Внутренняя баллистика

Внутренняя баллистика (также внутренняя баллистика ), раздел баллистики является исследованием движения снаряда . ,

В оружии внутренняя баллистика охватывает время от воспламенения пороха до момента выхода снаряда из ствола оружия . Исследование внутренней баллистики важно для конструкторов и пользователей огнестрельного оружия всех типов — от малокалиберных винтовок и пистолетов до высокотехнологичной артиллерии .

Для ракетных снарядов внутренняя баллистика охватывает период, в течение которого ракетный двигатель обеспечивает тягу.

Общие понятия

Внутреннюю баллистику можно рассматривать в трех временных периодах:

• Время блокировки - время от спуска шептала до удара капсюля.
• Время воспламенения - время от момента удара капсюля до начала движения снаряда
• Время ствола - время с момента начала движения снаряда до выхода из ствола.

Схема внутренних баллистических фаз

Горящий порох огнестрельного оружия производит энергию в виде горячих газов, которые повышают давление в патроннике, что оказывает силу на основание снаряда, заставляя его ускоряться. Давление в камере зависит от количества сгоревшего пороха, температуры газов и объема камеры. Скорость горения пороха зависит от химического состава и формы пороховых зерен. Температура зависит от выделяемой энергии и теплопотерь в стенки ствола и патронника.

По мере того как снаряд движется вниз по стволу, объем газа позади снаряда увеличивается. Некоторая энергия теряется при деформации снаряда и его вращении. Имеются также потери на трение между снарядом и стволом. Снаряд, продвигаясь по стволу, сжимает воздух перед собой, что увеличивает сопротивление его движению вперед.

Казенная часть и ствол должны без повреждений противостоять воздействию газов высокого давления. Хотя первоначально давление повышается до высокого значения, оно начинает падать, когда снаряд проходит некоторое расстояние по стволу. Следовательно, дульная часть ствола не обязательно должна быть такой же прочной, как и патронник.

Для этих процессов разработаны математические модели. Четыре общих понятия, которые рассчитываются во внутренней баллистике:

1. Энергия - выделяемая топливом
2. Движение – связь между ускорением снаряда и давлением на его основание.
3. Скорость горения - функция площади поверхности пороха и эмпирически полученного коэффициента скорости горения, уникального для пороха.
4. Функция формы - коэффициент, изменяющий скорость горения, включающий форму пороха.

История

До середины 1800-х годов внутренняя баллистика не была научно обоснована. Стволы и затворы были достаточно прочными, чтобы выдержать известную перегрузку ( контрольное испытание ). Начальная скорость была определена по расстоянию, пройденному снарядом.

В 1800-х годах испытательные стволы начали оснащаться приборами. В стволе были просверлены отверстия и установлены стандартные стальные поршни, которые оказывали давление, сжимающее стандартные медные цилиндры при выстреле из огнестрельного оружия. Уменьшение длины медного цилиндра используется как показатель пикового давления, известного как «медные единицы давления» или «CUP» для огнестрельного оружия высокого давления. Аналогичные стандарты применялись к огнестрельному оружию с более низким пиковым давлением, обычно к обычным пистолетам, с пулями для испытательных цилиндров, изготовленными из более легко деформируемых свинцовых цилиндров, отсюда и «свинцовые единицы давления» или «LUP». Измерение показало только максимальное давление, которое было достигнуто в этой точке ствола. Пьезоэлектрические тензодатчики были представлены в 1960-х годах, что позволило измерять мгновенное давление без портов разрушающего давления. Снаряды с инструментами были разработаны Армейской исследовательской лабораторией , которая измеряет давление у основания снаряда и ускорение.

Методы грунтования

Основная статья: Праймер (огнестрельное оружие)

Способы воспламенения пороха со временем развивались. небольшое отверстие ( контактное отверстие В казенной части просверливали ), в которое затем заливали порох и подавали внешнее пламя или искру (см. фитильный замок и кремневый замок ). Капсюли и автономные патроны имели капсюли , которые детонировали после механической деформации, воспламеняя порох.

Пропелленты

Черный порох

Основная статья: Порох

Порох ( Черный порох ) — мелкоизмельченная, спрессованная и гранулированная механическая пиротехническая смесь серы , древесного угля и нитрата калия или нитрата натрия . Его можно производить с различными размерами зерна. Размер и форма зерен могут увеличивать или уменьшать относительную площадь поверхности и значительно изменять скорость горения. Скорость горения черного пороха относительно нечувствительна к давлению, а это означает, что он будет гореть быстро и предсказуемо даже без изоляции. что делает его также пригодным для использования в качестве взрывчатого вещества малой мощности. Он имеет очень медленную скорость разложения и, следовательно, очень низкую бризантность . Это не взрывчатое вещество в строгом смысле этого слова, а «детонирующий агент», поскольку он не детонирует, а разлагается путем горения из-за дозвукового механизма распространения фронта пламени.

(одноосновное

Основная статья: Бездымный порох

Нитроцеллюлоза или «порошка» образуется при действии азотной кислоты на целлюлозные волокна. Это легковоспламеняющийся волокнистый материал, который быстро сгорает при нагревании. Он также горит очень чисто, почти полностью сгорая до газообразных компонентов при высоких температурах с небольшим количеством дыма или твердых остатков. Желатинизированная нитроцеллюлоза представляет собой пластик , из которого можно формовать цилиндры, трубки, шарики или хлопья, известные как одноосновные пороха. Размер и форма пороховых зерен могут увеличивать или уменьшать относительную площадь поверхности и значительно изменять скорость горения. В топливо можно добавлять добавки и покрытия для дальнейшего изменения скорости горения. Обычно очень быстрые порохи используются для легких или низкоскоростных пистолетов и ружей , средние порохи для пистолетов магнум и легких винтовочных патронов и медленные порохи для крупнокалиберных тяжелых винтовочных патронов.

Двухосновное

Основные статьи: Баллистит , Кордит , Бездымный порох и Шаровой порох.

Нитроглицерин можно добавлять к нитроцеллюлозе для получения «двухосновных порохов». Нитроцеллюлоза снижает чувствительность нитроглицерина, чтобы предотвратить детонацию зерен размером с порох (см. Динамит ), а нитроглицерин желатинизирует нитроцеллюлозу и увеличивает энергию. Двухосновные пороха горят быстрее, чем одноосновные пороха той же формы, хотя и не так чисто, а скорость горения увеличивается с увеличением содержания нитроглицерина.

В артиллерии баллистит использовался в форме стержней, трубок, трубок или кордит с прорезями, перфорированных цилиндров или многотрубчатых; геометрия выбирается для обеспечения требуемых характеристик горения. (Например, круглые шары или стержни обладают «дегрессивным горением», поскольку выделение газа уменьшается с увеличением площади их поверхности по мере того, как шары или стержни горят меньше; тонкие чешуйки горят «нейтрально», поскольку они горят на своих плоских поверхностях до тех пор, пока чешуйки полностью сгорают. Цилиндры с продольной перфорацией или несколькими перфорациями, используемые в больших длинноствольных винтовках или пушках, имеют «прогрессивное горение»; поверхность горения увеличивается по мере увеличения внутреннего диаметра отверстий, обеспечивая устойчивое горение и длительное время. непрерывное давление на снаряд для достижения более высокой скорости без чрезмерного увеличения пикового давления. Порох с прогрессивным горением в некоторой степени компенсирует падение давления по мере того, как снаряд ускоряется в канале ствола и увеличивает объем за ним.)

Твердое топливо (безгильзовые боеприпасы)

« Безгильзовые боеприпасы » включают в себя порох, отлитый в виде цельного зерна, воспламеняющий состав, помещенный в полость у основания, и пулю, прикрепленную к передней части. Поскольку отдельное пороховое зерно очень велико (большинство бездымных порохов имеют размер зерен около 1 мм, но безгильзовое зерно будет иметь диаметр около 7 мм и длину 15 мм), относительная скорость горения должна быть намного выше. Чтобы достичь такой скорости горения, в безгильзовых порохах часто используются взрывчатые вещества умеренного действия, такие как гексоген .

Основными преимуществами успешного безгильзового патрона будет устранение необходимости извлечения и выброса стреляной гильзы, что позволит повысить скорострельность и упростить механизм, а также снизить вес боеприпасов за счет устранения веса (и стоимости) латунных или стальной кейс.

Хотя существует по крайней мере одна экспериментальная военная винтовка ( H&K G11 ) и одна коммерческая винтовка ( Voree VEC-91 ), в которых используются безгильзовые патроны, они не имели большого успеха. Еще одной коммерческой винтовкой была винтовка Daisy VL, произведенная Daisy Air Rifle Co. и рассчитанная на безгильзовые боеприпасы .22 калибра, которые воспламенялись горячей струей сжатого воздуха от рычага, используемого для сжатия сильной пружины, как в пневматической винтовке. Безгильзовые боеприпасы, конечно, не подлежат перезарядке, поскольку после выстрела пули не остается гильзы, а обнаженный порох делает патроны менее долговечными. Также гильза в стандартном патроне выполняет роль уплотнителя, не позволяя газу выходить за казенную часть . Безгильзовое оружие должно использовать более сложный самоуплотняющийся затвор, что увеличивает сложность конструкции и изготовления. Еще одна неприятная проблема, общая для всех скорострельных оружий, но особенно проблематичная для тех, кто стреляет безгильзовыми патронами, — это проблема « сгорания » патронов. Эта проблема вызвана остаточное тепло из патронника нагревает снаряд в патроннике до точки, где он воспламеняется, вызывая непреднамеренный разряд.

Чтобы свести к минимуму риск сгорания патрона, пулеметы можно спроектировать для стрельбы с открытого затвора, при этом патрон не будет помещен в патронник до тех пор, пока не будет нажат спусковой крючок, и поэтому у патрона не будет шансов сгореть до того, как оператор будет готов. Такое оружие могло эффективно использовать безгильзовые боеприпасы. Конструкции с открытым затвором обычно нежелательны для чего-либо, кроме пулеметов; масса затвора, движущегося вперед, приводит к крену орудия в ответ, что значительно снижает точность орудия, что обычно не является проблемой для пулеметного огня.

Метательный заряд

Плотность и постоянство нагрузки

загрузки Плотность – это процент пространства в гильзе, заполненного порохом. В общем, патроны с плотностью, близкой к 100% (или даже патроны, при которых посадка пули в гильзе сжимает порох) воспламеняются и горят более равномерно, чем патроны с меньшей плотностью. В патронах, переживших эпоху черного пороха (примерами являются .45 Colt , .45-70 Government ), гильза намного больше, чем необходимо для удержания максимального заряда бездымного пороха высокой плотности. Это дополнительное пространство позволяет пороху смещаться в гильзе, накапливаясь в передней или задней части гильзы и потенциально вызывая значительные изменения в скорости горения, поскольку порох вблизи задней части гильзы воспламеняется быстро, а порох вблизи передней части гильзы. загорится позже. Это изменение оказывает меньшее влияние на быстрые порошки. Такие патроны большой емкости и низкой плотности обычно обеспечивают наилучшую точность при использовании самого быстрого подходящего пороха, хотя при этом общая энергия остается низкой из-за резкого пика высокого давления.

Пистолетные патроны Magnum меняют этот компромисс между мощностью и точностью за счет использования порохов с меньшей плотностью и медленным горением, которые обеспечивают высокую плотность заряда и широкую кривую давления. Обратной стороной является повышенная отдача и дульная струя из-за большой массы пороха, а также высокое дульное давление.

Большинство винтовочных патронов имеют высокую плотность снаряжения соответствующими порохами. Винтовочные патроны, как правило, имеют узкое место: широкое основание сужается до меньшего диаметра, чтобы удерживать легкую высокоскоростную пулю. Эти гильзы предназначены для хранения большого количества пороха низкой плотности и имеют еще более широкую кривую давления, чем у пистолетного патрона магнум. В этих случаях требуется использование длинного ствола винтовки для достижения полной эффективности, хотя они также используются в винтовочных пистолетах (однозарядных или продольно-скользящих) со стволами длиной от 10 до 15 дюймов (от 25 до 38 см).

Палата

Прямой против узкого места

Гильзы с прямыми стенками были стандартом с самого начала производства патронов. При низкой скорости горения черного пороха наилучшая эффективность достигалась при использовании больших и тяжелых пуль, поэтому пуля имела наибольший практичный диаметр . Большой диаметр позволил использовать короткую, стабильную пулю с большим весом и максимальный практический объем канала ствола для извлечения максимально возможной энергии из ствола заданной длины. Было несколько патронов с длинными и неглубокими конусами, но, как правило, это была попытка использовать существующий патрон для стрельбы пулей меньшего размера с более высокой скоростью и меньшей отдачей. С появлением бездымных порохов стало возможным добиться гораздо более высоких скоростей, используя медленный бездымный порох в гильзе большого объема, толкая небольшую легкую пулю. Необычный, сильно конический патрон Lebel калибра 8 мм , изготовленный путем укорачивания старого 11-мм патрона с черным порохом, был представлен в 1886 году, и вскоре за ним последовали военные патроны Mauser 7,92×57 мм и Mauser 7×57 мм , а также коммерческий патрон . 30-30 Винчестер , все из которых были новыми конструкциями, созданными для использования бездымного пороха. Все они имеют отчетливый выступ, очень напоминающий современные патроны, и, за исключением Lebel, они до сих пор используются в современном огнестрельном оружии, хотя этим патронам более ста лет.

Соотношение

При выборе винтовочного патрона для обеспечения максимальной точности короткий, толстый патрон с очень небольшим сужением гильзы может обеспечить более высокую эффективность и более стабильную скорость, чем длинный, тонкий патрон с большим сужением гильзы (одна из причин конструкции с узким горлышком). ). Учитывая нынешнюю тенденцию к более коротким и толстым гильзам, таким как новые патроны Winchester Super Short Magnum , кажется, что идеальным может быть гильза, приближающаяся к сферической внутри. Патроны для охоты на мишеней и насекомых требуют наибольшей точности, поэтому их гильзы, как правило, короткие, толстые и почти незаостренные, с острыми выступами на гильзе. Короткие и толстые гильзы также позволяют сделать оружие короткого действия легче и прочнее при том же уровне производительности. Компромиссом такой производительности являются толстые патроны, которые занимают больше места в магазине , острые плечи, которые не так легко подаются из магазина, и менее надежное извлечение стреляного патрона. По этим причинам, когда надежная подача важнее точности, как, например, в военных винтовках, предпочтение отдается более длинным гильзам с меньшим углом плеча. Однако даже среди боевого оружия наблюдается долгосрочная тенденция к более коротким и толстым гильзам. Нынешний патрон НАТО 7,62×51 мм , заменяющий более длинный .30-06 Springfield, является хорошим примером, как и новый патрон 6,5 Grendel , разработанный для повышения характеристик AR-15 винтовок и карабинов семейства . Тем не менее, точность и летальность патрона имеют существенно большее значение, чем длина и диаметр гильзы, а также 7,62×51 мм NATO имеет меньшую емкость гильзы, чем .30-06 Springfield , уменьшение количества пороха, которое можно использовать, непосредственное уменьшение комбинации веса пули и начальной скорости, что способствует летальности (как подробно описано в опубликованных спецификациях патронов, ссылки на которые приведены здесь для сравнения). способен С другой стороны, 6.5 Grendel стрелять значительно более тяжелой пулей (см. ссылку), чем 5.56 NATO из семейства оружия AR-15, лишь с небольшим уменьшением начальной скорости, что, возможно, обеспечивает более выгодные характеристики. компромисс.

Трение и инерция

Статическое

Поскольку скорость горения бездымного пороха напрямую зависит от давления, начальное нарастание давления (т. е. «давление начала выстрела») оказывает существенное влияние на конечную скорость , особенно в больших патронах с очень быстрыми порохами и относительно легким весом. снаряды. В огнестрельном оружии малого калибра трение , удерживающее пулю в гильзе, определяет, как скоро после воспламенения пуля начнет двигаться, а поскольку движение пули увеличивает объем и снижает давление, разница в трении может изменить наклон кривой давления. . В общем, желательна плотная посадка, вплоть до запрессовки пули в гильзу. В гильзах без оправы с прямыми стенками, таких как .45 ACP, агрессивная обжимка невозможна, поскольку гильза удерживается в патроннике горловиной гильзы, а размер гильзы определяется таким образом, чтобы обеспечить плотное прилегание к пуле с натягом, может дать желаемый результат. В огнестрельном оружии большего калибра давление начала выстрела часто определяется силой, необходимой для первоначального врезания приводной ленты снаряда в начало нарезки ствола ; Гладкоствольные ружья, не имеющие нарезов, достигают давления начала выстрела за счет первоначального попадания снаряда в «силовой конус», который обеспечивает сопротивление при сжатии обтурации снаряда. кольцо.

Кинетическое трение

Пуля должна плотно прилегать к каналу ствола, чтобы герметизировать высокое давление горящего пороха. Такая плотная посадка приводит к возникновению большой силы трения. Трение пули в канале ствола оказывает небольшое влияние на конечную скорость, но обычно это не вызывает особого беспокойства. Большую озабоченность вызывает тепло, выделяющееся в результате трения. При скорости около 300 м/с (980 футов/с) свинец начинает плавиться и откладываться в канале ствола . Это скопление свинца сужает канал ствола, увеличивая давление и снижая точность последующих выстрелов, и его трудно очистить, не повредив канал ствола. В патронах, используемых со скоростью до 460 м/с (1500 футов/с), на пуле может использоваться восковая смазка для уменьшения накопления свинца. На скоростях более 460 м/с (1500 футов/с) почти все пули имеют оболочку из меди или аналогичного сплава , который достаточно мягок, чтобы не изнашиваться на стволе, но плавится при достаточно высокой температуре, чтобы уменьшить накопление скважина. Нарастание меди действительно начинает происходить в пулях, скорость которых превышает 760 м/с (2500 футов/с), и обычное решение состоит в том, чтобы пропитать поверхность пули на основе дисульфида молибдена смазка . Это уменьшает накопление меди в отверстии и обеспечивает лучшую долговременную точность. В снарядах большого калибра также используются медные ведущие ленты для нарезных стволов для снарядов со стабилизированным вращением; однако в снарядах с оперенной стабилизацией, выпущенных как из винтовочного, так и в гладкоствольном стволе, таких как противобронебойные снаряды APFSDS , используются нейлоновые обтюрационные кольца, которые достаточны для герметизации пороховых газов под высоким давлением, а также минимизируют трение в канале ствола, обеспечивая небольшой наддув дульного среза. скорость.

Роль инерции

За первые несколько сантиметров пути по каналу ствола пуля достигает значительной части своей конечной скорости, даже для винтовок большой мощности с медленно горящим порохом. Ускорение ньютонов составляет порядка десятков тысяч гравитаций , поэтому даже такой легкий снаряд, как 40 гран (2,6 г), может обеспечить сопротивление более 1000 из - за (220 фунтов силы) инерции . Таким образом, изменения массы пули оказывают огромное влияние на кривые давления патронов с бездымным порохом, в отличие от патронов с черным порохом. Таким образом, заряжание или перезарядка бездымных патронов требует высокоточного оборудования и тщательно измеренных таблиц данных загрузки для данных патронов, порохов и массы пули.

от

Это график моделирования выстрела 5,56-мм патроном НАТО из 20-дюймового (510-мм) ствола. Горизонтальная ось представляет время, вертикальная ось представляет давление (зеленая линия), ход пули (красная линия) и скорость пули (голубая линия). Значения, показанные вверху, являются пиковыми значениями.

Энергия передается пуле в огнестрельном оружии за счет давления газов, образующихся при горении пороха. Хотя более высокое давление приводит к более высоким скоростям, продолжительность давления также важна. Пиковое давление может составлять лишь небольшую часть времени ускорения пули. Необходимо учитывать всю продолжительность прохождения пули через ствол.

Пик против площади

На этом графике показаны различные кривые давления для порохов с разной скоростью горения. Самый левый график такой же, как большой график выше. На среднем графике показан порох, скорость горения которого на 25 % выше, а на крайнем правом графике показан порох, скорость горения которого на 20 % ниже.

Энергия – это способность совершать работу над объектом. Работа – это сила, приложенная на расстоянии. Полная энергия, сообщенная пуле, обозначается площадью под кривой, где по оси Y обозначена сила (т. е. давление, оказываемое на основание пули, умноженное на площадь основания пули), а по оси X являющееся расстоянием. Увеличение энергии пули требует увеличения площади под этой кривой либо за счет повышения давления, либо за счет увеличения расстояния, которое пуля проходит под давлением. Давление ограничено силой огнестрельного оружия, а продолжительность ограничена длиной ствола.

Конструкция пороха

Пороха подбираются в зависимости от прочности огнестрельного оружия, объема патронника и длины ствола; материал пули, вес и размеры. Скорость газообразования пропорциональна площади поверхности горящих зерен пороха в соответствии с законом Пиоберта . Реакции с бездымным порохом происходят в ряде зон или фаз, поскольку реакция протекает с поверхности в твердое вещество. Самая глубокая часть твердого тела, испытывающая теплообмен, плавится и в пенной зоне начинается фазовый переход из твердого тела в газ . Газообразное топливо разлагается на более простые молекулы в окружающей зоне шипения . Эндотермические преобразования в зоне пены и зоне шипения требуют энергии, первоначально обеспечиваемой капсюлем, а затем высвобождаемой в светящейся зоне внешнего пламени , где более простые молекулы газа реагируют с образованием обычных продуктов сгорания, таких как пар и окись углерода .

Скорость теплопередачи бездымного топлива увеличивается с увеличением давления, в результате чего скорость выделения газа из заданной площади поверхности зерна увеличивается при более высоких давлениях. Ускорение образования газа из быстро сгорающих порохов может быстро создать разрушительно высокий скачок давления, прежде чем движение пули увеличит объем реакции. И наоборот, пороха, рассчитанные на минимальное давление теплопередачи, могут прекратить разложение на газообразные реагенты, если движение пули снижает давление до того, как будет израсходовано медленно горящее порох. Несгоревшие пороховые зерна могут оставаться в стволе, если энерговыделяющая зона пламени не может поддерживаться из-за отсутствия газообразных реагентов во внутренних зонах.

Выгорание пороха

Еще одним вопросом, который следует учитывать при выборе скорости горения пороха, является время, необходимое пороху для полного сгорания, по сравнению со временем, которое пуля проводит в стволе. Внимательно взглянув на левый график, можно заметить изменение кривой примерно на 0,8 мс. Это момент, когда порошок полностью сгорает и новый газ не образуется. У более быстрого пороха выгорание происходит раньше, а у более медленного – позже. Порох, который не сгорел, когда пуля достигает дульного среза, тратится впустую — он не добавляет пуле энергии, но увеличивает отдачу и дульный взрыв. Для максимальной мощности порох должен гореть до тех пор, пока пуля не приблизится к дульному срезу.

Поскольку бездымные пороха горят, а не детонируют, реакция может идти только на поверхности пороха. Бездымные пороха бывают самых разных форм, которые определяют, насколько быстро они горят, а также как меняется скорость горения по мере горения пороха. Самая простая форма – шариковый порошок, имеющий форму круглых или слегка приплюснутых сфер. Шаровой порох имеет сравнительно небольшое соотношение площади поверхности к объему, поэтому горит он сравнительно медленно, и по мере горения площадь его поверхности уменьшается. Это означает, что по мере горения пороха скорость горения замедляется.

В некоторой степени это можно компенсировать использованием замедляющего покрытия на поверхности пороха, которое замедляет начальную скорость горения и выравнивает скорость изменения. Шаровые пороха обычно изготавливаются в виде медленных пистолетных порохов или быстрых винтовочных порохов.

Чешуйчатые порошки имеют форму плоских круглых хлопьев с относительно высоким соотношением площади поверхности к объему. Чешуйчатые пороха имеют почти постоянную скорость горения и обычно представляют собой быстрые пороха для пистолета или дробовика . Последняя распространенная форма — это экструдированный порошок, имеющий форму цилиндра, иногда полого. Экструдированные пороха обычно имеют более низкое соотношение нитроглицерина и нитроцеллюлозы и часто являются прогрессивным горением, то есть горят с большей скоростью по мере горения. Экструдированные пороха обычно представляют собой винтовочные пороха средней и медленной скорости.

Общие проблемы

отверстия и

Огнестрельное оружие во многом похоже на поршневой двигатель на рабочем такте. Имеется определенное количество газа высокого давления, и из него извлекается энергия, заставляя газ перемещать поршень — в данном случае снарядом является поршень. Рабочий объем поршня определяет, сколько энергии можно извлечь из данного газа. Чем больший объем выметается поршнем, тем ниже давление выхлопа (в данном случае дульное давление). Любое оставшееся давление на дульном срезе или в конце рабочего хода двигателя представляет собой потерю энергии.

Чтобы извлечь максимальное количество энергии, рабочий объем максимизируется. Сделать это можно одним из двух способов — увеличением длины ствола или увеличением диаметра снаряда. Увеличение длины ствола приведет к линейному увеличению рабочего объема, а увеличение диаметра приведет к увеличению рабочего объема пропорционально квадрату диаметра. Поскольку длина ствола ограничена практическими соображениями и составляет примерно длину вытянутой руки для винтовки и намного короче для пистолета, увеличение диаметра канала ствола является обычным способом повышения эффективности патрона. Пределом диаметра канала ствола обычно является плотность сечения снаряда (см. Внешняя баллистика ). Пули большего диаметра при том же весе имеют гораздо большее сопротивление и поэтому теряют энергию быстрее после выхода из ствола. Как правило, в большинстве пистолетов используются пули калибра от .355 (9 мм) до .45 (11,5 мм), тогда как в большинстве винтовок калибр обычно варьируется от .223 (5,56 мм) до .32 (8 мм). Исключений, конечно, немало, но пули данных диапазонов обеспечивают наилучшие универсальные характеристики. В пистолетах используются пули большего диаметра для большей эффективности при использовании коротких стволов и допускают потерю скорости на больших дистанциях, поскольку пистолеты редко используются для стрельбы на большие дистанции. Пистолеты, предназначенные для стрельбы на большие дистанции, обычно ближе к укороченным винтовкам, чем к другим пистолетам.

Отношение пороха к массе снаряда

Еще одним вопросом при выборе или разработке патрона является вопрос отдачи. Отдача – это не только реакция от запускаемого снаряда, но и от порохового газа, который выйдет из ствола со скоростью, даже превышающей скорость пули. Для пистолетных патронов с тяжелыми пулями и легкими пороховыми зарядами ( 9×19 мм например, для пули может использоваться 5 гран (320 мг) пороха, а для пули 115 гран (7,5 г)) отдача пороха не является значительной силой. ; для винтовочного патрона ( .22-250 Remington , использующего 40 гран (2,6 г) пороха и пулю весом 40 гран (2,6 г)), порох может составлять большую часть силы отдачи.

Решение проблемы отдачи есть, хотя и требует затрат. Дульный тормоз или компенсатор отдачи — это устройство, которое перенаправляет пороховой газ в дульный срез, обычно вверх и назад. Это действует как ракета, толкая дуло вниз и вперед. Толчок вперед помогает устранить ощущение отдачи снаряда, вытягивая огнестрельное оружие вперед. С другой стороны, толчок вниз помогает противодействовать вращению, возникающему из-за того, что у большинства огнестрельных оружий ствол расположен выше центра тяжести . Боевые орудия открытого типа, крупнокалиберные мощные винтовки, дальнобойные пистолеты под винтовочные боеприпасы, а также огнестрельные пистолеты, предназначенные для точной скоростной стрельбы, — все они выигрывают от дульных тормозов.

В мощном огнестрельном оружии дульный тормоз используется главным образом для уменьшения отдачи, что снижает вероятность поражения стрелка сильной отдачей. Пистолеты для боевой стрельбы перенаправляют всю энергию вверх, чтобы противодействовать вращению отдачи, и делают последующие выстрелы быстрее, оставляя оружие на цели. Недостатком дульного тормоза является более длинный и тяжелый ствол, а также значительное увеличение уровня звука и вспышки за дульным срезом винтовки. Стрельба из огнестрельного оружия без дульных тормозов и средств защиты органов слуха может в конечном итоге привести к повреждению слуха оператора; однако стрельба из винтовок с дульным тормозом - с защитой органов слуха или без нее - приводит к необратимому повреждению ушей. ( см. в разделе « Дульный тормоз» Подробнее о недостатках дульных тормозов .)

Соотношение массы пороха и снаряда также затрагивает вопрос эффективности. В случае с .22-250 Remington на движение порохового газа уходит больше энергии, чем на движение пули. .22-250 платит за это тем, что требует большого гильзы с большим количеством пороха, и все это при довольно небольшом выигрыше в скорости и энергии по сравнению с другими патронами .22 калибра.

Точность и характеристики канала ствола

Почти все малокалиберное огнестрельное оружие, за исключением дробовиков, имеет нарезной ствол. Нарезы придают пуле вращение, что удерживает ее от кувырка в полете. Нарезы обычно имеют форму канавок с острыми краями, нарезанных спиралями вдоль оси канала ствола, их количество составляет от 2 до 16. Области между канавками известны как площадки.

Другая система, полигональные нарезы , придает каналу ствола многоугольное поперечное сечение. Многоугольные нарезы не очень распространены, их используют лишь несколько европейских производителей, а также американский производитель оружия Kahr Arms. Компании, использующие многоугольные нарезы, заявляют о большей точности, меньшем трении и меньшем скоплении свинца и/или меди в стволе. Однако в большинстве соревновательного огнестрельного оружия используются традиционные нарезы с нарезами и нарезами, поэтому преимущества многоугольных нарезов не доказаны.

Существует четыре способа нарезки ствола:

• Одноточечная фреза втягивается в канал ствола с помощью машины, которая контролирует вращение режущей головки относительно ствола. Это самый медленный процесс, но требует самого простого оборудования. Его часто используют оружейники по индивидуальному заказу , поскольку из него получаются очень точные стволы.
• Для пуговичных нарезов используется матрица с негативным изображением нареза на ней, которая при вращении протягивается вниз по стволу, обжимая внутреннюю часть ствола. При этом за счет деформации создаются все канавки одновременно, и это происходит быстрее, чем нарезание нарезов.
• ковка Молотковая — это процесс, при котором ствол с расточенным отверстием слегка увеличенного размера помещается вокруг оправки , на которой имеется негативное изображение длины нарезного ствола. Ствол и оправка вращаются и забиваются силовыми молотками, образующими внутреннюю часть ствола. Это самый быстрый и зачастую дешевый способ изготовления ствола, но оборудование стоит дорого. Кованные стволы, как правило, не обеспечивают точности, достижимой при использовании первых упомянутых методов буксировки.
• В процессах электроэрозионной обработки (EDM) или электрохимической обработки (ECM) для эрозии материала используется электричество, и этот процесс обеспечивает стабильный диаметр и очень гладкую поверхность с меньшими нагрузками, чем другие методы нарезки. EDM очень дорог и в основном используется в крупнокалиберных и длинноствольных пушках , где традиционные методы очень сложны. в то время как ECM используется некоторыми более мелкими производителями стволов.

Целью ствола является обеспечение постоянного уплотнения , позволяющего пуле разгоняться до постоянной скорости. Он также должен придавать правильное вращение и последовательно выпускать пулю, совершенно концентрично каналу ствола. Остаточное давление в канале ствола должно сбрасываться симметрично , чтобы ни одна сторона пули не получала большего или меньшего давления, чем остальная часть.

Для обеспечения хорошей герметичности канал ствола должен иметь точный постоянный диаметр или иметь небольшое уменьшение диаметра от казенной части к дульному срезу. Любое увеличение диаметра канала ствола приведет к смещению пули, что приведет к утечке газа мимо пули, уменьшению скорости или к опрокидыванию пули, в результате чего она перестанет быть полностью соосной с каналом ствола. Высококачественные стволы притираются , чтобы устранить любые сужения в канале ствола, которые могут привести к изменению диаметра.

В процессе притирки, известном как «огненная притирка », используется свинцовая «заготовка», которая немного больше диаметра отверстия и покрыта мелким абразивным составом для вырезания сужений. Пуля передается из казенной части в дульную часть для устранения препятствий. Делается много проходов, и по мере того, как отверстие становится более однородным, используются более мелкие сорта абразивного состава. Конечным результатом является зеркально гладкий ствол с постоянным или слегка сужающимся каналом ствола. В технике ручной притирки используется деревянный или мягкий металлический стержень, чтобы протянуть или протолкнуть пулю через канал ствола, в то время как в новой технике огневой притирки используются специально заряженные маломощные патроны для проталкивания пуль из мягкого свинца с абразивным покрытием вниз по стволу.

Еще одна проблема, влияющая на удержание пули стволом, — это нарезы. При выстреле пуля попадает в нарезы, которые разрезают или « гравируют » поверхность пули. Если нарезы имеют постоянный поворот, то нарезы проходят по канавкам, выгравированным в пуле, и все надежно и герметично. Если нарезы имеют уменьшающуюся крутку, то изменение угла нарезов в выгравированных канавках пули приводит к тому, что нарезы становятся уже, чем канавки. Это позволяет газу выйти наружу и ослабляет фиксацию пули на стволе. Однако увеличение поворота приведет к тому, что нарезы станут шире, чем канавки в пуле, сохраняя герметичность. При выборе для ружья нарезной заготовки ствол с большей закруткой располагается у дульного среза.

Дульная часть ствола - это последнее, что соприкасается с пулей перед тем, как она начнет баллистический полет, и поэтому имеет наибольшую возможность нарушить полет пули. Дульная часть должна обеспечивать симметричный выход газа из ствола; любая асимметрия вызовет неравномерное давление на основание пули, что нарушит ее полет. Дульная часть ствола называется «коронкой», и обычно она либо скошена , либо утоплена, чтобы защитить ее от ударов и царапин, которые могут повлиять на точность.

Прежде чем ствол сможет равномерно выпустить пулю, он должен равномерно захватить пулю. Часть ствола между местом выхода пули из патрона и входом в нарезку называется «горлом», а длина горла — свободным каналом ствола . В некоторых видах огнестрельного оружия свободный канал ствола равен нулю, поскольку в процессе досылания патрона пуля попадает в нарезы. Это часто встречается в маломощных винтовках с кольцевым воспламенением. Размещение пули в нарезах обеспечивает быстрый и стабильный переход от патрона к нарезам. Обратной стороной является то, что патрон прочно удерживается на месте, и попытка извлечь невыстреленный патрон может оказаться затруднительной, вплоть до того, что в крайних случаях даже вытащить пулю из патрона.

При использовании патронов большой мощности для гравировки пули требуется значительная сила, которая может поднять давление в патроннике выше максимального расчетного давления. Винтовки большей мощности обычно имеют более длинный свободный ствол, так что пуля может набрать некоторый импульс, что позволяет немного снизить давление в патроннике до того, как пуля войдет в нарезку. Однако любое незначительное смещение может привести к опрокидыванию пули при входе в нарезы, в результате чего пуля не попадет в ствол соосно.

связанные с

Определяющей характеристикой револьвера является вращающийся цилиндр, отдельный от ствола, в котором находятся патронники. Револьверы обычно имеют от 5 до 10 патронников, и первая проблема заключается в обеспечении согласованности между патронниками, потому что, если они не одинаковы, точка попадания будет варьироваться от патронника к патроннику. Каморы также должны быть совмещены со стволом, чтобы пуля входила в ствол одинаково из каждой камеры.

Горловина револьвера состоит из двух отдельных частей: горловины цилиндра и горловины ствола. часть цилиндра и такого размера, чтобы она была концентрична патроннику и немного превышала диаметр пули. Зазор в цилиндре - пространство между цилиндром и стволом - должен быть достаточно широким, чтобы обеспечить свободное вращение цилиндра, даже когда он загрязняется остатками пороха, но не настолько большим, чтобы выделялось чрезмерное количество газа. Напорный конус, в котором пуля направляется из цилиндра в канал ствола, должен быть достаточно глубоким, чтобы пуля попала в канал ствола без значительной деформации. В отличие от винтовок, у которых резьбовая часть ствола находится в патроннике, в револьверных стволах резьба окружает казенную часть канала ствола. Возможно, что канал ствола сжимается при вкручивании ствола в раму. Обрезка более длинного нажимного конуса может облегчить эту «дроссельную» точку, как и притирка ствола после его установки на раму.

См. также

• Внешняя баллистика
• Капсюль для ранней истории капсюлей и капсюлей.
• Терминальная баллистика
• Переходная баллистика
• Физика огнестрельного оружия
• Таблица пистолетных и винтовочных патронов

Внешние ссылки

• Гонсалес-младший, Джо Роберт (1990), Оптимизация внутренней баллистики (PDF) , диссертация, AD-A225 791, заархивировано (PDF) из оригинала 7 октября 2012 г.
• Хорст, Альберт В. (ноябрь 2005 г.), « Краткое путешествие по истории артиллерийских установок» , Абердинский полигон, Мэриленд: Исследовательская лаборатория армии США, ARL-TR-3671
• Мадер, Чарльз Л. (2008), Численное моделирование взрывчатых веществ и порохов (3-е изд.), CRC Press, ISBN  978-1-4200-5238-1
• (Очень) краткий курс внутренней баллистики , о. Лягушка
• Мунган, Карл Э. (9 марта 2009 г.), «Внутренняя баллистика пневматической картофельной пушки» (PDF) , Европейский журнал физики , 30 (3): 453–457, Бибкод : 2009EJPh...30..453M , doi : 10.1088/0143-0807/30/3/003 , S2CID   35147997 , заархивировано из оригинала (PDF) 16 марта 2013 г.
• Программное обеспечение QuickLOAD для баллистики