BALISTIQUE

Balistique intérieure

Charges propulsives

La balistique intérieure s'intéresse uniquement au canon et à la fusée qui ont en commun l'emploi, comme source d'énergie propulsive, d'un propergol qui agit habituellement par expansion contrôlée ou directe de gaz chauds. Les propergols peuvent être des substances gazeuses, liquides, solides ou le mélange des trois. Cependant, en raison des difficultés de stockage, les propergols les plus employés sont solides ou liquides. Le contrôle de la combustion des propergols liquides s'effectue au moyen de mécanismes auxiliaires qui règlent la quantité de carburant admise dans la chambre de combustion.

Pour les propergols solides, toute la masse est contenue dans la chambre de combustion dès la mise à feu. La combustion est contrôlée par la forme géométrique des grains ou des blocs de poudre. Lors de la mise à feu d'une charge, la combustion se produit sur toutes les surfaces de façon uniforme. Ainsi, toutes les surfaces reculent à la même vitesse et il est possible d'obtenir une série de relations qui caractérisent le débit des gaz émis par la poudre en fonction de sa géométrie initiale, de sa nature, de la géométrie évolutive du grain et de la pression extérieure. Dans la pratique, on recherche des poudres parfaitement progressives que l'on obtient en donnant aux grains des formes convenables en pratiquant, par exemple, des perforations. Il y a une certaine analogie entre les différents systèmes de propulsion utilisant la poudre que sont le canon classique, le canon sans recul et la roquette. En effet, on passe du canon classique au canon sans recul par aménagement d'une tuyère à la partie arrière de la culasse, du canon sans recul au système de propulsion par moteur fusée par liaison du projectile à la chambre à poudre (qui devient le propulseur) et par la suppression du tube. Les problèmes de balistique intérieure d'un canon présentent donc une certaine similitude avec les problèmes de balistique intérieure des moteurs fusées. Dans tous les cas, il s'agit d'équilibrer deux débits de gaz : l'un correspond à l'émission des gaz lors de la combustion de la poudre, l'autre à l'écoulement des gaz qui poussent le projectile ou qui s'écoulent par une tuyère.

Selon les systèmes employés, le rendement, c'est-à-dire l'énergie utilisée, diffère d'une part par les valeurs des pressions mises en jeu (jusqu'à 600 MPa pour le canon, 100 MPa pour le canon sans recul, 50 MPa pour la roquette), d'autre part par les masses de poudre nécessaire ; quand il faut un kilogramme de poudre avec un canon classique pour amener une charge utile sur un objectif, il en faut 3 avec un canon sans recul et 4 avec une roquette.

Balistique intérieure des canons

La balistique intérieure étudie les phénomènes qui se produisent dans une bouche à feu avant l'éjection du projectile, tels que les variations de pression entre les différents points de l'arme et la vitesse d'éjection du projectile. Schématiquement, l'effet canon est produit par la combustion à l'intérieur d'une chambre d'une certaine masse de poudre. La chambre se prolonge par un tube cylindrique, le canon, dans lequel se déplace un projectile sous l'action de la pression des gaz. La vitesse de combustion de la poudre, qui se présente sous forme de grains de géométrie bien définie, croît avec la pression. Cette combustion a tendance à faire augmenter la pression dans la chambre. Lorsque le projectile se déplace dans le tube vers l'extérieur, le volume offert aux gaz augmente. Le mouvement de l'obus a donc tendance à faire baisser la pression.

La courbe de développement des pressions à l'intérieur du canon, pour un fonctionnement normal, peut être décomposée en trois phases :

Pressions à l'intérieur du canon

Courbe de développement des pressions à l'intérieur du canon en fonction de la longueur du tube de ce dernier. 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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– la montée en pression jusqu'à une pression de forcement à partir de laquelle le projectile commence son mouvement ;

– la combustion de la poudre avec un maximum de pression et une pression de fin de combustion ;

– la détente des gaz avec une pression de bouche.

Les problèmes de la balistique intérieure présentent un double aspect : d'une part un aspect mécanique pour l'étude du mouvement du projectile et de la masse reculante, et, d'autre part, un aspect thermodynamique pour l'établissement du bilan énergétique. À partir des données géométriques du canon (volume offert aux gaz, calibre, volume total de l'arme), des données mécaniques (masse du projectile) et des données thermodynamiques (masse de la poudre, propriétés des gaz émis, vitesse de combustion), le « balisticien » va chercher à connaître, en fonction du temps, la vitesse du projectile, la pression, la température, la masse de poudre brûlée ou qui reste à brûler. Il est donc conduit à écrire et résoudre un système de quatre équations :

– l'équation fondamentale de la dynamique c'est-à-dire une relation entre la pression et la vitesse du projectile ;

– les équations d'état des gaz sous la forme de deux relations, une entre la température et la pression, et une entre la vitesse de combustion et la pression ;

– enfin le bilan énergétique par une relation entre la température et la vitesse du projectile.

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