Внутренняя баллистика - Internal ballistics

Внутренняя баллистика (также внутренняя баллистика), подполе баллистика, это исследование движение из снаряд.

В пушки, внутренняя баллистика охватывает время от пропеллент зажигания, пока снаряд не выйдет из ствол пистолета.[1] Изучение внутренней баллистики важно для дизайнеры и пользователи огнестрельного оружия всех типов, от малокалиберного винтовки и пистолеты, в хай-тек артиллерия.

За ракета - метательные снаряды, внутренняя баллистика охватывает период, в течение которого ракетный двигатель обеспечивает тягу.[2][3]

Части и уравнения

Хэтчер делит внутреннюю баллистику на три части:[4]

  • Время блокировки, время от выпуска шептала до попадания капсюля.
  • Время зажигания, время от момента попадания капсюля до начала движения снаряда.
  • Время ствола, время от момента начала движения снаряда до его выхода из ствола.

Есть много важных процессов. Источником энергии является горящее топливо. Он генерирует горячие газы, которые повышают давление в камере. Это давление давит на основание снаряда и заставляет снаряд ускоряться. Давление в камере зависит от многих факторов. Количество сгоревшего пороха, температура газов и объем камеры. Скорость горения пороха зависит не только от химического состава, но и от формы гранул пороха. Температура зависит не только от выделяемой энергии, но и от тепла, теряемого по стенкам ствола и патронника. Объем камеры непрерывно меняется: по мере сгорания топлива увеличивается объем, который может занять газ. По мере того, как снаряд перемещается по стволу, объем за снарядом также увеличивается. Есть еще другие эффекты. Некоторая энергия теряется на деформацию снаряда и его вращение. Также наблюдаются потери на трение между снарядом и стволом. Снаряд, двигаясь по стволу, сжимает воздух перед собой, что добавляет сопротивление его поступательному движению.[1]

Для этих процессов были разработаны модели.[5] Эти процессы влияют на конструкцию пистолета. Казенная часть и ствол должны выдерживать воздействие газов высокого давления без повреждений. Хотя давление первоначально повышается до высокого значения, давление начинает падать, когда снаряд проходит некоторое расстояние по стволу. Следовательно, дульный конец ствола не должен быть таким же прочным, как конец патронника.[6]

Во внутренней баллистике используются пять общих уравнений:[7]

  1. Уравнение состояния пороха
  2. Уравнение энергии
  3. Уравнение движения
  4. Уравнение скорости горения
  5. Уравнение функции формы

История

До середины 1800-х годов, до развития электроники и необходимой математики (см. Эйлер ) и материаловедение, чтобы полностью понять сосуд под давлением конструкция, внутренняя баллистика не содержала большого количества подробной объективной информации. Стволы и затворы просто должны быть достаточно прочными, чтобы выдержать известную перегрузку (Контрольный тест ), а об изменении дульной скорости можно было догадаться, исходя из пройденного расстояния.[8]

В 1800-х годах начали оснащаться испытательными стволами.[9] В стволе просверливались отверстия со стандартными стальными поршнями, деформирующими стандартную маленькую медную цилиндрическую дробь, которая раздавливалась при выстреле из огнестрельного оружия. Уменьшение длины медного цилиндра используется как показатель пикового давления. Отраслевые стандарты определяют «Медные единицы давления» или «CUP» для огнестрельного оружия под высоким давлением. Аналогичные стандарты применялись к огнестрельному оружию с более низким пиковым давлением, обычно к обычному пистолету, с пулями испытательного цилиндра, сделанными из более легко деформируемых свинцовых цилиндров, отсюда «Свинцовые единицы давления» или «LUP». Измерение показало только максимальное давление, которое было достигнуто в этой точке в стволе.[10] К 1960-м годам также широко использовались пьезоэлектрические тензодатчики. Они позволяют измерять мгновенное давление и не требуют просверливания порта давления в стволе. Совсем недавно, используя передовую телеметрию и датчики повышенной устойчивости к ускорению, инструментальные снаряды были разработаны Армейская исследовательская лаборатория который мог измерять давление в основании снаряда и его ускорение.[11]

Способы грунтования

Основная статья: Праймер (огнестрельное оружие)

На протяжении многих лет было разработано несколько методов воспламенения пороха. Первоначально небольшое отверстие (a сенсорная дыра ) в казенную часть просверливали так, чтобы меткий порох (черный порошок, то же топливо, что и в ружье) можно было залить, и было приложено внешнее пламя или искра (см. фитильный замок и кремневый замок ). Потом, капсюли и автономный патроны имел грунтовки который взорвался после механической деформации, воспламеняя топливо. Другой метод - использование электрического тока для зажигания пороха.

Пропелленты

Черный порошок

Основная статья: Порох

Порох (Черный порошок ) представляет собой тонко измельченный, прессованный и гранулированный механический пиротехнический смесь сера, уголь, и азотнокислый калий или же нитрат натрия. Его можно производить с различными размерами зерен. Размер и форма зерен могут увеличивать или уменьшать относительную площадь поверхности, и значительно изменит скорость горения. Скорость горения черного пороха относительно нечувствительна к давлению, что означает, что он будет гореть быстро и предсказуемо даже без ограничений.[12] что делает его также пригодным для использования в качестве слабого взрывчатого вещества. Он имеет очень низкую скорость разложения и, следовательно, очень низкий бризантность. Это не взрывчатое вещество в самом строгом смысле этого слова, а «дефлагрант», поскольку он не взрывается, а разлагается дефлаграция за счет дозвукового механизма распространения фронта пламени.

Нитроцеллюлоза (одноосновные пропелленты)

Основная статья: Бездымный порох

Нитроцеллюлоза или "пушечный хлопок" образуется под действием азотная кислота на целлюлоза волокна. Это легковоспламеняющийся волокнистый материал, который дефлагрирует быстро при нагревании. Он также горит очень чисто, почти полностью сгорая до газообразных компонентов при высокой температуре. температуры с небольшим количеством дыма или твердых остатков. Желатинизированный нитроцеллюлоза - это пластик, которые могут быть сформированы в цилиндры, трубки, шары или хлопья, известные как однобазовый пропелленты. Размер и форма частиц пороха могут увеличивать или уменьшать относительную площадь поверхности, и значительно изменить скорость горения. К топливу могут быть добавлены добавки и покрытия для дальнейшего изменения скорости горения. Обычно очень быстрые порохи используются для легких пуль или низкоскоростных порохов. пистолеты и ружья, пороха среднего калибра для пистолетов Magnum и легких винтовка и медленные пороха для крупнокалиберных тяжелых винтовочных патронов.[13]

Двухосновные порохи

Основные статьи: Баллистит, Кордит, и Бездымный порох

Нитроглицерин может быть добавлен к нитроцеллюлозе с образованием «двухосновных пропеллентов». Нитроцеллюлоза снижает чувствительность к нитроглицерину, чтобы предотвратить детонацию в гранулах размером с порох (см. динамит ), а нитроглицерин желатинизирует нитроцеллюлозу и увеличивает энергию. Двухосновные порошки горят быстрее, чем одноосновные порошки той же формы, хотя и не так чисто, и скорость горения увеличивается с увеличением содержания нитроглицерина.

В артиллерия, Баллистит или же Кордит использовался в виде стержней, трубок, трубок с прорезями, цилиндров с отверстиями или многотрубок; геометрия выбирается для обеспечения требуемых характеристик горения. (Круглые шары или стержни, например, горят "дегрессивно", потому что их газообразование уменьшается с увеличением площади их поверхности по мере того, как шары или стержни горят меньше; тонкие хлопья горят "нейтрально", так как они горят на своей плоской поверхности до тех пор, пока отщеп полностью сгорает. Продольно перфорированные или многоперфорированные цилиндры, используемые в больших длинноствольных винтовках или пушках, имеют «прогрессивное горение»; поверхность горения увеличивается по мере увеличения внутреннего диаметра отверстий, обеспечивая устойчивое горение и длительное , непрерывное нажатие на снаряд для создания более высокой скорости без чрезмерного увеличения пикового давления. Прогрессивно горящий порох в некоторой степени компенсирует падение давления, поскольку снаряд ускоряется по каналу ствола и увеличивает объем позади него.)[1]

Твердотопливные боеприпасы (безгильзовые боеприпасы)

Недавняя тема исследования была в области "безгильзовые боеприпасы ". В безгильзовом патроне порох отливается как одно сплошное зерно, при этом грунтовочный состав помещается в углубление в основании, а пуля прикрепляется к передней части. Поскольку одно пороховое топливо такое большое (большинство бездымных порохов имеют размер зерна около 1 мм, но безгильзовое зерно будет иметь диаметр 7 мм и длину 15 мм), относительная скорость горения должна быть намного выше. Чтобы достичь такой скорости горения, в безгильзовых порохах часто используются замедленные взрывчатые вещества, такие как Гексоген. Основными преимуществами успешного безгильзового снаряда будет устранение необходимости извлекать и выбрасывать гильзу, что позволяет повысить скорострельность и упростить механизм, а также снизить вес боеприпасов за счет уменьшения веса (и стоимости) латунных или стальной кейс.[14]

Пока есть хоть одна экспериментальная военная винтовка ( H&K G11 ) и одна коммерческая винтовка ( Voere VEC-91 ), которые используют безгильзовые патроны, они не имели большого успеха. Еще одной коммерческой винтовкой была винтовка Daisy VL, изготовленная Daisy Air Rifle Co. и рассчитанная на безгильзовые боеприпасы .22 калибра, которые воспламенялись горячим потоком сжатого воздуха от рычага, используемого для сжатия сильной пружины, как в пневматической винтовке. Безгильзовые боеприпасы, конечно, не перезаряжаются, так как после выстрела не остается гильзы, а открытое топливо делает снаряды менее долговечными. Также корпус в стандартном картридже служит уплотнителем, не позволяющим газу выходить из казенная часть. В безгильзовом оружии должен использоваться более сложный самоуплотняющийся затвор, что увеличивает сложность конструкции и изготовления. Другой неприятной проблемой, общей для всех скорострельных видов оружия, но особенно проблемной для тех, кто стреляет безгильзовыми снарядами, является проблема снарядов "готовить ". Эта проблема вызвана остаточный тепло из патронника нагревает патрон в патроннике до точки, где он воспламеняется, вызывая непреднамеренный разряд.

Чтобы свести к минимуму риск выгорания патрона, пулеметы могут быть спроектированы так, чтобы стрелять с открытого затвора, при этом патрон не имеет патронника до тех пор, пока не будет нажат спусковой крючок, и поэтому у патрона нет шансов приготовиться до того, как оператор будет готов. Такое оружие могло эффективно использовать безгильзовые боеприпасы. Конструкции с открытым затвором вообще нежелательны для чего-либо, кроме пулеметов; масса затвора, движущегося вперед, заставляет ружье крениться при реакции, что значительно снижает точность стрельбы, что обычно не является проблемой для пулеметной стрельбы.

Пороховой заряд

Плотность и постоянство нагрузки

Нагрузка плотность это процент заполненного порошком пространства в гильзе. В общем, нагрузки, близкие к 100% -ной плотности (или даже нагрузки, при которых пуля при посадке в гильзу сжимает порох), воспламеняются и горят более стабильно, чем нагрузки с более низкой плотностью. В картриджах, уцелевших от эпохи черного пороха (например, .45 Кольт, .45-70 Правительство ), гильза намного больше, чем требуется для удержания максимального заряда бездымного пороха высокой плотности. Это дополнительное пространство позволяет пороху перемещаться в гильзе, накапливаясь возле передней или задней части гильзы и потенциально вызывая значительные колебания скорости горения, так как порох в задней части гильзы будет быстро воспламеняться, а порох в передней части гильзы воспламенится позже. Это изменение оказывает меньшее влияние на быстрые порошки. Такие картриджи большой емкости и низкой плотности обычно обеспечивают лучшую точность с самым быстрым подходящим порохом, хотя это снижает общую энергию из-за резкого пика высокого давления.

Пистолетные патроны Magnum меняют этот компромисс мощности / точности за счет использования менее плотных, медленно горящих порохов, которые обеспечивают высокую плотность заряда и широкую кривую давления. Обратной стороной является повышенная отдача и дульная сила взрыва из-за большой массы пороха и высокое дульное давление.

Большинство винтовочных патронов имеют высокую плотность заряда с соответствующими порохами. Винтовочные патроны имеют тенденцию быть узкими, с широким основанием, сужающимся до меньшего диаметра, чтобы удерживать легкую, высокоскоростную пулю. Эти гильзы предназначены для хранения большого количества пороха низкой плотности, что обеспечивает более широкую кривую давления, чем пистолетный патрон Magnum. В этих случаях требуется использование длинного ствола винтовки для достижения максимальной эффективности, хотя они также имеют патроны для винтовочных пистолетов (однозарядных или с затвором) со стволом от 10 до 15 дюймов (от 25 до 38 см).

Одно необычное явление происходит, когда в гильзах винтовок большой емкости используются плотные порохи небольшого объема. Небольшие пороховые заряды, если они не удерживаются плотно рядом с задней частью гильзы. вата, очевидно, может взорвать при воспламенении, иногда вызывая катастрофический провал огнестрельного оружия. Механизм этого явления малоизвестен, и обычно он не встречается, за исключением случаев заряжания с малой отдачей или малой скоростью. дозвуковой патроны для винтовок. Эти снаряды обычно имеют скорость менее 1100 фут / с (320 м / с) и используются для стрельбы в помещении вместе с глушителем или для борьба с вредителями, где мощность и дульная сила выстрела полной мощности не нужны или нежелательны.

Камера

Прямое против узкого места

Гильзы с прямыми стенками были стандартом с самого начала для патронного оружия. Из-за низкой скорости горения черного пороха лучшая эффективность была достигнута с большими тяжелыми пулями, поэтому пуля была самой большой из практичных. диаметр. Большой диаметр позволил получить короткую стабильную пулю с большим весом и максимально практичным каналом ствола. объем для извлечения максимальной энергии из ствола заданной длины. Было несколько патронов с длинными неглубокими конусами, но, как правило, это была попытка использовать существующий патрон для стрельбы меньшей пулей с более высокой скоростью и меньшей отдачей. С появлением бездымные порохи, можно было создать гораздо более высокие скорости, используя медленный бездымный порох в гильзе большого объема, толкая небольшую легкую пулю. Необычный, сильно заостренный 8 мм Лебель, изготовленный путем заточки более старого 11-мм патрона с черным порохом, был представлен в 1886 году, и вскоре за ним последовали 7,92 × 57 мм Маузер и 7 × 57-мм маузер военные снаряды и коммерческие .30-30 Винчестер, все это были новые конструкции, созданные для использования бездымного пороха. Все они имеют отчетливое плечо, которое очень похоже на современные патроны, и, за исключением Lebel, они по-прежнему используются в современном огнестрельном оружии, несмотря на то, что патронам более века.

Соотношение сторон и согласованность

При выборе винтовочного патрона для максимальной точности короткий толстый патрон с очень маленьким конусом гильзы может дать более высокую эффективность и более стабильную скорость, чем длинный тонкий патрон с большим конусом гильзы (отчасти причина узкого горлышка конструкции ).[15] Учитывая текущие тенденции к более коротким и толстым корпусам, например, новые Винчестер Супер Короткий Магнум патроны, кажется, идеальным может быть корпус, приближающийся к сферической внутри.[16] Цель и паразиты охотничьи патроны требуют высочайшей точности, поэтому их гильзы обычно короткие, толстые и почти не заостренные с острыми выступами на гильзе. Короткие толстые футляры также позволяют сделать оружие короткого действия легче и прочнее при том же уровне производительности. Компромисс для этой производительности - толстые патроны, которые занимают больше места в журнал острые плечи, которые не так легко достаются из магазина, и менее надежное извлечение стреляного патрона. По этим причинам, когда надежное кормление важнее точности, как, например, для военных винтовок, предпочтение отдается более длинным гильзам с меньшим углом наклона плеча. Однако даже среди военного оружия наблюдается долгосрочная тенденция к более коротким и толстым корпусам. Электрический ток 7,62 × 51 мм НАТО чехол замена более длинный .30-06 Спрингфилд хороший пример, как и новый 6.5 Грендель картридж, предназначенный для повышения производительности AR-15 семейство винтовок и карабинов. Тем не менее, точность и летальность патрона значительно больше, чем длина и диаметр гильзы, а также 7,62 × 51 мм НАТО имеет меньшую емкость корпуса, чем .30-06 Спрингфилд,[17] уменьшение количества топлива, которое может быть использовано, прямое уменьшение комбинации веса пули и начальной скорости пули, которая способствует летальности (как подробно описано в опубликованных спецификациях патронов, ссылки на которые приведены здесь для сравнения). В 6.5 Грендель, с другой стороны, способен стрелять значительно более тяжелой пулей (см. ссылку), чем пуля 5.56 НАТО из семейства AR-15, лишь с небольшим уменьшением начальной скорости пули, что, возможно, обеспечивает более выгодный компромисс с характеристиками.

Трение и инерция

Статическое трение и зажигание

Поскольку скорость горения бездымного пороха напрямую зависит от давления, начальное повышение давления (т. Е. «Давление начала выстрела») оказывает значительное влияние на конечный результат. скорость, особенно в больших патронах с очень быстрыми порохами и относительно легкими снарядами.[18] В малокалиберном огнестрельном оружии трение удерживая пулю в гильзе, определяет, как скоро после зажигания пуля переместится, и движение пули увеличивает объем и снижает давление, разница в трении может изменить наклон кривой давления. В общем, желательна плотная посадка в пределах опрессовка пуля в гильзу. В гильзах с прямыми стенками и без ободка, таких как .45 ACP, агрессивный обжим невозможен, так как гильза удерживается в камере за горловину гильзы, но размер гильзы подбирается так, чтобы обеспечить герметичность. посадка с натягом с пулей, может дать желаемый результат. В огнестрельном оружии большего калибра давление начала выстрела часто определяется силой, необходимой для первоначальной гравировки снаряда. приводная лента в начало ствола нарезы; гладкоствольный ружья, не имеющие нарезов, достигают давления начала выстрела, первоначально загоняя снаряд в «форсирующий конус», который оказывает сопротивление при сжатии снаряда. обтурация звенеть.

Кинетическое трение

Пуля должна плотно прилегать к каналу ствола, чтобы герметизировать высокое давление горящего пороха. Эта плотная посадка приводит к большой силе трения. Трение пули в канале ствола имеет небольшое влияние на конечную скорость, но это обычно не вызывает большого беспокойства. Большую озабоченность вызывает тепло, возникающее из-за трения. При скорости около 300 м / с (980 фут / с) вести начинает таять и откладываться в сверлить. Это скопление свинца сужает канал ствола, увеличивая давление и снижая точность последующих выстрелов, и его трудно вычистить без повреждения канала ствола. Снаряды, используемые на скоростях до 460 м / с (1500 футов / с), могут использовать воск смазочные материалы на пуле, чтобы уменьшить накопление свинца. При скоростях более 460 м / с (1500 фут / с) почти все пули имеют оболочку. медь, или аналогичный сплав который достаточно мягкий, чтобы не изнашиваться на стволе, но плавится при достаточно высокой температуре, чтобы уменьшить скопление в канале ствола. Накопление меди действительно начинает происходить при выстреле, скорость которого превышает 760 м / с (2500 футов / с), и обычным решением является пропитка поверхности пули дисульфид молибдена смазка. Это уменьшает скопление меди в канале ствола и обеспечивает лучшую долговременную точность. В снарядах большого калибра также используются медные приводные ленты для нарезных стволов для снарядов со стабилизированным вращением; однако снаряды с плавниковой стабилизацией стреляли как из ружейных, так и из гладкоствольных стволов, такие как APFSDS в противобронированных снарядах используются нейлоновые обтюрирующие кольца, которые достаточны для герметизации пороховых газов под высоким давлением, а также минимизируют трение в стволе ствола, обеспечивая небольшой прирост начальной скорости.

Роль инерции

За первые несколько сантиметров пути по каналу ствола пуля достигает значительного процента своей конечной скорости даже для винтовок большой мощности с медленно горящим порохом. В ускорение порядка десятков тысяч тяжести, так что даже снаряд весом в 40 зерен (2,6 г) может обеспечить более 1000 ньютоны (220 фунт-сила ) сопротивления из-за инерция. Таким образом, изменение массы пули оказывает огромное влияние на кривые давления бездымных пороховых патронов, в отличие от патронов с черным порохом. Таким образом, для заряжания или перезарядки бездымных патронов требуется высокоточное оборудование и тщательно отмеренные таблицы данных о заряде для заданных патронов, пороха и веса пули.

Соотношение давление-скорость

Это график из симуляция 5,56 мм НАТО снаряда, стреляющего из 20-дюймового (510-мм) ствола. Горизонтальный ось представляет время, вертикальная ось представляет давление (зеленая линия), путь пули (красная линия) и скорость пули (голубая линия). Значения, показанные вверху, являются пиковыми.

Энергия передается пуле в огнестрельном оружии за счет давления газов, возникающих при горении пороха. В то время как более высокое давление приводит к более высоким скоростям, продолжительность давления также важна. Пиковое давление может составлять лишь небольшую часть времени ускорения пули. Следует учитывать всю продолжительность пути пули через ствол.

Пик против площади

На этом графике показаны разные кривые давления для порошков с разной скоростью горения. Крайний левый график такой же, как и большой график выше. На среднем графике показан порошок со скоростью горения на 25% выше, а на крайнем правом графике показан порошок с меньшей скоростью горения на 20%.

Энергия определяется как способность работать с объектом; например, работа, необходимая для поднятия веса в один фунт, одна нога против силы тяжести определяет фунт энергии (один джоуль равна энергии, необходимой для перемещения тела на расстояние в один метр с помощью одного ньютон силы). Если бы мы изменили график, чтобы отразить силу (давление, оказываемое на основание пули, умноженное на площадь основания пули) как функцию расстояния, площадь под этой кривой была бы полной энергией, переданной пули. пуля. Увеличение энергии пули требует увеличения площади под этой кривой либо за счет повышения среднего давления, либо за счет увеличения расстояния, которое пуля проходит под давлением. Давление ограничено силой огнестрельного оружия, а продолжительность - длиной ствола.

Конструкция пороха

Порохы тщательно подбираются в зависимости от прочности огнестрельного оружия, объема патронника и длины ствола, а также материала пули, веса и размеров.[19] Скорость газообразования пропорциональна площади поверхности горящих зерен пороха в соответствии с Закон Пиоберта. Прогрессирование горения от поверхности к зернам объясняется теплопередача с поверхности энергии, необходимой для инициирования реакции.[20] Реакции бездымного пороха происходят в серии зон или фаз по мере того, как реакция протекает с поверхности в твердое тело. Самая глубокая часть твердого тела, испытывающего теплопередачу, плавится и начинает фазовый переход от твердого тела к газу в зона пены. Газообразное топливо разлагается на более простые молекулы в окружающей среде. зона газировки. Эндотермический преобразования в зона пены и зона газировки требуют энергии, первоначально обеспечиваемой грунтовкой, а затем высвобождаемой в светящемся внешнем зона пламени где более простые молекулы газа реагируют с образованием обычных продуктов сгорания, таких как пар и монооксид углерода.[21]

Скорость теплопередачи бездымного топлива увеличивается с давлением; поэтому скорость газообразования из заданной площади поверхности зерна увеличивается при более высоких давлениях.[20] Ускорение газообразования из быстро горящих порохов может быстро создать разрушительно высокий всплеск давления до того, как движение пули увеличит реакционный объем. И наоборот, топливо, рассчитанное на минимальное давление теплопередачи, может перестать разлагаться на газообразные реагенты, если движение пули снижает давление до того, как будет израсходовано медленно горящее топливо. Несгоревшие частицы пороха могут остаться в стволе, если выделяется энергия. зона пламени не может поддерживаться в результате отсутствия газообразных реагентов из внутренних зон.[21]

Выгорание пороха

Другой вопрос, который следует учитывать при выборе скорости горения пороха, - это время, необходимое пороху для полного сгорания, по сравнению со временем, которое пуля находится в стволе.Внимательно посмотрев на левый график, можно увидеть изменение кривой примерно на 0,8 мс. Это точка, в которой порошок полностью сгорает и новый газ не образуется. С более быстрым порошком, Выгореть возникает раньше, а с более медленным порошком - позже. Горючее, которое не сгорает, когда пуля достигает дульного среза, тратится впустую - оно не добавляет энергии пуле, но добавляет к отдаче и дульному взрыву. Для максимальной мощности порох должен гореть до тех пор, пока пуля не достигнет дульного среза.

Поскольку бездымный порох горит, а не детонирует, реакция может происходить только на поверхности пороха. Бездымные порохи бывают разных форм, которые служат для определения скорости их горения, а также того, как скорость горения изменяется при горении пороха. Самая простая форма - это порошок шарика, который имеет форму круглых или слегка приплюснутых сфер. Шариковый порошок имеет сравнительно небольшое отношение площади поверхности к объему, поэтому он горит сравнительно медленно, и по мере горения площадь его поверхности уменьшается. Это означает, что по мере горения порошка скорость горения замедляется.

В какой-то степени это можно компенсировать использованием замедленный покрытие на поверхности порошка, которое снижает начальную скорость горения и выравнивает скорость изменения. Порошки для мячей обычно представлены в виде медленных пистолетных порохов или быстрых порохов для ружей.

Порошки в виде чешуек имеют форму плоских круглых чешуек, которые имеют относительно высокое отношение площади поверхности к объему. Чешуйчатые порошки имеют почти постоянную скорость горения и обычно имеют форму быстрого пистолета или дробовик порошки. Последняя распространенная форма - это экструдированный порошок, который имеет форму цилиндра, иногда полого. Экструдированные порошки обычно имеют более низкое соотношение нитроглицерина к нитроцеллюлозе и часто горят постепенно, то есть горят быстрее по мере горения. Экструдированные порохи обычно представляют собой порохы среднего и медленного действия.

Проблемы с дульным давлением

Из графиков давления видно, что остаточное давление в стволе на выходе пули довольно высокое, в данном случае более 16 кПи / 110 МПа / 1100 бар. Хотя удлинение ствола или уменьшение количества порохового газа уменьшит это давление, это часто невозможно из-за размеров огнестрельного оружия и минимально необходимой энергии. Орудия для ближней стрельбы обычно имеют патроны калибра .22 Long Rifle или .22 Short, которые имеют очень маленькую емкость пороха и низкое остаточное давление. Когда для стрельбы на дальние дистанции, охоты или противопехотной стрельбы требуются более высокие энергии, высокое дульное давление становится неизбежным злом. При таком высоком дульном давлении увеличивается вспышка и шум от дульного взрыва, а из-за использования больших пороховых зарядов увеличивается отдача. Отдача включает реакцию, вызываемую не только пулей, но и массой пороха и скоростью (с остаточными газами, действующими как выхлоп ракеты). Однако для дульный тормоз чтобы быть эффективным, должно быть значительное дульное давление.

Общие проблемы

Диаметр отверстия и передача энергии

Огнестрельное оружие во многих отношениях похоже на поршневой двигатель на рабочий ход. Имеется определенное количество газа под высоким давлением, и энергия извлекается из него, заставляя газ перемещать поршень - в этом случае снаряд является поршнем. Рабочий объем поршня определяет, сколько энергии может быть извлечено из данного газа. Чем больший объем перемещается поршнем, тем ниже выхлоп давление (в данном случае дульное давление). Любое остаточное давление в дульной части или в конце рабочего такта двигателя означает потерю энергии.

Таким образом, чтобы извлечь максимальное количество энергии, рабочий объем увеличивается. Сделать это можно одним из двух способов - увеличить длину ствола или увеличить диаметр снаряда. Увеличение длины ствола линейно увеличивает рабочий объем, а увеличение диаметра увеличивает рабочий объем как квадрат диаметра. Поскольку длина ствола ограничена практическими соображениями относительно длины руки для винтовки и намного короче для ручного огнестрельного оружия, увеличение диаметра канала ствола является нормальным способом повышения эффективности патрона. Предел диаметра отверстия обычно составляет секционная плотность снаряда (см. внешняя баллистика ). Пули большего диаметра и того же веса имеют гораздо больше тащить, и поэтому они быстрее теряют энергию после выхода из ствола. Как правило, в большинстве пистолетов используются пули калибра от .355 (9 мм) до .45 (11,5 мм), в то время как большинство винтовок обычно имеют калибр от .223 (5,56 мм) до .32 (8 мм). Конечно, есть много исключений, но пули в указанных диапазонах обеспечивают наилучшие универсальные характеристики. Пистолеты используйте пули большего диаметра для большей эффективности при стрельбе из коротких стволов и допускайте потерю скорости на больших дистанциях, поскольку пистолеты редко используются для стрельбы на большие расстояния. Пистолеты, предназначенные для стрельбы на дальние дистанции, обычно ближе к укороченным винтовкам, чем к другим пистолетам.

Отношение метательного заряда к массе снаряда

Еще одна проблема при выборе или разработке патрона - это отдача. Отдача - это реакция не только выпущенного снаряда, но и порохового газа, который вылетает из ствола со скоростью даже выше, чем у пули. Для пистолетных патронов с тяжелыми пулями и легкими пороховыми зарядами (a 9 × 19 мм (например, можно использовать 5 гран (320 мг) пороха и пулю 115 гран (7,5 г)), отдача пороха не является значительной силой; для винтовочного патрона ( .22-250 Ремингтон при использовании 40 гран (2,6 г) пороха и 40 гран (2,6 г) пули) порох может составлять большую часть силы отдачи.

Есть решение проблемы отдачи, хотя и не без затрат. А дульный тормоз или компенсатор отдачи - это устройство, которое перенаправляет пороховой газ у дульного среза, обычно вверх и назад. Это действует как ракета, толкая дуло вперед и вниз. Толчок вперед помогает нейтрализовать ощущение отдачи от снаряда, вытягивая оружие вперед. С другой стороны, толчок вниз помогает противодействовать вращению, вызванному тем фактом, что у большинства огнестрельного оружия ствол установлен над центр гравитации. Открытые боевые орудия, крупнокалиберные винтовки с большой мощностью, дальнобойные пистолеты под патрон для винтовочных боеприпасов и стрелкового оружия, предназначенного для точной скоростной стрельбы, все имеют дульные тормоза.

В высокомощном огнестрельном оружии дульный тормоз используется в основном для уменьшения отдачи, что снижает броски стрелка из-за сильной отдачи. Пистолеты для боевой стрельбы перенаправляют всю энергию вверх, чтобы противодействовать вращению отдачи, и делают последующие выстрелы быстрее, оставляя пистолет на цели. Недостатком дульного тормоза является более длинный и тяжелый ствол, а также большое увеличение уровня шума и вспышки за дульной частью винтовки. Стрельба из огнестрельного оружия без дульного тормоза и без средств защиты органов слуха может в конечном итоге повредить слух оператора; однако стрельба из винтовок с дульным тормозом - со средствами защиты слуха или без них - приводит к необратимому повреждению ушей.[22] (Видеть дульный тормоз подробнее о недостатках дульных тормозов.)

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

Характеристики точности и диаметра ствола

Практически все малокалиберное огнестрельное оружие, за исключением дробовиков, имеет нарезные стволы. Нарезы придают пуле вращение, что предотвращает ее кувырок в полете. Нарезы обычно имеют вид канавок с острыми краями, нарезанных как спирали по оси канала ствола от 2 до 16. Области между бороздками известны как земли.

Другая система, полигональные нарезы, придает отверстию многоугольное поперечное сечение. Полигональные нарезы не очень распространены, используются лишь немногими Европейский производителей, а также американского производителя оружия Kahr Arms. Компании, использующие многоугольные нарезы, заявляют о большей точности, меньшем трении и меньшем накоплении свинца и / или меди в стволе. Однако в большинстве соревновательного огнестрельного оружия используются традиционные нарезы с плоскими и желобчатыми нарезами, поэтому преимущества многоугольных нарезов не доказаны.

Есть три распространенных способа нарезки ствола и одна новая технология:

  • Самый простой - использовать одноточечный резак, протягиваемый по каналу ствола машиной, которая тщательно контролирует вращение режущей головки относительно ствола. Это самый медленный процесс, но, поскольку он требует самого простого оборудования, его часто используют на заказ. оружейники, и может привести к очень точным стволам.
  • Следующий метод - пуговичная нарезка. В этом методе используется умереть с негативным изображением нарезов. Эта матрица опускается по стволу при осторожном вращении и обжимает внутреннюю часть ствола. Это «прорезает» все канавки сразу (на самом деле это не режет металл), и поэтому выполняется быстрее, чем нарезание нарезов. Недоброжелатели утверждают, что процесс оставляет значительные остаточный стресс в стволе, но мировые рекорды были установлены для стволов с пуговичной нарезкой, так что опять же нет явного недостатка.
  • Последний распространенный метод - молоток. ковка. В этом процессе расточенный ствол немного увеличенного размера помещается вокруг оправка который содержит негативное изображение всей длины нарезного ствола. Ствол и оправка вращаются и забивают молотками, которые одновременно образуют внутреннюю часть ствола. Это самый быстрый (и, в конечном итоге, самый дешевый) метод изготовления ствола, но оборудование непомерно дорогое для всех, кроме крупнейших производителей оружия. Стволы, изготовленные из кованой ковки с молотком, производятся строго серийно, поэтому они, как правило, не обладают высокой точностью в том виде, в котором они были произведены, но с помощью некоторой осторожной ручной работы их можно заставить стрелять намного лучше, чем способно большинство стрелков.
  • Новый метод, применяемый при производстве стволов, - это электрическая обработка в виде Электроэрозионная обработка (EDM) или Электрохимическая обработка (ECM). Эти процессы используют электричество для эрозии материала, процесс, который обеспечивает стабильный диаметр и очень гладкую поверхность с меньшими нагрузками, чем другие методы нарезки. Электроэрозионный электроэрозионный станок очень дорог и в основном используется для крупнокалиберных и длинных стволов пушка, где традиционные методы очень сложны,[23] в то время как ECM используется некоторыми небольшими производителями стволов.[24]

Назначение ствола - обеспечить постоянное тюлень, позволяя пуле разгоняться до постоянной скорости. Он также должен давать правильное вращение и выпускать пулю последовательно, идеально. концентрический к каналу ствола. Остаточное давление в отверстии должно быть сброшено. симметрично, так что ни одна сторона пули не получит больше или меньше толчка, чем остальные. Дульная часть ствола является наиболее важной частью, так как это часть, которая контролирует выпуск пули. Некоторые костры и пневматическое оружие на самом деле иметь небольшой сужение, называется удушение, в стволе у ​​дульного среза. Это гарантирует надежную фиксацию пули непосредственно перед выпуском.

Чтобы обеспечить хорошую герметичность, канал ствола должен быть очень точным и постоянным диаметром или иметь небольшое уменьшение диаметра от казенной части к дульной части. Любое увеличение диаметра канала ствола позволит пуле сместиться. Это может привести к утечке газа мимо пули, влияющей на скорость, или к опрокидыванию пули, так что она больше не будет идеально коаксиальный с отверстием. Бочки высокого качества притертый удалить любые сужения в отверстии, которые могут привести к изменению диаметра.

Процесс притирки, известный как "огонь притирка "использует свинцовую" пулю ", которая немного больше диаметра ствола и покрыта мелким абразивный сложный вырезать перетяжки. Пуля проходит от казенной части к дульной части, так что, встречая сужения, он срезает их и не режет на участках, превышающих сужение. Выполняется много проходов, и по мере того, как отверстие становится более однородным, используются более мелкие сорта абразивного состава. В результате получается зеркально гладкий ствол с ровным или слегка сужающимся каналом ствола. В технике ручной притирки используется деревянный или мягкий металлический стержень для протягивания или проталкивания пули через канал ствола, в то время как в более новой технике притирки используются специально заряженные маломощные патроны для проталкивания покрытых абразивом пуль из мягкого свинца в ствол.

Еще одна проблема, которая влияет на удержание пули стволом, - это нарезы. При выстреле пуля попадает в нарезы, которые режут или "гравирует "поверхность пули. Если нарезы являются постоянным скручиванием, тогда нарезы едут в канавках, выгравированных на пуле, и все надежно и герметично. Если нарезы имеют уменьшающуюся скручивание, тогда угол изменения нарезов выгравированные канавки пули приводят к тому, что нарезы становятся уже, чем канавки. Это позволяет пропускать газ и ослабляет удержание пули на стволе. Однако при увеличении поворота нарезы становятся шире, чем канавки в пуля, сохраняющая пломбу. При нарезном стволе пустой выбрано для ружья, тщательное измерение неизбежных изменений при изготовлении может определить, изменяется ли крутка нарезов, и поместить конец с более высокой крутизной на дульный срез.

Дуло ствола - последнее, что касается пули, прежде чем она перейдет в баллистический полет, и как таковая имеет наибольший потенциал, чтобы нарушить полет пули. Дульная часть должна обеспечивать симметричный выход газа из ствола; любой асимметрия вызовет неравномерное давление на основание пули, что нарушит ее полет. Дульный конец ствола называют «короной», и обычно это либо скошенный или утоплен, чтобы защитить его от ударов и царапин, которые могут повлиять на точность. Признаком хорошей короны будет симметричный звездчатый узор на дульном конце ствола, образованный сажа оседает при выходе пороховых газов из ствола. Если звезда неровная, то это признак неровной короны, неправильного ствола.

Прежде чем ствол сможет последовательно выпускать пулю, он должен последовательно удерживать пулю. Часть ствола между тем местом, где пуля выходит из патрона и входит в нарезку, называется «горловиной», а длина горловины равна свободный ствол. В некотором огнестрельном оружии свободный канал ствола практически отсутствует - при доработке патрона пуля попадает в нарезы. Это обычное явление для маломощных винтовок с кольцевым воспламенением. Размещение пули в нарезке обеспечивает быстрый и стабильный переход между патроном и нарезкой. Обратной стороной является то, что патрон прочно удерживается на месте, и попытка извлечь необожженный патрон может быть затруднена, вплоть до того, что в крайних случаях пуля даже вытащится из патрона.

У патронов большой мощности есть дополнительный недостаток короткого ствола. Чтобы выгравировать пулю, требуется значительное усилие, и это дополнительное сопротивление может немного поднять давление в патроннике. Чтобы смягчить этот эффект, более мощные винтовки, как правило, имеют больший свободный ствол, так что пуля может получить некоторый импульс, а давление в патроннике может немного снизиться до того, как пуля войдет в нарезку. Обратной стороной является то, что пуля попадает в нарезы уже в движении, и любое небольшое смещение может привести к опрокидыванию пули, когда она входит в нарезку. Это, в свою очередь, означает, что пуля не выходит из ствола соосно. Количество ствола зависит как от ствола, так и от патрона. Изготовитель или оружейник, выполняющий резку патронника, определит расстояние между горловиной гильзы и нарезкой. Установка пули дальше вперед или назад в патроне может уменьшить или увеличить количество свободного ствола, но только в небольшом диапазоне. Тщательное испытание с помощью заряжающего боеприпаса может оптимизировать количество свободного ствола для максимальной точности, сохраняя при этом пиковое давление в определенных пределах.

Проблемы с револьвером

Определяющая характеристика револьвер это вращающийся цилиндр, отдельный от ствола, в котором находятся камеры. Револьверы обычно имеют от 5 до 10 камер, и первая проблема заключается в обеспечении согласованности между камерами, потому что, если они не соответствуют друг другу, точка удара будет варьироваться от камеры к камере. Камеры также должны совпадать со стволом, чтобы пуля входила в ствол одинаково из каждой камеры.

Горловина в револьвере является частью цилиндра, и, как и в любой другой патроннике, горловина должна иметь такой размер, чтобы она была концентричной по отношению к патроннику и немного превышала диаметр пули. Однако в конце концов все меняется. Во-первых, длина горловины револьвера по крайней мере равна максимальной общей длине патрона, иначе цилиндр не сможет вращаться. Следующим шагом является зазор цилиндра, пространство между цилиндром и стволом. Он должен быть достаточно широким, чтобы обеспечить свободное вращение цилиндра, даже когда он загрязняется остатками порошка, но не настолько большим, чтобы выделялся избыточный газ. Следующим шагом является нагнетательный конус. Конус форсирования - это место, где пуля направляется из цилиндра в канал ствола. Он должен быть концентрическим по отношению к каналу ствола и достаточно глубоким, чтобы пуля вошла в канал без значительной деформации. В отличие от винтовок, у которых резьбовая часть ствола находится в патроннике, резьба ствола револьвера окружает казенную часть канала ствола, и возможно, что канал ствола будет сжат при ввинчивании ствола в рамку. Обрезка более длинного конуса отжима может уменьшить эту «точку сужения», как и притирка ствола после его установки на раму.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c Армия (февраль 1965 г.), Внутренняя баллистика орудий (PDF), Руководство по инженерному проектированию: серия по баллистике, Командование материальной частью армии США, стр. 1-2, AMCP 706-150
  2. ^ http://www.merriam-webster.com/dictionary/ballistics
  3. ^ Элементы инженерного вооружения, часть вторая, баллистика, AMCP 706-107, 1963 г.
  4. ^ Хэтчер, Джулиан С. (1962), Записная книжка Хэтчера (Третье изд.), Гаррисбург, Пенсильвания: Stackpole Company, стр. 396, г. ISBN  978-0-8117-0795-4
  5. ^ НАТО (22 мая 2000 г.), Термодинамическая внутренняя баллистическая модель с глобальными параметрами (PDF), Соглашения по стандартизации НАТО (2-е изд.), Организация Североатлантического договора, STANAG 7367[постоянная мертвая ссылка ]
  6. ^ Baer, ​​Paul G .; Франкла (декабрь 1962 г.), Моделирование внутренних баллистических характеристик орудий с помощью цифровой компьютерной программы, Абердинский испытательный полигон, Мэриленд: Лаборатории баллистических исследований, Отчет BRL № 1183
  7. ^ Армия 1965 г., п. 2-3
  8. ^ Эд Сандифер (декабрь 2006 г.). "Как это сделал Эйлер, кривые ядра" (PDF). MAA Online.
  9. ^ Испытание огнестрельного оружия: измерение давления в камере
  10. ^ Армия 1965 г., Глава 4
  11. ^ Разработка носителя для снарядов с высокой перегрузкой с телеметрией, Армейская исследовательская лаборатория, 2012 г.
  12. ^ Косанке, Бонни Дж. (2002), «Избранные пиротехнические публикации К. Л. и Б. Дж. Косанке: с 1998 по 2000 годы», Журнал пиротехники: 34–45, ISBN  978-1-889526-13-3
  13. ^ "График скорости сжигания порошка". Архивировано из оригинал на 2007-03-28.
  14. ^ Безгильзовое стрелковое оружие. Хорошее, плохое и уродливое, (Schatz), NDIA Joint Armaments Conference 2012.
  15. ^ Де Хаас, Франк; Уэйн Ван Зволл (2003). «Короткий рост, большая дальность». Винтовки с болтовым затвором - 4-е издание. Публикации Краузе. С. 636–643. ISBN  978-0-87349-660-5.
  16. ^ Крейг Боддингтон. "Революция коротких журналов". Архивировано из оригинал 16 марта 2010 г.
  17. ^ Емкость гильзы картриджа
  18. ^ Внутренняя баллистика высокоскоростных орудий, версия 2, Руководство пользователя, Исследовательская лаборатория баллистики армии США, 1987 г.
  19. ^ Хорнади, Дж. (1967). Справочник Hornady по перезарядке патронов. Гранд-Айленд, Небраска: Производственная компания Hornady. п. 30.
  20. ^ а б Рассел, Майкл С. (2009). Химия фейерверков. Королевское химическое общество. п. 45. ISBN  0-85404-127-3.
  21. ^ а б «Свойства пороха» (PDF). Nevada Aerospace Science Associates. Получено 19 июля 2014.
  22. ^ Альфин, Артур Б. (1996). Любой снимок, который вы хотите (Первое изд.). На целевом прессе. С. 174–175. ISBN  0-9643683-1-5.
  23. ^ "Изготовление стволов для пневматического оружия". Пневматические пистолеты Quackenbush. Получено 21 сентября 2010.
  24. ^ "БУФЕРЫ ОТВЕРСТИЯ, СОХРАНЯЮЩИЕ КАДР Что они делают." NoRecoil.com. Получено 21 сентября 2010.

внешняя ссылка