Pénétrateur à énergie cinétique

Un pénétrateur à énergie cinétique (aussi connu sous le nom d'obus flèche) est un type de munition qui, comme une balle, ne contient pas d'explosifs, mais utilise l'énergie cinétique pour pénétrer la cible.

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Obus-flèche OFL 120 F1 français
Obus-flèche au moment de la séparation du sabot
Obus modernes israéliens de 120 mm ; L'obus flèche M322 à barreau en tungstène est à gauche au premier plan, à l'extrême gauche se trouve l'obus-flèche d'exercice M324.

Le terme peut s'appliquer à tout type d'obus perforants, mais généralement fait référence à un type de munition moderne de perforation de blindage, l'obus antiblindage à ailettes à sabot détachable (en anglais APFSDS), un type de pénétrateur à longue tige (PLT), et non pas aux obus classiques (qui sont courts).

La flèche se déplace à environ 975 m/s, ce qui génère une force de mille cinq cents tonnes (ou 15 000 000 N) lorsqu'elle entre en contact avec un objet fixe. Sa vitesse, et par conséquent son énergie cinétique, décroit inévitablement pendant le vol, mais elle est encore très meurtrière jusqu'à une distance de six kilomètres.

À l'inverse des pénétrateurs à énergie cinétique, les autres types d'obus utilisent l'énergie chimique. Il existe deux types d'obus à énergie chimique en dotation à l'heure actuelle : l'obus explosif antichar HEAT (à charge creuse) et les munitions à écrasement HESH. Ils ont été largement utilisés contre les blindés dans le passé et sont encore utilisés, mais sont moins efficaces contre les blindages composites modernes tels que le Chobham, le Kanchan installés sur des chars de combat contemporains.

Le principe du pénétrateur à énergie cinétique repose sur l'utilisation de son énergie cinétique, qui est une fonction de masse, et la vitesse, pour perforer un blindage. Les armes à énergie cinétique maximisent l'énergie et minimisent la zone sur laquelle elles sont délivrées en :

  • tirant avec une très haute vitesse en sortie de canon, paramètre très important car il intervient au carré dans le calcul de l'énergie cinétique ;
  • concentrant la force dans une petite zone tout en conservant une masse relativement importante ;
  • maximisant la masse du projectile, en utilisant des matériaux à densité élevée, c'est l'une des raisons qui font que l'uranium appauvri ou le tungstène sont souvent utilisés.

Cela a conduit à la conception actuelle qui ressemble à une longue flèche métallique.

Historique

Les premières munitions à énergie cinétique tirées par des canons étaient des pierres taillées en forme de sphère, puis des boules rondes métalliques. Dès le début, combiner une énergie initiale élevée avec une densité et une dureté de projectile élevés a été l'objectif essentiel pris en compte lors de la conception de ces armes. Le but principal de ces armes a généralement été de perforer des blindages ou des structures défensives, comme les murailles des châteaux de pierre, les coques en bois des navires ou le blindage des chars modernes. Le choix de munitions à énergie, dans ses différentes formes, a toujours nécessité de fortes vitesses initiales.

Le développement des pénétrateurs à énergie cinétique modernes combine deux aspects de la conception de l'artillerie : vitesse initiale élevée et force concentrée. Une grande vitesse initiale est obtenue en utilisant un projectile de faible masse et de surface de base importante dans le canon. Envelopper un projectile de petite taille dans une coque légère, appelée sabot, permet d'augmenter la vitesse initiale en sortie de canon. Une fois sorti du fût du canon, le sabot n'est plus nécessaire, se fragmente et tombe en morceaux. Ceci permet au projectile de se déplacer à grande vitesse avec une petite section transversale et donc de réduire la traînée aérodynamique pendant son vol vers la cible (voir balistique extérieure et balistique terminale). L'Allemagne a développé des sabots modernes sous le nom de « Treibspiegel » (« miroir de propulsion ») pour donner une portée accrue à leurs canons anti-aériens pendant la Seconde Guerre mondiale. Avant cela, des sabots de bois primitifs avaient été utilisés pendant des siècles, sous la forme d'un bouchon en bois attaché au projectile ou chargé dans le fût du canon, et placé entre la charge propulsive et le projectile.

Le nom « sabot » vient du mot français désignant les chaussures en bois. Selon une théorie, le mot « sabotage » est dérivé de cette signification spécifique du mot « sabot ».

La concentration de la force d'impact sur une zone plus petite a été atteinte en remplaçant le métal de l'obus (généralement de l'acier) par un composite combinant deux métaux, un noyau lourd (à base de tungstène) dans une enveloppe en métal léger. Cette conception était connue sous le nom d'antiblindage rigide composite (APCR – Armour Piercing Composite Rigid). À l'impact, le noyau a un effet beaucoup plus concentré que l'obus métallique homogène de même poids et de même taille. Cependant, la résistance de l'air ainsi que d'autres effets sont identiques pour les deux types d'obus.

Entre 1941 et 1943, les Anglais[réf. nécessaire] ont combiné les deux techniques en concevant l'obus antiblindage à sabot détachable (APDS – Armour-piercing discarding sabot). Le sabot a remplacé la coque métallique extérieure de l'APCR. Alors que dans le fût du canon l'obus a une surface de base importante pour obtenir une accélération maximale de la charge propulsive, une fois sorti, le sabot se détache d'une longue tige qui a une petite section transversale. Les obus antiblindage à haute vélocité (HVAP – High Velocity Armor Piercing) ont également été utilisés par l'armée de terre des États-Unis, et ont été principalement utilisés par les chasseurs de chars.

Conception moderne

L'obus antiblindage à sabot détachable (APDS) a été initialement la conception de base du pénétrateur à énergie cinétique. La suite logique était de faire l'impacteur plus long et plus fin afin de concentrer l'énergie cinétique sur une zone plus petite. Cependant une tige longue et mince est aérodynamiquement instable, elle tend à basculer en vol et est moins précise. Traditionnellement, la stabilité en vol des obus était donnée par le rainurage des canons, ce qui donnait une stabilisation gyroscopique à l'obus. Ceci est très efficace jusqu'à une certaine limite, mais lorsque la longueur du projectile dépasse six ou sept fois son diamètre, le rainurage devient moins efficace. L'ajout d'empennages (comme pour une flèche) à la base stabilise la trajectoire. L'obus APDS a donc évolué en obus antiblindage stabilisé par empennages à sabot détachable (APFSDS – Armour-Piercing Fin-Stabilized Discarding Sabot). La rotation de stabilisation diminue la pénétration de ces obus (car une partie de l'énergie cinétique de translation est transformée en énergie cinétique de rotation, diminuant la vitesse linéaire de l'obus et donc l'énergie d'impact). En conséquence, ils sont généralement tirés à partir de canons lisses; mise en pratique par Israël, un important fournisseur d'obus flèche, la Chine, la France, le Pakistan, l'Allemagne, l'Union soviétique et la Russie, et les États-Unis dans leurs chars de combat. Une autre raison de l'utilisation de canons à âme lisse est que les munitions HEAT perdent beaucoup de leur effet par la rotation. Les obus APFSDS peuvent néanmoins être tirés de canons rayés, mais le sabot incorpore alors des roulements destinés à isoler la rotation du sabot de la flèche. Certains pays tels le Royaume-Uni et l'Inde, par exemple, ont conservé dans leur dotation des canons rayés parce qu'ils sont en mesure de tirer des munitions d'autres types tels que les obus HESH avec plus de précision. Toutefois, les rayures s'usent lors de l'utilisation régulière d'obus APFSDS et nécessitent plus d'entretien. Pour ces raisons, le char britannique Challenger 2 équipé du canon lisse Rheinmetall de 120 mm est à l'essai.

Les pénétrateurs à énergie cinétique mis en œuvre par les chars de combat modernes ont généralement un diamètre de 2-cm, et une longueur de 50-60 cm. L'évolution récente des pénétrateurs montre que leur longueur augmente et leur diamètre diminue. Toutefois, le développement des formes lourdes de blindage réactif qui vise à cisailler les flèches a modifié cette tendance dans les derniers développements aux États-Unis. Afin de maximiser l'énergie cinétique libérée sur la cible, le pénétrateur doit être réalisé dans un matériau dense, tel que le carbure de tungstène ou un alliage d'uranium appauvri (Staballoy). La dureté du pénétrateur est d'une importance moindre, mais il est toujours un facteur car l'abrasion est une composante importante du phénomène utilisé pour le contrer. Comme l'uranium appauvri n'est pas particulièrement dur, il est allié avec du nickel, du zinc, ou les deux. L'uranium appauvri est pyrophorique ; les fragments chauffés par l'impact s'enflamment au contact de l'air, mettant le feu au carburant et/ou aux munitions dans le véhicule cible, compensant ainsi l'absence d'une ogive explosive. En outre, il se forme dans les pénétrateurs en uranium appauvri des bandes de cisaillement adiabatique. Une idée commune fausse est que, durant l'impact, des fractures apparaissent le long de ces bandes provoquant une ablation de matière et restaurant ainsi la forme conique de la pointe du pénétrateur – alors que d'autres matériaux tels que le tungstène non revêtu ont tendance à se déformer dans un profil arrondi moins efficace en forme de champignon. En réalité, la formation de bandes de cisaillement adiabatique provoque le détachement prématuré des côtés du champignons, laissant une tête réduite à l'impact. Des tests ont montré que le trou percé par un projectile en uranium appauvri a un diamètre plus petit que celui obtenu avec un projectile de tungstène similaire[1].

Les vitesses des obus APFSDS varient selon les fabricants et le type de canon qui les tire. Par exemple, l'obus américain General Dynamics KEW-A1 a une vitesse initiale de 1 740 m/s (6 260 km/h environ)[2]. À titre de comparaison, une balle de fusil se déplace à environ 900 m/s.

La gamme de vitesse initiale des obus flèche (APFSDS) se situe généralement de 1 400 à 1 900 m/s. Les sabots aussi sont tirés à cette vitesse avant la séparation. Ils peuvent continuer pendant plusieurs centaines de mètres à une vitesse qui peut être mortelle pour les troupes et endommager les véhicules légers.

L'équivalent des obus flèche pour les fusils sont les fléchettes à sabot. Un fusil les utilisant, le Special Purpose Individual Weapon, a été un moment développé pour l'armée américaine, mais le projet fut abandonné.

Liste non exhaustive des obus-flèche

Appellation Munition Pays Fabricant Année Matériau Vitesse initiale Poids de la flèche (avec sabot) Allongement Capacité de perforation
M91925 x 137 États-Unis d'AmériqueGeneral Dynamics Ordnance & Tactical Systems1990-1991alliage à base d'uranium appauvri1385 m/s96 g (132 g)13:140 mm (31 mm) d'acier BHL à 1000 m (2000 m) sous une incidence de 60°
M935A225 x 137 BelgiqueMecar1993alliage de tungstène1440 m/s(130 g)->40 mm (>30 mm) d'acier BHL à 1000 m (2000 m) sous une incidence de 60°
M92930 x 165 BelgiqueMecar-alliage de tungstène1275 m/s(220 g)->50 mm d'acier BHL à 1000 m sous une incidence de 60°
PMC 28730 x 173 SuisseOerlikon Contraves Pyrotec AG-alliage de tungstène1405 m/s(235 g)-53 mm d'acier BHL à 1000 m sous une incidence de 60°
Mk II40 x 364R SuèdeBofors Defence2001alliage de tungstène----
Slpprj 9040 x 364R SuèdeBofors Defence1993alliage de tungstène1 465 m/s---
Slpprj 95LK/0540 x 364R SuèdeBofors Defence2005alliage de tungstène1 510 m/s---
40-APFSDS65 x 255 France & Royaume-UniCTA International2014alliage de tungstène1 500 m/s(550 g)-140 mm d'acier BHL sous incidence nulle à 1500 m
M-5460 x 410R Israël, Belgique et AllemagneIMI, Mecar et Herteldébut des années 1980alliage de tungstène1620 m/s870 g (1,35 kg)17:1perce la cible OTAN simple char moyen à 2000 m
M464 76 x 580R Israël IMI - alliage de tungstène 1400 m/s (1,63 kg) 15:1 perce la cible OTAN simple char moyen à 3000 m
M9490 x 600-615R IsraëlIMIannées 1980alliage de tungstène>1 455 m/s---
3BM25 Izomer100 x 695R Union soviétique-1978barreau en acier maraging contenant noyau en tungstène1430 m/s4,58 kg (5,02 kg)-300 mm d'acier BHL sous incidence nulle à 1 000 m, 280 mm sous incidence nulle à 2 000 m
M111 Hetz 6105 x 607-617R IsraëlIMI1978alliage de tungstène1455 m/s4,2 kg (6,3 kg)-perce la cible OTAN simple char lourd à 2000 m
M413 Hetz 7105 x 607-617R IsraëlIMIannées 1980alliage de tungstène1 455 m/s(6,3 kg)-perce la cible OTAN simple char lourd à 6000 m
XM735105 x 607-617R États-Unis d'AmériquePicatinny Arsenal1974alliage de tungstène chemisé dans de l'acier maraging1 478 m/s(5,83 kg)8:1152 mm et 127 mm sous une incidence de 60° à 1000 et 3000 m respectivement ou perce la cible OTAN simple char lourd à 1000-1200 m
M735105 x 607-617R États-Unis d'AmériquePicatinny Arsenal1978alliage de tungstène chemisé dans de l'acier maraging1 501 m/s3,7 kg (5,79 kg)10:1perce la cible OTAN simple char lourd à plus de 1000-1200 m
M735A1105 x 607-617R États-Unis d'Amérique-1979alliage à base d'uranium appauvri chemisé dans de l'acier maraging1 501 m/s3,7 kg (5,79 kg)10:1370 mm d'acier BHL sous incidence nulle à 1000 m
OFL 105 F1105 x 607-617R FranceGIAT1981alliage de tungstène1495 m/s (canon L/52) ou 1 525 m/s (canon L/56)3,8 kg (5,8 kg)22:1perce la cible OTAN simple char lourd à 4400 m (canon L/52) ou 4900 m (canon L/56)
L64A4105 x 607-617R Royaume-UniRoyal Ordnance Factories1982alliage de tungstène1485 m/s3,59 kg (6,12 kg)22:1perce la cible OTAN simple char lourd à 4200 m
M426 105 x 607-617R Israël IMI début des années 1990 alliage de tungstène - - -
M1060A3105 x 607-617R BelgiqueMecar2004alliage de tungstène1 560 m/s(6,2 kg)29:1>500 mm d'acier BHL sous incidence nulle à 2000 m
M428 SWORD 105 x 607-617R Israël IMI années 2010 alliage de tungstène 1 5à( m/s - - -
3BM3115 x 728R Union soviétique-1961barreau en acier maraging contenant noyau en tungstène1 615 m/s4 kg (5,5 kg)-300 mm d'acier BHL à 1000 m sous incidence nulle et 130 mm sous une incidence de 60°
3BM21 Zastup115 x 728R Union soviétique-1961barreau en acier maraging contenant noyau en tungstène1600 m/s4,5 kg (6,26 kg)-330 mm d'acier BHL à 2000 m sous incidence nulle et 165 mm sous une incidence de 60°
3BM36 Kamerger115 x 728R Union soviétique-1988alliage à base d'uranium appauvri, nickel et zinc---380-400 mm sous incidence nulle à 2 000 m
M1150115 x 728R BelgiqueMecar-alliage de tungstène1 635 m/s(6,5 kg)->500 mm d'acier BHL sous incidence nulle à 2000 m
L23A1120 mm Royaume-UniRoyal Ordnance Factories1983-85alliage de tungstène, nickel et cuivre1 534 - 1 549 m/s3,89 kg (7,89 kg)14,1:1400 mm sous incidence nulle à 3 500 m
BD26 Jericho120 mm Royaume-UniRoyal Ordnance Factories1990alliage de tungstène, nickel et de fer-4,1 kg (8 kg)18,6:115% supérieure au L23A1 (avec le canon L11), 25% supérieure au L23A1 (avec le canon L30)
L26A1 CHARM 1120 mm Royaume-UniRoyal Ordnance Factories1990alliage à base d'uranium appauvri et de titane1 499 m/s4,3 kg (8 kg)18,6:1-
M829120 x 570 États-Unis d'AmériqueChamberlain Manufacturing (General Dynamics)1984alliage à base d'uranium appauvri1 670 m/s4,27 kg (7,3 kg)~22:1540 mm d'acier sous incidence nulle à 2000 m.
OFL 120 G1120 x 570 FranceGIATmilieu des années 1980alliage de tungstène1650 m/s (canon L/52)3,8 kg (6,3 kg)-550 mm d'acier BHL à la bouche ou perce la cible OTAN simple char lourd à 8000 m
DM53120 x 570 AllemagneRheinmetall-defence1999alliage de tungstène1 670 m/s (canon L/44) & 1 750 m/s (canon L/55)5 kg (8,35 kg)38:1-
M829A3 super sabot120 x 570 États-Unis d'AmériqueAlliant Techsystems2003alliage à base d'uranium appauvri1 555 m/s7 kg (10 kg)~30:1-
3BM9125 mm Union soviétique-1962barreau en acier maraging1 800 m/s3,6 kg (5,67 kg)-245 mm d'acier BHL à 2000 m sous incidence nulle et 140 mm sous une incidence de 60°
3BM15125 mm Union soviétique-1972barreau en acier maraging contenant noyau en tungstène1 700 m/s3,83 kg (5,9 kg)-400 mm d'acier BHL à 2000 m sous incidence nulle et 160 mm sous une incidence de 60°
3BM32 Vant125 mm Union soviétique-1984-85alliage à base d'uranium appauvri1 780 m/s4,85 kg (7,05 kg)14,12:1500 mm d'acier BHL à 2000 m sous incidence nulle et 250 mm sous une incidence de 60°
3BM42 Mango125 mm Union soviétique-1986-88alliage de tungstène chemisé dans de l'acier maraging1 700 m/s4,85 kg (7,05 kg)15:1450 mm d'acier à blindage sous incidence nulle à 2000 m ou 230 mm sous une incidence de 60° à la même distance
3BM42M Lekalo125 mm Russie-1996alliage de tungstène1 750 m/s~5 kg25,9:1650 mm d'acier à blindage sous incidence nulle à 2000 m
XM578E1152 mm États-Unis d'Amérique-1968alliage de tungstène chemisé dans de l'acier maraging1 478 m/s~3,5 kg (9,2 kg)8:1152 mm et 127 mm sous une incidence de 60° à 1000 et 3000 m respectivement ou perce la cible OTAN simple char lourd à 1000-1200 m

Références

  1. (en) « Adiabatic Shear Banding in Axisymmetric Impact & Penetration Problems », J. B. Stevens and R. C. Batra
  2. (en) « 120mm Tank Gun KE Ammunition », Defense Update, (consulté le 3 septembre 2007)

Bibliographie

  • (en) Cai W. D., Li Y., Dowding R. J., Mohamed F. A., Lavernia E. J., « A review of tungsten-based alloys as kinetic energy penetrator materials », Rev. Particulate Mater., vol. 3, , p. 71–131

Articles connexes

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