Reproduire une onde de choc à très petite échelle

Recherche Défense & Sécurité
© Julien Creff / ENSTA

Les essais pyrotechniques sont généralement complexes et très contraignants à mettre en œuvre, en raison de la règlementation stricte à appliquer, des coûts excessifs de ces expérimentations et des risques associés, notamment les effets de souffle et les impacts des fragments à grandes vitesses. L’objectif de l'étude "Shock Waves" menée par l’équipe de recherche « Fluides, Structures et Interactions » de l’IRDL, à l’ENSTA, est de surmonter ces contraintes et de reproduire en laboratoire, la propagation des ondes de souffle, non pas à l’aide de matière explosive mais en utilisant un laser. Ce procédé permet de générer, en miniature et dans des conditions maîtrisées une onde équivalente à celle générée par un explosif. Cette technique innovante ouvre de belles perspectives sur l’étude des effets des explosions.

Recréer à très petite échelle une onde de choc

Au sein du laboratoire, à Brest, l’équipe de recherche a utilisé un laser de type « impulsionnel » pour réaliser ces essais. En concentrant le faisceau en un point précis au centre du foyer d’une lentille sur une durée extrêmement brève - 2,3 joules sur 3,5 nanosecondes - une puissance phénoménale est générée. 

L’air ambiant, initialement à 20°C au lancement de l’essai, atteint localement plusieurs milliers de degrés, créant ainsi un plasma au centre de la zone où se focalise le laser. Le gaz produit, non confiné, se détend en repoussant l’air environnant. Cette expansion du plasma engendré par le claquage de l’air provoque la formation d’une onde de choc quasi-sphérique, à l’échelle du laboratoire. 

On obtient ainsi un effet identique à celui généré par la dégradation chimique d’une substance explosible dans le cas des explosions thermiques.

Visualisation par ombroscopie de la propagation d'une onde de souffle créée par claquage laser. La barre d'échelle indique 1 cm. Durée réelle du phénomène : 0,085 s.

Nous ne sommes pas les premiers à générer des minis « blasts* », mais bien les premiers à les comparer aux modèles décrivant les explosions chimiques.

Martin Monloubou Enseignant-chercheur

La propagation de l’onde reproduite pendant ces essais présente des similitudes avec celle d’une explosion chimique

L’équipe a réalisé des essais pour déterminer le lien entre la puissance du laser utilisé dans l’expérience et son équivalence en charge explosive. Elle a équipé le dispositif expérimental de capteurs de pression fabriqués au laboratoire. Ces capteurs reposent sur l’utilisation d’un matériau piézoélectrique particulier, le PVDF (PolyVinyliDene Fluoride). Les chercheurs ont mesuré et tracé la surpression générée en fonction de la distance à la source, afin de la comparer aux explosions chimiques. En faisant correspondre l'énergie de claquage du laser à un équivalent TNT, ils ont démontré une correspondance avec les résultats obtenus lors d'explosions de charges explosives.

À ces petites échelles, de l’ordre du centimètre, l’utilisation d’une caméra rapide est limitée par la résolution et la cadence (plusieurs centaines de milliers d’images par seconde). La mesure de pression mise en place par l’équipe s’avère plus précise et fournit des informations plus détaillées sur l’amplitude et l’évolution de l’onde de choc au cours de sa propagation

Cette étude ouvre de nombreuses perspectives. Grâce à la capacité du laser à effectuer un tir toutes les 15 minutes, il est désormais possible d’accumuler un volume de données conséquent, enrichissant ainsi la base de connaissances. De plus, l’utilisation de l’optique, un dispositif contrôlable et précis, permet de caractériser les propriétés de l’onde.

Cette étude offre la possibilité d’analyser la propagation des ondes de chocs dans des milieux complexes, tels que sous l’eau ou en reproduisant un environnement urbain à échelle réduite.

Ces travaux ont fait l’objet d’une publication récente dans le journal Shock Waves

 

* explosion

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