projectiles et gyrostabilisation

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   Les rayures, la gyroscopie et la gyrostabilisation

La très grande majorité des canons des armes contemporaines sont rayés, ceci est valable depuis l'arme de poing jusqu'au canon de marine. Les canons non-rayés sont dits lisses. Une rayure (groove prononcé "grouve") parcourt toute la longueur du canon en son intérieur, en tournant autour de l'axe du canon, et forme ainsi une sorte d'ellipse. Suivant l'arme, le nombre de rayures varie de 4 à 6. Ces rayures servent à mettre le projectile en rotation. Une partie de l'énergie procurée par la combustion de la charge est donc dédiée à la rotation du projectile dans les rayures. Donc, l'énergie mise à la seule disposition de la vitesse du projectile est réduite par rapport à celle d'une même munition utilisée dans une arme avec un canon lisse. Energie totale = énergie dédiée à la projection de la balle + énergie dédiée à l'entretien de la rotation de la balle. Puisque sur un canon rayé la portée du projectile est réduite, pourquoi les canons rayés sont-ils si répandus et appréciés?

Il faut alors expliquer ce qu'est la gyroscopie.
Lorsqu'un corps est en rotation autour de son axe d'inertie, il devient alors très difficile de le déstabiliser. C'est pour cette raison qu'il est plus facile de tenir en équilibre sur un vélo en mouvement (ses roues tournent) que sur un vélo à l'arrêt (ses roues sont immobiles), c'est pour cette raison qu'une toupie reste debout lorsqu'elle tourne sur elle-même alors qu'elle tombe une fois stoppée, et c'est aussi pour cette raison qu'il est plus facile pour un basketeur de tenir un ballon en rotation au bout de son index plutôt qu'un ballon immobile. Ce phénomène s'appelle la gyroscopie. Dernier test à réaliser soi-même : tenir une roue de vélo à bout de bras par chacune des extrèmités de son axe, vérifier qu'il est aisé de chavirer, bousculer et basculer la roue, et ensuite repratiquer après avoir mis en rotation la roue.
Les gyroscopes exploitent ce phénomène. Ces instruments de mesure sont utilisés dans les bateaux, les avions et les sous marins pour indiquer la direction dans les 3 axes de l'espace suivant un repère fixe par rapport à la terre. Les gyroscopes sont équipés de 3 corps en rotation chacun sur l'un des 3 axes de l'espace, ainsi quels que soient les changements de trajectoires, ils indiqueront toujours les 3 directions sur lesquelles ils ont été câlés au moment de leur réglage. Ils se comportent comme 3 boussoles sauf qu'ils sont insensibles aux masses ferromagnétiques (comme celles des carlingues et des coques). Sur un corps, la gyroscopie est d'autant plus prononcée que la masse est grande et que la vitesse de rotation est grande.

Pour revenir aux projectiles d'arme à feu : les rayures imposent une rotation au projectile, cette rotation est conservée par inertie même une fois le projectile éjecté du canon. Grâce à l'effet de gyroscopie, le projectile est beaucoup moins sensible à toute tentative de modification de sa trajectoire que pourraient lui imposer le vent, la pluie, les feuillages, etc ... Le projectile est gyrostabilisé. Voilà donc l'intérêt des rayures : elles augmentent la précision du tir. Des balles tirés par un canon rayé pointé dans une certaine direction et dans un environnement instable arrivent toutes dans une certaine zone. Les mêmes balles (issues des mêmes munitions) tirés par un canon lisse pointé dans une certaine direction et dans le même environnement arrivent dans une zone plus large, elles sont plus dispersées. Les rayures diminuent la dispersion (avantage) mais elles diminuent aussi la porté (inconvénient).

C'est pourquoi les récents canons qui équipent les obusiers de 155mm 52calibres et certains chars (Leclerc, Leopard II et M1 Abrams) sont lisses. Il y a là un conflit de technologie. Les configurations suivantes en vigueur sur les armes lourdes présentent leurs avantages et leurs inconvénients:

Type de projectile :

Projectile plein calibre
(obus traditionnel)
Type de projectile :

Projectile flèche
(diamètre de la flèche très inférieur au diamètre intérieur du canon)

Type de canon :

Canon lisse (installé sur la plupart des armes récentes)
Inconvénient, l'absence de rotation de l'obus entraine une dispersion, il est alors nécessaire d'utiliser des obus stabilisés par ailettes (fins prononcé "fïnsse") (ou empennage). La stabilisation par ailettes est moins bonne que celle par gyroscopie. Idéal, la flèche n'a pas besoin d'être mise en rotation pour être stable, sa forme l'en dispense. La porté n'est donc pas affectée.
Type de canon :

Canon rayé
Idéal, la dispersion est faible mais la porté est (relativement) faible. Gênant, il est conseillé d'équiper les munitions de ceintures dérapantes pour empêcher les projectiles de "modre" sur les rayures.




Inconvénients et avantages des projectiles suivant le type de canon




La mise en rotation du projectile présente d'autres contraintes. Ainsi le moindre défaut d'homogénéité de la matière du projectile crée un balourd, qui met en vibration le projectile lorsqu'il est en rotation sur lui-même. Et évidemment ces vibrations perturbent la trajectiore. Autre inconvenient, un corps en rotation à grande vitesse dans l'air tend à vouloir "rouler" sur l'air tel une roue sur la route. De plus, si un vent perpendiculaire à la trajectoire de la balle est présent, il tend aussi à dégager la balle de sa trajectoire prévue en créant des pressions inégales à la surface de la balle. Par exemple, un vent horizontal souffle perpendiculairement sur la trajectoire elle aussi horizontale d'un projectile en rotation sur lui-même, les pressions de l'air en haut et en bas du projectile sont différentes, le haut aspire le projectile et le bas le repousse (ou inversement suivant les sens du vent et de rotation du projectile). Tout ceci impose des compromis sur les dimensions du projectile, sur sa forme, sur la qualité de sa fabrication, sur son revêtement, sur l'aspect de sa surface, sur sa vitesse de rotation et sur sa vitesse de "voyage". Oui, une munition n'est pas aussi simple qu'elle n'en a l'air !

Quelques chiffres : le pas des rayures sur une arme individuelle peut être de 35cm, c'est-à-dire qu'elle fait un tour dans le canon sur une distance parallèle à l'axe du canon de 35cm. Le pas peut être supérieur à la longueur du canon. Dans le cas des 35cm, une balle tirée à 400m/s tourne sur elle-même à 400m/s / 0,35m/tour = 1143tours/s soit 68571tours/mn.

Les projectiles portent les traces des rayures, ces traces servent beaucoup à identifier l'arme qui à tiré un projectile.

Une charge de poudre trop importante fait déraper le projectile sur les rayures


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