Pyrotechnika

Tyto pyrotechnika je věda o spalování všech materiálů a efektů.

Historicky nachází slavnostní uplatnění v zábavní pyrotechnice, ale používá se také v zbrojním , leteckém a kosmickém průmyslu , těžařství a dobývání nerostných surovin a také v bezpečnostních signálech automobilů nebo v nouzi .

Umožňuje konstrukci pyrotechnických zařízení , která se používají například k ovládání airbagů („airbagů“) ve vozidlech nebo k vystřelování sedadel v letectví, nebo jako světelné nebo zvukové signalizační prostředky v případě nehody.

Aplikace pro výrobu lékařského kyslíku v nouzových situacích nebo obecně pro vysoce spolehlivé bezpečnostní komponenty také používají pyrotechnická řešení.

Historický

Použití raket je již dlouho známé v Číně a Indii; Vstoupil do VII th století v byzantských Řeků , kteří slouží ke spuštění řecký oheň ; XIII th století mezi Araby a nakonec mezi západní křesťany.

Nejstarší zmínka na Západě se datuje pouze do roku 1380: říká nám, že Padované použili rakety proti městu Mestre.

Italové je nazývali rochete , slovo, které Francouzi přeložili jako rochette, z níž se později stala raketa , a Angličtina raketou . Jednou z prvních kompozic je černý prášek .

Pyrotechnika byla předmětem nejrůznějších použití, například v chirurgii.

Základy

Pyrotechnická reakce může být různých typů v závislosti na její chemii a rychlosti. Energetický materiál ke spalování nevyžaduje kyslík ze vzduchu: jeho složení a entalpie tvorby jsou dostatečné. Použité chemické reakce mohou být:

redox na pevné fázi (spalování v paralelních vrstvách);
organické spalování;
intermetalické reakce.

V závislosti na rychlosti reakce v paralelní vrstvě existují tři režimy:

spalování (< 300 m / s );
výbuchu ;
detonace (> je 3000 m / s , až do 9000 m / s : chemická reakce je spojena s tlakovou vlnou).

Stabilní jsou pouze režimy spalování a detonace, režim deflagrace je metastabilní a energetický materiál může přecházet z jednoho režimu do druhého v závislosti na jeho tepelné rovnováze a omezení.

Relativně nepředvídatelná povaha těchto uprchlíků každoročně vede k četným nehodám mezi dospívajícími, kteří se snaží vyrobit domácí petardy.

Pyrotechnické účinky jsou:

výroba plynu, případně vhodného chemického složení (např. airbag);
výroba tepla (infračerveným zářením, do 4 000 K) (např. svařování železničních kolejnic aluminotermií );
produkce kouře (např. kouřové signály);
světelná produkce (např. ohňostroj): Barvy vnímatelné okem se pohybují od vlnové délky mezi 380 nm (fialová) a 780 nm (červená). Jedná se o přídavek v pyrotechnické směsi kovových sloučenin, který umožňuje vytváření světelných efektů. ( červená : stroncium , fialová : draslík , modrá : měď nebo zinek , zelená : baryum , žlutá : sodík , bílá : hořčík nebo hliník , stříbro : titan ). V pyrotechnice jsou jevy způsobující difúzi barevného světla žhavení, atomová emise a molekulární emise;
výroba mechanického jevu (posunutí zvedáků nebo pístů).

Fyzika spalování energetických materiálů

Při pyrotechnické reakci se sloučenina složená z atomů a mající entalpii dané formace transformuje na jednodušší molekuly. Při zachování entalpie se rovnovážná teplota zvyšuje podle následujících principů.

Zákon hromadné akce

Transformace energetického materiálu na reakční produkty se vyjadřuje podle následující rovnice, kde Xi jsou různé atomy přítomné ve sloučenině (sloučeninách):

${\ displaystyle X_ {A1} ^ {1} X_ {A2} ^ {2} X_ {A3} ^ {3} \ cdots X_ {Ak} ^ {k} \ rightarrow n_ {1} X_ {a11} ^ {1 } X_ {a12} ^ {2} X_ {a13} ^ {3} \ cdots X_ {a1k} ^ {k} + n_ {2} X_ {a21} ^ {1} X_ {a22} ^ {2} X_ { a23} ^ {3} \ cdots X_ {a2k} ^ {k} + \ cdots + n_ {nespeces} X_ {anespeces, 1} ^ {1} X_ {anespeces, 2} ^ {2} X_ {anespeces, 3} ^ {3} \ cdots X_ {anespeces, k} ^ {k}}$

Zachování hmotnosti je pak vyjádřeno ${\ displaystyle \ forall k \ in [1 \ cdots natomes] \ Rightarrow \ sum _ {i = 1} ^ {i = nespeces} a_ {ik} n_ {i} = A_ {k}}$

Minimalizace volné entalpie

Reakce je v rovnováze, volná entalpie F je minimální.

${\ displaystyle F = \ sum _ {i = 1} ^ {nespeces} \ mu _ {i} .n_ {i}}$

${\ displaystyle \ mu _ {i} = \ mu _ {i} ^ {\ circ} (T) + RTln \ vlevo ({\ frac {\ Phi} {\ hat {\ Phi}}} \ vpravo)}$

to znamená pro stavovou rovnici ideálních plynů,

${\ displaystyle \ mu _ {i} = \ mu _ {i} ^ {\ circ} (T) + X. \ left (RTln \ left ({\ frac {n_ {i}} {\ sum n_ {i} }} \ right) + RTln \ left ({\ frac {P} {P ^ {0}}} \ right) \ right)}$

X = 0 pro pevné nebo kapalné reakční produkty a X = 1 pro plyny.

$\ mu _ {{i}}$ : chemický potenciál pro druhy i

$\ Phi$ : standardní pomíjivost

Hodnotu volné entalpie je třeba vypočítat pro každý druh reakčního produktu jako funkci hodnoty entalpie a entropie při teplotě T, obecně buď z tabulkových hodnot, nebo vyhodnocením z hodnot spektroskopických veličin. Rozlišení nelineárního systému lze provést buď metodou Lagrangeových multiplikátorů, nebo metodou Monte-Carlo .

Izochorické nebo izobarické spalování

V závislosti na tom, zda spalování probíhá ve stálém objemu (isochore) nebo při konstantním tlaku (isobar), je rovnovážné teploty dosaženo, když je energie nebo vnitřní entalpie reakčních produktů při této teplotě, obvykle mezi 1000 a 4000 K, stejná na energii nebo entalpii tvorby počátečního energetického materiálu při referenční teplotě (298 K). Hledané vlastnosti jsou:

kalorimetrický potenciál;
rovnovážná teplota (nebo teplota plamene měřená pyrometrem);
počet vyprodukovaných molů plynu (vzácněji hmotnost zbytků);
Cp / Cv plynu.

Rychlost spalování závisí na mikrostruktuře materiálu, jeho hustotě a jeho prostředí a nelze jej přesně odhadnout výpočtem. Lze jej měřit buď manometrickou bombou (Vieilleův zákon :) , nebo žlabem. ${\ displaystyle v (m / s) = aP ^ {n} + b}$

Trh

Trh s pyrotechnikou ( vizualizovat )

Sektor	% trhu
Obrana a vesmír	37
Bezpečnost auta	34
Doly a lomy	13
Zábava a představení	7
Lov	7
Rozličný	2

Podle SFEPA se obrat pyrotechniky ve Francii pohybuje kolem 1 200 milionů EUR (37 % obrana / vesmír, 34 % automobilový průmysl, 13 % miny a lomy, 7 % zábava a 7 % lov), přibližně 50 000 t / rok , 80 % zvýšení produkce materiálů pro doly a lomy. Tento sektor zaměstnává kolem 10 000 lidí. Většina odvětví jsou vývozci, s výjimkou průmyslových výbušnin, které jsou převážně na vnitrostátním trhu.

Rizika a nebezpečí

Pyrotechnické činnosti vedly k obzvláště smrtelným historickým nehodám a byly velmi brzy předmětem velmi účinných předpisů ke snížení pyrotechnického rizika . Použité materiály patří do třídy 1 a podléhají přísným pravidlům jak pro jejich použití, tak pro jejich přepravu.

Zjevná jednoduchost receptů na výrobu pyrotechnických směsí vede každý rok k mnoha smrtelným domácím nehodám nebo vede k zmrzačení lidí, kteří chtěli reprodukovat pyrotechnické formulace, které se někdy vyskytují na internetu. Pyrotechnické výrobky jsou ze své podstaty metastabilní a mohou reagovat po nedobrovolném vnějším stresu:

mechanický šok;
tření;
statická elektřina ;
teplo;
jiskra.

Reakce je o to příznivější, že materiál je omezen, a proto není schopen evakuovat přijatou energii. Pokud během průmyslové historie Francie došlo k mnoha pyrotechnickým nehodám, jednou z nejnovějších a nejpozoruhodnějších zůstává exploze skladiště ohňostrojů v Enschede v Nizozemsku13. května 2000, která způsobila velmi značné škody a ohnivou kouli 135 m , stejně jako smrt 22 osob (974 zraněných).

Výhody pyrotechnické technologie

Pyrotechnická technologie poskytuje výhody oproti elektronickým nebo mechanickým zařízením:

velmi vysoká spolehlivost;
efektivní skladování energie (malý objem, žádná ztráta v průběhu času, vysoký výkon);
rozmanitost účinků (teplo, světlo, kouř, jiskra, rázová vlna, chemické sloučeniny);
nízké náklady.

Většina zařízení je jednorázová.

Pyrotechnická zařízení

Ohňostroje, různé pyrotechnické systémy

Bomba (zábavní pyrotechnika): existuje několik typů: sférické, válcové, jednoduché nebo s opakováním, mohou být vzdušné nebo vodní.
- Sférická bomba, jak název napovídá, má tvar koule spočívající na obráceném komolém kuželu, který obsahuje lov na pohon.
- Válcová bomba má tvar válce umístěného také na komolém kuželu, který obsahuje lov.
- Jednoduchá bomba má pouze jeden stupeň, zatímco opakující se bomba obsahuje několik stupňů oddělených lovem (jeden lov pohánějící každou fázi).
- Námořní bomba má méně lovu než letecká bomba, protože je vyrobena tak, aby rychle padla do vody a explodovala tam, na rozdíl od leteckých bomb, které jsou vyrobeny k výbuchu ve výšce. Sklon malty musí být 15 ° až 45 ° směrem k vodní ploše a z bezpečnostních důvodů nikdy směrem k veřejnosti. Tento produkt s názvem „ARP“ (se zvláštním rizikem) lze vystřelit pouze kvalifikovanou zábavní pyrotechnikou.
- Teoretická operace:

rychlé zapálení knotu;
zapálení lovu rychlým knotem;
pohon bomby a zapálení pomalé pojistky (espolette);
pomalý knot vyhoří a zapálí prasklou nálož;
prasknutí ohňostroje, které umožňuje rozptyl pyrotechnických efektů.

K odpálení jsou bomby vloženy do trubek zvaných malty (sklolaminát, lepenka, plast, ocel), které lze shromáždit, aby se vyrobily baterie z malt.

Zapalování může být manuální nebo elektrické. Pouze elektrické zapalování umožňuje dosažení maximální bezpečnosti.

Průměr bomb se může pohybovat mezi 20 mm a 1 200 mm , ale ve Francii se největší použité bomby pohybují kolem 300 mm . Čím větší je bomba, tím vyšší musí explodovat, aby se rozšířily její účinky. Čím větší je bomba, tím větší jsou bezpečnostní vzdálenosti. Můžeme to shrnout následovně: například u průměru 75 mm se bomba zvedne na přibližně 75 metrů a její průtržný průměr bude také 75 metrů, nebo 1: 1. Z bezpečnostních vzdáleností jsou povinně uvedeny na štítcích produktů . U příkladu 75 mm bomby jsou bezpečnostní vzdálenosti mezi 75 a 90 mv závislosti na hmotnosti aktivního materiálu uvnitř.

Největší vystřelená bomba byla vržena na festival „Katakai-Matsuri“ ve městě Katakai v japonské Ojivě. Jmenoval se Yonshakudama a vážil 450 kg s průměrem 1200 mm . Účinek první bomby byl pruh zlata následovaný malými barevnými květy. Druhá nabídla více kytic s dvojitou změnou barvy.

Svíčka: je to trubice, obvykle vyrobená z lepenky, do které jsou nad sebou vloženy „bombety“ nebo „komety“. S průměrem pohybujícím se od 10 do 75 mm lze najít efekty ekvivalentní účinkům bomb. Zapálení prvního stupně (stupně umístěného v horní části trubice) synchronně a automaticky způsobí postupné zapalování spodních stupňů. Počet zábavní pyrotechniky v trubici se může velmi lišit v závislosti na průměru a výšce trubice.
- Teoretická operace:

pomalé zapalování pojistek;
zapálení pohonného prášku pod první chuchvalcem, to zapálí espoletu;
bomba stoupá tlačená chmýří a je vyhozena ven z trubice;
první espoleta zapálí efekty a rychlou pojistku, která vybuchne bombu;
během této doby pomalý knot pokračuje v hoření a zapálí prášek pod druhým chuchvalcem;
druhá espoleta se rozsvítí a proces pokračuje až do poslední bomby.

Kompaktní: to je sestava trubek (druh malty montážní) o průměru se pohybuje od 15 mm do 150 mm (maximum v Číně ). Kompakt může mít tvar kosočtverce, čtverce nebo obdélníku. Může mít od osmi do několika set tub, z nichž každá má pouze jeden výstřel. Spustí se automaticky a synchronizovaným způsobem po zapálení první trubice. Každá trubice obsahuje ve spodní části prášek, který slouží jako lovecké zařízení, a nahoře bombičku, komety, bomby. Kompakty mohou být rovné nebo vějířové podle požadovaných efektů.
- Teoretická operace:

po rozsvícení pojistky zapálí lov a zapálí bombu, která zařízení vytlačuje z trubice;
spalování se přenáší z trubice na trubku. Každá trubice jde jedna po druhé.

Raketa: skládá se ze stabilizační tyče a válcové trubice obsahující na základně prášek pro pohon a nahoře prášek s účinky. Když spalování hnacího prášku skončí, zapálí se účinky.

Prskavka : je to lepenky nebo kovová trubka naplněna pyrotechnickou složí, který má tu vlastnost, že spalování, který produkuje silnou emisi světla a kouře.

Slunce: je to rotační mechanismus s pevným bodem, složený z rámu, na kterém jsou uspořádány druhy malých pevných raket nazývaných trysky. Zapálení trysek způsobí rotaci sestavy a rozstřik ohně ve tvaru slunce .

Vodopád: je to sestava trysek uspořádaných dolů a vytvářejících dojem kaskády padajících jisker.

Firepot: velmi podobný bombě, s jedním detailem: neexistují žádné espolety . Lov přímo zapálí pyrotechnickou sloučeninu určenou pro účinky. Ohňostroj vychází z již hořící malty a při výbuchu sopek způsobil spršku světla jako láva.

Fontána: fontána je pyrotechnický kus, jehož úkolem je promítat sprchu brilantních jisker svisle nebo pod úhlem.

Nafukovací polštáře

Bezpečnostní a vypínací zařízení

Z bezpečnostních nebo odpojovacích zařízení můžeme zmínit:

se zpožděním ;
nůžky na drát (pro silné proudy nebo napětí);
že řezné šňůry (raketa separačním stupni, například);
jsou výbušné šrouby .

Speciální zařízení

Stříkačky bez jehel , generátory kyslíku , tepelné baterie , atd.

Vědecké časopisy

Pohonné látky, výbušniny, pyrotechnika ;
GTPS vydává vícejazyčný slovník obchodních podmínek.

Vědecká kolokvia

Europyro;
Mezinárodní pyrotechnické automobilové bezpečnostní sympozium (IPASS);
Seminář Mezinárodní pyrotechnické společnosti;
Konference o ICT.

Cena

Cena Paula Vieille se uděluje pravidelně.

Pyrotechnické stránky

Ve Francii se hlavní pyrotechnické závody nacházejí v Bourges , Toulouse , Bordeaux a Sorgues. Termín pyrotechnika pak může označovat provozovnu (příklad: pyrotechnika v Toulonu). Ústřední pyrotechnická škola byla převedena z Metz do Bourges na základě císařského dekretu z roku 1860 (platného v roce 2006)Červen 1870). Vygenerovala řadu technických dokumentů. Během první světové války je denní produkce 80 000 nábojů, 40 000 startovacích raket.

Společná muniční služba (SIMu) je vojenská služba se specializací na pyrotechniku. Je přímo připojen k Generálnímu štábu ozbrojených sil (EMA). Tato společná služba se skládá z pyrotechnické ( ohňostroje na zbraně zařízení Armády Pétaf z letectva a pyrotechnických na námořnictvo) a pyrotechnickou civilista ozbrojený).

Skládá se z:

Vedení ve Versailles

EPMu (založení hlavní munice) Bretaň
EPMu Champagne-Lorraine
EPMu Center-Aquitaine
EPMu Provence-Středomoří

Výcvik

Počáteční školení je vzhledem ke specifické povaze profese velmi omezené. Můžeme uvést specializovaný magisterský titul v oboru pohonné pyrotechniky a možnosti pyrotechnických systémů pro studenty inženýrského cyklu ENSTA Bretagne , stejně jako Bourges Defence Training Center.

Poznámky a odkazy

Vanoccio Biringuccio ( z italštiny přeložil Jacques Vincent), La pyrotechnie, ou Art du feu , Paříž, u Clauda Frémyho,1556( číst online ).
Podplukovník Saint-Pol, „ Válečná raketa “ .
Pierre-François Percy, Chirurgická praktická pyrotechnika nebo umění aplikovat oheň v chirurgii , Metz, Imprimerie de Collignon,1794, 357 s. ( číst online ).
„ Dva teenageři jsou zraněni výbušninami “ , na L'Express ,21. února 2011(zpřístupněno 26. července 2019 ) .
„ Atomová křižovatka: ohňostroj “ .
(in) Ihsan Barin, Thermochemical Data of Pure Substances , Weinheim, VCH , 30. listopadu 1989, 1836 s. ( ISBN 978-3-527-27812-1 )
(in) P. André , L. Brunet , E. Duffour a JM Lombard , „ složení, tlak a termodynamické vlastnosti vypočtené v plazmě FORMOVANÝ izolátor ve výparech PC a POM při pevném objemu “ , European Physical Journal Applied Physics , sv. 17, n o 1,1 st 01. 2002, str. 53–64 ( ISSN 1286-0042 a 1286-0050 , DOI 10.1051 / epjap: 2001003 , číst online , přistupováno 11. července 2017 ).
(in) L. Brunet , N. Forichon-Chaumet , JM Lombard a A. Espagnacq , „ Modelování spalovacích rovnováh numerickou metodou Monte Carlo “ , Propellants, Explosives, Pyrotechnics , sv. 22, n o 6,1 st 12. 1997, str. 311–313 ( ISSN 1521-4087 , DOI 10.1002 / prep.19970220602 , číst online , přistupováno 11. července 2017 ).
Paul Vieille, Studie o způsobu spalování výbušných látek ,1893.
„ Unie výrobců výbušnin, pyrotechniky a zábavní pyrotechniky “ .
„ Klíčové údaje “ , na www.sfepa.com (přístup 11. července 2017 ) .
„ Dopis IPE o regulaci “ na www.defense.gouv.fr (konzultováno 11. července 2017 ) .
„ Regulace rizikových aktivit “ , na www.ineris.fr (konzultováno 11. července 2017 ) .
Sophie Perrier, „ Bolest a hněv v Nizozemsku. V Enschede exploduje ohňostrojové skladiště: nejméně 14 mrtvých. », Uvolnit ,15. května 2000( číst online , konzultováno 11. července 2017 ).
[PDF] Podrobný list nehody Enschede .
„ Fotografie a video Yonshakudama “ , na pyroraph.free.fr (přístup 2. srpna 2017 ) .
„ Wiley-VCH - Propellants, Explosives, Pyrotechnics “ , na www.wiley-vch.de (přístup 26. července 2019 )
http://www.afpyro.org/afp/index.php?page=Diffusion%2B2
(in) „ Europyro 2019 “ na Europyro (zpřístupněno 26. července 2019 )
http://www.ipass-pyro.org/
http://www.intpyro.org/PastSeminars.aspx
http://www.ict.fraunhofer.de/EN/VuM/ICT_Jahrestagung/index.jsp
http://www.afpyro.org/afp/index.php?page=Prix%2BPaul%2BVieille_1
„ Vojenská pyrotechnická škola, poté továrna na výbušniny (továrna na munici), v současné době továrna na zbraně Giat Industries “ , na adrese accacity.com (přístup 26. července 2019 ) .
„ Specializovaný magisterský titul v oboru pohonné pyrotechniky “ na ENSTA Bretagne (konzultováno 11. července 2017 ) .
„ Možnost pyrotechnických systémů cyklu ENSI “ , na ENSTA Bretagne (konzultováno 11. července 2017 ) .
„ Navržený výcvik “ na Ministerstvu ozbrojených sil ,19. října 2017(zpřístupněno 26. července 2017 )

Bibliografie

Thierry Lefebvre ( r. ), Laurent Le Forestier ( r. ) A Philippe-Alain Michaud ( r. ), „ Pyrotechnies: Une histoire du cinéma incendiaire “, 1895 , n o 39,2003( ISBN 2-913758-31-2 , online prezentace )