Pirotecnia

La pirotecnia es la sciéncia de la combustion dels materials e de sos efièchs.

Un fuòc d'artifici.

Istoricament, encontra una aplicacion festiva dins los fuòc d'artifici mas es tanben utilizada dins los sectors de l'armament, de l'aerospaciala, de las minas e peirièras e tanben disn la seguretat automobila o los senhals de perilh marins.

Permet la concepcion d'engenhs pirotecnics, utilizats per exemple pel foncionament dels cossins conflables de seguretat (« airbag ») dins los veïculs o pels sètis ejectables dins l’aviacion, o encara coma mejans de signalizacion luminós o sonors en cas de perilh.

D’aplicacions de produccion d'oxigèn medical en situacion d'urgéncia o, de biais general, de compausants de seguretat de nauta fiabilitat utilizan tanben de solucions pirotecnicas.

Istoric

Cimbèls infraroges d’usatge militar.

Fuòcs de perilh maritim.

L'usatge dels fums es conegut de longas en China e Índia; dintra al sègle VII a ço dels Grècs bizantins que l’utilizavan pel fuòc grèc ; al sègle XIII a çò dels Arabs, puèi dels crestians occidentals.

La mai anciana mencion en Occident data de 1380: nos apren que los Padoans utilizavan de fusadas contra la vila de Mestre.

Lis Italians las nomenavan rochete ‘roquèta e rocket en anglés. Una de la primièras composicions es la polvera.

La pirotecnia faguèt l'objècte d'utilizacions mai variadas, coma en quirurgia.

Nocions de basa

La reaccion pirotecnica pòt èsser de diferents tipes segon sa quimia e velocitat. Lo material energetic demanda pas l'oxigèn de l'aire per brutlar: sa composicion e son entalpia de formacion sufison. Las reaccions quimicas utlizadas pòdon èsser:

• d’oxidoreduccions en fasa solida (combustion en sisas parallèlas) ;
• de combustions organicas ;
• de reaccions intermetallicas.

Segon la velocitat de reaccion en sisa parallèla, se destria tres regims:

• la combustion (< 300 m/s) ;
• la deflagracion ;
• la detonacion (> 3 000 m/s, podent aténher 9 000 m/s : la reaccion quimica e parelhada a una onda de tust).

Sol los regims de combustion e de detonacion son estables, lo regim de deflagracion es metastable e un material energetic pòt transitar d'un regim cap a l'autre segon son bilanç termic e de son confinament.

Lo caractèr gaireben imprevisible de ces embalaments provòca cada annada d’accidents pels adolescents volent realizar de petards artisanals.

Los efièchs pirotecnics son:

• produccion de gas, eventualament de composicion quimica adaptada (ex. : airbag);
• produccion de calor (per rai infraroge, fins a 4000K) (ex: sodatge de ralhs de camin de fèrre per aluminotermia) ;
• produccion de fum (ex : fumigèns de signalizacion) ;
• produccion de lutz (ex : fuòc d'artifici) : Las colors perceptiblas per l’uèlh van d’una longor d'onda compresa entre 380 nm (violet) e 780 nm (roge). Es l’apond, dins la mescla pirotecnica de compausats metallics, que permet la creacion d’efièch luminoses. (roge : estronci, violet : potassi, blau : coire o zinc, vert : bari, jaune : sòdi, blanc : magnèsi o alumini, argent : titani). En pirotecnia, los feomèns provocant la difusion de lutz colorada son l'incandescéncia, l'emission atomica e l'emission moleculara ;
• produccion d'efièch mecanic (desplaçament de crics o de pistons).

Fisica de la combustion dels materials energetics

Dins una reaccion pirotecnica un compausat constituit d'atòms e avent una entalpia de formacion donada se transforma en moleculas mai simplas. L'entalpia se conservant, la temperatura de l'equilibri aumenta segon los principis seguents.

Lei d'accion de massa

La transformacion del material energetic en produchs de reaccion s'exprimís segon l'equacion seguenta, Xi essent los diferents atòms presents dins lo o los compausats:

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

La conservacion de la massa s'exprimís alara alors per$\forall k\in [1\cdots natomes]\Rightarrow \sum _{i=1}^{i=nespeces}a_{ik}n_{i}=A_{k}$

Minimizacion de l'entalpia liura

La reaccion essent a l'equilibri, l'entalpia liura F es minimala.

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

amb

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

siá, per una equacion d'estat dels gases perfièchs,

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

X=0 pels produchs de reaccion solids o liquids e X=1 pels gases.

amb

$\mu _{i}$: potencial quimic per l'espècia i

$\Phi$: fugacitat estandard

La valor de l'entalpia liura dèu èsser calculada per cada espècia de produch de reaccion segon la valor de l'entalpia e de l'entropia a la temperatura T, en general siá a partir de las valors tabuladas siá per elevacion a partir de las grandors espectroscopicas. La resolucion del sistèma non lineari pòt se far o pel metòde dels multiplicators de Lagrange o pel metòde de Montcarles.

Combustion isocòra o isobara

Segon que la combustion se realize dins un volum constant (isocòr) o de pression constanta (isobara), la temperatura d'equilibri es atencha quand l'energia o l'entalpia intèrna dels produchs de reaccion a aquela temperatura, mai sovent situada entre 1000 e 4000 K, es egala a l'energia o l'entalpia de formacion del material energetic iniciala a la temperatura de referéncia (298K). Las caracteristicas cercadas son:

• lo potenciall calorimetric ;
• la temperatura d'equilibri (o temperatura de flama mesurada al piromètre) ;
• lo nombre de mòlas de gas produchas (mai rarament la mass de residús) ;
• lo Cp/Cv del gas.

La velocitat de combustion depend de la microstructura del material, de sa densitat e de son environament e es pas estimabla precisament pel calcul. Es mesurabla o en bomba manometrica (lei de Vieille : $v(m/s)=a.P^{n}+b$), o en gotèra.

Mercat

Mercat de la pirotecnia (Visualizar)

Sector	% del mercat
Defensa e espaci	37
Seguretat automobila	34
Minas e peirièras	13
Divertiment e espectacla	7
Caça	7
Autre	2

Riscs e dangièrs

Las activitats pirotecnicas faguèron d’accidents istorics plan murtrièrs e d’ora foguèron reglamentadas pe reduire lo risc pirotecnic. Los merials mes en òbra apartenon a la classa 1, e fan l'objècte de règlas estrictas a l’encòp per l’usage e lo transpòrt.

Marca GHS classa 1.

L'aparenta simplicitat dels receptas de fabricacion de las composicions pirotecnicas fan cada annada fòrça accidents domestics mortals o de mutilacions de personas avent volgut reproduire de formulacions pirotecnicas trobadas sus sur internet. Los produchs pirotecnics son, per natura, metastables e pòdon reagir après una sollicitacion exteriora involontària:

• tust mecanic ;
• friccion ;
• electricitat estatica ;
• calor ;
• beluga.

Avantatges de la tecnologia pirotecnica

La tecnologia pirotecnicas permet d'obténer d’avantatges al respècte dels dispositius electronics o mecanics:

• fòrça nauta fisabilitat ;
• sèrva d'energia eficaça (pichon volum, pas de pèrda amb lo temps, fòrta poténcia) ;
• varietat d'efièch (calor, lutz, fum, beluga, onde de tust, compausats quimics) ;
• fèble còst.

Gaireben totes los dispositius son a usatge unic.

Dispositius pirotecnics

Artifici de divertiment, diferents sistèmas pirotecnics

Esquèma en seccion verticala d'una bomba de divertiment.

Esquèma d'una candèla.

Representacion d'un compacte amb l'assemblatge dels tubs los uns amb los autres.

Representacion d'una fusada.

Una fusada.

• La bomba (de fòc d'artifici): n’existis diferents tipes : esfericas, cilindricas, simplas o de repeticions, pòdon èsser aerianas o aquaticas.
  • La bomba esferica, coma son nom l'indica, ten la forma d'una esfèra pausada sus un còn troncat capvirat, que conten la caça per la propulsion.
  • La bomba. cilindrida ten la forma d'un cilindre, el tanben pausat sus un còn troncat que conten la caça.
  • La bomba simpla es d’un sol estatge, alara que la bomba de repeticion conten diferents estatges separats per de caças (una caça per propulsar cada estatge).
  • La bomba nautica compòrta al mens de caça que la bomba aeriana qu’es realizada per caire rapidament dins l'aiga e i explosar, al contrari de las bombas aerianas, que son fabricadas per explosar en altitud. L'inclinason del mortièr deu èsser de 15° a 45° cap al plan d'aiga, e, per de rasons de seguretat, jamai en cap al public.
  • Foncionament teoric:

1. allumatge de la mèca rapida ;
2. allumatge de la caça per la mèca rapida;
3. propulsion de la bomba e allumatge de la mèca lenta;
4. la mèca lenta se consuma aluca la carga d'esclatament;
5. esclatament de l'artifici que permet la dispersion dels efièchs pirotecnics.

Per èsser tiradas, las bombas son inseridas dins de tubs nomenats mortièrs (de fibra de veire, carton, plastic, acièr) que pòdon èsser amassats entre eles per realizar de bateriás de mortièrs.

L'allumatge pòt èsser manual o electric. Sol l'allumatge electric permet d'obténer lo maxim de seguretat.

La mai grossa bomba jamai tirada foguèt lançada al festenal « Katakai-Matsuri », dins la vila de Katakai a Ojiva, al Japon. Se nomenava Yonshakudama e pesava 450 kg per un diamètre de 1 200 mm.

• La candèla: es un tub, mai sovent de carton, en que de « bombetas » o « comètas » son inseridas una al dessús de l'autre. D'un diamètre variant de 10 a 75 mm, se pòt i trobar los efièchs equivalents a aquestes de las bombas. L'allumatge del primièr estatge (aqueste que se trapa al suc del tub) provòca los allumatges successius dels estatges inferiors d'un biais sincronizat e automatic. Lo nombre de pèças d'artificis presentas dins le tub pòt fortament variar segon lo diamètre e de la nautor del tub.
  • Foncionament teoric:

1. allumatge de la mèca lenta;
2. allumatge de la polvera de propulsion;
3. la bombeta es ejectada fòra del tub;
4. la primièra espoleta encendís los efièchs e la mèca rapida que fa esclatar la bombeta;
5. mentretant la mèca lenta contunha de se consumir e aluca la polvera;
6. la segonda espoleta s'aluca e lo procediment contunha fins a la darrièra bombeta.

• Lo compacte: es un assemblatge de tubs (mena d'assemblatge mortièrs) d'un diamètre variant de 15 mm a 150 mm (maxim en China). Lo compacte pòt possedir la forma d'un losange, d'un carrat o d'un rectangle. Pòt comportar de uèit a de centenas de tubs, cadun comportant pas qu'un còp. Espètan de biais automatic e sincronizat après l'allumatge del primièr tub.
  • Fonctionnement théorique :

• La fusada: se compausa d'una tija estabilizatritz e d'un tub cilindric contenent, a la basa, la polvera per la propulsion, e al suc, la polvera amb los efièchs. Quand la combustion de la polvera de propulsion s’acaba, encendia los efièchs.

• Lo fuòc de Bengal: es un tub de carton o de metal emplit d'una composicion pirotecnica avent la proprietat de brutlar que produch un fòrt largament de lutz e de fum.

• Lo solelh: es un mecanisme rotatiu amb un punt fixe, compausat d’un encastre sus que son dispausats de menas de pichonas fusadas fixas nomenadas jets. L’inflamacion dels jets pròca la rotacion de l’ensemble e una gèrba de fuòc en forma de solelh.

• La cascada: es un assemblatge de jets dispausats cap al bas e donent l’impression d’una cascada de belungas cas

• Lo pòt de fuòc: semblabla a la bomba mas la chassa enflama dirèctaement lo compausat pirotecnic destinat als efièchs. Lo pòt de fuòc sortís del mortièr ja en combustion, çò que provòca una gèrba de lutz al biais de la lava dels volcans en erupcion.

• La font: una font es una pèça pirotecnica que lo ròtle es de projectar una pluèja de belugas brilhantas verticalament o selon un angle.

Cossins conflables

Desencadenament dels cossins conflables pendent lo seïsme del Sichuan de 2008.

Dispositius de seguretat

D’entre los dispositius de seguretat i a:

• los retards ;
• los copa fials (per de fòrts corrents o tension) ;
• los cordilhs de decopa (separacion d'estatge de fusada, per exemple) ;
• los bolons explosius.

Dispositius especials

Bateria sòdi e niquèl de cellulas sagelada per sodatge e isolacion termica.

Seringas sens agulhas, generators d'oxigèn, pilas termicas, etc.

Bibliografia

• Thierry Lefebvre (dir.), Laurent Le Forestier (dir.) et Philippe-Alain Michaud (dir.), « Pyrotechnies : Une histoire du cinéma incendiaire », 1895, no 39,‎ 2003 (ISBN 2-913758-31-2, présentation en ligne)

Vejatz tanben

Articles connèxes

• Fuòc d’artifici
• Engenh pirotecnic

Ligams extèrnes

• Groupe de Travail de Pyrotechnie en France (GTPS)
• Association Française de la Pyrotechnie
• Portail francophone sur la pyrotechnie