Technologie de défense — Étude expérimentale des capacités pare-balles du Kevlar, de différents poids et nombre de couches, avec des projectiles de 9 mm

2.1. Gel balistique

Le gel balistique a été fabriqué à partir de gélatine non aromatisée. Sa densité et sa consistance doivent être identiques à celles utilisées par le FBI. Pour obtenir la même consistance, suivre les instructions de la réf. [30] ont été suivis et ont été testés par rapport aux normes décrites dans la réf. [31].

8 tasses (250 ml) de gélatine en poudre nature (environ 1,25 kg) sont mélangées à 8 L d'eau (1 volume de gélatine pour 4 volumes d'eau) jusqu'à dissolution complète. Après avoir versé la solution dans les récipients (2 récipients de 5 L ont été utilisés pour le mélange ci-dessus), 5 gouttes d'huile essentielle (huile essentielle de feuille de cannelle) sont versées sur la solution et mélangées délicatement. L'huile essentielle permet de dissiper les bulles et de donner au gel balistique une meilleure odeur. La solution est mise en congélation dans les récipients placés au réfrigérateur. Le gel balistique était prêt à être utilisé 36 h après sa préparation, puis emballé dans du cellophane. Une vidéo montrant les détails de fabrication du gel balistique est disponible surhttps://www.youtube.com/watch?v=0nLWqJauFEw.

La densité du gel balistique a été calculée à 996 km/m3(99,6 % de la densité de l'eau). La densité moyenne du sang, de la graisse et des muscles humains [32], qui est la consistance de la chair humaine, est de 1004 kg/m3Une différence de densité de 0,8 % est considérée comme acceptable pour que le gel balistique reproduise 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 étant tissé, sa résistance maximale a pu être exploitée dans une orientation de 0 à 90 °C. Les échantillons ont été empilés selon une orientation de −45/+45 °C (quasi-isotrope), qui absorbe davantage d'énergie à l'impact que des orientations de 0 à 90 °C empilées les unes sur les autres.33]. Les échantillons utilisés lors des essais ont été réalisés en multiples de trois couches, chaque échantillon étant disposé selon un rapport de 90/±45/90. Lorsque deux ou trois échantillons étaient superposés, la dernière couche d'un échantillon était placée à 45° par rapport à la couche suivante de l'échantillon suivant.

Les feuilles de Kevlar ont été divisées et découpées en feuilles de format A4 afin de les préparer à être assemblées avec la résine époxy et le durcisseur recommandés. Les échantillons ont ensuite été laissés sécher. Après la prise de la résine, ils ont été découpés, boulonnés les uns aux autres et mis en place pour les essais.

Des essais balistiques ont été réalisés avec deux types de munitions : des munitions à chemise métallique (FMJ) et des munitions à pointe creuse chemisée (JHP) de calibre 9 mm Parabellum (P ou Para). La méthode utilisée pour tester les échantillons est décrite ci-après :

• 1)

• Un chronographe pour armes à feu a été installé pour mesurer la vitesse des balles. Il était placé à 2 m de la bouche des armes afin d'éviter que la flamme ne donne des indications erronées.

• 2)

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

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

• 3)

• LeKevlarLes échantillons ont ensuite été placés devant le gel balistique, à 1 m du chronographe. Cette distance d'1 m a été choisie pour reproduire le pire scénario, où une personne ou un objet est touché à courte distance.

• 4)

• L'échantillon a été tiré, le projectile traversant le chronographe afin de déterminer sa vitesse initiale. Ensuite, l'échantillon a été pénétré et le projectile a été logé dans le gel balistique. Les vitesses des essais ont été utilisées pour 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 tests. 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 se déplaçait pas directement dans le gel balistique ou s'il pénétrait l'échantillon de Kevlar dans une zone jugée structurellement fragile.

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 plus longue que celle de l'étui sans Kevlar. Le projectile de 9 mm Parabellum (numéro 4) ne s'est pas beaucoup déformé, mais la chemise en laiton a commencé à se détacher.

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 avec le projectile numéro 4 parcourant presque la même distance que celle d'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 allaient plus loin après avoir traversé les 9 couches de Kevlar 160 GSM, par rapport aux projectiles tirés dans le gel balistique (sans Kevlar).

Les tests réalisés 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. 3Les profondeurs de pénétration des projectiles fluctuent avec la profondeur à mesure que le nombre de couches augmente, mais une diminution est observée de 9 à 12 couches dans tous les cas. Il a été observé que les projectiles à pointe creuse pénétraient les couches de Kevlar et, ce faisant, la pointe creuse était bloquée par le matériau Kevlar. Une fois que ces projectiles à pointe creuse atteignent le gel balistique, ils se comportent de la même manière qu'un projectile FMJ. Pour la raison mentionnée ci-dessus, les projectiles ont pénétré plus profondément dans le gel balistique avec les échantillons de Kevlar utilisés par rapport aux tests effectués sans Kevlar. Ce n'est qu'une fois que suffisamment de couches de Kevlar ont été pénétrées pour absorber suffisamment d'énergie que le projectile a montré des caractéristiques de pénétration réduite dans le gel balistique. Cette caractéristique a été observée dans les autres tests, avec des Kevlar de différents poids, comme présenté dans cet article.

3.4. 200 GSMKevlar

Les tests de 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 de réaliser des tests avec 15 couches. Les résultats de pénétration du gel balistique sont présentés ci-dessous.Fig. 4.

Les tests réalisés avec trois couches de Kevlar 200 GSM montrent que les projectiles FMJ de 9 mm Parabellum ont traversé le gel balistique sans que leur distance de déplacement ne soit réduite par rapport à celle de l'étui sans Kevlar. Les projectiles à pointe creuse de 9 mm Parabellum ont explosé comme prévu, et le projectile de 9 mm Parabellum numéro 4 avait sa chemise en laiton logée dans le gel balistique, tandis que le projectile en plomb a poursuivi sa course et s'est arrêté comme indiqué dansFig. 4.

Avec 6 couches de Kevlar 200 GSM, il a été 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 boîtier sans Kevlar.

Les tests réalisés avec 9 couches de Kevlar 200 g/m² ont montré que le projectile n° 2 pénétrait plus profondément dans le gel balistique que l'étui sans Kevlar. Il a été observé que le Kevlar était bloqué dans la pointe creuse des projectiles n° 3 et 4, ce qui l'empêchait de se propager. Les projectiles n° 3 et 4 ont pénétré plus profondément dans le gel balistique après avoir traversé 9 couches de Kevlar 200 g/m² que l'étui sans Kevlar.

Lors des tests réalisés avec 12 couches de Kevlar 200 GSM, il a été observé que les projectiles FMJ Parabellum de 9 mm, numéros 1 et 2, présentaient une tête plus plate après pénétration. Le projectile numéro 4, bien que peu bombé grâce à la pointe creuse bloquée par du Kevlar, présentait une tête plus aplatie. Le projectile numéro 3 n'a pas beaucoup bombé, mais la pointe de sa tête présentait des signes de déformation.

Les tests réalisés avec 15 couches de Kevlar 200 GSM ont montré que les deux projectiles FMJ présentaient des signes de prolifération. Les projectiles 1 et 2 présentent une profondeur de pénétration dans le gel balistique inférieure à celle du cas sans Kevlar. Dans le cas présent, les projectiles 3 et 4 ont été arrêtés par les couches de Kevlar.

Comme on le voit dansFig. 4, lorsque les moyennes entre les points sont prises en compte, il semble indiquer un gradient linéaire de pénétration décroissante dans le gel balistique, une fois qu'un pic à environ 6 couches de Kevlar 200 GSM a été atteint. Le Kevlar 200 GSM montre une meilleure performance par rapport au Kevlar 160 GSM, comme prévu. Avec 15 couches de Kevlar 200 GSM, les projectiles numéros 3 et 4 ont été arrêtés, mais pas les projectiles numéros 1 et 2. Suivant le gradient moyen, on estime que les projectiles numéros 1 et 2 seront arrêtés en utilisant peut-être 18 et 21 couches de Kevlar 200 GSM, respectivement.

• Les tests Kevlar 400 GSM ont été réalisés en utilisant des échantillons de 3, 6, 9 et 12 couches, comme indiqué par les résultats présentés dansFig. 5.

4. Analyse et discussion des résultats

Fig. 6montre la comparaison des profondeurs de pénétration de différents projectiles dans 3 couches de Kevlar de 160, 200 et 400 g/m². Comme on le voit dansFig. 6, avec les projectiles à pointe creuse de 9 mm Parabellum, 3 couches de Kevlar 200 GSM ont arrêté les projectiles sur la plus courte distance. 3 couches de Kevlar 400 GSM et 160 GSM ont arrêté les projectiles 1 et 2 respectivement.

Fig. 7,Fig. 9Les résultats indiquent qu'il n'existe pas de caractéristiques similaires entre des projectiles différents, quel que soit le nombre de couches de Kevlar. Prenons l'exemple de 12 couches de Kevlar de 200 g/m² et de 6 couches de Kevlar de 400 g/m². Ces deux échantillons totalisent chacun 2 400 g/m² de Kevlar. La distance de projection des projectiles n'est pas réduite de la même manière. Des corrélations et des conclusions similaires peuvent être observées avec 3 couches de Kevlar de 400 g/m² et 6 couches de Kevlar de 200 g/m². Chacun de ces échantillons contient 1 200 g/m², mais les résultats ne présentent pas de caractéristiques similaires.

Courbes moyennes pour les projectiles 1 et 2, présentées dansFig. 4, indiquent que les projectiles s'arrêteraient avec 6 et 7 multiples de 3 couches de Kevlar 200 GSM, respectivement (soit 18 et 21 couches de Kevlar 200 GSM). On observe une tendance à environ doubler le nombre de couches de Kevlar nécessaires, par rapport au Kevlar réellement endommagé, pour arrêter les projectiles. Avec 18 et 21 couches de Kevlar 200 GSM, les projectiles 1 et 2 s'arrêteront avec environ 9 et 10 couches de Kevlar. Ce nombre de couches correspond au nombre de couches de Kevlar que contiennent les gilets pare-balles en Kevlar uniquement disponibles dans le commerce.

Quelques éléments pour votre 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 référence :

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

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

5. Conclusions

Comparaisons de 160 GSM, 200 GSM et 400 GSMKevlarDes tests balistiques ont été réalisés avec des munitions de 9 mm Parabellum et différents nombres de couches de Kevlar. Il a été observé que quelques couches de Kevlar ne sont pas efficaces pour arrêter les projectiles, mais les forcent plutôt à pénétrer davantage dans le gel balistique. Ce n'est qu'avec l'augmentation du nombre de couches que la pénétration du projectile dans le gel balistique diminue. Ce pic de pénétration, en particulier avec les projectiles à pointe creuse, s'explique par le remplissage du trou par du Kevlar, le transformant en projectile FMJ. Des gradients négatifs moyens similaires ont été observés entre les projectiles FMJ et à pointe creuse, une fois le pic atteint.

En résumant les contributions de cet article, on peut conclure :

• 1)

• L'efficacité de différentes couches de Kevlar de 160 GSM, 200 GSM et 400 GSM recouvertes de 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 pas de relation linéaire entre deux types différents de Kevlar ayant des poids différents (tels que le Kevlar 200 GSM et 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 une munition de 9 mm Parabellum, la plus couramment utilisée dans le monde, 21 couches de Kevlar 200 GSM sont nécessaires au minimum pour arrêter le projectile. Il est suggéré, par mesure de sécurité, d'inclure un facteur de sécurité supplémentaire, car la pénétration dépend également du profil du projectile.

Sur la base des résultats présentés ci-dessus pour 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 il faudrait doubler le nombre de couches de Kevlar par rapport au nombre réel de couches endommagées mériterait d'être explorée dans le cadre de recherches ultérieures avec différentes munitions. De futures 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 9 mm Para. De même, de futures recherches permettront d'identifier comment différentes munitions et projectiles pénètrent le Kevlar 200 GSM, tel que celui utilisé uniquement dans les gilets pare-balles. Grâce aux caractéristiques observées avec les projectiles à pointe creuse pénétrant plus profondément dans le gel balistique, une fois la pointe creuse bloquée par le Kevlar, de futures recherches permettraient de déterminer si un effet similaire se produirait dans un scénario où le projectile pénétrerait les vêtements, avant de pénétrer la chair.

Remerciements

La recherche a été financée en partie par leFondation nationale de la rechercheLes entreprises et personnes suivantes sont reconnues 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), Opérations Southern Sky (+27 31 579 4141 ;www.skyops.co.za;mike@skyops.co.za), Louis et Leonie Stopforth. Il est à noter que les opinions des auteurs dans cet article ne reflètent pas nécessairement celles des entreprises, organisations et personnes mentionnées ci-dessus. Les auteurs n'ont perçu aucun avantage financier pour les tests effectués.