Pyrotechnie
La pyrotechnie est la science de la combustion des matériaux et de ses effets.
Historiquement, elle trouve une application festive dans les feux d'artifice mais elle est également utilisée dans les secteurs de l'armement, de l'aérospatiale, des mines et carrières ainsi que dans la sécurité automobile ou les signaux de détresse marins.
Elle permet la conception d'engins pyrotechniques, utilisés par exemple pour le fonctionnement des coussins gonflables de sécurité (« airbag ») dans les véhicules ou pour les sièges éjectables dans l’aviation, ou encore comme moyens de signalisation lumineux ou sonores en cas de détresse.
Des applications de production d'oxygène médical en situation d'urgence ou, de manière générale, de composants de sécurité de haute fiabilité sont également utilisatrices de solutions pyrotechniques.
Historique
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L'usage des fusées est connu de longue date en Chine et dans l'Inde ; il pénétra au VIIe siècle chez les Grecs byzantins qui s'en servirent pour lancer le feu grégeois ; au XIIIe siècle chez les Arabes, puis enfin chez les chrétiens occidentaux[1].
La plus ancienne mention en Occident ne remonte qu’à l’année 1380 : elle nous apprend que les Padouans employèrent des fusées contre la ville de Mestre[2].
Les Italiens les appelaient rochete, mot que les Français traduisirent par rochette, devenu ensuite roquette, et les Anglais par rocket. L'une des premières compositions est la poudre noire.
La pyrotechnie a fait l'objet d'utilisations des plus variées, comme en chirurgie[3].
Notions de base
[modifier | modifier le code]La réaction pyrotechnique peut être de différents types en fonction de sa chimie et de sa vitesse. Le matériau énergétique ne requiert pas l'oxygène de l'air pour brûler : sa composition et son enthalpie de formation suffisent. Les réactions chimiques exploitées peuvent être :
- des oxydo-réductions en phase solide (combustion en couches parallèles) ;
- des combustions organiques ;
- des réactions intermétalliques.
En fonction de la vitesse de réaction en couche parallèle, on distingue trois régimes:
- la combustion (propagation lente souvent inférieur à quelques mètres par seconde).
- la déflagration (propagation rapide mais toujours subsonique < 340 m/s).
- la détonation (propagation supersonique > 340 m/s, pouvant atteindre 9 000 m/s : la réaction chimique est toujours couplée à une onde de choc).
Seuls les régimes de combustion et de détonation sont stables, le régime de déflagration est métastable et un matériau énergétique peut transiter d'un régime à l'autre en fonction de son bilan thermique et de son confinement.
Le caractère relativement imprévisible de ces emballements conduit chaque année à de nombreux accidents chez des adolescents tentant de réaliser des pétards artisanaux[4].
Les effets pyrotechniques sont :
- production de gaz, éventuellement de composition chimique adaptée (ex. : airbag) ;
- production de chaleur (par rayonnement infra rouge, jusqu'à 4000K) (ex : soudage de rails de chemin de fer par aluminothermie) ;
- production de fumée (ex : fumigènes de signalisation) ;
- production de lumière (ex : feux d'artifice) : Les couleurs perceptibles par l’œil vont d’une longueur d'onde comprise entre 380 nm (violet) et 780 nm (rouge). C’est l’addition, dans le mélange pyrotechnique de composés métalliques, qui permet la création d’effets lumineux. (rouge : strontium, violet : potassium, bleu : cuivre ou zinc, vert : baryum, jaune : sodium, blanc : magnésium ou aluminium, argent : titane)[5]. En pyrotechnie, les phénomènes entraînant la diffusion de lumière colorée sont l'incandescence, l'émission atomique et l'émission moléculaire ;
- production d'effet mécanique (déplacement de vérins ou de pistons).
Physique de la combustion des matériaux énergétiques
[modifier | modifier le code]Dans une réaction pyrotechnique un composé constitué d'atomes et ayant une enthalpie de formation donnée se transforme en molécules plus simples. L'enthalpie se conservant, la température de l'équilibre augmente selon les principes suivants.
Loi d'action de masse
[modifier | modifier le code]La transformation du matériau énergétique en produits de réaction s'exprime selon l'équation suivante, Xi étant les différents atomes présents dans le ou les composés :
La conservation de la masse s'exprime alors par
![{\displaystyle \forall k\in [1\cdots natomes]\Rightarrow \sum _{i=1}^{i=nespeces}a_{ik}n_{i}=A_{k}}](/media/api/rest_v1/media/math/render/svg/b1e03dcc148b3fb5ce511f70f69974d024d21676)
Minimisation de l'enthalpie libre
[modifier | modifier le code]La réaction étant à l'équilibre, l'enthalpie libre F est minimale.
avec
soit, pour une équation d'état des gaz parfaits,
X=0 pour les produits de réaction solides ou liquides et X=1 pour les gaz.
avec
: potentiel chimique pour l'espèce i
: fugacité standard
La valeur de l'enthalpie libre doit être calculée pour chaque espèce de produit de réaction en fonction de la valeur de l'enthalpie et de l'entropie à la température T, en général soit à partir des valeurs tabulées[6] soit par évaluation à partir des grandeurs spectroscopiques[7]. La résolution du système non linéaire peut être fait soit par la méthode des multiplicateurs de Lagrange soit par la méthode de Monte-Carlo[8].
Combustion isochore ou isobare
[modifier | modifier le code]Selon que la combustion s'effectue dans un volume constant (isochore) ou à pression constante (isobare), la température d'équilibre est atteinte lorsque l'énergie ou l'enthalpie interne des produits de réaction à cette température, généralement située entre 1000 et 4000 K, est égale à l'énergie ou l'enthalpie de formation du matériau énergétique initiale à la température de référence (298K). Les caractéristiques recherchées sont :
- le potentiel calorimétrique ;
- la température d'équilibre (ou température de flamme mesurée au pyromètre) ;
- le nombre de moles de gaz produites (plus rarement la masse de résidus) ;
- le Cp/Cv du gaz.
La vitesse de combustion dépend de la microstructure du matériau, de sa densité et de son environnement et n'est pas estimable précisément par le calcul. Elle est mesurable soit en bombe manométrique (loi de Vieille : ), soit en gouttière[9].
Marché
[modifier | modifier le code]| Secteur | % du marché |
|---|---|
| Défense et espace | 37 |
| Sécurité automobile | 34 |
| Mines et carrières | 13 |
| Divertissement et spectacles | 7 |
| Chasse | 7 |
| Divers | 2 |
Selon le SFEPA[10], le chiffre d'affaires de la pyrotechnie en France est de l'ordre de 1 200 M€ (37 % défense/espace, 34 % automobile, 13 % mines et carrières, 7 % divertissement et 7 % chasse)[11], pour environ 50 000 t/an, constitués à 80 % par la production de matériaux pour mines et carrières. Le secteur emploie de l'ordre de 10 000 personnes. La plupart des secteurs sont exportateurs, sauf celui des explosifs industriels qui est majoritairement sur le marché national.
Risques et dangers
[modifier | modifier le code]Les activités pyrotechniques ont donné lieu à des accidents historiques particulièrement meurtriers et ont fait l'objet, très tôt, d'une réglementation pour réduire le risque pyrotechnique[12]. La législation de l'Union Européenne distingue les articles pyrotechniques de divertissement ou/et de théâtre des autres types d'explosifs[13]
Les matériaux mis en œuvre appartiennent à la classe 1, et font l'objet de règles strictes à la fois pour leur usage et pour leur transport[14].
L'apparente simplicité des recettes de fabrication des compositions pyrotechniques conduisent chaque année à de nombreux accidents domestiques mortels ou conduisant à des mutilations chez des personnes ayant voulu reproduire des formulations pyrotechniques parfois trouvées sur internet. Les produits pyrotechniques sont, par nature, métastables et peuvent réagir à la suite d'une sollicitation extérieure involontaire :
- choc mécanique ;
- friction ;
- électricité statique ;
- chaleur ;
- étincelle.
La réaction est d'autant plus favorisée que le matériau est confiné et donc incapable d'évacuer l'énergie reçue. Si de nombreux accidents pyrotechniques se sont produits au cours de l'histoire industrielle de la France, un des plus récents et des plus spectaculaires demeure l'explosion du dépôt de feux d'artifice de Enschede aux Pays-Bas[15] le , qui a entraîné des dégâts très importants et une boule de feu de 135 m[16], ainsi que le décès de 22 personnes (974 blessés).
Avantages de la technologie pyrotechnique
[modifier | modifier le code]La technologie pyrotechniques permet d'obtenir des avantages par rapport à des dispositifs électroniques ou mécaniques :
- très haute fiabilité ;
- stockage d'énergie efficace (petit volume, pas de perte avec le temps, forte puissance) ;
- variété d'effet (chaleur, lumière, fumée, étincelle, onde de choc, composés chimiques) ;
- faible coût.
La plupart des dispositifs sont à usage unique.
Dispositifs pyrotechniques
[modifier | modifier le code]La mise sur le marché d'engins pyrotechniques dits de divertissement, suit une procédure stricte dans l'Union Européenne visant à assurer "niveau élevé de protection de la santé humaine et de la sûreté publique, ainsi qu’un niveau élevé de protection et de sécurité des consommateurs, et en prenant en compte les aspects pertinents de la protection de l’environnement". Les engins pyrotechniques sont distingués selon leur type d’utilisation, leur destination ou leur niveau de risque, ainsi que leur niveau sonore[13].
Artifice de divertissement, différents systèmes pyrotechniques
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Bombe
[modifier | modifier le code]La bombe (de feu d'artifice) : il en existe plusieurs types : sphériques, cylindriques, simples ou à répétitions, elles peuvent être aériennes ou aquatiques.
- La bombe sphérique, comme son nom l'indique, a la forme d'une sphère posée sur un cône tronqué renversé, qui contient la chasse pour la propulsion.
- La bombe cylindrique a la forme d'un cylindre, lui aussi posé sur un cône tronqué qui contient la chasse.
- La bombe simple ne comporte qu'un étage, alors que la bombe à répétition contient plusieurs étages séparés par des chasses (une chasse pour propulser chaque étage).
- La bombe nautique comporte moins de chasse que la bombe aérienne puisqu'elle est réalisée pour tomber rapidement à l'eau et y exploser, contrairement aux bombes aériennes, qui sont fabriquées pour exploser en altitude. L'inclinaison du mortier doit être de 15° à 45° vers le plan d'eau, et, pour des raisons de sécurité, jamais en direction du public. Ce produit dit « ARP » (à risque particulier) ne peut être tiré que par des artificiers qualifiés.
Fonctionnement théorique :
- allumage de la mèche rapide ;
- allumage de la chasse par la mèche rapide ;
- propulsion de la bombe et allumage de la mèche lente (espolette) ;
- la mèche lente se consume et allume la charge d'éclatement ;
- éclatement de l'artifice qui permet la dispersion des effets pyrotechniques.
Pour être tirées, les bombes sont insérées dans des tubes appelés mortiers (en fibre de verre, carton, plastique, acier) qui peuvent être rassemblés entre eux pour réaliser des batteries de mortiers.
L'allumage peut être manuel ou électrique. Seul l'allumage électrique permet d'obtenir le maximum de sécurité.
Le diamètre des bombes peut varier entre 20 mm et 1 200 mm, mais en France, les plus grosses bombes utilisées varient aux environs de 300 mm. Plus une bombe est grosse, plus elle doit exploser en altitude, pour étendre ses effets. Plus une bombe est grosse, plus les distances de sécurité sont importantes. On peut résumer ainsi : pour un diamètre de 75 mm par exemple, la bombe montera environ à 75 mètres et son diamètre d'éclatement sera de 75 mètres également, soit du 1 pour 1. Pour les distances de sécurité, elles sont obligatoirement indiquées sur les étiquettes des produits. Pour l'exemple d'une bombe de 75 mm, les distances de sécurité sont comprises entre 75 et 90 m suivant le poids de matière active contenue à l'intérieur.
La plus grosse bombe jamais tirée a été lancée au festival « Katakai-Matsuri », dans la ville de Katakai à Ojiva, au Japon. Elle s'appelait Yonshakudama et pesait 450 kg pour un diamètre de 1 200 mm. L'effet de la première bombe fut un filet d'or suivi de petites fleurs colorées. La seconde offrit de multiples bouquets à double changement de couleur[17].
Artifices de divertissement
[modifier | modifier le code]L'usage d'artifices de divertissement est destiné au grand public.
La norme ISO 25947-5:2017 permet aux fabricants d'homologuer leurs produits. Elle a établi à ce titre un résumé des termes utilisés pour la description des articles qui lui ont été soumis. Certains termes comme fusée ou fontaine peuvent aussi faire référence à des artifices soumis à une réglementation plus stricte et dont l'acquisition et l'usage est réservé aux professionnels (théâtre par exemple).
- Allumette Bengale
- Une allumette enrobée d'une composition pyrotechnique à combustion lente, conçue pour être tenue à la main
- Allumette détonante
- Une allumette dotée d'un point de composition pyrotechnique, conçue pour être tenue à la main
- Baguette Bengale
- Une baguette en bois partiellement enrobée d'une composition pyrotechnique à combustion lente, conçue pour être tenue à la main
- Batterie ou combinaison
- Ensemble de produits pyrotechniques de même type
- Le compact est un assemblage de tubes (sorte d'assemblage mortiers) d'un diamètre variant de 15 mm à 150 mm (maximum en Chine). Le compact peut posséder la forme d'un losange, d'un carré ou d'un rectangle. Il peut comporter de huit à plusieurs centaines de tubes, chacun ne comportant qu'un coup. Ils partent automatiquement et d'une manière synchronisée après l'allumage du premier tube. Chaque tube contient, au fond, de la poudre qui sert de chasse, et au-dessus, une bombette, des comètes, des bombes. Les compacts peuvent être droits ou en éventail en fonction des effets recherchés.
- Bombe de table
- Tube à fond rigide et sommet obturé contenant une charge propulsive et des objets non pyrotechniques
- Chandelle monocoup
- Tube contenant une charge propulsive et un artifice élémentaire
- Chandelle romaine
- Tube contenant en alternance charges propulsives, artifices élémentaires, et mèches de transmission
- Cierge magique
- Fil rigide enrobé à une extrémité d'une composition pyrotechnique à combustion lente, conçu pour être tenu à la main ou non
- Clignoteur pyrotechnique
- Pastille de composition pyrotechnique à combustion intermittente
- Crépitant
- Conteneur (sachet) renfermant de petits granulés de composition pyrotechnique
- Feu de Bengale
- Tube contenant une composition pyrotechnique à combustion lente
- Il produit un fort dégagement de lumière et de fumée.
- Fontaine
- Coffre non métallique contenant une composition pyrotechnique produisant des étincelles et des flammes
- La cascade est une variante avec des jets disposés vers le bas et qui donnent l’impression d’une cascade d’étincelles tombantes.
- Fusée
- Tube conçu pour être propulsé en l'air, contenant une composition pyrotechnique et des composants élémentaires, équipé de moyens de stabilisation en vol (baguette)
- Mini fusée
- Tube conçu pour être propulsé en l'air, contenant une composition pyrotechnique, équipé de moyens de stabilisation en vol (baguette)
- Nezumi Hanabi
- Toupie
- Party popper
- Dispositif fonctionnant en tirant sur une ficelle et comportant une surface abrasive au contact d’une composition pyrotechnique sensible au
frottement, conçu pour être tenu à la main
- Pétard à composition flash
- Coffre non métallique contenant une composition pyrotechnique à base de métal.
- Pétard à mèche
- Enveloppe non métallique contenant de la poudre noire
- Pétard à tirette
- Deux bandes superposées en carton ou en papier, ou deux tirettes, comportant une surface abrasive au contact d’une composition pyrotechnique sensible au frottement et conçu pour être tenu à la main
- Pétard aérien
- Tube contenant deux doses de poudre noire reliées par une mèche retard. 2
- Pétard de Noël ou pétard papillote
- Tube en papier ou papillote, fermé à chaque extrémité, contenant des friandises, avec un ou plusieurs pétards à tirette le long du tube.
- Pétard sauteur
- Tube en papier contenant de la poudre noire, replié plusieurs fois sur luimême, les plis étant liés ensemble.
- Pois fulminant
- Composition pyrotechnique sensible à l’impact mélangée à des grains de matériau inerte, enveloppée dans du papier de soie ou un film.
- Pot à feu en mortier
- Mortier contenant une charge propulsive et des composants pyrotechniques ou non et destiné à être posé au sol ou fixé en terre.
- Très semblable à la bombe, à un détail près : il n’y a pas d’espolettes. La chasse enflamme directement le composé pyrotechnique destiné aux effets. Le pot à feu sort du mortier déjà en combustion, ce qui provoque une gerbe de lumière à la manière de la lave des volcans en éruption.
- Senko Hanabi
- Serpent
- Corps préformé de composition pyrotechnique, avec ou sans support
- Serpenteau
- Article fantaisie contenant un ou plusieurs tubes non métalliques contenant une composition pyrotechnique produisant des gaz et des étincelles et destiné à se déplacer au sol
- Soleil
- Assemblage comprenant un ou plusieurs tubes non métalliques contenant une composition pyrotechnique et comportant un système permettant de le fixer à un support de façon à obtenir une rotation
- Soucoupe volante
- Tubes contenant des charges propulsives, des compositions pyrotechniques produisant des étincelles, des flammes et/ou du bruit ainsi que des composants élémentaires. Ils sont fixés à une structure support circulaire
- Tourbillon
- Un ou plusieurs tubes non métalliques contenant une composition pyrotechnique produisant du gaz et des étincelles, avec ou sans composition à effet sonore
- Tourbillon sauteur
- Tube non métallique contenant une composition pyrotechnique.
- Tourbillon volant
- Un ou plusieurs tubes contenant une composition pyrotechnique et fixés
Coussins gonflables
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Dispositifs de sécurité et de coupure
[modifier | modifier le code]Parmi les dispositifs de sécurité ou de coupure, on peut citer :
- les retards ;
- les coupe-fils (pour des forts courants ou tension) ;
- les cordeaux de découpe (séparation d'étage de fusée, par exemple) ;
- les boulons explosifs.
Dispositifs spéciaux
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Seringues sans aiguilles[réf. nécessaire], générateurs d'oxygène[18], piles thermiques[réf. nécessaire], etc.
Journaux scientifiques
[modifier | modifier le code]- Propellants, Explosives, Pyrotechnics[19] ;
- Le GTPS publie un dictionnaire multilingue des termes métier[20].
Colloques scientifiques
[modifier | modifier le code]- International Pyrotechnic Automotive Safety Symposium (IPASS)[21] ;
- International Pyrotechnics Society Seminar[22] ;
- ICT Conference[23].
Prix
[modifier | modifier le code]Le prix Paul Vieille[24] est décerné régulièrement.
Sites pyrotechniques
[modifier | modifier le code]En France, les principaux sites pyrotechniques se situent à Bourges, Toulouse, Bordeaux, Sorgues. Le terme pyrotechnie peut alors désigner l'établissement (exemple : la pyrotechnie de Toulon). L'École centrale de pyrotechnie fut transférée de Metz à Bourges à la suite d'un décret impérial de 1860 (effectif en ). Elle a généré de nombreuses documentations techniques. Durant la Première Guerre mondiale, la production journalière est de 80 000 cartouches, 40 000 fusées d'amorçage[25].
Le service interarmées des munitions (SIMu) est le service militaire spécialisée en pyrotechnie. Il est directement rattaché à l'État-Major des armées (EMA). Ce service interarmées est constitué de pyrotechniciens (artificiers de l'arme du matériel de l'Armée de Terre, de Pétaf de l'Armée de l'air et de pyrotechniciens de la Marine) et de pyrotechniciens personnel civil des armées).
Il est constitué de :
- La direction à Versailles
- L'EPMu (Établissement Principal des Munitions) Bretagne
- L'EPMu Champagne-Lorraine
- L'EPMu Centre-Aquitaine
- L'EPMu Provence-Méditerranée.
Formation
[modifier | modifier le code]La formation initiale est très restreinte, en raison de la spécificité du métier. On peut citer un master spécialisé pyrotechnie propulsion[26] et l'option systèmes pyrotechniques pour les étudiants du cycle ingénieur[27] de l'ENSTA Bretagne, ainsi que le Centre de formation de la Défense de Bourges[28].
Un renforcement de la législation concernant la formation des artificiers a été mise en place en France et l'obtention du certificat F4/T2 est requise depuis 2019.
Notes et références
[modifier | modifier le code]- ↑ Vanoccio Biringuccio (trad. de l'italien par Jacques Vincent), La pyrotechnie, ou Art du feu, Paris, chez Claude Frémy, (lire en ligne).
- ↑ Lieutenant-colonel Saint-Pol, « La fusée de guerre ».
- ↑ Pierre-François Percy, Pyrotechnie chirurgicale-pratique, ou l'art d'appliquer le feu en chirurgie, Metz, Imprimerie de Collignon, , 357 p. (lire en ligne).
- ↑ « Deux adolescents se blessent à l'explosif », sur L'Express, (consulté le ).
- ↑ « Carrefour atomique : les feux d'artifice ».
- ↑ (en) Ihsan Barin, Thermochemical Data of Pure Substances, Weinheim, VCH, , 1836 p. (ISBN 978-3-527-27812-1)
- ↑ (en) P. André, L. Brunet, E. Duffour et J. M. Lombard, « Composition, pressure and thermodynamic properties calculated in plasma formed in insulator vapours of PC and POM at fixed volume », The European Physical Journal Applied Physics, vol. 17, no 1, , p. 53–64 (ISSN 1286-0042 et 1286-0050, DOI 10.1051/epjap:2001003, lire en ligne, consulté le ).
- ↑ (en) L. Brunet, N. Forichon-Chaumet, J. M. Lombard et A. Espagnacq, « Modelisation of combustion equilibria with Monte-Carlo numerical method », Propellants, Explosives, Pyrotechnics, vol. 22, no 6, , p. 311–313 (ISSN 1521-4087, DOI 10.1002/prep.19970220602, lire en ligne, consulté le ).
- ↑ Paul Vieille, Étude sur le mode de combustion des substances explosives, .
- ↑ « Syndicat des Fabricants d'Explosifs, de Pyrotechnie et d'Artifices ».
- ↑ « Chiffres clés », sur www.sfepa.com (consulté le ).
- ↑ « Lettre de l'IPE sur la réglementation », sur www.defense.gouv.fr (consulté le ).
- « L_2013178FR.01002701.xml », sur eur-lex.europa.eu (consulté le )
- ↑ « Réglementation des activités à risque », sur www.ineris.fr (consulté le ).
- ↑ Sophie Perrier, « Douleur et colère aux Pays-Bas. Un dépôt de feux d'artifice explose à Enschede : au moins 14 morts. », Libération, (lire en ligne, consulté le ).
- ↑ [PDF] Fiche détaillée de l'accident d'Enschede.
- ↑ « Photos et vidéo de Yonshakudama », sur pyroraph.free.fr (consulté le ).
- ↑ (en) European Patent Office, « European publication server », sur data.epo.org (consulté le )
- ↑ « Wiley-VCH - Propellants, Explosives, Pyrotechnics », sur www.wiley-vch.de (consulté le )
- ↑ (en) « Porkbun.com / parked domain », sur afpyro.org (consulté le ).
- ↑ « IPASS 2007 », sur ipass-pyro.org via Wikiwix (consulté le ).
- ↑ http://www.intpyro.org/PastSeminars.aspx
- ↑ (en) « Fraunhofer ICT English index ICT Annual Conference », sur fraunhofer.de via Wikiwix (consulté le ).
- ↑ (en) « Porkbun.com / parked domain », sur afpyro.org (consulté le ).
- ↑ « Ecole militaire de pyrotechnie, puis usine de produits explosifs (usine de munitions), actuellement usine d'armes Giat Industries », sur actuacity.com (consulté le ).
- ↑ « Mastère spécialisé pyrotechnie propulsion », sur ENSTA Bretagne (consulté le ).
- ↑ « Cycle ENSI option systèmes pyrotechniques », sur ENSTA Bretagne (consulté le ).
- ↑ « Formations proposées », sur Ministère des Armées, (consulté le )
Bibliographie
[modifier | modifier le code]- Thierry Lefebvre (dir.), Laurent Le Forestier (dir.) et Philippe-Alain Michaud (dir.), « Pyrotechnies : Une histoire du cinéma incendiaire », 1895, no 39, (ISBN 2-913758-31-2, présentation en ligne)
Voir aussi
[modifier | modifier le code]Articles connexes
[modifier | modifier le code]Liens externes
[modifier | modifier le code]- Groupe de Travail de Pyrotechnie en France (GTPS)
- Association Française de la Pyrotechnie
- Portail francophone sur la pyrotechnie
