Нарезка

Нарезка 105-мм Royal Ordnance L7 танковой пушки

Обычные нарезы 90-мм пушки М75 (год выпуска 1891, Австро-Венгрия )

Нарезка ГАУ-8 автопушки

Нарезка — это термин, обозначающий канавки , прорезанные на внутренней поверхности огнестрельного оружия для ствола придания вращения снаряду спиральные с целью улучшения его аэродинамической стабильности и точности. Это также термин (как глагол), обозначающий создание таких канавок.

Нарезка измеряется скоростью закручивания — расстоянием, которое нарезка занимает для совершения одного полного оборота, выраженным в виде отношения, в основе которого лежит 1 (например, 1:10 дюймов (25,4 см)). Более короткое расстояние/меньшее соотношение указывает на более быстрое вращение, что приводит к более высокой скорости вращения (и большей стабильности снаряда).

Сочетание длины, веса и формы снаряда определяет скорость поворота, необходимую для его гироскопической стабилизации: стволы, предназначенные для коротких снарядов большого диаметра, таких как сферические свинцовые шарики, требуют очень низкой скорости поворота, например 1 оборот на 48 дюймов. (122 см). пули калибра 0,223 дюйма (5,2 г, 5,56 мм) со сверхнизким сопротивлением В стволах, предназначенных для длинных снарядов малого диаметра, таких как 80- грановые , используется скорость поворота 1 оборот на 8 дюймов (20 см) или выше.

Нарезка, при которой увеличивается скорость поворота от казенной части к дульному срезу, называется усиленной или прогрессивной. крутить; скорость, которая уменьшается по длине ствола нежелательно, поскольку не может надежно стабилизировать снаряд при его движении по каналу ствола.

Чрезвычайно длинный снаряд, такой как стрела , требует непрактично высокой скорости поворота для стабилизации; Вместо этого он часто стабилизируется аэродинамически. Аэродинамически стабилизированный снаряд может стрелять из гладкоствольного ствола без снижения точности.

История

Традиционные нарезы ствола пистолета калибра 9 мм.

Основная статья: Винтовка

Мушкеты — это гладкоствольное оружие большого калибра, в котором используются шарообразные боеприпасы, стреляющие с относительно низкой скоростью. Из-за высокой стоимости, большой сложности точного изготовления и необходимости быстрой и быстрой заряжания из дульного среза мушкетные ядра обычно плохо помещались в стволах. Следовательно, при выстреле пули часто отскакивали от стенок ствола, и конечный пункт назначения после выхода из дульного среза был менее предсказуемым. Когда точность была более важна, например, на охоте, этому можно было противодействовать, используя более плотно прилегающую комбинацию шарика, размер которого приближался к диаметру отверстия, и накладки. Точность была улучшена, но все еще недостаточно надежна для точной стрельбы на большие расстояния.

Как и изобретение самого пороха, изобретатель нарезов ствола пока точно не известен. Прямые канавки применялись к стрелковому оружию по крайней мере с 1480 года и первоначально предназначались для «сажевых канавок» для сбора остатков пороха .

Некоторые из самых ранних зарегистрированных европейских попыток создания стволов мушкетов со спиральными канавками были предприняты Гаспаром Кёлльнером , оружейником из Вены, в 1498 году, и Августом Коттером из Нюрнберга, в 1520 году. Некоторые учёные утверждают, что в работах Кёлльнера в конце 15 века использовались только прямые нарезы. и только когда ему помог Коттер, было изготовлено работающее огнестрельное оружие со спиральными канавками. Возможно, попытки были и раньше, поскольку основное вдохновение для создания нарезного огнестрельного оружия пришло от лучников и арбалетчиков, которые поняли, что их снаряды летят гораздо быстрее и точнее, когда они придают вращение посредством скрученного оперения.

Хотя настоящие нарезы датируются 16 веком, их приходилось гравировать вручную, и, следовательно, они не стали обычным явлением до середины 19 века. Из-за трудоемкого и дорогостоящего производственного процесса раннее нарезное огнестрельное оружие в основном использовалось богатыми охотниками-любителями, которым не нужно было стрелять из оружия много раз подряд и которые ценили повышенную точность. Нарезное огнестрельное оружие не пользовалось популярностью у военных, поскольку его было трудно чистить, а заряжание снарядов представляло множество проблем. Если пуля имела достаточный диаметр, чтобы пройти через нарезы, требовался большой молоток, чтобы протолкнуть ее в канал ствола. С другой стороны, если бы она имела уменьшенный диаметр, чтобы облегчить ее введение, пуля не могла бы полностью войти в нарезку и точность снизилась бы.

Первым практическим военным оружием, использующим нарезку черным порохом, были казнозарядные устройства, такие как пистолет Королевы Анны .

Скорость поворота

Российский 122-мм шрапнельный снаряд (выстреленный) с нарезами на из медного сплава ведущей ленте вокруг основания, что указывает на вращение по часовой стрелке.

Пушечное ядро ​​с крылышками внутри канала нарезной пушки c. 1860 г.

Оживальный снаряд системы Ла-Хитта , 1858 года, предназначенный для взаимодействия с нарезами по часовой стрелке.

Для достижения наилучших характеристик ствол должен иметь скорость поворота, достаточную для стабилизации вращения любой пули , которую можно было бы выстрелить, но не намного больше. Пули большого диаметра обеспечивают большую стабильность, поскольку больший радиус обеспечивает большую гироскопическую инерцию , в то время как длинные пули труднее стабилизировать, поскольку они имеют тенденцию быть очень тяжелыми, а аэродинамическое давление имеет более длинный рычаг («рычаг»), на который можно воздействовать. Самая низкая скорость поворота наблюдается у дульнозарядного огнестрельного оружия, предназначенного для стрельбы круглыми шарами; они будут иметь скорость поворота всего 1 на 72 дюйма (180 см) или немного больше, хотя для типичной многоцелевой винтовки с дульным заряжанием очень распространена скорость поворота 1 на 48 дюймов (120 см). Винтовка M16A2 , предназначенная для стрельбы шаровыми пулями NATO SS109 калибра 5,56×45 мм и трассирующими пулями L110, имеет твист 1 дюйм 7 дюймов (18 см) или 32 калибра. Гражданские винтовки AR-15 обычно имеют калибр 1:12 дюймов (30 см) или 54,8 для старых винтовок и калибр 1:9 дюймов (23 см) или 41,1 для большинства новых винтовок, хотя некоторые из них производятся с калибром 1:7 дюймов ( 18 см) или 32 калибра, такие же, как у винтовки М16. Винтовки, которые обычно стреляют более длинными пулями меньшего диаметра, обычно имеют более высокую скорость поворота, чем пистолеты, которые стреляют более короткими пулями большего диаметра.

Для описания скорости скручивания используются три метода:

Традиционно наиболее распространенный метод выражает скорость поворота через «ход» (длину), необходимый для совершения одного полного оборота снаряда в нарезном стволе. Этот метод не дает простого и однозначного понимания того, является ли скорость закручивания относительно низкой или высокой при сравнении отверстий разного диаметра.

Второй метод описывает «ход нарезки», необходимый для совершения одного полного оборота снаряда в калибрах или диаметрах канала ствола:

$${\text{twist}}={\frac {L}{D_{\text{bore}}}},$$

где ${\text{twist}}$ – скорость скручивания, выраженная в диаметрах отверстий; $L$ – длина закрутки, необходимая для совершения одного полного оборота снаряда (в мм или дюймах); и $D_{\text{bore}}$ — диаметр отверстия (диаметр площадок в мм или дюймах).

Твист-путешествие $L$ и диаметр отверстия $D_{\text{bore}}$ должны быть выражены в единых единицах измерения, например, метрических (мм) или британских (дюймах).

Третий метод просто сообщает угол канавок относительно оси отверстия, измеряемый в градусах.

Последние два метода имеют то преимущество, что выражают скорость скручивания как отношение и позволяют легко понять, является ли скорость скручивания относительно низкой или высокой, даже при сравнении отверстий разного диаметра.

В 1879 году Джордж Гринхилл , профессор математики Королевской военной академии (RMA) в Вулидже , Лондон, Великобритания. разработал эмпирическое правило для расчета оптимальной скорости закручивания пуль со свинцовым сердечником. В этом сокращении используется длина пули, без учета веса или формы носа. Одноименная формула Greenhill Formula , используемая до сих пор:

$${\text{twist}}={\frac {CD^{2}}{L}}\times {\sqrt {\frac {\mathrm {SG} }{10.9}}}$$

где $C$ равно 150 (используйте 180 для начальной скорости выше 2800 футов в секунду); $D$ — диаметр пули в дюймах; $L$ длина пули в дюймах; и $\mathrm {SG}$ пули - удельный вес (10,9 для пуль со свинцовым сердечником, что исключает вторую половину уравнения).

Исходное значение $C$ было 150, что дает скорость скручивания в дюймах за оборот, если задан диаметр $D$ и длина $L$ пули в дюймах. Это работает на скоростях около 840 м/с (2800 футов/с); выше этих скоростей, $C$ следует использовать значение 180. Например, при скорости 600 м/с (2000 футов/с), диаметре 0,5 дюйма (13 мм) и длине 1,5 дюйма (38 мм) формула Гринхилла даст значение 25, что означает 1 оборот на 25 дюймов (640 мм).

Улучшенные формулы для определения стабильности и скорости скручивания включают правило скручивания Миллера. и программа МакГайро разработан Биллом Дэвисом и Робертом Маккоем.

Винтовка Пэррота , использовавшаяся силами Конфедерации и Союза в Гражданской войне в США .

Если использовать недостаточную скорость закручивания, пуля начнет рыскать , а затем кувыркаться; Обычно это рассматривается как «замочная скважина», когда пули оставляют в цели удлиненные отверстия, поражая цель под углом. пуля начнет отклоняться в случайных направлениях Как только пуля начинает отклоняться от курса, всякая надежда на точность теряется, поскольку во время прецессии .

И наоборот, слишком высокая скорость скручивания также может вызвать проблемы. Чрезмерное скручивание может вызвать ускоренный износ ствола, а в сочетании с высокими скоростями также вызвать очень высокую скорость вращения, что может привести к разрыву оболочки снаряда , вызывающему разрушение снаряда, стабилизированного высокоскоростным вращением, в полете. Снаряды, сделанные из монометаллов, практически не могут достичь такой скорости полета и вращения, что они распадаются в полете из-за своей скорости вращения. Бездымный порох может обеспечить начальную скорость примерно 1600 м/с (5200 футов/с) для снарядов со стабилизированным вращением, а более совершенные пороха, используемые в гладкоствольных танковых пушках, могут обеспечить начальную скорость примерно 1800 м/с (5900 футов/с). Более сильное скручивание, чем необходимо, может также вызвать более тонкие проблемы с точностью: любые несоответствия внутри пули, такие как пустоты, вызывающие неравномерное распределение массы, могут быть усилены вращением. Пули меньшего размера также имеют проблемы, поскольку они могут не войти в нарезку точно концентрично и соосно каналу ствола, а чрезмерная закрутка усугубит проблемы с точностью, которые это вызывает.

Пуля, выпущенная из нарезного ствола, может вращаться со скоростью более 300 000 об/мин (5 кГц пули ), в зависимости от начальной скорости ствола и скорости поворота .

Общее определение спина $S$ объекта, вращающегося вокруг одной оси, можно записать как:

$$S={\frac {\upsilon }{C}}$$

где $\upsilon$ - линейная скорость точки вращающегося объекта (в единицах расстояния/времени) и $C$ относится к окружности круга, которую эта точка измерения выполняет вокруг оси вращения.

Пуля, соответствующая нарезам стреляющего ствола, выйдет из ствола с вращением:

$$S={\frac {\upsilon _{0}}{L}}$$где $\upsilon _{0}$ это начальная скорость и $L$ это скорость скручивания.

Например, карабин М4 со скоростью поворота 1 дюйм 7 дюймов (177,8 мм) и начальной скоростью 3050 футов в секунду (930 м/с) придаст пуле вращение 930 м/с / 0,1778 м = 5,2. кГц (314 000 об/мин).

Чрезмерная скорость вращения может превысить расчетные пределы пули, а возникающая в результате центробежная сила может привести к радиальному разрушению пули во время полета.

Дизайн

Ствол круглого сечения не способен придать снаряду вращение, поэтому нарезной ствол имеет некруглое сечение. Обычно нарезной ствол содержит одну или несколько канавок, идущих по всей его длине, придавая ему поперечное сечение, напоминающее внутреннюю шестерню , хотя он также может иметь форму многоугольника , обычно с закругленными углами. Поскольку ствол не имеет круглого сечения, его нельзя точно описать одним диаметром. Нарезные каналы ствола можно описать диаметром канала ствола (диаметром поперек выступов или верхних точек нарезов) или диаметром нарезов (диаметром поперек нарезов или нижних точек нарезов). Различия в правилах наименования картриджей могут вызвать путаницу; например, снаряды .303 British на самом деле немного больше в диаметре, чем снаряды .308 Winchester , поскольку «.303» относится к диаметру канала ствола в дюймах (пуля — .312), а «.308» «относится к диаметру пули в дюймах (7,92 мм и 7,82 мм соответственно).

Несмотря на различия в форме, общая цель нарезки — точная доставка снаряда к цели. Помимо придания пуле вращения, ствол должен надежно и концентрически удерживать снаряд во время его движения по стволу. Для этого необходимо, чтобы нарезы решали ряд задач:

• Его размер должен быть таким, чтобы снаряд обжимался или запирался при выстреле и заполнял канал ствола.
• Диаметр должен быть постоянным и не должен увеличиваться по направлению к дульному срезу.
• Нарезы должны быть одинаковыми по всей длине канала ствола, без изменений в поперечном сечении, например, изменений ширины или расстояния между нарезами.
• Он должен быть гладким, без царапин, лежать перпендикулярно каналу ствола, чтобы не стирать материал снаряда.
• Патронник и головка должны плавно переводить снаряд в нарезы и из них.

Стрельба не может начинаться непосредственно перед патронником. Перед патронником может быть ненарезное горло, поэтому патрон можно доставить в патронник, не проталкивая пулю в нарезы. Это уменьшает усилие, необходимое для загрузки патрона в патронник, и предотвращает застревание пули в нарезах при извлечении невыстреленного патрона из патронника. Указанный диаметр горловины может быть несколько больше диаметра нареза и может быть увеличен за счет использования, если горячий пороховой газ плавит внутреннюю поверхность ствола при выстреле из винтовки. Свободный ствол представляет собой длину нареза гладкоствольного ствола без выступов перед горловиной. Свободный ствол позволяет пуле перейти от статического трения к трению скольжения и набрать линейный импульс до того, как она столкнется с сопротивлением возрастающего вращательного момента. Свободный ствол может позволить более эффективно использовать порох за счет снижения начального пика давления во время фазы минимального объема внутренней баллистики, прежде чем пуля начнет двигаться вниз по стволу. Стволы с длиной свободного ствола, превышающей длину нарезной, известны под различными торговыми названиями, включая Paradox .

Производство

Нарезка ствола 75-мм пушки в годы Первой мировой войны

Дополнительная информация: Внутренняя баллистика.

Ранний метод введения нарезов в предварительно просверленный ствол заключался в использовании резца, установленного на стержне квадратного сечения, аккуратно скрученном в спираль желаемого шага, установленном в двух фиксированных отверстиях квадратного сечения. По мере продвижения резца через ствол он вращался с одинаковой скоростью, зависящей от шага. Первый разрез был неглубоким. Острия резцов постепенно расширялись по мере повторных разрезов. Лезвия находились в пазах деревянного дюбеля , которые постепенно заполнялись полосками бумаги до достижения необходимой глубины. Процесс завершался заливкой в ​​ствол куска расплавленного свинца, извлечением его и использованием пасты из наждака и масла для сглаживания канала ствола.

Большая часть нарезов создается либо:

• Нарезание одной канавки с помощью инструмента ( нарезы с нарезами или нарезы с одной точкой );
• Прорезание всех пазов за один проход специальной прогрессивной прошивкой ( прошивные нарезы );
• Нажатие сразу всех нарезов инструментом, называемым «кнопкой», который нажимается или опускается вниз по стволу ( кнопочные нарезы );
• Ковка ствола содержащей на оправке, обратное изображение нарезов, а часто и патронника ( куковка молотковая );
• Поточное формование по заготовки ствола оправке , содержащей обратное изображение нарезов ( нарезы потокоформованием )
• Использование бесконтактных сил, таких как химическая реакция или тепло от лазерного источника, для травления рисунка нарезов ( травление нарезов ).
• Обработка текстуры нарезных канавок на тонкой металлической пластине, затем складывание пластины во внутреннее отверстие ствола ( нарезка гильзы )

Пазы – это пространства, которые вырезаются, а образующиеся гребни называются ландами . Эти площадки и канавки могут различаться по количеству, глубине, форме, направлению скручивания (вправо или влево) и скорости скручивания. Вращение, создаваемое нарезами, значительно улучшает стабильность снаряда, увеличивая дальность и точность. Обычно нарезка представляет собой постоянную скорость ствола, обычно измеряемую длиной хода, необходимой для совершения одного оборота. Иногда встречается огнестрельное оружие с поворотным усилением , при котором скорость вращения увеличивается от патронника к дульному срезу. Хотя преднамеренные изменения усиления редки, из-за производственных различий, небольшое изменение усиления на самом деле довольно распространено. Поскольку снижение скорости скручивания очень вредно для точности, оружейники , изготавливающие новый ствол из нарезной болванки , часто тщательно измеряют скручивание, чтобы иметь возможность установить более высокую скорость, независимо от того, насколько незначительной будет разница, на конце дульного среза.

Projectiles

57-Н-231 стандартные армейские пули 7,62х39 мм со стальным сердечником - левая невыстреленная, правая - стреляная, видны нарезы. Обратите внимание, что медная промывка соскоблена и стальная оболочка обнажена на отметках канавок.

Три найденные пули НАТО 7,62 × 51 мм (рядом с невыстреленным патроном) со следами нарезов, придающими вращение против часовой стрелки.

Оригинальное огнестрельное оружие заряжалось из дульного среза путем нагнетания шарика из дульного среза в патронник. Независимо от того, использовали ли вы нарезной или гладкий ствол, необходима была хорошая посадка, чтобы герметизировать канал ствола и обеспечить максимально возможную точность ружья. Чтобы облегчить усилие, необходимое для заряжания снаряда, в этих ранних ружьях использовался шар меньшего размера и заплатка из ткани, бумаги или кожи, заполняющая парусность ( зазор между шаром и стенками канала ствола). Накладка действовала как вата и обеспечивала некоторую степень герметичности , удерживала шар на заряде черного пороха и удерживала шар концентрично каналу ствола. В нарезных стволах нашивка также позволяла передавать вращение от нарезки пуле, поскольку нашивка выгравирована, а не на шарике. До появления шара Минье с полым основанием , который расширяется и уплотняется при выстреле, закрывая канал ствола и зацепляя нарезы, накладка была лучшим средством попадания снаряда в нарезы.

В казнозарядном огнестрельном оружии задачу посадки снаряда в нарезы горловина патронника . выполняет Далее идет свободный ствол , представляющий собой часть горловины, по которой проходит снаряд до начала нарезки. Последний участок горловины — это угол горловины , где горловина переходит в нарезной ствол.

Горловина обычно имеет размер немного больше снаряда, поэтому заряженный патрон можно легко вставлять и извлекать, но горло должно быть максимально близко к диаметру канавки ствола. При выстреле снаряд расширяется под давлением патронника и уплотняется до соответствия горловине. Затем пуля проходит через горло, попадает в нарезку, где она выгравирована, и начинает вращаться. Для гравировки снаряда требуется значительная сила, а в некоторых видах огнестрельного оружия имеется значительный объем свободного ствола, что помогает поддерживать низкое давление в патроннике, позволяя пороховым газам расширяться, прежде чем они потребуются для гравировки снаряда. Минимизация свободного ствола повышает точность, уменьшая вероятность того, что снаряд деформируется перед входом в нарезы.

Когда снаряд впрессовывается в нарезку, он принимает зеркальное отражение нарезки, поскольку земли вдавливаются в снаряд в процессе, называемом гравировкой . Гравировка учитывает не только основные особенности канала ствола, такие как площадки и канавки, но и мелкие детали, такие как царапины и следы инструмента. Связь между характеристиками канала ствола и гравировкой на снаряде часто используется в судебной баллистике .

Последние события

Обычные нарезы (слева) и полигональные нарезы (справа). Оба типа нарезов имеют спиральный рисунок.

Показан спиральный рисунок (здесь с многоугольными нарезами).

Канавки, наиболее часто используемые в современных нарезах, имеют довольно острые края. В последнее время стали популярны полигональные нарезы , возврат к самым ранним типам нарезов, особенно в пистолетах . Многоугольные стволы, как правило, имеют более длительный срок службы, поскольку уменьшение острых кромок ленточки (канавки - это вырезанные пространства, а образующиеся гребни называются ландами) уменьшает эрозию ствола. Сторонники полигональных нарезов также заявляют о более высоких скоростях и большей точности. Полигональные нарезы в настоящее время можно увидеть на пистолетах CZ , Heckler & Koch , Glock , Tanfoglio и Kahr Arms ( только серия P ), а также Desert Eagle .

Для орудий полевой артиллерии используется концепция полноствольного оружия увеличенной дальности (ERFB), разработанная в начале 1970-х годов Деннисом Хаяттом Дженкинсом и Луисом Паласио. Корпорации Джеральда Булла для космических исследований гаубицы GC-45 заменяет бурреле небольшими выступами, которые плотно входят в выступы ствола. Орудия, способные стрелять этими снарядами, добились значительного увеличения дальности, но это компенсируется существенно (в 3-4 раза) снижением точности, из-за чего они не были приняты на вооружение вооруженных сил НАТО. В отличие от снаряда, более узкого, чем канал ствола орудия с поддоном , в снарядах ERFB используется полнопроходной снаряд, что позволяет увеличить полезную нагрузку. Примеры включают южноафриканский G5 и немецкий PzH 2000 . ERFB можно комбинировать с базовым выпуском за кровотечение .

Нарезы с переменным шагом

Нарезка с усилением или прогрессивной нарезкой начинается с медленной скорости поворота снаряда , которая постепенно увеличивается вниз по каналу ствола, что приводит к очень небольшому начальному изменению углового момента в течение первых нескольких дюймов полета пули после ее попадания в горловину . Это позволяет пуле оставаться практически нетронутой и прилегать к горловине гильзы. После попадания в нарезы в горловине пуля постепенно подвергается ускоренному угловому моменту по мере продвижения вниз по стволу. Теоретическое преимущество заключается в том, что при постепенном увеличении скорости вращения крутящий момент передается по гораздо большей длине отверстия, что позволяет термомеханическому напряжению распределяться по большей площади, а не сосредотачиваться преимущественно на горловине, которая обычно изнашивается гораздо быстрее, чем другие детали. ствола. Нарезки с усилением и поворотом использовались до и во время Гражданской войны в США (1861–1865 гг.). В револьверах Colt Army и Navy использовались нарезы с усилением. Однако нарезы с усилением и поворотом труднее производить, чем унифицированные нарезы, и поэтому они дороже. Военные использовали нарезы с усилением поворота в различных видах оружия, таких как 20-мм пушка M61 Vulcan Gatling, используемая в некоторых современных истребителях, и более крупная 30-мм пушка GAU-8 Avenger Gatling, используемая в самолете непосредственной воздушной поддержки A10 Thunderbolt II. В этих случаях это позволяет упростить конструкцию стволов за счет снижения давления в патроннике за счет использования низких начальных скоростей закручивания, но при этом обеспечивая достаточную стабильность снарядов после того, как они покидают ствол. Он редко используется в коммерчески доступных продуктах, хотя особенно в Smith & Wesson Model 460 (револьвер X-treme Velocity).

См. также

• Парадокс пистолет
• Нарезной мушкет
• Сравнительный микроскоп
• Последовательность стволов пистолетов
• Формула Гринхилла
• Глоссарий терминологии огнестрельного оружия
• Скорость поворота Миллера

Внешние ссылки

• Статья по изготовлению ствола из IHMSA стрелкового оружия
• Статья о изготовлении бочек от Лилии, производителя бочек для соревнований мирового класса.
• Статья Лилии об изготовлении и измерении нарезов; включает фотографии машины для нарезки пуговиц
• Статья, заархивированная 22 июня 2016 г. на Wayback Machine, о процессе изготовления ствола винтовки, включая сверление, развертывание, нарезку и чистовую обработку.
• Статья 6ммБР о стволах
• Учебное пособие по пробкообразованию. Архивировано 18 июня 2006 г. на Wayback Machine . Здесь объясняется, как определить истинный размер канала ствола и канавки и выбрать подходящий диаметр пули.
• Расчет оборотов пули — скорость вращения и стабильность
• Общие нарезные размеры револьверных, пистолетных и винтовочных боеприпасов