Canon rayé

Le rainurage désigne le processus de fabrication de rainures hélicoïdales par l'alésage du canon d'une arme à feu. Ces rayures font tourner le projectile sur lui même autour de son axe longitudinal, cette rotation permettant la (stabilisation gyroscopique) et améliorant du même coup sa stabilité aérodynamique et sa précision.

Les rayures sont définies par leur taux de rotation, qui indique quelle distance le projectile doit parcourir pour achever un tour complet comme « 1 tour en 10 pouces » (1:10 pouces) ou « 1 tour en 30 cm » (1:30 cm). Une distance plus courte indique un taux de rotation plus rapide, ce qui signifie que pour une vitesse donnée, le projectile aura une vitesse de rotation sur lui même supérieure.

La masse, la longueur et la forme d'un projectile conditionne le taux de rotation nécessaire pour le stabiliser - les canons destinés à des projectiles courts et de gros diamètre comme des balles de plomb sphériques ont des rayures avec un taux de rotation faible, typiquement 1 tour en 48 pouces (122 cm). Les canons destinés à tirer des balles longues de petit calibre, comme les balles à ultra-faible traînée, 80grain, calibre 0,223 (5,2 g, 5,56 mm), ont des taux de rotation d'un tour en 8 pouces (20 cm) voir plus rapide.

Dans certains cas, les rayures ont un taux de rotation qui augmente le long du canon, appelé « taux de rotation progressif ». Un taux de torsion qui diminue à partir de la culasse à la bouche n'est pas souhaitable, car elle ne peut pas stabiliser de façon fiable la balle. Les projectiles très longs, tels que les fléchettes peuvent requérir des taux de torsion démesurément élevés : ces projectiles doivent être extrêmement stables et sont souvent tirées d'un canon lisse.

Les premières armes à feu étaient chargées par la bouche en forçant un projectile de la bouche jusqu'à la culasse.

Les mousquets avaient un canon lisse. C'étaient des armes de gros calibres avec des munitions sphériques tirées à des vitesses relativement faibles. En raison du coût élevé, de la grande difficulté liée à la fabrication de précision et de la nécessité de le charger facilement de la bouche, la balle de mousquet avait un diamètre plus petit que l'alésage du canon. En conséquence, lors du tir, la balle rebondit sur ses parois si bien que sa direction finale à la sortie de la bouche du canon était imprévisible.

Les rayures du canon ont été inventée à Augsbourg, à la fin du XVe siècle et en 1520, August Kotter, un armurier de Nuremberg, améliore cette invention. Bien que les canons rayés datent du milieu du 16ème siècle, ils ne deviennent communs qu'à partir du 19ème.

Que le canon soit rayé ou lisse, un bon ajustement du projectile au diamètre du canon était nécessaire pour assurer l'étanchéité des gaz propulseurs et fournir la meilleure portée et la meilleure précision possibles. Pour diminuer la force nécessaire pour charger le projectile, ces armes utilisaient un projectile de diamètre plus petit que celui de l'alésage du canon et une pièce de tissu, de papier ou de cuir - la bourre - était nécessaire pour remplir le jeu entre la balle et les parois du tube. Cette pièce fournissait un certain degré d'étanchéité, gardait la balle assise sur la charge de poudre noire, et conservait la balle concentrique à l'alésage. Dans un canon rayé, cette pièce fournissait également un moyen de communiquer la rotation à la balle, puisque la pièce était gravé plutôt que de la balle. Jusqu'à l'avènement de la balle Minié avec sa base en creux, qui, lors de la mise à feu, assure l'étanchéité et d'engage les rayures, la pièce de papier fournissait le meilleur moyen au projectile d'engager les rayures.

Principes généraux

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

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.

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:

• $w=\frac{\upsilon }{C}$

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 .

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 rayures é

Rayures polygonales

Les rayures les plus couramment utilisées dans les armes moderne ont des bords assez vifs. Plus récemment, les rayures polygonales, un retour aux premiers types de rayures, est devenue populaire, en particulier dans les armes de poing. Les canons à rayures polygonales ont tendance à avoir des durées de vie plus importantes parce que la réduction des arêtes vives réduit l'érosion du canon. Les partisans des rainures polygonales mettent en avant les vitesses plus élevées et une plus grande précision. Les rainures polygonales sont actuellement présentes sur pistolets Heckler & Koch, Glock et des armes Kahr, ainsi que le Desert Eagle.

Concept "full bore" à portée accrue

Appliqué aux chars et aux pièces d'artillerie, le concept "full bore" à portée accrue, développé par Gerald Bull pour l'obusier GC-45 renverse l'idée des rayures normales en utilisant un obus avec les petites ailettes qui s'insèrent dans les rayures, contrairement au projectile légèrement surdimensionné qui est forcé dans les rainures. Ces canons et ces projectiles ont permis des gains significatifs sur la vitesse initiale et sur la portée. Ce concept est utilisé par l'obusier sud africain G5 et l'obusier allemand PzH 2000.