6000 m/s avec un canon à gaz comprimé

[Pierre]

Bonjour,

La NASA a expérimenté des canons à gaz comprimé permettant de propulser un projectile à une vitesse de 6000m/s (oui, 6 km/s, vous avez bien lu). Pour un projectile de 0.5 gramme, ça fait une énergie de 9000 Joules ! Ces expériences servaient à étudier les dégats que pourraient provoquer des impacts de micro-météorites sur des satellites ou sur la navette spatiale. Voici le site Wikipédia :

http://en.wikipedia.org/wiki/Light_gas_gun




Deux différences importantes avec nos armes AC :
- le piston n'est pas poussé par un ressort, mais par la mise à feu d'une cartouche de poudre à canon dans un cylindre à l'arrière du piston.
- le gaz qui est comprimé par le piston n'est pas de l'air, mais de l'hydrogène (c'est le mieux, mais on peut utiliser aussi d'autres gazlégers tels que l'hélium). De plus l'hydrogène est déjà prècomprimé avant le tir.
Le calibre du projectile est 5 mm.

D'après l'article, la vitesse maximum du projectile dans une arme basé sur une détente de gaz (arme à feu, à air comprimé, ou à gaz comprimé) ne peut pas dépasser la vitesse du son dans le gaz considéré. Je sais qu'il y a eu sur ce forum une longue controverse sur ce point, mais bon...
La vitesse du son dans l'air à une température de 0° Celsius est 331 m/s (340 440 343 m/s à 20°) . Pour atteindre des très hautes vitesses, il faut donc ruser pour accroitre au maximum la vitesse du son. Ici, il ya deux astuces :
1) Utilisation de l'hydrogène : la vitesse du son dans ce gaz est 3.8 fois plus élevée que dans l'air, soit 1258m/s à 0°.
2) La vitesse du son dans un gaz dépend de sa température. La formule est :
V = 331 x Racine[ (t+273) / 273]
où t est la température en degrés Celsius. Comme la compression du gaz entraine une élévation de température (plusieurs centaines de degrés), on voit que la vitesse du son peut atteindre des valeurs très élevées.

Dans nos armes AC à piston+ressort, nous utilisons de l'air, mais l'effet de température est bien présent. Il n'y a donc pas d'impossibilité à obtenir des vitesses supersoniques si la compression est assez forte. L'élévation de température de l'air dépend de la pression juste avant le départ du plomb. Pour une pression de 100 bars (courante dans une arme AC) la température peut dépasser 1000° (je vous passe les calculs). Cependant, il n'y a pas de risque de se bruler car l'air se détend immédiatement dans le canon et la détente ramène la température à sa valeur de départ. Comme tout se passe très vite, le canon et les autres pièces mécaniques n'ont pas le temps de s'échauffer (en physique, on dit qu'il s'agit d'un régime de compression/détente "adiabatique", sans échange de chaleur entre le gaz et son contenant).

Pierre

[chrAKnon]

J ai vu a peu pret le meme engin hier a la télé sauf que ça n'envoyé le projectile qu'à 4km/s
Ils s'en servaient pour tirer sur des morceaux de meteorites.

[Satanduparadis]

Manque plus qu'a construire une carabine qui marche comme ca et a nous le tir à tres longue distance avec de l'ac . Mais ca doit revenir cher .

[Blackbird]

Manque plus qu'a construire une carabine qui marche comme ca et a nous le tir à tres longue distance avec de l'ac . Mais ca doit revenir cher .

Le problème est surtout qu'à une telle vitesse, d'un point de vue ballistique, nos règles actuelles risquent de ne plus s'aplliquer, avec une déstabilisation d'un projectile si léger, voir même sa désintégration en particules (en tous cas une importante déformation du plomb).

[Pierre]

Le problème est surtout qu'à une telle vitesse, d'un point de vue ballistique, nos règles actuelles risquent de ne plus s'aplliquer, avec une déstabilisation d'un projectile si léger, voir même sa désintégration en particules (en tous cas une importante déformation du plomb).

Il ne s'agit que d'un appareil de recherche en laboratoire, pas d'un engin militaire. D'ailleurs, les tirs Nasa expérimentaux sur cible à 6000 m/s étaient faits dans un caison à vide, à une distance de un ou deux mètres. Il s'agissait de simuler ce qui se passerait si un débris spatial heurtait un satellite en orbite (donc dans le vide).
Si on tirait à cette vitesse dans l'air, le projectile brulerait immédiatement par le simple frottement dans l'air. Donc, pas question d'en faire une arme opérationnelle.

Pierre

[Grands-Pas]

Pierre, tu es sûr de toi quand tu dis que la vitesse du son est de 330 m/s au niveau de la mer à 0° Celsius ?
Pour moi, la vitesse du son est de 330 m/s au niveau de la mer et à 20° C (et donc moindre quand la température baisse ce qui fait que le tir au silencieux avec des subsoniques par temps froid peut faire des surprises...sonores !).

[Admin]

Pierre a dit juste :

0ºC 331,5m/s
+ 5ºC 334,5m/s
+ 10ºC 337,5m/s
+ 15ºC 340,5m/s
+ 20ºC 343,4m/s
+ 25ºC 346,3m/s
+ 30ºC 349,2m/s

[Pierre]

Merci David, c'est bien 331 m/s à 0° et 443 343 m/s à 20°.
(j'avais mis 440 dans mon post, mais j'ai corrigé).

En lisant différents papiers sur le sujet, j'ai découvert que la vitesse du son dans l'air ne dépend pas de la pression, mais seulement de la température.
La vitesse est 443 343 m/s à 20° et à 1 bar (une atmosphère), et on trouverait la même vitesse si on la mesurait dans l'air comprimé, à 30 bars par exemple, pourvu que ce soit à 20° (par exemple, on pourrait imaginer un dispositif de mesure à l'intérieur d'une bouteille de plongée, à une température de 20°).
En revanche, si on comprime brutalement un volume d'air, sa température augmente instantanément, et donc la vitesse du son augmente.

Pierre

[Satanduparadis]

Merci David, c'est bien 331 m/s à 0° et 443 m/s à 20°.
(j'avais mis 440 dans mon post, mais j'ai corrigé).

Pierre

Tu t'es trompé, David a dit que la vitesse du son à 20° est de 343m/s et non pas 443m/s !

[Pierre]

Désolé pour cette erreur. J'ai re-corrigé...

Pierre

[Invité]

Salut à tous

Dans ces expériences permettant d'étudier l'impact de petites météorites sur les satellites comme l'a expliqué Pierre , l'appareillage utilisé associe en même temps la technique de propulsion utilisée dans les armes à feu (explosion de poudre combustible) et la technique de propulsion utilisée dans les carabines à air (piston , cylindre , compression d'un gaz) . Je ne sais pas si cela ressemble plus aux carabines à air ou au armes à feu !

Ce sujet me fait poser les questions suivantes :

Jusqu'à présent si mes connaissances sont bonnes , la vitesse maximale avec laquelle peuvent être lancés les plombs par les carabines à air est de 360 m/s

- est ce que vous pensez que dans l'avenir on pourrait fabriquer des carabines à air qui propulseraient les plombs avec des vitesses encore plus importantes ?

- Si la réponse est oui . Y'a t'il une vitesse maximale limite qu'on ne pourrait jamais dépasser ?

[Satanduparadis]

Y'a t'il une vitesse maximale limite qu'on ne pourrait jamais dépasser ?

Normalement la vitesse de la lumiére, d'apres plusieurs theories, masi bon balancer un plomb à 300000km/s je voit pas à quoi ca sert...

[Pierre]

Normalement la vitesse de la lumiére, d'apres plusieurs theories, masi bon balancer un plomb à 300000m/s je voit pas à quoi ca sert...

Ah, je ne suis pas le seul à me tromper : la vitesse de la lumière n'est pas 300 000 m/s mais 300 000 km/s.

Pierre

[Satanduparadis]

Oups, voila j'ai édité.

[pascal]

Jusqu'à présent si mes connaissances sont bonnes , la vitesse maximale avec laquelle peuvent être lancés les plombs par les carabines à air est de 360 m/s

a dit Khalid

Il existe des AC un petit peu plus puissantes que cela et des PCP beaucoup plus puissantes.

[nikola]

lol c'est une arme de destruction massive Ac , sa

[Admin]

Jusqu'à présent si mes connaissances sont bonnes , la vitesse maximale avec laquelle peuvent être lancés les plombs par les carabines à air est de 360 m/s

a dit Khalid

Il existe des AC un petit peu plus puissantes que cela et des PCP beaucoup plus puissantes.

Cette question de dépasser la vitesse du son avec une arme a air fut discutée maintes fois sur le forum.
Que faire d'autre que des expérience sur le terrain réel ?
Et bien avec Thiertomini nous avons fait cette expérience.
Thiertomini possède une Career III 300 annoncée à 140 Joules et une pression de réservoir de 230 bars.
Nous avons fait une mesure avec un plomb extrèmement lourd (4 grammes).
Je vais ici résumer, mais il est entendu que pour chaque cas de figure nous avons tiré plusieurs plombs pour calculer une vitesse moyenne et que l'arme fut rechargée en pression pour avoir les mêmes mesures.

Commencons par le plomb de 4 grammes : vitesse mesurée 270m/s après le calcul habituel, cela équivaut à une énergie en bouche de 145,8 Joules.
Pas mal du tout.

Ensuite nous avons prit des plomb Arlatz de 1,35 Grammes, ce qui devrait donner en toute logique selon inversion de formule une vitesse de 465m/s en considérant que l'arme conserve son énergie de 146 Joules (tout le monde est d'accord sur ce point). En effet, l'arme gardant son énergie, il semble logique que le plomb plus léger va aller plus vite pour garder cette énergie.
Et bien pas du tout !!!!!
En effet, la plomb a été mesuré à une vitesse de 330m/s, ce qui donne, si nous appliquons la formule une énergie de 73,5 Joules !!!!!!!!!!

Avec des plombs diana de 1,25 grammes la mesure a donné 350m/s ce qui donne une énergie de 76 Joules ....

Alors, soit cette arme perd incroyablement de sa puissance (la moitié quand même) soit il y a une autre explication ...

L'autre explication me semble évidente, comme annoncé dans d'autres posts, la vitesse de décompression de l'air (et donc la vitesse du projectile) ne dépasse pas (ou de très peu) la vitesse de l'onde sonore.

En effet, une arme ne pard pas de son énergie, mais par contre l'air ne pourra pas déplacer le plomb plus rapidement que le son (en ne considérant pas les échauffements de l'air qui peuvent le propulser un peu plus vite).

Donc, résumé, on ne dépassera pas ces vitesses avec une arme à air quel que soit son mode de propulsion.

... CQFD ...

[Pierre]

Donc, résumé, on ne dépassera pas ces vitesses avec une arme à air quel que soit son mode de propulsion.

... CQFD ...

Bravo, rien ne vaut en effet une expérience pour trancher ce long débat théorique : il semble donc confirmé que la vitesse du plomb ne peut pas dépasser la vitesse du son dans l'air dans une arme AC.

Il n'en reste pas moins vrai que le vitesse du son augmente avec la température de l'air, et qu'une compression brutale peut élever considérablement la température (pendant un très bref instant).

A cet égard, je crois qu'il y a une différence très importante entre une arme piston/ressort et une arme PCP (mais je peux me tromper sur le fonctionnement détaillé d'un PCP) :

- dans le cas du piston/ressort, l'air est au départ à 1 bar et à température ambiante, disons 20°. Au moment du tir la pression augmente (et donc la température aussi) jusqu'au démarrage du plomb, puis l'air se détend dans le canon en poussant le plomb, et il retourne à 20° dés que la pression retombe à 1 bar (quand le plomb sort du canon). Mais pendant la course dans le canon la température est supérieure à 20° donc la vitesse du son dépasse 340m/s.

- dans une arme PCP l'air est stocké à haute pression dans le réservoir, et il est à l'équilibre thermique à 20° s'il s'est écoulé suffisamment de temps depuis le remplissage du réservoir. Au moment du tir, l'air se détend, et donc il tend à se refroidir. La vitesse du son dans le canon serait donc plutôt inférieure à 340m/s.

J'ai donc l'impression que les armes à piston+ressort ont par principe une vitesse limite théorique plus élevée que les PCP. Attention : je parle bien de vitesse, pas d'énergie.

Qu'en pensez vous ?

Pierre

[Admin]

- dans le cas du piston/ressort, l'air est au départ à 1 bar et à température ambiante, disons 20°. Au moment du tir la pression augmente (et donc la température aussi) jusqu'au démarrage du plomb, puis l'air se détend dans le canon en poussant le plomb, et il retourne à 20° dés que la pression retombe à 1 bar (quand le plomb sort du canon). Mais pendant la course dans le canon la température est supérieure à 20° donc la vitesse du son dépasse 340m/s.

- dans une arme PCP l'air est stocké à haute pression dans le réservoir, et il est à l'équilibre thermique à 20° s'il s'est écoulé suffisamment de temps depuis le remplissage du réservoir. Au moment du tir, l'air se détend, et donc il tend à se refroidir. La vitesse du son dans le canon serait donc plutôt inférieure à 340m/s.

J'ai donc l'impression que les armes à piston+ressort ont par principe une vitesse limite théorique plus élevée que les PCP. Attention : je parle bien de vitesse, pas d'énergie.

Qu'en pensez vous ?

Pierre

Alors là, je suis totalement d'accord avec toi et cette théorie tient parfaitement la route.
Seule question que je me pose : quelle peut donc bien être l'élévation de température dans une arme à piston en considérant l'inertie du gaz et le temps relativement court de sa compression ?
Car en effet, pour arriver a des vitesse relativement plus élevées il faudrait une différence de température de plusieurs degrés et sans compter le fait que la chambre de l'arme en métal est souvent froide et donc limite probablement l'échauffement du gaz.
Donc je pense que la différence entre une PCP et une piston ne doit pas dépasser l'ordre d'une dizaine de mètres par seconde.
En ce qui concerne les armes PCP, effectivement l'air qui en sort est assez fortemement refroidi même après un tir peu de temps après remplissage.
Lors du remplissage de la PCP je n'ai d'ailleurs pas constaté d'échauffement du réservoir car il s'agit simplement d'un équilibrage entre la bouteille et le réservoir de l'arme. Si l'air dans la bouteille est à une pression de 300 bars et que nous chargeons à 230 bars, l'air dans le réservoir de l'arme ne s'échauffe pas étant donné qu'il se trouve a une pression inférieure à celle de la bouteille (je ne sais pas si je suis clair pour tout le monde). En effet l'air s'échauffe au moment de sa compression, donc, lors du remplissage de la bouteille par le compresseur ou du réservoir de l'arme par comrpresseur en passant de la pression atmosphérique a la pression nominale de la bouteille (soit 300 bars dans notre cas précis).

[Pierre]

Alors là, je suis totalement d'accord avec toi et cette théorie tient parfaitement la route.
Seule question que je me pose : quelle peut donc bien être l'élévation de température dans une arme à piston en considérant l'inertie du gaz et le temps relativement court de sa compression ?
Car en effet, pour arriver a des vitesse relativement plus élevées il faudrait une différence de température de plusieurs degrés et sans compter le fait que la chambre de l'arme en métal est souvent froide et donc limite probablement l'échauffement du gaz.

Il existe des formules pour calculer l'élévation de température pendant la compression d'un gaz. Il faut que je cherche ça dans mes vieux bouquins de thermodynamique, je vous tiendrai au courant si je trouve.
Il faut aussi relier la température à la vitesse du son. La formule que j'avais donnée dans mon premier post n'est qu'une formule approchée valable pour des températures pas trop élevées. Il faut que je retrouve aussi la formule plus générale, qui doit bien exister.

En attendant, je peux quand même affirmer ceci :

1) l'élévation de température est instantanée pendant la compression. L'inertie thermique du gaz ne joue pas ici car l'échauffement se produit au coeur du volume de gaz par le rapprochement des molécules. Même si les parois de la chambre de compression sont froides le gaz s'échauffe tout de suite. La détente qui suit immédiatement le départ du plomb refroidi aussitôt le gaz à sa température initiale, et ce cycle de compression/détente est tellement bref qu'il n'y a quasiment pas d'échange de chaleur avec les parois de la chambre. On appelle ça un cycle "adiabatique".

2) L'élévation de température peut être très importante (plusieurs centaines de degrés pour des compressions à 100 bars). C'est tellement vrai que des gens ont utilisé ce principe pour créer des briquets pneumatiques manuels. Avec un seul coup de la main sur le piston on arrive à allumer un bout d'amadou fixé en bout de piston. Voici un site qui décrit ce briquet (une dizaine de sites au moins sur Google) :
http://www.pourlascience.com/php/pls/article_integral.php?idn3=2382

Si ce briquet marche, ça prouve bien qu'il y a un échauffement très fort, et qu'il est quasi instantané. A+

Pierre

[Admin]

Très intéressant ce lien !

[Invité]

[...]

- dans le cas du piston/ressort, l'air est au départ à 1 bar et à température ambiante, disons 20°. Au moment du tir la pression augmente (et donc la température aussi) jusqu'au démarrage du plomb, puis l'air se détend dans le canon en poussant le plomb, et il retourne à 20° dés que la pression retombe à 1 bar (quand le plomb sort du canon). Mais pendant la course dans le canon la température est supérieure à 20° donc la vitesse du son dépasse 340m/s.

[...]

Qu'en pensez vous ?

Pierre

Moi, je pense que cet échauffement a lieu derrière le plomb mais pas devant.
Donc, pas d'échauffement (dû à la compression de l'air derrière) du milieu dans lequel se déplace le plomb.
Par contre échauffement de l'air devant par compression liée au déplacement du plomb, c'est possible et probable mais dans quelle mesure?

My 2 cents... ;-)

[Pierre]

Moi, je pense que cet échauffement a lieu derrière le plomb mais pas devant.
Donc, pas d'échauffement (dû à la compression de l'air derrière) du milieu dans lequel se déplace le plomb.
Par contre échauffement de l'air devant par compression liée au déplacement du plomb, c'est possible et probable mais dans quelle mesure?

Je ne suis pas sûr de bien comprendre ce que tu dis : quand je dis que l'air s'échauffe il s'agit bien sûr du volume d'air situé derrière le plomb, c'est à dire du coté de la chambre de compression (armes à piston+ressort). Et quand je parle de vitesse du son, c'est bien dans l'air derrière le plomb.

Si on s'interresse maintenant à l'air situé devant le plomb, on peut dire ceci :

a) - la pression devant le plomb est de 1 bar au moment du démarrage du plomb puis elle doit s'accroitre légèrement quand le plomb accélère car le plomb pousse la colonne d'air et la comprime un peu par inertie. Mais comme le canon est ouvert à la sortie, la pression devant le plomb ne sera jamais bien forte : au plus quelques bars, à comparer à plus de 100 bars derrière le plomb. S'il y a un échauffement de l'air devant le plomb, il sera toujours infiniment plus faible que l'échauffement derrière.

b) - si le plomb atteint une vitesse supérieure à 340m/s, on est dans une configuration particulière où la vitesse du plomb est sub-sonique pour l'air chaud situé derrière, et supersonique pour l'air à 20° situé devant. Dans ces conditions, il y a une accumulation d'air devant le plomb et donc une élévation de pression juste devant, donc aussi un échauffement. Ce cas devient un peu délicat à analyser, mais c'est peut être aussi une des raisons qui limitent la vitesse maximale théorique pour les armes AC.

Pierre

[Invité]

Je suis d'accord avec tout ce que tu dis aussi.

Je pense avoir lu que le plomb sortait à 305 m/s sur la CFX 23 joules.
On trouve ces valeurs pour un plomb de 0.5g d'après une abaque qui est présentée dans un topic de ce forum.
Un plomb de quel poids atteindrait-il la vitesse de 343 ou plus?

Toujours d'après cette abaque, il faut un plomb de 0.45g pour atteindre une vitesse située entre 320 et 327 m/s à 23 joules.
Il n'est donc pas trop proche des 343... non?

Désolé, après reconsultation, tu as raison...µ
D'après cette abaque, un pb de 0.45 sur une 30 joules sortirait à 367m/s!
Plus loin, je ne vais pas!

[death angel]

WOW !! est-ce normal que apres une phrase je sois completeemnt perdus ? ou est-ce juste parce que jai jamais fais de cour de physique ?


on parlais de tir avec arme a air et on est rendus a une deiscution sur la thermodynamique, ces que ca peut aller loin cette discution . cest a quand la discution sur notre place dans l univer ?

[Contenu sponsorisé]