Canon rayé - Définition

Fabrication

Rayures dans un canon français du XIXème siècle.

La plupart des rayures sont créées soit par:

• usinage d'une rayure à la fois avec une machine-outil
• usinage de tous les rainures en un seul passage grâce à un outil à brocher
• création par déformation à chaud de toutes les rainures en même temps à l'aide d'un outil appelé olive, que l'on pousse ou tire dans le canon
• forge du canon sur un mandrin comportant une image inversée des rayures et souvent aussi de la chambre (marteau de forge)
• formage par fluage du canon du canon sur un mandrin comportant une image inversée des rayuresé

Description

Principes généraux

Rayures conventionelles (à gauche) et rayures polygonales (à droite)

Un canon de section circulaire n'est pas capable de donner une mouvement de rotation à un projectile, c'est pourquoi les canons rayés ont une section non circulaire. En général, le canon rayé contient une ou plusieurs rainures qui parcourent sa longueur, ce qui lui donne une section qui ressemble à un engrenage, mais il peut également prendre la forme d'un polygone, généralement avec des angles arrondis. Comme la section transversale du canon n'est pas circulaire, il ne peut pas être décrit avec précision avec un diamètre unique. Les alésages de canons rayés peuvent être décris par le diamètre de l'alésage (le diamètre passant par les crêtes des rayures), ou par diamètre en fond de rayures (le diamètre passant par les creux des rayures). Les différences dans les conventions de nommage pour les cartouches peuvent causer une certaine confusion. Par exemple, le calibre .303 britannique est en fait légèrement plus grand que la .308 Winchester, parce que les "0.303" désigne le diamètre d'alésage (en pouces), tandis que les "0.308" se réfère le diamètre en fond de rayures (toujours en pouces), soit 7,70 mm et 7,62 mm, respectivement.

Les rainures sont les creux qui sont usinés, il en résulte des crêtes. Les caractéristiques de ces crêtes et ces rainures peuvent varier, tel que le nombre, la profondeur, la forme, le sens de rotation (à droite ou à gauche), et le taux de rotation (voir ci-dessous). La présence de rayures en hélice améliore considérablement la stabilité du projectile, améliorant ainsi la portée et la précision. Généralement les rayures ont un taux constant dans le canon, généralement mesurée par la longueur pour produire un tour complet. Plus rarement, certaines armes à feu possèdent des rayures ayant un taux de rotation progressif, ce taux augmentant de la chambre à la bouche du canon. Bien que cette conception soit rare, il est fréquent de noter de légères augmentation de ce taux de rotation à cause des variations de fabrication. Comme une réduction du taux de torsion est très préjudiciable à la précision, les armuriers qui usinent un nouveau canon mesurent la torsion avec soin afin qu'elle ne se réduise pas.

Malgré les différences dans la forme, l'objectif commun des rayures est d'accroitre la précision du projectile. En plus de donner le mouvement de rotation à la balle, le canon doit maintenir le projectile concentrique tout au long de son déplacement à l'intérieur de celui-ci, et ce, en toute sécurité. Ceci nécessite que les rayures répondent à un certain nombre de points:

• Le canon doit être dimensionné de sorte que le projectile soit matricé lors du tir pour s'ajuster à l'alésage
• Le diamètre du canon doit être cohérent, et ne doit pas augmenter vers la bouche.
• Les rayures doivent être régulières sur la longueur de l'alésage, sans changement de section, de largeur ou d'espacement.
• Le canon doit être lisse, sans rayures perpendiculaires à la direction de l'alésage, afin de ne pas érafler la matière du projectile.
• La chambre et la couronne doivent faire passer progressivement le projectile dans les rayures.

Ajustement du projectile à l'alésage du canon

Trois balles 7,62 × 51 mm OTAN (près d'une cartouche non tirée). Les marques dues au canon rayé de l'arme qui les a tirées sont visibles

Obus à shrapnel Russe de 122 mm (qui a été tiré). Les marques dues au canon rayé de l'arme qui l'a tiré sont visibles sur la bande de guidage en cuivre à sa base

Boulet doté d'ailettes pour les canons rayés - environ 1860

Obus en ogive du système Lahitte, 1858

Dans les armes à chargement par la culasse, l'engagement du projectile dans les rayures se fait par la gorge de la chambre. Ensuite vient le  "freebore"  ⇔  freebore qui est la partie de la gorge à travers laquelle le projectile transite vers le début des rainures. La dernière section de la gorge est le  "throat angle"  ⇔  chanfrein de la gorge où la gorge s'ouvre sur le canon rayé.

La gorge est généralement de taille légèrement plus grande que le projectile, si la cartouche chargée peut être inséré et retiré facilement, mais la gorge doit être aussi proche que possible de la diamètre de la rainure du canon. Après le tir, le projectile se dilate sous la pression de la chambre, et l'obture en s'adaptant à la gorge. La balle se déplace alors dans la gorge et engage les rayures, où elle est alors gravé, et commence à tourner. La gravure du projectile nécessite une force importante, et certaines armes à feu, le  "freebore"  ⇔  freebore est assez importante, ce qui aide à maintenir la pression de la chambre basse en permettant aux gaz propulseurs de se dilater avant d'être utilisé pour graver le projectile. Une meilleure précision, toutefois, est généralement atteinte avec un  "freebore"  ⇔  freebore le plus court possible, car cela maximise les chances que le projectile entre dans les rayures sans déformation.

Lorsque le projectile est estampé dans les rayures, il prend la forme négative des rayures, les sommets des rayures gravant le projectile. Cette gravure inclus les marques des creux et des sommets des rayures mais également les marques des défauts mineurs des rayures, tel que les marques d'outils. La relation entre les caractéristiques d'alésage du canon et les marques sur le projectile est souvent utilisé en balistique par la police scientifique notamment.

Vitesse de rotation d'une balle

Pour de meilleures performances, le canon doit avoir un taux de rotation suffisant pour stabiliser les balles qu'il tireara, mais pas beaucoup plus. Les balles de grand diamètre ont une plus grande stabilité, mais un plus grand diametre donne une plus grande inertie gyroscopique. Les balles longues sont plus difficiles à stabiliser, car elles ont tendance à avoir un centre de gravité centrée vers l'arrière, si bien que la pression aérodynamique dispose d'un plus grand bras de levier pour les faire basculer. Les plus faible taux de rotation se trouvent dans les armes à chargement par la bouche qui tirent des projectile rond; celles-ci ont des taux de torsion aussi faibles que 1 à 1 500 mm (60 pouces), bien que le taux de rotation 1 à 1 200 mm (48 pouces), pour un fusil polyvalent à chargement par la bouche, soit très courant. Le fusil M16A2, qui est conçue pour tirer la balle SS109, a un taux de 1 : 7 pouces (180 mm). Les fusils civils AR-15 sont couramment rayés avec un taux de 1 : 12 pouces (300 mm) pour les anciens fusils et 1 : 9 pouces (230 mm) pour la plupart des nouveaux fusils, bien que certains aient un taux de 1 : 7 pouces (180 mm), soit un taux identique à celui du M16. Les fusils, qui généralement ont une portée plus grande, tirent des balles de diamètre plus petit, ont, en général, des taux plus élevés que les armes de poing, qui ont une portée moindre, et tirent les balles de plus grand diamètre.

En 1879, George Greenhill, un professeur de mathématiques à l'Ecole Royale Militaire à Woolwich, Londres a mis au point une règle empirique pour le calcul du taux de rotation optimal pour les balles au plomb. Elle utilise la longueur de la balle, et ne tient pas compte du poids ou de la forme de la pointe avant.La formule de Greenhill, encore utilisé aujourd'hui, est la suivante:

où:

• C = 150 (prendre 180 pour les vitesses de bouche supérieur à 2 800 pied/s)
• D = diamètre de la balle en pouce
• L = longueur de la balle en pouce
• d = densité de la balle (10,9 pour des balles en plomb

La valeur initiale de C était de 150, ce qui donne un taux de rotation en pouces par tour, avec un diamètre D et la longueur L de la balle en pouces. Cela fonctionne à des vitesses d'environ 840 m/s (2800 pied/s); au dessus de ces vitesses, un C doit être pris égal à 180. Par exemple, avec une vitesse de 600 m/s (2000 pied/s), un diamètre de 0,5 pouces (12,7 mm) et d'une longueur de 1,5 pouces (38 mm), la formule Greenhill donnerait une valeur de 25, ce qui signifie 1 tour en 25 pouces (640 mm).

Des formules améliorées pour déterminer la stabilité et de taux de rotation, incluant la règle de rotation de Miller et le programme McGyro, ont développé par Bill Davis et Robert McCoy.

UnAcanon Parrott, utilisé par les forces armées des États confédérés et de l'Union durant la guerre de Sécession

Si un taux de rotation est insuffisant, la balle prendra du lacet puis commencera à basculer, les balles laissera un trou allongé dans la cible (trou de serrure). Une fois que la balle commence à prendre du lacet, tout espoir de précision est s'évanouit, car la balle bascule dans une direction aléatoire, à cause de la précession.

À l'inverse, un taux de la rotation trop élevé peut également causer des problèmes. Une rotation excessive peut provoquer une usure accélérée du cannon, et aussi induire une vitesse de rotation du projectile très élevée, qui peut désintégrer en vol des projectiles à haute vélocité. Une rotation plus grande que nécessaire peut aussi causer des problèmes de précision. En effet, toute hétérogéneité au sein de la balle, comme un vide qui entraîne une répartition inégale de la masse, entraine des problèmes de précision qui sont amplifiés par la rotation. Les balles sous-dimensionnés peuvent ne pas entrer dans les rayures exactement concentriques et coaxiales à l'alésage, et un taux de rotation excessif peut aggraver les problèmes de précision que cela entraîne. Enfin, un taux de rotation excessif entraîne une réduction de l'énergie cinétique de translation du projectile, réduisant ainsi sa puissance de destruction (une partie de l'énergie des gaz se transforme en énergie cinétique de rotation).

Une balle tirée d'un canon rayé peut tourner à plus de 300 000 tr/min, en fonction de la vitesse initiale de la balle et le taux de rotation des rayures du canon.

La formule générale pour calculer la vitesse de rotation (w) d'un objet en rotation peut être écrite sous la forme suivante:

où υ est la vitesse linéaire d'un point dans l'objet en rotation et C se réfère à la circonférence du cercle que ce point de mesure effectue autour de l'axe de rotation.

Pour une balle, la formule spécifique à celles ci, fait intervenir la vitesse initiale de la balle et le taux de rotation des rayures du canon pour calculer la vitesse de rotation:

• Vitesse de rotation de la balle (tr/min) = Vitesse initiale (in pied/s) x (12/taux de rotation en pouces) x 60

Par exemple, une balle avec une vitesse initiale de 3 050 m/s tirée d'un canon avec un taux de rotation des rayures de 1 : 7 pouces (180 mm) (comme par exemple, le fusil M16A2) tourne à ~ 315 000 tr/min.

Une vitesse de de rotation excessive peut dépasser les limites intrinsèques de la balle, la force centrifuge engendrée pouvant alors désintégrer la balle.