Balistique interne - Internal ballistics

La balistique interne (également balistique intérieure ), un 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 écoulé entre l' allumage du propulseur et la sortie du projectile du canon de l' arme . 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 de fusée fournit une poussée.

Parties et équations

Hatcher divise la durée de la balistique intérieure en trois parties :

  • Temps de verrouillage, le temps écoulé entre la libération de la gâchette et le déclenchement de l'amorce
  • Temps d'allumage, le temps entre le moment où l'amorce est frappée jusqu'à ce que le projectile commence à se déplacer
  • Temps de canon, le temps à partir duquel le projectile commence à se déplacer jusqu'à ce qu'il sorte du canon.

Il existe de nombreux processus importants. La source d'énergie est le propulseur brûlant. 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 propergol qui a brûlé, la température des gaz et le volume de la chambre. La vitesse de combustion du propulseur dépend non seulement de la composition chimique, mais aussi de la forme des grains du 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, le gaz a plus de volume à occuper. 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 partie de l'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, lorsqu'il descend dans le canon, comprime l'air devant lui, ce qui ajoute de la résistance à son mouvement vers l'avant.

Des modèles ont été développés pour ces processus. Ces processus affectent la conception du pistolet. La culasse et le canon doivent résister aux gaz à haute pression sans dommage. 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 résistante que l'extrémité de chambre.

Il existe cinq équations générales utilisées en balistique intérieure :

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

Histoire

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 canons 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.

Dans les années 1800, les barils d'essai ont commencé à être instrumentés. Des trous ont été percés dans le canon, équipé 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 en 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 inférieures, généralement des armes de poing courantes, avec des plombs de cylindre d'essai constitués de cylindres de plomb plus facilement déformés, d'où les « unités de pression en plomb » ou « LUP ». La mesure n'indiquait que la pression maximale atteinte à ce point dans le canon. Dans les années 1960, les jauges de contrainte piézoélectriques étaient également couramment utilisées. Ils permettent de mesurer des pressions instantanées et n'ont pas eu besoin d'un port de pression percé dans le canon. Plus récemment, en utilisant la télémétrie avancée et des capteurs durcis à l'accélération, des projectiles instrumentés ont été développés par le Army Research Laboratory qui pouvaient mesurer la pression à la base du projectile et son accélération.

Méthodes d'amorçage

Article principal: Primer (arme à feu)

Au fil des années, plusieurs méthodes d'allumage du propulseur ont été développées. A l'origine, un petit trou (un trou de contact ) était percé dans la culasse afin qu'un fin propulseur ( poudre noire , le même propulseur utilisé dans le canon) puisse y être versé, et une flamme ou une étincelle externe était appliquée (voir mèche et platine à silex ). Plus tard, les amorces à percussion et les cartouches autonomes ont eu des amorces qui ont explosé après une déformation mécanique, enflammant le propulseur. Une autre méthode consiste à utiliser un courant électrique pour enflammer le propulseur.

Propulseurs

Poudre noire

Article principal : Poudre à canon

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 tailles de grains. 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, ce qui la rend également adaptée à une utilisation comme explosif faible. Il a une vitesse de décomposition très lente, et donc une brisance très faible . Il ne s'agit pas, au sens le plus strict du terme, d'un explosif, mais d'un "déflagrant", car il n'explose pas mais se décompose par déflagration grâce à son mécanisme subsonique de propagation du front de flamme.

Nitrocellulose (propulseurs à base unique)

Article principal: poudre sans fumée

La nitrocellulose ou « guncotton » est formée par l'action de l'acide nitrique sur les fibres de cellulose . Il s'agit d'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 haute température avec peu de fumée ou de résidus solides. La nitrocellulose gélatinisée est un plastique qui peut être transformé en cylindres, tubes, billes ou flocons appelés propulseurs à base unique . La taille et la forme des grains de propulseur peuvent augmenter ou diminuer la surface relative et modifier considérablement la vitesse de combustion. Des additifs et des revêtements peuvent être ajoutés au propulseur pour modifier davantage la vitesse de combustion. Normalement, des poudres très rapides sont utilisées pour les pistolets et fusils de chasse à balles légères ou à faible vitesse , des poudres à débit moyen pour les pistolets magnum et les cartouches de fusils légers , et les poudres lentes pour les cartouches de fusils lourds de gros calibre.

Propulseurs à double base

Articles principaux: Ballistite , Cordite et poudre sans fumée

La nitroglycérine peut être ajoutée à la nitrocellulose pour former des « propulseurs à double base ». La nitrocellulose désensibilise la nitroglycérine pour empêcher la détonation des 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 , la Ballistite ou la Cordite a été utilisée 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 billes ou tiges rondes, par exemple, sont à « combustion dégressive » parce que 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 flocons sont complètement consumés. Les cylindres perforés longitudinalement ou multi-perforés utilisés dans les gros fusils ou canons à long canon sont à « combustion progressive » ; la surface de combustion augmente à mesure que le diamètre intérieur des trous augmente, donnant une combustion soutenue et une longue , une poussée continue sur le projectile pour produire une vitesse plus élevée sans augmenter indûment la pression maximale. La poudre à combustion progressive compense quelque peu la chute de pression lorsque le projectile accélère dans l'alésage et augmente le volume derrière lui.)

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 moulé 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 seul grain de propulseur est si gros (la plupart des poudres sans fumée ont une taille de grain d'environ 1 mm, mais un grain sans étui 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 propergols sans étui utilisent souvent des explosifs modérés, tels que le RDX . Les principaux avantages d'une cartouche sans douille réussie seraient l'élimination du besoin d'extraire et d'éjecter la douille épuisée, 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.

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 allumées par un souffle chaud d'air comprimé provenant du levier utilisé pour comprimer un ressort puissant comme pour une carabine à air comprimé. Les munitions sans étui ne sont bien sûr pas rechargeables, car il n'y a plus d'étui après le tir de la balle, et le propulseur exposé rend les cartouches moins durables. De plus, le boîtier dans une cartouche standard sert de joint, empêchant le gaz de s'échapper de la culasse . Les armes sans étui doivent utiliser une culasse auto-obturante plus complexe, ce qui augmente la complexité de conception et de fabrication. Un autre problème désagréable, commun à tous les bras à tir rapide , mais particulièrement problématique pour les tours de tir sans étui, est le problème des tours « cuisine hors ». Ce problème est causé par la chaleur résiduelle de la chambre chauffant la cartouche dans la chambre jusqu'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, de sorte qu'il n'y a 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 se déplaçant vers l'avant provoque une embardée du canon en réaction, ce qui réduit considérablement la précision du canon, ce qui n'est généralement pas un problème pour les tirs de mitrailleuses.

Charge propulsive

Densité de charge et consistance

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 d'une densité de 100 % (ou même les charges où la mise en place de la balle dans l'étui comprime la poudre) s'enflamment et brûlent plus régulièrement que les charges à faible densité. Dans les cartouches ayant survécu à 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 à haute densité. Cette pièce 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'allumera plus tard. Ce changement a moins d'impact avec les poudres rapides. De telles cartouches à haute capacité et à faible densité offrent généralement la meilleure précision avec la poudre appropriée la plus rapide, bien que cela maintienne l'énergie totale à un faible niveau en raison du pic de pression élevé.

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 de l'explosion du canon dus à la masse élevée de poudre 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 grande charge 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 de l'étui 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 il n'est généralement pas rencontré sauf lors du chargement de cartouches subsoniques à faible recul ou à faible vitesse pour fusils. Ces cartouches ont généralement des vitesses inférieures à 1100 ft/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 d'une cartouche à pleine puissance ne sont pas nécessaires. ou souhaité.

Chambre

Droit vs goulot d'étranglement

Les boîtiers à parois droites étaient la norme depuis les débuts des armes à 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 a permis 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 sans fumée lente dans un boîtier de grand volume, en poussant une petite balle légère. L'étrange et très effilé Lebel de 8 mm , fabriqué en rétreignant une ancienne cartouche à poudre noire de 11 mm, a été introduit en 1886, et il a rapidement été suivi par les obus 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 ont une épaule distincte qui ressemble beaucoup 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.

Rapport d'aspect et cohérence

Lors de la sélection d'une cartouche de fusil pour une précision maximale, une cartouche courte et épaisse avec très peu de cône de boîtier peut donner une efficacité plus élevée et une vitesse plus constante qu'une cartouche longue et mince avec beaucoup de cône de boîtier (une partie de la raison d'une conception à goulot d'étranglement ). 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 la forme sphérique à l'intérieur. Les cartouches de chasse à la cible et à la vermine nécessitent 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 de rendre les armes à action courte plus légères et plus solides pour le même niveau de performance. Le compromis pour cette performance est des cartouches grasses qui prennent plus de place dans un chargeur , des épaules pointues qui ne s'alimentent pas aussi facilement hors d'un chargeur et une extraction moins fiable de la cartouche épuisée. 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 favorisés. Il y a eu une tendance à long terme cependant, même parmi les armes militaires, vers des étuis plus courts et plus gros. Le boîtier OTAN actuel de 7,62 × 51 mm remplaçant le Springfield plus long .30-06 en est un bon exemple, tout comme la nouvelle cartouche Grendel 6,5 conçue pour augmenter les performances de la famille de fusils et 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 NATO a une capacité de boîtier plus petite que le Springfield .30-06 , réduisant la quantité de propulseur pouvant être utilisé, directement réduire le poids de la balle et la combinaison de vitesse initiale qui contribue à la létalité (comme détaillé dans les spécifications de cartouche publiées liées ici à des fins de comparaison). Le 6.5 Grendel , en revanche, est capable de tirer une balle nettement plus lourde (voir lien) que le 5.56 NATO de la famille d'armes AR-15, avec seulement une légère diminution de la vitesse initiale, offrant peut-être une performance plus avantageuse troquer.

Frottement et inertie

Frottement statique et 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 du tir"), a un effet significatif sur la vitesse finale , en particulier dans les grandes cartouches avec des poudres très rapides et relativement légères. projectiles. Dans les armes à feu de petit calibre, la friction qui maintient la balle dans l'étui détermine la rapidité avec laquelle la balle se déplace après l'allumage, et comme le mouvement de la balle augmente le volume et diminue la pression, une différence de friction peut modifier la pente de la courbe de pression . En général, un ajustement serré est souhaité, au point de sertir la balle dans l'étui. Dans les étuis sans monture à parois droites, tels que le .45 ACP, un sertissage agressif n'est pas possible, car l'étui est maintenu dans la chambre par l'embouchure de l'étui, mais dimensionnant l'étui 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 requise pour graver initialement la bande d'entraînement du projectile dans le début de la rayure du canon ; les canons à canon lisse , qui n'ont pas de rayures, atteignent une pression de démarrage de tir en entraînant initialement le projectile dans un "cône de forçage" qui fournit une résistance lorsqu'il comprime l' anneau d' obturation du projectile .

Frottement cinétique

La balle doit s'adapter étroitement à l'alésage pour sceller la haute pression de la poudre à canon brûlante. Cet ajustement serré entraîne une force de friction importante. 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 la friction est plus préoccupante. À des vitesses d'environ 300 m/s (980 pi/s), le plomb commence à fondre et à se déposer dans le forage . 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 pi/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 pi/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 fond à une température suffisamment élevée pour réduire l'accumulation dans l'alésage. L'accumulation de cuivre commence à se produire par balles dépassant 760 m/s (2 500 pi/s), et une solution courante consiste à imprégner la surface de la balle de lubrifiant au bisulfure de molybdène . Cela réduit l'accumulation de cuivre dans l'alésage et améliore la précision à long terme. Les projectiles de gros calibre utilisent également des bandes d'entraînement en cuivre pour les canons rayés des projectiles stabilisés par rotation; cependant, les projectiles à nageoire stabilisée tirés à la fois par des canons de fusil et des canons à âme lisse, tels que les projectiles anti-blindage APFSDS , utilisent des anneaux d'obturation en nylon qui sont suffisants pour sceller les gaz propulseurs à haute pression et minimisent également la friction dans l'alésage, fournissant un petit coup de pouce au museau rapidité.

Le rôle de l'inertie

Dans les premiers centimètres de déplacement dans l'alésage, la balle atteint un pourcentage important de sa vitesse finale, même pour les fusils de grande capacité, avec de la 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 à 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 l' obus de l' OTAN de 5,56 mm , tiré 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 de crête

L'énergie est transmise à la balle d'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 pendant lequel la balle accélère. La durée totale du trajet de la balle à travers 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 d'effectuer un travail sur un objet ; par exemple, le travail requis 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 newton de force). Si nous devions modifier le graphique pour refléter la force (la pression exercée sur la base de la balle multipliée par la surface de la base de la balle) en fonction de la distance, la surface sous cette courbe serait l'énergie totale communiquée au balle. Augmenter l'énergie de la balle nécessite d'augmenter la surface 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. Le taux de génération de gaz est proportionnel à la surface des grains de propergol 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 de la surface de l'énergie nécessaire pour initier la réaction. Les réactions de propulseur 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 soumis au 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 mousse et la zone pétillante nécessitent de l'énergie initialement fournie par l'apprêt et ensuite libérée dans une zone de flamme externe lumineuse où les molécules de gaz plus simples réagissent pour former des produits de combustion conventionnels comme la vapeur et le monoxyde de carbone .

Le taux de transfert de chaleur des propergols 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. 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. Inversement, 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 n'ait été consommé. Des grains de propergol 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 internes.

épuisement du propulseur

Un autre problème à considérer, lors du choix d'un taux de combustion de la 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 une poudre plus lente, il se produit plus tard. Le propulseur qui n'est pas brûlé lorsque la balle atteint le museau est gaspillé - il n'ajoute aucune énergie à la balle, mais il ajoute au recul et à l'explosion du museau. Pour une puissance maximale, la poudre doit brûler jusqu'à ce que la balle soit juste avant le canon.

Étant donné que les poudres sans fumée brûlent et n'explosent pas, la réaction ne peut avoir lieu qu'à la surface de la poudre. Les poudres sans fumée se présentent sous diverses formes, qui servent à déterminer à quelle vitesse elles brûlent, ainsi que la façon dont la vitesse 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 en boule a un rapport surface/volume relativement faible, elle brûle donc relativement lentement et, au fur 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 la vitesse de combustion initiale et aplanit la vitesse de changement. Les poudres à billes sont généralement formulées sous forme de poudres lentes pour pistolets ou de poudres rapides pour fusils.

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 pistolet ou fusil 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 nitroglycérine/nitrocellulose plus faible et brûlent souvent progressivement, c'est-à-dire qu'elles brûlent plus rapidement au fur et à mesure qu'elles brûlent. Les poudres extrudées sont généralement des poudres à carabine moyennes à lentes.

Problèmes de pression au museau

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 canons cibles à courte portée sont généralement chambrés pour un fusil long .22 ou un fusil .22 court, qui ont de très petites capacités de poudre et une faible pression résiduelle. Lorsque des énergies plus élevées sont nécessaires pour le tir à longue distance, la chasse ou l'utilisation antipersonnel, les pressions initiales élevées sont un mal nécessaire. Ces pressions à la bouche élevées entraînent une augmentation du flash et du bruit du souffle de la bouche et, en raison des charges de poudre importantes utilisées, 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 agissant comme un échappement de fusée). Cependant, pour qu'un frein de bouche soit efficace, il doit y avoir une pression de bouche importante.

Préoccupations générales

Diamètre d'alésage et transfert d'énergie

Une arme à feu, à bien des égards, est comme un moteur à pistons sur la course de puissance. Il y a une certaine quantité de gaz à haute pression disponible, et de l'énergie en est extraite en faisant déplacer le gaz 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 résiduelle à la bouche ou à la fin de la course motrice du moteur représente une perte d'énergie.

Pour extraire le maximum d'énergie, le volume balayé est donc 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 problèmes pratiques à environ la longueur du bras pour un fusil et beaucoup plus courte pour une arme de poing, l'augmentation du diamètre de l'alésage est le moyen normal d'augmenter l'efficacité d'une cartouche. La limite au diamètre de l'alésage est généralement la densité de section du projectile (voir balistique externe ). Les balles de plus grand diamètre et de même poids ont beaucoup plus de traînée et perdent donc de l'énergie plus rapidement après leur sortie du canon. 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 .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 des balles de plus grand diamètre pour une plus grande efficacité dans les canons courts et tolèrent la perte de vitesse à longue portée, car les armes de poing sont rarement utilisées pour le tir à longue portée. Les armes de poing conçues pour le tir à longue distance sont généralement plus proches des fusils raccourcis que des autres armes de poing.

Rapport entre le propergol et la masse du projectile

Un autre problème, lors du choix ou du développement d'une cartouche, est celui 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 légère (un 9 × 19 mm , par exemple, pourrait 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 (un .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 du recul, bien que ce ne soit pas sans coût. Un frein de bouche ou un compensateur de recul est un dispositif qui redirige le gaz en poudre au niveau de 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, en revanche, aide à contrecarrer la rotation imposée par le fait que la plupart des armes à feu ont le canon monté au-dessus du centre de gravité . Les armes de combat ouvertes, 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 conçues pour un tir rapide et précis, bénéficient toutes de freins de bouche.

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

Le rapport poids poudre/projectile aborde également le 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.

Caractéristiques de précision et d'alésage

Presque toutes les armes à feu de petit calibre, à l'exception des fusils de chasse, ont des canons rayés. Les rayures donnent 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 des 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 moindre et moins d'accumulation de plomb et/ou de cuivre dans le canon. Cependant, les rayures traditionnelles et rainurées 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 manières courantes de rayer un canon et une technologie émergente :

  • Le plus basique est d'utiliser une fraise à pointe unique, tirée vers le bas de 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 sur mesure , et peut donner des canons d'une superbe précision.
  • La méthode suivante est la rayure 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 étant soigneusement tournée, et elle étampe l'intérieur du canon. Cela "coupe" toutes les rainures à la fois (il ne coupe pas vraiment le métal), et est donc plus rapide que la coupe des rayures. Les détracteurs prétendent que le processus laisse un stress résiduel 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 légèrement surdimensionné et alésé 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 à la fois. C'est la méthode la plus rapide (et à long terme la moins chère) de fabrication d'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 maximale telle qu'ils sont produits, mais avec un travail manuel minutieux, ils peuvent être conçus pour tirer bien mieux que la plupart des tireurs ne sont capables de le faire.
  • Une nouvelle technique appliquée à la fabrication de tonneaux 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 contraintes que les autres méthodes de rayures. L'EDM est très coûteux et principalement utilisé dans les canons à gros calibre et à long canon , où les méthodes traditionnelles sont très difficiles, tandis que l'ECM est utilisé par certains fabricants de barils plus petits.

Le but du canon est de fournir une étanchéité constante , permettant à la balle d'accélérer à une vitesse constante. Il doit également donner le bon spin 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. Certains fusils à percussion annulaire et à air comprimé ont en fait une légère constriction , appelée starter , 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 à la bouche. Toute augmentation du diamètre de l'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. Des barils de haute qualité sont rodés pour éliminer toute constriction dans l'alésage qui entraînerait un changement de diamètre.

Un processus de rodage connu sous le nom de « rodage au feu » utilise une « limace » de plomb légèrement plus grande que l'alésage et recouverte d' un composé abrasif fin pour découper les étranglements. La limace est passée de la culasse au museau, de sorte que lorsqu'elle rencontre des étranglements, elle les coupe et ne coupe pas les zones qui sont plus grandes que l'étranglement. 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 cohérent ou légèrement effilé. La technique de rodage à la main utilise une tige en bois ou en métal souple pour tirer ou pousser la balle à travers l'alésage, tandis que la nouvelle technique de rodage au feu utilise des cartouches spécialement chargées et de faible puissance pour pousser les balles à plomb souple recouvertes d'abrasif dans le canon.

Un autre problème qui a un effet sur la prise du canon sur la balle est la rayure. Lorsque la balle est tirée, elle est forcée dans les rayures, qui coupent ou « gravent » la surface de la balle. Si la rayure est une torsion constante, alors la rayure se déplace dans les rainures gravées dans la balle, et tout est sécurisé et scellé. Si les rayures ont une torsion décroissante, alors l'angle changeant des rayures dans les rainures gravées de la balle fait que les rayures deviennent plus étroites que les rainures. Cela permet au gaz de s'échapper 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 un canon rayé blanc est sélectionné pour une arme à feu, la mesure soignée des variations inévitables dans la fabrication peut déterminer si la torsion varie spoliation, et mettre fin à torsion supérieur à la bouche du canon.

La bouche du canon est la dernière chose à toucher la balle avant qu'elle ne se lance dans un vol balistique, et en tant que telle, elle a le plus grand potentiel de perturber le vol de la balle. La bouche du canon doit permettre au gaz de s'échapper du canon de manière symétrique ; toute asymétrie provoquera une pression inégale sur la base de la balle, ce qui perturbera son vol. L'extrémité du canon du canon s'appelle la "couronne", et elle est généralement soit biseautée, soit en retrait 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 du canon du canon, formé par la suie déposée, lorsque les gaz en poudre s'échappent du canon. Si l'étoile est inégale, c'est le signe d'une couronne inégale et d'un canon imprécis.

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 la rayure s'appelle la « gorge », et la longueur de la gorge est le trou libre . Dans certaines armes à feu, le canon libre est pratiquement inexistant - l'acte de chambrer la cartouche force la balle dans la rayure. Ceci est courant dans les carabines à percussion annulaire de faible puissance. Le placement de la balle dans la rayure garantit que la transition entre la cartouche et la rayure est rapide et stable. L'inconvénient est que la cartouche est fermement maintenue en place, et tenter d'extraire la cartouche non tirée peut être difficile, au point même de retirer la balle de la cartouche dans les cas extrêmes.

Avec des cartouches à haute puissance, il y a un inconvénient supplémentaire à un alésage 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 de trou 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 la rayure. L'inconvénient est que la balle frappe la rayure lorsqu'elle est déjà en mouvement, et tout léger désalignement peut faire basculer la balle lorsqu'elle engage la rayure. Cela signifiera à son tour que la balle ne sortira pas du canon de manière coaxiale. La quantité d'alésage est fonction à la fois du canon et de la cartouche. Le fabricant ou l'armurier qui découpe la chambre déterminera l'espace entre l'embouchure de la douille et les rayures. Placer la balle plus en avant ou en arrière dans la cartouche peut diminuer ou augmenter la quantité de freebore, mais seulement dans une petite plage. Des tests minutieux effectués par le chargeur de munitions peuvent optimiser la quantité de trou libre pour maximiser la précision, tout en maintenant la pression maximale dans les limites.

Problèmes spécifiques aux revolvers

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 à partir de 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 fond 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'espace du cylindre, l'espace entre le cylindre et le canon. Celui-ci doit être suffisamment large pour permettre une libre rotation du cylindre même lorsqu'il est encrassé par des résidus de poudre, mais pas assez grand pour qu'un excès de gaz soit 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 à 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 la 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 la carcasse.

Voir également

Les références

Liens externes