EP0249525B1 - Empennage pour projectile à énergie cinétique de type flèche - Google Patents

Empennage pour projectile à énergie cinétique de type flèche Download PDF

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EP0249525B1
EP0249525B1 EP87401209A EP87401209A EP0249525B1 EP 0249525 B1 EP0249525 B1 EP 0249525B1 EP 87401209 A EP87401209 A EP 87401209A EP 87401209 A EP87401209 A EP 87401209A EP 0249525 B1 EP0249525 B1 EP 0249525B1
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Francis Ledys
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F42—AMMUNITION; BLASTING
    • F42B—EXPLOSIVE CHARGES, e.g. FOR BLASTING, FIREWORKS, AMMUNITION
    • F42B10/00—Means for influencing, e.g. improving, the aerodynamic properties of projectiles or missiles; Arrangements on projectiles or missiles for stabilising, steering, range-reducing, range-increasing or fall-retarding
    • F42B10/02—Stabilising arrangements
    • F42B10/04—Stabilising arrangements using fixed fins
    • F42B10/06—Tail fins

Definitions

  • the present invention relates to a tail unit for kinetic energy projectile of the arrow type comprising an elongated rod made of heavy material.
  • the projectiles most often consist of bars of heavy material such as for example tungsten, provided with tail lights made of light alloy or even steel.
  • a first drawback presented by the light aluminum alloy empennages is their poor behavior during the exterior ballistics phase when the initial speed exceeds 1650 m / s and the distance traveled exceeds 2500 meters.
  • a second drawback, attached to the tail lights made both of light alloy and of steel, is the disturbance that the latter causes to the bar following the impact of the projectile on a multilayer armor plate. It has been observed that during such an impact, the transverse stresses to which the tail unit is subjected are transmitted to the bar and cause it to rupture, thereby reducing its effectiveness and the depth of penetration into the target.
  • patent DE 3 119646 proposes to reduce the dead weight of projectiles of all types (arrows, medium-caliber, feathered projectiles with hollow charge, missiles) by making certain peripheral parts of the latter in composite materials, but this teaching is not apply to the empennage of these.
  • the object of the invention is to propose a stabilizing stabilizer having the lowest possible mass and thus making it possible to ensure a large range for the projectile, while being able to resist erosion on the trajectory.
  • the tail proposed by the invention is very easy to build and low manufacturing cost.
  • the invention therefore relates to a tail unit for kinetic energy projectile of the arrow type comprising an elongated rod made of heavy material, characterized in that it is made of a material constituted by a plastic material comprising 0% to 60% by weight of reinforcement and / or load, and in that the material thus produced has a melting temperature greater than 520 ° K and a coefficient of thermal conductivity less than 0.25 WATT / (meter x oK).
  • the plastic material is of the plastimer type chosen from the group: polyamide 6, polycarbonate, high density polyethylene, polyarylamide, polyimide, polyethrimide, polyphenylsulfone, polyamide-imide.
  • the filler is chosen from the group: bronze powder, beryllium oxide, glass beads.
  • the reinforcement is chosen from the group: glass fibers, carbon fibers, "kevlar” fibers, or boron fibers.
  • Another advantage of this invention is that the reduction in the mass of the tail unit makes it possible to reduce the tensile forces in the bar and improves its mechanical strength.
  • a lighter plastic stabilizer makes it possible to transfer the mass difference to the useful part (bar) which contributes to improving the perforation performance.
  • a bar equipped with a plastic stabilizer of the polyamide 6 type reinforced with 30% by mass of glass fibers could be pulled at a distance of 3500 m; whereas a bar of the same mass always, but with an aluminum empennage, could not exceed 2500 m.
  • the poor performance linked to the aluminum tailplane is due to the erosion on its trajectory. It has been observed, for a plastic empennage loaded with glass fibers, that the plastic binder is eroded surface to reveal the glass fiber and that erosion is then stopped because the glass acts as a thermal screen. Similar results will be obtained with empennages made of materials having a melting temperature above 520 ° K as well as a low coefficient of thermal conductivity (less than 0.25 Watt / (meter. ° K). the surface heating of the empennage cannot cause its melting, so other fillers or reinforcements (such as carbon fiber or "Kevlar") allowing the coefficient of thermal conductivity to be lowered can be adopted. choose a plastic material of the thermosetting type, loaded or not.

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Description

  • La présente invention concerne un empennage pour projectile à énergie cinétique de type flèche comprenant un barreau allongé en matériau bourd.
  • Les projectiles, selon l'état de la technique, sont le plus souvent constitués par des barreaux en matériau lourd tel que par exemple du tungstène, munis d'empennages réalisés en alliage léger ou même en acier.
  • La recherche des performances (efficacité terminale, précision), a conduit à optimiser les paramé- tres de construction tout en adoptant des solutions facilement réalisables en grande série et de prix de revient acceptable, voire économique.
  • Il est connu, pour ce type de projectile que la stabilité dépend notamment d'un paramétre appelé marge statique qui doit être la plus grande possible ; la marge statique étant la distance entre le centre de gravité et le foyer aérodynamique du projectile.
  • Afin d'améliorer la stabilité de ces projectiles dans le but d'accroître leur précision, des efforts particuliers ont été réalisés au niveau des études des empennages. On a cherché, plus particulièrement à utiliser des matériaux de densité inférieure à celle de l'acier et des alliages légers de façon à reporter au maximum vers l'avant du projectile la position du centre de gravité, tout en tenant compte des contraintes liées à l'environnement très sévère d'une chambre d'arme lors du départ du coup. En effet, pour tirer ces projectiles à vitesse initiale très élevée, les pressions développées dans la chambre sont de l'ordre de 4000 bars, les températures avoisinent les 3000°K et les accélérations longitudinales sont de l'ordre de 50 000g.
  • On connaît aussi, par exemple par les brevets FR 1288365 et FR 1207270, des empennages réalisés en matière plastique pour des projectiles de mortier ou des grenades à fusil, qu'il n'était pas question de soumettre à des contraintes telles que décrites plus haut qui sont spécifiques des projectiles à énergie cinétique du type flèche.
  • Un premier inconvénient présenté par les empennages en alliage léger d'aluminium est leur mauvaise tenue au cours de la phase de balistique extérieure lorsque la vitesse initiale dépasse 1650 m/s et que la distance parcourue excède 2500 métres.
  • Les efforts aérodynamiques s'exerçant sur l'empennage provoquent en effet une importante érosion de celui-ci nuisible à la stabilité du projectile à grande distance. Ainsi, il n'est pas possible de tirer à des distances supérieures à 2500 m avec un empennage en alliage léger. Seuls les empennages aciers résistent à cette érosion, mais au détriment de la marge statique et de la tenue mécanique pendant la phase de lancement.
  • Un deuxième inconvénient, attaché aux empennages réalisés aussi bien en alliage léger qu'en acier, est la perturbation que celui-ci occasionne au barreau comme suite à l'impact du projectile sur une plaque de blindage multicouches. Il a été constaté que lors d'un tel impact, les sollicitations transversales auxquelles est soumis l'empennage se transmettent au barreau et provoquent sa rupture diminuant ainsi l'efficacité de celui-ci et la profondeur de pénétration dans la cible.
  • Par ailleurs, le brevet DE 3 119646 propose de réduire le poids mort de projectiles de tous types (flèches, moyencalibres, projectiles empennés à charge creuse, missiles) en réalisant certaines parties périphériques de ces derniers en matériaux composités, mais cet enseignement ne s'applique pas à l'empennage de ceux-ci.
  • Le but de l'invention est de proposer un empennage stabilisateur ayant une masse la plus faible possible et permettant ainsi d'assurer une portée importante au projectile, tout en étant capable de résister à l'érosion sur trajectoire.
  • C'est un autre but de l'invention que de proposer un empennage qui ne s'oppose pas à la pénétration d'une cible par le projectile et qui permet ainsi un accroissement notable des performances de perforation.
  • Enfin, l'empennage proposé par l'invention est d'une grande facilité de construction et d'un coût de fabrication peu élevé.
  • L'invention concerne donc un empennage pour projectile à énergie cinétique de type flèche comprenant un barreau allongé en matériau lourd, caractérisé en ce qu'il est réalisé en un matériau constitué par une matière plastique comprenant 0 % à 60 % en masse de renfort et/ou de charge, et en ce que le matériau ainsi réalisé a une température de fusion supérieure à 520°K et un coefficient de conductivité thermique inférieur à 0,25 WATT/ (mêtre x oK).
  • Selon une autre caractéristique, la matière plastique est du type plastimère choisi dans le groupe : polyamide 6, polycarbonate, polyéthylène haute densité, polyarylamide, polyimide, polyéthèrimide, polyphénylsulfone, polyamide-imide.
  • Selon une autre caractéristique, la charge est choisie dans le groupe : poudre de bronze, oxyde de béryllium, billes de verre.
  • Selon une autre caractéristique, le renfort est choisi dans le groupe : fibres de verre, de carbone, de "kevlar", ou de bore.
  • Les matériaux énumérés ci-dessus sont connus de l'homme de l'art pour être des matériaux résistant mal à la chaleur. En effet, un échantillon de plasto- mère du type polyamide 6 ou polycarbonate placé dans une enceinte maintenue à 3000° K avec une pression de 4000 bars commence effectivement à se ramolir au bout de quelques dizièmes de secondes. De fait, si ces matériaux ont déjà été utilisés sur des projectiles, ils l'ont été pour des projectiles dont la vitesse à la sortie de l'arme ne dépassait pas quelques centaines de mètres par seconde (grenades à fusils, projectile de mortier).
  • Toutefois compte tenu de leur facilité de mise en oeuvre et de leur densité relativement faible par rapport aux matériaux utilisés selon l'état de la technique, il était tentant de les utiliser pour réaliser des empennages de projectiles flèches. Des essais ont donc été effectués, avec des craintes quant à la tenue mécanique et thermique au coup de canon, mais en étant conscient du fait qu'en cas de succès, cette invention apporterait de nombreux avantages tant sur le plan technologique qu'économique. Après tir, on a constaté l'excellent comportement des projectiles que ce soit au niveau de la balistique intérieure, de la balistique extérieure ou terminale, remettant en cause les préjugés précédemment établis.
  • En particulier, on a constaté une amélioration notable des performances de perforation sur cibles multiples, ainsi qu'une quasi absence d'érosion sur trajectoire pour un projectile équipé d'un tel empennage.
  • Un autre avantage de cette invention tient au fait que la diminution de la masse de l'empennage permet de diminuer les efforts de traction dans le barreau et améliore sa tenue mécanique. D'autre part, à masse de sous-projectile égale, un empennage en matière plastique plus léger permet de reporter l'écart de masse sur la partie utile (barreau) ce qui contribue à améliorer les performances de perforation.
  • A titre d'illustration, les matières plastiques suivantes ont été utilisées avec succès :
    • Dans cette série d'exemples les pourcentages ont été exprimés en masse :
    EXEMPLE 1 :
  • 80% de polycarbonate
    • 20% de fibres de verre
    • densité : 1,35
    EXEMPLE 2 :
  • 50% de polyarylamide
    • 50% de fibres de verre
    • densité : 1,65
    EXEMPLE 3 : Polyamide 6 30% de fibres de verre
  • De manière plus précise, on peut comparer les performances d'un projectile flèche équipé d'un empennage acier avec un projectile flèche de même masse équipé d'un empennage en polyamide 6 renforcé de 30% en masse en fibres de verre (fibres de quelques mm de longueur).
  • Ces deux projectiles ont été tirés avec la même vitesse initiale sur des cibles multiples, constituées par plusieurs plaques de blindages parallèles. Il a été constaté que le barreau équipé d'un empennage plastique permettait d'obtenir, par rapport au barreau à empennage acier, un gain de performances de près de 25% sur la masse surfacique apparente perforée.
  • Cette amélioration s'explique par le fait que l'empennage plastique se trouve détruit à l'impact sur la cible; la destruction demandant peu d'énergie, le choc qu'elle occasionne au barreau est faible et ne provoque pas de dislocation de ce dernier. La cohésion du barreau étant conservée, l'énergie surfacique disponible au niveau de sa tête reste importante même avec plusieurs plaques de blindages en parallèle.
  • De plus, la diminution de la masse de l'empennage permet d'accroître la marge statique de l'ordre de 25%, par déport vers l'avant du centre de gravité du projectile. Il s'ensuit une augmentation de stabilité et donc de portée.
  • Un barreau équipé d'un empennage plastique du type polyamide 6 renforcé de 30% en masse en fibres de verre a pu être tiré à une distance de 3500 m; alors qu'un barreau de même masse toujours, mais avec un empennage en aluminium, n'a pu dépasser 2500 m.
  • La mauvaise performance liée à l'empennage aluminium est due à l'érosion sur trajectoire de ce dernier. On a pu constater, pour un empennage plastique chargé de fibres de verre, que le liant plastique s'erode superficiellement pour laisser apparaître la fibre de verre et qu'ensuite l'érosion est stoppée car le verre joue le rôle d'écran thermique. Des résultats analogues seront obtenus avec des empennages réalisés dans des matériaux présentant une température de fusion supérieure à 520° K ainsi qu'un coefficient de conductivité thermique faible (inféririeur à 0,25 Watt/(mètre . °K). Avec de tels matériaux l'échauffement superficiel de l'empennage ne peut provoquer sa fusion. Ainsi, d'autres charges ou renforts (tels de fibre de carbone ou de "Kevlar") permettant d'abaisser le coefficient de conductivité thermique pourront être adoptés. On peut également choisir une matière plastique du type thermodurcissable chargée ou non.
  • Enfin la facilité de mise en oeuvre de ces matériaux, par exemple par surmoulage de l'empennage sur la partie arrière du barreau contribue à la diminution du prix de revient du projectile en éliminant l'usinage et le montage de l'empennage.

Claims (6)

1 - Empennage pour projectile à énergie cinétique du type flèche comprenant un barreau allongé en matériau lourd, caractérisé en ce qu'il est réalisé en un matériau constitué par une matière plastiquu comprenant 0% à 60% en masse de renfort et/ou de charge, et en ce que le matériau ainsi réalisé a une température de fusion supérieure à 520° K et un coefficient de conductivité thermique inférieur à 0,25 W/(m x OK).
2 - Empennage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matière plastique est du type plas- tomère choisie dans le groupe : polyamide 6, polycarbonate, polyéthylène haute densité, polyarylamide, polyimide, polyéthèrimide, polyphénylsulfone, polyamide-imide.
3 - Empennage selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la charge est choisie dans le groupe : poudre de bronze, oxyde de beryllium, billes de verre.
4 - Empennage selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le renfort est choisi dans le groupe : fibres de verre, de carbone, de kevlar ou de bore.
5 - Empennage selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il est constitué par du polyamide 6 chargé de 30% en masse de fibres de verre. 6 - Empennage selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il est constitué par du polyarylamide chargé de 50% en masse de fibres de verre.
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