Внутренняя баллистика

Огнестрельное оружие (рис. 31) можно представить как двигатель внутреннего сгорания с поступательным, но не возвратным ходом поршня. Цилиндр - это запираемый с одного конца ствол с каналом. Воспламеняющее устройство - это ударно-спусковой механизм и капсюль. Поршень с уплотняющими кольцами - это пыжи со снарядом или просто снаряд (у нарезного оружия).

При нажиме на спусковой крючок срабатывает ударный механизм, ударом воспламеняющий капсюль, находящийся в патроне, а от него загорается заряд пороха (это горючее вещество, как бензин, керосин или нефть у двигателей внутреннего сгорания). В зависимости от вида применяемого пороха характер его горения разный. Дымный порох сгорает быстро, но пороховых газов образует немного - лишь 40%, остальные 60% - твердые остатки. Объем его газов в 280-300 раз больше первоначального объема заряда. Горит он при температуре 2200-2300° С. Бездымный порох горит при температуре 2400° С и при одинаковой массе заряда выделяет в 3 раза больше газа, чем дымный порох. Бездымный порох почти не дает несгоревших остатков. Он в 3 раза сильнее дымного пороха. Так, при сгорании одного килограмма дымного пороха образуется 300 л газообразных продуктов, а при сгорании такого же количества бездымного пороха - 900 л газа.

Образовавшиеся при сгорании пороховые газы стремятся расшириться и занять как можно больший объем. Этому еще больше способствует высокая температура сгорания пороха (следует иметь в виду, что нагрев газа на каждые 273° С увеличивает его объем и упругость на 100%). В камере сгорания в короткий отрезок времени образуется очень высокое давление (например, у ружья 12-го калибра при дымном порохе 400-450 кгс/см2 (392х105 - 442х105 Па), а при бездымном - 500-550 кгс/см2 (490х105 - 540х105 Па). Газы давят во все стороны с примерно одинаковой силой и выходят там, где сопротивление оказывается наименьшим (рис. 32). В сторону затвора они пойти не могут, так как от давления стенки гильзы прижаты к поверхности патронника. Они не могут вытолкнуть гильзу назад: этому препятствует затвор, воспринимающий на себя давление пороховых газов. Но затвор прочно связан со всем ружьем, и он передает давление газов по продолжению оси канала ствола назад, стремясь переместить ружье в целом назад (так образуется отдача).

Стенки патронника и канала ствола, сделанные из специальной прочной стали, выдерживают это давление, но в пределах упругих деформаций увеличивают свой диаметр (в среднем до 0,2 мм). Слабым местом оказываются пыжи, снаряд и заделка дульца гильзы. Поэтому пыжи со снарядом под действием пороховых газов, преодолевая заделку дульца гильзы, движутся с нарастающей скоростью. То же происходит в цилиндре двигателя внутреннего сгорания под действием упругих газов от сгорания горючей смеси (бензина, керосина или нефти) с воздухом. Пороховые газы, продолжая давить на затвор, сообщают все возрастающую скорость и ружью в целом. Благодря тому, что ружье имеет значительно большую массу, чем пыжи и дробь или пуля, скорости движения у них получаются разные, т. е. обратно пропорциональные этим массам. Иными словами, ружье, имеющее большую массу, приобретает меньшую скорость, а пуля, имеющая меньшую массу, получает большую скорость. При выстреле под воздействием силы пороховых газов дробины в снаряде расклиниваются, сминают друг друга, и давление через периферийные дробинки передается на стенки ствольной трубки. Это ведет не только к деформации (смятию), но и к большому их истиранию о поверхность канала ствольной трубки. Вместе с тем стенки ствола под этим огромным давлением (значительно большим, чем давление самих пороховых газов) со стороны дробинок деформируются в пределах упругих деформаций, и канал ствола увеличивает свой диаметр в указанных выше пределах. При этом, чем крупнее окажутся дробины, тем большим будет и расклинивающее усилие между дробинами и их давление на поверхность канала ствола. Поэтому один и тот же заряд пороха при более крупной дроби дает меньшую начальную скорость ее движения. Уменьшает начальную скорость движения снаряда и дульное сужение, тормозящее снаряд в целом и особенно периферийные дробинки. Из-за этого дробовой снаряд при проходе дульного сужения приобретает несколько вытянутую форму.

Чем мельче порох, тем большее давление он развивает в патроннике канала ствола, но это не всегда приводит к увеличению начальной скорости движения снаряда. Лучше, когда порох развивает меньшее начальное давление, но его среднее давление по каналу ствола выше. Большая сила, действующая на значительном протяжении, сообщит снаряду большее ускорение, а следовательно, и большую начальную скорость.

Имеет значение и плотность заряжания, которая согласуется с физическими свойствами данного пороха.

Увеличивая плотность заряжания, можно заставить крупнозернистый порох гореть быстрее и образовывать повышенные давления в канале ствола, так же как с уменьшением плотности заряжания можно снизить давление в канале ствола при горении мелкозернистого пороха.

По мере продвижения снаряда по каналу ствола увеличивается объем заснарядного пространства, и хотя горение пороха продолжается, все же давление в канале ствола быстро падает и в дульной части у дробовых ружей доходит до 45-50 кгс/см2 (до 442х104 - 490х104 Па), а у пулевых до 100 кгс/см2 (до 981х105 Па). В соответствии с развиваемым в данном месте канала ствола давлением пороховых газов стенки ствольной трубки делают разной толщины. Там, где давления больше, и стенки ствольной трубки толще.

Для хорошего боя ружья очень важно, чтобы канал ствола имел строго цилиндрическую или коническую форму на всем своем протяжении и на поверхности не было выхватов металла, а главное, чтобы стенки ствольной трубки были правильно профилированы и по мере продвижения от патронника к дульному срезу имели толщины, соответствующие тем давлениям, которые развиваются пороховыми газами в данном месте. У такого ствола увеличение диаметра канала будет происходить всегда на одну и ту же величину на всем его протяжении. Дробь не будет перестраиваться, и уменьшится вероятность прорыва газов между пыжами и стенками канала ствола. Такое ружье будет обладать хорошим и стабильным боем.

"Ухабистая" (волнистая) обработка наружных стенок ствольной трубки не может обеспечить хорошего боя, так как под действием одной и той же силы - давления пороховых газов - упругое расширение стенок ствольной трубки будет разным. Там, где образуется горб, стенка трубки будет толще и расширение ее меньше, а там, где впадина, - наоборот. Это приведет к тому, что, несмотря даже на идеальную внутреннюю обработку канала ствола, снаряд будет двигаться, как по ухабистой дороге, все время перестраиваясь и пропуская пороховые газы вперед.

Этим и объясняется мнимый "темперамент" ружей, выражающийся в разном качестве боя у одинаковых моделей при одинаковых патронах.

С увеличением длины ствола увеличивается (в определенных пределах) и начальная скорость движения снаряда. Чем дольше определенная сила действует на снаряд, тем большее ускорение она ему сообщает и тем большую скорость он приобретает. Так, с увеличением длины ствола на каждые 100 мм увеличивается и начальная скорость в среднем на 7-8 м/с. Но ружье с длинными стволами становится очень непосадистым, тяжелым, за все задевает, а выгода в приобретенной скорости незначительна. Проще добавить 0,05 г бездымного пороха.

При выстреле от резкого повышения давления в канале ствола происходит как бы удар по его стенкам, вызывающим звуковую волну по стволу. Вместе с тем ствол начинает вибрировать, и дульная часть ствола перемещается относительно казенной его части вверх и вниз. В зависимости от конструкции ружья и расположения металла на протяжении ствольной трубки, особенно на ее концах, ось канала ствола в дульном срезе может в момент вылета снаряда оказаться выше или ниже, чем она была до выстрела, и между осями образуется угол, называемый углом вылета снаряда. Если на концах стволов сосредоточена большая масса, угол вылета окажется отрицательным и ружье будет низить, а при легких концах стволов - высить. Кроме того, угол вылета зависит от толщины шейки ложи (чем она тоньше, тем больше вероятность, что ружье будет низить) и манеры прикладки ружья к плечу. Если приклад упереть в плечо носком, ружье будет высить, так как в момент выстрела его сильнее подбросит, и угол вылета увеличится в положительном направлении. И наоборот, если приклад опирается в плечо пяткой затылка, ружье будет низить.

При выстреле снаряд выталкивает из канала ствола находящийся там воздух и сжимает его (здесь начинается околодульная баллистика). Этот воздух с примесью пороховых газов образует звуковую волну, усиливающуюся при истечении пороховых газов из канала ствола, выходящих из него под большим давлением, за счет их расширения. Кроме того, догорающая часть пороха в смеси с воздухом при резком падении давления окружающей среды образует явление, подобное взрыву, и усиливает звук. К этому нужно добавить и баллистическую волну от вылетающего из канала ствола снаряда. Все это воспринимается нашим слухом, как громкий специфический звук. Чем короче ствол у ружья, тем сильнее эффект. Такой взрыв сопровождается пламенем.

Кроме того, в этот момент отдача ружья возрастает до максимума из-за реактивного действия истекающей из канала ствола струи пороховых газов не только от ее реакции на дно гильзы, но и из-за давления газов на дульный срез ствола.

Баллистические испытания ружей показывают, что максимальную скорость движения снаряд получает на некотором расстоянии от дульного среза, так как пороховые газы действуют еще на снаряд на протяжении 25 калибров данного ружья и дают приращение начальной скорости в пределах 2,5% (рис.33). Для пули это полезно, но очень вредно для дробового (сыпучего) снаряда, так как он разбрасывается в разные стороны. Чтобы свести к минимуму вредное воздействие пороховых газов и пыжей, в настоящее время широко применяют компенсаторы разных конструкций, основной смысл которых - выбросить максимальное количество пороховых газов вбок, а не по оси канала ствола за пыжами и дробовым снарядом. Не случайно в настоящее время начали применять пыжи-стаканчики из полиэтилена или полиэтиленовые рубашки на дробовой снаряд. Это предохраняет периферийные дробины от истирания, уменьшает трение снаряда о стенку канала ствола, увеличивает начальную скорость движения снаряда и предохраняет снаряд от проникновения в него пороховых газов.

В заключение этого раздела путем расчета покажем, как велико смещение ружья от отдачи до вылета снаряда из дульного среза и в результате реактивного действия газов при вылете снаряда из дульного среза. Это необходимо знать для того, чтобы ясно представлять, от чего зависит и как влияет отдача на результат стрельбы и на самого стрелка.

Пример. Масса ружья Q=3,6 кг; масса снаряда дроби вместе с пыжами q=35,5+3=38,5 г; масса заряда бездымного пороха w=2,2 г; длина пути движения снаряда (канала ствола) L=750 мм. Пренебрегая в знаменателе небольшой величиной q + 0,5w по сравнению с массой ружья Q=3,6 кг и подставляя в формулу значения величин, получим перемещение ружья к моменту вылета снаряда из дульного среза ствола:

Для определения величины перемещения ружья к концу действия пороховых газов в канале ствола, включая и период последействия, зададимся следующими величинами: дульным давлением в канале ствола Рд=50 кгс/см2 (49х105 Па); коэффициентом последействия газов B, получаемых из отношения скорости истечения пороховых газов из канала ствола uг=1433 м/с к начальной скорости движения снаряда uo=360 м/с, и, таким образом, получим:

Площадь поперечного сечения канала ствола S для ружья 12-го калибра (18,5 мм) будет

Длительность (время) периода последействия пороховых газов определится по формуле

Скорость отдачи к моменту вылета снаряда из дульного среза будет

Итак, максимальное перемещение ружья к концу действия газов в канале ствола (включая и период последействия) будет

Наибольшая скорость отдачи, без учета сопротивления движению, вызываемого упором приклада в плечо стрелка (так называемая свободная отдача), включая и период последействия газов, будет

Таким образом, энергия отдачи получится

Из приводимых расчетов видно, что свободное смещение ружья от сдачи до вылета снаряда из канала достаточно велико - 8,25 мм. т. е. около 1 см, что может очень серьезно повлиять на результат выстрела, если ружье недостаточно прикладистое. Окончательное смещение ружья в таком случае получается около 27 мм, что при неприкладистом ружье может привести к большим смещениям ружья в какую-либо сторону, нанести удар в плечо и затруднить произвести второй выстрел по цели.

Энергия отдачи при свободном смещении ружья довольно велика (4,1 кгс*м, или 40,2 Дж), даже при ружье солидной массы (3,6 кг). Это приведет к большому утомлению стрелка. Если использовать указанные выше патроны с массой снаряда 35,5 г и зарядом пороха 2,2 г в более легком ружье, то стрелок может быть травмирован и откажется от продолжения стрельбы, начнет бояться выстрела и приобретет очень плохие, трудно искореняемые привычки. Чтобы отдача воспринималась более терпимо, приклад ружья нужно всегда хорошо прижимать к плечу.

Эффективное использование энергии пороха находится в пределах от 20 до 30%. Увеличение массы снаряда на 1 г дает следующее увеличение давления:

Сильный капсюль может дать увеличение давления Р до 100 кгс/см2 (до 9810х104 Па) и более.

Увеличение заряда бездымного пороха на 0,05 г приводит к увеличению давления Р до 15-17 кгс/см2 (до 147,2х104 - 166,8х104 Па) и начальной скорости v0 до 5 м/с. С увеличением массы снаряда на 1 г начальная скорость уменьшается на 3,3 м/с, а с уменьшением, наоборот, увеличивается. Заряд дымного пороха массой 6 г при выстреле даст 1,8 л пороховых газов. Это же количество пороховых газов при бездымном порохе получается при сгорании 2 г пороха.

Для полноценного дробового выстрела очень важно, чтобы часть пороха сгорала при постоянном объеме камеры сгорания, а другая часть - при постоянном давлении (это соответствует циклу Саббатэ у двигателей внутреннего сгорания). Достигается такое сгорание пороха хорошей заделкой дульца гильзы: бумажной - способом "звездочки" или хорошей завальцовкой, металлической - заливкой дробового пыжа смесью парафина с канифолью в пропорции 1:1, а еще лучше - удержанием дробового пыжа лапками-держателями, просекаемыми в корпусе гильзы у ее дульца.

1060
590
470
0