Technologie de défense — Étude expérimentale des capacités de protection balistique du Kevlar, de différents poids et nombres de couches, avec des projectiles de 9 mm

2.1. Gel balistique

Le gel balistique était composé de gélatine non aromatisée. Sa densité et sa consistance devaient être identiques à celles du gel utilisé par le Bureau fédéral d'enquête (FBI). Pour obtenir la même consistance, suivre les instructions données dans la référence [30] ont été suivies et elles ont été testées par rapport aux normes décrites dans la réf. [31].

On mélange 8 tasses (250 ml) de gélatine en poudre non aromatisée (environ 1,25 kg) avec 8 litres d'eau (1 volume de gélatine pour 4 volumes d'eau) jusqu'à dissolution complète. Après avoir versé la solution dans deux récipients de 5 litres chacun, on ajoute 5 gouttes d'huile essentielle de feuille de cannelle et on mélange délicatement. L'huile essentielle permet de dissiper les bulles et d'améliorer l'odeur du gel balistique. On place ensuite la solution dans les récipients, puis on la met au réfrigérateur. Le gel balistique est prêt à l'emploi 36 heures après sa préparation ; il est alors emballé dans du cellophane. Une vidéo expliquant en détail la fabrication du gel balistique est disponible sur [lien/lien].https://www.youtube.com/watch?v=0nLWqJauFEw.

La densité du gel balistique a été calculée à 996 km/m³.3(99,6 % de la densité de l'eau). La densité moyenne du sang, de la graisse et des muscles humains [32], qui correspond à la consistance de la chair humaine, est de 1004 kg/m³3Une différence de 0,8 % dans les densités est considérée comme acceptable pour que le gel balistique puisse imiter la chair d'un corps humain.

2.2.Kevlar échantillons

Trois grammages de tissu Kevlar ont été utilisés lors des tests : 160 g/m², 200 g/m² et 400 g/m². Le Kevlar pouvant être utilisé comme matériau tissé, sa résistance maximale a été obtenue avec une orientation 0–90°. Les échantillons ont été empilés selon une orientation −45/+45° (quasi-isotrope), qui absorbe davantage d’énergie à l’impact que les orientations 0–90° empilées les unes sur les autres.33Les échantillons utilisés lors des tests étaient composés de multiples de 3 couches, chaque couche étant disposée selon l'ordre 90/±45/90. Lorsque deux ou trois échantillons étaient superposés, la dernière couche de chaque échantillon était placée à 45° par rapport à la couche suivante de l'échantillon suivant.

Les feuilles de Kevlar ont été divisées et découpées au format A4 afin d'être assemblées à l'aide de la résine époxy et du durcisseur recommandés. Après séchage, les échantillons ont été découpés, boulonnés entre eux et positionnés pour les essais.

Des essais balistiques ont été réalisés avec deux types de munitions : des balles blindées (FMJ) et des balles à pointe creuse (JHP) de calibre 9 mm Parabellum (P ou Para). La méthode d’essai utilisée est décrite ci-après :

• 1)

• Un chronographe a été installé pour mesurer la vitesse des balles. Il était placé à 2 m de la bouche du canon afin d'éviter que la flamme de bouche ne fausse les mesures.

• 2)

• Un test de référence a été effectué pour déterminer la vitesse de la balle directement dans le gel balistique. L'équation de l'énergie cinétique
  E=(1/2)mv2

  a été utilisée pour déterminer l'énergie et la distance de pénétration dans le gel balistique.

• 3)

• LeKevlarLes échantillons ont ensuite été placés devant le gel balistique, lui-même positionné à 1 m du chronographe. Cette distance d'un mètre vise à reproduire le scénario le plus défavorable, celui d'une personne ou d'un objet touché par un tir à bout portant.

• 4)

• L'échantillon a été soumis à un tir, le projectile passant dans le chronographe afin de déterminer sa vitesse initiale. Ensuite, l'échantillon est pénétré et le projectile se loge dans le gel balistique. Les vitesses mesurées lors des essais ont permis d'obtenir unevitesse moyennelecture qui a été utilisée pour mettre à jour les valeurs à l'étape 2.

• 5)

• La distance de pénétration dans le gel balistique a été mesurée et enregistrée.

• 6)

• L'étape 2 a été répétée pour chaque type de munition utilisé lors des essais. Les étapes 3 à 5 ont été répétées pour chaque échantillon de Kevlar. Un essai avec une munition spécifique a été répété si le projectile ne suivait pas une trajectoire rectiligne dans le gel balistique, ou s'il pénétrait l'échantillon de Kevlar dans une zone jugée structurellement défectueuse.

Avec les échantillons à trois couches, les projectiles FMJ de 9 mm Parabellum ont parcouru une distance légèrement inférieure à celle de l'étui sans Kevlar. Les projectiles à pointe creuse ont parcouru une distance supérieure à celle de l'étui sans Kevlar. Le projectile de 9 mm Parabellum (numéro 4) ne s'est que peu déformé, mais la chemise en laiton a commencé à se déchirer.

Les tests effectués avec 6 couches de Kevlar 160 GSM ont indiqué que les projectiles à pointe creuse Parabellum de 9 mm allaient plus loin que les tests de pénétration sans Kevlar, le projectile numéro 4 parcourant presque la même distance qu'un projectile FMJ.

Avec les 9 couches de Kevlar 160 GSM, les distances correspondantes parcourues par les projectiles dans le gel ont montré que les projectiles numéros 1, 3 et 4 sont allés plus loin après avoir traversé les 9 couches de Kevlar 160 GSM, comparés aux projectiles tirés dans le gel balistique (sans Kevlar).

Les tests effectués avec 12 couches de Kevlar 160 GSM montrent que tous les projectiles présentent une tendance à la baisse de la profondeur de pénétration par rapport à 9 couches.

Comme on le voit dansFig. 3La profondeur de pénétration des projectiles fluctue en fonction de la profondeur et du nombre de couches, mais une diminution est systématiquement observée entre 9 et 12 couches. Il a été constaté que les projectiles à pointe creuse pénétraient les couches de Kevlar et que, ce faisant, la pointe était obstruée par le matériau. Une fois dans le gel balistique, ces projectiles se comportent comme des projectiles FMJ. De ce fait, avec les échantillons de Kevlar utilisés, les projectiles ont pénétré plus profondément dans le gel balistique que lors des essais réalisés sans Kevlar. Ce n'est qu'après avoir traversé suffisamment de couches de Kevlar pour absorber une énergie suffisante que le projectile a montré une diminution de sa pénétration dans le gel balistique. Cette caractéristique a été observée lors des autres essais, avec les différents grammages de Kevlar présentés dans cet article.

3.4. 200 GSMKevlar

Les tests sur le Kevlar 200 g/m² ont été réalisés avec des échantillons de 3, 6, 9, 12 et 15 couches. Le Kevlar 200 g/m² étant couramment utilisé pour les gilets pare-balles, il a été décidé d'effectuer les tests avec 15 couches. Les résultats de la pénétration dans le gel balistique sont présentés dans le tableau.Fig. 4.

Les tests effectués avec trois couches de Kevlar 200 g/m² montrent que les projectiles FMJ de 9 mm Parabellum ont traversé le gel balistique et que les distances parcourues, comparées à celles sans Kevlar, n'ont pas été réduites. Les projectiles à pointe creuse de 9 mm Parabellum se sont évasés comme prévu, et le projectile n° 4 de 9 mm Parabellum présentait une chemise en laiton incrustée dans le gel balistique ; cependant, le projectile en plomb a poursuivi sa trajectoire et s'est arrêté comme enregistré.Fig. 4.

Avec 6 couches de Kevlar 200 GSM, on a observé que la distance de pénétration du projectile 1 dans le gel balistique diminuait tandis que les projectiles 2, 3 et 4 pénétraient plus profondément dans le gel balistique par rapport au cas sans Kevlar.

Les tests effectués avec 9 couches de Kevlar 200 g/m² montrent que le projectile n° 2 a pénétré plus profondément dans le gel balistique que dans le cas sans Kevlar. On a observé que les projectiles n° 3 et 4 présentaient une obstruction de la pointe creuse par le Kevlar, les empêchant de s'expanser. Après avoir traversé 9 couches de Kevlar 200 g/m², les projectiles n° 3 et 4 ont pénétré plus profondément dans le gel balistique que dans le cas sans Kevlar.

Lors des essais réalisés avec 12 couches de Kevlar 200 g/m², il a été observé que les projectiles FMJ Parabellum de 9 mm, numéros 1 et 2, présentaient une tête plus aplatie après pénétration. Le projectile numéro 4, bien que ne s'étant pas beaucoup évasé avec la pointe creuse obstruée par le Kevlar, était davantage aplati à la tête. Le projectile numéro 3 ne s'est pas beaucoup évasé, mais on a constaté des signes de déformation à l'extrémité de sa tête.

Les essais réalisés avec 15 couches de Kevlar 200 g/m² ont montré que les projectiles FMJ présentaient des signes d'expansion. Les projectiles 1 et 2 ont pénétré moins profondément dans le gel balistique qu'avec un projectile sans Kevlar. Dans le cas présent, les projectiles 3 et 4 ont été arrêtés par les couches de Kevlar.

Comme on le voit dansFig. 4L'analyse des moyennes entre les points semble indiquer une diminution linéaire de la pénétration dans le gel balistique, après avoir atteint un pic aux alentours de 6 couches de Kevlar 200 GSM. Le Kevlar 200 GSM présente, comme prévu, de meilleures performances que le Kevlar 160 GSM. À 15 couches de Kevlar 200 GSM, les projectiles n° 3 et 4 sont arrêtés, contrairement aux projectiles n° 1 et 2. En suivant la tendance générale, on estime que les projectiles n° 1 et 2 seront arrêtés avec respectivement 18 et 21 couches de Kevlar 200 GSM.

• Les tests de résistance au Kevlar 400 GSM ont été réalisés sur des échantillons de 3, 6, 9 et 12 couches, comme l'indiquent les résultats présentés dans le tableau.Fig. 5.

4. Analyse et discussion des résultats

Fig. 6Le graphique compare les profondeurs de pénétration de différents projectiles dans trois couches de Kevlar de 160, 200 et 400 g/m². Comme on peut le voir sur le graphique :Fig. 6Avec les projectiles à pointe creuse Parabellum de 9 mm, trois couches de Kevlar de 200 g/m² ont permis d'arrêter les projectiles sur la distance la plus courte. Trois couches de Kevlar de 400 g/m² et de 160 g/m² ont respectivement permis d'arrêter le plus efficacement les projectiles 1 et 2.

Fig. 7,Fig. 9Les résultats indiquent qu'il n'existe pas de caractéristiques similaires pour différents projectiles avec deux nombres différents de couches de Kevlar de même grammage (GSM). Par exemple, 12 couches de Kevlar de 200 GSM et 6 couches de Kevlar de 400 GSM. Ces deux échantillons ont chacun un total de 2400 GSM de Kevlar. En comparant ces deux échantillons, on constate qu'ils ne réduisent pas la distance des projectiles de manière similaire. Des corrélations et des conclusions similaires peuvent être observées pour 3 couches de Kevlar de 400 GSM et 6 couches de Kevlar de 200 GSM. Chacun de ces cas comporte 1200 GSM d'échantillons, mais les résultats ne présentent pas de caractéristiques similaires.

Courbes moyennes des projectiles 1 et 2, représentées surFig. 4Les calculs indiquent que les projectiles seraient arrêtés par respectivement 6 et 7 multiples de 3 couches de Kevlar 200 GSM (soit 18 et 21 couches de Kevlar 200 GSM). On observe une tendance à doubler approximativement le nombre de couches de Kevlar nécessaires pour arrêter les projectiles, par rapport à la quantité de Kevlar réellement endommagée. Avec 18 et 21 couches de Kevlar 200 GSM, les projectiles 1 et 2 seraient arrêtés par environ 9 et 10 couches de Kevlar, respectivement. Ce nombre de couches correspond à celui des gilets pare-balles en Kevlar disponibles dans le commerce.

Quelques éléments de référence :

https://www.senkencorp.com/bullet-proof-vest/military-vip-police-concealable-light-weight.html

https://www.senkencorp.com/bullet-proof-vest/high-quality-military-use-tactical-armor.html

https://www.senkencorp.com/bullet-proof-vest/military-ballistic-nij-iiia-pe-or-kevlar.html

https://www.senkencorp.com/bullet-proof-vest/bulletproof-vest-fdy3r-sk15.html

Vidéos pour votre information :

https://www.youtube.com/watch?v=Zc-HYAXSaqs

https://www.youtube.com/watch?v=YtBaebU7CTw

5. Conclusions

Comparaison des modèles 160 GSM, 200 GSM et 400 GSMKevlarDes tests balistiques ont été réalisés avec des munitions de 9 mm Parabellum et un nombre variable de couches de Kevlar. Il a été observé que quelques couches de Kevlar ne suffisent pas à arrêter les projectiles, mais les incitent au contraire à pénétrer plus profondément dans le gel balistique. Ce n'est qu'avec l'augmentation du nombre de couches que la pénétration des projectiles dans le gel balistique diminue. Ce pic de pénétration, notamment avec les projectiles à pointe creuse, est dû au remplissage de l'orifice par le Kevlar, ce qui confère au projectile un comportement similaire à celui d'un projectile FMJ. Des gradients négatifs moyens similaires ont été observés entre les projectiles FMJ et les projectiles à pointe creuse une fois le pic atteint.

En résumé, les contributions de cet article peuvent être exprimées de la manière suivante :

• 1)

• L'efficacité de différentes couches de Kevlar de 160 GSM, 200 GSM et 400 GSM superposées à du gel balistique a été étudiée, et il a été constaté que le Kevlar de 200 GSM était plus efficace pour arrêter un projectile Parabellum de 9 mm.

• 2)

• Il a été constaté qu'il n'existe aucune relation linéaire entre deux types différents de Kevlar de poids différents (tels que le Kevlar 200 GSM et le Kevlar 400 GSM), superposés de manière à avoir le même poids combiné.

• 3)

• Quatre types différents de munitions 9 mm Parabellum ont été testés, et leurs profondeurs de pénétration dans le gel balistique ont été identifiées pour différentes couches de Kevlar.

• 4)

• Il a été estimé que pour les munitions de 9 mm Parabellum, les plus couramment utilisées dans le monde, 21 couches de Kevlar de 200 g/m² sont nécessaires au minimum pour arrêter le projectile. Par mesure de sécurité, il est suggéré d'appliquer un coefficient de sécurité supplémentaire, la pénétration dépendant également du profil du projectile.

D’après les résultats présentés ci-dessus concernant les caractéristiques des couches de Kevlar de différents poids, on espère que ces caractéristiques pourront être utilisées pour développer et concevoir des gilets pare-balles sûrs et efficaces.

La tendance générale selon laquelle le nombre de couches de Kevlar nécessaires est le double du nombre de couches endommagées mériterait d'être approfondie par des recherches complémentaires utilisant différentes munitions. Ces recherches permettraient également d'évaluer l'effet de pénétration des projectiles et munitions de plus petit calibre sur le Kevlar, comparativement à celui des munitions de 9 mm Para. De même, elles permettraient de déterminer comment différentes munitions et projectiles pénètrent le Kevlar de 200 g/m², tel que celui utilisé dans les gilets pare-balles. Compte tenu des caractéristiques observées avec les projectiles à pointe creuse, qui pénètrent plus profondément dans le gel balistique après avoir été bloqués par du Kevlar, des recherches futures permettraient de déterminer si un effet similaire se produirait si le projectile traversait d'abord les vêtements avant de pénétrer la chair.

Remerciements

La recherche a été partiellement financée parFondation nationale de la rechercheLes sociétés et personnes suivantes sont remerciées pour leur aide, leurs conseils et l'utilisation de leurs installations, par ordre alphabétique : Borrie Bornman, John Evans, Firearm Competency Assessment and Training Centre (+27 39 315 0379 ;fcatc1@webafrica.org.za), Henns Arms (Marchand d'armes à feu et armurier ;www.hennsarms.co.za;info@hennsarms.co.za), River Valley Farm & Nature Reserve (+27 82 694 2258;https://www.rivervalleynaturereserve.co.za/;info@jollyfresh.co.za), Marc Lee, David et Natasha Robert, Simms Arms (+27 39 315 6390;https://www.simmsarms.co.za;simmscraig@msn.com), Southern Sky Operations (+27 31 579 4141;www.skyops.co.za;mike@skyops.co.zaLouis et Leonie Stopforth. Il convient de préciser que les opinions exprimées dans cet article ne reflètent pas nécessairement celles des entreprises, organisations et personnes mentionnées ci-dessus. Les auteurs n'ont perçu aucune rémunération pour les tests effectués.