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LES PROTECTIONS BALISTIQUES

Jean-Jacques DORRZAPF

 

 

Sommaire :

• Introduction
• Les protections souples
    - Les matériaux utilisés
    - Les fibres polyaramide : Le Kevlar® et le Twaron®
    - Les fibres polyéthylène : Le Spectra® et le Dyneema®
    - Le Zylon® (P.B.O.)
• Les protrections rigides
    - Les matériaux utilisés
• Le gilet pare-balles - Problématique - Ergonomie
• Le traumatisme en arrière des protections balistiques
• Les casques balistiques
• Les normes balistiques

 

__________________________

 

I - Introduction

Avant l’apparition des armes à feu, les combattants devaient se protéger contre des armes tranchantes (coups d’estoc ou de taille) et/ou contondantes. Le coup d’une épée lourde, si elle ne tranchait pas les chairs du fait de l’épaisseur des vêtements, pouvait certainement entraîner des blessures inhérentes au choc de l’arme. A cette époque, les protections individuelles, tenant compte des caractéristiques de ce type d’armes. Elles étaient généralement lourdes et rigides. Pensons aux armures et autres côtes de mailles, réservées, il est vrai aux riches combattants à cheval et au-dessous desquelles ils portaient des vêtements molletonnés, ancêtres de nos matériaux anti-traumatismes.

Les projectiles d’armes à feu et les éclats d’obus sont d’une tout autre nature.
Légers, petits et rapides, ils interagissent, au moment de leur impact sur le corps, avec une surface très limitée et pénètrent donc facilement. De plus, le besoin d’une plus grande mobilité, existant déjà au temps de nos preux chevaliers, incitait à rechercher des protections efficaces, certes, mais en même temps légères et souples afin de ne point par trop entraver les mouvements du combattant.

I - Les protections souples

Les protections balistiques souples, destinées à arrêter principalement les projectiles d’armes de poing, sont réalisées avec des tissus, disposés en couches superposées, dont les fibres présentent une très forte résistance à la traction. Elles agissent en arrêtant le projectile à la manière d’un filet.
Les premières couches sont perforées car leurs fibres, au moment de l’impact, sont surtout sollicitées en cisaillement. Celles placées à l’arrière de l’impact reculent sous l’impulsion et auront tendance à se disposer de telle façon qu’elles seront de plus en plus sollicitées en traction.
Dans le même temps, le projectile commence généralement à se déformer sous les contraintes mécaniques auxquelles il est soumis. Il met, de ce fait, un plus grand nombre de fibres en action, facilitant ainsi son arrêt.

I – 1 - Les matériaux utilisés

Les protections souples ont été réalisées à l’aide de fibres diverses. Naturelles dans un premier temps, synthétiques ensuite. On peut prendre l’exemple de la soie, déjà utilisée au Japon médiéval, et employée aux Etats-Unis à la fin du XIXème siècle pour la fabrication de gilets pare balles. On prétend que l’Archiduc Francois-Ferdinand d’Autriche en portait un lors de son assassinat, d’une balle dans la tête, qui fut à l’origine de la première guerre mondiale. Ce genre de protection balistique ne fut pas utilisé lors de la première guerre mondiale du fait du prix alors très élevé de la soie.
La résistance à la traction des fils de soie fut rapidement dépassée par les fibres synthétiques telles que le nylon et surtout par les fibres de polyaramide et polyéthylène.

I – 1 – 1 – Le polyaramide : « Kevlar », « Twaron ». La guerre des fibres

Tout le monde a plus ou moins entendu parler du « Kevlar » que l’on sait être utilisé pour la confection des packs balistiques des gilets pare balles. C’est le nom donné par la société américaine « Dupont » à la fibre polyaramide qu’il fabrique.
On a moins entendu parler du « Twaron » qui est la même fibre de polyaramide, mais fabriquée en Europe par « Akzo ».
Comme on va le voir rapidement, la concurrence fut rude.

 

Une petite histoire du « Kevlar »

Comme on le sait, « Kevlar » est le nom donné à une fibre présentant une très forte résistance à la traction qui est obtenue par dissolution d’une matière plastique constituée d’une amide aromatique polymérisée dans un solvant bien particulier. Cette solution est ensuite injectée au travers d’une buse afin d’en obtenir, une fois le solvant évaporé, un fil très fin présentant un rapport résistance/poids environ cinq fois supérieur à l’acier.
La possibilité de créer une matière plastique à base polyaramide avait été envisagée dès 1939. Elle fut synthétisée et identifiée par Dupont en 1960, mais les fibres de polyaramide ne furent produites qu’en 1965 lorsque le solvant adéquat fut découvert.
Lorsque l’on sait que la chercheuse à l’origine de cette découverte s’appelait Stéphanie Kwolek, on a peu comprendre le nom donné à cette fibre.

 

La société « Akzo » et le « Twaron »

Dans le même temps, la concurrence ne restait pas inactive. On peut le comprendre aisément si l’on accepte de sortir, un moment, du domaine restreint des protections balistiques, et que l’on se rende compte de l’importance de la découverte d’un matériau présentant, à poids égal, une résistance cinq fois supérieure à l’acier. Les conséquences industrielles et économiques étaient colossales.
Il en était ainsi de la société « Akzo », basée en Hollande, au sein de laquelle une équipe de chercheurs découvrait également un solvant utilisable dans la fabrication des fibres de polyaramide. Un brevet sur la fabrication de ces fibres, appelées Kevlar par Dupont et « Twaron » par « Akzo », fut déposé par la société hollandaise. Comme on peut s’en douter, face aux intérêts économiques présentés par ces produits, des combats juridiques eurent lieu et, finalement, un accord fut trouvé dans lequel on concéda à « Akzo » le droit de fabriquer ces fibres mais on lui opposa, en même temps, l’interdiction de les commercialiser aux Etats-Unis jusqu’en 1990.
Comme on l’a évoqué, les fibres de polyaramide ne furent pas immédiatement utilisées dans la confection des protections balistiques. Leur intérêt se révéla dans tous les domaines où le rapport résistance/poids du matériau était un paramètre important. Elles furent à ce titre largement utilisées, en remplacement de l’acier, dans les structures des pneumatiques d’automobiles et dans la confection d’éléments de missiles, entre autre.
Sur le plan de leurs caractéristiques physico-chimiques, les fibres de polyaramide perdent de leur résistance mécanique lorsque la température augmente. A très haute température (environ 600 degrés C), elles ne fondent pas, mais se décomposent. Elles sont sensibles à l’humidité qui leur fait perdre également de leur résistance mécanique. C’est la raison pour laquelle les packs balistiques des gilets pare balles sont enfermés dans des housses étanches.
Les fibres sont généralement tissées pour former ce que l’on appelle un pli qui superposé à d’autres, en nombre variable, créera un pack balistique.

 

I – 1 – 2 – Le polyéthylène concurrent du polyaramide

On fabrique également des fibres de haute résistance à partir d’une chaîne étendue de polyéthylène (ECPE). "Spectra® " est le nom commercial des ces fibres fabriquées par la société "Allied-Signal". "Dyneema®" est le nom commercial du matériau fabriqué par la société DSM Dyneema. Le point fort de ces fibres est leur grande résistance mécanique en général, aux impacts et au poinçonnage en particulier. Leur légèreté, leur bonne tenue contre les moisissures, les produits chimiques, leur caractère hydrophobe sont des atouts supplémentaires.
Pour fabriquer ces fibres, on dissout les longues molécules de polyéthylène dans un solvant. Après chauffage, la solution est poussée au travers de buses. Les particularités chimiques de la molécule de polyéthylène donnent aux fibres une résistance mécanique supérieure à celle des fibres de polyaramide. A poids égal, elles présentent une résistance mécanique dix fois supérieure à celle de l’acier.
La première apparition de ces fibres se situe, au plan commercial, aux environ de 1985 pour remplacer l’acier dans la confection des câbles et cordages.
Les fibres peuvent être tissées pour la réalisation de protection balistique, mais également non tissées pour être utilisées, en plus, dans d’autres applications. Dans ce dernier cas, elles sont alignées les unes contre les autres puis encollées avec une résine flexible. On obtient ainsi une feuille faite d’un seul pli qui porte le nom commercial de « Spectra Shield ». Deux feuilles de « Spectra Shield » sont superposées et collées de telle façon que leurs fibres se croisent avec un angle de 90 degrés. La feuille résultant de la réunion de ces deux plis est enduite de chaque côté d’une protection anti-abrasion.
Les nombreuses qualités reconnues au « Spectra » et « Spectra Shield » firent que ce produit connut un grand engouement dans la fabrication des protections balistiques (gilets et casques). Cependant, sa faible résistance à la température (température de fusion 150 degrés C) et la légère perte de son pouvoir d’arrêt dès 70 degrés C (température pouvant être atteinte et mesurée par nous-même, en été, par un casque ou un gilet pare balle laissés, pour des raisons opérationnelles, dans un véhicule exposé au soleil) font que les fibres de polyaramide reviennent au goût du jour. On peut noter également l’existence de solutions hybrides (mélanges de plis de polyaramide et de polyéthylène) pour la fabrication des packs balistiques.

I – 1 – 2 – Le " Zylon " : une étoile éphémère

" Zylon " est le nom d'une fibre de para-phénylène-benzobisoxazole (P.B.O.). Elle présente un rapport résistance/poids supérieur au polyaramide voire au polyéthylène. Elles est fabriquée par la société japonaise Toyobo. Bien que ce matériau soit connu et utilisé depuis plus de vingt ans dans le monde industriel. L'idée de l'utiliser dans la fabrication des gilets pare balles sembla réellement intéressante ces dernières années. La société Toyobo installa un bureau en Europe (Hambourg) où elle tenta de la commercialiser. Les Etats-Unis raflèrent les stocks et on ne put s'en procurer qu'au compte gouttes pour réaliser des tests sur notre continent.
Des problèmes de perforation de protections balistiques, qui coûtèrent la vie à leurs porteurs, apparurent rapidement. Semblant démontrer la mauvaise tenue de la fibre dans le temps, ces accidents abrégèrent brutalement la carrière prometteuse de cette belle fibre de couleur dorée. Les japonais fermèrent leur bureau de Hambourg.

 


II – Les protections rigides

Comme on vient de le voir, les protections souples sont principalement destinées à arrêter les projectiles d'armes de poing.
Si l'on souhaite des protections contre les armes longues (fusils, carabines), tirant des projectiles nettement plus puissants, on est obligé d'utiliser des protections rigides en renfort des souples. Cela se matérialise par l'ajout de plaques par-dessus les packs souples, selon les régions anatomiques que l'on souhaite protéger.
Le rôle d'une protection rigide est d'abîmer suffisamment le projectile pour qu'il perde sa capacité de perforation.

II – 1 – Matériaux utilisés

Ils sont de divers types. Le niveau de protection désiré guidera le choix du matériau.

Pour les balles ordinaires (noyau plomb et chemisage laiton) de type 7,62 Nato ou 5,56 mm (.223 Remington), on utilise généralement des plaques réalisées à partir des fibres dont on a parlé plus haut. Dans ce cas, les plis de polyaramide ou de polyéthylène ne sont pas cousus entre eux, mais enduits d'une résine puis empilés. L'ensemble est simultannément fortement pressé et chauffé. A l'issue de l'opération une plaque rigide est obtenue.

L'arrêt des balles perforantes (chemisage acier ou partie avant du projectile en acier ou plus généralement chemisage laiton et noyau acier) nécessite des matériaux plus durs. Le titane, métal très dur et léger a longtemps été utilisé.
De nos jours, c'est la céramique qui est le plus souvent utilisée. Son poids, principal inconvénient, la destine à des protections lourdes dédiées à des opérations ponctuelles. Certains types de céramiques présentent une densité plus faible pour les mêmes performances balistiques mais sont d'un prix très élevé.

 


III - Le gilet pare balles en pratique

Lorsque l'on a pour mission de réaliser une protection balistique individuelle, on se trouve continuellement contraint à un compromis : maximum de protection – maximum d'ergonomie, deux notions parfaitement contradictoire. En effet, le concepteur de protections balistiques souhaitera protéger toujours plus son porteur tout en lui laissant le plus possible de liberté de mouvement et de mobilité afin qu'il puisse accomplir le mieux possible sa mission.
Un équipement protégeant toutes les parties du corps de tous les projectiles d'armes de poing et de fusil serait tout bonnement importable.

 

III – 1 - Le compromis " protection - ergonomie " ou un choix difficile

Lorsque l'on souhaite réaliser une protection balistique, on se trouve rapidement devant deux évidences. D'une part, on ne pourra pas réaliser un gilet pare balles utile capable d'arrêter tous les projectiles d'armes de poing et de fusil existants dans le monde.
D'autre part, il sera impossible de protéger toutes les régions du corps. Donc deux choix très importants s'imposent : contre quels projectiles doit on protéger son porteur et quelles régions corporelles doit-on préserver ?

 

III – 2 - Le choix du niveau balistique

A cet égard, la nature des missions du porteur de la protection permet déjà une discrimination entre armes de poing et armes longues. Le port sera-t-il continu, le gilet devra-t-il être discret, sera-t-il utilisé ponctuellement face à des agressions bien caractérisées ? Ces questions sont absolument déterminantes.
Le choix final résultera d'une étude statistique des armes et munitions auxquelles le porteur aura le plus de risque d'être confronté.
Si l'on n'est pas commerçant mais expérimentateur, on arrive à la conclusion abrupte, mais réaliste, qu'un gilet pare balles n'arrête rien, sauf les projectiles pour lesquels il a été conçu et ceux d'un niveau balistique inférieur à ces derniers.

 

III – 3 – Le choix des régions anatomiques à protéger

Le constat qu'une protection balistique intégrale serait, avec les matériaux dont nous disposons actuellement, importable entraîne de facto le besoin de faire un choix des régions anatomique à protéger impérativement.
Il s'agit des régions les plus vascularisées et en regard desquelles se trouvent les organes vitaux qui, s'ils sont atteints par un projectile, entraîneront de graves hémorragies. Il s'agit du thorax et de l'abdomen.
Lorsque l'on choisit de protéger ces zones corporelles, on est conscient que le cou, la face, l'haine, le haut de la face interne des cuisses (région de Scarpa) sont des régions à risque compte tenu des gros vaisseaux sanguins qui s'y trouvent. Mais c'est le compromis que l'on doit accepter. Et il est évident qu'à niveau balistique égal, un gilet de protection "discret" protègera moins qu'un gilet à port apparent (muni en plus d'une protection pelvienne) de par leur différence de surface de protection.

 

IV – Le traumatisme arrière ou " effet arrière "

Cette notion est devenue très importante avec l'utilisation des gilets pare balles souples. Lors de l'impact du projectile, le gilet, de par sa souplesse, se déforme vers l'arrière à endroit où la balle l'atteint. Cette déformation est d'ailleurs indispensable pour que les fibres du tissu balistique soient sollicitées en mode de traction. Il y a formation d'un cône dynamique d'enfoncement dont l'imagerie haute vitesse montre qu'il est plus proportionnel à la quantité de mouvement du projectile qu'à son énergie cinétique. On peut cependant parler en terme d'énergie cinétique et considérer qu'elle n'est par entièrement absorbée par la protection balistique, mais transmise en arrière du gilet, c'est-à-dire au porteur. Ce phénomène peut être à l'origine de traumatismes internes identiques à ce que l'on peut observer expérimentalement avec des chocs contondants (absence de perforation).
Dans le but de le minimiser cet effet, on place en arrière de la protection balistique (entre celle-ci et le corps du porteur) un matériau chargé de diffuser et d'absorber tout ou partie de cette énergie transmise.
Cet " effet arrière " fait l'objet d'études (nous en menons nous-même) dans le but de le caractériser. Des voies diverses sont suivies afin d'en comprendre les causes : contusions dues au choc direct, surpressions dues à un effet mécanique observées dans certaines régions pulmonaires et à distance de l'impact lors d'une atteinte thoracique, phénomènes de propagation d'ondes de pression avec possible phénomènes d'interférences. Certaines de ces causes ont été objectivées expérimentalement, d'autres doivent encore être définitivement démontrées.

 


V - Les casques balistiques

Pour terminer ce rapide exposé sur les protections balistiques, on survolera le sujet des casques balistiques.
Contrairement aux idées communément admises, y compris par les utilisateurs, les casques pare balles sont très récents.
Certains lèveront les sourcils en disant : " les casques balistiques existent depuis belle lurette ". Oui, mais…C'était des casques pare éclats destinés à arrêter l'éclat standard (Stanag 2920) d'un poids de 1, 101 g à une vitesse de 600 m/s.
Rien d'anormal à cela puisque ces casques étaient destinés aux armées et que les statistiques actuelles annoncent, pour le champ de bataille, 96 % de blessures par éclats et 4 % par balles.
Moralité : avant d'enfiler une protection balistique quelle qu'elle soit, vérifier ce qu'elle peut arrêter. C'est normalement écrit dessus. Faute de cette indication… méfiance.
Donc, récemment ont été conçus des casques réellement pare balles, surtout d'armes de poing, car le problème du poids est particulièrement présent pour cet accessoire.
Le problème d' " effet arrière " est tout aussi important car, comme chacun le sait, le crâne est difficilement déformable.

 


VI – Les normes balistiques

La fabrication et les tests de ces matériels suivent des normes bien précises qui peuvent éventuellement varier selon les pays, les menaces étant parfois différentes. Elles ne prennent pas en compte tous les projectiles, mais seulement les plus courants. Les énumérer serait fastidieux.
Les normes les plus connues des spécialistes sont celles établies par l'organisme américain "National Institute of Justice". L'Europe élabore les siennes.
Cependant, rien n'empêche les grands acheteurs : ministère de la défense, de l'intérieur, etc. de définir des cahiers des charges imposant des niveaux balistiques spécifiques établis selon les besoins des missions.

 

Conclusion

Le domaine des protections balistique est vaste et complexe. Il est illusoire de vouloir le circonscrire en quelques pages. Nous espérons, cependant avoir éveillé votre curiosité .

Le compromis entre le niveau de protection et l'ergonomie d'un gilet pare balles démythifie la protection balistique. Elle apparaît souvent, chez le profane, comme un bouclier universel capable de protéger son porteur contre n'importe quel projectile ; son porteur était, dans l'esprit du non-initié, invincible. On peut avancer une analogie avec le monde de l'automobile : la ceinture de sécurité sauve régulièrement des vies, à condition qu'elle soit sollicitée dans les limites pour lesquelles elle a été étudiée.
Il en est de même d'une protection balistique qui possède ses propres limites. C'est le message le plus important à transmettre.

La recherche dans le domaine de la protection balistique continue. Elle promet des protections plus efficaces et plus légères. De leur côté, les munitions évoluent également. La lutte entre l'armure et l'épée étant loin d'être terminée, les techniques propres à la protection de l'Homme ont encore de beaux jours devant elles.

 

 

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Jean-Jacques DORRZAPF
Expert en balistique
Expert près la Cour Pénale Internationale
SOCIÉTÉ EUROPÉENNE DE BALISTIQUE LÉSIONNELLE EUROBALLISTICS