Projectiles tubulaires.
La présente invention concerne un projectile tubulaire. Elle a trait, d'une manière plus spécifique, à un projectile tubulaire d'un callbre normal ou sous-calibré, conformé de manière à suivre une trajectoire désirée, en établissant des conditions d'écoulement de l'air présélectionnées à l'intérieur du projectile.
Les projectiles sont habituellement lancés à partir d'une bouche à feu,d'une rampe de lancement ou d'un dispositif analogue. Ils doivent normalement suivre une trajectoire désirée à partir d'un lieu ou d'un véhicule de lancement vers un objectif ou une zone d'objectif. La trajectoire désirée n'est pas toujours suivie. Ceci peut être dû à des exigences rigoureuses concernant la trajectoire, par exemple une trajectoire présentant une décroissance de vitesse lente vers l'objectif, suivie d'une décroissance de vitesse rapide et d'une instabilité au-delà de l'objectif pour diminuer la portée. Dans une autre situation, il est nécessaire de maximaliser la portée. La déviation de la trajectoire peut également
être due à des forces étrangères et disruptives produites soit pendant le lancement, soit au cours du vol libre.
On a déjà cherché dans le passé à éviter certaines de ces difficultés. Ainsi, on a déterminé, par exemple, que la portée maximum et la précision de la trajectoire d'un projectile dépendent de facteurs tels qu'une masse élevée, des forces de trainée faibles et une vitesse de lancement élevée. Ces facteurs ne sont cependant pas toujours complémentaires. En effet, quoiqu'une vitesse initiale élevée exige un rapport section:poids important, une portée maximum demande que ce rapport soit petit. On a réussi à éviter cette difficulté en utilisant un projectile sous-calibré soutenu, lors du lancement, par un sabot conçu pour se détacher
du projectile à sa sortie du tube de lancement. A ce stade, le lecteur est invité à se référer, par exemple, au brevet américain
n[deg.] 2.386.054 accordé le 2 octobre 1945 à W.N.McGee. Le projectile décrit dans ce brevet comprend un corps principal et un culot pouvant s'en séparer lors du lancement. Cette séparation est provoquée
par la pression de l'air qui agit sur le culot. Le corps principal du projectile, dans ce brevet, présente un alésage d'un diamètre uniforme et égal approximativement,au cinquième du diamètre du corps cylindrique. Cet alésage traverse le corps du projectile axialement de part en part. L'air qui s'écoule au travers de cet alésage peut donc atténuer toute dépression éventuellement créée à la base du projectile, augmentant ainsi la vitesse et allongeant la distance de vol.
Cependant, dans de nombreuses circonstances, d'autres difficultés surgissent car le sabot requis est souvent compliqué et par conséquent onéreux. De plus, la séparation du sabot peut introduire des mouvements de lacet qui produisent des angles d'attaque initiaux trop importants.
Des tentatives visant à éviter les difficultés associées à la stabilité d'un projectile ont abouti à la mise au point de moyens visant à faire tourner ce projectile sur lui-même. La rotation du projectile vise à induire des moments gyroscopiques qui sont supérieurs aux moments aérodynamiques permettant à ce projectile de suivre sa trajectoire. Cependant, des dirricultés persistent car la longueur d'un projectile stabilisé par rotation gyroscopique est limitée à un maximum d'environ 5 diamètres. Au-delà de cette proportion, le rapport du moment d'inertie axial au moment d'inertie transversal peut être insuffisant pour procurer la stabilité longitudinale nécessaire.
Il peut s'avérer intéressant, pour le lecteur, de se référer au brevet américain n[deg.] 2.638.051 accordé le 12 mai 1953 à C.L. Critchfield. Ce brevet concerne un noyau de projectile comportant un sabot qui se détache facilement du projectile pendant le vol. Toute tendance du noyau à subir des mouvements de lacet ou à dévier de sa trajectoire précise est ainsi contrecarrée sans pour autant diminuer la vitesse du projectile. Pour réaliser ses objectifs, ce brevet procure un projectile qui reste bien centré pendant son trajet dans le tube de lancement ou le canon de
la bouche à feu, le rejet du sabot s'effectuant promptement lors du lancement. Selon ce brevet, le sabot est détaché par la pression de l'air et les forces centrifuges produites par la rotation gyroscopique du projectile. Le sabot décrit présente un certain nombre d'entailles qui assurent que tout le sabot se détache du projectile sous l'action des forces centrifuges.
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nécessaire de mettre au point un projectile relativement simple et économique à fabriquer. Le plus important est que ce projectile doit au moins atténuer et de préférence éliminer les difficultés du type mentionné plus haut, qui ont persisté en dépit des efforts visant à les réduire.
L'invention paraît éviter de nombreux inconvénients des constructions connues. Le projectile tubulaire décrit ci-dessous est de calibre normal ou sous-calibré. De plus, la configuration et le profil intérieur d'un projectile tubulaire du type envisagé peuvent être conçus pour satisfaire diverses exigences de trajectoire. D'une manière plus spécifique, l'invention prévoit une augmentation ou une diminution réglable des forces de traînée applicables à un projectile tubulaire en vol libre supersonique,
pour amener ce projectile à suivre une trajectoire ou une ligne
de vol présélectionnée.
Suivant l'invention, il est donc prévu un projectile tubulaire comprenant un corps tubulaire qui comporte un bord d'attaque et un bord de fuite ainsi qu'une ouverture centrale qui s'étend axialement dans le projectile et qui présente une surface interne reliant les bords l'un à l'autre, la surface interne ainsi qu'au moins le bord d'attaque étant conformés de manière à produire, pendant le vol, des caractéristiques d'écoulement de l'air présélectionnées à l'intérieur de l'ouverture centrale, régissant ainsi la résistance aérodynamique, c'est-à-dire la traînée du projectile pour obtenir la ligne de vol désirée. Dans une forme de réalisation, le bord d'attaque et le profil intérieur de l'ouverture centrale sont conformés de manière à créer des champs d'écoulement positif et négatif à l'intérieur de l'ouverture centrale.
Ces champs d'écoulement réagissent entre eux pour diminuer la traînée de pression et la traînée de culot du projectile. Cette diminution des forces de traînée augmente la portée, c'est-à-dire la distance de vol du projectile.
Dans une autre forme d'exécution de l'invention, le bord d'attaque et le profil intérieur de l'ouverture centrale du projectile tubulaire sont conformés de manière à produire une traînée minimum dans une gamme de vitesses prédéterminées allant jusqu'à une vitesse critique à laquelle des conditions d'écoulement aérodynamiques étranglé s'établissent subitement à l'intérieur de l'ouverture centrale. Ces conditions d'écoulement créent une onde de choc normale en avan� du projectile, pendant son vol libre, et exercent une force de traînée de pression considérablement accrue sur le projectile. Cette force de traînée de pression accrue diminue rapidement la portée du projectile, c'est-à-dire qu'on l'utilise pour limiter cette portée.
Une autre forme d'exécution d'un projectile tubulaire du type envisagé par l'invention comporte une surface de support près de son bord de fuite, conformée de manière à recevoir un culot de poussée qui a la forme d'un projectile non tubulaire. Les deux projectiles peuvent être séparés, lors du lancement, par la pression de stagnation importante produite dans l'ouverture centrale.
Dans une forme d'exécution préférée d'un projectile tubulaire conforme à l'invention, les bords d'attaque et de fuite comprennent chacun un couteau délimitant le sommet d'un coin annulaire de section conique, considéré radialement par rapport au corps tubulaire. Dans certains cas, le coin annulaire est un coin intérieur propre à faire dévier l'écoulement de l'air dans l'ouverture centrale où le profil de la surface interne et le coin intérieur produisent des champs d'écoulement négatif et positif à l'intérieur de l'ouverture. Ces champs d'écoulement réagissent l'un sur l'autre pour produire des forces de traînée de pression qui agissent sur le projectile pendant son vol libre.
Dans encore une autre forme d'exécution préférée de l'invention, le coin annulaire, sur le bord ou l'extrémité d'attaque du corps tubulaire, délimite une entrée convergente de l'ouverture centrale, le coin et l'entrée se terminant à une discontinuité aérodynamique disposée
à une distance vers l'avant du bord d'attaque comprise entre environ un quart et la moitié de la longueur du projectile. Une autre forme d'exécution préférée du projectile conforme à l'invention présente deux discontinuités aérodynamiques dans l'ouverture centrale, ces discontinuités étant espacées l'une de l'autre dans le sens axial du projectile pour établir les limites ou les extrémités
d'un étranglement de section constante. Cet étranglement peut
agir dans une gamme prédéterminée de vitesses supersoniques du projectile en vol libre afin de produire des conditions d'écoulement aérodynamique étranglé dans l'ouverture centrale. Ceci produit une onde de choc normale ou détachée du bord d'attaque du projectile et impose,sur le projectile,des forces de traînée de pression* sensiblement accrues qui diminuent la portée du projectile.
La brève description qui précède se rapporte à diverses formes d'exécution dans lesquelles les bords d'attaque et de fuite forment chacun un sommet d'un coin annulaire qui peut avoir la forme d'un coin intérieur ou d'un coin composite. Le profil de
ces coins est normalement linéaire, cependant un profil courbe pourrait également être utilisé, si on le désire.
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Divers avantages et diverses particularités de l'invention ressortiront clairement de la description détaillée de certaines formes d'exécution préférées donnée ci-après, à titre d'exemple, avec référence aux dessins annexés, dans lesquels :
la Fig. 1 est une vue en élévation de côté, en coupe longitudinale, montrant des détails d'une forme simple de projectile tubulaire suivant l'invention;
la Fig. 2 est une vue également en élévation de côté, en coupe longitudinale, d'une autre forme d'exécution de l'invention;
la Fig. 3 est également une vue en élévation de côté, en coupe longitudinale, d'encore une autre forme d'exécution de l'invention;
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trant les parties avec lesquelles une forme d'exécution préférée de l'invention est utilisée, avant leur assemblage en vue du lancement;
la Fig. 5 est une vue en élévation de côté, en coupe longitudinale, d'encore une autre forme d'exécution de l'invention;
les Fig. 6, 7, 8 et 8a sont des vues schématiques montrant des versions théoriques et pratiques d'un projectile tubulaire conforme à l'invention et indiquant les effets des champs d'écoulement à interaction dans l'ouverture centrale du projectile;
la Fig. 9 est une vue schématique montrant la structure des champs d'écoulement supersonique autour d'un projectile tubulaire;
les Fig. 10, 11 et 12 sont également des vues schématiques montrant les ondes de choc formées par trois formes d'exécution différentes suivant l'invention et produites à des vitesses
(nombres de Mach) différentes;
la Fig. 13 est un graphique représentant la relation entre le coefficient de traînée reporté en regard de la vitesse (nombre de Mach) d'un projectile tubulaire conforme à l'invention, comparée à celui d'un projectile classique;
la Fig. 14 est également un graphique montrant les exigences de portée de projectiles classiques et de projectiles tubulaires;
les Fig. 15 et 16 sont des images de visualisation par ombres établies pour montrer la structure de l'onde de choc associée à un projectile tubulaire conforme à l'invention et se dépla-çant à différentes vitesses supersoniques, la Fig. 15 montrant un écoulement supersonique non étranglé tandis que la Fig. 16 montre les ondes de choc accompagnant un écoulement étranglé dans un porjectile tubulaire;
les Fig. 17 et 17a sont des vues en élévation montrant schématiquement l'effet du contact et de la pénétration d'un objectif par un projectile tubulaire du type conforme à l'invention;
la Fig. 18 est un graphique de la pénétration de projectiles tubulaires conformes à l'invention et des fragments qui résultent de cette pénétration, et
la Fig. 19 est une vue en élévation de côté schématique de la manière dont une détonation par choc d'un explosif peut être effectuée avec un projectile tubulaire conforme à l'invention.
Aux dessins, les Fig. 1 et 7 montrent en 10 une forme de projectile tubulaire selon l'invention. Le projectile 10 comprend un corps tubulaire 12 dont la surface extérieure, dans ce cas-ci,
est en général cylindrique. Le corps 12 présente un bord d'attaque 16, à une extrémité, et un bord de fuite 18, à l'autre extré-
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bulaire 10 se déplaçant en vol libre, de gauche à droite. L'écoulement de l'air par rapport au projectile 10 s'effectue donc dans
le sens opposé, comme l'indique la flèche 20. Dans cette forme d'exécution, le bord d'attaque 16 forme le sommet d'un coin intérieur indiqué en 22. Le coin intérieur est annulaire et sa section
a la forme d'un cane qui va en se rétrécissant suivant des trajets en
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s'élève donc en pente douce vers l'intérieur vers l'axe central du projectile 10 et se termine à un étranglement 26. Cet étranglement
26 forme une zone planaire de section minimum dans une ouverture cen-
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l'étranglement 26 constitue une discontinuité aérodynamique dans
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rapport au projectile 10, d'une extrémité à l'autre de celui-ci. En effet, le bord d'attaque 16 et le bord de fuite 18 peuvent être considérés comme formant une entrée et une sortie communiquant avec l'ouverture centrale 28.
La forme d'exécution des Fig. 1 et 7 montre le corps tubulaire 12 qui comporte une partie disposée en aval de l'étran-
<EMI ID=9.1> coin intérieur 30 est également annulaire et comprend une surface intérieure 32. La surface intérieure 32 suit des lignes droites qui vont de l'étranglement 26 à un sommet délimité par le bord
de fuite 18. Il ressort de la Fig. 1 que la configuration représentée présente une symétrie spéculaire de-part et d'autre d'un plan parallèle à un plan passant par l'étranglement 26. D'une manière plus spécifique, dans cette forme d'exécution, la symétrie spéculaire se présente de chaque côté d'un plan coïncidant avec l'étranglement 26.
Les bords d'attaque et de fuite 16 et 18 ont la forme de couteaux. L'angle inclus entre les surfaces intérieures représen-
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12 est petit. Aux fins de l'invention, l'angle contenu au sommet des coins du bords d'attaque et de fuite est inférieur à environ
15[deg.] et est compris de préférence entre 5 et 10[deg.] environ. De plus, le rapport de l'épaisseur de la paroi au diamètre extérieur du corps tubulaire 12 doit être petit. Ceci réduit au minimum la section frontale et la déviation du flux ou de l'écoulement supersonique à travers le projectile 10. Ce rapport est limité par les conditions d'écoulement et par la stabilité longitudinale dynamique du projectile en vol libre. Il faut mentionner à nouveau que
le profil et la forme en coupe du coin annulaire formant les extrémités d'attaque et de fuite du projectile 10 peuvent varier. Le coin annulaire aux extrémités d'attaque et/ou de fuite du projectile 10 peut ainsi avoir la forme d'un double coin, d'un coin mixte, d'un coin intérieur ou de variante. Le profil ou la forme peuvent également être courbes, et si on le désire, selon l'application prévue et les contraintes éventuelles quelconques imposées par le lancement. L'extrémité de fuite du projectile 10, par exemple,
est habituellement modifiée pour accepter un culot de poussée nécessaire pour le lancement.
Après le lancement à partir d'une bouche à feu, d'une rampe de lancement ou d'un dispositif analogue, le projectile tubulaire 10 se déplace en vol libre. Ce projectile 10 doit norma-
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prévus pour déterminer une trajectoire désirée avec des caractéristiques de vol prédéterminées. Il est à noter que la forme des coins des bords d'attaque et de fuite de concert avec les surfaces
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et de réflexion d'ondes de choc qui existent dans l'ouver- <EMI ID=13.1>
ture centrale 28. Il est à noter que le projectile tubulaire 10 est normalement lancé à des vitesses supersoniques. Des champs d'écoulement supersoniques sont donc associés au projectile tubulaire 10 et ces chanps peuvent avoir deux structures différentes. Dans un cas. le champ d'écoulement peut produire une onde de choc oblique dans laquelle une onde de choc de compression est fixée au bord d'attaque 16, est suivie d'une région de détente,
et ensuite d'une onde de choc de recompression fixée au bord de fuite 18. Une telle onde de choc oblique peut apparaître, par exemple, sur les Fig. 9, 10 et 15. Un champ d'écoulement supersonique dans lequel une onde de choc oblique est formée indique des forces de traînée faibles. De plus, il est à noter que la puissante onde de choc oblique fixée au bord de fuite 18 du projectile 10 indique que l'écoulement aérodynamique à l'intérieur du projectile tubulaire est supersonique.
Dans le second cas, le champ d'écoulement associé au projectile tubulaire 10 peut présenter une forte onde de choc normale
(ou une onde détachée), c'est-à-dire détachée du bord d'attaque 16 du projectile tubulaire 10. Ceci est clairement indiqué en 17 sur la Fig. 16 et a également été montré schématiquement dans certaines représentations de champs d'écoulement des Fig. 11 et 12.
La présence d'une puissante onde de choc normale détachée du bord d'attaque 16 indique que des conditions d'écoulement étranglé existent dans ce projectile. Des conditions d'écoulement étranglé tendent à donner l'impression que le projectile est un cylindre plein et, en tout cas, imposent des forces de traînée importantes sur le projectile.
Le phénomène d'étranglement du projectile tubulaire 10 a été établi dans des essais effectués dans une soufflerie aérodynamique au moyen de modèles de 105 mm et à l'aide de techniques de visualisation des champs d'écoulement. Ces essais ont été exécutés
à des nombres de Mach de 1,8, 2,25, 3 et 4,25, des angles d'attaque variant de 2 à +18[deg.] et des nombres de Reynolds de vol chaque fois que cela s'est avéré possible. Les résultats de ces essais sont indiqués dans les visualisations des champs d'écoulement des Fig. 10, 11 et 12. D'une manière spécifique, on peut voir que le projectile tubulaire 10 comportant un coin de bord d'attaque ex- <EMI ID=14.1>
née faibles aux quatre nombres de Mach vérifiés. Le projectile tubulaire 10 qui comporte un coin de bord d'attaque composite a été étranglé et accuse des forces de traînée élevées à
des nombres de Mach de 3,8 et 2,25, mais il s'est révélé non étranglé, c'est-à-dire qu'il est traversé par un écoulement supersonique, à des nombres de Mach de 3 et
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d'attaque intérieur a été étranglé à tous les nombres de Mach vérifiés. L'effet obtenu en modifiant l'angle d'attaque a été de supprimer partiellement l'étranglement dans le projectile tubulaire
10 à des angles allant jusqu'à 18[deg.]. Le projectile 10 comportant le coin de bord d'attaque extérieur ne s'étrangle que lorsqu'on modifie l'angle d'attaque.
Il ressort de la description qui précède que les forces de traînée qui peuvent être appliquées à un projectile tubulaire du type envisagé dans le présent mémoire, concernent le profil des coins de bords d'attaque et de fuite et la surface interne de l'ouverture centrale 28. De plus, l'état vif ou mousse des bords d'attaque et de fuite, le rapport épaisseur de paroi:diamètre, le rapport de finesse et le calibre sont également des facteurs qui affectent les forces de traînée. La traînée totale pour un angle d'attaque zéro du projectile 10 est formée d'une traînée de pression, de la traînée de culot et de la traînée de frottement. La traînée de pression est dérivée de la présence et de la forme des ondes de choc produites par le projectile.
La traînée de culot, par ailleurs, dépend des conditions d'écoulement du culot, de la géométrie et de l'épaisseur du bord de fuite. La traînée de frottement est en rapport avec le nombre de Reynolds et avec l'aire mouillée. La traînée de frottement, par exemple d'un projectile tubulaire, est presque deux fois supérieure à celle d'un projectile à noyau plein classique en raison de la surface interne supplémentaire exposée à l'écoulement de l'agent à travers lequel le projectile se déplace. Cet agent est normalement gazeux mais il peut, dans certains cas, être liquide, par exemple de l'eau. Ceci peut être le cas lorsque le projectile prend la forme d'une torpille lancée par un navire ou d'un projectile analogue.
Pour optimaliser la structure d'un projectile tubulaire en vue d'obtenir une traînée aérodynamique minimum, la théorie exige que la déviation de l'écoulement soit faible, c'est-à-dire que l'angle inclus du coin de bord d'attaque soit petit. De
plus, la structure d'écoulement doit comprendre des ondes de choc obliques fixées au projectile, l'épaisseur du bord de fuite s'ap-prochant de zéro tandis que le rapport de finesse et le rapport
des épaisseurs de paroi doivent correspondre à des valeurs assurant un comportement balistique optimum.
Il convient pour l'instant de se référer en particulier à la Fig. 7 et à la Fig. 9 ainsi que de faire une digression momentanée pour expliquer quelque peu le fond. de l'invention. Ainsi, comme mentionné plus haut, les coins de bords d'attaque et de
fuite qui agissent de concert avec le profil des surfaces internes 24 et 32 de l'ouverture centrale 28 déterminent le type de déviation de l'écoulement et de réflexion des ondes de choc qui se produit dans cette ouverture. Un petit angle contenu entre la surface externe 14 du projectile 10 et la surface interne 24 établit une ligne de déviation de l'écoulement bien définie. Ainsi, une onde de choc de compression 36 est produite par le bord d'attaque 16. Cette onde de choc de compression 36 accuse une différen- ce de pression sur une très courte distance et est bien définie, comme indiqué sur les Fig. 9 et 15. La présence d'une discontinuité aérodynamique vive ou déterminée avec précision en 26 est importante pour réaliser l'interaction voulue des champs d'écoule-
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de l'ouverture centrale 28.
En vue de réduire la traînée de pression qui s'exerce sur le projectile tubulaire 10, il faut que la discontinuité 26 soit disposée et conformée de manière à réfléchir l'onde de choc 36 de la manière représentée sur les Fig. 1 et 7, par la continuation vers l'aval 36' de cette onde de choc de compression. La différence de pression qui se présente dans l'onde de choc de compression
36 agit sur le corps tubulaire 12. Ce faisant, des forces dirigées radialement vers l'extérieur sont exercées sur le corps 12. Ces forces s'annulent cependant automatiquement en étant établies par des paires diamétralement opposées. La différence de pression dans l'onde de choc 36 produit également des composantes axiales. Ces composantes axiales exercent une force de retardement
sur le projectile en raison de l'inclinaison de la surface interne
24 par rapport à l'axe central du projectile 10. Ces composantes de forces axiales sont dirigées vers l'arrière et la force de retardement ainsi produite tend à ralentir le projectile.
Dans la moitié aval du projectile 10, l'onde de choc de compression réfléchie 36 est également soumise à une différence de pression. Dans ce cas-ci à nouveau, la différence de pression exerce <EMI ID=17.1>
des composantes de forces dans des sens dirigés à la fois axialement et radialement vers l'extérieur du corps tutulaire 12. Comme décrit plus haut, les composantes de forces dirigées radialement vers l'extérieur s'annulent automatiquement par paires diamétralement opposées. Les composantes axiales sont cependant exercées vers l'avant sur le projectile tubulaire 10 en raison de l'inclinaison de la surface interne 32 dans la partie aval du projectile. Les Fig. 1 et 7 représentent la déviation et la réflexion des ondes de choc de compression dans une situation idéale. Ainsi, si les surfaces internes 24 et 32 sont inclinées de manière égale
mais en sens opposés, par rapport à l'axe central du projectile 10, et si l'onde de choc de compression 36 est déviée et réfléchie
avec 100% d'efficacité, les composantes de pression orientées axialement, vers l'amont et vers l'aval de la discontinuité 26, s'annulent également automatiquement. Voir Fig. 7A. Dans ces conditions d'écoulement idéales et comme le montrent les Fig. 1 et 7, il existe un champ d'écoulement supersonique sans onde de choc
à l'extérieur des limites du projectile.
Il est évidemment difficile d'annuler complètement les forces de retardement pour obtenir une traînée de culot et une pression en substance nulles. Comme mentionné plus haut, ceci ne s'applique qu'à un champ d'écoulement idéal. En réalité, on rencontre une interaction de la couche limite de même que des effets de l'angle d'attaque du projectile, des nombres de Mach qui augmentent ou qui diminuent (c'est-à-dire la vitesse du projectile)
ou les effets de la géométrie réelle d'un projectile particulier
et des systèmes utilisés pour lancer ce projectile.
Cependant, en dépit de ces complications, on peut encore obtenir en pratique des réductions appréciables de la traînée du projectile. Ainsi, malgré que les ondes de choc de compression 36 ne soient pas réfléchies au niveau de la discontinuité 26 avec 100% d'efficacité, une reprise de pression adéquate se produit en fait en aval de cette discontinuité afin d'assurer des réductions sensibles des forces de traînée de pression. En fait, des expériences exécutées avec des projectiles prototypes conçus comme sur les Fig. 1 et 7 ont démontré une diminution de la traînée allant jusqu'à 30%, ce qui indique que des forces de pression réduites agissent sur les projectiles. Une diminution de la traînée augmente le rendement du projectile dans la zone de l'objectif et raccourcit le temps de vol.
Il convient à ce moment de se référer aux Fig. 7 et 7a et de les comparer aux Fig. 8 et 8a. Ces figures représentent schématiquement la déviation de l'écoulement et la réflexion des ondes de choc dans des conditions idéales ainsi que dans la pratique, et elles illustrent schématiquement la nature des forces de pression agissant sur le projectile en vol libre.
La Fig. 7a représente la situation dans un cas idéal. Les composantes de forces axiales, à la fois en amont et en aval de la discontinuité aérodynamique 26 accusent des ondes de choc réfléchies avec 100% d'efficacité et une récupération de pression de
100% dans la partie aval du projectile. Les valeurs des forces de pression orientées axialement sont égales mais elles agissent en sens opposés en raison des inclinaisons correspondantes des surfaces internes 24 et 32. La Fig. 8a, d'autre part, représente les conditions obtenues réellement en pratique lorsqu'une récupération de pression incomplète se produit en aval de la discontinuité. Le résultat est une annulation incomplète des forces de pression axiales qui agissent sur le projectile qui est par conséquent retardé par les composantes axiales des forces de pression.
Après cette description explicative, on en viendra ci-après à des formes que le projectile tubulaire suivant l'invention peut prendre en pratique. La Fig. 2 montre donc une forme pratique d'un projectile tubulaire 50 conforme à l'invention. Le projectile 50 comprend un corps tubulaire 52 de section circulaire, comportant une
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trée 56 qui en fait partie intégrante, une action d'étranglement 58 et une section de sortie 60. Ces diverses sections sont reliées les unes aux autres et, étant tubulaires et circulaires en coupe, elles délimitent une ouverture centrale 62. Cette ouverture 62 s'étend longitudinalement et axialement à partir d'une extrémité du projectile 50 vers l'autre extrémité opposée à la première. Une flèche 64 indique le sens de l'écoulement ou du déplacement du fluide par rapport au projectile 50,lorsque ce dernier est en vol libre.
L'entrée 56 a la forme d'un coin annulaire composite présentant un sommet qui délimite un bord d'attaque 66. Les surfaces interne et externe 68 et 69 de ce coin sont inclinées par rapport à l'axe du projectile 50. Il est à noter que l'angle d'inclinaison de chacune des surfaces interne et externe 68 et 69 par rapport à l'axe central du projectile 50, ne doit pas être identique. L'angle d'inclinaison de chaque surface est cependant de <EMI ID=19.1> préférence inférieur à environ 15[deg.] pour les mêmes raisons que celles décrites plus haut en ce qui concerne la forme d'exécution des Fig. 1 et 7. En d'autres termes, l'angle contenu entre les surfaces 68 et 69 du coin composite de bord d'attaque est inférieur à environ 30[deg.] au total et de préférence inférieur à environ 15[deg.].
La surface interne 68 de la section d'entrée 56 détermine une entrée convergente dont la section va en diminuant de manière uniforme à partir du bord d'attaque 66 dans le sens de l'écoulement 64. Cette surface interne 68 converge radialement vers l'intérieur du projectile 50 jusqu'à ce qu'elle rejoigne l'extrémité amont de la section d'étranglement 58. Cette section d'étranglement s'étend approxima- <EMI ID=20.1>
section de l'ouverture centrale 62 reste en substance constante sur toute sa longueur. Dans ce cas particulier, la paroi interne de la section d'étranglement 58 est parallèle à l'axe central du projectile 50.
La section de sortie 60 a également la forme d'un coin composite annulaire. La base de ce coin composite rejoint l'extrémité aval de la section d'étranglement 58. Le coin composite du bord de fuite présente une surface interne 71 qui va en s'inclinant vers l'extérieur à partir de l'extrémité aval de la section d'étranglement 58 vers un sommet qui forme un bord de fuite 70. Il est clair que les extrémités amont et aval de la section d'étranglement 58 constituent des discontinuités aérodynamiques dans l'ouverture centrale 62 et sont espacées axialement l'une de l'autre.
La surface interne 71 du coin composite du bord de fuite présente un épaulement de plus grand diamètre ou ressaut 72 qui est orienté vers l'aval. Ce ressaut 72 peut recevoir et retenir de manière détachable un culot de poussée représenté en traits pointillés en 74. Le culot de poussée 74 retient les pressions de gaz de façon étanche dans le tube de lancement et transfère au projectile
50 les forces nécessaires au lancement. Le culot de poussée 74 est normalement séparable du projectile 50 immédiatement après le lancement. La séparation est due à des forces de pression de stagnation substantielles dans la cavité centrale 62 du projectile en vol.
A coté du ressaut de plus grand diamètre 72, les formes des parties amont et aval du projectile 50 sont en général énantiomorphes. Cette symétrie est établie de part et d'autre d'un plan perpendiculaire à l'axe médian du projectile 50, à la moitié de sa longueur. De plus, il est à noter que, d'une manière semblable à celle de la forme d'exécution des Fig. 1 et 7, la base des coins
des bords d'attaque et de fuite est disposée dans le même plan
que celui qui contient les discontinuités aérodynamiques aux deux extrémités de la section d'étranglement 58. Le plan passant par chacune des discontinuités aérodynamiques dans l'ouverture centrale 62 est donc parallèle au plan de chaque coté duquel se produit la symétrie. Comme le montrent les Fig. 7, 7a, 8 et 8a, cette symétrie est utile pour assurer la récupération de pression mentionnée plus haut.
Il est à noter que le profil et la forme des surfaces internes des coins des bords d'attaque et de fuite, ainsi que de la section d'étranglement 58 sont importants pour déterminer si les forces de traînée pouvant être appliquées au projectile 50 augmentent ou diminuent. Ainsi, on a mentionné plus haut que le rapport épaisseur de paroi:diamètre du projectile doit être petit pour réduire au minimum l'aire frontale et la déviation subie par l'écoulement supersonique de l'agent que le projectile traverse. Le rapport épaisseur de paroi:diamètre dépend naturellement du diamètre de la section d'étranglement 58. De plus, des conditions d'écoulement réglables dans l'ouverture centrale 62 ainsi qu'une stabilité longitudinale dynamique du projectile limitent le rapport longueur-diamètre (c'està-dire le rapport de finesse) du projectile 50.
Il est nécessaire, par exemple, que l'ouverture centrale 62 ait un diamètre et une section suffisants pour permettre à l'onde détachée formée initialement de se transformer en une onde de choc oblique attachée au bord d'attaque, établissant ainsi un écoulement supersonique à travers l'ouverture centrale, lorsque le culot de poussée se sépare du projectile.
Comme mentionné plus haut, l'invention procure un moyen pour régler la trajectoire et la portée du projectile. La description qui précède a indiqué la manière de réduire les forces de traînée afin de maintenir des vitesses du projectile élevées et de diminuer son temps de vol. Il est également possible, conformément
à l'invention, d'augmenter considérablement les forces de traînée exercées sur un projectile tubulaire et ce, subitement. Il est donc possible de concevoir un projectile tubulaire d'une manière telle qu'il soit soumis à une traînée minimum pour une portée présélectionnée. Cette portée doit être suivie d'une transition naturelle,
à une vitesse limite ou critique prédéterminée (et un nombre de
Mach correspondant), vers des conditions d'étranglement de l'écoulement qui imposent des forces de traînée très élevées sur le pro-
r jectile et ainsi limitent sa distance de vol.
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réelle des projectiles classiques et tubulaires excède fortement celle qui est souvent considérée comme une portée maximum utile.
La vitesse de lancement et la forme du bord d'attaque ainsi que la surface interne de l'ouverture centrale du projectile conforme à l'invention peuvent être présélectionnés. Dans un tel cas, on a pu déterminer qu'en raison de la présence des forces de traînée résultant de la récupération de pression qui est inévitablement incomplète en pratique, le projectile tubulaire conforme à l'invention peut être conçu pour ralentir dans les limites d'une portée normale jusqu'à une vitesse de seuil ou vitesse critique et un nombre de Mach correspondant. Il ressort par conséquent de la Fig. 13 qu'à ce nombre de Mach critique, l'écoulement supersonique qui existait précédemment dans l'ouverture centrale s'est étranglé.
L'écoulement étranglé établit une onde de choc normale détachée en avant du projectile et impose des forces de traînée fortement accrues sur ce projectile. Il faut noter en outre que le passage de forces de traînée faibles à des forces de tramée fortement accrues se produit subitement. On peut calculer le seuil ou le nombre de Mach critique auquel ce passage de l'écoulement supersonique à l'écoulement étranglé se produit. La théorie servant à déterminer ce nombre de Mach critique ne fait cependant pas partie de l'invention et est donc omise.
L'utilité de nombreux projectiles peut être fortement améliorée par cette transformation réglable en forces de traînée
qui s'exercent sur un projectile tubulaire en vol. Dans le contexte d'une munition pratique, par exemple, il peut être souhaitable ou même nécessaire d'imposer des limitations de portée. Ceci est souvent le cas car les projectiles lancés par des armes modernes peuvent avoir une portée efficace allant jusqu'à 3.000 mètres. Ce qui s'oppose cependant à cela est le fait que la portée maximum pour des vitesses auxquelles ces projectiles sont lancés peut aller jusqu'à 20.000 mètres. L'invention apporte une excellente solution
à ce dilemme. De plus, un avantage supplémentaire réside dans le fait qu'un projectile tubulaire conforme à l'invention réduit au minimum de manière efficace et régulière tout ricochet indésirable du projectile au-delà de l'air de l'objectif.
Il convient maintenant de se rapporter aux formes d'exécution préférées de l'invention qui sont représentées aux Fig. 4,
5 et 6. Cela étant, un projectile tubulaire 80 est représenté et <EMI ID=22.1>
ce projectile a une section circulaire formée par le corps 82. Le corps 82 comprend des coins de bord d'attaque et de bord de fuite
84 et 86 qui en font partie intégrante. Ces coins 84 et 86 sont composites et sont chacun annulaires pour former une entrée et une sortie pour une ouverture centrale 88. De plus, le coin de bord d'attaque 84 a une surface interne 90 qui s'incline en pente douce radialement vers l'intérieur vers l'aval et qui se termine à une extrémité amont d'une section d'étranglement 92. La paroi en forme d'enveloppe du corps 82 est petite de manière à procurer un rapport épaisseur de paroi: diamètre également petit pour le projectile 80. De plus, le coin 84 du bord d'attaque présente un sommet qui dé-
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forme d'un coin composite dont la surface externe va en s'inclinant radialement vers l'extérieur à partir du bord d'attaque 94 vers l'extérieur du corps 82. La surface externe de ce coin composite 94 est susceptible de supporter de manière détachable une virole de guidage 96, de préférence en une matière polymère. Cette virole de guidage 96 peut être attachée au projectile 80 avant le lancement et sert à guider le projectile tandis qu'il se trouve dans
le tube de lancement ou la bouche à feu. Au moment du lancement,
la virole de guidage 96 peut se séparer du projectile 80 à l'intervention des forces de traînée aérodynamiques et/ou par rupture sous l'effet des forces centrifuges qui y sont appliquées par la rotation gyroscopique du projectile 80. La rotation gyroscopique du projectile
80 sera décrite plus en détail plus loin.
Le coin de bord de fuite 86 a également la forme d'un coin composite dont le sommet forme un bord de fuite 98. La surface interne du coin de bord de fuite 86 présente des dimensions diamétrales accrues afin da former un siège d'appui 100. Le siège 100 peut supporter de manière détachable un culot de poussée 102 qui sert à transformer la pression des gaz dans le tube de lancement
en une force d'entraînement faisant accélérer le projectile pour le lancement. Pour maximaliser l'efficacité de cette transformation d'énergie, un élément d'étanchéité 104 est habituellement prévu et peut être fixé à la périphérie du culot de poussée 102.
Pour stabiliser le projectile tubulaire 80 pendant sont vol libre, il convient d'animer ce projectile d'un mouvement de rotation gyroscopique. Le mouvement de rotation est transmis par une ceinture de forcement 106 qui est appliquée sur des parties du culot de poussée 102 et de la surface externe du coin de bord de fuite 86.
r La ceinture de forcement 106 est habituellement faite d'une matière plus tendre que celle du tube ou de la bouche à feu de lancement. Des rayures ou des nervures formées à l'intérieur du canon de la bouche à feu viennent effectivement en prise avec la périphérie externe de la ceinture de forcement 106. L'avancement du projectile dans le canon de la bouche à feu s'accompagne d'un mouvement de rotation dérivé de l'engagement de la ceinture de forcement 106 avec ses nervures ou ses cannelures. Ceci est très connu dans le domaine des projectiles et ne doit pas être décrit plus en détail.
Il est à noter cependant qu'une forme d'exécution préférée d'un projectile tubulaire envisagé dans l'invention tire profit du mouvement de rotation d'un projectile stabilisé par voie gyroscopique. Cette rotation est utilisée pour empêcher tout ricochet du projectile tubulaire conforme à l'invention au-delà de la zone d'objectif désirée. En prévoyant des rayures adéquates dans le tube ou la bouche à feu de lancement, on lance le projectile tubulaire 80 avec une vitesse de rotation gyroscopique comprise entre environ 30.000 et 60.000 tours par minute et de préférence d'envirron 45.000 tours par minute. Des vitesses de rotation de cette valeur produisent des contraintes dans le corps en forme d'envelop-
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tile 80 conforme à l'invention et destiné à être stabilisé par
voie gyroscopique, est fait d'une matière soigneusement choisie de manière que la limite d'élasticité de cette matière lui pernette
de résister aux contraintes produites par ces vitesses de rotation élevées. Des prototypes du projectile tubulaire 80 éprouvés avec succès ont été fabriqués en acier AISI 4340, un acier allié recuit. Un autre type d'acier acceptable et qui est préféré à cause de son prix moindre, est l'acier AISI 1018. Ce dernier est un acier au carbone ordinaire, trempé par étirage à froid ayant une limite élasti-
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l'invention, la limite élastique de la matière dont le projectile tubulaire 80 est fait dépasse légèrement les contraintes calculables imposées sur la surface du projectile tubulaire lancé avec une vitesse de rotation gyroscopique bien établie.
Lorsqu'un tel projectile tubulaire stabilisé par voie gyroscopique rencontre un objectif ou un autre objet situé dans la zone d'objectif, des charges et des contraintes supplémentaires dues à l'impact sont exercées sur ce projectile. Le projectile qui tourne a normalement une vitesse d'impact élevée et la contrainte supplémentaire produite par l'impact provoque la rupture du projectile. Cette rupture est due à des contraintes excessives auxquelles la matière du projectile est soumise. Le corps 82 du projectile tubulaire 80 se fissure donc, ces fissures se propageant pour provoquer la rupture du projectile d'une manière en substance semblable à l'épluchage d'une banane. Lorsque
le corps 82 se brise de cette façon, une traînée aérodynamique fortement accrue est exercée sur les fragments produits. Cela étant, les fragments ralentissent rapidement et toute tendance à la production d'un ricochet excessif au-delà de la zone de l'objectif est sévèrement freinée et même éventuellement éliminée. Ce qui est plus important, c'est que cette technique permet d'obtenir une fiabilité adéquate dans la suppression de tout ricochet indésirable au-delà de la. zone d'objectif.
On décrira ci-après un autre projectile tubulaire conforme à l'invention. Sur la fig. 3, un projectile tubulaire 110 est représenté. Ce projectile 110 est essentiellement le même que celui représenté sur les Fig. 2, 4 et 5. Cependant, la forme d'exécution de la Fig. 3 présente un coin de bord de fuite propre à soutenir un culot de poussée 112, comme dans un projectile non tubulaire classique. Le culot de poussée 112 est façonné de manière à présenter un épaulement radial 114 circonférentiellement par rapport au culot de poussée 112. L'épaulement 114 peut par conséquent venir contre l'épaulement ou le siège d'appui 100 représenté sur la Fig. 5.
Quoique la Fig. 3 ne le montre pas, le coin de bord de fuite du projectile 110 peut habituellement supporter de manière détachable au moins une ceinture de forcement (non représentée) et de préférence également un disque d'étanchéité. Une telle ceinture de forcement et son disque d'étanchéité fonctionnent de la même manière que celle décrite avec référence à la Fig.
4. Une fois que le projectile tubulaire 110 a été lancé, habituellement à une vitesse supersonique, ce projectile produit une onde de choc normale juste en avant de son bord d'attaque. Cela étant, des pressions de stagnation élevées sont établies dans l'ouverture centrale de ce projectile tubulaire 110. Ces pressions de stagnation provoquent la séparation du culot de poussée 112. Comme les forces de traînée exercées sur le projectile classique, c'est-àdire le culot de poussée 112, dépassent les forces exercées sur le projectile tubulaire 110, chaque projectile suit sa propre trajec-toire. Ainsi, les projectiles séparables 110 et 112 peuvent être conçus pour transporter des explosifs, des matières incendiaires ou d'autres matières vers des zones d'objectif distinctes.
Une autre particularité de l'invention sera décrite ciaprès avec référence aux Figs. 17, 17a, 18 et 19. Sur la Fig. 17, une version schématique d'un projectile tubulaire du type décrit plus haut est indiquée en 130, juste au moment d'un impact avec un objectif 132. Il est évident que le corps tubulaire produit une série d'ondes de compressicn à l'intérieur de l'objectif 132, au contact de celui-ci. Comme un impact se produit dans une zone annulaire, les ondes de compression représentées en 134 se répartissent radialement vers l'extérieur du point de contact du projectile tubulaire 130 avec l'objectif 132. Cela étant, il n'y a aucune focalisation des ondes de compression le long d'un trajet coïncidant en substance avec l'axe central du projectile tubulaire
130.
Lorsque la pénétration progresse, un bouchon 134 est éjecté et est reçu à l'intérieur du projectile tubulaire 130. Ceci est indiqué clairement sur la Fig. 17a. A ce moment, les ondes de compression 134 ont été réfléchies par la face de l'objectif 132 opposée à celle où le contact s'est initialement établi. Ces ondes 'fléchies placent la matière de l'objectif 132 sous traction et sont matérialisées en 136 sur la Fig. 17a. A la suite des effets
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ce arrière de la cible 132. Pourvu que le projectile tubulaire 130 ait suffisamment d'énergie pour pénétrer complètement dans la cible
132, un gros bouchon de matière 138 est éjecté vers l'arrière à partir de l'objectif 132.
La Fig. 18 représente schématiquement le degré de pénétration d'un objectif formé d'une série de plaques de verre époxy, d'aluminium et d'acier disposées les unes par rappçrt aux autres comme indiqué dans la partie supérieure de cette figure. Il est clair que le projectile tubulaire lui-même ou des fragments produits pénètrent dans diverses couches de cet objectif. La pénétration varie selon la vitesse d'impact et dépend du diamètre, de la densité et ainsi de la masse du projectile.
La Fig. 19 représente schématiquement un projectile tubulaire 150 qui frappe une charge explosive 152. En raison de la nature relativement incompressible de la charge explosive 152, un impact avec cette charge du projectile tubulaire 150 crée une série d'ondes de compression 154' Ces ondes de compression 154 im-'pliquent une augmentation de la pression et de la température localement pour des raisons qui ne doivent pas être décrites ciaprès. De plus, pour les mêmes raisons applicables à la Fig. 17, on trouve une zone de concentration qui s'étend en substance coaxialement au projextile 150, à l'intérieur de la charge 152, où les ondes de compression 154 sont focalisées et concentrées. Une augmentation soudaine de la pression et de la température se produit dans la zone de concentration et peut provoquer la détonation de la charge explosive 152 .
Une telle technique de détonation peut être utilisée avantageusement dans des cas où d'autres techniques, comme des mécanismes d'horlogerie ou des dispositifs électroniques, ne peuvent pas être employées.
Bien entendu, l'invention n'est en aucune manière limitée aux détails d'exécution décrits auxquels divers changements et modifications peuvent être apportés sans sortir de son cadre.