Pirotécnica

La pirotecnia es la ciencia de la combustión de materiales y efectos.

Históricamente, encuentra una aplicación festiva en los fuegos artificiales, pero también se utiliza en los sectores de armas , aeroespacial , minería y canteras , así como en la seguridad del automóvil o señales de socorro marinas.

Permite el diseño de dispositivos pirotécnicos , utilizados por ejemplo para el funcionamiento de airbags ("airbags") en vehículos o para asientos eyectables en aviación, o como medio de señalización luminosa o sonora en caso de colisión.

Las aplicaciones para la producción de oxígeno médico en situaciones de emergencia o, en general, de componentes de seguridad de alta fiabilidad, también utilizan soluciones pirotécnicas.

Histórico

El uso de cohetes se conoce desde hace mucho tiempo en China e India; entró en el VII º  siglo en bizantinos griegos que se utiliza para ejecutar el fuego griego  ; la XIII °  siglo entre los árabes, y finalmente entre los cristianos occidentales.

La mención más antigua en Occidente data solo del año 1380: nos dice que los paduanos usaron cohetes contra la ciudad de Mestre.

Los italianos los llamaron rochete , palabra que los franceses tradujeron como rochette, que luego se convirtió en cohete , y el inglés por cohete . Una de las primeras composiciones es la pólvora negra .

La pirotecnia ha sido objeto de los más variados usos, como en la cirugía.

Nociones de base

La reacción pirotécnica puede ser de diferentes tipos dependiendo de su química y velocidad. El material energético no requiere del oxígeno del aire para arder: su composición y su entalpía de formación son suficientes. Las reacciones químicas utilizadas pueden ser:

• redox en fase sólida (combustión en capas paralelas);
• combustiones orgánicas;
• reacciones intermetálicas.

Dependiendo de la velocidad de reacción en capa paralela, existen tres regímenes:

• la combustión (< 300  m / s );
• la explosión  ;
• la detonación (> 3000  m / s , hasta 9000  m / s  : la reacción química se acopla a una onda de choque).

Solo los regímenes de combustión y detonación son estables, el régimen de deflagración es metaestable y un material energético puede transitar de un régimen a otro dependiendo de su balance térmico y su confinamiento.

La naturaleza relativamente impredecible de estos fugitivos conduce cada año a numerosos accidentes entre los adolescentes que intentan hacer petardos caseros.

Los efectos pirotécnicos son:

• producción de gas, posiblemente de composición química adecuada (por ejemplo: airbag);
• producción de calor (por radiación infrarroja, hasta 4000K) (ej: soldadura de rieles ferroviarios por aluminotermia );
• producción de humo (por ejemplo, señales de humo);
• producción de luz (por ejemplo, fuegos artificiales): Los colores perceptibles para el ojo varían desde una longitud de onda entre 380  nm (violeta) y 780  nm (rojo). Es la adición, en la mezcla pirotécnica de compuestos metálicos, lo que permite la creación de efectos luminosos. ( rojo  : estroncio , violeta  : potasio , azul  : cobre o zinc , verde  : bario , amarillo  : sodio , blanco  : magnesio o aluminio , plata  : titanio ). En pirotecnia, los fenómenos que provocan la difusión de la luz coloreada son la incandescencia, la emisión atómica y la emisión molecular;
• producción de efecto mecánico (desplazamiento de gatos o pistones).

Física de la combustión de materiales energéticos

En una reacción pirotécnica, un compuesto formado por átomos y que tiene una entalpía de formación determinada se transforma en moléculas más simples. A medida que se conserva la entalpía, la temperatura de equilibrio aumenta de acuerdo con los siguientes principios.

Ley de acción de masas

La transformación del material energético en productos de reacción se expresa de acuerdo con la siguiente ecuación, siendo Xi los diferentes átomos presentes en el (los) compuesto (s):

XA11XA22XA33⋯XAkk→no1Xa111Xa122Xa133⋯Xa1kk+no2Xa211Xa222Xa233⋯Xa2kk+⋯+nonomispagmivsmisXanomispagmivsmis,11Xanomispagmivsmis,22Xanomispagmivsmis,33⋯Xanomispagmivsmis,kk{\ 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}}

La conservación de la masa se expresa entonces por ∀k∈[1⋯noatometromis]⇒∑I=1I=nomispagmivsmisaIknoI=Ak{\ Displaystyle \ forall k \ in [1 \ cdots natomes] \ Rightarrow \ sum _ {i = 1} ^ {i = nespeces} a_ {ik} n_ {i} = A_ {k}}

Minimización de la entalpía libre

Estando la reacción en equilibrio, la entalpía libre F es mínima.

F=∑I=1nomispagmivsmisμI.noI{\ Displaystyle F = \ sum _ {i = 1} ^ {nespeces} \ mu _ {i} .n_ {i}}

con

μI=μI∘(T)+RTlno(ΦΦ^){\ Displaystyle \ mu _ {i} = \ mu _ {i} ^ {\ circ} (T) + RTln \ left ({\ frac {\ Phi} {\ hat {\ Phi}}} \ right)}

es decir, para una ecuación de estado de gases ideales,

μI=μI∘(T)+X.(RTlno(noI∑noI)+RTlno(PAGPAG0)){\ 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 para productos de reacción sólidos o líquidos y X = 1 para gases.

con

μI{\ Displaystyle \ mu _ {i}}: potencial químico para la especie i

Φ{\ Displaystyle \ Phi}: fugacidad estándar

El valor de la entalpía libre debe calcularse para cada especie de producto de reacción en función del valor de la entalpía y la entropía a la temperatura T, en general a partir de los valores tabulados o por evaluación de los valores, magnitudes espectroscópicas. La resolución del sistema no lineal se puede realizar mediante el método de los multiplicadores de Lagrange o mediante el método de Monte-Carlo .

Combustión isocórica o isobárica

Dependiendo de si la combustión tiene lugar a volumen constante (isócoro) oa presión constante (isobar), la temperatura de equilibrio se alcanza cuando la energía o entalpía interna de los productos de reacción a esta temperatura, generalmente entre 1000 y 4000 K, es igual a la energía o entalpía de formación del material energético inicial a la temperatura de referencia (298K). Las características buscadas son:

• potencial calorimétrico;
• la temperatura de equilibrio (o temperatura de la llama medida con un pirómetro);
• el número de moles de gas producido (más raramente la masa de residuos);
• el Cp / Cv del gas.

La velocidad de combustión depende de la microestructura del material, su densidad y su entorno y no se puede estimar con precisión mediante cálculo. Puede medirse en una bomba manométrica (ley de Vieille :) , o en un canalón. v(metro/s)=a.PAGno+B{\ Displaystyle v (m / s) = aP ^ {n} + b}

Mercado

Según la SFEPA, la facturación de pirotecnia en Francia ronda los 1.200  millones de euros (37  % defensa / espacio, 34  % automoción, 13  % minas y canteras, 7  % entretenimiento y 7  % caza), por alrededor de 50.000  t / año , 80  % fabricado de la producción de materiales para minas y canteras. El sector emplea a unas 10.000 personas. La mayoría de los sectores son exportadores, excepto el de explosivos industriales que se encuentra principalmente en el mercado nacional.

Riesgos y peligros

Las actividades pirotécnicas han dado lugar a accidentes históricos particularmente mortales y fueron objeto, desde muy temprano, de regulaciones muy efectivas para reducir el riesgo pirotécnico . Los materiales utilizados pertenecen a la clase 1, y están sujetos a estrictas normas tanto para su uso como para su transporte.

La aparente sencillez de las recetas para fabricar composiciones pirotécnicas conduce cada año a numerosos accidentes domésticos mortales o conducen a mutilaciones en personas que querían reproducir formulaciones pirotécnicas que a veces se encuentran en Internet. Los productos pirotécnicos son, por naturaleza, metaestables y pueden reaccionar tras un estrés externo involuntario:

• choque mecánico;
• fricción;
• electricidad estática ;
• calor;
• Chispa - chispear.

La reacción es tanto más favorecida cuanto que el material está confinado y, por tanto, no puede evacuar la energía recibida. Si se han producido muchos accidentes pirotécnicos durante la historia industrial de Francia, uno de los más recientes y espectaculares sigue siendo la explosión del depósito de fuegos artificiales de Enschede en los Países Bajos el13 de mayo de 2000, que provocó daños muy importantes y una bola de fuego de 135  m , así como la muerte de 22 personas (974 heridos).

Ventajas de la tecnología pirotécnica

La tecnología pirotécnica ofrece ventajas sobre los dispositivos electrónicos o mecánicos:

• muy alta fiabilidad;
• almacenamiento de energía eficiente (pequeño volumen, sin pérdidas con el tiempo, alta potencia);
• variedad de efectos (calor, luz, humo, chispa, onda de choque, compuestos químicos);
• bajo costo.

La mayoría de los dispositivos son desechables.

Dispositivos pirotécnicos

Fuegos artificiales, varios sistemas pirotécnicos.

• La bomba (de fuegos artificiales): las hay de varios tipos: esféricas, cilíndricas, simples o con repeticiones, pueden ser aéreas o acuáticas.
  • La bomba esférica, como su nombre indica, tiene la forma de una esfera que descansa sobre un cono truncado invertido, que contiene la caza de propulsión.
  • La bomba cilíndrica tiene forma de cilindro, también colocada sobre un cono truncado que contiene la caza.
  • La bomba simple tiene solo una etapa, mientras que la bomba de repetición contiene varias etapas separadas por cacerías (una cacería para impulsar cada etapa).
  • La bomba náutica tiene menos caza que la bomba aérea ya que está hecha para caer rápidamente al agua y explotar allí, a diferencia de las bombas aéreas, que están hechas para explotar en altura. La inclinación del mortero debe ser de 15 ° a 45 ° hacia el cuerpo de agua y, por razones de seguridad, nunca hacia el público. Este producto llamado "ARP" (en particular riesgo) solo puede ser disparado por fuegos artificiales calificados.
  • Operación teórica:

1. encendido rápido de la mecha;
2. encendido de la caza por la mecha rápida;
3. propulsión de la bomba y encendido de la mecha lenta (espolette);
4. la mecha lenta se apaga y enciende la carga explosiva;
5. explosión de los fuegos artificiales que permite la dispersión de los efectos pirotécnicos.

Para disparar, las bombas se insertan en tubos llamados morteros (fibra de vidrio, cartón, plástico, acero) que se pueden juntar para hacer baterías de morteros.

El encendido puede ser manual o eléctrico. Solo el encendido eléctrico permite obtener la máxima seguridad.

El diámetro de las bombas puede variar entre 20  mm y 1200  mm , pero en Francia , las bombas más grandes utilizadas varían en torno a los 300  mm . Cuanto más grande es una bomba, más alto debe explotar para extender sus efectos. Cuanto más grande sea la bomba, mayores serán las distancias de seguridad. Podemos resumirlo de la siguiente manera: para un diámetro de 75  mm por ejemplo, la bomba se elevará aproximadamente a 75 metros y su diámetro de explosión también será de 75 metros, o de 1 a 1. Para las distancias de seguridad, están obligatoriamente indicadas en las etiquetas de los productos. . Para el ejemplo de una bomba de 75  mm , las distancias de seguridad están entre 75 y 90 m dependiendo del peso del material activo contenido en su interior.

La bomba más grande jamás disparada fue lanzada en el festival "Katakai-Matsuri" en la ciudad de Katakai en Ojiva, Japón. Se llamó Yonshakudama y pesaba 450  kg con un diámetro de 1200  mm . El efecto de la primera bomba fue una racha de oro seguida de pequeñas y coloridas flores. El segundo ofrecía múltiples ramos de flores con doble cambio de color.

• La vela: es un tubo, generalmente de cartón, en el que se insertan “bombetas” o “cometas” unas encima de otras. Con un diámetro que varía de 10 a 75  mm , se pueden encontrar efectos equivalentes a los de las bombas. El encendido de la primera etapa (la que se encuentra en la parte superior del tubo) provoca los sucesivos encendidos de las etapas inferiores de forma sincronizada y automática. El número de fuegos artificiales presentes en el tubo puede variar mucho según el diámetro y la altura del tubo.
  • Operación teórica:

1. encendido lento por fusible;
2. ignición del polvo de propulsión debajo del primer taco, esto enciende la espolette;
3. la bomba se eleva empujada por la pelusa y se expulsa del tubo;
4. la primera espolette enciende los efectos y la rápida mecha que hará estallar la bombette;
5. durante este tiempo, la mecha lenta continúa ardiendo y enciende el polvo debajo del segundo taco;
6. la segunda espolette se enciende y el proceso continúa hasta la última bombette.

• El compacto: es un conjunto de tubos (una especie de conjunto de mortero) con un diámetro que varía de 15  mm a 150  mm (máximo en China ). El compacto puede tener la forma de un diamante, un cuadrado o un rectángulo. Puede tener de ocho a varios cientos de tubos, cada uno con un solo disparo. Se inician automáticamente y de manera sincronizada después de que se enciende el primer tubo. Cada tubo contiene, en la parte inferior, pólvora que sirve como dispositivo de caza, y arriba, una pequeña bomba, cometas, bombas. Los compactos pueden ser rectos o en abanico según los efectos deseados.
  • Operación teórica:

1. después de encender la mecha, enciende la caza mientras enciende la bomba que impulsa el dispositivo fuera del tubo;
2. la combustión se transmite de un tubo a otro. Cada tubo va uno tras otro.

• El cohete: consta de una barra estabilizadora y un tubo cilíndrico que contiene, en la base, la pólvora para la propulsión, y en la parte superior, la pólvora con los efectos. Cuando termina la combustión del polvo propulsor, enciende los efectos.

• La bengala  : es un tubo de cartón o metal relleno de una composición pirotécnica que tiene la propiedad de arder lo que produce una fuerte emisión de luz y humo.

• El sol: es un mecanismo giratorio de punto fijo, compuesto por un marco sobre el que se disponen unas clases de pequeños cohetes fijos denominados chorros. El encendido de los chorros hace que el conjunto gire y un chorro de fuego en forma de sol .

• La cascada: es un conjunto de chorros dispuestos hacia abajo y que dan la impresión de una cascada de chispas que caen.

• El fogón: muy parecido a la bomba, con un detalle: no hay espolettes . La caza enciende directamente el compuesto pirotécnico destinado a efectos. El fogón sale del mortero ya ardiendo, provocando una lluvia de luz como lava en los volcanes en erupción.

• La fuente: una fuente es una pieza pirotécnica cuya función es proyectar una lluvia de brillantes chispas en vertical o en ángulo.

Cojines inflables

Dispositivos de seguridad y de corte

Entre los dispositivos de seguridad o de corte, podemos mencionar:

• los retrasos  ;
• cortadores de alambre (para corrientes o tensiones fuertes);
• los cordones de corte (etapa de separación de cohetes, por ejemplo);
• los pernos explosivos .

Dispositivos especiales

Jeringas sin agujas , generadores de oxígeno , baterías térmicas ,  etc.

Revistas científicas

• Propelentes, Explosivos, Pirotecnia  ;
• GTPS publica un diccionario multilingüe de términos comerciales.

Coloquios científicos

• Europyro;
• Simposio internacional pirotécnico sobre seguridad automotriz (IPASS);
• Seminario de la Sociedad Internacional de Pirotecnia;
• Conferencia de TIC.

Premio

El premio Paul Vieille se otorga con regularidad.

Sitios pirotécnicos

En Francia, los principales emplazamientos pirotécnicos se encuentran en Bourges , Toulouse , Burdeos , Sorgues. El término pirotecnia puede entonces designar el establecimiento (ejemplo: la pirotecnia de Toulon). La Escuela Central de Pirotecnia fue transferida de Metz a Bourges siguiendo un decreto imperial de 1860 (vigente enJunio ​​1870). Ha generado numerosa documentación técnica. Durante la Primera Guerra Mundial, la producción diaria es de 80.000 cartuchos, 40.000 cohetes de cebado.

El servicio conjunto de municiones (SIMu) es el servicio militar especializado en pirotecnia. Está adscrito directamente al Estado Mayor de las Fuerzas Armadas (EMA). Este servicio conjunto consta de pirotécnicos ( fuegos artificiales del equipo de armas del Ejército de Pétaf de la Fuerza Aérea y pirotécnicos de la Armada) y pirotécnicos civiles armados).

Está hecho de :

• Gestión en Versalles

• EPMu (principal establecimiento de municiones) Bretaña
• EPMu Champaña-Lorena
• EPMu Centro-Aquitania
• EPMu Provenza-Mediterráneo

Capacitación

La formación inicial es muy limitada, debido a la naturaleza específica de la profesión. Podemos citar un máster especializado en pirotecnia de propulsión y la opción de sistemas pirotécnicos para estudiantes del ciclo de ingeniería de ENSTA Bretagne , así como el Bourges Defense Training Centre.

Notas y referencias

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27. "  Propuesta de capacitación  " , sobre Ministerio de las Fuerzas Armadas ,19 de octubre de 2017(consultado el 26 de julio de 2017 )

Bibliografía

• Thierry Lefebvre ( dir. ), Laurent Le Forestier ( dir. ) Y Philippe-Alain Michaud ( dir. ), “  Pirotecnia: Une histoire du cinéma incendiaire  ”, 1895 , n o  39,2003( ISBN  2-913758-31-2 , presentación en línea )

Ver también

Artículos relacionados

• Fuegos artificiales
• Dispositivo pirotécnico
• Wick (pirotecnia)
• Cohete (artillería)
• Bengala
• Festival de cohetes

enlaces externos

• Grupo de trabajo de pirotecnia en Francia (GTPS)
• Asociación Francesa de Pirotecnia
• Portal francés de pirotecnia