Cette thèse a été dirigée par le Professeur Kauffmann de l’Université de Franche-Comté. Le co-directeur de l’Ecole Royale Militaire était le Docteur Johan Gallant et les essais à l’Institut franco-allemande de recherches de Saint-Louis (ISL) étaient encadrés par le Docteur Markus Schneider.Un lanceur à rails conventionnel est composé de deux rails conducteur connecté par un projectile. L’interaction entre le champ magnétique induit par le courant dans les rails et le courant dans le projectile résulte en une force électromagnétique accélérant. Dans cette thèse on utilise un projectile avec deux ponts de courant. Pour un lanceur à rails conventionnel la méthode la plus efficace pour augmenter la force sur le projectile est d’augmenter le courant dans les rails. Mais la densité de courant est limitée. L’échauffement des contacts entre les rails et les ponts de courant par l’effet Joule et la force de frottement, peut résulter dans la transformation d’un contact solide dans un contact plasma, ce qui est à éviter. Une possibilité d’adresser ce problème est d’ajouter des ponts de courant pour améliorer la distribution de courant. Une autre possibilité est d’appliquer un champ magnétique extérieur généré par un circuit extérieur qui nous permet d’augmenter la force électromagnétique sans augmenter le courant dans le circuit intérieur. Dans cette thèse l’objectif est d’étudier la distribution de courant et de température dans un projectile à deux ponts de courant pour un lanceur augmenté. Comme les deux ponts de courants et les rails du circuit intérieur forment un circuit fermé, le champ augmenté va induire un courant de circulation qui influence la distribution de courant entre les brosses. Le premier modèle de simulation est un modèle global du lanceur en PSpice qui nous permet de déterminer les courants globaux, la force électromagnétique, la position et la vitesse du projectile et la température moyenne des brosses. Le modèle global prend en compte l’effet de peau dû à la vitesse et est validé par des résultats expérimentaux. Le deuxième modèle est un modèle local en ANSYS, un code à éléments finis, pour un projectile fixe. Ce modèle permet une étude locale de la distribution de courant et de température. Un modèle pour la zone de contact entre les rails et la brosse est introduit. Le modèle local est utilisé pour calculer les coefficients de l’équation de force dans le modèle global. Les résultats des deux modèles de simulation sont cohérents.Le lanceur LARA, utilisé pour les essais, a une longueur de 1.5 m et un calibre de 15 mm. On disposait de trois bancs de condensateurs pour l’alimentation du lanceur en configuration non-augmenté et augmenté. Les vitesses à la bouche obtenues varient entre 48 et 214 m/s. Pour la détermination de la distribution de courant nous avons utilisé une méthode proposée par [SCH05a]. Cette méthode est une combinaison d’une mesure de tension entre deux pins dans les rails et dans une boucle. Nous avons constaté que les signaux obtenus avec cette méthode, appliquée dans ce régime de vitesse, sont perturbés par les courants de Foucault induits avant le projectile et les résultats ne répondent pas à nos attentes. Une méthode analytique basée sur la mesure de tension dans la boucle a été développée. Les résultats expérimentaux sont comparés avec les simulations. Nous avons constaté une bonne correspondance entre les valeurs des courants maximaux dans les rails calculés avec PSpice et les valeurs expérimentales, mais le courant calculé avec PSpice est plus faible dans la phase décroissante du courant. Les erreurs sur la vitesse sont inférieures à 10 %. Les deux modèles de simulation et les essais montrent que la brosse avant porte la plus grande partie du courant. La dernière partie de cette thèse est une étude paramétrique avec ANSYS pour l’avant-projet du circuit intérieur d’un lanceur à rail existant. / This thesis was supervised by Professor Jean-Marie Kauffmann of the University of Franche-Comté. The co-director at the Royal Military Academy was Dr. Johan Gallant and the experiments at Franch-German Research Institute ISL were directed by Dr. Markus Schneider. A conventional electromagnetic railgun is composed of two conducting rails connected by a projectile. The magnetic field generated by the current in the rails interacts in the projectile resulting in an electromagnetic force accelerating the projectile. The projectile used in this thesis is two brush projectile. For a conventional railgun the most efficient way to increase the force on the projectile is to increase the current in the rails. But the current density is limited. The heating of the sliding contacts between the brushes and the rails due to the Joule losses and the friction can cause the contacts and can result in contact transition which we want to avoid. One way to reduce the heating is to add more current brushes to obtain a better current distribution between the brushes. Another way is to add an extra pair of rails and create an additional magnetic field. This augmenting field allows us to increase the electromagnetic force without increasing the current through the projectile. In this thesis the current and heat distribution in a two brush projectile in a parallel augmented railgun is studied through simulations and experiments. Because the current brushes and the inner rails form a closed loop, the augmenting field will induce a loop current and influence the current distribution between the brushes. The first simulation model is a global model of the railgun in PSice which allows us to predict the global currents as well as the average temperature in the brushes, the force on the projectile and the position and the velocity of the projectile. The model takes into account the velocity skin effect and was validated based on experiments. The second model is a finite element model in ANSYS for a fixed projectile. This model allows a local study of the current and temperature distribution in the projectile. A model for the contact between the rails and the projectile is introduced. The local model is used to calculate the time-dependent coefficients for the force equation used in the global model. Both simulation models are compared and a good correspondence is found. The LARA railgun of ISL with a length of 1.5 m and a square caliber of 15 mm has been used for the experiments. A maximum of three capacitor banks was used for the non-augmented and the augmented configuration. The muzzle velocities obtained in the experiments vary between 48 and 214 m/s. To determine the current distribution between the brushes a technique proposed by [SCH05a] has been used. It is based on the measurement of the voltage between two pins in the rails in combination with the voltage in a loop. When applied to this velocity range, the eddy currents in front of the projectile hamper the interpretation of the signals and the results are not what we expected. An analytical method for the determination of the current distribution based on the voltage in the loop was introduced. The results are then compared with the results of the simulations. The maximum current in the rails found with PSpice shows a good correspondence with the experiments, the calculated decrease of the current is slightly overestimated. The errors on the velocities are less than 10%. Both simulation models and experiments show that the brush towards the breech carries the greater part of the current for the non-augmented as well as the augmented railgun. In the last part a parametric study is carried out with ANSYS for the preliminary design of an augmenting circuit for an existing railgun.

Afin d'atteindre leur cible, les projectiles guidés d'artillerie nécessitent d'être dotés d'un dispositif de pilotage. Des surfaces de contrôle déployables et orientables sont donc nécessaires. Toutefois, le montage de gouvernes ajustables sur une ogive est une tâche mécaniquement ardue. En effet, lors du tir effectué par canon, l'équipement de bord subit une accélération significative, ce qui implique que des liaisons mécaniques particulièrement robustes doivent être conçues entre les ailettes et le corps. Cette technologie est bien maîtrisée lorsqu'elle est employée sur des projectiles de gros calibre, mais devient bien plus compliquée quand elle doit être adaptée pour être intégrée dans des petits ou moyens calibres. Néanmoins, dans des conditions de vol supersonique, des ondes de choc qui interagissent avec des surfaces solides sont susceptibles de considérablement modifier la distribution de pression. Ce principe a permis d'imaginer une méthode alternative de pilotage de projectiles supersoniques en exploitant des ondes de choc générées au moyen de petites perturbations créées à partir d'un micro-actionneur de forme cylindrique, aussi appelé micro-plot. Comme les forces de portance exercée sur un corps sont essentiellement dues à une pression appliquée sur de grandes surfaces, il a été choisi de se baser sur une configuration stabilisée par empennage. En vue de simplifier l'étude, le travail a été effectué sur un projectile académique de référence bien connu appelé le Basic Finner.Des expériences ont tout d'abord été effectuées dans la soufflerie supersonique de l'ISL sur une plaque plane comportant un plot et deux ailettes verticales. Ces mesures ont permis de valider la capacité de simulations numériques stationnaires RANS à prédire à la fois la distribution pariétale de la pression que génère un tel actionneur et le champ de vitesse de l'écoulement dans son voisinage. Les distributions de pression et de vitesse ont été mesurées en utilisant des méthodes optiques appelés Pressure Sensitive Paints (PSP) et Particle Image Velocimetry (PIV) afin d'être comparés avec les résultats de la CFD. Une étude paramétrique a ensuite été menée en se basant exclusivement sur ces simulations RANS. Ces calculs ont permis de déterminer l'emplacement optimal pour lequel le plot est le plus efficace sur toute l'enveloppe de vol du projectile. A partir de cette position optimale, deux configurations spécifiques ne générant aucun moment de roulis ont été étudiées numériquement et comparés en termes d'efficacité. En utilisant les coefficients aérodynamiques résultants de ce travail, des simulations de trajectoires à 6 degrés de liberté (6-DOF) ont été réalisées avec le code de BALCO (OTAN). Celles-ci ont permis de déterminer la déviation potentielle qui peut être obtenue sur une des deux configurations retenues en employant un tel micro-actionneur. Ces simulations 6-DOF ainsi que l'effet de du plot sur le projectile ont enfin été validés lors d'une campagne d'essai en vol libre qui a eu lieu sur le champ de tir de l'ISL. / In order to reach their target, guided artillery projectiles need some steering capability. Folding and adjustable control surfaces are thus necessary. However, mounting adjustable rudders on a shell is a difficult task, mechanically speaking. Indeed, during the gun launch, the onboard equipment undergoes significant acceleration so that robust mechanical joints have to be designed between the rudders and the body. This technique performs very well on large-caliber projectiles, but becomes more complicated when it has to be embedded in small- or medium-caliber ones. Nevertheless, under supersonic flight conditions, shock waves interacting with solid surfaces are likely to strongly modify the pressure distribution. This principle made it possible to imagine a way of steering small-caliber vehicles using shock waves generated by means of small disturbances created by a cylindrical-shaped micro-actuator, also called micro-pin. As lift forces exerted on a body are mainly due to the pressure applied to large surfaces, a finned configuration has been chosen. To simplify the study, the work has been conducted on the Basic Finner, a well known academic reference projectile.Experiments were first performed in the ISL supersonic wind tunnel on a flat plate on which a pin and two vertical projectile-like fins were mounted in order to validate the capability of steady RANS numerical simulations to predict both the pressure footprint of such an actuator and the flow velocity in its vicinity. Pressure and velocity distributions have been measured by using optical methods called Pressure-Sensitive Paint (PSP) and Particle Image Velocimetry (PIV) in order to be compared with the calculation results. A parametric study was then conducted with these RANS simulations so that the optimum location for which the pin is the most effective over the complete flight envelope of the projectile could be determined. Using this optimum position two specific no-roll momentum configurations were studied numerically and compared in terms of effectiveness. By using the aerodynamic coefficients resulting from this work, 6-Degree-Of-Freedom (6-DOF) trajectory simulations were performed with the NATO BALCO code on one of these configurations in order to determine the potential deviation which can be obtained with such an actuator. These 6-DOF simulations as well as the pin effect on the projectile could finally be validated during a free-flight campaign that took place at the ISL open-range testing site.

<p>Detta arbete syftar till att undersöka vilket konventionellt ballistiskt skydd som krävs för att undvika penetration från finkalibriga projektiler, RSV-stridsdelar samt penetrerande stridsvagnsmina. Arbetet tar sitt ursprung i en handbok utgiven av FMV där stridsdelar som kan förekomma i Afghanistan behandlas. Handboken anger data och prestanda för dessa stridsdelar och det är därifrån arbetet tar uppgifter om genomslagsförmåga för stridsdelen. Skyddsprinciper och verkansprinciper för stridsdelar hämtas i huvudsak från rapporter utgivna av FOI samt från litteratur utgiven av FHS. Arbetets beskrivande delar inleds med en redogörelse för homogena ballistiska skyddsmaterial av metall samt keramer. Därefter beskrivs verkans principer för finkalibriga projektiler, strålbildande RSV, projektilbildande RSV samt penetrerande stridsvagnsminor. Arbetet fortgår med en beskrivning av en finkalibrig projektil med kaliber 7,62*54R mm, hot av typen RPG-7 med tillhörande ammunition samt stridsvagnsmina TMK-2. Avslutningsvis presenteras resultat på vilket ballistiskt skydd som krävs för att skydda sig mot dessa stridsdelar samt en diskussion kring resultatet och alternativa lösningar på problemet. Det presenteras även några förslag på ny forskning inom området verkan och skydd.</p> / <p>This essay aims to investigate which conventional ballistic protection required preventing penetrationof small-caliber projectiles, shaped charged warheads and anti-tank mine. The essay takes its originin a handbook published by the Swedish Defense Material Administration, (FMV), where the warheads that can occur in Afghanistan are presented. The handbook present data of the warheads and it is from here information regarding the warheads penetration capabilities is taken. Effect principles and protection principles of the warheads are primarily gathered from reports published bythe FOI and from literature published by the National Defense College of Sweden, (FHS). The essays descriptional parts begin with an explanation of homogeneous ballistic protection materials fabricated in metal and ceramics. It then continues with a description of effect principles of small caliber projectiles, shaped charge projectiles, explosively formed projectiles and anti-tank mines. The essay then continues with a description of a small caliber projectile with caliber 7.62*54R mm, threats of RPG-7 type with its ammunition and the anti-tank mine TMK-2. In the end of the essay, results are presented according to the ballistic protection required to protect against the presented warheads, and a discussion of the result and alternative solutions to the problem.</p>

Detta arbete syftar till att undersöka vilket konventionellt ballistiskt skydd som krävs för att undvika penetration från finkalibriga projektiler, RSV-stridsdelar samt penetrerande stridsvagnsmina. Arbetet tar sitt ursprung i en handbok utgiven av FMV där stridsdelar som kan förekomma i Afghanistan behandlas. Handboken anger data och prestanda för dessa stridsdelar och det är därifrån arbetet tar uppgifter om genomslagsförmåga för stridsdelen. Skyddsprinciper och verkansprinciper för stridsdelar hämtas i huvudsak från rapporter utgivna av FOI samt från litteratur utgiven av FHS. Arbetets beskrivande delar inleds med en redogörelse för homogena ballistiska skyddsmaterial av metall samt keramer. Därefter beskrivs verkans principer för finkalibriga projektiler, strålbildande RSV, projektilbildande RSV samt penetrerande stridsvagnsminor. Arbetet fortgår med en beskrivning av en finkalibrig projektil med kaliber 7,62*54R mm, hot av typen RPG-7 med tillhörande ammunition samt stridsvagnsmina TMK-2. Avslutningsvis presenteras resultat på vilket ballistiskt skydd som krävs för att skydda sig mot dessa stridsdelar samt en diskussion kring resultatet och alternativa lösningar på problemet. Det presenteras även några förslag på ny forskning inom området verkan och skydd. / This essay aims to investigate which conventional ballistic protection required preventing penetrationof small-caliber projectiles, shaped charged warheads and anti-tank mine. The essay takes its originin a handbook published by the Swedish Defense Material Administration, (FMV), where the warheads that can occur in Afghanistan are presented. The handbook present data of the warheads and it is from here information regarding the warheads penetration capabilities is taken. Effect principles and protection principles of the warheads are primarily gathered from reports published bythe FOI and from literature published by the National Defense College of Sweden, (FHS). The essays descriptional parts begin with an explanation of homogeneous ballistic protection materials fabricated in metal and ceramics. It then continues with a description of effect principles of small caliber projectiles, shaped charge projectiles, explosively formed projectiles and anti-tank mines. The essay then continues with a description of a small caliber projectile with caliber 7.62*54R mm, threats of RPG-7 type with its ammunition and the anti-tank mine TMK-2. In the end of the essay, results are presented according to the ballistic protection required to protect against the presented warheads, and a discussion of the result and alternative solutions to the problem.

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La précision de tir d’une arme dépend de nombreux facteurs intervenant aux différentes étapes du parcours de la munition (balistique intérieure, intermédiaire et extérieure). Certains travaux ont démontré l’importance de l’influence de la phase de balistique intérieure, pendant laquelle la munition traverse le tube, sur les résultats à la cible. En effet, c’est cette phase qui détermine les conditions de sortie du tube de la munition et par conséquent son comportement au cours du vol. Les conditions d’entrée du projectile, la géométrie du tube et de l’arme, et les mouvements de ces derniers au cours du tir, sont autant de paramètres pouvant modifier l’interaction tube/projectile et ainsi entraîner un changement des vitesses angulaires et de translation de la munition au moment du largage. Cette étude a donc pour but de mettre en exergue les paramètres géométriques de l’arme et du tube qui influencent la justesse et la dispersion. Une analyse statistique a été réalisée à partir de la base de données des résultats de tir du 25 mm. Elle a permis de mettre en évidence l’influence de plusieurs paramètres dont la rectitude du tube. Par la suite, des essais ont été conduits en appareil de tir dans le but d’isoler la part de la géométrie du tube sur les écarts à la cible et ainsi de confirmer la contribution de la rectitude. Un modèle numérique tridimensionnel a été développé afin de faire varier ce paramètre et d’étudier son influence sur le comportement de la munition en phase de balistique intérieure. La représentativité du modèle a été vérifiée à l’aide d’accéléromètres embarqués dans la munition. Ces tirs ont nécessité le développement d’une solution innovante optoélectronique afin de transmettre les accélérations en temps réel. Les résultats expérimentaux obtenus ont permis de constater que les accélérations de la munition modélisée étaient représentatives. Le modèle permet maintenant de réaliser des études paramétriques et de déterminer les profils de tube les plus pénalisants pour la précision de tir. / Gun accuracy is influenced by several factors during the stages of the ammunition course (internal, intermediate and external ballistics). According to previous studies, internal ballistics are the major contributor to deviations from target. Indeed, this phase determines projectile exit conditions and, consequently, his behavior during the flight. The projectile entry conditions, the weapon and barrel geometry and their movements during firing, can modify the interaction tube / projectile and change ammunition angular rates and its transversal velocities. The purpose of this thesis is to determine the parameters related to barrel and gun geometry, which influence the bias and the dispersion. A statistical analysis was led thanks to the data base of the 25 mm firing results. It was found that some parameters, including barrel straightness, affect accuracy. Subsequently, tests were conducted with a firing appliance in order to isolate the barrel geometry influence on the deviations from the target and to confirm the straightness impact. A tridimensional numerical model was created in order to vary this parameter and to study its influence on the ammunition behavior during internal ballistics. The representativeness of the model was validated using accelerometers embedded in the ammunitions. The firing of these ammunitions has required the development of an optoelectronic system to transmit accelerations in real time. The comparison between experimental and numerical results has shown close amplitudes and similar shapes curves that proves the representativeness of the model. The model can be used now to lead parametric analysis and to determine the straightness shapes the most penalizing for gun accuracy.

Little is known about the time depth of human occupation in the Tualatin Valley. Archaeological investigations have produced no absolute dates for the few sites tested. Projectile points collected from the Ibach and Heynderickx farms in the Tualatin Valley show similarities to early point styles from sites in the Pacific Northwest dating from 6,000 to 10,000 years ago. To determine how old the Ibach and Heynderickx sites are, the undated collections of 107 Ibach points and 119 Heynderickx points are compared to two established chronological projectile point sequences, which had been constructed using the relative dating technique of frequency seriation. These sequences are further anchored with radiocarbon dates which extend back 6,000 years. On the basis of the comparison of Ibach and Heynderickx projectile point types to the seriated point types, it is suggested that the Tualatin Valley sites evidence occupation times at least as early as 6,000 years ago and possibly earlier.

This thesis is a pilot study, designed to test and develop methods suitable for the study of Scandinavian flint spearhead functionality. The functionality of projectile and lithic point armament has not been studied for almost 30 years in Scandinavia. Meanwhile, methods used to analyse lithic projectiles have developed considerably. However, few of these methods are precise enough to be used in conjunction with Scandinavian stone technological analyses that emphasize the societal aspect of lithic points. Consequently, two methods were chosen that could provide data for Scandinavian research issues: 3D-scanning/continuum mechanical simulations and organic residue analysis. The methods were tested on 6 experimental spearheads. The continuum mechanical simulation generated both visual and numerical data that could be used to create precise functional-morphological descriptions. The data could also potentially be used for projectile point classification. The organic residue analysis revealed promising results for the use of an artefact and activity specific analysis, with a sequential extraction protocol. In unison, the results from both analyses could be used to reveal how spearheads were functionally designed and used in Stone Age Scandinavia, even though there are methodological and technological issues that need solving.

Cluster ToF-SIMS (time-of-flight secondary ion mass spectrometry) operated in the event-by-event bombardment/detection mode has been applied to: 1) evaluate and screen the manufacturing quality of step-wise prepared micropatterned biointerfaces; 2) quantify the binding density of Au nanoparticles (AuNPs)-antiCD4 conjugates selectively attached on the cell surface; 3) elucidate the biological interaction of proteins and molecules by quantifying the fractional coverage of immobilized biomolecules; 4) enhance the accuracy of secondary ion identification of specific molecules. Briefly, our method consists of recording the secondary ions, SIs, individually emitted from a single projectile impact (C60 1,2+, Au400 +4). From the set of individual mass data, we select events where a specific SI was detected. The selected records reveal the SIs co-ejected from the nanovolume impacted by an individual cluster projectile from an emission area of 10-20 nm in diameter and an emission depth of 5-10 nm. The approach for quantifying the number of AuNPs or that of specific nanodomains is via the concept of the fractional coverage. The latter is the ratio of the effective number of projectile impacts on a specified sampling area (Ne) to the total number of impacts (No). The methodology has been validated with the determination of the number of antibody-AuNP conjugates on a cell, i.e. the number of disease related antigens on a cell via their specific binding sites with the AuNP-labeled antibodies. The number of AuNP-antibodies measured, ~42000 per cell, is in good agreement with literature results. The fractional coverage concept was also used to quantify several variants of biointerfaces. An example is the quantification of biotin and avidin immobilization as a function of the composition of silane substrates. The data collected in the event-by-event bombardment/detection mode expands the scope and quality of analytical information. One can identify SIs co-emitted with two specified SIs (double coincidence mass spectrometry) to inspect a specific stratum of a biointerface. A further refinement is the selection of events meeting a double coincidence emission condition. This mode enables the identification of nano-object of a few nm in size, which eliminates (anticoincidence) interferences from substrates.

A numerical simulation is conducted using LS-DYNA to simulate hard projectile impact on a friction stir welded (FSW) plate. As the hard projectile has a wide range of velocity, mass and shape, when referring to AMC 25.963(e) of CS-25, ―Fuel Tank Access Cover‖, the hard projectile can be defined as 9.5 mm cubic-shaped steel engine debris with an initial impact velocity of 213.4 m/s (700 ft/s). This preliminary study was to evaluate whether the fuel tank adjacent skin panel joined by FSW would pass the regulation. First, the geometry and Johnson-Cook material model of the FSW joint were developed based on previous experimental research and validated by comparison with the tensile test on the FSW specimen. Then the impact on an Aluminium Alloy 2024 (AA 2024) plate without FSW was modelled. The minimum thickness of a homogeneous AA 2024 plate which could withstand the impact from engine debris is 3 mm. Finally the impact on 3 mm thick AA 2024 FSW plate was simulated. The welding induced residual stress was implemented in the plate model. The impact centre was changed from the nugget zone to the thermo-mechanically affected zone, heat-affected zone and base material zone of the FSW joint. Penetration only occurred in the model with impact centre on the nugget zone. Additional simulation indicated that increasing the thickness of the FSW plate to 3.6 mm could prevent the penetration.