DET-301 01 ÉDITION DE NOVEMBRE 2013 GROUPE D ÉTUDE DES MODES OPÉRATOIRES DÉTERMINATION DES ÉQUIVALENTS TNT DES EXPLOSIFS TNT EQUIVALENTS BY BLAST EFFECT OF EXPLOSIVES Analyse Le présent document décrit un mode opératoire d'étude sur la détermination des équivalents TNT d'un explosif, à partir de la mesure des caractéristiques de l'onde de souffle au sol (temps d'arrivée, surpression aérienne et impulsion positive) par comparaison à un tir de référence réalisé dans les mêmes conditions expérimentales. Modifications Mise à jour de l article 6 - Expressions des résultats. Promulgation Le Président du GEMO Patrick Lamy DGA/INSP/IPE Chef de la cellule sécurité des munitions Le 18 décembre 2013
NOVEMBRE 2013 DES EXPLOSIFS PAGE 2/14 SOMMAIRE DÉSIGNATION DE L ARTICLE Page 1. DOMAINE D APPLICATION...3 2. DÉFINITIONS, SYMBOLES ET ABRÉVIATIONS...4 3. PRINCIPE DE LA MÉTHODE D ESSAI...4 4. APPAREILLAGE...5 4.1 L'AIRE DE TIR...6 4.2 L ÉDIFICE EXPÉRIMENTAL...7 4.3 LA CHAÎNE DE MESURE...8 5. MODE OPÉRATOIRE...9 5.1 CONDUITE DE L ESSAI...9 5.1.1 PRÉPARATION DE L ESSAI...9 5.1.2 RÉALISATION DE L ESSAI...9 5.1.3 DÉPOUILLEMENT...9 5.2 CONDUITE DE L ÉPREUVE... 10 6. EXPRESSION DES RÉSULTATS... 10 7. RAPPORT D ESSAI... 11 8. BIBLIOGRAPHIE... 12 9. ANNEXE - COURBES DE RÉFÉRENCE GEMO... 13
NOVEMBRE 2013 DES EXPLOSIFS PAGE 3/14 AVANT-PROPOS Ce mode opératoire a été étudié et rédigé par le Comité 4-1 «Détonique» du GEMO, thème «Performances». Ce mode opératoire annule et remplace le mode opératoire FMD-311-A-1 Effet de souffle. L annexe fait partie intégrante du mode opératoire. AVERTISSEMENT ET PRÉCAUTIONS DE SÉCURITE La méthode décrite dans le présent document conduit à mettre en œuvre une matière explosible. Son utilisateur devra donc se conformer à la réglementation en matière de sécurité pyrotechnique. 1. DOMAINE D APPLICATION Le présent mode opératoire décrit une méthode permettant de déterminer les équivalents TNT d'un matériau énergétique placé au sol, à partir des caractéristiques de l'onde de souffle engendrée par sa détonation. Ce mode opératoire s applique à tout type de matériaux énergétiques explosibles. Note 1 : Son application reste possible pour des matériaux présentant un régime réactionnel susceptible de créer une onde de souffle aérienne, comme : - La déflagration - La combustion conduisant à une explosion pneumatique On veillera cependant à tester le matériau dans un état physique le plus proche possible de sa configuration réelle d utilisation (densité, dimensions,..) Note 2 : Ce mode opératoire a pour but principal de déterminer les équivalents TNT utilisés pour le calcul des zones d effets dans le cadre des études de sécurité pyrotechnique.
NOVEMBRE 2013 DES EXPLOSIFS PAGE 4/14 2. DÉFINITIONS, SYMBOLES ET ABRÉVIATIONS Équivalent TNT : Rapport entre la masse de TNT qui génère les mêmes effets et la masse d explosif testée. M EqTNT = M TNT Explosif testé Effet de souffle : L'effet de souffle résulte de la propagation d'une onde de choc aérienne à partir du volume occupé initialement par le matériau énergétique. Caractéristiques de l'onde de souffle, figure 1 : Le temps d'arrivée (ta) correspond au délai séparant l'instant d'initiation de l'instant d'arrivée du front de l onde de choc aérienne sur la surface sensible du capteur. La pression incidente (Pi) correspond à la surpression engendrée par l'onde de souffle par rapport à la pression atmosphérique, lorsque l'élément sensible du capteur est perpendiculaire au plan de l onde de choc aérienne. L'impulsion positive (I+) correspond à l'aire sous la première partie positive de la courbe de pression en fonction du temps. 3. PRINCIPE DE LA MÉTHODE D ESSAI Le matériau à tester est placé sur une aire de tir puis est mis en détonation par l'intermédiaire d'un amorçage adapté. La pression au cours du temps (figure 1) est enregistrée au sol, à une distance définie précisément de l axe de la charge au moyen d'un capteur de pression. À partir de cet enregistrement on déterminera les caractéristiques de l'onde de souffle décrites au paragraphe 2.
NOVEMBRE 2013 DES EXPLOSIFS PAGE 5/14 Il est recommandé d utiliser plusieurs capteurs de pression afin de : - suivre l'évolution de l'onde de souffle en fonction de la distance, - s'assurer des redondances dans l'expression des résultats en effectuant une moyenne des valeurs mesurées. Pression Pi ta I+ Temps Figure 1 : enregistrement de la pression en fonction du temps Pour une caractéristique donnée de l onde de souffle aérienne (ta, Pi ou I+), l'équivalent TNT du matériau énergétique testé sera déterminé par comparaison avec une courbe de référence fournie en annexe. 4. APPAREILLAGE Le dispositif expérimental doit comporter : 1. une aire de tir ; 2. un édifice expérimental ; 3. une chaîne de mesure.
NOVEMBRE 2013 DES EXPLOSIFS PAGE 6/14 4.1 L'AIRE DE TIR Une représentation schématique de l aire de tir est présentée ci-après. Dcapt mini Daire mini Échantillon Socle acier Socle + capteur Surface du sol Propagation onde de souffle Figure 2 : Schéma de l aire de tir Mesure distance ( axe charge axe capteur) Matériau découpleur Elément sensible capteur (surface affleurante) Socle capteur Vers enregistreurs Sol Sol Figure 3 Schéma socle + capteur
NOVEMBRE 2013 DES EXPLOSIFS PAGE 7/14 L'aire de tir plane doit être dégagée de tout obstacle susceptible de générer des ondes réfléchies parasites sur un diamètre minimum (D aire mini ) égal à 1,5 fois la distance de la charge au capteur le plus lointain, figure 2. La partie centrale de l'aire de tir est composée d'un socle d acier d épaisseur 100 mm minimum, de diamètre (disque) ou de côté (carré) égal à 5 fois le diamètre de la charge. Le perçage permettant le passage du dispositif d'initiation sera réduit au strict nécessaire. Afin d'éviter tout parasitage de la mesure par des ondes de sol, les capteurs doivent être découplés physiquement du socle. Les emplacements destinés à la mesure des caractéristiques de l'onde de souffle seront constitués de façon à ce que le capteur reste immobile pendant l'essai, que la surface sensible du capteur soit affleurante (± 0,5 mm) par rapport au support capteur et perpendiculaire par rapport à l'onde de souffle, figure 3. La distance du premier capteur par rapport au centre de la charge (D capt mini, figure 2) doit être supérieure à 10 fois le diamètre de la charge pour s'affranchir des effets liés à la boule de feu (effet électromagnétique). Afin de vérifier l axisymétrie de l onde de choc, Il est recommandé de placer les capteurs sur deux lignes perpendiculaires et d équiper chaque ligne d au moins deux capteurs. 4.2 L ÉDIFICE EXPÉRIMENTAL 150 mm Matériau à tester H = 150 mm Renforçateur 50 h 50 mm Dispositif d initiation Figure 4 Exemple d'édifice expérimental (matériau compact)
NOVEMBRE 2013 DES EXPLOSIFS PAGE 8/14 Sous réserve d'une condition de fonctionnement détonique nominal, la base de l'éprouvette recommandée sera constituée d'une maquette cylindrique ( 150 h 150 mm) sans paroi pour les matériaux compacts et avec paroi plastique d épaisseur inférieure à 0,5 mm pour les produits pâteux, granulaire et liquide, dans ce cas le fond collé de cette maquette sera usiné afin de permettre un amorçage axial de l explosif à tester. Pour la mise en détonation de l'éprouvette décrite ci-dessus, le dispositif renforçateur est constitué d un relais de dimensions maximales 50 h 50 mm en Hexocire 95/5 ou 98/2 mis en détonation avec un détonateur approprié. Si nécessaire, les modifications géométriques de l amorçage et de l explosif seront homothétiques pour tenir compte des dimensions sous critiques fonctionnelles. 4.3 LA CHAÎNE DE MESURE La chaîne de mesure de pression est constituée d'un capteur de pression (piézoélectrique ou piézorésistif), d'un amplificateur / conditionneur et d'un enregistreur. Le type de capteur de pression utilisé ne doit pas être sensible aux effets électromagnétiques, et doit avoir une réponse en fréquence plate inférieure à 3dB jusqu à une valeur de 1/5 de sa fréquence de résonance. Le conditionneur/amplificateur devra également avoir une bande passante supérieure à celle du capteur et adapté à la mesure attendue. De même au niveau de l enregistreur, une fréquence d échantillonnage supérieure ou égale à 100 khz est recommandée. En ce qui concerne la mesure temporelle, la référence temporelle, qui sera effectuée à l interface entre le détonateur et le relais renforçateur, devra être disponible et enregistrée avec les signaux de pression de façon à pouvoir recaler ces derniers et obtenir le temps d arrivée de l onde de souffle aérienne. Les composants de la chaîne de mesure seront étalonnés ou vérifiés avant tir.
NOVEMBRE 2013 DES EXPLOSIFS PAGE 9/14 5. MODE OPÉRATOIRE 5.1 CONDUITE DE L ESSAI 5.1.1 PRÉPARATION DE L ESSAI À chaque essai les conditions atmosphériques seront mesurées et vérifiées avant tir, le tir sera autorisé en l absence de pluie et pour une vitesse du vent inférieure à 10 m/s. Positionner le ou les capteurs de pression aux emplacements prévus pour la mesure, on veillera particulièrement à : - Vérifier l intégrité et la planéité du socle d acier ; - ce que les câbles de liaisons entre capteurs et conditionneurs soient protégés des effets extérieurs de la détonation (risque de coupure en cas de projection, effets parasites d origine triboélectrique) ; - relever les distances exactes entre l axe de la charge et l axe des capteurs. Câbler les amplificateurs/conditionneurs et les enregistreurs et procéder aux réglages de ces appareils, on veillera à s assurer du bon fonctionnement de l ensemble de la chaine de mesure ainsi câblée et on vérifiera que le bruit de fond parasite est contenu dans une plage admissible (< 1/10 éme de la mesure attendue). Positionner l édifice pyrotechnique au centre du socle d acier, selon le schéma présenté en figure 4 et s assurer de la perpendicularité du montage. Procéder au réglage du déclenchement du tir au niveau des enregistreurs. Amorcer la charge. 5.1.2 RÉALISATION DE L ESSAI On procède au tir et à la sauvegarde des signaux. 5.1.3 DÉPOUILLEMENT Le dépouillement consiste à relever, pour chaque capteur, les valeurs des caractéristiques suivantes sur le signal de pression : - temps d arrivée de l onde (ta) ; - pression pic (Pi) ; - Impulsion positive (I+) - l impulsion est déterminée par intégration de la partie positive du signal P=f(t).
NOVEMBRE 2013 DES EXPLOSIFS PAGE 10/14 5.2 CONDUITE DE L ÉPREUVE L épreuve comporte au minimum un essai, plusieurs points de mesure sont recommandés. 6. EXPRESSION DES RÉSULTATS L équivalent TNT est déterminé pour chaque caractéristique (X) et chaque distance en comparant directement les valeurs mesurées aux courbes de référence GEMO (voir annexe). Les caractéristiques X considérées sont : - La pression maximale incidente (bar) : P i - Le temps d arrivée réduit (ms.kg -1/3 ta ) : ta = M mes 1 3 - L impulsion positive incidente réduite (bar.ms.kg -1/3 ) : I + = I mes 1 3 M Avec : M, masse de l explosif éprouvé (kg) On utilisera alors la formule suivante : EqTNT X d = d exp TNT 3 Avec : d d =, la distance réduite (m.kg -1/3 ) M 1 3
NOVEMBRE 2013 DES EXPLOSIFS PAGE 11/14 Figure 5 - Exemple pour la pression distance réduite Au final, le résultat s exprime soit par une ou des valeurs regroupées dans un tableau, soit par une courbe décrivant, selon la caractéristique dépouillée l évolution de l équivalent TNT en fonction de la distance. 7. RAPPORT D ESSAI Il comprend : - la date et le lieu de l essai, - le nom des opérateurs et leur signature, - la référence du mode opératoire, - l identification de l'explosif, - les caractéristiques de l éprouvette : - les dimensions, - la masse volumique de l'explosif, - Les caractéristiques du système d amorçage (détonateur et relais), - les caractéristiques de l appareillage, - les conditions atmosphériques (vitesse du vent et direction) - les résultats de l'essai et une estimation des incertitudes de mesure sous forme d un tableau regroupant pour chaque distance : - la pression Pi, le temps d arrivée (ta) et l impulsion positive (I+) et la valeur d équivalent TNT associée, - un ou des figures traçant l évolution de l équivalent TNT pour chaque caractéristique en fonction de la distance. - les observations éventuelles, - tout écart par rapport au mode opératoire.
NOVEMBRE 2013 DES EXPLOSIFS PAGE 12/14 8. BIBLIOGRAPHIE [1] Dictionnaire du GTPS - Publication de l Association Française de Pyrotechnie (AFPyro) [2] Rapport technique T2007-00052/CEG/NC du 18/07/2007 Synthèse des résultats expérimentaux de tirs de cylindres de TNT [3] Document technique D2009-00081/CEG/NC du 04/12/2009 Exploitation des résultats expérimentaux de tirs de cylindres de TNT
NOVEMBRE 2013 DES EXPLOSIFS PAGE 13/14 9. ANNEXE - COURBES DE RÉFÉRENCE GEMO Les courbes de référence donnant la pression, l impulsion positive réduite et le temps d arrivée réduit en fonction de la distance réduite sont données dans le graphique en figure 6 ci-après. Ces courbes proviennent d essais réalisés et exploités par DGA/CEG (actuel CEA/Gramat) et décrits dans les documents en références [2] et [3]. Les lissages effectués, et les équations correspondantes, ne sont valables que dans le domaine de validité des essais effectués, soit pour des distances réduites comprises entre 0,4 et 10 m.kg -1/3. Les équations de ces courbes sont les suivantes, pour chacun des paramètres concernés : Pression : Y = 1,42188-1,79761 X - 2,3684 X 2-1,21668 X 3 + 10,08928 X 4-10,35741 X 5 + 3,37197 X 6 Où Y = Log 10 P X = Log 10 d réduite Impulsion réduite : Y = 0,37707 + 0,30928 X - 2,45647 X 2-4,66803 X 3 pour d réduite < 2 m.kg -1/3 Y = 0,40998-1,03677 X pour d réduite > 2 m.kg -1/3 Où Y = Log 10 (Impulsion / Masse 1/3 ) X = Log 10 d réduite Temps d arrivée réduit : Y = - 0,47573 + 1,62915 X + 0,70659 X 2 + 0,53889 X 3-0,64963 X 4-4,34597 X 5 + 6,40139 X 6-2,50302 X 7 Où Y = Log 10 (t arrivée / Masse 1/3 ) X = Log 10 d réduite
NOVEMBRE 2013 DES EXPLOSIFS PAGE 14/14 Figure 6 Courbes de référence GEMO 1000 100 10 1 0,1 Pression Impulsion réduite Ta réduit 0,1 1 10 100 Distance réduite (m.kg -1/3 ) Pi (bar) - I+ réduit (bar.ms.kg -1/3 ) - ta réduit (ms.kg -1/3 )