Les bolts à Gaz, mode d’emploi !

Un article de notre ami Alumyx (membre de l’équipe MSI), qui se devait de figurer dans notre banque de données. Pour lever bien des interrogations concernant le fonctionnement et les réactions parfois étranges des répliques fonctionnant au gaz et au CO2.

Les bolts à Gaz, mode d’emploi !

Force est de constater en lisant les forums que la majorité des joueurs ignorent le principe de fonctionnement d’une réplique à gaz. On lit beaucoup de grosses erreurs, et énormément d’approximations sur le sujet. Or, sans une connaissance sérieuse de ces mécaniques là, impossible d’en saisir les subtilités pour tenter de corriger certaines imperfections relative à ce mode de propulsion.


Un chargeur gaz et sa culasse d’un DSR-1 Ares.

1] Mon chargeur n’est pas rempli avec du gaz !

1.1] Intro.

Première idée reçu que nous devons combattre : les chargeurs de GBB/bolts ne sont pas remplis avec du gaz ! Ils sont remplis avec des liquides ! Comme il est important de comprendre cette physique avant de passer à la pratique, ne nous emballons pas, on va commencer tranquillement avec de l’eau…

1.2] Diagramme de phase de l’eau.

Vous connaissez tous les 3 états de l’eau : glace, eau liquide, vapeur d’eau, soit, plus physiquement : solide, liquide et gaz. De même, vous pensez connaître les températures de changement d’état : 0°C et 100°C… Seulement voilà, ces températures ne veulent rien dire si on ne rajoute pas la pression à laquelle se passent ces changements !

En effet, pour un élément chimique pur, il faut connaître 2 variables pour savoir dans quel état physique cet élément se trouve, à savoir, la température, et la pression. Dans le cas de l’eau, les valeurs de températures de changements de phases que nous venons d’évoquer sont en réalité données « à pression atmosphérique », soit pour un peu plus de 1 Bar : 1013 hPa.

L’eau bout bien à 100°C au niveau de la mer, mais autant vous dire que votre œuf va cuire beaucoup plus lentement en haut de l’Everest, où la température d’ébullition n’est que de 72°C ! De même, l’eau existe sous forme liquide à plus de 300°C dans des sources chaudes au fond des océans, ou la pression augmente de 1 bar tous les 10 m ! Cette élévation de la température d’ébullition en fonction de l’augmentation de la pression est utilisé au quotidien dans les cocotes minutes : en doublant la pression dans la cocote, la température d’ébullition passe de 100 à 120°C, ce qui accélère notablement la vitesse de cuisson des aliments !

Tout cela peut être résumé avec petit truc sympa que l’on appelle « un diagramme de phases ». Voici celui de l’eau :

Pour info, 0°K = -273°C, et 0°C = 273°K (je vous zappe les décimales). De même, la pression atmosphérique vaut 1.10^5 Pa, ou, plus précisément, 1,013.10^5 Pa.

En suivant la ligne horizontale de ce graphique pour P=1.10^5 Pa (soit la pression atmosphérique), vous trouverez 2 changements de phases lors de l’augmentation de la température : un à 273°K (0°C) : la fusion, puis un à 373°K (100°C) : la vaporisation. Au passage, dans le sens d’une évolution décroissance de la température, nous aurions parlé de liquéfaction, puis de solidification.


Vous ne regarderez plus vos chargeurs de la même façon !

1.3] Tension de vapeur (du corps pur liquide à la température considérée).

Passons aux choses sérieuses…
Imaginez une bombonne d’un litre initialement vide, à la température fixe de 27°C (300°K). On la remplie d’un quart d’eau, toujours à 27°C. Que va t-il se passer ? A température ambiante, l’eau est liquide… Oui mais… A pression atmosphérique ! Hors, avec une pression nulle (les ¾ de la bombonne sont vide !), l’eau est gazeuse à 27°C. L’eau va donc se mettre à bouillir, et les ¾ vide de la bouteille vont peu à peu se remplir de vapeur d’eau. Cette réaction physique va continuer jusqu’à un point d’équilibre : en effet, au fur et à mesure que l’eau s’évapore, la pression dans la bombonne augmente ! A température constante, il existe en effet un point ou l’eau liquide et gazeuse coexiste : c’est la tension de vapeur. Cette valeur ne dépend que d’une variable (pour un corps pur liquide) : la température. Dans notre exemple, elle est à peut près de 1300 Pa.

Restons dans notre situation initiale, à savoir, une température fixe de 27°C. Admettons maintenant que l’ont enlève une partie de la vapeur d’eau de notre bombonne. La pression, chute, et nous retombons dans notre situation de départ : l’eau bout, se vaporise, la pression augmente, jusqu’à ce que la pression atteigne la tension de vapeur. On arrive à un nouvel état d’équilibre, avec de l’eau à l’état liquide (un peu moins que tout à l’heure), et de la vapeur d’eau à 1300 Pa.

Si vous avez tout suivi, la suite va être un régal pour vous, sinon, relisez gentille ment depuis le début. Si cette relecture est un échec cuisant, laissez tombez les bolts à gaz, et passez aux springs !

2] Mise en application.

2.1] Courbe de tension de vapeur des gaz propulseurs.

C’est bien beau de parler d’eau à tort et à travers, mais on va finir par se rouiller à ce rythme ! Passons à nos gaz propulseurs.

L’ultrair est un mélange de butane et de propane. Comme le diagramme de phase de l’ultrair ne cours pas les rues sur le net, vous allez vous contenter des deux diagrammes séparés, en commençant par le butane, que voici (enfin, la partie du diagramme qui nous intéresse, aussi appelé « courbe de tension vapeur ») :

Et voici pour le propane :

Regardez bien les droites verticales à T = 290°K (17°C) : on obtiens une tension de vapeur de 8 bar pour le propane, et d’un peu moins de 2 bar pour le butane. Faire un mélange de ces deux gaz permet d’obtenir une tension de vapeur intermédiaire. Vu que le travail sur un mélange de gaz est autrement plus délicat que sur un gaz pur, on va travailler virtuellement avec du propane pur !

2.2] En pratique…

Imaginez donc que vous avez devant vous votre bombonne de propane, et le chargeur de votre bolt… On va faire simple, il fait 17°C. Vous remplissez le chargeur du bolt, en tenant la bouteille de propane à l’envers. En pratique, celle ci se remplie presque exclusivement de propane liquide. Seul le haut de votre chargeur contient du propane gazeux. Vu ce que nous venons de voir, celui ci se trouve à sa pression de tension de vapeur, soit 8 bar à 17°C.

Vous armez votre bolt, et vous tirez. Un marteau tape sur une valve qui libère durant un temps très bref du gaz, ici à 8 bar donc. La pression de la partie gazeuse du propane contenue dans le chargeur chute brutalement. L’équilibre est rompu, le propane rentre en ébullition, et une partie de celui ci se vaporise presque instantanément. Le niveau du propane liquide diminue un peu (2% sur un chargeur capable de tirer 50 bbs), et le propane gazeux se stabilise à nouveau à 8 bar, la tension de vapeur de celui ci à 17°C.

A chaque tir, le même phénomène a lieu dans votre chargeur, jusqu’au moment ou il ne reste presque plus de propane liquide dans votre chargeur. Lors du tir suivant, la bille part normalement, la pression du propane gazeux chute à nouveau, le propane liquide s’évapore… complètement ! A ce moment là, il ne reste que du propane gazeux dans le chargeur, avec une pression inférieure (ou égale dans le cas limite, mais c’est peu probable) à la pression de la tension de vapeur. Lors du tir suivant, la pression dans le chargeur étant inférieure, la bille partira moins vite, de manière très sensible. Ce sera pire au tir suivant : votre chargeur est « vide ». Il reste du gaz dans celui ci, mais plus de liquide !

3] La régularité et le gaz.

3.1] Introduction.

Comme vous venez de le voir, la théorique est vraiment sympathique : on a une pression constante, sans efforts. De plus, comme vous le savez, les bolts à gaz sont plus silencieux… Bref, mais pourquoi donc s’acharner contre ses pauvres bolts à gaz et leur préférer leurs petits frères archaïques fonctionnant avec un bon vieux ressort ?

3.2] Influence de la température extérieure.

Dans un souci de simplification, nous allons rester dans le cas ou l’on utilise uniquement du propane comme gaz propulseur. Comme nous venons de le voir, à 17°C, la pression de tension de vapeur du propane est de 8 bar. Imaginons que la partie se prolonge sur toute la journée. Rien d’étonant alors de gagner 10°C au plus fort de l’après midi ! Que nous dit la courbe de tension de vapeur dans ce cas là ? Tout simplement que la tension de vapeur passe de 8 à 9 bar ! En schématisant grossièrement, cette augmentation de 12,5% se traduit par une augmentation du même ordre de grandeur de la vélocité de vos billes. Ainsi, un bolt qui tape à 450 fps (à la 0,20 gramme) à 17°C dépassera la barre des 500 fps à 27°C !

3.3] Influence d’un tir sur l’autre.

La température extérieure n’est pas la seule à jouer les troubles fêtes dans l’équation… Un autre phénomène très important joue aussi son rôle ! Vous avez certainement remarqué qu’après plusieurs tirs rapides, les chargeurs refroidissent sensiblement. Ce phénomène se retrouve dans la vie de tous les jours avec les déodorants en bombe, et tous les aérosols sous pression de manière générale. Lorsque vous utilisez votre déo, la bouteille se refroidi au fur et à mesure que vous la videz. C’est une histoire d’énergie et de changement de phase…

Un changement de phase, d’un état stable de la matière vers un état moins stable nécéssite un apport d’énergie. Lorsque vous faite bouillir de l’eau, vous devez chauffer cette eau pour la transformer en vapeur d’eau. Mais lorsque, suite à un tir, la pression de votre gaz propulseur dans le chargeur diminue, on se retrouve dans une situation différente : à cette nouvelle pression, inférieure à celle de tension de vapeur, l’équilibre est rompu, le propane liquide doit passer à l’état gazeux ! Mais où trouver l’énergie pour éffectuer cette transformation ? Et bien tout simplement dans son énergie interne. En clair, la matière absorbe sa propre énergie sous forme de chaleur pour changer d’état, ce qui a pour conséquence de la refroidir, et par la même occasion, de refroidir son récipient, à savoir votre chargeur.

Imaginez que au plus chaud de l’après midi (27°C), vous réglez à nouveau votre bolt pour revenir à un « petit » 450 fps. Lors d’une phase de jeu que je qualifierais « d’agité », vous tirez 10 billes coups sur coups ! Votre chargeur se refroidi suite à ces nombreuses détentes, et la pression de tension de vapeur repasse à 8 bar (car le chargeur est de nouveau à 17°C). Conclusion, avec un peu de plus de 10% de perte de pression, on observe une baisse plus ou moins égale au niveau de la puissance de votre bolt, qui chute alors à 400 fps…

Qu’à cela ne tienne ! Il fait 27°C, et la nature aime l’équilibre ! Si vous ne tirez pas par la suite, ou du moins beaucoup plus lentement, votre chargeur va peu à peu revenir à température ambiante, mais vu l’inertie thermique d’un bon gros chargeur métallique, cela ne va pas se faire en une minute !

3.4] Conclusion.

Au final, votre bolt est passé par un minimum de 400 fps et un maximum de 500 fps… Pas la peine de vous faire un schéma pour vous expliquer que votre réplique ne tire pas de la même manière à ces deux puissances ! Cela reviens à prendre en compte à chaque tir, en plus de la distance et du vent, la température de votre chargeur… Vous avez zéroté votre lunette à 50 m, pour 20°C. Votre chargeur est à 25°C, vous allez viser un peu en dessous de votre cible. Votre cible est à 60 m, et le chargeur toujours à 25°C, avec un peu de chance, l’augmentation de la distance et de la pression de votre chargeur se compensent, vous allez faire mouche du premier coup !

Autant vous dire qu’un bon sniper avec un bolt spring n’arrive pas à la cheville d’un bon sniper qui utilise un bolt gaz ! Il est bien plus simple de calculer son coup avec un bolt spring, qui lui, à pression atmosphérique constante (à moins que la partie ne débute sur la plage et ne finisse en haut du Mont Blanc, vous êtes tranquille !), va sortir un joli 450 fps d’une régularité appréciable !


Gros plan sur le nozzle et le chargeur… Une belle mécanique qui a ses défauts.

4] la parade du CO2 !

4.1] Introduction.

Comme vous l’avez remarqué en lisant de nombreux articles sur le net relatant les « upgardes CO2 » rendu célèbres par Phantom TMA en Grande Bretagne, et maintenant accessibles à nous autres francophones par le très bon tutoriel de Cédric 57 (viewtopic.php?f=12&t=1887), le CO2 permet de régler l’inconstance des tirs d’un bolt. Intéressons nous donc à la tension de vapeur du CO2 !

4.2] Courbe de tension de vapeur du CO2.

Première surprise, à 17°C (290°K), la pression de tension de vapeur du CO2 est de 50 bar ! Deuxième surprise, à 27°C, elle passe carrément à 70 bar ! Mais comment diable peut on exploiter un tel gaz pour propulser nos billes ?!?

L’avantage du CO2 réside en fait dans sa très haute pression de tension de vapeur. Tant que vous n’aurez pas la mauvaise idée de jouer par -48°C, la pression de tension de vapeur reste au dessus de 8 bar. On utilise cette particularité à l’aide d’un gadget bien pratique : un régulateur de pression.

4.3] Régulateur de pression.

Le principe de ce mécanisme est le suivant : imaginez un dipôle qui laisse passer le gaz uniquement dans un sens, tant que la pression d’arrivé est inférieure à une valeur pré-déterminé. Le montage en airsoft est le suivant : cartouche de C02, régulateur de pression, chargeur.

Pour reprendre l’exemple précédent, on règle le régulateur de pression sur 8 bar. Votre sparklet est à une pression bien supérieure à 8 bar comme nous venons de le voir. Votre chargeur va donc se remplir, uniquement de gaz cette fois ci. La pression dans la sparklet baisse, l’équilibre de tension de vapeur étant rompu, le CO2 s’évapore jusqu’à ce que la pression revienne à 50 bar (à 17°C).

Votre bolt est près à tirer. Lors du tir, une partie du gaz du chargeur est expulsé. La pression dans celui ci tombe. Le régulateur de pression laisse alors passer du gaz jusqu’à ce que la pression dans le chargeur revienne à 8 bar. De ce fait, c’est la pression de la sparklet qui viens de chuter. Le CO2 rentre alors en ébullition, et la pression remonte à 50 bar.

Vous aurez beau tirer comme une 249, même si la température de votre chargeur chute à -10°C, la pression de tension de vapeur sera toujours supérieure à 8 bar ! En clair, si votre régulateur de pression est de bonne qualité, vous allez pouvoir tirer avec la régularité d’un bolt spring.

Nota : dans ce cas, le sniper n’aura pas plus de mérite qu’un aficionados des bons vieux ressorts !

Je tiens à remercier Phantom TMA qui m’a (presque) donné l’envie de passer au bolt CO2; Cédric 57, qui nous a montré que cela n’avait rien d’impossible, merci aussi à mon fidèle USP, qui est ma seule réplique à gaz, et qui m’a permis de toucher du doigt cette partie obscure de l’airsoft. Merci à Street pour les photos de DSR-1. Merci aussi à Powerp, qui m’a motivé pour écrire cet article, suite à une discussion tardive sur MSN. Et enfin, merci à mes profs de physique de la matière et de thermodynamique physique de l’université des sciences Montpellier 2, sans qui je n’aurais jamais eu les compétences pour expliquer tout cela.

Le CO2 est certainement l’avenir du sniping airsoft, mais en attendant que cette technologie soit vraiment au point, rien ne vaut un bon vieux APS avec un ressort tout ce qu’il y a de plus classique !

– Alumyx –

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