Внутренняя баллистика
Основная задача внутренней баллистики заключается в определении давления пороховых газов и скорости движения пули в различных точках канала ствола, которые необходимы для расчета параметров ствола, веса пули и величины порохового заряда, чтобы получить требуемые результаты при выстрела.
Понятие выстрела
Выстрелом называется выбрасывание пули из канала ствола оружия энергией пороховых газов.
Процесс выстрела заключается в следующем. Ударник, получив энергию от курка или непосредственно от боевой пружины, ударяет бойком по капсюлю-воспламенителю патрона и сжимает ударный состав между колпачком капсюля-воспламенителя и наковальней гильзы. От удара бойка взрывается ударный состав капсуля-воспламенителя и возникает пламя, которое через затравочные отверстия в дне гильзы проникает к пороховому заряду и воспламеняет его.
Сгорая, пороховой заряд образует большое количество сильно нагретых газов, которые создают в канале ствола высокое давление на стенки ствола, стенки, дно гильзы и дно пули. При сгорании пороха объем газов примерно в 900 раз превышает объем порохового заряда. Увеличение объема пороховых газов повышает давление.
Под давлением пороховых газов на дно пуля сдвигается с места и врезается в нарезы канала ствола; вращаясь по ним, продвигается по каналу ствола с непрерывно возрастающей скоростью и выбрасывается наружу по направлению оси канала ствола.
Одновременно возникает противоположная сила от давления пороховых газов на дно гильзы, которая вызывает движение оружия назад. Эта сила называется силой отдачи. В неавтоматическом оружии эта сила гасится рукой или плечом стрелка. В автоматическом оружии часть этой силы используется для работы автоматики.
От давления газов на стенки гильзы и ствола происходит растяжение (упругая деформация), и гильза, плотно прижимаясь к стенкам патронника, препятствует прорыву пороховых газов в сторону затвора, т.е. создается полная обтюрация газов.
Одновременно возникает колебательное движение (вибрация) ствола и происходит его нагревание. Раскаленные газы, истекающие из канала ствола вслед за пулей, мгновенно расширяются и при встрече с воздухом порождают пламя и ударную волну, которая является источником звука при выстреле.
На основании всего выше сказанного можно заключить, что стрелковое оружие с физической точки зрения представляет собой термодинамическую машину, в которой химическая энергия порохового заряда преобразуется в тепловую энергию пороховых газов, а затем в кинетическую энергию системы «пуля — оружие».
Превращение происходит за весьма короткий промежуток времени (1-10 мс) и сопровождается высокой температурой (до 3000 °С) и давлением (до 300 МПа и более) пороховых газов.
Периоды выстрела.
В явлении выстрела различают следующие периоды.
Предварительный период, или период форсирования. Воспламенившийся порох начинает свое горение, которое протекает в постоянном объеме. Он длится от момента воспламенения порохового заряда до начала движения пули, ее врезания в нарезы направляющей части ствола. За этот период давление газов Р характеризуется нарастанием давления в каморе от 0 до величины Ро, достаточным для того, чтобы сдвинуть пулю с места. Она своей оболочкой врезается в нарезы канала ствола на полную глубину. Давление Ро называется давлением форсирования.
Давление форсирования тем выше, чем более прочно сидит пуля в гильзе. Это способствует более полному сгоранию порохового заряда (что важно для короткоствольного оружия), а более полное сгорание порохового заряда способствует получению большей скорости пуле. Это очень хорошо учтено в револьверных патронах «наган».
Первый, основной, термодинамический период характеризуется движением пули по нарезам до момента полного сгорания порохового заряда. Из теории порохов известно, что чем больше давление, тем быстрее сгорают зерна пороха.
В этот период горение порохового заряда идет в быстро изменяющемся объеме. В начале периода, когда скорость движения пули по каналу ствола невелика, количество газов растет быстрее, чем объем запульного пространства, давление газов быстро повышается и достигает наибольшей величины Рмакс. Это давление называется максимальным давлением. В стрелковом оружии оно достигает до 300 МПа и более.
Для конструктора максимальное значение давления имеет важное значение. По нему рассчитывают прочность всего оружия, а ствол в этом участке делают утолщенным. После достижения максимального давления вследствие быстрого увеличения скорости движения пули объем запульного пространства увеличивается быстрее притока новых газов и давление начинает падать, достигая значения Рк.
Второй термодинамический период продолжается от момента сгорания порохового заряда до выхода пули задульный срез. Движение пули происходит под действием расширяющихся (без притокановых) пороховых газов.
Давление у дульного среза достигает величины Рд, а скорости Ук. В силу интенсивности горения пороха давление в канале ствола растет и пуля совершает свое перемещение по каналу ствола с непрерывно нарастающей скоростью, даже когда окончится период горения порохового заряда.
Увеличение скорости пули происходит за счет имеющегося давления и расширения газов. Спад давления в этот период идет довольно быстро и давление у дульного среза составляет Ра = 60-20 МПа.
Давление у дульного среза называется дульным давлением. Энергия движения пули у дульного среза ствола называется начальной, или дульной, энергией. Величина ее имеет немаловажное значение, и поэтому всегда указывается в характеристиках оружия.
Скорость движения пули у дульного среза называется начальной скоростью. Она измеряется в метрах в секунду (м/с), обычно обозначается Vo и является одной из важнейших характеристик боевых свойств оружия.
В третьем периоде, или периоде последействия, осуществляется действие пороховых газов на пулю после вылета ее из канала ствола.
Несмотря на то, что после сгорания основной массы порохового заряда давление в канале ствола начинает падать, к моменту прохождения пулей дульного среза оно еще достаточно высоко, чтобы воздействовать на нее некоторое время за пределами канала ствола.
Газы, вытекающие из канала ствола со скоростью, большей скорости движения пули на расстоянии от сантиметров до нескольких метров, оказывают давление на дно пули и увеличивают скорость ее полета (примерно на 6 м/с) до тех пор, пока давление пороховых газов на дно пули не уравновесится сопротивлением воздуха. В конце этого периода пуля имеет наибольшую скорость полета.
Раскаленные частицы несгоревшего пороха и газы, покидающие канал ствола вслед за пулей, создают пламя и звук. Причиной звука выстрела является ударная волна, возникающая от быстрого расширения газов после выброса их вслед за пулей из канала ствола. Основной поток пороховых газов устремляется вслед за пулей под высоким давлением и температурой со скоростью, превышающей в несколько раз скорость пули.
В этот момент окружающий воздух резко сжимается, образуя мощную воздушную волну - звук выстрела (с уровнем до 130 дБ). Второй по важности причиной звука выстрела является баллистическая волна, образующаяся в результате встречи пули с воздушной средой и действующая со звуком высокой частоты. Звук от баллистической волны уменьшается по мере снижения скорости пули и пропадает совсем, как только скорость пули становится меньше скорости распространения звука в воздухе (скорость звука в воздухе при 0°С - 330 м/с).
Энергия порохового заряда тратится примерно следующим образом: 25-30% затрачивается на сообщение пуле необходимой начальной скорости, 15-20% на врезание пули в нарезы и преодоление трения пули о стенки канала ствола, а также перемещения несгоревших частиц пороха.
Не вдаваясь в подробности, можно сказать, что примерно 40% энергии теряется после вылета пули из канала ствола.
Внешняя баллистика
Внешняя баллистика основывается на законах механики, тесно связана с аэродинамикой, гравиметрией и теорией фигуры Земли. Баллистический расчет дает все основные данные о траектории и характеристиках движения пули, исходя из которых можно судить о необходимых параметрах для личного оружия.
Основные определения
Приступая к изложению вопросов, относящихся к движению пули в воздухе, прежде всего установим необходимые определения.
Траектория - это путь, по которому движется центр тяжести пули. За начало траектории принимают центр дульного среза в момент вылета пули из канала ствола.
Точка вылета - пересечение оси канала ствола с дульной плоскостью.
Горизонт оружия - горизонтальная плоскость, проходящая через точку вылета.
Линия возвышения - это линия, являющаяся продолжением оси канала ствола.
Угол возвышения - угол между линией возвышения и горизонтом оружия.
Линия бросания - прямая, служащая продолжением оси канала ствола в момент вылета пули.
Угол бросания - угол между линией бросания и горизонтом оружия.
Угол вылета - угол между линией возвышения и линией бросания.
Точка падения - точка пересечения траектории с горизонтом оружия.
Вершина траектории - наивысшая точка траектории.
Высота траектории - расстояние от вершины траектории до горизонта оружия.
Восходящая ветвь траектории - часть траектории, которая заключена между точкой вылета и вершиной траектории.
Нисходящая ветвь траектории - часть траектории, заключенная между вершиной траектории и точкой встречи.
Точка прицеливания - точка, в которую наводят прицельные приспособления.
Линия прицеливания - прямая, проходящая через глаз стрелка, мушку и точку прицеливания.
Угол места цели - угол между линией прицеливания и горизонтом оружия.
Точка встречи - точка пересечения траектории с поверхностью цели.
Угол встречи - угол между касательной к траектории и касательной к поверхности цели в точке встречи.
Прямой выстрел - выстрел, при котором траектория полета пули не поднимается над линией прицеливания выше цели на всем своем протяжении. Прямой выстрел позволяет использовать постоянный прицел. Именно в зоне прямого выстрела используется личное оружие.
Полет пули
Рассмотрим теперь, что происходит с пулей после того, как она покинет канал ствола.
На пулю, вылетевшую из канала ствола, действуют три силы:
■ сила инерции, полученная от порохового заряда, которая придала пуле определенную начальную скорость;
■ сила земного притяжения, которая зависит от величины массы пули - силы тяжести
пули;
■ сила сопротивления воздуха.
Сила тяжести направлена вертикально вниз и постепенно снижает траекторию пули. Воздушная среда оказывает сопротивление движению пули, отражающееся на ее скорости. Причины, вызывающие появление силы сопротивления:
■ пуля при движении раздвигает частицы воздуха, следовательно, часть ее энергии расходуется на преодоление сил сцепления частиц воздуха;
■ при движении пули часть ее энергии расходуется на приведение в движение частиц воздуха впереди головной части пули;
■ частицы воздуха во время движения пули скользят по ее поверхности; при этом возникает сила трения, на преодоление которой тоже расходуется часть энергии пули;
■ позади пули во время ее движения получается разреженное пространство, увеличивающее силу сопротивления воздуха.
Совокупность влияний на пулю перечисленных факторов составляет силу сопротивления воздуха, действующую на пулю во время полёта. Для нас вызывает интерес второй фактор.
При полете пуля сталкивается с частицами воздуха и заставляет их колебаться. Это вызывает уплотнение воздуха перед пулей и образование звуковых волн. Напомним, что скорость звука в сухом воздухе составляет 330 м/с. Если скорость пули меньше скорости звука, эти волны незначительно влияют на полет пули, но если она выше, то от набегания волн друг на друга создается баллистическая волна сильно уплотненного воздуха. Вот она-то значительно замедляет полет пули.
Сила сопротивления воздуха зависит от скорости полета пули; от ее формы; массы; калибра; поверхности; плотности воздуха. От увеличения плотности воздуха, калибра пули и ее скорости сопротивление воздуха возрастает, а чем глаже поверхность пули, тем меньше сила трения и сила сопротивления воздуха.
Для нарезного оружия, имеющего сверхзвуковые скорости, у пуль оптимальной формой является форма с удлиненной головной частью, а форма хвостовой части не имеет значения. При дозвуковой скорости целесообразно иметь удлиненную хвостовую часть, сужающуюся к концу.
Рассмотрим теперь, как ведет себя пуля при полете в воздушном пространстве. Введем два понятия - равнодействующую всех сил, образующих сил сопротивления воздуха, и точку ее приложения к пуле - центр сопротивления. Если бы пуля двигалась все время головной частью вперед, то сила сопротивления была бы направлена по оси пули от головной ее части к хвостовой. Такой случай на практике будет, когда пуля выстрелена вертикально вверх.
Продолговатая невращающаяся пуля при вылете из канала ствола под действием вылетающих вслед за ней газов, получив от них толчок, будет двигаться так, что ее ось несколько отклонится от направления движения (от касательной к траектории). В результате одна сторона окажется более подверженной силе сопротивления воздуха, чем другая. Так как центр сопротивления лежит впереди центра тяжести, то пуля будет опрокидываться. Чтобы избежать этого, ей придают вращение с помощью нарезов.
В этом случае происходит следующее. Сила сопротивления воздуха стремится повернуть пулю головной частью вверх и назад. Но головная часть пули в результате быстрого вращения отклонится не вверх, а весьма незначительно в сторону своего вращения под прямым углом к направлению действия силы сопротивления воздуха, т. е. вправо. Как только головная часть пули отклонится вправо, изменится направление силы сопротивления воздуха - она стремится повернуть головную часть пули вправо и назад, но поворот головной части пули произойдет не вправо, а вниз и т. д. Так как действие силы сопротивления воздуха непрерывно, а направление ее относительно пули меняется с каждым отклонением оси пули, то головная часть пули описывает окружность, а ее ось - конус вокруг касательной к траектории с вершиной в центре тяжести, и пуля летит головной частью вперед. В результате вращательного движения пули и действия на нее силы сопротивления воздуха и силы тяжести происходит отклонение пули от плоскости стрельбы в сторону ее вращения.
Отклонение пули от плоскости стрельбы в сторону ее вращения называется деривацией.
Основные свойства траектории
Исследования траектории пули в воздухе показывают:
■ восходящая ветвь траектории длиннее и отложе нисходящей ветви;
■ угол падения больше угла бросания;
■ скорость пули в точке падения меньше начальной;
■ наименьшая скорость полета пули при стрельбе под большими углами бросания - на нисходящей ветви траектории, а при стрельбе под небольшими углами бросания - в точке падения;
■ угол наибольшей дальности меньше 45°;
■ время движения пули по восходящей ветви меньше времени движения по нисходящей ветви траектории;
■ траектория вращающейся пули под действием силы тяжести и деривации представляет собой линию двоякой крутизны. В плоскости стрельбы имеет две ветви и первую крутизну, при виде сверху (в плане), в силу деревации - отлогую кривую, обращенную выпуклостью в сторону к плоскости стрельбы;
■ при движении пули по восходящей ветви ускорение направлено в обратную сторону движения, а при движении по нисходящей ветви - в сторону движения, и величина его все время увеличивается.