UN SURVOL DES LOIS DE LA BALISTIQUE

J.J. Dorrzapf

 

 

II - LA BALISTIQUE INTERIEURE (Suite)

 

II - 2 -LES POUDRES

Comme nous l’avons suggéré plus haut, les poudres sont des substances explosives dont la réaction de combustion, c’est à dire le dégagement de leur énergie, est suffisamment faible (au regard d'autres types d'explosifs) pour être utilisées à des fins de propulsion. Ces substances se transforment selon le régime de la déflagration. Leur vitesse de transformation linéaire est de l'ordre de quelques centaines de mètres par seconde.

Ce comportement explosif est généralement dû à une combustion, soit une réaction d'oxydoréduction. La particularité tient à ce que, dans cette réaction, l'oxygène nécessaire à la combustion n'est pas emprunté à l'air ambiant (la réaction serait trop lente) mais se trouve intégré à l'intérieur de la poudre, voire de la molécule active. Ceci explique la vitesse de la réaction.

 

• La poudre noire

L’auteur arabe Ab Allah aurait, le premier, fait mention du salpêtre (13ème siècle de notre aire). Tout laisse à penser que les chinois l’inventèrent à une époque ancienne et s’en servaient pour les feux d’artifice. Pratiquement à la même époque, Roger BACON, aurait donné une formule de la poudre noire. L’histoire nous laisse surtout le souvenir du moine allemand, Berthold SCHWARZ, qui aurait perdu la vie en tentant de l’utiliser comme moyen de propulsion dans les bombardes. Une légende qui prétendrait que le Diable en rit encore. La poudre noire est un mélange de nitrate de potassium ou parfois de sodium, de soufre et de charbon de bois. Les proportions de ces divers éléments, broyés très finement, étant variables selon la vivacité recherchée, on devrait plutôt parler " des poudres noires ".

L'histoire semble avoir retenu la triste date, pour la France, de la bataille de Crécy (1346) en ce qui concerne l'apparition de la poudre noire sur le champ de bataille.
Les Anglais devaient posséder deux ou trois canons qui se firent remarquer de la troupe et des observateurs plus par leur bruit que par leur efficacité car, comme ces derniers purent le constater, une fois remis de leurs émotions : " Le Seigneur et la douce Vierge Marie en soient loués, ils ne blessèrent ni homme, ni femme, ni enfant ".

Elle aura été utilisée pendant près de cinq siècles, jusqu’à ce que M. VIEILLE invente les poudres sans fumée (poudres à la nitrocellulose).

La poudre noire n’est plus utilisée de nos jours sauf par les tireurs sportifs aux armes anciennes et par certains fabricants de cartouches à projectiles en caoutchouc.

 

• Les poudres modernes (dites sans fumée)

On les appelle assez souvent " poudres sans fumée " bien qu’elles ne soient pas des poudres et qu’elles ne soient pas vraiment sans fumée.
Dans ces produits propulsifs, on utilise les propriétés explosives de la nitrocellulose, substance obtenue par l’action de l’acide nitrique sur le coton.

Par nature, la nitrocellulose est un explosif, donc inutilisable en l’état. Pour lui conférer une combustion lente, en contrôler la vitesse et lui assurer une bonne stabilité, on gélatinise la nitrocellulose avec un mélange éther-alcool.

 

• Poudres simples bases et multibases

Il existe deux grandes familles de poudres sans fumée : les "simples bases " et les " multibases ".
Dans les poudres simple base, le seul produit actif est la nitrocellulose. Tous les autres produits présents dans la composition ont incorporés uniquement en vue d'assurer la stabilité et le contrôle de la vitesse de combustion.

Dans la famille des poudres multibases, on distingue les poudres " double base " et les poudres " triple base ". Dans ces deux types de poudres multibases on ajoute de la nitroglycérine qui augmente le niveau énergétique de la poudre.

Les poudres " double base " produisent moins de fumée et ont un meilleur rendement énergétique. Elles présentent cependant l’inconvénient d’éroder plus rapidement les canons du fait de leur température de combustion très élevée.

Pour pallier cet inconvénient et retrouver les qualités des poudres " simple base ", tout en conservant la fabrication aisée des poudres " double base ", on ajoute une troisième base, la nitroguanidine. On obtient une température de combustion semblable à celle des " simple base " tout en conservant un grand potentiel propulsif.

 

• Les " poudres " se présentent sous forme de grains

Contrairement à leur appellation, les poudres se présentent sous forme de grains de formes variées. La combustion, donc le dégagement des gaz s'effectue à la surface des grains. On comprend aisément que plus la surface du grain est importante plus la quantité de gaz se dégageant en un temps donné sera élevée. La forme des grains de la poudre, outre sa composition chimique, influe grandement sur sa vivacité (c'est à dire sa vitesse de combustion).

 

• Influence de la forme des grains

Pour une quantité de matière donnée, la forme géométrique présentant la surface minimale est la sphère. Partant de cette limite inférieure, on donne aux grains de poudre des formes géométriques ayant des surfaces de plus en plus étendues (parallélépipèdes, paillettes, feuilles cylindres pleins, cylindres creusés d'un trou central ou de trous multiples selon l'axe longitudinal).
Ses différentes formes permettent d’avoir des grains de poudre dont la surface varie ou demeure pratiquement constante durant la phase de combustion.

 

• Caractéristiques mécaniques des grains de poudre

Les grains de poudre devront présenter une bonne résistance mécanique car, lors de leur combustion et de la montée en pression, ils seront soumis à des contraintes mécaniques importantes. Ils ne devront pas se briser sinon leur forme sera évidemment modifiée de même que leur vitesse de combustion et, in fine, la vivacité de la poudre.

 

• Allumage de la poudre

La combustion de la poudre est initiée par un système d’allumage. Pour les armes de petits calibres, on utilise une amorce placée au culot de l’étui. Cette amorce contient un explosif primaire par nature peu puissant, au regard d'autres explosifs, mais très sensible au choc et, en général, aux contraintes extérieures.

Parmi les explosifs utilisés, on trouve le styphnate de plomb autrement appelé trinitrorésorcinate de plomb et le fulminate de mercure qui, relativement instable, tombe en désuétude.

 

• Mécanisme d'allumage

Lorsque l’amorce est frappée par le percuteur, la déflagration de l’explosif qu’elle contient projette des gaz à haute température et des particules incandescentes qui vont enflammer la poudre. Des gaz chauds vont être émis à la surface des grains.

Idéalement, tous les grains de poudre devraient être enflammés simultanément, la pression en chambre devrait monter rapidement jusqu’à son maximum, y rester jusqu’à la combustion totale de la poudre et se détendre à partir de cet instant. Ainsi la vitesse du projectile serait optimisée.

En réalité, il n’en est rien. Une poudre " sans fumée " donne une pression qui augmente progressivement en fonction du temps et reste à ce maximum un instant très bref.
La combustion de la poudre n’est jamais complète.
De plus, il existe des ondes de pressions, prenant naissance dans les régions où la poudre s’enflamme, qui se propagent jusqu’aux limites de l’étui et au culot du projectile où elles se réfléchissent et peuvent interférer en certains points. Le champ de pression dans la chambre n’est pas homogène et ce phénomène très complexe peut influer sur les contraintes mécaniques subies par les parois de la chambre et la vitesse de combustion des grains de poudre.

Quoi qu’il en soit, après l'allumage, la pression en chambre croît et les gaz chauds viennent pousser sur le culot du projectile. Ce dernier ne bougera pas tant que la force générée par la pression des gaz sur son culot sera inférieure à celle due aux frottements statiques de son sertissage sur l’étui qui sont un facteur important de la montée en pression initiale en chambre.

 

• Mouvement du projectile dans le canon

A partir de l'ignitiation de l'armorce, il est intéressant d'étudier l'évolution temporelle de trois phénomènes dans la chambre et le canon d'une arme.

La pression en chambre continuant de croître, le projectile va commencer à avancer et se trouver face à de nouveaux frottements qui présenteront une résistance à son déplacement.
Cette résistance dépend du type de stabilisation choisi pour le projectile. Pour les projectiles stabilisés par rotation la résistance à l’avancement la plus importante du cycle balistique sera la prise de rayures.
En effet pour communiquer au projectile le couple de rotation lui permettant d’atteindre sa vitesse de rotation optimale, les rayures de l’âme du canon devront, pour les armes de petits calibres, pénétrer relativement profondément dans sa chemise. Les obus, pour leur part, sont dotés d'une ceinture de matériau ductile dont l’un des rôles est d’interagir avec les rayures du canon.

Le mouvement du projectile a pour conséquence une augmentation du volume de la chambre de combustion, phénomène qui devrait entraîner une diminution de la pression.
Mais la vitesse de combustion de la poudre augmente rapidement avec la pression, et des pressions très élevées sont atteintes avant le mouvement du projectile. La résultante de ces deux phénomènes antagonistes est l’atteinte rapide du maximum de pression dans la chambre. Ce maximum se produit généralement peu après la prise de rayures alors que, idéalement, on souhaiterait le voir se produire au moment de la prise de rayures.

C’est lors de cette prise de rayures que les forces de frottement entre le projectile et l’âme du canon sont les plus nombreuses et importantes. Elles s’opposent à la progression du projectile et sont principalement dues à :
   - la force nécessaire à la prise de rayures
   - la force due aux frottements axiaux lors de l’avancement du projectile
   - la force due à l’accélération angulaire du projectile inhérente à son moment d’inertie
   - la force due aux frottements entre le projectile et la paroi du tube lors de sa rotation.

Après la prise de rayures, la vitesse du projectile croît très rapidement durant le temps de combustion de la poudre. La courbe représentative de cette vitesse s’infléchit rapidement à la fin de la combustion pour tendre vers une vitesse à peu près constante peu avant la sortie du tube à condition qu’il existe une bonne adéquation entre le type de poudre et sa quantité, la masse du projectile et la longueur du canon.
A la sortie du projectile du canon, nous entrons dans le domaine de la balistique intermédiaire.

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