La balistique des obus

- plongée au cœur de la balistique des obus.

Je suis fasciné par la science qui étudie les mouvements des obus et leurs effets sur le blindage depuis 1979. Un tir de trois obus perforants à sabot Rarden prit pour cible une vieille carcasse de char et l’un d’eux rebondit. Ils touchèrent tous la même zone sur la cible, mais l’un des trois obus finit par rebondir sur le blindage, en raison de sa pénétration plus lente dans l’air, d’un défaut inhérent ou d’une tout autre chose.

À la différence des obus d’artillerie, qui sont censés être tirés à bonne distance avec une certaine précision pour infliger de lourds dégâts explosifs, les obus et les balles antichars sont conçus et développés avec précision pour acquérir une capacité de pénétration maximum, ce qui améliore les probabilités de pénétrer un blindage dès le premier tir.

On peut voir parfois des photos d’équipages de char qui sont en train de polir des obus perforants juste avant une bataille. J’ai une photo, visible dans plusieurs ouvrages de tankistes soviétiques de T-34/76D, où des soldats sont en train de polir des obus explosifs balistiques chemisés, empilés avec soin au sol, avant de rejoindre le char. D’autres obus explosifs sont également entassés à proximité.

^{Les tireurs W D Lewis et F J Hall du Régiment de blindés 33/61, de l’Artillerie royale, à Vergato, Italie, retirent la boue sur les obus d’un canon « Long Tom » de 155 mm de conception américaine.}

Voici ce qu’il se passe entre le moment où le tireur presse la pédale de tir du char et l’instant où la cible ennemie subit des dégâts :

Quand l’explosif principal est allumé et enflamme l’extrémité arrière de la charge propulsive, sa combustion provoque l’accélération de l’obus et fait naître des gaz à haute pression (c’est pourquoi la longueur des calibres est utilisée pour les calculs balistiques).

Nous rencontrons ici la première variable chaotique qui influe sur la vitesse à la sortie de la bouche du canon : le taux de combustion de la charge combustible n’est pas constant, mais variable ; il peut aussi bien ne pas se consumer ou se consumer entièrement avec une efficacité maximum.

La charge combustible, qui voyage déjà à une vitesse transsonique, frappe la base de l’obus et lui confère une partie de son inertie. En raison du poids élevé du projectile, la charge combustible perd beaucoup de sa vitesse à l’impact. Elle remonte cependant le cylindre à vitesse subsonique et accélère au fur et à mesure qu’elle se consume et crée des gaz en expansion.

Si l’obus est de type traçant, ce dispositif est allumé par ce choc violent. Dans le cas des obus de type explosif (à la fois les obus standard et à fragmentation), la violente collision amorce le dispositif d’armement.

Nous rencontrons ici les deuxième et troisième variables chaotiques qui influent sur la vitesse à la sortie de la bouche du canon : le serrage des ceintures des projectiles et les résidus dans la bouche du canon.

Les ceintures de cuivre situées à la base de l’obus agissent comme des segments de piston. En raison de leur fabrication industrielle, elles ne sont cependant pas posées avec précision et leur serrage équivaut à la pose forcée d’un pneu de métal sur une roue de chariot. Cela signifie que ces ceintures de cuivre enserrent le cylindre et les rayures : elles peuvent donc être trop serrées ou trop lâches. Il arrive parfois que certains équipages de char mesurent, modifient, desserrent ou resserrent les ceintures de cuivre des obus pour les améliorer quelque peu.

Si les ceintures sont trop lâches, une grande partie des gaz de propulsion s’échappe de l’obus, et ce dernier perd de sa vitesse à la sortie de la bouche du canon. Si elles sont trop serrées, la vitesse de l’obus est réduite en raison d’une friction excessive dans le fût du canon.

Tous les obus, qu’ils soient perforants, explosifs, fumigènes ou autres, qui ont des ceintures exceptionnellement trop serrées vis-à-vis des rayures du canon (pertes de friction élevées) sont généralement conservés pour être utilisés ultérieurement afin de « nettoyer » ou « récurer » le fût du canon.

L’autre problème constant est la présence de résidus dans la bouche du canon. Ces résidus proviennent du tir du dernier obus. Si l’obus précédent ne s’est pas consumé avec soin, il laisse beaucoup de suie et de résidus dans le canon. Ainsi, l’obus suivant rencontre une forte résistance pour remonter le long du canon. Cependant, le tir d’un obus doté de ceintures trop serrées nettoie et retire ces résidus dans le canon. Si vous avez déjà entendu des récits historiques qui font état d’un tireur de char tirant un obus standard, et inutile, sur un véhicule blindé juste avant de tirer un véritable obus perforant, alors vous en connaissez maintenant la raison.

^{Un char « Sherman » M4A3E8 de la Compagnie B, 72e Bataillon de chars, 2e Division d’infanterie, tirant des obus de 76 mm sur des bunkers ennemis depuis la « Crête du napalm » pour appuyer la 8e Division de la République de Corée.Photo prise le 11 mai 1952. Photographie issue de l’Army Signal Corps Collection des Archives nationales américaines.  Photo n° SC 398704.}

Ensuite, l’obus quitte la bouche du canon à la vitesse acquise pendant son accélération dans le fût du canon. La charge explosive restante qui n’a pas brûlé et les gaz d’explosion quittent également la bouche du canon, ce qui provoque un recul, une boule de feu et de la fumée.

À ce moment-là, l’obus est projeté dans les airs en direction de sa cible. Dès qu’il quitte la bouche, il commence à perdre de la vitesse en raison de son entrée dans l’atmosphère. La résistance générée sur l’obus dépend de la période de l’année, de la météo et du taux d’humidité dans l’air. Une journée estivale chaude et humide produira un taux d’humidité plus élevé et un coefficient de résistance aérodynamique lui aussi plus élevé qu’une journée d’hiver avec une température inférieure à zéro.

Lors d’une journée de printemps ou d’été ordinaire, un obus explosif ou perforant standard perd environ 11 % de son coefficient de pénétration dans l’air en parcourant 500 mètres, son coefficient de pénétration étant maximal à 100 mètres. Cela signifie qu’il peut pénétrer 100 mm à 100 mètres, et 89 mm seulement à 500 mètres.

Si l’obus est de type perforant (sans chemise balistique), alors le coefficient de résistance aérodynamique est bien pire.

Si l’obus est doté d’un poids inférieur (perforant à haute vélocité) ou tournoie à longue portée (perforant à sabot), il subit également un coefficient de résistance aérodynamique très élevé.

Mantelet d’un char Panther pénétré par un obus perforant à haute vélocité M3 de 90 mm.	Glacis d’un Panther pénétré par un obus perforant à haute vélocité M3 de 90 mm.

Un autre facteur qui influe sur la précision d’un obus est la densité de l’air sur sa trajectoire. Ici, ce sont les rafales de vent et le vent lui-même. Ces différentes poches d’air sous pression peuvent modifier la visée sur de longues distances et affectent beaucoup les obus à basse vélocité. Les projectiles à haute vélocité sont moins affectés.

L’obus atteint sa cible et touche le blindage. Si c’est un obus explosif ou une balle perforante, le point de contact surchauffe et fond car la vitesse du projectile est convertie en pression d’impact.

Nous rencontrons ici d’autres variables chaotiques qui déterminent la pénétration ou non.

Si on considère que le blindage de la cible peut être pénétré par le projectile, la structure de l’obus subit un choc vibratoire majeur au moment de l’impact, ce qui peut détruire le projectile s’il est doté de défauts. C’est donc ici un échec.

Pour empêcher la pénétration des obus, les fabricants de blindage ont créé le blindage trempé frontal. Et c’est donc pourquoi les fabricants de munitions ont doté les obus d’une

 chemise en acier ou en acier doux (à la température de fusion basse). Cette chemise fond à l’impact et diminue le choc infligé à l’obus ; si le blindage n’est pas perpendiculaire, l’avant de l’obus s’accroche et l’arrière se relève légèrement, ce qui réduit l’angle d’incidence. Si l’angle est trop important, l’obus creuse le blindage et perd de l’énergie et de son coefficient de friction pour pouvoir s’enfoncer véritablement ou être dévié par le blindage.

 Supposons que notre obus a réussi à pénétrer le blindage.

^{Plaque avant inférieure d’un Panzer pénétrée par un obus perforant à haute vélocité M3 de 90 mm}

Au cours du processus de pénétration, l’obus surchauffé fond en creusant le blindage grâce à la pression exercée par l’inertie et rejette le blindage fondu vers l’arrière.

En entrant à l’intérieur de la cible, l’obus peut être chauffé ou surchauffé, en fonction de sa vitesse, de sa masse et de son énergie, ainsi que de l’épaisseur du blindage pénétré. Dans le cas des obus surchauffés, l’équipage est instantanément tué, les munitions explosant immédiatement ; dans le cas d’un char Sherman M-4, le réservoir de kérosène bout et explose en une gigantesque boule de feu. C’est ce qu’il se passe dans la vraie vie, pas dans World of Tanks ! Cependant, seuls les obus en tungstène, en tungstène-cobalt et en uranium solide surchauffent de cette façon après la pénétration. Les obus en acier forgé, en fer forgé et en fonte se liquéfient à ces températures élevées et ne peuvent donc pas pénétrer le blindage.

Obus BR-350B de 76 mm soviétique	Obus PzGr.39/43 de 8,8 cm allemand

Mais d’ordinaire, l’obus est simplement chauffé, à moins que le blindage soit extrêmement peu épais, auquel cas des fragments épars du blindage, des rivets, des boulons et des morceaux de métal du côté interne du char sont expulsés à l’intérieur de la cible à des vitesses non mortelles, mais dangereuses.

Si l’obus est solide, il enflamme tout objet inflammable avec lequel il entre en contact, notamment les munitions, le carburant, le pétrole, etc.

Sa masse est également plus importante qu’un obus explosif, ce qui lui permet de traverser aisément l’équipement, les blocs moteurs et les éléments semblables.

Si l’obus est de type explosif, il explose à l’intérieur de la cible au moment de sa pénétration, dans l’air ou après avoir rebondi pendant quelques secondes. Si son contenu est explosif, l’équipage sera probablement tué par ce dernier, qui est équivalent à l’explosion d’un obus de mortier explosif à l’intérieur de la cible. La nature confinée de l’explosion sert à l’amplifier. Toute munition ou machine touchée par les flammes de l’explosion est également affectée. Dans le cas des munitions, une réaction en chaîne se produit également.

Si le contenu est explosif ou incendiaire (BR-251B, BR-350B, etc.), l’équipage du char est éclaboussé de gel enflammé, tout comme les munitions et l’équipement, ce qui a pour effet de les éliminer et de les détruire tous pour de bon.

Sur l’obus de type explosif composite balistique chemisé PzGr.39 allemand, le projectile transporte une charge de type grenade, montée sur la base, qui contient quelques grammes d’explosif. Cela provoque un effet shrapnel à l’intérieur de la cible, en plus des dégâts principaux causés par l’obus. Ici, la grenade permet d’infliger des dégâts supplémentaires.

Voici donc ce qu’il se passe, sans trop s’égarer en termes scientifiques.

Les munitions anti-char

AP, APCR, APCBC, PzGr39K, HEAT... Ces termes apparaissent fréquemment dans le jeu. Mais vous êtes-vous déjà demandé ce que signifiaient toutes ces abréviations et ce qu'elles désignent ?

Si ce n'est déjà fait, je ne puis que vous recommander de regarder notre vidéo expliquant les « principes de la pénétration ».

Inutile de préciser que ce sujet est assez large pour remplir toute une série de livres. Pour cet article, nous nous focaliserons donc sur les munitions anti-char utilisées dans le jeu. Les propriétés balistiques et les charges de propulsion ne seront pas abordées, mais si le sujet vous intéresse, vous êtes invité à l'exprimer par un commentaire sur nos forums, et nous y consacrerons un article complet.

Tout d'abord, voici une leçon de vocabulaire provenant de l'École d'artillerie de campagne de l'Armée américaine et d'autres sources :

Explosif

Un explosif est une substance gazeuse ou solide qui, quand elle est soumise à une augmentation soudaine de pression et/ou de température, subit une réaction chimique violente (décomposition). Celle-ci produit un dégagement simultané de grandes quantités de lumière, de chaleur et de gaz. Le taux de décomposition d'une masse ou d'une colonne d'explosifs en conditions contrôlées (mètres/s ou pieds/s mesurables) détermine si la substance est un explosif de faible ou de forte puissance.

Vélocité

Mesurée en pieds ou en mètres par seconde, la vélocité est le taux de décomposition d'une substance solide. Le taux de décomposition d'une substance est contrôlé par le biais des ingrédients de ladite substance, par la conception, la taille et la forme de la substance (grain de poudre), et par la chambre de l'arme pour laquelle ce type de grain de poudre est conçu. Quand la substance est un explosif lent (par exemple, les charges propulsives), le taux de décomposition est appelé vélocité de déflagration. Quand la substance est un explosif brisant (par exemple, les charges d'éclatement), le taux de décomposition est appelé vélocité de détonation.

Déflagration

Le processus par lequel la couche extérieure d'une substance brûle et transmet l'effet de combustion aux couches internes d'une substance est appelé déflagration.

Détonation

La détonation désigne la décomposition violente et bruyante d'un explosif brisant, comme un projectile explosif.

Puissance

 La puissance est la capacité d'un explosif à déplacer le milieu qui l'entoure.

Brisance

La brisance, qui s'oppose à la puissance, est la capacité d'un explosif à briser le milieu qui l'entoure.

Obus (projectile)

Un obus est un projectile creux qui, contrairement à un plomb, contient une charge explosive ou d'un autre type. Cependant, le terme est aujourd'hui parfois utilisé pour décrire des projectiles pleins (AP, APCR, APCNR, APDS, APFSDS et obus témoin).

Projectile plein

Très similaire à un obus (voir ci-dessus), un projectile plein ne contient ni charge ni explosif. Il contient parfois un composant pyrotechnique, comme un traceur ou une charge de repérage.

Le type d'obus le plus courant, désigné par l'acronyme HE (pour High Explosive). Il comporte une douille résistante en acier, une charge d'éclatement, et une amorce.

Lors de l'impact, l'amorce fait exploser la charge d'éclatement, qui projette des morceaux de douille coupants et incandescents à haute vitesse. L'essentiel des dégâts infligés aux cibles non protégées, comme les individus sans protection, sont occasionnés par des fragments d'obus plutôt que par le souffle de l'explosion.

Dans le cas des impacts proches, la fragmentation des obus explosifs (HE) avec amorces à percussion (PD) a pénétré ce véhicule blindé, détruisant des composants vitaux et blessant l'équipage. (source: Field Artillery novembre-décembre 2002)

AP – Perforant

Les obus perforants (AP pour Armour Piercing) sont généralement des projectiles purement cinétiques qui ne contiennent ni charge ni explosif. Les obus de ce type, conçus pour pénétrer les blindages, étaient en métal massif.

Ils comportaient presque toujours une pointe spéciale renforcée et contondante pour faciliter la pénétration. En conséquence, leur forme était tout sauf parfaite sur le plan balistique et leur précision était inférieure aux obus plus profilés comme les HE (explosifs).

La pointe émoussée des obus perforants (AP) est conçue pour occasionner une augmentation rapide de la surface de contact entre le projectile et le blindage quand l'obus est ralenti au moment de l'impact. Si le projectile était plus profilé, comme un HE, l'impact provoquerait l'éclatement de l'AP et le rendrait inefficace.

En théorie, un obus à pointe plate devrait produire les meilleures performances, mais cette forme a d'autres inconvénients et n'est donc pas utilisée en tant que telle.

Il s'agissait de la principale munition anti-char des Anglais, et elle fut utilisée par intermittences par de nombreuses autres nations, à l'exception des Allemands et des Russes, qui utilisèrent toujours des APHE (perforants explosifs) pour les munitions dépassant respectivement 20 mm et 37 mm.

APHE – Perforant explosif

Un AP (obus perforant) est souvent muni d'une petite charge d'éclatement et d'une amorce à retardement, ce qui ajoute à son potentiel destructeur quand il a fini de ricocher et de détruire les éléments internes. Seule une petite quantité d'explosifs est nécessaire, car l'explosion a lieu à l'intérieur du char, dans un espace très confiné, produisant de nombreux fragments supplémentaires qui vont ricocher à leur tour et suffisent souvent à tuer les occupants, à enflammer les vapeurs de carburant ou à faire exploser les munitions.

1- Douille 2- Charge d'éclatement 3- Amorce et traceur 4- Charge propulsive	Munition complète de 6 pounder britannique

Cela fonctionnait bien en théorie, avec cependant quelques inconvénients pratiques ; premièrement, les charges explosives pouvaient réduire le poids de l'obus à la moitié d'un obus perforant (AP) conventionnel. Les obus plus légers ont une vélocité initiale supérieure, mais une impulsion plus faible, ils perdent davantage de vitesse sur la distance, et la précision ainsi que la pénétration diminuent donc avec la distance parcourue.

Le deuxième problème résidait dans l’amorce elle-même. Il était très difficile de faire en sorte qu'elle explose au bon moment. Il y eut de nombreux cas d’amorces qui n'explosèrent pas, ou explosèrent trop tard, après la pénétration de l'APHE (obus perforant explosif) dans la cible.

Pour compenser ce problème, on tenta d'augmenter la longueur du canon et de renforcer les projectiles pour augmenter la vitesse initiale. Mais les lois de la physique s'en mêlèrent, et le stress de l'impact provoquait l'éclatement du projectile au moment de l'impact. On peut observer ce phénomène dans le jeu avec le VK 3601 (H) équipé du canon KwK 41 L/58 Konisch de 7,5 cm. Les obus perforants (AP) normaux infligent des dégâts réduits, alors que les APCR (Perforants rigides composites) ont un effet normal. Nous reviendrons sur ces derniers dans un moment.

Une nouvelle solution fut donc mise au point - les obus APC.

APC – Perforant avec capsule

Afin d'augmenter la vitesse à l'impact sans faire éclater la douille, ces APC (pour Armour Piercing capped) furent initialement dotés de capsules pénétrantes en acier mou. Le stress d'impact était donc transféré hors de la pointe, et la capsule s'écrasait à l'impact ce qui ajoutait un effet supplémentaire pour limiter les chances de ricochets contre les blindages inclinés. Cependant, la capsule réduisait les propriétés balistiques et produisait donc une force d'impact inférieure concentrée sur le blindage.

(Obus British Royal Ordnance de 9,2 pouces)

APBC – Perforant avec capsule balistique

Another improvement to the standard AP rounds, the Ballistic Cap was designed to improve the ballistic property of the AP round by giving it a more aerodynamic shape like HE shells, without affecting its penetration ability.

This would increase the speed and accuracy of the round.

Naturellement, à présent que nous connaissons la capsule perforante et la capsule balistique, nous pouvons sans mal deviner la suite. Des obus combinant les propriétés balistiques d'un obus profilé à la protection anti-éclatement pour des impacts à grande vitesse et au « facteur d'accrochage » supérieur contre les blindages inclinés virent rapidement le jour.

Obus Tiger I complet avec capsule balistique, capsule perforante, douille, charge d'éclatement, traceur et charge propulsive	Obus BL Mark I de 15 pouces (canon naval britannique)

APCR & HVAP

Nous avons déjà abordé les obus avec capsule et capsule balistique. Le premier type permettait d'éviter l'éclatement de l'obus à l'impact et de prévenir les rebonds. Le second permettait d'améliorer les propriétés balistiques de l'obus en augmentant la vitesse initiale et la précision. Ces systèmes étaient efficaces contre les blindages en acier cementé, jusqu'à l'apparition du blindage homogène traité thermiquement, dont la résistance aux impacts était encore bien supérieure, et contre lequel même l'APCBC n'avait qu'un effet limité. Aucune des solutions existantes ne convenait, car quand la vitesse d'impact dépassait les 900 m/s, les APCBC eux-mêmes commençaient à éclater. L'utilisation de plus en plus fréquente d'acier faiblement allié traité thermiquement sonna le glas des obus AP (perforants) conventionnels.

On trouva finalement une nouvelle solution sous la forme d'un nouveau matériau d'une dureté extrême pour une pénétration optimale, doté d'une résistance suffisante pour supporter l'impact sans éclater (améliorable au moyen d'une capsule) et d'un poids conséquent pour maximiser l'impulsion. Il s'agissait du carbure de tungstène. Naturellement, il n'était pas sans inconvénients : son extrême dureté supposait une fabrication très pointue, et son poids très important interdisait l'idée même d'un obus massif. Des obus massifs en carbure de tungstène n'auraient atteint que 60 à 85% de la vitesse initiale d'un obus perforant comparable, réduisant fortement la vitesse, la portée et la précision. Qui plus est, le carbure de tungstène est relativement coûteux.

La solution se présenta sous la forme d'un obus doté d'un petit noyau de carbure de tungstène à l'intérieur, libéré à l'impact. La taille et le poids réduits du noyau permettaient, tout en gardant la même taille et la même charge propulsive, d'atteindre une vitesse initiale et une vitesse d'impact nettement supérieures.

Les Anglais l'appellent APCR (Armour-Piercing Composite Rigid, ou perforant composite rigide) en référence au matériau utilisé, les AméricainsHVAP (High Velocity Armour Piercing, ou perforant haute vélocité) en référence à sa vitesse supérieure, et les Allemands Hartkernmunition (munition à noyau dur).

Ce concept donna naissance à l'APDS (Armour Piercing Discarding Sabot), où l'obus tout entier est éliminé après le tir, ne laissant qu'un noyau à rotation stabilisée qui se précipite à tombeau ouvert vers sa malheureuse cible

Les canons lisses et la stabilisation à ailettes permirent d'atteindre un niveau supplémentaire avec les munitions APDSDS, mais nous ne les aborderons pas car elles sortent du cadre de World of Tanks.

HEAT – Explosifs anti-char

Les obus explosifs anti-char (High Explosive Anti-Tank) comportent une charge creuse conçue pour diriger l'explosion vers l'intérieur du blindage, créant une pression extrêmement élevée capable de perforer le point visé.

Contrairement à ce que son nom (« chaleur » en anglais) pourrait laisser supposer, l'obus HEAT dépasse rarement les 600°C et ne peut donc faire fondre les aciers traités, capables de supporter aisément des températures de 1400°C. C'est l'énorme pression causée par l'explosion qui traverse le blindage, projetant à l'intérieur du char des fragments du revêtement en cuivre qui protégeait la charge.

Le système HEAT a d'abord été utilisé pour des grenades, des PIAT (Projector Infantry Anti Tank) et des bazookas. L'adapter pour les chars fut plus difficile, car la rotation qui stabilisait le projectile aurait diffusé l'explosion, réduisant fortement son efficacité.

Les Allemands utilisèrent une ceinture de projectile sur roulements afin de pouvoir le tirer sans effet de rotation avec leurs canons de chars existants. De nombreuses nations se contentèrent de recycler des Howitzer obsolètes à faible vélocité, car la vitesse d'impact n'avait aucune influence sur son efficacité.

^{Illustration d'Aleksej fon Grozni}

Le terme anglais « spall » désigne un éclat produit par la corrosion, l'effritement ou un impact de projectile. Je vous laisse deviner lequel nous intéresse le plus...

Les HESH (High Explosive Squash Head) ou HEP (High Explosive Plastic) furent mis au point par les Anglais dans le but d'en faire les principaux obus explosifs utilisés pour attaquer des fortifications en béton durant la Guerre froide.

Leur fine tête en métal est remplie de plastic explosif, avec une amorce à retardement située à la base de l'obus. L'amorce fait exploser le plastic immédiatement après l'impact, au moment où l'explosif est écrasé contre le blindage, ce qui produit une gigantesque onde de choc.

Le HESH s'avéra d'une efficacité surprenante : il arrachait des éléments de blindage près du point d'impact, en envoyant de nombreux éclats ricocher à l'intérieur du char et infligeant des dégâts gravissimes à la cible sans la pénétrer.

Depuis l'apparition de blindages composites multicouches au cours des années 1970, les HESH sont progressivement tombés en disgrâce, car l'onde de choc ne se propage pas efficacement à travers plusieurs couches de blindage. Cependant, ils sont toujours utilisés contre les fortifications, les véhicules faiblement blindés ou l'infanterie.