Brevet FR2659735A1 — publié le 19910920

L'invention concerne un projectile hypersonique à effet cinétique comportant une enveloppe extérieure à l'intérieur de laquelle est logé un produit en vrac lourd constituant un corps formant masse. L'invention concerne également un procédé pour la réalisation d'un tel projectile. Au cours de la phase finale de la seconde guerre mondiale, on a introduit, côté allemand, un projectile à effet cinétique qui ne comportait pas comme habituellement, un noyau réalisé sous la forme d'un pénétrateur présentant la résistance nécessaire à la perforation d'un blindage, mais au contraire un corps à effet cinétique en poudre de pechblende, d'autres éléments du projectile devant assurer la fonction de pénétrateur, en l'occurrence l'enveloppe extérieure. Le but de cette conception n'était toutefois pas l'amélioration de quelconques propriétés balistiques du projectile, mais bien plus de pallier la pénurie de matériau régnant à cette époque; l'effet de perforation de blindage de tels projectiles était nettement plus mauvais que celui de projectiles à noyau en acier ou en tungstène, courants à l'époque, et dont le noyau était capable de résister à l'impact pratiquement sans subir de refoulement et donc sans augmentation de sa section. L'invention se rapporte, à l'inverse de ces projectiles historiques précédemment cités, à un projectile à vitesse hypersonique, dont la vitesse se situe dans le domaine des vitesses hypersoniques (environ 2500 ms-1 ou plus). Le but de l'invention est de développer un projectile du type de celui mentionné en introduction, de manière à ce que dans le domaine des vitesses hypersoniques, il transmette une énergie la plus importante possible à une cible. Ce but est atteint conformément à l'invention, en ce que l'on s'inspire des particularités du projectile connu, mentionné en introduction et qui techniquement n'a jamais été avantageux, pour les développer par les caractéristiques suivantes, à savoir que sensiblement la totalité de la chambre intérieure délimitée par l'enveloppe extérieure est entièrement remplie par le matériau en vrac, et que l'enveloppe extérieure est conçue de manière à présenter une épaisseur de paroi si faible qu'elle permet juste à l'enveloppe extérieure de résister aux efforts apparaissant au cours de l'accélération du projectile lors du lancement, ainsi qu'à la sollicitation thermique pendant le vol. En conséquence, le corps formant masse est agrandi de telle sorte qu'il remplisse la totalité de la chambre intérieure de l'enveloppe extérieure, et l'épaisseur de paroi de cette dernière est si faible qu'elle permet juste au projectile de surmonter sensiblement sans dommages, le lancement et le vol On renonce totalement à un renforcement de l'enveloppe dans un but d'amélioration de l'effet perforant, à un pénétrateur séparé en métal dur ou à d'autres éléments similaires. Il s'est effectivement avéré que pour des vitesses d'impact situées dans le domaine des vitesses hypersoniques (supérieures à 2500 mis), la résistance du matériau d'un pénétrateur n'avait plus aucune influence ou en tout cas une influence négligeable sur la perforation et l'effet du projectile sur la cible, et qu'au contraire, le projectile n'agit pratiquement plus que du fait de sa densité et ressemble en cela à une météorite s'écrasant à la surface de la terre Ceci s'explique du fait que la pression engendrée lors de l'impact du projectile avec de telles vitesses d'impact, dépasse de très loin les résistances des matériaux. Le projectile conforme à l'invention présente, du fait de sa configuration, une masse maximale qui conduit à une énergie d'impact particulièrement élevée, parce que la chute de vitesse d'un projectile, lorsqu'il parcourt sa distance de combat, est d'autant plus faible que la masse du projectile est plus élevée et sa section plus faible. Un autre avantage essentiel réside dans le fait qu'à ces grandes vitesses la durée de vol est réduite, ce qui conduit à une amélioration de la probabilité d'atteinte et à une réduction sensible de la complexité des calculs de visée en avant du but Le cas échéant ces derniers peuvent même être totalement superflus. Ainsi, le projectile conforme à l'invention présente dans le domaine des vitesses hypersoniques, du fait de sa masse, un effet important sur la cible, même si le corps formant masse conforme à l'invention et considéré en soi, n'a pas besoin de présenter une quelconque indéformabilité qui lui permettrait, sans maintien par l'enveloppe extérieure, ne serait-ce que de résister à l'accélération du lancement (voir impact de météorites). Le produit en vrac subit de préférence une compression et constitue un corps formant masse pratiquement massif, toutefois non pas en vue d'augmenter sa résistance, mais en vue de compacter le produit en vrac; on reviendra là-dessus plus loin, lorsque l'on explicitera le procédé de fabrication préféré, du projectile conforme à l'invention. Conformément à une configuration préférée de l'invention, la granulométrie du produit en vrac est choisie de sorte que les espaces intermédiaires entre les particules les plus grosses soient comblés sans joints par les particules plus petites Si le produit en vrac avec une telle granulométrie, est introduit et vibré dans un moule creux de compression ou dans la chambre intérieure, il se forme une structure pratiquement sans joints. Sous la dénomination matériau "lourd" on comprendra ici de préférence tout matériau solide dont la densité est égale ou supérieure à celle du tungstène; sous la dénomination matériau léger on comprendra ici tout matériau solide dont la densité est inférieure à celle du fer. Ainsi, un grand nombre de matériaux rentrent en ligne de compte pour le corps formant masse: on préférera toutefois la poudre de tungstène ou la poudre d'uranium appauvri, à cause de leur densité élevée. L'enveloppe extérieure peut être fabriquée par un procédé approprié et en un matériau approprié, à savoir par filage direct de tubes en acier, ou par soudage de tubes d'acier à haute résistance, ou de manière similaire Selon une exécution préférée de l'invention, l'enveloppe extérieure est toutefois fabriquée en un matériau fritté à haute résistance; cela permet non seulement une grande liberté de forme pour l'enveloppe extérieure, mais également l'emmanchement forcé du corps formant masse et, le cas échéant, la compression en commun du corps formant masse et de l'enveloppe extérieure, en une seule opération. Il est également possible de choisir un matériau fritté possédant un point de fusion très élevé et conservant une certaine rigidité même après un échauffement élevé, parce que dans le cas d'un projectile volant à des vitesses hypersoniques, il faut s'attendre à un très fort échauffement en surface qui, dans le cas d'un matériau présentant une moindre résistance à la chaleur, conduit à des dégâts d'ablation ou à une abrasion. Dans le cas de l'utilisation d'un matériau de moindre résistance à la chaleur, il faut tenir compte dans le dimensionnement de l'épaisseur de paroi de l'enveloppe extérieure, des pertes de matière apparaissant au cours du vol et réduisant la masse du projectile, de sorte que l'utilisation d'un matériau de moindre résistance à la chaleur pour l'enveloppe extérieure conduit également à la réduction de la masse du corps formant masse. Le matériau fritté est de préférence également un matériau lourd de sorte que l'enveloppe extérieure participe également de manière sensible à l'action sur la cible, du projectile conforme à l'invention Il serait en effet possible et, le cas échéant, également avantageux d'utiliser, pour l'enveloppe extérieure, un matériau céramique résistant à la chaleur; selon une configuration préférée de l'invention, on préfère toutefois, pour le matériau fritté, l'emploi d'acier fritté à très haute résistance; ce matériau est adapté à la réalisation d'une enveloppe extérieure à paroi mince, qui malgré tout présente la résistance nécessaire à maintenir le corps formant masse au cours de l'accélération du lancement, mais qui, du fait de sa faible épaisseur de paroi admissible autorise un corps formant masse particulièrement grand et donc également particulièrement lourd. Selon une configuration préférée de l'invention, l'enveloppe extérieure peut présenter des nervures de renfort qui confèrent à la paroi périphérique, notamment dans la zone du fond ou culot, une plus grande résistance en autorisant ainsi un corps formant masse plus grand et donc plus lourd. De même, l'empennage ou tout au moins des parties de celui-ci peuvent être formés d'un seul tenant avec l'enveloppe extérieure, d'autant plus que les ailettes d'empennage doivent présenter une épaisseur de paroi relativement grande, du fait de l'échauffement très important survenant au cours du vol à des vitesses hypersoniques. De préférence, les ailettes d'empennage peuvent être réalisées de manière à faire office simultanément de nervures de renfort. Des dispositifs d'accrochage pour un système de propulsion peuvent également être formés de préférence d'un seul tenant avec l'enveloppe extérieure. Sur un tel dispositif d'accrochage, peut par exemple être fixé un ensemble formant sabot de lancement; le dispositif d'accrochage peut également constituer une partie de l'ensemble formant sabot de lancement et rester sur l'enveloppe extérieure pour augmenter sa masse. Sur le dispositif d'accrochage peuvent toutefois également être fixées des armatures telles qu'elles sont nécessaires dans le cas d'un système d'accélération électromagnétique ou électrothermique. L'enveloppe extérieure peut également être conçue de manière à former un tube de Venturi avec la surface intérieure du tube de canon, de sorte que le projectile puisse être lancé par un canon dit "canon RAM". Globalement, l'enveloppe peut présenter différentes formes d'ogive, des parties cylindriques avec ou sans filetage, une épaisseur de paroi variable sur sa longueur, des nervures de renfort intérieures et extérieures, et/ou des empennages intégrés, qui d'une part, sont adaptés aux exigences du système d'accélération et d'autre part, à la balistique extérieure, et peut comporter des segments de sabots de lancement largables ou bien des armatures largables de canons électromagnétiques, électrothermiques ou de canons électriques combinés, de canons à gaz léger ou d'autres dispositifs de lancement qui sont adaptés à accélérer des projectiles sous-calibrés jusque dans le domaine des vitesses hypersoniques, de sorte que l'invention ne limite en aucune manière la liberté de construction pour la réalisation des projectiles. En outre, selon une configuration préférée de l'invention, il est possible de noyer dans l'enveloppe extérieure, une armature de renfort qui, dans le cas d'une enveloppe frittée, assure à celle-ci de résister sans dommages au lancement L'armature de renfort peut toutefois également être conçue de manière à induire de manière répartie dans l'enveloppe, les efforts extérieurs, à savoir les efforts induits dans le projectile par un sabot de lancement ou par les rayures de guidage d'un tube rayé. Lorsque le projectile conforme à l'invention atteint une cible, à savoir une plaque de blindage d'épaisseur semi-infinie, il se forme dans celleci un cratère relativement plat dont le volume et donc la profondeur, mais également la largeur, dépendent de l'énergie cinétique du projectile qui arrive. Si maintenant deux projectiles ayant chacun la même masse et la même vitesse hypersonique atteignent successivement le même point, alors il se forme, en première approximation, un cratère qui présente la même largeur, mais une profondeur double de celle du cratère occasionné par un seul projectile. Si l'on compare ce résultat à l'effet d'un projectile unique présentant la même vitesse d'impact, mais de masse double, le cratère occasionné par ce projectile lourd présente, à nouveau en première approximation, le même volume que le cratère occasionné par les deux projectiles plus légers, mais une largeur plus importante, et donc une profondeur moindre. Cette observation ne constitue qu'une modélisation approximative, mais elle montre que l'effet d'un projectile de masse prédéfinie et présentant une vitesse d'impact prédéfinie dans le domaine hypersonique, peut être optimisé en subdivisant la masse conservée quant à sa valeur, en un nombre de masses partielles, déterminé par l'optimisation, ces masses partielles se succédant au point d'impact. En conséquence, une configuration préférée de l'invention prévoit que le corps formant masse est constitué par un certain nombre de corps partiels séparés, disposés les uns à la suite des autres. Un tel corps formant masse composé de corps partiels ("segmented rod") peut être constitué de corps partiels disposés directement les uns sur les autres, tant qu'il est garanti que les fronts d'ondes de pression induits dans le corps partiel entrain d'atteindre le point d'impact, ne peuvent pas se propager dans le corps partiel suivant, en risquant de le détruire avant qu'il n'atteigne lui-même la cible. Conformément à une configuration préférée de l'invention, une couche de séparation est disposée entre chacun des corps partiels qui se succèdent. Cette couche de séparation sert en premier lieu à permettre le frittage ou la compression du corps formant masse, en seulement une seule opération ou en plusieurs opérations échelonnées, chaque couche de séparation pouvant également être réalisée sous la forme d'un corps fritté et être frittée au cours de la même opération que le corps formant masse. Il est ici essentiel que le matériau de la couche de séparation soit non seulement léger et résistant à la pression, mais également réfractaire Un matériau céramique à base d'alumine ou de kaolin est bien adapté à cette réalisation. Une des fonctions essentielles de la couche de séparation consiste dans ce cas, à faire également office de couche inerte entre les corps partiels successifs, qui absorbe ou dévie les ondes de choc partant du corps partiel qui est justement entrain d'atteindre la cible, d'une manière telle que le corps partiel suivant ne soit pas désintégré prématurément. Conformément à l'invention, on préférera en guise de matériau pour la couche de séparation, un matériau céramique à résistance élevée, mais de préférence poreux à cause des propriétés d'amortissement recherchées. Pour la fabrication du projectile conforme à l'invention, il suffit de réaliser l'enveloppe extérieure d'une manière connue, à savoir par étirage de tubes, et de remplir sa chambre intérieure avec le produit en vrac en le vibrant tout au moins suffisamment pour empêcher la formation de cavités dans le produit en vrac, par suite de secousses telles que celles occasionnées par exemple au cours du transport ou dans une installation à répétition. Comme cela a déjà été mentionné plus haut, il est toutefois avantageux pour obtenir un meilleur compactage du produit en vrac, de faire subir à celui-ci une compression, et lorsque l'on utilise un corps formant masse composé de plusieurs corps partiels, il est également nécessaire que ces corps partiels présentent une certaine résistance qui leur garantit un impact individuel sur la cible, dans un état pratiquement intact. Selon une configuration préférée de l'invention, il est toutefois particulièrement avantageux de façonner le produit en vrac pour constituer le corps formant masse, par compression isostatique à chaud; grâce à ce procédé de compression connu, selon lequel la pression n'est pas appliquée uniquement le long d'une direction d'axe comme dans une matrice, mais sous la forme d'une pression hydrostatique agissant sur tous les côtés, il est possible d'obtenir un compactage particulièrement élevé du matériau ayant subi la compression, qui d'une part, conduit à une masse spécifique particulièrement élevée du corps formant masse, et confère d'autre part la résistance minimale nécessaire aux corps partiels ayant été fabriqués de la sorte. Dans ce cas, il est avantageux d'utiliser un produit en vrac sous la forme d'une poudre, dont la granulométrie est, comme cela a déjà été mentionné plus haut, telle qu'elle permette à la poudre de remplir pratiquement sans joints un moule vibré, de sorte qu'après la mise en oeuvre du procédé de compression isostatique à chaud, il se forme une structure de matière effectivement sans pores et sans joints présentant la densité la plus grande possible. Il est en principe possible, et même avantageux de réaliser séparément l'enveloppe extérieure et le corps formant masse ou les corps partiels; selon une configuration préférée de l'invention, il est toutefois particulièrement avantageux de préfabriquer par compression l'enveloppe et le corps formant masse, d'assembler les ébauches ou "verts de compact" ainsi obtenus et de les soumettre ensemble à une compression isostatique à chaud. De cette manière, il est également possible d'obtenir des formes de projectile compliquées, par assemblage de parties qui, grâce à la compression finale, forment ensuite un corps d'une seule pièce. Dans la mesure o le corps formant masse est constitué de corps partiels, ceux-ci peuvent être fabriqués individuellement et logés dans l'enveloppe extérieure. Selon une configuration préférée de l'invention, il est toutefois particulièrement avantageux, lors du remplissage de la poudre dans le moule pour l'ébauche du corps formant masse, d'introduire pour chaque corps partiel, une couche de poudre de matériau en vrac d'épaisseur correspondante et sur celle- ci à chaque fois une couche d'une autre poudre qui formera la couche de séparation, après la compression il initiale et la compression isostatique à chaud qui suit. Dans ce cas, cette couche de séparation peut être compactée et rigidifiée, mais peut en principe également conserver sa consistance de poudre. Globalement, le procédé conforme à l'invention- permet une fabrication de projectiles conformes à l'invention, simple, précise et adaptée à la conception souhaitée de chaque projectile, étant entendu qu'il est possible de réaliser la forme de section la plus avantageuse, à savoir une forme circulaire, polygonale, en ellipse, ou autres formes similaires, ainsi que la forme la plus avantageuse en coupe axiale, à savoir une forme à double cône, à double pyramide, en barillet, en ellipsoïde ou autres formes similaires. L'objet de l'invention va maintenant être décrit plus en détail, au vu d'exemples de réalisation représentés sur les dessins schématiques annexés dans lesquels: la figure 1 montre un premier exemple de réalisation d'un projectile conforme à l'invention, en coupe longitudinale, la figure 2 montre un autre exemple de réalisation du projectile conforme à l'invention, en coupe longitudinale, et la figure 3 montre un troisième exemple de réalisation du projectile conforme à l'invention, en coupe longitudinale. Sur les trois figures, les repères identiques désignent respectivement des éléments identiques ou se correspondant. Sur toutes les figures est représenté en coupe axiale schématique et en ne respectant pas d'échelle, un projectile comportant une enveloppe extérieure 1 en matériau fritté à haute résistance, qui constitue un corps creux fermé de tous les côtés et délimite une chambre intérieure fermée vers l'extérieur. Le corps creux présente une ogive aérodynamique et un fond ou culot Sur le corps creux de chacun des projectiles sous-calibrés, à sabot de lancement, montrés sur les figures 1 et 2, est disposé un système d'accrochage 5 destiné à la fixation largable d'éléments de sabot de lancement 6. Dans le cas des projectiles de toutes les figures, l'épaisseur de paroi de l'enveloppe extérieure 1 est plus grande au niveau de la zone du fond qu'au niveau de la zone de l'ogive En outre, la zone de la périphérie externe de l'enveloppe extérieure 1 est renforcée par des nervures extérieures 4 qui constituent en même temps des ailettes d'empennage. Dans le cas du projectile de la figure 1, la chambre intérieure est remplie par un corps formant masse en une seule partie et constitué de poudre de métal lourd (poudre d'uranium appauvri et/ou poudre de tungstène) avec une granulométrie optimale (pratiquement sans joints). Dans le cas du projectile de la figure 2, la chambre intérieure de l'enveloppe extérieure 1, est remplie par un corps formant masse qui est constitué d'une série de corps partiels 2 et de couches de séparation 3 disposés en alternance le long de l'axe longitudinal du projectile, les uns à la suite des autres, les couches de séparation 3 étant disposées respectivement entre deux corps partiels successifs 2. Les corps partiels sont réalisés en poudre de tungstène ou en poudre d'uranium appauvri, qui est compactée, du fait de sa granulométrie d'une part, et de la compression isostatique à chaud d'autre part, de telle sorte qu'elle est pratiquement totalement exempte de joints et de pores. Les couches de séparation 3 sont réalisées en poudre de céramique (par exemple de l'alumine, du Si 3 N 4, du Si C) qui est certes vibrée de manière dense, mais qui peut tout à fait présenter des joints et des pores dans sa structure du fait de sa granulométrie. Les conditions essentielles sont uniquement les suivantes, à savoir que les couches de séparation ne doivent pas être comprimées au cours de l'accélération de manière à faire apparaître des perturbations par suite du relâchement du maintien des corps partiels, et que lors de l'impact du corps partiel respectivement à l'avant, les ondes de choc et de pression en provenance de ce dernier ne puissent pas exercer d'influence perturbatrice sur le corps partiel suivant. En outre, les couches de séparation doivent résister à la chaleur du projectile, que celui-ci subit au cours de son vol. Sur les dessins, le projectile est représenté de manière fortement réduite en longueur; la taille des éléments d'empennage 4 ne respecte pas l'échelle. Sur la figure 3, est représenté un projectile de plein calibre comprenant une enveloppe extérieure 1 en acier fritté et un corps formant masse 2 réalisé par un remplissage de poudre de métal lourd, l'ensemble étant conçu pour être lancé à partir d'un système d'accélération du type stato-réacteur (RAM-jet). L'abréviation DU (depleted uranium) désigne de l'uranium appauvri. REVENDICATIONS 1 Projectile hypersonique à effet cinétique comportant une enveloppe extérieure à l'intérieur de laquelle est logé un produit en vrac lourd constituant un corps formant masse, caractérisé en ce que sensiblement la totalité de la chambre intérieure délimitée par l'enveloppe extérieure ( 1), est entièrement remplie par le matériau en vrac ( 2), et en ce que l'enveloppe extérieure ( 1) est conçue de manière à présenter une épaisseur de paroi si faible qu'elle permet juste à l'enveloppe extérieure de résister aux efforts apparaissant au cours de l'accélération du projectile lors du lancement, ainsi qu'à la sollicitation thermique pendant le vol. 2 Projectile selon la revendication 1, caractérisé en ce que le produit en vrac ( 2) a une granulométrie telle qu'il ne présente plus de joints après qu'il ait été vibré dans la chambre intérieure de l'enveloppe extérieure ( 1). 3 Projectile selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le produit en vrac ( 2) est de la poudre de tungstène, de la poudre d'uranium appauvri et/ou une autre poudre de métal lourd. 4 Projectile selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'enveloppe extérieure ( 1) est réalisée en un matériau fritté, à haute résistance et de préférence lourd. Projectile selon la revendication 4, caractérisé en ce que le matériau fritté est de l'acier fritté, à haute résistance. 6 Projectile selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que des nervures de renfort, des éléments d'empennage ( 4), un dispositif d'accrochage pour un ensemble de sabot de lancement et/ou un dispositif d'accrochage pour un système de propulsion, sont, ou est, réalisés d'un seul tenant avec l'enveloppe extérieure ( 1). 7 Projectile selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'une armature de renfort est intégrée dans l'enveloppe extérieure ( 1). 8 Projectile selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'armature de renfort est conçue de manière à assurer le guidage du projectile dans un tube de canon. 9 Projectile selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le corps formant masse est constitué d'au moins deux corps partiels ( 2) séparés disposés en se suivant le long de l'axe longitudinal du projectile. 10 Projectile selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'une couche de séparation ( 3) en un matériau léger, réfractaire et résistant à la pression, est disposée respectivement entre deux corps partiels ( 2) voisins. 11 Projectile selon la revendication 10, caractérisé en ce que la couche de séparation ( 3) est réalisée en un matériau céramique à haute résistance. 12 Procédé de fabrication d'un projectile selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que pour la fabrication du corps formant masse, une poudre de matériau lourd est façonnée à la forme du corps formant masse par compression isostatique à chaud. 13 Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que l'on choisit une poudre présentant une granulométrie autorisant un compactage avec le moins de joints possible, et en ce que l'on fait subir à cette poudre des vibrations ou une compression pour qu'elle soit pratiquement exempte de joints. 14 Procédé selon l'une des revendications 12 ou 13, caractérisé en ce que le corps formant masse et de préférence également l'enveloppe extérieure, sont préfabriqués par compression, et en ce que l'enveloppe extérieure et le corps formant masse sont achevés en subissant ensemble une compression isostatique à chaud. Procédé selon l'une des revendications 12 à 14, caractérisé en ce que lors de la fabrication du corps formant masse, on dispose en se succédant le long de l'axe longitudinal du projectile, au moins deux couches de poudre lourde et entre celles-ci ou respectivement entre deux telles couches, une couche de poudre légère, réfractaire et résistante à la pression, et en ce que l'ensemble ainsi formé est soumis seul, ou à l'intérieur de l'enveloppe extérieure de préférence pré-façonnée, à une compression isostatique à chaud.