La poudre noire, également connue sous le nom de poudre à canon, est l’un des plus anciens explosifs chimiques utilisés par l’homme. Inventée en Chine au 9ème siècle, elle a joué un rôle majeur dans l’histoire militaire, la pyrotechnie et l’ingénierie.
La poudre noire est un mélange de nitrate de potassium (salpêtre), de charbon de bois et de soufre, capable de produire une combustion rapide et des gaz qui créent une explosion. Les ingrédients doivent être broyés finement et mélangés avec soin. Après le mélange, la poudre est pressée pour former des blocs solides, puis granulée pour obtenir des grains de taille uniforme. Ces grains permettent une combustion plus régulière.
Les grains de poudre noire sont ensuite séchés pour éliminer toute humidité résiduelle, ce qui augmente leur stabilité et leur performance. La poudre noire brûle selon une réaction chimique qui produit principalement des gaz et de la chaleur. Le nitrate de potassium libère de l’oxygène, qui réagit avec le carbone du charbon de bois pour former du dioxyde de carbone (CO₂).
Au début de son histoire, la fabrication de la poudre noire n’était pas une opération simple. Les produits de base contenaient de nombreuses impuretés et les mélanges étaient effectués dans des proportions arbitraires, dans l’état naturel des produits, grossièrement pilés et brassés à la main. Les Arabes furent les premiers à apporter à la poudre noire une amélioration importante en utilisant des produits purifiés notamment le salpêtre auquel ils appliquaient un traitement à base de cendres de bois.
La transformation du salpêtre naturel en nitrate de potassium à peu près pur représente une amélioration considérable de la poudre noire qui, de poudre « lente » devient une poudre « vive » à la combustion plus rapide constituant un véritable produit explosif déflagrant pouvant propulser des projectiles à grande vitesse dans un tube principe de base de toute arme à feu.
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Au XIVe et au XVe siècle, en Occident, la composition de la poudre était de 6 parties de salpêtre pour une partie de soufre et une partie de charbon de bois. C’est le charbon utilisé pour sa fabrication qui fait la qualité de la poudre. Pour cela, on utilise du bois de peuplier, d’aulne ou de tilleul. Par distillation à 3 500 °C, on obtient du charbon noir (poudre de guerre). Par mesure de précaution, on broyait séparément le mélange de soufre et de charbon jusqu’à obtention d’une poudre homogène.
Jusqu’au XVIIe siècle, malgré les soins apportés à sa fabrication, la poudre noire n’était jamais totalement homogène. Cela nuisait beaucoup à ses performances et notamment à celle de produire une combustion « vive » c’est à dire rapide. Au début du XVIIIe siècle, les chimistes eurent l’idée de produire une poudre sous forme de grains. La combustion ne se faisait plus seulement dans la masse de la poudre mais, du fait de la granulation, elle se faisait également dans les interstices. Elle se propageait donc avec plus de rapidité et de régularité.
La taille des grains variait en fonction de l’usage prévu : plus les grains étaient petits, plus la combustion était rapide. Au XVIIe siècle, en France, la production de poudre était assurée par la « Régie royale des poudres et salpêtres » exerçant un droit exclusif pour le compte du roi. En 1775, Antoine-Laurent de Lavoisier assure la direction de la « Régie royale des poudres et salpêtres ».
La composition de la poudre résulte du mélange ternaire soufre, salpêtre et charbon de bois. La proportion de ces composants a été modifiée suivant l’époque et les usages. Le salpêtre variant de 40 % à 80 %, le soufre de 10 % à 30 % et le charbon de 12 % à 30 %, la provenance végétale de ce charbon varie selon les recettes.
Au Moyen Âge européen, la composition de la poudre noire est abordée par plusieurs auteurs. Pour Marcus Graecus la poudre noire se compose d’une partie de soufre, deux parties de charbon de bois pour six parties de salpêtre. Roger Bacon vers 1248-57, décrit la préparation de la poudre noire. Albert le Grand décrit également cette préparation dans un manuscrit du XIIIe s. qui lui est attribué. Le nom de Berthold Schwartz est aussi associé à l’invention de la poudre.
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En Occident, l’utilisation de la poudre noire dans une arme à feu est mentionnée dans un manuscrit anglais de 1326. Au milieu du XVIe s., la formule de la poudre se retrouve dans des ouvrages dont la Pirotechnia de Vanoccio Biringuccio. La production d’une poudre de bonne qualité nécessite de satisfaire à plusieurs conditions : les matières premières, le charbon de bois et le soufre doivent être de bonne qualité, le salpêtre (nitrate de potassium) doit être le plus pur possible.
Le broyage, le mélange, la granulation, le conditionnement, le stockage et l’expédition de la poudre nécessitent des conditions de sécurité. Car en raison de son instabilité, la poudre noire est susceptible d’exploser accidentellement au cours de sa fabrication ou lors de son stockage. Jusqu’au XVIIe s., la qualité de la poudre n’était pas constante. Pour remédier à cet inconvénient, on utilisa progressivement la poudre sous forme de grains. Sous cette forme, le front de flamme se propage, non plus dans la masse de l’explosif mais dans ses interstices.
Les trois composants sont des produits solides réduits en poudre et intimement mélangés, la réaction chimique est provoquée par une élévation locale de température, elle se traduit par une oxydation exothermique du charbon et du soufre, l’oxygène étant fourni par le salpêtre (nitrate de potassium). Il est à noter que cette réaction d’oxydation ne nécessite pas d’apport d’oxygène gazeux.
La réaction chimique exothermique est mal définie, plusieurs formulations ont été proposées :
À côté des résidus solides, les corps gazeux formés à haute température, l’oxyde de carbone, le dioxyde de carbone, l’eau et l’azote représentent un volume de 300 litres de gaz par kg pour un mélange stœchiométrique. Il y a explosion si le produit est confiné. La mise à feu d’un tas de poudre à l’air libre ne produit qu’une combustion vive fusante. Lors de la réaction chimique d’un tel mélange en milieu confiné, les produits gazeux subissent une très rapide expansion de volume ; cela provoque la création d’un front d’onde de pression (onde de Friedlander). La vitesse de ce front d’onde détermine la classification des explosifs déflagrants ou brisants.
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La poudre noire est classée dans la catégorie des explosifs déflagrants. Plus tardivement seront inventés des explosifs brisants (dont le régime de détonation est régi par un front d’onde plus rapide).
Deux types d’effets sont à l’origine des particularités et usages de la poudre, tout d’abord l’effet de brisance résultant de l’action de l’onde de choc suivi ensuite de l’effet de poussée, conséquence de l’expansion du volume gazeux produit. Le résultat obtenu dépend de la résistance des matériaux de l’enveloppe contenant la charge vis-à-vis de ces deux effets, la pression s’exerçant de préférence vers la zone de moindre résistance. Tous les usages de la poudre sont paramétrés par ces trois données, brisance, poussée et résistance de « l’enveloppe », deux sont propres à la réaction chimique et la dernière est liée aux caractéristiques de l’environnement immédiat du milieu réactionnel.
Il est à noter que dans tous les cas la poussée est un effet recherché, l’effet de brisance peut être souhaité ou craint.
Selon les principes suivant, les conditions de mise en œuvre de la poudre et les caractéristiques du contenant déterminent les principes des divers usages dont on peut retenir huit cas principaux :
Dans ce cas, le confinement et la résistance de l’enveloppe conduisent à un échappement de projectile vers la zone de moindre résistance. Le contenant est fabriqué en matière résistante à l’onde de choc et à la poussée et un projectile est utilisé. L’effet de brisance doit être contré. La poussée des gaz est recherchée et utilisée comme énergie propulsive. L’orifice est dimensionné aux caractéristiques du projectile afin de produire l’effet maximum, un bourrage limité accentue l’effet de propulsion en favorisant la compression par réduction de la durée de poussée. L’épaisseur et la résistance des parois de l’arme sont proportionnées à l’importance de la charge de poudre et à la taille du projectile. Il est nécessaire d’absorber le recul au départ du coup.
Ici, le confinement est important. Le contenant est fabriqué en matière métallique résistante à l’onde de choc et à la poussée et aucun projectile n’est utilisé. L’effet de brisance et l’effet de poussée sont recherchés ; le contenant doit être stable et résister à la poussée. L’orifice est dimensionné afin de produire l’effet maximum. L’arme est appliquée contre une paroi (porte) qui doit correspondre à la zone de faiblesse et sur laquelle l’effet doit être concentré. L’absence de vide et un calage rigoureux sont essentiels à l’efficacité.
Les sources, en particulier au XVe s., ne distinguent pas toujours les mélanges explosifs de la traditionnelle sape incendiaire. Il est très probable que des charges de poudre noire aient été utilisées vers 1450 à des fins militaires, si l’on se réfère aux croquis de Jacopo Mariano, l’ingénieur toscan connu sous le nom de Taccola. Deux dates sont retenues pour l’usage de ces mines en sape lors des sièges de Sarzanello (Ligurie) en 1487, puis en 1495 de Castel Nuovo à Naples.
L’une des premières utilisations de la poudre noire fut dans les armes à feu et les canons. La poudre noire est un ingrédient essentiel dans la pyrotechnie, utilisée pour créer des effets explosifs dans les feux d’artifice. La poudre noire a également été utilisée pour des travaux de mine et des explosions contrôlées.
Une importante application de ces explosions maîtrisées est la démolition contrôlée des bâtiments en milieu urbain. Là, il ne s’agit pas de casser n’importe comment, mais avec une précision d’horlogerie. Des explosifs minutieusement dosés sont disposés à des endroits bien précis de la structure à démolir, et un délai chronométrique entre les explosions fait que l’immeuble s’effondre sur lui-même.
Dans le civil (90 % des usages), ils sont utilisés pour les travaux publics (terrassement, percement de tunnels) et les carrières, et il suffit de longer les routes de montagne pour voir sur les flancs les restes des tubes percés dans la montagne pour y introduire les bâtons de dynamite. C'est la principale utilisation des bâtons de dynamite, dont le format standard aide à normaliser les outils de percement, et le pouvoir explosif bien connu et régulier aide les artificiers dans leur dosage.
Dans le milieu militaire et tous autres domaines où le but est de tuer par l'impact d'un paquet d'énergie, la guerre, la chasse ou le grand banditisme, ce paquet d'énergie peut être produit par des explosifs selon divers modes. Le plus ancien, le boulet des bombardes. La bombarde, canon très primitif qu'on bourre de poudre noire par la gueule, est supposé envoyer un boulet (de pierre au début) par allumage de la poudre via un petit orifice. La dose de poudre était approximative, l'explosion peu maîtrisée finissait souvent par l'explosion de la bombarde... et de ses artilleurs. Les images de l’époque montrent l’artilleur allumant la poudre avec une longue baguette pour se tenir aussi loin que possible de la bombarde.
La même technique de bourrage par la gueule et de remplissage au pifomètre (appareil de mesure universel pas précis mais toujours disponible) s'est poursuivie avec quelques améliorations avec la diminution du calibre jusqu'à celui d'armes portables (arquebuse, mousquet) puis portatives (fusil, pistolet). Tant que la distance de tir est faible, on peut considérer que la trajectoire est rectiligne et l'énergie de l'explosion ne fait varier que la vitesse du projectile.
Cette observation, valable pour toutes les armes à feu, a conduit, tant pour gagner du temps entre deux tirs que pour améliorer la reproductibilité donc la précision, à assembler le projectile (balle ou obus) et sa dose d'explosif, en créant la cartouche. Ce qui a permis également de créer des armes à répétition (Samuel Colt) puis la mitrailleuse (Richard Jordan Gatling) la terrible "faucheuse d'hommes" de la 1° guerre mondiale.
Il s’agit de résidus d’amorce, résidus de poudre, de fumée, de particules de graisse ou de lubrifiant ainsi que de résidus métalliques provenant du projectile, de la douille et/ou de l’arme. Ils sont produits dès le départ du coup de feu, lorsque le percuteur va percuter la capsule d’amorçage. Les résidus de tirs sont constitués de particules brûlées (entièrement, ou partiellement) et non brulées.
Lorsque les particules solides de l’amorce et de la charge propulsive sortent de la bouche du canon, elles vont refroidir très rapidement du fait de l’expansion très rapide des gaz contenant ces résidus. Les composées de l’amorce, vont alors se condenser et former des particules caractéristiques plus ou moins sphériques d’un diamètre entre 0,1 et 40micromètres.
Les résidus d’amorce sont constitués essentiellement de métaux lourds (Baryum, Antimoine, Plomb) alors que les résidus de poudre sont des résidus organiques, majoritairement des composés nitrés (nitrates, nitrites etc.). Les résidus de fumées sont composés principalement de carbone, mais peuvent contenir des métaux vaporisés provenant de l’amorce, du projectile ou de la douille.
Lors du départ d’un coup de feu, les gaz de combustion se détendent principalement par la bouche du canon, ainsi que par tous les espaces non hermétiquement fermés de l’arme. Pour les revolvers, les résidus de tirs s’échappent par deux zones principales : au niveau de la bouche du canon et entre le barillet et le canon. Pour les pistolets, les gaz d’expansion sortent au niveau de la bouche du canon mais aussi par la fenêtre d’éjection de la douille au niveau de la main du tireur. Pour les armes longues, la répartition des résidus de tirs s’opère principalement au niveau de la bouche du canon.
La forme, l’intensité et l’aspect de l’empreinte des résidus de tirs sur la cible dépend de nombreux facteurs dont :
Considérant l’ensemble de ces paramètres, la Police Technique et Scientifique doit être en mesure d’estimer une distance de tir et de déterminer si une personne a tiré ou non avec une arme. Pour cela des méthodes optiques, chimiques et instrumentales sont utilisés afin de mettre en évidence ces résidus.
Les méthodes optiques consistent à visualiser sur une cible les résidus de tirs à l’œil nu ou à l’aide d’un macroscope, sous différents éclairages et agrandissements. Dans le cas où la couleur du support peut gêner la visualisation des résidus de tirs (cible de couleur sombre ou contamination par du sang), une observation sous lumière infra-rouge est recommandée.
Les procédés chromophoriques se basent sur des réactions chimiques engendrant la coloration des particules de résidus de tirs. La plupart de ces tests chromophoriques ne sont pas spécifiques aux résidus de tirs. En effet, certaines professions comme la métallurgie, la carrosserie, la peinture peuvent provoquer des résultats positifs à ces tests (faux positifs). Les tests chromophoriques sont donc des tests d’orientation.
Il existe un grand nombre de techniques instrumentales permettant la révélation et/ou visualisation des résidus de tirs. Le choix de la technique dépend de la nature organique ou inorganique des résidus, de la rapidité de réponse (temps de la garde à vue ou non) et de l’importance de l’affaire (dégradation, homicides, suicide). Le microscope électronique à balayage (MEB) permet d’effectuer d’excellents examens de la topographie d’une surface en grande partie grâce à une très grande profondeur de champs.
La présence du salpêtre donne à la poudre noire un goût salé. Au XVIIIe siècle, les soldats s’en servaient pour assaisonner leurs aliments lorsque le sel venait à manquer. Elle produit d’abondants résidus solides (sulfure de potassium) qui encrassent les armes. Aussi, au XIXe siècle, les chercheurs tentent de mettre au point une nouvelle poudre ne présentant pas ces défauts. En 1846, le chimiste allemand Christian Schönbein découvre la nitrocellulose. Le coton étant souvent utilisé pour sa fabrication, on l’appelle aussi coton-poudre ou fulmicoton.
En 1884, Paul Vieille, ingénieur principal au Laboratoire Central des Poudres et Salpêtres à Paris, met au point un procédé de gélatinisation de la nitrocellulose à l’aide d’un mélange d’éther et d’alcool. Cette poudre est connue aussi sous le nom de poudre B ou poudre sans fumée. Comme son nom l’indique, elle ne produit pas de fumée. Toutes les poudres sans fumée modernes sont dérivées des poudres inventées par Paul Vieille, modifiées par Alfred Nobel (à partir de la nitroglycérine).
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