Pyrotechnik

Die Pyrotechnik ist die Wissenschaft der Verbrennung von Materialien und Effekten.

Historisch gesehen findet es eine festliche Anwendung in Feuerwerkskörpern, wird aber auch in den Bereichen Waffen , Luft- und Raumfahrt , Bergbau und Steinbrüche sowie in der Sicherheit von Kraftfahrzeugen oder in Notsignalen auf See eingesetzt.

Es ermöglicht die Konstruktion pyrotechnischer Geräte , die beispielsweise für den Betrieb von Airbags ("Airbags") in Fahrzeugen oder für Schleudersitze in der Luftfahrt oder als Licht- oder Tonsignalmittel im Falle eines Unfalls verwendet werden.

Anwendungen zur Herstellung von medizinischem Sauerstoff in Notsituationen oder allgemein von hochzuverlässigen Sicherheitskomponenten verwenden ebenfalls pyrotechnische Lösungen.

Historisch

Der Einsatz von Raketen ist in China und Indien seit langem bekannt. Er trat in die VII th Jahrhundert in byzantinischen Griechen , die das laufen verwendeten griechisches Feuer ; das XIII - ten Jahrhundert unter den Arabern und schließlich unter dem westlichen Christen.

Die älteste Erwähnung im Westen stammt erst aus dem Jahr 1380: Sie besagt, dass die Paduaner Raketen gegen die Stadt Mestre eingesetzt haben.

Die Italiener nannten sie Rochete , ein Wort, das die Franzosen als Rochette, die später Rakete wurde , und die Engländer als Rakete übersetzten . Eine der ersten Zusammensetzungen ist Schwarzpulver .

Die Pyrotechnik war Gegenstand verschiedenster Anwendungen, beispielsweise in der Chirurgie.

Grundlagen

Die pyrotechnische Reaktion kann je nach Chemie und Geschwindigkeit unterschiedlich sein. Das energetische Material benötigt zum Verbrennen keinen Luftsauerstoff: seine Zusammensetzung und seine Bildungsenthalpie sind ausreichend. Die verwendeten chemischen Reaktionen können sein:

Festphasen-Redox (Verbrennung in parallelen Schichten);
organische Verbrennungen;
intermetallische Reaktionen.

Abhängig von der Reaktionsgeschwindigkeit in der Parallelschicht gibt es drei Regime:

die Verbrennung (< 300 m / s );
die Explosion ;
die Detonation (> 3000 m / s , bis zu 9000 m / s : die chemische Reaktion ist an eine Stoßwelle gekoppelt).

Nur das Verbrennungs- und Detonationsregime ist stabil, das Deflagrationsregime ist metastabil und ein energetisches Material kann abhängig von seinem Wärmehaushalt und seiner Begrenzung von einem Regime zum anderen übergehen.

Die relativ unvorhersehbare Natur dieser Ausreißer führt jedes Jahr zu zahlreichen Unfällen bei Jugendlichen, die versuchen, selbstgemachte Feuerwerkskörper herzustellen.

Die pyrotechnischen Effekte sind:

Erzeugung von Gas, möglicherweise geeigneter chemischer Zusammensetzung (z. B. Airbag);
Wärmeerzeugung (durch Infrarotstrahlung bis zu 4000 K) (z. B. Schweißen von Eisenbahnschienen durch Aluminothermie );
Rauchentwicklung (zB Rauchsignale);
Lichtproduktion (zB Feuerwerk): Die für das Auge wahrnehmbaren Farben reichen von einer Wellenlänge zwischen 380 nm (violett) bis 780 nm (rot). Es ist der Zusatz in der pyrotechnischen Mischung von Metallverbindungen, der die Erzeugung von Lichteffekten ermöglicht. ( rot : Strontium , lila : Kalium , blau : Kupfer oder Zink , grün : Barium , gelb : Natrium , weiß : Magnesium oder Aluminium , Silber : Titan ). In der Pyrotechnik sind die Phänomene, die die Diffusion von farbigem Licht verursachen, Glühbirne, Atomemission und molekulare Emission;
Erzeugung eines mechanischen Effekts (Verschiebung von Wagenhebern oder Kolben).

Physik der Verbrennung energetischer Materialien

Bei einer pyrotechnischen Reaktion wird eine aus Atomen bestehende Verbindung mit einer bestimmten Bildungsenthalpie in einfachere Moleküle umgewandelt. Wenn die Enthalpie erhalten bleibt, steigt die Gleichgewichtstemperatur gemäß den folgenden Prinzipien an.

Gesetz der Massenaktion

Die Umwandlung des energetischen Materials in Reaktionsprodukte wird gemäß der folgenden Gleichung ausgedrückt, wobei Xi die verschiedenen Atome sind, die in der (den) Verbindung (en) vorhanden sind:

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

Die Erhaltung der Masse wird dann ausgedrückt durch ${\ displaystyle \ forall k \ in [1 \ cdots natomes] \ Rightarrow \ sum _ {i = 1} ^ {i = nespeces} a_ {ik} n_ {i} = A_ {k}}$

Minimierung der freien Enthalpie

Da die Reaktion im Gleichgewicht ist, ist die freie Enthalpie F minimal.

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

mit

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

das heißt, für eine Zustandsgleichung idealer Gase,

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

X = 0 für feste oder flüssige Reaktionsprodukte und X = 1 für Gase.

mit

$\ mu _ {{i}}$ : chemisches Potential für Arten i

$\ Phi$ : Standard Vergänglichkeit

Der Wert der freien Enthalpie muss für jede Spezies des Reaktionsprodukts als Funktion des Wertes der Enthalpie und Entropie bei der Temperatur T berechnet werden, im Allgemeinen entweder aus den tabellarischen Werten oder durch Auswertung aus den Werten. Spektroskopische Größen. Die Auflösung des nichtlinearen Systems kann entweder nach der Methode der Lagrange-Multiplikatoren oder nach der Monte-Carlo-Methode erfolgen .

Isochore oder isobare Verbrennung

Abhängig davon, ob die Verbrennung in einem konstanten Volumen (Isochore) oder bei konstantem Druck (Isobare) stattfindet, wird die Gleichgewichtstemperatur erreicht, wenn die Energie oder die innere Enthalpie der Reaktionsprodukte bei dieser Temperatur, im Allgemeinen zwischen 1000 und 4000 K, gleich ist auf die Energie oder Enthalpie der Bildung des anfänglichen energetischen Materials bei der Referenztemperatur (298 K). Die gesuchten Eigenschaften sind:

kalorimetrisches Potential;
die Gleichgewichtstemperatur (oder Flammentemperatur, gemessen mit einem Pyrometer);
die Anzahl der produzierten Mol Gas (seltener die Masse der Rückstände);
das Cp / Cv des Gases.

Die Verbrennungsrate hängt von der Mikrostruktur des Materials, seiner Dichte und seiner Umgebung ab und kann durch Berechnung nicht genau geschätzt werden. Es kann entweder in einer manometrischen Bombe (Vieilles Gesetz :) oder in einer Rinne gemessen werden . ${\ displaystyle v (m / s) = aP ^ {n} + b}$

Markt

Pyrotechnik-Markt ( Visualisieren )

Sektor	% des Marktes
Verteidigung und Weltraum	37
Autosicherheit	34
Minen und Steinbrüche	13
Unterhaltung und Shows	7
Jagd	7
Verschiedene	2

Nach Angaben der SFEPA beträgt der Umsatz mit Pyrotechnik in Frankreich rund 1.200 Mio. EUR (37 % Verteidigung / Raumfahrt, 34 % Automobilindustrie, 13 % Minen und Steinbrüche, 7 % Unterhaltung und 7 % Jagd), bei rund 50.000 t / Jahr 80 % Produktion von Materialien für Minen und Steinbrüche. Der Sektor beschäftigt rund 10.000 Mitarbeiter. Die meisten Sektoren sind Exporteure, mit Ausnahme von Industrieexplosivstoffen, die hauptsächlich auf dem nationalen Markt erhältlich sind.

Risiken und Gefahren

Pyrotechnische Aktivitäten haben zu besonders tödlichen historischen Unfällen geführt und waren sehr früh Gegenstand sehr wirksamer Vorschriften zur Verringerung des pyrotechnischen Risikos . Die verwendeten Materialien gehören zur Klasse 1 und unterliegen sowohl für ihre Verwendung als auch für ihren Transport strengen Regeln.

Die offensichtliche Einfachheit der Rezepte zur Herstellung pyrotechnischer Zusammensetzungen führt jedes Jahr zu vielen tödlichen Unfällen im Haushalt oder zu Verstümmelungen bei Menschen, die pyrotechnische Formulierungen reproduzieren wollten, die manchmal im Internet zu finden sind. Pyrotechnische Produkte sind von Natur aus metastabil und können nach unfreiwilliger äußerer Belastung reagieren:

mechanischer Schlag;
Reibung;
statische Elektrizität ;
Hitze;
Funke.

Die Reaktion ist umso günstiger, als das Material begrenzt ist und daher die empfangene Energie nicht evakuieren kann. Wenn sich in der Industriegeschichte Frankreichs viele pyrotechnische Unfälle ereignet haben, bleibt eine der jüngsten und spektakulärsten die Explosion des Feuerwerksdepots von Enschede in den Niederlanden13. Mai 2000Dies verursachte erhebliche Schäden und einen Feuerball von 135 m sowie den Tod von 22 Menschen (974 Verwundete).

Vorteile der pyrotechnischen Technologie

Die pyrotechnische Technologie bietet Vorteile gegenüber elektronischen oder mechanischen Geräten:

sehr hohe Zuverlässigkeit;
effizienter Energiespeicher (kleines Volumen, kein Zeitverlust, hohe Leistung);
Vielzahl von Effekten (Hitze, Licht, Rauch, Funken, Stoßwelle, chemische Verbindungen);
kostengünstig.

Die meisten Geräte sind Einwegartikel.

Pyrotechnische Geräte

Feuerwerk, verschiedene pyrotechnische Systeme

Die Bombe (von Feuerwerkskörpern): Es gibt verschiedene Arten: kugelförmig, zylindrisch, einfach oder mit Wiederholungen können sie aus der Luft oder im Wasser sein.
- Die kugelförmige Bombe hat, wie der Name schon sagt, die Form einer Kugel, die auf einem umgekehrten Kegelstumpf ruht, der die Jagd nach dem Antrieb enthält.
- Die zylindrische Bombe hat die Form eines Zylinders, der ebenfalls auf einem Kegelstumpf platziert ist, der die Jagd enthält.
- Die einfache Bombe hat nur eine Stufe, während die sich wiederholende Bombe mehrere Stufen enthält, die durch Jagden getrennt sind (eine Jagd, um jede Stufe voranzutreiben).
- Die nautische Bombe hat weniger Jagd als die Luftbombe, da sie schnell ins Wasser fällt und dort explodiert, im Gegensatz zu Luftbomben, die in der Höhe explodieren. Die Neigung des Mörtels muss 15 ° bis 45 ° zum Gewässer und aus Sicherheitsgründen niemals zur Öffentlichkeit betragen. Dieses Produkt namens "ARP" (mit besonderem Risiko) kann nur von qualifizierten Feuerwerkskörpern abgefeuert werden.
- Theoretische Operation:

schnelle Zündung des Dochtes;
Beleuchtung der Jagd durch den schnellen Docht;
Antrieb der Bombe und Zündung der langsamen Zündschnur (Espolette);
der langsame Docht brennt aus und entzündet die platzende Ladung;
Platzen des Feuerwerks, wodurch die pyrotechnischen Effekte zerstreut werden können.

Zum Abfeuern werden die Bomben in Mörserrohre (Glasfaser, Pappe, Kunststoff, Stahl) eingesetzt, die zu Mörserbatterien zusammengefasst werden können.

Die Zündung kann manuell oder elektrisch erfolgen. Nur eine elektrische Zündung ermöglicht maximale Sicherheit.

Der Durchmesser der Bomben kann zwischen 20 mm und 1.200 mm variieren , aber in Frankreich variieren die größten verwendeten Bomben um 300 mm . Je größer eine Bombe ist, desto höher muss sie explodieren, um ihre Wirkung auszudehnen. Je größer die Bombe, desto größer die Sicherheitsabstände. Wir können Folgendes zusammenfassen: Bei einem Durchmesser von beispielsweise 75 mm steigt die Bombe auf ungefähr 75 Meter und ihr Berstdurchmesser beträgt ebenfalls 75 Meter oder 1 zu 1. Für die Sicherheitsabstände sind sie auf den Produktetiketten obligatorisch angegeben . Für das Beispiel einer 75- mm- Bombe liegen die Sicherheitsabstände je nach Gewicht des darin enthaltenen aktiven Materials zwischen 75 und 90 m.

Die größte jemals abgefeuerte Bombe wurde beim "Katakai-Matsuri" -Festival in der Stadt Katakai in Ojiva, Japan, geworfen. Es hieß Yonshakudama und wog 450 kg mit einem Durchmesser von 1200 mm . Die Wirkung der ersten Bombe war ein Goldstreifen, gefolgt von kleinen, bunten Blumen. Die zweite bot mehrere Blumensträuße mit einem doppelten Farbwechsel.

Die Kerze: Es handelt sich um eine Röhre, die in der Regel aus Pappe besteht und in die „Bomben“ oder „Kometen“ übereinander eingesetzt werden. Mit einem Durchmesser zwischen 10 und 75 mm kann man die Effekte finden, die denen der Bomben entsprechen. Die Zündung der ersten Stufe (die sich oben am Rohr befindet) bewirkt die aufeinanderfolgende Zündung der unteren Stufen synchron und automatisch. Die Anzahl der in der Röhre vorhandenen Feuerwerke kann je nach Durchmesser und Höhe der Röhre stark variieren.
- Theoretische Operation:

langsame Zündung der Sicherung;
Zündung des Antriebspulvers unter dem ersten Wad, dies entzündet die Espolette;
Die Bombe steigt auf, wird von den Flusen gedrückt und aus der Röhre ausgestoßen.
Die erste Espolette zündet die Effekte und die schnelle Zündschnur, die die Bombette explodieren lässt.
während dieser Zeit brennt der langsame Docht weiter und entzündet das Pulver unter dem zweiten Bündel;
Die zweite Espolette leuchtet auf und der Vorgang wird bis zur letzten Bombette fortgesetzt.

Der Kompakte: Es handelt sich um eine Baugruppe aus Rohren (eine Art Mörtelbaugruppe) mit einem Durchmesser zwischen 15 mm und 150 mm (maximal in China ). Der Compact kann die Form eines Diamanten, eines Quadrats oder eines Rechtecks haben. Es kann acht bis mehrere hundert Röhren haben, von denen jede nur einen Schuss hat. Sie starten automatisch und synchron nach dem Zünden der ersten Röhre. Jedes Rohr enthält unten Pulver, das als Jagdgerät dient, und darüber ein Bomblet, Kometen, Bomben. Die Preßlinge können je nach den gewünschten Effekten gerade oder aufgefächert sein.
- Theoretische Operation:

Nach dem Anzünden der Sicherung wird die Jagd angezündet, während die Bombe gezündet wird, die das Gerät aus der Röhre treibt.
Die Verbrennung wird von Rohr zu Rohr übertragen. Jede Röhre geht nacheinander.

Die Rakete: Sie besteht aus einem Stabilisierungsstab und einem zylindrischen Rohr, das an der Basis das Pulver für den Antrieb und oben das Pulver mit den Effekten enthält. Wenn die Verbrennung des Treibpulvers endet, entzündet es die Effekte.

Die Wunderkerze : Es handelt sich um eine Papp- oder Metallröhre, die mit einer pyrotechnischen Zusammensetzung gefüllt ist, die die Eigenschaft hat zu brennen und eine starke Emission von Licht und Rauch erzeugt.

Die Sonne: Es ist ein Drehmechanismus mit einem festen Punkt, der aus einem Rahmen besteht, auf dem Arten kleiner fester Raketen angeordnet sind, die als Jets bezeichnet werden. Die Zündung der Düsen bewirkt, dass sich die Baugruppe dreht und ein Feuerspray in Form der Sonne auftritt .

Der Wasserfall: Es handelt sich um eine Ansammlung von Jets, die nach unten angeordnet sind und den Eindruck einer Kaskade fallender Funken erwecken .

Der Feuertopf: sehr ähnlich der Bombe, mit einem Detail: Es gibt keine Espoletten . Die Jagd entzündet direkt die für Effekte vorgesehene pyrotechnische Verbindung. Der Feuertopf kommt aus dem bereits brennenden Mörser und verursacht einen Lichtschauer wie Lava in ausbrechenden Vulkanen.

Der Brunnen: Ein Brunnen ist ein pyrotechnisches Stück, dessen Aufgabe es ist, einen Schauer strahlender Funken vertikal oder schräg zu projizieren.

Aufblasbare Kissen

Sicherheits- und Trennvorrichtungen

Unter den Sicherheits- oder Abschaltvorrichtungen können wir erwähnen:

die Verzögerungen ;
Drahtschneider (für starke Ströme oder Spannungen);
die Schneidschnüre (Raketentrennstufe zum Beispiel);
die Sprengbolzen .

Spezialgeräte

Spritzen ohne Nadeln , Sauerstoffgeneratoren , Thermobatterien , usw.

Wissenschaftliche Zeitschriften

Treibmittel, Sprengstoffe, Pyrotechnik ;
GTPS veröffentlicht ein mehrsprachiges Wörterbuch mit Geschäftsbegriffen.

Wissenschaftliche Kolloquien

Europyro;
Internationales Symposium für pyrotechnische Fahrzeugsicherheit (IPASS);
Internationales Seminar der Pyrotechnik-Gesellschaft;
IKT-Konferenz.

Preis

Der Paul-Vieille- Preis wird regelmäßig vergeben.

Pyrotechnische Stätten

In Frankreich befinden sich die wichtigsten pyrotechnischen Standorte in Bourges , Toulouse , Bordeaux und Sorgues. Der Begriff Pyrotechnik kann dann die Einrichtung bezeichnen (Beispiel: die Pyrotechnik von Toulon). Die Central School of Pyrotechnics wurde nach einem kaiserlichen Dekret von 1860 (gültig in) von Metz nach Bourges verlegtJuni 1870). Es wurden zahlreiche technische Dokumentationen erstellt. Während des Ersten Weltkriegs werden täglich 80.000 Patronen und 40.000 Zündraketen produziert.

Der gemeinsame Munitionsdienst (SIMu) ist der auf Pyrotechnik spezialisierte Militärdienst. Es ist direkt dem Generalstab der Streitkräfte (EMA) zugeordnet. Dieser gemeinsame Dienst besteht aus pyrotechnischen ( Feuerwerk der Waffe Ausrüstung der Armee Pétaf der Luftwaffe und pyrotechnischen die Marine) und pyrotechnischen zivile bewaffnet).

Es ist aus :

Management in Versailles

EPMu (Hauptmunitionsbetrieb) Bretagne
EPMu Champagne-Lorraine
EPMu Center-Aquitaine
EPMu Provence-Mittelmeer

Ausbildung

Die Erstausbildung ist aufgrund der Besonderheiten des Berufs sehr begrenzt. Wir können einen spezialisierten Master-Abschluss in Antriebspyrotechnik und die Option für pyrotechnische Systeme für Studenten des Ingenieurzyklus der ENSTA Bretagne sowie das Bourges Defense Training Center zitieren .

Anmerkungen und Referenzen

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Literaturverzeichnis

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