Balistique interne

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La balistique interne (également balistique intérieure ), sous-domaine de la balistique , est l'étude de la propulsion d'un projectile .

Dans les armes à feu , la balistique interne couvre le temps qui s'écoule entre l'allumage du propulseur et la sortie du projectile du canon de l'arme . [1] L'étude de la balistique interne est importante pour les concepteurs et les utilisateurs d'armes à feu de tous types, des fusils et pistolets de petit calibre à l' artillerie de haute technologie .

Pour les projectiles propulsés par fusée , la balistique interne couvre la période pendant laquelle un moteur-fusée fournit une poussée. [2] [3]

Parties et équations

Hatcher divise la durée de la balistique intérieure en trois parties : [4]

  • Temps de verrouillage, le temps entre le relâchement de la gâchette et le moment où l'amorce est frappée
  • Temps d'allumage , le temps entre le moment où l'amorce est frappée et le moment où le projectile commence à se déplacer
  • Temps de canon, le temps entre le moment où le projectile commence à se déplacer jusqu'à ce qu'il sorte du canon.
Schéma des phases balistiques internes

De nombreux processus sont significatifs. La source d'énergie est le propulseur en combustion. Il génère des gaz chauds qui augmentent la pression de la chambre. Cette pression pousse sur la base du projectile et provoque l'accélération du projectile. La pression de la chambre dépend de nombreux facteurs. La quantité de propulseur qui a brûlé, la température des gaz et le volume de la chambre. Le taux de combustion du propulseur dépend non seulement de la composition chimique, mais également de la forme des grains de propulseur. La température dépend non seulement de l'énergie libérée, mais aussi de la chaleur perdue sur les côtés du canon et de la chambre. Le volume de la chambre change continuellement : à mesure que le propulseur brûle, il y a plus de volume à occuper pour le gaz. Au fur et à mesure que le projectile descend dans le canon, le volume derrière le projectile augmente également. Il y a encore d'autres effets. Une certaine énergie est perdue en déformant le projectile et en le faisant tourner. Il existe également des pertes par frottement entre le projectile et le canon. Le projectile, au fur et à mesure qu'il se déplace dans le canon, comprime l'air devant lui, ce qui ajoute de la résistance à son mouvement vers l'avant.[1]

Des modèles ont été développés pour ces processus. [5] Ces processus affectent la conception du pistolet. La culasse et le canon doivent résister sans dommage aux gaz à haute pression. Bien que la pression monte initialement à une valeur élevée, la pression commence à chuter lorsque le projectile a parcouru une certaine distance dans le canon. Par conséquent, l'extrémité de bouche du canon n'a pas besoin d'être aussi solide que l'extrémité de chambre. [6]

Il existe cinq équations générales utilisées en balistique intérieure : [7]

  1. L'équation d'état du propulseur
  2. L'équation de l'énergie
  3. L'équation du mouvement
  4. L'équation du taux de combustion
  5. L'équation de la fonction de forme

Historique

Avant le milieu des années 1800, avant le développement de l'électronique et des mathématiques nécessaires (voir Euler ) et de la science des matériaux pour bien comprendre la conception des récipients sous pression , la balistique interne ne disposait pas de beaucoup d'informations objectives détaillées. Les barils et les actions seraient simplement construits suffisamment solides pour survivre à une surcharge connue ( test de preuve ), et le changement de vitesse initiale pourrait être supposé à partir de la distance parcourue par le projectile. [8]

Dans les années 1800, les barils d'essai ont commencé à être instrumentés. [9] Des trous ont été percés dans le canon, équipés de pistons en acier standardisés, agissant pour déformer une petite pastille cylindrique en cuivre standardisée qui est écrasée lorsque l'arme à feu est déchargée. La réduction de la longueur du cylindre de cuivre est utilisée comme indication de la pression maximale. Les normes de l'industrie définissent les «unités de pression en cuivre» ou «CUP» pour les armes à feu à haute pression. Des normes similaires ont été appliquées aux armes à feu avec des pressions de pointe plus faibles, généralement des armes de poing courantes, avec des plombs de cylindre d'essai constitués de cylindres en plomb plus facilement déformés, d'où les «unités de plomb de pression» ou «LUP». La mesure n'indiquait que la pression maximale atteinte à ce point du canon. [dix]Dans les années 1960, les jauges de contrainte piézoélectriques étaient également couramment utilisées. Ils permettent de mesurer des pressions instantanées et n'ont pas besoin d'un orifice de pression percé dans le canon. Plus récemment, en utilisant une télémétrie avancée et des capteurs durcis à l'accélération, des projectiles instrumentés ont été développés par le Laboratoire de recherche de l'armée qui pouvaient mesurer la pression à la base du projectile et son accélération. [11]

Méthodes d'amorçage

Au fil des ans, plusieurs méthodes d'allumage du propulseur ont été développées. À l'origine, un petit trou (un trou tactile ) était percé dans la culasse afin qu'un propulseur fin ( poudre noire , le même propulseur utilisé dans le pistolet) puisse être versé, et une flamme ou une étincelle externe était appliquée (voir allumette et silex ). Plus tard, les amorces à percussion et les cartouches autonomes avaient des amorces qui explosaient après déformation mécanique, enflammant le propulseur. Une autre méthode consiste à utiliser un courant électrique pour allumer le propulseur.

Propulseurs

Poudre noire

La poudre à canon ( poudre noire ) est un mélange pyrotechnique mécanique finement broyé, pressé et granulé de soufre , de charbon de bois et de nitrate de potassium ou de nitrate de sodium . Il peut être produit dans une gamme de granulométries. La taille et la forme des grains peuvent augmenter ou diminuer la surface relative et modifier considérablement la vitesse de combustion. La vitesse de combustion de la poudre noire est relativement insensible à la pression, ce qui signifie qu'elle brûlera rapidement et de manière prévisible même sans confinement, [12] ce qui la rend également appropriée pour une utilisation comme explosif faible. Il a une vitesse de décomposition très lente, et donc une très faible brisance. Ce n'est pas, au sens strict du terme, un explosif, mais un "déflagrant", car il ne détone pas mais se décompose par déflagration en raison de son mécanisme subsonique de propagation du front de flamme.

Nitrocellulose (propulseurs à base unique)

La nitrocellulose ou "guncotton" est formée par l'action de l'acide nitrique sur les fibres de cellulose . C'est un matériau fibreux hautement combustible qui déflagre rapidement lorsque la chaleur est appliquée. Il brûle également très proprement, brûlant presque entièrement en composants gazeux à des températures élevées avec peu de fumée ou de résidus solides. La nitrocellulose gélatinisée est un plastique qui peut être façonné en cylindres, tubes, boules ou flocons connus sous le nom de propulseurs à base unique . La taille et la forme des grains de propulseur peuvent augmenter ou diminuer la surface relative, et modifier considérablement le taux de combustion. Des additifs et des revêtements peuvent être ajoutés au propulseur pour modifier davantage le taux de combustion. Normalement, les poudres très rapides sont utilisées pour les pistolets et les fusils de chasse à balles légères ou à faible vitesse , les poudres à débit moyen pour les pistolets magnum et les cartouches de carabine légères , et les poudres lentes pour les cartouches de carabine lourdes à gros calibre. [13]

double

La nitroglycérine peut être ajoutée à la nitrocellulose pour former des "propulseurs à double base". La nitrocellulose désensibilise la nitroglycérine pour empêcher la détonation dans les grains de la taille d'un propulseur (voir dynamite ), et la nitroglycérine gélatinise la nitrocellulose et augmente l'énergie. Les poudres à double base brûlent plus rapidement que les poudres à base unique de même forme, mais pas aussi proprement, et la vitesse de combustion augmente avec la teneur en nitroglycérine.

En artillerie , Ballistite ou Corditea été utilisé sous forme de tiges, de tubes, de tubes fendus, de cylindres perforés ou multitubulaires ; la géométrie étant choisie pour fournir les caractéristiques de combustion requises. (Les boules rondes ou les tiges, par exemple, sont à "combustion dégressive" car leur production de gaz diminue avec leur surface à mesure que les billes ou les tiges brûlent plus petites; les flocons minces sont à "combustion neutre", car ils brûlent sur leurs surfaces planes jusqu'à ce que Les cylindres perforés longitudinalement ou multi-perforés utilisés dans les gros fusils ou canons à canon long sont à "combustion progressive" ; la surface de combustion augmente à mesure que le diamètre intérieur des trous s'agrandit, ce qui donne une combustion soutenue et une longue durée de vie. , poussée continue sur le projectile pour produire une vitesse plus élevée sans augmenter indûment la pression de pointe.[1]

Propulseurs solides (munitions sans étui)

Un sujet de recherche récent a été dans le domaine des " munitions sans étui ". Dans une cartouche sans étui, le propulseur est coulé sous la forme d'un seul grain solide, avec le composé d'amorçage placé dans un creux à la base et la balle attachée à l'avant. Étant donné que le grain unique du propulseur est si gros (la plupart des poudres sans fumée ont des tailles de grain d'environ 1 mm, mais un grain sans boîtier aura peut-être 7 mm de diamètre et 15 mm de long), le taux de combustion relatif doit être beaucoup plus élevé. Pour atteindre ce taux de combustion, les propulseurs sans étui utilisent souvent des explosifs modérés, tels que le RDX. Les principaux avantages d'une cartouche sans étui réussie seraient l'élimination de la nécessité d'extraire et d'éjecter l'étui de la cartouche usée, permettant des cadences de tir plus élevées et un mécanisme plus simple, ainsi qu'une réduction du poids des munitions en éliminant le poids (et le coût) du laiton ou boîtier en acier. [14]

Bien qu'il existe au moins un fusil militaire expérimental (le H&K G11 ) et un fusil commercial (le Voere VEC-91 ) qui utilisent des cartouches sans étui, ils ont rencontré peu de succès. Un autre fusil commercial était le fusil Daisy VL fabriqué par la Daisy Air Rifle Co. et chambré pour des munitions sans étui de calibre .22 qui étaient enflammées par un souffle chaud d'air comprimé provenant du levier utilisé pour comprimer un ressort fort comme pour un fusil à air comprimé. Les munitions sans étui ne sont bien sûr pas rechargeables, car il ne reste plus de douille après le tir de la balle, et le propulseur exposé rend les cartouches moins durables. De plus, le boîtier d'une cartouche standard sert de joint, empêchant le gaz de s'échapper de la culasse. Les armes sans boîtier doivent utiliser une culasse auto-obturante plus complexe, ce qui augmente la complexité de conception et de fabrication. Un autre problème désagréable, commun à toutes les armes à tir rapide mais particulièrement problématique pour celles qui tirent des cartouches sans douille, est le problème des cartouches qui « cuisent » . Ce problème est causé par la chaleur résiduelle de la chambre chauffant la cartouche dans la chambre au point où elle s'enflamme, provoquant une décharge involontaire.

Pour minimiser le risque de cuisson des cartouches, les mitrailleuses peuvent être conçues pour tirer à partir d'un boulon ouvert, la cartouche n'étant pas chambrée tant que la gâchette n'est pas enfoncée, et il n'y a donc aucune chance que la cartouche cuise avant que l'opérateur ne soit prêt. De telles armes pourraient utiliser efficacement des munitions sans étui. Les conceptions à boulon ouvert ne sont généralement pas souhaitables pour autre chose que les mitrailleuses; la masse du boulon qui avance fait basculer le pistolet en réaction, ce qui réduit considérablement la précision du pistolet, ce qui n'est généralement pas un problème pour les tirs de mitrailleuses.

Charge propulsive

Densité de charge et cohérence

La densité de charge est le pourcentage de l'espace dans le boîtier de la cartouche qui est rempli de poudre. En général, les charges proches de la densité de 100% (ou même les charges où le placement de la balle dans le boîtier comprime la poudre) s'enflamment et brûlent de manière plus cohérente que les charges de densité inférieure. Dans les cartouches survivantes de l'ère de la poudre noire (par exemple .45 Colt , .45-70 Government), le boîtier est beaucoup plus grand que nécessaire pour contenir la charge maximale de poudre sans fumée haute densité. Cet espace supplémentaire permet à la poudre de se déplacer dans le boîtier, de s'accumuler près de l'avant ou de l'arrière du boîtier et de provoquer potentiellement des variations importantes de la vitesse de combustion, car la poudre près de l'arrière du boîtier s'enflammera rapidement mais la poudre près de l'avant du boîtier s'enflammera plus tard. Ce changement a moins d'impact avec les poudres rapides. Ces cartouches haute capacité et basse densité offrent généralement la meilleure précision avec la poudre appropriée la plus rapide, bien que cela maintienne l'énergie totale faible en raison du pic de haute pression.

Les cartouches de pistolet Magnum inversent ce compromis puissance/précision en utilisant des poudres à faible densité et à combustion plus lente qui donnent une densité de charge élevée et une large courbe de pression. L'inconvénient est l'augmentation du recul et du souffle de la bouche dus à la masse de poudre élevée et à la pression initiale élevée.

La plupart des cartouches de fusil ont une densité de charge élevée avec les poudres appropriées. Les cartouches de fusil ont tendance à être goulot d'étranglement, avec une base large se rétrécissant à un diamètre plus petit, pour contenir une balle légère et à grande vitesse. Ces étuis sont conçus pour contenir une charge importante de poudre à faible densité, pour une courbe de pression encore plus large qu'une cartouche de pistolet magnum. Ces étuis nécessitent l'utilisation d'un long canon de fusil pour extraire leur pleine efficacité, bien qu'ils soient également chambrés dans des pistolets de type fusil (à un coup ou à verrou) avec des canons de 10 à 15 pouces (25 à 38 cm).

Un phénomène inhabituel se produit lorsque des poudres denses et à faible volume sont utilisées dans des étuis de fusil de grande capacité. De petites charges de poudre, à moins qu'elles ne soient maintenues fermement près de l'arrière du boîtier par de la ouate , peuvent apparemment exploser lorsqu'elles sont enflammées, provoquant parfois une défaillance catastrophique de l'arme à feu. Le mécanisme de ce phénomène n'est pas bien connu, et généralement il n'est rencontré que lors du chargement de cartouches subsoniques à faible recul ou à faible vitesse pour les fusils. Ces cartouches ont généralement des vitesses inférieures à 1100 pieds/s (320 m/s) et sont utilisées pour le tir en intérieur, en conjonction avec un suppresseur ou pour la lutte antiparasitaire , où la puissance et le souffle de la bouche d'une cartouche à pleine puissance ne sont pas nécessaires. ou souhaité.

Chambre

vs goulot

Les étuis à parois droites étaient la norme depuis les débuts des bras de cartouche. Avec la faible vitesse de combustion de la poudre noire, la meilleure efficacité a été obtenue avec de grosses balles lourdes, de sorte que la balle avait le plus grand diamètre pratique . Le grand diamètre permettait une balle courte et stable avec un poids élevé et le volume d'alésage pratique maximal pour extraire le plus d'énergie possible dans un canon de longueur donnée. Il y avait quelques cartouches qui avaient des cônes longs et peu profonds, mais il s'agissait généralement d'une tentative d'utiliser une cartouche existante pour tirer une balle plus petite avec une vitesse plus élevée et un recul plus faible. Avec l'avènement des poudres sans fumée, il était possible de générer des vitesses beaucoup plus élevées en utilisant une poudre lente sans fumée dans un boîtier de grand volume, en poussant une petite balle légère. L'étrange Lebel 8 mm très effilé , fabriqué en resserrant une ancienne cartouche de poudre noire de 11 mm, a été introduit en 1886, et il a été bientôt suivi par les cartouches militaires Mauser 7,92 × 57 mm et Mauser 7 × 57 mm , et le commercial . 30-30 Winchester , qui étaient tous de nouveaux modèles conçus pour utiliser de la poudre sans fumée. Tous ceux-ci ont une épaule distincte qui ressemble étroitement aux cartouches modernes, et à l'exception du Lebel, ils sont toujours chambrés dans des armes à feu modernes, même si les cartouches ont plus d'un siècle.

Format d'image et cohérence

Lors de la sélection d'une cartouche de fusil pour une précision maximale, une cartouche courte et grasse avec très peu de cône de boîtier peut donner une efficacité plus élevée et une vitesse plus constante qu'une cartouche longue et fine avec beaucoup de cône de boîtier (une partie de la raison d'une conception à goulot d'étranglement ). [15] Compte tenu des tendances actuelles vers des boîtiers plus courts et plus gros, tels que les nouvelles cartouches Winchester Super Short Magnum , il semble que l'idéal pourrait être un boîtier s'approchant de l'intérieur sphérique. [16] Cible et vermineles cartouches de chasse exigent la plus grande précision, de sorte que leurs étuis ont tendance à être courts, gros et presque non effilés avec des épaules pointues sur l'étui. Les étuis courts et épais permettent également aux armes à action courte d'être plus légères et plus solides pour le même niveau de performance. Le compromis pour cette performance est les grosses cartouches qui prennent plus de place dans un chargeur , des épaules pointues qui ne sortent pas aussi facilement d'un chargeur et une extraction moins fiable de la cartouche usée. Pour ces raisons, lorsqu'une alimentation fiable est plus importante que la précision, comme avec les fusils militaires, les étuis plus longs avec des angles d'épaule moins profonds sont privilégiés. Cependant, il y a eu une tendance à long terme, même parmi les armes militaires, vers des étuis plus courts et plus gros. Le boîtier OTAN actuel de 7,62 × 51 mm remplaçant le plus long.30-06 Springfield en est un bon exemple, tout comme la nouvelle cartouche 6.5 Grendel conçue pour augmenter les performances de la famille de fusils et de carabines AR-15 . Néanmoins, la précision et la létalité de la cartouche sont bien plus importantes que la longueur et le diamètre du boîtier, et le 7,62 × 51 mm OTAN a une capacité de boîtier inférieure à celle du .30-06 Springfield , [17] réduisant la quantité de propulseur qui peut être utilisé, réduisant directement la combinaison de poids de balle et de vitesse initiale qui contribue à la létalité (comme détaillé dans les spécifications de cartouche publiées liées ici à des fins de comparaison). Le Grendel 6.5, d'autre part, est capable de tirer une balle beaucoup plus lourde (voir lien) que la 5,56 OTAN de la famille d'armes AR-15, avec seulement une légère diminution de la vitesse initiale, offrant peut-être un compromis de performance plus avantageux.

Frottement et inertie

allumage

Étant donné que la vitesse de combustion de la poudre sans fumée varie directement avec la pression, l'accumulation de pression initiale (c'est-à-dire "la pression de démarrage") a un effet significatif sur la vitesse finale , en particulier dans les grandes cartouches avec des poudres très rapides et un poids relativement léger. projectiles. [18] Dans les armes à feu de petit calibre, la friction qui maintient la balle dans le boîtier détermine combien de temps après l'allumage la balle se déplace, et puisque le mouvement de la balle augmente le volume et fait chuter la pression, une différence de friction peut modifier la pente de la courbe de pression. En général, un ajustement serré est souhaité, dans la mesure du sertissagela balle dans l'étui. Dans les boîtiers sans monture à paroi droite, tels que le .45 ACP, un sertissage agressif n'est pas possible, car le boîtier est maintenu dans la chambre par l'embouchure du boîtier, mais dimensionne le boîtier pour permettre un ajustement serré avec la balle, peut donner le résultat souhaité. Dans les armes à feu de plus gros calibre, la pression de démarrage du tir est souvent déterminée par la force nécessaire pour graver initialement la bande d'entraînement du projectile dans le début des rayures du canon ; les pistolets à âme lisse , qui n'ont pas de rayures, atteignent la pression de démarrage du tir en entraînant initialement le projectile dans un «cône de forçage» qui offre une résistance lorsqu'il comprime l' anneau d' obturation du projectile.

cinétique

La balle doit bien s'adapter à l'alésage pour sceller la haute pression de la poudre à canon brûlante. Cet ajustement serré entraîne une grande force de frottement. Le frottement de la balle dans l'alésage a un léger impact sur la vitesse finale, mais ce n'est généralement pas très préoccupant. La chaleur générée par le frottement est plus préoccupante. À des vitesses d'environ 300 m/s (980 pieds/s), le plomb commence à fondre et à se déposer dans l' alésage . Cette accumulation de plomb resserre l'alésage, augmente la pression et diminue la précision des tours suivants, et est difficile à nettoyer sans endommager l'alésage. Les cartouches, utilisées à des vitesses allant jusqu'à 460 m/s (1 500 pieds/s), peuvent utiliser des lubrifiants à base de cire sur la balle pour réduire l'accumulation de plomb. À des vitesses supérieures à 460 m/s (1 500 pieds/s), presque toutes les balles sont gainées de cuivre ou d'un alliage similaire suffisamment souple pour ne pas s'user sur le canon, mais fondant à une température suffisamment élevée pour réduire l'accumulation dans l'alésage. L'accumulation de cuivre commence à se produire dans les cartouches qui dépassent 760 m / s (2500 pieds / s), et une solution courante consiste à imprégner la surface de la balle avec un lubrifiant au bisulfure de molybdène . Cela réduit l'accumulation de cuivre dans l'alésage et se traduit par une meilleure précision à long terme. Les projectiles de gros calibre utilisent également des bandes d'entraînement en cuivre pour les canons rayés pour les projectiles stabilisés en rotation; cependant, des projectiles stabilisés par ailettes tirés à la fois à partir de canons de fusil et à canon lisse, tels que l' APFSDSprojectiles anti-blindage, utilisent des anneaux d'obturation en nylon qui sont suffisants pour sceller les gaz propulseurs à haute pression et également minimiser le frottement dans l'alésage, fournissant une petite augmentation de la vitesse initiale.

Le rôle de l'inertie

Dans les premiers centimètres de parcours dans l'alésage, la balle atteint un pourcentage important de sa vitesse finale, même pour les fusils de grande capacité, avec une poudre à combustion lente. L' accélération est de l'ordre de dizaines de milliers de gravités , donc même un projectile aussi léger que 40 grains (2,6 g) peut fournir plus de 1 000 newtons (220  lbf ) de résistance en raison de l' inertie . Les changements de masse des balles ont donc un impact énorme sur les courbes de pression des cartouches de poudre sans fumée, contrairement aux cartouches de poudre noire. Le chargement ou le rechargement de cartouches sans fumée nécessite donc un équipement de haute précision et des tableaux de données de charge soigneusement mesurés pour des cartouches, des poudres et des poids de balle donnés.

Relations pression-vitesse

Ceci est un graphique d'une simulation de la cartouche OTAN de 5,56 mm , tirée à partir d'un canon de 20 pouces (510 mm). L' axe horizontal représente le temps, l'axe vertical représente la pression (ligne verte), le déplacement de la balle (ligne rouge) et la vitesse de la balle (ligne bleu clair). Les valeurs affichées en haut sont des valeurs maximales

L'énergie est transmise à la balle dans une arme à feu par la pression des gaz produits par la combustion du propulseur. Alors que des pressions plus élevées produisent des vitesses plus élevées, la durée de la pression est également importante. La pression maximale peut ne représenter qu'une petite fraction du temps d'accélération de la balle. Toute la durée du parcours de la balle dans le canon doit être prise en compte.

Pic vs zone

Ce graphique montre différentes courbes de pression pour des poudres avec différents taux de combustion. Le graphique le plus à gauche est le même que le grand graphique ci-dessus. Le graphique du milieu montre une poudre avec une vitesse de combustion 25 % plus rapide, et le graphique le plus à droite montre une poudre avec une vitesse de combustion 20 % plus lente.

L'énergie est définie comme la capacité à travailler sur un objet ; par exemple, le travail nécessaire pour soulever un poids d'une livre, un pied contre l'attraction de la gravité définit un pied-livre d'énergie (un joule est égal à l'énergie nécessaire pour déplacer un corps sur une distance d'un mètre en utilisant un newtonde force). Si nous devions modifier le graphique pour refléter la force (la pression exercée sur la base de la balle multipliée par l'aire de la base de la balle) en fonction de la distance, l'aire sous cette courbe serait l'énergie totale transmise au balle. L'augmentation de l'énergie de la balle nécessite d'augmenter la zone sous cette courbe, soit en augmentant la pression moyenne, soit en augmentant la distance parcourue par la balle sous pression. La pression est limitée par la force de l'arme à feu et la durée est limitée par la longueur du canon.

Conception du propulseur

Les propulseurs sont soigneusement adaptés à la force de l'arme à feu, au volume de la chambre et à la longueur du canon, ainsi qu'au matériau, au poids et aux dimensions de la balle. [19] Le taux de génération de gaz est proportionnel à la surface des grains de propulseur en combustion conformément à la loi de Piobert . La progression de la combustion de la surface vers les grains est attribuée au transfert de chaleur depuis la surface de l'énergie nécessaire pour initier la réaction. [20] Les réactions propulsives sans fumée se produisent dans une série de zones ou de phases au fur et à mesure que la réaction progresse de la surface vers le solide. La partie la plus profonde du solide subissant un transfert de chaleur fond et commence la transition de phase du solide au gaz dans une zone de mousse. Le propulseur gazeux se décompose en molécules plus simples dans une zone pétillante environnante . Les transformations endothermiques dans la zone de mousse et la zone pétillante nécessitent de l'énergie initialement fournie par l'amorce et ensuite libérée dans une zone de flamme extérieure lumineuse où les molécules de gaz plus simples réagissent pour former des produits de combustion conventionnels comme la vapeur et le monoxyde de carbone . [21]

Le taux de transfert de chaleur des propulseurs sans fumée augmente avec la pression; ainsi, le taux de génération de gaz à partir d'une surface de grain donnée augmente à des pressions plus élevées. [20] L'accélération de la génération de gaz à partir de propulseurs à combustion rapide peut rapidement créer un pic de pression destructeur avant que le mouvement de la balle n'augmente le volume de réaction. À l'inverse, les propulseurs conçus pour une pression de transfert de chaleur minimale peuvent cesser de se décomposer en réactifs gazeux si le mouvement de la balle diminue la pression avant qu'un propulseur à combustion lente ait été consommé. Des grains de propulseur non brûlés peuvent rester dans le canon si la zone de flamme libérant de l'énergie ne peut pas être maintenue en l'absence résultante de réactifs gazeux des zones intérieures. [21]

Épuisement du propulseur

Un autre problème à prendre en compte, lors du choix d'un taux de combustion de poudre, est le temps que la poudre prend pour brûler complètement par rapport au temps que la balle passe dans le canon. En regardant attentivement le graphique de gauche, il y a un changement dans la courbe, à environ 0,8 ms. C'est le point auquel la poudre est complètement brûlée et aucun nouveau gaz n'est créé. Avec une poudre plus rapide, l'épuisement se produit plus tôt, et avec la poudre plus lente, il se produit plus tard. Le propulseur qui n'est pas brûlé lorsque la balle atteint la bouche est gaspillé - il n'ajoute aucune énergie à la balle, mais il ajoute au recul et à l'explosion de la bouche. Pour une puissance maximale, la poudre doit brûler jusqu'à ce que la balle soit juste avant le museau.

Étant donné que les poudres sans fumée brûlent et non explosent, la réaction ne peut avoir lieu qu'à la surface de la poudre. Les poudres sans fumée se présentent sous différentes formes, qui servent à déterminer la vitesse à laquelle elles brûlent, ainsi que la façon dont le taux de combustion change au fur et à mesure que la poudre brûle. La forme la plus simple est une poudre de boule, qui se présente sous la forme de sphères rondes ou légèrement aplaties. La poudre de balle a un rapport surface / volume relativement faible, de sorte qu'elle brûle relativement lentement et, à mesure qu'elle brûle, sa surface diminue. Cela signifie que lorsque la poudre brûle, la vitesse de combustion ralentit.

Dans une certaine mesure, cela peut être compensé par l'utilisation d'un revêtement retardateur sur la surface de la poudre, qui ralentit le taux de combustion initial et aplanit le taux de changement. Les poudres à billes sont généralement formulées sous forme de poudres de pistolet lentes ou de poudres de fusil rapides.

Les poudres de flocons se présentent sous la forme de flocons plats et ronds qui ont un rapport surface/volume relativement élevé. Les poudres en flocons ont un taux de combustion presque constant et sont généralement formulées sous forme de poudres rapides pour pistolets ou fusils de chasse . La dernière forme courante est une poudre extrudée, qui se présente sous la forme d'un cylindre, parfois creux. Les poudres extrudées ont généralement un rapport inférieur de nitroglycérine à la nitrocellulose et sont souvent à combustion progressive, c'est-à-dire qu'elles brûlent à un rythme plus rapide lorsqu'elles brûlent. Les poudres extrudées sont généralement des poudres de fusil moyennes à lentes.

Problèmes de pression à la bouche

D'après les graphiques de pression, on peut voir que la pression résiduelle dans le canon à la sortie de la balle est assez élevée, dans ce cas supérieure à 16 kpsi / 110 MPa / 1100 bar. Bien que l'allongement du canon ou la réduction de la quantité de gaz propulseur réduise cette pression, cela n'est souvent pas possible en raison de problèmes de taille d'arme à feu et d'énergie minimale requise. Les pistolets cibles à courte portée sont généralement chambrés pour .22 Long Rifle ou .22 Short, qui ont de très petites capacités de poudre et peu de pression résiduelle. Lorsque des énergies plus élevées sont nécessaires pour le tir à longue distance, la chasse ou l'utilisation antipersonnel, des pressions initiales élevées sont un mal nécessaire. Ces pressions initiales élevées s'accompagnent d'un flash et d'un bruit accrus du souffle de la bouche et, en raison des charges de poudre importantes utilisées, d'un recul plus élevé. Le recul comprend la réaction causée non seulement par la balle, mais aussi par la masse de poudre et la vitesse (les gaz résiduels faisant office d'échappement de fusée). Cependant, pour unefrein de bouche pour être efficace, il doit y avoir une pression de bouche importante.

Préoccupations générales

Diamètre d'alésage et

Une arme à feu, à bien des égards, est comme un moteur à piston sur la course motrice. Il y a une certaine quantité de gaz à haute pression disponible, et l'énergie en est extraite en faisant bouger le gaz d'un piston - dans ce cas, le projectile est le piston. Le volume balayé du piston détermine la quantité d'énergie pouvant être extraite du gaz donné. Plus le volume balayé par le piston est important, plus la pression d'échappement est faible (dans ce cas, la pression initiale). Toute pression restante à la bouche ou à la fin de la course motrice du moteur représente une perte d'énergie.

Pour extraire le maximum d'énergie, alors, le volume balayé est maximisé. Cela peut être fait de deux manières - en augmentant la longueur du canon ou en augmentant le diamètre du projectile. L'augmentation de la longueur du canon augmentera le volume balayé de manière linéaire, tandis que l'augmentation du diamètre augmentera le volume balayé comme le carré du diamètre. Étant donné que la longueur du canon est limitée par des préoccupations pratiques à environ la longueur du bras pour un fusil et beaucoup plus courte pour une arme de poing, l'augmentation du diamètre d'alésage est le moyen normal d'augmenter l'efficacité d'une cartouche. La limite du diamètre d'alésage est généralement la densité de section du projectile (voir balistique externe ). Les balles de plus grand diamètre du même poids ont beaucoup plus de traînée, et ainsi ils perdent de l'énergie plus rapidement après avoir quitté le baril. En général, la plupart des armes de poing utilisent des balles de calibre .355 (9 mm) et .45 (11,5 mm), tandis que la plupart des fusils vont généralement de calibre .223 (5,56 mm) à .32 (8 mm). Il existe de nombreuses exceptions, bien sûr, mais les balles dans les plages données offrent les meilleures performances à usage général. Les armes de poing utilisent les balles de plus grand diamètre pour une plus grande efficacité dans les canons courts et tolèrent la perte de vitesse à longue portée puisque les armes de poing sont rarement utilisées pour le tir à longue distance. Les armes de poing conçues pour le tir à longue distance sont généralement plus proches des carabines raccourcies que des autres armes de poing.

Rapport du propulseur à la masse du projectile

Un autre problème, lors du choix ou du développement d'une cartouche, est le problème du recul. Le recul n'est pas seulement la réaction du projectile lancé, mais aussi du gaz en poudre, qui sortira du canon avec une vitesse encore plus élevée que celle de la balle. Pour les cartouches d'armes de poing, avec des balles lourdes et des charges de poudre légères (un 9 × 19 mm , par exemple, peut utiliser 5 grains (320 mg) de poudre et une balle de 115 grains (7,5 g)), le recul de la poudre n'est pas une force significative ; pour une cartouche de fusil (une .22-250 Remington , utilisant 40 grains (2,6 g) de poudre et une balle de 40 grains (2,6 g)), la poudre peut représenter la majorité de la force de recul.

Il existe une solution au problème de recul, même si ce n'est pas sans coût. Un frein de bouche ou un compensateur de recul est un dispositif qui redirige le gaz en poudre vers la bouche, généralement vers le haut et vers l'arrière. Cela agit comme une fusée, poussant le museau vers le bas et vers l'avant. La poussée vers l'avant aide à annuler la sensation de recul du projectile en tirant l'arme à feu vers l'avant. La poussée vers le bas, d'autre part, aide à contrecarrer la rotation conférée par le fait que la plupart des armes à feu ont le canon monté au-dessus du centre de gravité . Les fusils de combat ouverts, les fusils de grande puissance à gros calibre, les armes de poing à longue portée chambrées pour les munitions de fusil et les armes de poing à tir d'action conçues pour un tir rapide et précis, bénéficient tous de freins de bouche.

Les armes à feu de grande puissance utilisent le frein de bouche principalement pour réduire le recul, ce qui réduit les coups du tireur par le recul sévère. Les armes de poing à tir d'action redirigent toute l'énergie vers le haut pour contrer la rotation du recul et accélèrent les tirs suivants en laissant l'arme sur la cible. L'inconvénient du frein de bouche est un canon plus long et plus lourd et une forte augmentation des niveaux sonores et du flash derrière la bouche du fusil. Tirer avec des armes à feu sans frein de bouche et sans protection auditive peut éventuellement endommager l'ouïe de l'opérateur ; cependant, tirer avec des carabines à frein de bouche - avec ou sans protection auditive - provoque des dommages permanents aux oreilles. [22] (Voir frein de bouche pour en savoir plus sur les inconvénients des freins de bouche.)

Le rapport poids poudre / projectile touche également au sujet de l'efficacité. Dans le cas du .22-250 Remington, il faut plus d'énergie pour propulser le gaz en poudre que pour propulser la balle. Le .22-250 paie pour cela en nécessitant un gros boîtier, avec beaucoup de poudre, le tout pour un gain de vitesse et d'énergie assez faible par rapport aux autres cartouches de calibre .22.

Précision et caractéristiques d'alésage

Presque toutes les armes à feu de petit calibre, à l'exception des fusils de chasse, ont des canons rayés. Les rayures confèrent une rotation à la balle, ce qui l'empêche de tomber en vol. Les rayures se présentent généralement sous la forme de rainures à arêtes vives découpées en hélices le long de l'axe de l'alésage, au nombre de 2 à 16. Les zones entre les rainures sont appelées méplats.

Un autre système, les rayures polygonales , donne à l'alésage une section transversale polygonale. Les rayures polygonales ne sont pas très courantes, utilisées par seulement quelques fabricants européens ainsi que par le fabricant d'armes américain Kahr Arms. Les entreprises qui utilisent des rayures polygonales revendiquent une plus grande précision, une friction plus faible et moins d'accumulation de plomb et / ou de cuivre dans le canon. Cependant, les rayures traditionnelles à terre et à rainures sont utilisées dans la plupart des armes à feu de compétition, de sorte que les avantages des rayures polygonales ne sont pas prouvés.

Il existe trois façons courantes de rayer un canon et une technologie émergente :

  • La plus élémentaire consiste à utiliser une fraise à pointe unique, tirée dans l'alésage par une machine qui contrôle soigneusement la rotation de la tête de coupe par rapport au canon. C'est le processus le plus lent, mais comme il nécessite l'équipement le plus simple, il est souvent utilisé par les armuriers personnalisés et peut donner des canons extrêmement précis.
  • La méthode suivante est le rayage des boutons. Cette méthode utilise une matrice avec une image négative de la coupe rayée dessus. Cette matrice est tirée vers le bas du canon tout en la faisant tourner avec précaution, et elle emboutit l'intérieur du canon. Cela "coupe" toutes les rainures à la fois (cela ne coupe pas vraiment le métal), et est donc plus rapide que les rayures coupées. Les détracteurs affirment que le processus laisse une contrainte résiduelle considérable dans le canon, mais des records du monde ont été établis avec des canons rayés à boutons, donc encore une fois, il n'y a pas d'inconvénient évident.
  • La dernière méthode couramment utilisée est le forgeage au marteau . Dans ce processus , un canon alésé légèrement surdimensionné est placé autour d'un mandrin qui contient une image négative de toute la longueur du canon rayé. Le canon et le mandrin sont tournés et martelés par des marteaux électriques, qui forment l'intérieur du canon d'un seul coup. C'est la méthode la plus rapide (et à long terme, la moins chère) pour fabriquer un canon, mais l'équipement est d'un coût prohibitif pour tous sauf les plus grands fabricants d'armes à feu. Les canons forgés au marteau sont strictement produits en série, ils ne sont donc généralement pas capables d'une précision optimale telle qu'elle est produite, mais avec un travail manuel minutieux, ils peuvent être faits pour tirer bien mieux que la plupart des tireurs ne sont capables de le faire.
  • Une nouvelle technique appliquée à la fabrication de barillets est l'usinage électrique, sous la forme d' usinage par décharge électrique (EDM) ou d'usinage électrochimique (ECM). Ces processus utilisent l'électricité pour éroder le matériau, un processus qui produit un diamètre très constant et une finition très lisse, avec moins de stress que les autres méthodes de rayure. L'EDM est très coûteux et principalement utilisé dans les canons à canon long de gros calibre, où les méthodes traditionnelles sont très difficiles, [23] tandis que l'ECM est utilisé par certains fabricants de tonneaux plus petits. [24]

Le but du canon est de fournir une étanchéité constante , permettant à la balle d'accélérer à une vitesse constante. Il doit également donner la bonne rotation et libérer la balle de manière cohérente, parfaitement concentrique à l'alésage. La pression résiduelle dans l'alésage doit être relâchée symétriquement , de sorte qu'aucun côté de la balle ne reçoive plus ou moins de poussée que le reste. La bouche du canon est la partie la plus critique, car c'est la partie qui contrôle la libération de la balle. Certaines percussions annulaires et armes à air comprimé ont en fait une légère constriction , appelée étranglement , dans le canon au niveau de la bouche. Cela garantit que la balle est maintenue en toute sécurité juste avant la libération.

Pour garder une bonne étanchéité, l'alésage doit être d'un diamètre très précis et constant, ou avoir une légère diminution de diamètre de la culasse au museau. Toute augmentation du diamètre d'alésage permettra à la balle de se déplacer. Cela peut provoquer une fuite de gaz au-delà de la balle, affectant la vitesse, ou faire basculer la balle, de sorte qu'elle n'est plus parfaitement coaxiale avec l'alésage. Les canons de haute qualité sont rodés pour éliminer toute constriction dans l'alésage qui entraînera un changement de diamètre.

Un processus de rodage connu sous le nom de " rodage au feu " utilise une " limace " en plomb légèrement plus grande que l'alésage et recouverte d' un composé abrasif fin pour couper les constrictions. La limace est passée de la culasse au museau, de sorte que lorsqu'elle rencontre des constrictions, elle les coupe et ne coupe pas sur des zones plus grandes que la constriction. De nombreuses passes sont effectuées et, à mesure que l'alésage devient plus uniforme, des qualités plus fines de composé abrasif sont utilisées. Le résultat final est un canon lisse comme un miroir et avec un alésage constant ou légèrement effilé. La technique de rodage à la main utilise une tige en bois ou en métal doux pour tirer ou pousser la balle à travers l'alésage, tandis que la nouvelle technique de rodage au feu utilise des cartouches de faible puissance spécialement chargées pour pousser des balles en plomb souple recouvertes d'abrasif dans le canon.

Un autre problème qui a un effet sur la prise du canon sur la balle est le rayage. Lorsque la balle est tirée, elle est forcée dans les rayures, qui coupent ou " gravent " la surface de la balle. Si les rayures sont une torsion constante, alors les rayures se déplacent dans les rainures gravées dans la balle, et tout est sécurisé et scellé. Si les rayures ont une torsion décroissante, alors le changement d'angle des rayures dans les rainures gravées de la balle fait que les rayures deviennent plus étroites que les rainures. Cela permet au gaz de souffler et desserre l'emprise de la balle sur le canon. Une torsion croissante, cependant, rendra les rayures plus larges que les rainures de la balle, maintenant l'étanchéité. Quand une ébauche de canon rayéest sélectionné pour une arme à feu, une mesure minutieuse des variations inévitables de fabrication peut déterminer si la torsion rayée varie et placer l'extrémité à torsion la plus élevée au museau.

La bouche du canon est la dernière chose à toucher la balle avant qu'elle ne se mette en vol balistique et, en tant que telle, a le plus grand potentiel de perturber le vol de la balle. La bouche doit permettre au gaz de s'échapper du canon de manière symétrique ; toute asymétrie entraînera une pression inégale sur la base de la balle, ce qui perturbera son vol. L'extrémité de la bouche du canon s'appelle la «couronne», et elle est généralement soit biseautée , soit encastrée pour la protéger des chocs ou des rayures qui pourraient affecter la précision. Un signe d'une bonne couronne sera un motif symétrique en forme d'étoile sur l'extrémité de la bouche du canon, formé par la suie déposée, lorsque les gaz de poudre s'échappent du canon. Si l'étoile est inégale, c'est le signe d'une couronne inégale et d'un barillet inexact.

Avant que le canon puisse libérer la balle de manière cohérente, il doit saisir la balle de manière cohérente. La partie du canon entre l'endroit où la balle sort de la cartouche et engage les rayures est appelée la "gorge", et la longueur de la gorge est l' alésage libre . Dans certaines armes à feu, l'alésage libre est pratiquement inexistant - le fait de chambrer la cartouche force la balle dans les rayures. Ceci est courant dans les fusils cibles à percussion annulaire de faible puissance. Le placement de la balle dans les rayures garantit que la transition entre la cartouche et les rayures est rapide et stable. L'inconvénient est que la cartouche est fermement maintenue en place, et tenter d'extraire la balle non tirée peut être difficile, au point même de retirer la balle de la cartouche dans les cas extrêmes.

Avec les cartouches haute puissance, il y a un inconvénient supplémentaire à un alésage libre court. Une force importante est nécessaire pour graver la balle, et cette résistance supplémentaire peut augmenter considérablement la pression dans la chambre. Pour atténuer cet effet, les fusils plus puissants ont tendance à avoir plus d'alésage libre, de sorte que la balle peut prendre de l'élan et que la pression de la chambre peut baisser légèrement, avant que la balle n'engage les rayures. L'inconvénient est que la balle frappe les rayures lorsqu'elle se déplace déjà, et tout léger désalignement peut faire basculer la balle lorsqu'elle engage les rayures. Cela signifiera à son tour que la balle ne sort pas du canon de manière coaxiale. La quantité d'alésage libre est fonction à la fois du canon et de la cartouche. Le fabricant ou l'armurier qui coupe la chambre déterminera l'espace entre l'embouchure du boîtier de la cartouche et les rayures. Le fait de placer la balle plus en avant ou en arrière dans la cartouche peut diminuer ou augmenter la quantité d'alésage libre, mais seulement dans une petite plage. Des tests minutieux par le chargeur de munitions peuvent optimiser la quantité d'alésage libre pour maximiser la précision, tout en maintenant la pression de pointe dans les limites.

Problèmes spécifiques au revolver

La caractéristique déterminante d'un revolver est le cylindre rotatif, séparé du canon, qui contient les chambres. Les revolvers ont généralement 5 à 10 chambres, et le premier problème est d'assurer la cohérence entre les chambres, car si elles ne sont pas cohérentes, le point d'impact variera d'une chambre à l'autre. Les chambres doivent également s'aligner de manière cohérente avec le canon, de sorte que la balle pénètre dans le canon de la même manière depuis chaque chambre.

La gorge d'un revolver fait partie du cylindre et, comme toute autre chambre, la gorge doit être dimensionnée de manière à être concentrique à la chambre et très légèrement au-dessus du diamètre de la balle. Au bout de la gorge, cependant, les choses changent. Premièrement, la gorge d'un revolver est au moins aussi longue que la longueur totale maximale de la cartouche, sinon le barillet ne peut pas tourner. L'étape suivante est l'écartement du cylindre, l'espace entre le cylindre et le canon. Celui-ci doit être suffisamment large pour permettre une rotation libre du cylindre même lorsqu'il est encrassé par des résidus de poudre, mais pas si grand qu'un excès de gaz est libéré. La prochaine étape est le cône de forçage. Le cône de forçage est l'endroit où la balle est guidée du cylindre dans l'alésage du canon. Il doit être concentrique avec l'alésage, et suffisamment profond pour forcer la balle dans l'alésage sans déformation significative. Contrairement aux fusils, où la partie filetée du canon se trouve dans la chambre, les filetages des canons de revolver entourent l'extrémité de culasse de l'alésage, et il est possible que l'alésage soit comprimé lorsque le canon est vissé dans le cadre. La coupe d'un cône de forçage plus long peut soulager ce point "d'étranglement", tout comme le rodage du canon après son montage sur le châssis.

Voir aussi

Références

  1. ^ a bc Army (février 1965), Balistique intérieure des armes à feu (PDF) , Manuel de conception technique: Série balistique, Commandement du matériel de l'armée des États-Unis, p. 1-2, AMCP 706-150, archivé de l'original (PDF) le 8 janvier 2016
  2. ^ "Définition de BALISTIQUE" .
  3. ^ Éléments d'ingénierie de l'armement, deuxième partie, balistique, AMCP 706-107, 1963
  4. ^ Hatcher, Julian S. (1962), Hatcher's Notebook (troisième éd.), Harrisburg, PA: Stackpole Company, p. 396, ISBN 978-0-8117-0795-4
  5. ^ OTAN (22 mai 2000), Modèle balistique intérieur thermodynamique avec paramètres globaux (PDF) , Accords de normalisation de l'OTAN (2 éd.), Organisation du Traité de l'Atlantique Nord, STANAG 7367 [ lien mort permanent ]
  6. ^ Baer, ​​Paul G.; Frankle (décembre 1962), The Simulation of Interior Ballistic Performance of Guns by Digital Computer Program , Aberdeen Proving Ground, MD: Ballistic Research Laboratories, BRL Report No. 1183, archivé de l'original le 8 avril 2013
  7. ^ Armée 1965 , p. 2-3
  8. ^ Ed Sandifer (décembre 2006). "Comment Euler l'a fait, courbes de boulet de canon" (PDF) . MAA en ligne .
  9. ^ Test des armes à feu: mesure des pressions de la chambre
  10. ^ Armée 1965 , chapitre 4
  11. ^ Développement d'un porte-projectile High-G compatible avec la télémétrie, Laboratoire de recherche de l'armée, 2012
  12. ^ Kosanke, Bonnie J. (2002), "Publications pyrotechniques sélectionnées de KL et BJ Kosanke: 1998 à 2000", Journal of Pyrotechnics : 34–45, ISBN 978-1-889526-13-3
  13. ^ "Tableau de taux de combustion de poudre" . Archivé de l'original le 2007-03-28.
  14. ^ Munitions sans étui Armes légères. Le bon, la brute et le truand, (Schatz), NDIA Joint Armaments Conference 2012
  15. ^ De Haas, Frank; Wayne Van Zwoll (2003). "Petite taille, longue portée". Fusils à verrou - 4e édition . Publications de Krause. pages 636–643. ISBN 978-0-87349-660-5.
  16. ^ Craig Boddington. "La révolution du court mag" . Archivé de l'original le 16 mars 2010.
  17. ^ Capacités des étuis à cartouches
  18. ^ Balistique intérieure des canons à grande vitesse, Version 2, Guide de l'utilisateur, Laboratoire de recherche balistique de l'armée américaine, 1987
  19. ^ Hornady, JW (1967). Manuel Hornady de rechargement de cartouche . Grand Island, Nebraska : Hornady Manufacturing Company. p. 30.
  20. ^ un Russell b , Michael S. (2009). La chimie des feux d'artifice . Société royale de chimie. p. 45. ISBN 978-0-85404-127-5.
  21. ^ un b "Propriétés Propulsives" (PDF) . Associés en sciences aérospatiales du Nevada. Archivé de l'original (PDF) le 26 juillet 2014 . Récupéré le 19 juillet 2014 .
  22. ^ Alphin, Arthur B. (1996). N'importe quel coup que vous voulez (première éd.). Sur la cible Appuyez sur. p. 174–175. ISBN 0-9643683-1-5.
  23. ^ "Fabriquer des canons à air comprimé" . Pistolets à air comprimé Quackenbush . Récupéré le 21 septembre 2010 .
  24. ^ "FRAME SAVING RECOIL BUFFERS Ce qu'ils font." NoRecoil.com . Récupéré le 21 septembre 2010 .

Liens externes