Nécessité d’une mise à niveau des performances terminales des systèmes d’armes de génération antérieures ayant perdue leur pertinence afin de redonner rapidement aux forces armées une masse, et à la diplomatie un levier, par la mise à disposition d’un matériel modernisé.

Solutions apportées :

Pour ce faire, une mise à niveau par l’élargissement de l’offre de munitions antichar, rétrocompatibles avec les systèmes d’armes legacy au calibre 105 mm; peut être réalisée. L’adoption d’une munition à chambre séparée suivant l’innovation décrite dans le brevet FR 22 04909 doit permettre le gain de performance terminale nécessaire à un retour au premier rang des chars Leopard 1, AMX 30 et Abrams de première génération dans le contexte d’un conflit de haute intensité. L’implémentation d’une nouvelle munition est aussi une opportunité de modernisation des moyens de production par l’adoption de procédés de fabrication globaux en phase avec le tissu industriel des pays développés comme le montre l’innovation protégée par le brevet FR 24 11345 tout en garantissant une mise au standard de sécurité MURAT / STANAG 4439 des munitions nouvellement produites.

Informations commerciales :

Brevets : FR 22 04909 et FR 24 11345

Pays protégés : Europe + États-Unis + Israël + Corée du Sud

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Compromis entre la nécessité d’une augmentation des performances terminales, la compatibilité avec des régimes de tirs liés à la saturation, l’assurance d’une disponibilité en masse des armes et des munitions nécessaire à la souveraineté.

Solutions apportées :

Combinaison des innovations présentées dans les brevets FR 22 04908, FR 22 04909 dont la complémentarité permet la création d’une solution permettant un gain significatif des performances terminales sans sacrifice de la versatilité de l’armement individuel de petit calibre de par le cumul des améliorations de la gestion des sollicitations thermiques et mécaniques du canon. L’implémentation d’un nouveau couple arme et munition est aussi une opportunité de modernisation des moyens de production par l’adoption de procédés de fabrication globaux en phase avec le tissu industriel des pays développés comme le montre l’innovation protégée par le brevet FR 24 11345.

Informations commerciales :

Brevets : FR 22 04908, FR 22 04909 et FR 24 11345

Pays protégés : Europe + États-Unis + Israël + Corée du Sud

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Les méthodes de fabrication des munitions à destination des usages militaires (en particulier dans le domaine des armes de petit calibre) n’ont pas significativement évoluées depuis la standardisation de la munition 5,56 x 45 mm dans le milieu des années 1960. Cela est lié à l’étroite relation entre la méthode de production des étuis et les performances obtenues telles que la pression maximale admissible, ou la tenue mécanique de la douille lors de l’extraction.

Cependant, le reste des industries ont, quant à elles, très nettement évoluées dans leurs méthodes de productions, si bien que les procédés mis en œuvre pour la fabrication de munitions à douille métallique monolithique ont étés remplacés par des d’autres moins gourmands en ressources, en énergie et surtout en mains-d’œuvre. Il en résulte que les industries nécessaires à la production des munitions utilisant ces procédés et dont la production est située dans les pays occidentaux ont grandement perdu en compétitivité ce qui a conduit à des délocalisations ainsi qu’à une perte de souveraineté sur les chaînes d’approvisionnement en munitions.

État de l’Art

La production des étuis pour les armes individuelles (calibres 5,56 mm et 7,62 mm, mais aussi .50) est restée figée depuis la fin des années 1960 tout en étant elle-même le résultat d’approches particulièrement conservatrices en terme technologique. En effet, le processus de fabrication implique l’utilisation de presses mécaniques pour réaliser l’étui (ainsi que la chemise du projectile) par étirage à froid entrecoupé d’opérations de nettoyage et de traitements thermiques afin d’éviter la création de contraintes qui provoqueraient un déchirement que ce soit pendant la fabrication, ou lors de l’utilisation de la munition.

Comme le montre les évolutions dans le domaine des armes de moyen et gros calibres, la modernisation des systèmes d’armes et de munitions de manière non réversible, lorsqu’elle implique un changement de calibre, est la circonstance idéale pour permettre une mise à jour drastique des méthodes de productions munitionnaire.

À ce titre, la mise en œuvre de l’innovation protégée par le brevet FR 22 04909 de séparation entre la chambre et le canon peut être jugée suffisamment complexe à l’échelle industrielle pour justifier d’une complète refonte de la méthode de production des munitions. Cela est d’autant plus vrai que pour maximiser la durée de la poussée secondaire, il est nécessaire de maximiser la rétention du propergol en chambre lors du tir par l’utilisation de grains de poudre de dimensions supérieures à la section du col.

Solution Proposée

Pour permettre le remplissage en propergol de la chambre de combustion d’une munition monobloc mettant en œuvre l’innovation protégée par le brevet FR 22 04909, il est utile de réaliser l’étui en plusieurs pièces dont l’assemblage est réalisé après le chargement en poudre propulsive. Pour garantir la solidité de l’ensemble formant le corps de douille en particulier lors de l’extraction suite au tir, une fonction de verrouillage de l’assemblage peut être réalisée par une troisième pièce empêchant le désassemblage du culot et de l’insert dans lequel est formée la tuyère séparant la chambre de combustion du canon.

La matière idéale pour le culot du corps de douille est un acier laqué afin de bénéficier de sa résistance accrue comparée à celle du laiton usuellement utilisé pour les douilles afin de maximiser la pression en chambre en toute sécurité. L’insert dans lequel est formée la tuyère permettant le passage des gaz de propulsion à une vitesse supersonique dans le canon peut être réalisé dans des matières sensiblement plus légères telles que certains plastiques sous condition d’une certaine résistance à la contrainte thermique. Pour ce faire, le recourt à une matière telle que la céramique est possible que ce soit sous la forme d’un composite avec la céramique sous forme de microbilles incluses dans une matrice polymère, ou sous la forme d’un traitement de surface sur les surfaces exposées aux gaz de propulsion.

Deux architectures sont privilégiées :

• Une architecture à culot long et insert court où la chambre de combustion est formée dans le culot. Dans cette configuration, la fermeture de la chambre réalisée par sertissage du culot sur l’insert. Un dispositif de verrouillage externe peut être mis en place.
• Une architecture à insert long et culot court où la chambre de combustion est formée dans l’insert. Dans cette configuration, il est préférable de procéder à un verrouillage interne de l’assemblage au moyen d’un écarteur passant au travers du canal entre l’amorce et la chambre de combustion.

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Le principe même de fonctionnement d’une arme à feu repose sur la poussée du projectile par un gaz sous pression. Ce gaz est obtenu par la combustion d’une charge de propergol à l’intérieur du canon fermé, à l’arrière par une culasse, alors que l’étanchéité entre le canon et le projectile est maintenue soit par un contact direct entre le canon et le projectile, soit au moyen d’une ceinture, soit au travers d’un sabot dans le cas des projectiles sous-calibrés.

La performance d’une arme est souvent assimilée à l’énergie cinétique maximale donnée à projectile en sortie du canon. Indépendamment de la masse du projectile ou de la vitesse initiale souhaitée, pour maximiser les performances de l’arme, il est nécessaire que la pression au culot du projectile soit maximale le plus longtemps possible ce qui implique une pression maximale dans l’ensemble du canon. Ainsi, une augmentation de la performance d’une arme se traduit nécessairement par le fait de soumettre le canon à une sollicitation mécanique plus importante sur l’ensemble de sa longueur.

État de l’Art

La pression maximale de service d’une arme est un paramètre défini lors de la conception d’une munition principalement par la résistance du canon standard qui sera utilisé. Lors de ce processus, de nombreux paramètres sont fixés de manière plus ou moins définitive sous la forme de standards de manière à garantir l’interopérabilité entre les armes et les munitions d’un même calibre en toute sécurité pour l’opérateur.

En ce qui concerne les armes à feu à forte vitesse initiale, l’épaisseur de la paroi du canon, au niveau de la culasse, est souvent supérieure au diamètre interne du canon, ce qui implique que la pression maximale de service est directement liée à la limite élastique de la matière utilisée pour le canon. Ainsi, un concepteur de munition n’a qu’un nombre de limité de pistes pour proposer des munitions à performances améliorées :

• Augmenter la durée de poussée maximale : en allongeant le canon et en augmentant le volume de la douille pour augmenter la charge propulsive, mais surtout en adoptant des géométries de poudre beaucoup plus complexes de manière à ce que la pression maximale soit maintenue plus longtemps malgré l’augmentation du volume disponible pour les gaz de propulsion lorsque le projectile avance dans le canon.
• Augmenter la surface d’appui de cette pression maximale en augmentant le calibre de l’arme et en adoptant un dispositif de sous-calibrage.

Si la qualité des aciers utilisés pour la fabrication des armes à feu a toujours été un moteur de l’amélioration des performances de ces armes, force est d’admettre qu’un pic de performance a été atteint lorsque les aciers développés dans le cadre des programmes nucléaires ont été rendus disponibles à l’industrie de l’armement dans les années 1970-1980.

Solution Proposée

Pour réduire la sollicitation auquel est soumise le canon lors du tir, il est impératif de transformer la répartition de l’énergie au sein de l’ensemble canon, gaz de propulsion, projectile afin de diminuer la part liée à l’énergie thermique des gaz de propulsion au sein du canon dans la mesure où c’est elle qui est responsable de la pression sur les parois du canon. La solution proposée consiste à  maximiser la vitesse des gaz dans l’axe du canon le plus tôt possible dans le canon de sorte à transformer une partie de l’énergie thermique des gaz de propulsion en énergie cinétique.

Pour ce faire, il est nécessaire de procéder à la séparation entre une chambre de combustion, dans laquelle règne une forte pression nécessaire au maintien de la combustion, et le canon dans lequel les gaz de propulsion poussent sur le projectile et principalement sur lui. Le séparateur consiste en une tuyère dite de Laval qui, une fois amorcée, permet aux gaz de propulsion de subir une détente importante avant d’être recomprimé derrière le projectile.

Cette solution offre les avantages suivants :

• Suite à l’amorçage de la tuyère, la répartition de la pression dans le canon passe par un minimum en sortie de tuyère et une recompression progressive le long du canon de sorte que la pression maximale dans le canon est au culot du projectile, cela tant que la tuyère est amorcée.
• Les gaz en sortie de la tuyère, une fois que celle-ci est amorcée, ont une vitesse supérieure à celle du projectile ce qui rend plus efficace la propulsion des projectiles à forte vitesse initiale.
• Une grande partie de la charge propulsive à l’état solide peut être coincée dans la chambre de combustion dont le volume reste constant lors du tir. Cela simplifie la géométrie des poudres nécessaire à l’obtention d’une pression constante dans le temps puisqu’il n’est plus nécessaire de compenser une augmentation de volume par une augmentation de la surface de combustion. Cela permet aussi de minimiser les imbrûlés dans la mesure où la pression en chambre de combustion est fixée par la section du col de la tuyère.

Performances Calculées

Outre la diminution de la pression s’appliquant sur les parois du canon, la mise en place de cette innovation se traduit dans les résultats théoriques par un second pic d’accélération du projectile à l’amorçage de la tuyère. Cela implique une exploitation plus efficace de l’ensemble du canon et donc une vitesse initiale plus importante à longueur de canon égale.

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Une des contraintes deconception des munitions limitant le niveau de performance générale des armes à feu réside dans l’échauffement du canon en particulier pour les armes tirant des munitions à forte énergie à la bouche à des régimes de tirs élevés. En effet, le principe de fonctionnement d’une arme à feu consiste en la propulsion d’un projectile par la pression des gaz chauds générés par la combustion d’une charge propulsive. Cela implique qu’une partie de l’énergie thermique présente dans ces gaz de propulsion est perdue par transfert thermique au travers de la paroi interne du canon ce qui provoque un échauffement significatif de celui-ci.

Les manquements dans la gestion thermique d’une arme se traduisent au mieux par une dégradation de la durée de vie du canon (perte de précision liée à l’avancée de la prise de rayure dans le canon), au pire par une dégradation de la sécurité de l’arme (risque de cook-off, explosion du canon sous les contraintes mécaniques lors d’un tir).

État de l’Art

Pour pallier à la dégradation des performances mécaniques du canon lorsque celui-ci monte en température, un concepteur d’arme doit intégrer des solutions de refroidissement passif ou actif (canon massif remplaçable rapidement, ailettes de refroidissement, puits thermique, refroidissement liquide…), ou à défaut, limiter la puissance des munitions utilisables ou le régime de tir acceptable.

Solution Proposée

Pour réduire la sollicitation thermique du canon d’une manière directe, sans diminuer les performances de la munition, la solution repose sur la formation d’un film protecteur sur la paroi interne du canon lors du passage du projectile dont l’élimination est assurée par les gaz propulsifs. Ainsi, le contact direct entre les gaz de propulsion et le canon est à minima retardé le temps de la dégradation du film ce qui implique que la paroi interne du canon n’est soumise à un transfert thermique important qu’après un délai autorisant une diminution de la température des gaz liée à la détente de ces derniers dans le canon.

Ce film protecteur est formé par le transfert de matière d’un sabot entourant le projectile se déposant sur la paroi du canon par érosion lors du passage du projectile dans le canon. Pour forcer et  contrôler le rythme de dégradation du sabot, et ainsi maîtriser l’épaisseur du film protecteur, le canon présente une conicité impliquant une diminution de son diamètre interne au fur et à mesure de l’avancement du trajet du projectile dans le canon jusqu’à un minimum fixé par le diamètre du projectile.

Pour éviter un encrassement trop important du canon et faciliter l’évacuation du film protecteur lors de chaque tir, la matière pouvant être utilisée pour la fabrication du sabot doit posséder au moins l’une des propriétés suivantes :

• Une température de fusion ou de sublimation inférieure à la température atteinte par les gaz de combustion présents dans la section conique du canon lors du tir.
• Une composition chimique complémentaire à celle des gaz de propulsion de sorte que la mise en contact des deux soit propice à une réaction chimique dont les produits sont à l’état gazeux.
• Contienne une forte proportion en propergol à faible vitesse de combustion et dont la température de combustion est relativement basse.

Performances Calculées

La mise en œuvre de cette innovation permet d’atteindre un niveau de performances en termes de vitesse de projectile à la bouche du canon sensiblement supérieure à celle obtenue par un canon standard de même longueur, et potentiellement du même ordre que celle d’un projectile sous-calibré utilisant un sabot en aluminium dans un canon droit au diamètre initial du canon conique.

L’article Réduction de la sollicitation thermique du canon : FR 22 04908 est apparu en premier sur Initial Velocity Lab - Saint-Louis.