Brevet FR2821420A1 — publié le 20020830

L'invention concerne un nouveau concept de projectile perforant anti-blindage destiné à remplacer avantageusement les obus-flèches classiques, en conservant le même principe de perforation, mais en privilégiant la vitesse d'impact plutôt que la masse propre de la flèche, afin d'obtenir une énergie cinétique comparable, voire supérieure. Les obus-flèches sont utilisés depuis relativement longtemps dans les applications anti-blindage : - Ceux de première génération ont une flèche en acier spécial durci, dont le lancement est assuré par un sabot se désolidarisant de la flèche juste après la sortie de bouche par effet aérodynamique. Ils ne permettent que des tirs à courte portée, car la densité moyenne de la flèche n'est que de 7 à 8 selon les types d'aciers utilisés. - Ceux de seconde génération ont une flèche en uranium appauvri lancée de la même façon, mais ils autorisent des tirs à moyenne portée et sur des blindages de plus en plus résistants, car la densité de la flèche est alors d'environ 18. Ils nécessitent une charge de lancement plus puissante, mais l'énergie cinétique à l'impact est bien plus élevée. Par contre, leur désintégration pose de sérieux problèmes environnementaux et sanitaires post-combats. Le dispositif selon l'invention apporte une troisième alternative au tir tendu anti-blindage, par un concept hybride entre projectile libre et missile, en remplaçant le classique sabot de lancement par une tuyère thermopropulsive de même calibre, solidaire de la flèche. Il comporte en effet, selon une première caractéristique, un ensemble monobloc constitué d'une entrée d'air divergente à paroi ogivale, de plusieurs réserves profilées radiales de propergol solide faisant office de chambres de combustion pourvues d'orifices d'injection, d'une chambre de réchauffe cylindrique assurant également des fonctions de guidage au lancement, et d'une tuyère convergente d'éjection des gaz chauds à haute vitesse, autrement dit, d'un mini-statoréacteur. Cet ensemble est muni d'ailettes de stabilisation de trajectoire, légèrement vrillées pour imprimer un rapide mouvement de rotation au projectile autour de son axe longitudinal, moyennant une traînée aérodynamique insignifiante. Cet ensemble comporte également une gaine centrale, qui reçoit la flèche en acier spécial durci, de laquelle elle est solidari- sée par sertissage. La partie externe est pourvue d'une ceinture de forçage à la naissance des ailettes, destinée à éviter le glissement intempestif du projectile à l'intérieur de l'alésage du canon. L'ignition du propergol est assurée par la percussion simultanée au tir d'une capsule-amorce pyrotechnique située au centre de la flèche au niveau des chambres de combustion, celles-ci étant reliées entre elles par des orifices radiaux de faible diamètre pratiqués dans la flèche. Le percuteur est constitué d'une tige coaxiale centrale interne à la flèche, et d'une tête de percuteur cônique ou ogivale externe à la flèche. L'ensemble percuteur est maintenu par un ressort prenant appui dans des gorges pratiquées sur la tige de percuteur, et solidaire de la flèche. Durant les phases de stockage et de transport, la tête du percuteur est bloquée par une goupille-ressort évitant toute mise à feu accidentelle. L'ensemble tuyère-flèche est lancé par une charge classique contenue dans un étui à l'extrémité duquel est serti un culot de lancement muni de sa ceinture d'étanchéité, et d'un piston central indépendant prenant appui sur la tête de percuteur, l'autre partie prenant appui sur la base de la tuyère. Au moment du tir, sous l'impulsion de la charge de lancement, le culot propulse l'ensemble tuyère-flèche hors du canon, et simultanément, percute la capsule-amorce pyrotechnique chargée d'allumer le propergol. La pression est alors répartie également sur la circonférence de l'arrière de la tuyère et sur l'arrière de la flèche. Dès la sortie de bouche, le culot de lancement se sépare de l'ensemble tuyère-flèche, sous l'effet de trois facteurs concomitants : - Différence de trainée aérodynamique frontale. - Différence de masses, donc d'énergie cinétique. - Début de poussée réactive de la tuyère sur le culot. A cet instant, l'effet statoréacteur commence à exercer une poussée sur l'ensemble tuyère-flèche, augmentant progressivement du fait de la disposition particulière de la ligne de combustion du propergol par rapport aux orifices d'injection. Ainsi, lors de l'impact sur le blindage-cible, la vitesse initiale de sortie de bouche du projectile a pratiquement doublé. En effet, une des caractéristiques les plus intéressantes du statoréacteur, bien connue depuis longtemps en aéronautique, réside dans le fait que"plus il va vite, plus il pousse". Si bien qu'à partir d'une masse totale réduite environ de moitié par rapport à un projectile en uranium appauvri, et d'une vitesse environ deux fois plus élevée, on peut raisonnablement penser obtenir un résultat comparable, peut-être même supérieur sur le plan de l'énergie cinétique à l'impact. Toutefois, par souci de réalisme (aucun essai préalable n'ayant pu être effectué, et pour cause...), il convient de comparer la formule statoréacteur pure avec celle concernant l'invention : - Dans un statoréacteur pur, l'entrée d'air divergente, placée dans un flux supersonique, comprime l'air admis en amont des injecteurs puis le carburant est injecté dans l'air comprimé et enflammé, ce qui produit une brusque augmentation du volume du mélange dans la chambre de combustion, puis une éjection des gaz à très haute vitesse par la tuyère convergente. - Dans le cas de l'invention, le principe est le même, mais ce n'est plus un mélange air-carburant qui se détend, c'est de l'air comprimé porté brutalement à haute température par l'effet thermogène de la combustion du propergol, additionné de la poussée réactive induite par cette combustion. L'auteur ne peut donc affirmer si l'effet produit est identique, inférieur ou supérieur à celui d'un statoréacteur pur. Néammoins, même en considérant la pire des hypothèses, l'énergie cinétique emmagasinée par le projectile ne peut être inférieure à celle d'un obus-flèche classique en acier lors de l'impact, ce qui équivaut à un tir de courte portée conventionnel, mais à une distance beaucoup plus élevée. Il est important que la quantité de propergol solide soit suffisante pour ne pas stopper la combustion avant d'avoir atteint la cible, car la tuyère thermopropulsive se transforme alors en aérofrein. Compte tenu de la portée pratique évaluée intuitivement, cette combustion doit durer 4 à 5 secondes. Le propergol utilisé doit posséder la plus grande capacité thermogène et la plus faible capacité fumigène possibles. La capsule-amorce pyrotechnique chargée de l'ignition du propergol doit, de toute évidence, avoir de très faibles propriétés explosives et de grandes propriétés fusantes. En variante, celle-ci peut être remplacée par un dispositif piézo-électrique, mais très miniaturisé, pour ne pas fragiliser ni diminuer la masse de la flèche. Le centrage du projectile doit être de préférence à piquer qu'à cabrer, l'idéal se situant au neutre. A cet effet, il est possi- ble de jouer sur l'emplacement de la ceinture de forçage sur la paroi externe de la tuyère pour l'équilibrage. Cette ceinture doit être réalisée dans un métal suffisamment tendre, mais peu susceptible d'"en- crasser"l'alésage du canon. Le corps monobloc de la tuyère et de la gaine contenant la flèche en acier spécial durci ainsi que les chambres de combustion profilées doit être réalisé dans un métal à haute température de fusion (titane par exemple), mais compatible avec une usure raisonnable par friction de l'alésage du canon. Dans cette optique, un polissage de la paroi externe de la tuyère peut être envisagé. Les différences de coefficients de dilatation entre métaux n'ont que peu d'importance. Par contre, les projectiles devant être, (a priori), longuement stockés, il convient de choisir ces métaux de façon à ce qu'aucun pont électro-chimique corrosif ne puisse s'établir entre eux. La forme de la tête du percuteur joue un bouble rôle : d'une part elle permet un dégagement sans problème du piston central du culot de lancement lors de la séparation, et d'autre part, de régulariser l'écoulement du flux chaud réactif en sortie de tuyère sans dépression ni turbulences parasites ; elle peut être cônique ou ogivale. Les dessins annexés illustrent l'invention, et permettent de comprendre son principe de fonctionnement, par ailleurs très simple : - La figure 1 (Planchel/1) représente une vue en coupe longitu- dinale du dispositif selon l'invention, culot de lancement compris. - La figure 2 (Planchel/1) représente une vue en coupe partielle de la tête de percuteur munie de sa goupille de stockage-transport. - La figure 3 (Planchel/1) représente, en coupes longitudinale et transversale agrandies le dispositif de blocage de la tige de percuteur. - La figure 4 (PLanchel/1) représente une vue arrière du dispositif selon l'invention, montrant le léger vrillage des ailettes de stabilisation. (Afin de ne pas surcharger les dessins, la ceinture de forçage n'est pas représentée, ni le ressort de blocage en pointillés). Pour des raisons évidentes de pure intuitivité du dispositif selon l'invention, aucun schéma ou dessin concernant la balistique ou la cinématique d'impact n'est produit. En référence à ces dessins, et à titre d'exemple non limitatif : L'ogive-flèche selon l'invention est constituée d'un corps mo- nobloc (l) en métal à haute température de fusion (Titane) comprenant une entrée d'air divergente (A) de section ogivale, des réserves radiales profilées de propergol formant chambres de combustion (B) équipées d'orifices d'injection (3), une chambre de réchauffe (C) cylindrique, et une tuyère d'éjection de gaz chauds (D) convergente portant des ailettes de stabilisation (all) légèrement vrillées ainsi qu'une ceinture de forçage (4), la partie centrale cylindro-cônique recevant la flèche (2) en acier spécial durci, l'ensemble formant statoréacteur. La flèche (2) est percée d'orifices de communication (15) entre chambres de combustion (B) de faible diamètre, et axialement d'une tige de percuteur (5) maintenue par un ressort (14). Cette tige (5) est munie d'une tête (6) de section côni- que ou ogivale externe à la flèche (2) et d'une capsule-amorce pyrotechnique (7) au droit des orifices de communication (15). La tête de percuteur (6) prend appui sur le piston central (8) du culot de lancement (9) muni de sa ceinture d'étanchéité (10). La base de la tuyère (l) munie de ses ailettes (ll) prend appui sur la partie externe du culot de lancement (9) lui-même serti sur l'étui (13) contenant la charge initiale de lancement. En configuration stockage et transport, la tête de percuteur (6) est bloquée par une goupille-ressort (12). En configuration tir, l'ogive-flèche complète (là7, 11, 14,15) est introduite dans le canon, puis la cartouche contenant la charge initiale de lancement (13) dans la chambre de tir, poussant l'ogiveflèche (là7, 11, 14,15) par ses points de contact avec le culot de lancement (8,9, 10) par forçage. Lors du tir, l'ensemble ogive-flèche-culot de lancement (làll, 14,15) est expulsé hors du canon, et simultanément, le piston central (8) du culot de lancement (8,9, 10) actionne le percuteur (5,6, 7,14) sous la pression de l'explosion, selon une course (E). La capsule-amorce pyrotechnique (7) libère alors son énergie dans les orifices de communication (15), enflammant le propergol dans les chambres de combustion (B). La ligne de combustion initiale (tl) atteint le premier orifice injecteur (3), et le processus thermopropulsif débute, participant à la séparation de l'ogive-flèche (là7, 11, 14,15) et du culot (8,9, 10). Cette ligne de combustion se déplace rapidement (t2), atteignant le second orifice injecteur (3), puis le troisième (t3), puis le quatrième (t4), et le processus thermopropulsif est à son maximum (t5), d'autant que, compte tenu de la section profilée des chambres de combustion (B), l'épaisseur de propergol est également à son maximum. Trois à quatre secondes doivent séparer (tl) de (t5). Cette progressivité de la libération d'énergie est parfaitement en accord avec le principe de fonctionnement du statoréacteur ("Plus il va vite, plus il pousse"). A titre d'exemple de mode de construction non limitatif : La partie monobloc constituant la tuyère thermopropulsive peut être obtenue par moulage, la construction mécano-soudée générant de trop grandes déformations. Si la réalisation du moule externe ne pose aucun problème particulier, par contre, les matrices internes doivent être à usage unique, et peuvent être réalisées à base de poudres hautement réfractaires comprimées sous très fortes pressions, et désintégrées après refroidissement par ultrasons ou vibrations haute fréquence ou une combinaison des deux. Un ébavurage et un nettoyage haute pression, puis un séchage par air comprimé doivent suivre. L'usinage des orifices injecteurs peut être effectué de manière traditionnelle ou par faisceau laser. La fixation de la flèche dans la partie centrale peut être effectuée par différentiel de températures, sans toutefois que l'ajustement soit trop serré, afin de ne pas générer de criques dans le titane par tensions internes, et doit être complétée par un sertissage circulaire sur la partie arrière de la flèche, comportant un épaulement à cet effet. La flèche, l'ensemble percuteur, le culot de lancement sont usinés en respectant des tolérances précises prenant en compte les possibilités de variations de températures en fonction des théatres d'utilisation potentiels. Le propergol sous forme pâteuse ou gélifiée est injecté sous pression par les orifices injecteurs après mise en place de la flèche, puis solidifié. La capsule-amorce pyrotechnique peut être simplement collée en bout de tige de percuteur (une goutte de colle au cyanoacrylat d'éthyle doit suffire). Afin d'immobiliser efficacement le piston central du culot de lancement durant le transport et la manutention, (vibrations et chocs importants), celui-ci peut être calé dans son alésage par une résine aérobie résistant aux vibrations, mais pas à la pression de l'explosion initiale. En fonction de la portée pratique estimée du projectile selon l'invention, deux types de corrections doivent être effectués dans la conduite de tir : -Une correction classique en site prenant en compte les données balistiques et télémétriques calculées puis vérifiées en essais. -Une correction en azimut prenant en compte la force et la di- rection du vent. Les avantages de l'utilisation de l'invention sont : - Possibilité de tir stabilisé hors de portée des tirs adverses sur cible a priori peu mobile, car peu méfiante, donc suprématie en combat de chars. - Obtention de résultats comparables à ceux obtenus avec des flèches en uranium appauvri, sans les inconvénients environnementaux et sanitaires post-combats. - Augmentation des dégâts causés aux blindages adverses par effet"emporte-pièce". En effet, lors de l'impact, la partie tuyère, portée à haute température, s'écrase sur le pourtour de l'orifice pratiqué par la flèche, la brutale augmentation de sa pression interne la faisant exploser, et les restes de propergol incandescents jouent un rôle incendiaire résiduel non négligeable. Les inconvénients de cette utilisation sont : - Stockage et transport de la munition complète en deux parties, réduisant la capacité d'emport. Mais ceci est compensé par la possibilité d'engager hors de portée des tirs adverses, donc de réapprovisionner en toute sécurité. - Multiplication par deux des opérations de chargement du canon ; là aussi, le fait de tirer hors de portée hostile donne tout le temps nécessaire. Par ailleurs, à titre de précaution, la tourelle du char peut fort bien emporter un chargement mixte de munitions. Dans la mesure où les données théoriques intuitives ci-avant sont corroborées par des essais satisfaisants, Les applications industrielles sont évidentes, bien que limitées à l'industrie de l'armement. Toutefois, rien n'interdit d'envisager l'équipement des armées de plusieurs nations alliées (O. T. A. N. par exemple) avec une production adaptée aux différents calibres utilisés, rentabilisant du même coup l'opération de façon très importante. REVENDICATIONS 1) Ogive perforante autopropulsée pour tir tendu longue portée caractérisée par le fait que la flèche (2) est solidaire d'une tuyère thermopropulsive (1,3, 4,11) à propergol solide remplaçant le classique sabot de lancement, la mise à feu du propergol étant assurée, simultanément au tir, par un système percuteur central pyrotechnique (5,6, 7, 14,15) actionné par le piston (8) d'un culot de lancement (8,9, 10) serti sur l'étui (13) contenant la charge initiale. 2) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la tuyère thermopropulsive (1,3, 4, 11) comporte une entrée d'air divergente (A), des chambres de combustion radiales (B) contenant le propergol munies d'orifices d'injection (3), d'une chambre de réchauffe cylindrique (C), et d'une tuyère convergente d'éjection des gaz chauds (D), soient toutes les caractéristiques d'un statoréacteur. 3) Dispositif selon les revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que le système de mise à feu du propergol est piézoélectrique. 4) Dispositif selon les revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que le système de mise à feu du propergol est bloqué par une goupille (12) en phases stockage, manutention, transport.