Le ciblage d'un fusil balistique implique de diriger un projectile vers une cible placée à une certaine distance. C'est un domaine complexe influencé par de nombreux facteurs, depuis le moment où le projectile quitte le canon jusqu'à son impact sur la cible.
La partie interne des canons, appelée "âme", se présente généralement sous deux aspects : lisse ou rayée de manière hélicoïdale, à pas constant ou variable.
La forme des projectiles a changé avec le temps. Les premiers projectiles étaient en plomb et de forme sphérique. Le principe était simple, et les premiers canons étaient lisses.
Lors de leur trajet dans le canon lisse, les balles sphériques, de par leur conception, étaient soumises à des forces de frottements dissymétriques et variables d'un tir à l'autre. Elles sortaient du canon en étant animées d'un mouvement de rotation sur elles-mêmes qui, par interaction avec l'air, faisait sortir leur trajectoire du plan de tir. Elles étaient dotées d'un "effet" semblable à celui observés dans les jeux de balle tel que golf, tennis, footbal ou autre. La différence étant que, dans le domaine du sport, cet effet est recherché et maîtrisé alors que dans les armes enciennes il était aléatoire du fait que les frottements dus à l'interaction entre la balle et l'âme du canon n'étaient pas identiques d'un tir à l'autre.
L'idée fut donc, puisque "effet" il devait y avoir, de le prévoir en imposant une rotation, ou pas, au projectile grâce à des rayures hélicoidales ou rectilignes. Dans le cas de rayures hélicoidales, la trajectoire sortait toujours de la trajectoire mais on savait dorénavant de quelle manière et en quelle proportion.
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Les projectiles actuels ont un axe de symétrie selon leur longueur. Un projectile qui sortait du canon sans rotation se montre parfaitement instable tout au long de sa trajectoire. Pour stabiliser le projectile, on utilise un canon rayé, qui lui impose une rotation sur son axe longitudinal.
On appelle élément moteur d'une arme ce qui lui apporte l'énergie nécessaire à son fonctionnement. Les agents moteurs capables d'apporter à une arme l'énergie nécessaire à son fonctionnement sont variés :
C'est la propulsion à l'aide de substances explosives qui est majoritairement utilisée d'où l'appellation armes à feu. Si ce n'est peut-être pas la plus simple, elle est devenue la plus pratique et permet le fonctionnement aussi bien d'armes de forte puissance que d'autres de faible volume et facilement transportables.
La poudre est utilisée à des fins de propulsion, selon le régime de la déflagration. Elle est issue d'une combustion, c'est-à-dire une réaction d'oxydoréduction active. La poudre noire, composée de salpêtre (13ème siècle), de soufre et de charbon de bois, a été utilisée comme agent de propulsion dans les bombardes pendant près de cinq siècles. Il faut garder à l'esprit que la poude noire est d'un usage relativement délicat. En effet, c'est une substance explosive dont la vitesse de transformation est de l'ordre de 900 m/s soit proche de la limite séparant classiquement les explosifs progressifs fonctionnant dans le mode de la déflagration, dont font partie les poudres, et les explosifs brisants qui, eux, se tranforment dans le mode de la détonation.
Aujourd'hui, on utilise des poudres "sans fumée", bien qu’elles ne soient pas vraiment sans fumée en l’état. Ces poudres sont à base de nitrocellulose et ont un meilleur rendement énergétique. Pour augmenter ce rendement, on ajoute parfois une troisième base, la nitroguanidine. La poudre se présente sous forme de grains de formes variées, dont la forme influence la surface des grains. Plus la surface est importante, plus la quantité de gaz se dégageant en un temps donné est élevée. La forme qui offre la surface minimale est la sphère. La poudre est enfermée dans un étui qui doit posséder des caractéristiques mécaniques importantes et permettre une inflammation rapide.
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L'inflammation de la poudre utilise une amorce placée au culot de l’étui. Cette amorce génère des flammes incandescentes qui vont enflammer la poudre. À partir de cet instant, la combustion de la poudre n’est jamais complète, et des résidus peuvent interférer en certains points, notamment sur le culot du projectile.
Le projectile subit plusieurs forces pendant son trajet dans le canon. L'étanchéité entre le projectile et l'âme du tube génère des frottements importants. Dans les canons rayés, il existe également des frottements projectiles/rayures. On peut décomposer les frottements en différentes composantes, et on appelle FR la force résultante de tous les frottements qui s'oppose à l'avancée du projectile.
Les phénomènes concernant la production des gaz et leurs actions sur le projectile sont complexes. La combustion de la poudre n'est pas instantanée. On peut simplifier le problème en considérant que les gaz constituent un milieu continu et en supposant une densité de gaz uniforme de la culasse au culot du projectile.
Le projectile est soumis à des forces, dont la force FG due à l'action de la pression engendrée par les gaz, dirigée vers l'avant, et la force FR de résistance à l'avancement, dirigée vers l'arrière. La force résultante appliquée au projectile est appelée FP.
À mesure que le projectile avance, FG décroît. À un certain moment, très bref, nous avons l'égalité des forces FR et FG.
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Les frottements dans le canon ne sont pas constants. Ils sont particulièrement importants au moment de la prise de rayures et de leurs gravures dans la chemise du projectile ou la ceinture s'il s'agit d'un obus. Cependant, une fois ce passage difficile effectué, on peut admettre, sans nuire à la généralité, l'hypothèse qu'ils sont constants, ou prendre une valeur moyenne, pour le reste du trajet dans le canon.
On souhaite aboutir à une relation où la place de chaque paramètre nous permettra de comprendre comment il agit sur la vitesse de sortie du projectile. À ce niveau d'étude, peu nous importe la manière dont ce paramètre varie finement. L'important est de comprendre comment il agit globalement. Nous nous plaçons donc dans l'optique d'une analyse qualitative. On a vu que notre étude débute une fois que la prise des rayures a eu lieu et qu'à partir de ce moment nous considérons les frottements comme constants.
La relation ci-dessus présente l'avantage que la force moyenne* FGmoy peut être réellement calculée dès lors que l'on connait la masse du projectile, sa vitesse à la bouche et la longueur du canon. * Nota : Il faut prendre garde qu'introduire une force moyenne implique de facto une pression moyenne. Il faut bien comprendre que ces hypothèses n'ont qu'une seule utilité : la compréhension du phénomène. Il ne faudrait pas utiliser ces valeurs moyennes dans le calcul de la résistance d'une arme. En effet, les moyennes ont tendance à lisser les courbes à "raboter" les pics et combler les creux.
Cette équation est le résultat de calculs mathématiques. Il faut maintenant l'utiliser dans le contexte de la physique, de la balistique. Il est important de comprendre qu'elle nous donne des informations concernant l'influence de certains paramètres sur la vitesse du projectile à la bouche de l'arme. Il ne faudrait pas la considérer comme une fonction donnant la variation de la vitesse du projectile dans le canon. D'ailleurs, ni le temps, ni la distance n'apparaissent dans l'équation. Pour faire simple, il ne faut pas trop lui en demander.
La difficulté intervient lorsque nous envisageons le cas où FG < FR,. C'est notamment le cas lorsque, dans des canons trop longs pour la puissance de la munition, la vitesse du projectile passe par un maximum puis décroît. On observe d'ailleurs ce phénomène sur certains lanceurs de balles de défense déclinés en version "canon(s) long(s)" et "canon(s) court(s). Dans cette éventualité, notre équation nous envoie dans un monde imaginaire mathématiquement parlant. En effet, dans ce cas le terme sous le radical est négatif et il n'y a pas de solution dans l'ensemble des nombres réels. Le domaine d'existence de notre relation commence à zéro et, ces préliminaires posés, on peut voir quelles sont les informations qu'elle nous fournit.
Si l'on analyse mathématiquement l'équation 2 ou 3, on en déduit que la vitesse du projectile à la sortie de du canon est d'autant plus élevée que la pression moyenne, la section du culot du projectile et la longueur du canon sont elles-mêmes élevées. Si cette équation est intéressante pour la compréhension du phénomène, il faut néanmoins, on l'a déjà dit, la remettre dans le contexte physique, définir ses limites au sens balistique et analyser chacun des paramètres.
La pression moyenne P ne peut pas être constante. Même en régime adiabatique (pas d'échange avec l'extérieur) le volume à l'arrière du projectile croît en même temps que ce dernier se déplace vers l'avant et la pression diminue forcément, une fois que toute la poudre est brûlée (Figure II-3/2). La longueur du canon L ne peut pas être aussi grande que l'on veut. Il y a une longueur optimum au delà de laquelle la force, générée par la pression des gaz, qui accélère le projectile, devient plus faible que les forces de frottement tendant à le freiner. Au delà d'une certaine longueur de canon la vitesse de sortie du projectile diminue. Elle peut même devenir nulle, le projectile restant dans le canon. D'où l'intérêt d'utiliser la bonne vivacité de poudre en fonction de la longueur du tube. On évite ainsi un gaspillage d'énergie (toute la poudre brûle avant la sortie du projectile) et, en même temps, le projectile sort avec sa vitesse maximum (Figure II-3/2).
Revenons sur la section du culot A et de la masse du projectile mp. On constate que, tous les autres paramètres étant fixés, si l'on augmente la section du culot du projectile en ne modifiant pas ou très peu sa masse, on obtient une vitesse à la bouche plus élevée. Jusqu'à maintenant nous avons envisagé l'action de la force FG due aux gaz comme faisant avancer le projectile vers la bouche de l'arme en luttant comme les frottements.
Sur sa trajectoire la stabilité du projectile est assurée par effet gyroscopique. La vitesse de rotation ω à la bouche de l'arme peut être obtenue à l'aide de deux formules. On utilise l'une ou l'autre selon que l'on connaît le pas des rayures ou leur angle α par rapport à l'axe du canon.
Précisons que l'accélération de rotation existe dès la prise des rayures. Il n'est point nécessaire que le projectile ait parcouru une distance équivalente à un pas des rayures pour avoir sa vitesse de rotation définitive. D'ailleurs, dans les formules ci-dessus, la longueur du canon n'intervient pas. En clair, deux projectiles ayant la même vitesse à la bouche ont la même vitesse de rotation qu'il soient tirés dans un canon de 2 pouces ou 4 pouces dès lors que les deux canons de longueur différente sont rayés au même pas, par exemple de 25 cm.
La quantité de mouvement du projectile et des gaz à la bouche de l'arme sont les deux facteurs principaux intervenant dans le phénomène de recul de l'arme. Quand nous parlons de ces quantités de mouvement "à la bouche", il faut entendre juste avant que le projectile ne quitte le canon.
Contrairement au calcul de la quantité de mouvement du projectile qui est aisé car nous connaissons, par la mesure, sa vitesse à la bouche de l'arme, nous ne pouvons pas mesurer la vitesse de la veine gazeuse. Si l'on souhaite un calcul qui ne soit pas trop compliqué, on doit envisager quelques hypothèses simplificatrices.
En effet, une analyse de ce qui se passe dans le canon à l'arrière du projectile nous amène à la constatation suivante. On garde l'hypothèse simplificatrice de l'homogénéité de la veine gazeuse et on la découpe, perpendiculairement à l'axe du canon, en tranches très fines ; on saucissonne cette veine gazeuse en tranches aussi fines que l'on veut et on regarde ce qui se passe. Il est clair que la tranche de gaz au contact du culot du projectile à la même vitesse que ce dernier mais la tranche de gaz au contact de la culasse ou du fond de l'étui à une vitesse nulle. Entre ces deux tranches extrêmes, toutes les autres ont une vitesse différente selon leur position dans le canon. On résout cette dificulté en considérant non plus la vitesse de chacune des tranches de gaz mais celle du centre de gravité de la veine gazeuse. La position du centre de gravité de la veine gazeuse doit être connue puisque c'est sa variation qui donne sa vitesse.
Comme chacun le sait, la vitesse initiale d'une balle est un facteur d'importance fondamentale qui détermine sa trajectoire. Par conséquent, il est nécessaire pour le tireur de connaître la vitesse de la balle afin de savoir ou viser et comment ajuster son tir. La meilleure évaluation de la vitesse est obtenue en effectuant des mesures minutieuses avec les munitions destinées à l’arme et de préférence, approximativement, à la température habituelle d’utilisation de ces munitions mais il existe des tables qui en sont en général mises à dispositions des tireurs par les firmes qui fabriquent les balles ou les ogives.
Un certain nombre de facteurs aléatoires inévitables, d’un tir à l’autre (entre tirs), entraînent une variation de la vitesse initiale et affectent le mouvement propre du projectile de manière imprévisible. Le tireur réduira donc au minimum cette variation aléatoire par le choix des munitions qui auront démontrés leur régularité et leur groupement au cours des mesures rigoureuses de vitesse.
Le coefficient balistique d'une balle est la mesure de sa capacité à se déplacer dans l'air avec une résistance minimale. Cette résistance s'appelle la traînée aérodynamique, et son effet le plus significatif est de réduire la vitesse de la balle et d’augmenter de ce fait son temps de vol.
Une augmentation du temps de vol augmente la chute verticale de la balle par rapport à sa ligne originale de départ, et donc elle augmente également la correction verticale ou l'ajustement exigé pour atteindre des cibles à différentes distances.
Un autre résultat important de la traînée aérodynamique est qu'elle rend la balle susceptible de débattement au vent, qui est un changement horizontal de la direction dans la trajectoire de la balle, provoqué par le vent soufflant par le travers de la ligne de visée. Contrairement à ce que beaucoup de gens supposent, l'effet du vent de travers sur le chemin de la balle ne dépend pas principalement du temps de vol de la balle, mais de la durée pendant laquelle la balle est retardée dans sa trajectoire vers la cible par la traînée aérodynamique.
L'effet de Coriolis sur la trajectoire d'un projectile est une conséquence de la rotation de la terre et du fait que la surface de la terre soit courbée plutôt que plate. L'importance et la direction de l'effet de Coriolis dépendent de la situation de l’arme (sa latitude) et de la direction horizontale (azimut) selon laquelle l’arme est orientée.
Dans la description de la répartition des impacts sur une cible, la dispersion (l’inverse du groupement) se rapporte à la dispersion des projectiles autour du centre du point visé. Une petite dispersion est synonyme de ce qui s'appelle généralement la bonne précision et une grande dispersion est synonyme de ce qui s'appelle généralement précision faible.
Les causes de la dispersion sont parfois divisées en deux classes. La première, qui peut s'appeler l'erreur de visée se rapporte à des erreurs dans la direction dans laquelle l’arme était alignée lors du départ du coup. La dispersion balistique dépend principalement de la qualité du fusil et des munitions.
Les performances du système arme/munitions ne peuvent pas être transposées aux longues distances à partir des groupements obtenus aux courtes distances, parce que la dispersion verticale aux longues distances dépend très fortement de la variation de la vitesse initiale entre chaque tir, tandis que l'exactitude à courte portée est souvent tout à fait peu sensible à ces variations de vitesse.
Les informations sur les conditions d’environnement doivent être fournies par le tireur ou par son observateur. Les divers éléments de cette information sont plus ou moins importants, selon / en fonction de la distance de la cible et de l'importance relative de l'effet de chaque élément de la trajectoire. La vitesse initiale, le coefficient balistique, la distance, les conditions de vent et la vitesse de la cible (dans le cas d'une cible mobile) ont des effets relativement grands tout au long de la trajectoire depuis l’arme jusqu’à la cible et doivent donc être connus le plus exactement.
L'humidité relative affecte les performances d’une balle parce qu'elle affecte la densité de l'air dans lequel la balle vole. Contrairement à ce que beaucoup de gens supposent, l’air humide est moins dense que l'air sec dans les mêmes conditions de température et de pression barométrique, parce que le poids moléculaire de l'eau est moins grand que les poids moléculaires des principaux gaz composant l'air que nous respirons (79% d'azote et 21% d'oxygène) et qui composent notre atmosphère. L'effet de l'humidité sur les performances des balles est petit par rapport à d'autres facteurs influents. L’humidité relative à un plus grand effet sur la densité d'air à température élevée qu'à basse température, mais même à 32°C, la différence de densité entre l'air complètement sec et l'air complètement saturé est seulement de 0,1%.
tags: #ciblage #fusil #ballistique
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