combustion (réf : « Investigation on the fire-induced hazards of Li-ion battery cells by fire calorimetry », Pen-ine Ribière & al., Energy and Environmental Sciences, 2012,5,5271). L'énergie de réaction est quasi-constante et la puissance augmente avec 3 la charge de la batterie. [0007] Les valeurs d'énergie thermique de réaction concernant les nouvelles générations de batteries à sécurité améliorée, par exemple à électrolyte inorganique ininflammable, sont considérablement réduites par rapport aux batteries à électrolyte organique. [0008] Dans le domaine des accumulateurs électrostatiques, du type supercondensateurs, les densités d'énergie stockées sont plus faibles que celles stockées par les accumulateurs électrochimiques, avec des valeurs d'environ 1 Wh/kg à 5 Wh/kg. Des travaux en cours utilisant les nanotechnologies laissent entrevoir la possibilité de stocker jusqu'à 100 Wh/kg,. Résumé de l'invention [0009] Les progrès dans le stockage de l'énergie par des accumulateurs électriques ont conduit la demanderesse à concevoir un assemblage explosif associant énergies chimique et électrique. L'invention a pour objet un dispositif constitué d'un assemblage d'une charge explosive avec au moins un accumulateur électrique de type électrochimique ou électrostatique (du type supercondensateur), préférentiellement plusieurs accumulateurs électriques constituant une batterie et/ou une série de super-condensateurs. La détonation de la charge explosive entraîne la destruction du au moins un accumulateur électrique. La destruction du au moins un accumulateur électrique est alors assimilable à une sollicitation massive quasi-instantanée de perforation et/ou de court-circuit. L'énergie totale délivrée par le dispositif lors de la détonation de la charge explosive cumule celle délivrée par la charge explosive et celle délivrée par la destruction du au moins un accumulateur électrique. L'énergie délivrée par le au moins un accumulateur électrique lors de sa destruction est d'origine électrique et au second plan d'origine chimique (par réaction des composés du au moins un accumulateur électrique entre eux et avec l'environnement). [0010] L'énergie électrique stockée par le au moins un accumulateur électrique dépend de son (leurs) état(s) de charge, l'invention a donc l'avantage de permettre de moduler l'énergie libérée en réglant l'état de charge du au moins un accumulateur électrique de 0% à 100 %. Lorsque le dispositif contient plusieurs accumulateurs électriques, l'état de charge de chaque accumulateur électrique est identique ou variable selon le niveau énergétique souhaité. Le dispositif de l'invention présente aussi l'avantage de pouvoir être stocké avec 0% de charge du au moins un accumulateur électrique et de limiter ainsi la dangerosité en cas de déclenchement accidentel. [0011] Dans un mode de réalisation, plusieurs dispositifs selon l'invention peuvent être assemblés dans l'objectif d'augmenter l'énergie libérée et/ou de disposer d'une latitude accrue de réglage de l'énergie libérée. Brève description des figures. 100121 Ifie.11 La figure 1 représente une batterie couplée avec une charge explosive externe constituée d'un bloc explosif solide cylindrique à canal central. [0013] [fig.2] La figure 2 représente une vue en coupe de la batterie selon la figure 1. [0014] [fig.3] La figure 3 représente une batterie couplée avec une charge explosive interne constituée de blocs explosifs plastiques insérés entre les accumulateurs. [0015] [fig.4] La figure 4 représente une vue de côté de la batterie selon la figure 3. [0016] [fig.5] La figure 5 représente une batterie comportant sur chacune de ses faces latérales, un bloc d'explosif plastique. [0017] [fig.6] La figure 6 représente une vue en coupe de la batterie selon la figure 5. Description de l'invention [0018] Selon son premier objet, le dispositif de l'invention consiste en l'assemblage explosif d'une charge explosive munie de son moyen d'amorçage (détonateur et relais d'amorçage) avec au moins un accumulateur électrochimique, préférentiellement plusieurs accumulateurs électrochimiques formant une batterie. La charge explosive amorcée en détonation entraîne une destruction instantanée du au moins un accumulateur électrochimique. Cette destruction explosive libère de façon quasi instantanée l'énergie électrique stockée par le(les) accumulateur(s) électrochimique(s). Elle provoque aussi la libération d'un énergie thermique de réaction des composés du au moins un accumulateur électrochimique entre eux et avec l'environnement (air, matériaux environnant). [0019] L'énergie totale générée, selon le procédé de l'invention, cumule donc l'énergie de détonation Ee'',,, de la charge explosive avec l'énergie électrique Eé1',,ique du au moins un accumulateur électrochimique et, au second plan, avec l'énergie thermique The,',i,,, de réaction chimique des constituants du au moins un accumulateur électrochimique, comme expliqué ci-après. Le mode de restitution de l'énergie électrique Eélecid,,,, contenue dans le au moins un accumulateur électrochimique au moment de sa(leur) destruction par l'onde de détonation de la charge explosive peut être thermique, ionique (plasma), électromagnétique. [0020] Si, on considère, par exemple, une charge explosive de TNT associée à une batterie de capacité énergétique électrique de 1000 Wh/kg (3,6 MJ/kg) du type de celle développée par la société Innolith, le bilan énergétique de réaction pour 1 kg de TNT associé à 1 kg de batterie dans un état de charge électrique maximale est alors de : [0021] E, = E,',' + Eieciriqiie = 4,2 + 3,6 = 7,8 MJ. [0022] Le calcul pour un cas réaliste peut-être effectué avec 2 kg de TNT agissant sur une batterie de 20 kg (du type de celle indiquée ci-dessus) dans un état de charge électrique maximale. L'énergie délivrée instantanément est alors El = 8,4 + (3,6 x20) = 80,4 MJ. [0023] Il faut ajouter à l'énergie El (énergie de détonation + énergie électrique) l'énergie thermique produite sur un temps plus long par la réaction chimique des constituants du au moins un accumulateur électrochimique. Cette énergie est dé- pendante des constituants de la batterie, notamment de la nature de l'électrolyte. [0024] Pour des épreuves standards de sécurité par échauffement dysfonctionnel de la batterie, cette énergie thermique Ehei,. est typiquement délivrée sur une durée de l'ordre de 50 secondes à plusieurs minutes selon la charge de la batterie. Dans le cas de la présente invention, la production thermique par réaction chimique se déroule sur des temps beaucoup plus courts que ceux des tests standards de sécurité. En effet, la destruction quasi-instantanée des accumulateurs de la batterie sous l'effet de l'onde de détonation de la charge explosive conduit à une mise en contact rapide des constituants de la batterie entre eux et avec l'air environnant. Le temps de production de cette énergie thermique par réaction chimique du type oxydo-réduction reste néanmoins supérieur à celui de libération quasi-instantanée des énergies de détonation et électrique. [0025] Selon son deuxième objet, le dispositif de l'invention consiste en l'assemblage explosif d'une charge explosive munie de son moyen d'amorçage (détonateur et relais d'amorçage) et d'au moins un accumulateur électrostatique, du type supercondensateur, préférentiellement plusieurs accumulateurs électrostatiques. [0026] Selon son troisième objet, le dispositif de l'invention consiste en l'assemblage d'une charge explosive munie de son moyen d'amorçage (détonateur et relais d'amorçage) avec au moins un accumulateur électrostatique, par exemple du type supercondensateur, et avec au moins un accumulateur électrochimique, préférentiellement plusieurs accumulateurs électrostatiques et plusieurs accumulateurs électrochimiques. [0027] Les considérations relatives à l'énergie totale générée dans le cadre du premier objet de l'invention, s'appliquent mutatis mutandis au deuxième objet et au troisième objet de l'invention. [0028] Dans un mode de réalisation, la charge explosive assemblée avec le au moins un ac- cumulateur électrique, est constituée d'au moins un bloc explosif plastique (par exemple de type C4 ou HEXOMAX®) ou d'au moins une bande explosive plastique auto-adhésive (par exemple du type HEXOTAPE®) ou d'au moins une feuille explosive plastique (par exemple du type HEXOSHEETe). La charge explosive peut aussi être solide tel un bloc explosif solide comprimé (par exemple de type HEXOWAX®) ou encore un bloc explosif composite à liant réticulé de type HMX ou RDX/liant polyuréthane, par exemple l'explosif référencé PBXN-109. De telles charges explosives sont commercialisées par la société Eurenco sous les noms de marques suscités et l'appellation PBXN-109. [0029] Dans un mode de réalisation, lorsque le dispositif contient plusieurs accumulateurs électriques formant un assemblage, ce dernier peut être inséré dans une charge explosive, en particulier dans le canal de celle-ci, ou bien la charge explosive est 6 disposée autour de l'assemblage et/ou entre les accumulateurs. [0030] Dans un mode de réalisation, lorsque le(les) accumulateurs électriques est(sont) disposé(s) dans une structure, le positionnement de la charge explosive peut-être externe et/ou interne à la structure. Selon un aspect de ce mode de réalisation, la structure dans laquelle est(sont) disposé(s) l'accumulateur (les accumulateurs) est une structure forte ou blindée, auquel cas la charge explosive est préférentiellement une charge creuse explosive. [0031] L'assemblage de l'invention trouve son application: [0032] - de façon générale comme tête militaire à sécurité de stockage améliorée, la charge du au moins un accumulateur électrique étant de 0% en condition de stockage, [0033] - par exemple, comme chargement explosif de bombe, par exemple de type Mk82, à puissance modulable selon l'état de charge du au moins un accumulateur électrique, [0034] - par exemple, comme tête militaire de torpille sous marine dans le but de réduire la quantité d'explosif à puissance explosive identique. [0035] L'invention est illustrée par les exemples ci-après, donnés à titre purement indicatif Exemple 1 [0036] En référence aux figures 1 et 2, le dispositif comprend 50 accumulateurs électro- chimiques (I) du type LICERIONIm (de densité énergétique massique de 500 Wh/kg (1,8 MJ/kg) et volumique de 1000 Wh/L (3,6 MJ/L), de dimensions unitaire : hauteur =10 cm, mm, largeur = 10 cm, épaisseur= I cm, masse unitaire = 0,154 kg) commercialisé par la société Sion Power formant une batterie (2) de dimensions 10 cm x 10 cm x 50 cm et de masse 7,7 kg. Cette batterie est disposée dans le canal (3) d'une charge explosive (4) constituée d'un bloc explosif solide cylindrique de diamètre extérieur 17,7 cm à canal central de section rectangulaire de côtés 11= 12,5 cm et 12 = 10 cm, de masse 10 kg, en composition PBXN-I09 (de densité volumique environ 1,65 g/cm% comprenant, en masse, 64% d'hexogène, 20% d'aluminium, et 16% de liant polyuréthanne (PBHT). La composition PBXN 109 libère une énergie de détonation équivalente estimée à 1,2 fois celle du TNT soit environ 5 MJ/kg. L'énergie El cumulant l'énergie de détonation et l'énergie électrique pour ce dispositif est égale à environ 63,9 Ml. Le dispositif est inséré dans une structure (5), par exemple un corps de bombe ou une tête explosive de missile. Exemple 2 [0037] En référence aux figures 3 et 4, le dispositif comprend 50 accumulateurs électro- chimiques [11 accolés du type LICERION'm (de densité énergétique de 500 Wh/kg (1,8 MJ/kg), dimension unitaire : hauteur =10 cm, mm, largeur = 10 cm, épaisseur= 1 cm, masse unitaire = 0,154 kg) commercialisé par la société Sion Power formant une batterie (2) de dimensions 10 cm x 10 cm x 50 cm et de masse 7,7 kg. Les accu- 7 mulateurs sont séparés par 49 éléments explosifs plastiques (6) de type C4 ou HEXOMAX® (de densité environ 1,65 g/cm3). Chaque élément explosif a comme dimensions hauteur =10 cm, mm, largeur = 10 cm épaisseur= 1,24 cm. La masse totale d'explosif est de 10 kg. L'explosif C4 libère une énergie de détonation équivalente estimée à 1,3 fois celle du TNT soit environ 5,5 MJ/kg. Un arceau (7) assure la stabilité de l'assemblage. L'énergie El cumulant l'énergie de détonation et l'énergie électrique pour ce dispositif est égale à environ 68,9 Mt Exemple 3 [0038] En référence aux figures 5 et 6, le dispositif comprend 50 accumulateurs électro- chimiques (I) accolés du type LICERIONrm (de densité énergétique de 500 Wh/kg (1,8 MJ/kg), dimension unitaire : hauteur =10 cm, mm, largeur = 10 cm épaisseur= 1 cm, masse unitaire = 0,154 kg) commercialisé par la société Sion Power formant une batterie (2) de dimensions 10 cm x 10 cm x 50 cm et de masse 7,7 kg. La batterie comprend sur chaque face latérale un bloc explosif plastique de type C4 (densité 1,65 g/cm,) commercialisé par la société Eurcnco. Deux blocs (8) dans la longueur de la batterie ont une masse unitaire de 4,27 kg pour des dimensions de longueur = 58,8 cm, largeur = 10 cm épaisseur= 4,4 cm et deux blocs (9) dans la largeur de la batterie ont une masse unitaire de 0,726 kg pour des dimensions de longueur =10 cm, largeur = 10 cm épaisseur= 4,4 cm. L'explosif C4 libère une énergie de détonation équivalente à environ 1,3 fois celle du TNT soit environ 5,5 MJ/kg. L'énergie El cumulant l'énergie de détonation et l'énergie électrique pour ce dispositif est égale à environ 68,8 MJ. 8 REVENDICATIONS[Revendication 1] Assemblage explosif d'une charge explosive munie de son moyen d'amorçage avec au moins un accumulateur électrique de type électrochimique ou électrostatique. [Revendication 2] Assemblage selon la revendication 1, comprenant plusieurs accu- mulateurs électrochimiques et/ou électrostatiques formant une batterie et/ou une série de supercondensateurs. [Revendication 3] Assemblage selon la revendication 2, comprenant plusieurs accu- mulateurs électrochimiques formant une batterie. [Revendication 4] Assemblage selon la revendication 3, dans lequel la charge de chaque accumulateur élecnique varie de 0% à 100%. [Revendication 5] Assemblage selon la revendication 4, dans lequel la charge de chaque accumulateur élecnique est identique. [Revendication 6] Assemblage selon la revendication 4, dans lequel la charge d'au moins deux accumulateurs électriques est différente. [Revendication 7] Assemblage selon la revendication 2, comprenant plusieurs accu- mulateurs électrostatiques formant une série de supercondensateurs. [Revendication 8] Assemblage selon la revendication 2, comprenant plusieurs accu- mulateurs électrostatiques et plusieurs accumulateurs électrochimiques formant respectivement une batterie et une série de supercondensateurs. [Revendication 9] Assemblage selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel la charge explosive est constituée d'au moins un bloc explosif plastique, ou d'au moins une bande explosive plastique auto-adhésive, ou d'au moins une feuille explosive plastique, ou d'au moins un bloc explosif solide comprimé, ou d'au moins un bloc explosif solide composite à liant réticulé. [Revendication 10] Assemblage selon l'une quelconque des revendications 2 à 9, dans lequel les accumulateurs électrochimiques et/ou électrostatiques sont insérés dans la charge explosive. [Revendication 11] Assemblage selon l'une quelconque des revendications 2 à 9, dans lequel la charge explosive est disposée autour de l'assemblage et/ou entre les accumulateurs électrochimiques et/ou électrostatiques.