Внутренняя баллистика Семин

Выстрел начинается с удара бойка по капсюлю-воспламенителю. Удар вызывает взрывчатое превращение инициирующего или ударного состава. При этом раскаленные газы в виде луча пламени проникают через затравочные отверстия в камеру сгорания и воспламеняют в патроне пороховой заряд.

Последующее горение пороха сопровождается образованием большого количества газов, нагретых до 2-3 тысяч градусов. Обратим сразу внимание, что взрывчатое превращение порохов принято называть горением, хотя превращение порохового заряда длится всего от 0,0020 до 0,0025 с. Дело в том, что бризантные или дробящие взрывчатые вещества разлагаются в сотни раз быстрее порохов. Так вот, по сравнению с ними превращение порохов может рассматриваться как быстрое горение. Но как раз эта медлительность порохов и позволяет использовать их в качестве метательных средств. Благодаря замедленности разложения, снаряд успевает стронуться с места задолго до того, как весь заряд превратится в газы, следовательно, при относительно низком давлении.

По мере обгорания пороховых элементов (зерен) в заснарядном пространстве увеличивается количество выделившихся газов, в силу чего возрастает производимое ими давление. Когда в дробовом ружье давление газов достигнет 25-40 кг/см2, снаряд преодолевает сопротивление завальцованного дульца гильзы и смещается из гильзы в канал ствола. Это давление называется давлением форсирования. К моменту перехода снаряда в канал ствола горение успевает распространиться на все воспламенившиеся пороховые элементы.

Поскольку же заснарядное пространство еще очень мало, давление газов стремительно достигает своего максимума. Отечественные патроны «Стандарт», «Старт», «Спорт», «Приз» и «Супер Рекорд», по данным Блюма и Шишкина, развивают давления порядка 500-570 кг/см2. Патроны же «БХК», «Байкал» и «Экспорт» развивают давления от 600 до 800 кг/см2. Однако по западноевропейским нормативам среднее максимальное давление не должно в 12-м и 16-м калибрах превышать 550 кг/см2. При бездымных порохах давление быстрее достигает максимума, чем при дымных. Поэтому при первых к моменту наступления максимума давления снаряд успевает пройти по каналу ствола 30-40 мм, а при вторых - вдвое больше.

По мере развития выстрела заснарядное пространство увеличивается все быстрее и быстрее, тогда как приток новых количеств газов постепенно замедляется. Это замедление происходит по следующим причинам. Зерна пироксилиновых порохов горят по поверхности, обгорая слой за слоем. Поэтому количество выделяющихся газов бывает пропорционально площади горящих поверхностей. Представим себе пороховое зерно кубической формы со стороной 1 мм и общей площадью поверхности 6 мм2. Когда такое зерно обгорит со всех сторон на 1/5 своей толщины, его поверхность составит всего 2,16 мм2 или сократится на 64 %. Чтобы добиться более равномерного поступления газов, пороховым зернам придают форму пластинок или трубочек. Если пластинка со всех сторон обгорит даже на 1/3 своей первоначальной толщины, то ее поверхность уменьшится всего на 30 %.

Что же касается дымных порохов, то при их обычной плотности они не горят послойно, а рассыпаются, и время сгорания зерна мало зависит от его первоначальной величины.

Когда давление газов достигает своего максимума, скорость снаряда становится значительной и заснарядное пространство быстро увеличивается. Поэтому давление начинает падать так же быстро, как нарастало. Однако по мере продвижения снаряда по каналу ствола относительный прирост объема заснарядного пространства снижается. Так, когда снаряд перемещается на 100 мм от патронника, заснарядное пространство увеличивается на 250-300 %. Смещение же снаряда на те же 100 мм вблизи дула увеличивает объем заснарядного пространства всего на 15-20 %. Поэтому по мере дальнейшего продвижения снаряда к дульному срезу снижение давления становится все более и более постепенным. При бездымных порохах давление у дула бывает в пределах 45-65 кг/см2, а при дымных — 65-100 кг/см2.

Период выстрела от момента перехода снаряда из гильзы в канал ствола и до момента сгорания всех правильно воспламенившихся зерен называется основным (или первым пиродинамическим) периодом.

После догорания пороховых зерен снаряд движется по каналу ствола за счет давления ранее образовавшихся газов. Это второй пиродинамический период выстрела, заканчивающийся в момент вылета снаряда из ствола.

Когда снаряд покидает ствол, вслед за ним вырывается поток газов, скорость которых в 2-3 раза превышает скорость, приобретенную снарядом. Эти газы оказывают некоторое влияние на снаряд, способствуя его рассеиванию и, возможно, увеличивая его скорость на 2-4 м/сек. В то же время на ружье истечение газов из ствола оказывает значительно большее влияние, увеличивая скорость отдачи на 20-25 %. Воздействие газов на снаряд и ружье после того, как снаряд покинул ствол, называется последействием пороховых газов, а иногда рассматривается как третий пиродинамический период выстрела.

Описанные выше изменения давления в канале ствола удобно представить графически в зависимости от пройденного снарядом пути. По горизонтали (ось Х) откладывают путь, пройденный снарядом в сантиметрах, а по вертикали наносят, во-первых, скорость, которую приобрел снаряд, достигнув соответствующего места, а во-вторых, давление газов в кг/см2, имевшее место в момент прохождения снаряда через данную точку ствола.

Процесс развития выстрела можно представить графически и в зависимости от времени, промежутки которого, равные тысячам или десятитысячным долям секунды, откладывают по горизонтали. В этом случае форма кривой давления приобретает несколько иную форму. Во-первых, кривая в начале идет горизонтально, что соответствует времени зарождения очага взрывчатого превращения ударного состава. Во-вторых, пик давления оказывается смещенным вправо, то есть по времени максимальное давление приходится на середину выстрела.

До последнего времени при измерении давлений пользовались техническими единицами - давлением в килограмм-силах на квадратный сантиметр — кг/см2. После же принятия Интернациональной системы единиц (СИ) давление стали измерять в барах или в паскалях (1 бар = 105 паскаля = 1,02 кг/см2).

Характер кривой давления газов зависит от очень многих факторов, которые будут рассмотрены ниже. Здесь мы только коснемся скорости горения различных порохов — обычных быстрогорящих и специальных медленногорящих. Последние в обиходе часто называют прогрессивными, что не совсем правильно. В действительности прогрессивными являются только те сорта порохов, поверхность которых по мере обгорания зерен не уменьшается, а, наоборот, увеличивается (семиканальные элементы).

Допустим, что нам требуется достичь начальной скорости в 380 м/сек. В первом случае с нормальным по калибру снаряде, масса которого равна массе калиберной пули, максимальное давление при медленногорящем порохе будет ниже, чем при быстрогорящем. Однако на остальных участках канала медленногорящий порох даст более высокие давления. В связи с этим снаряд будет набирать скорость медленнее, но у дула его скорость сравняется со скоростью, полученной при быстрогорящем порохе.

Но медленногорящие пороха предназначаются не для нормальных по калибру снарядов, а для стрельбы утяжеленными (на 30%) снарядами их ружей типа «магнум». В этих условиях медленногорящие пороха дают на всем протяжении канала более высокие давления, чем быстрогорящие сорта при нормальном снаряде. Если же попытаться использовать быстрогорящий порох под утяжеленные снаряды, то максимальное давление сразу же превзойдет границу безопасности. Поэтому идея Ивашенцова использовать в ружьях 20-го калибра заряды 12-го, выдвинутая в эпоху, когда не существовало специальных медленногорящих порохов, была заранее обречена на неуспех.

Абсолютная величина максимального давления газов имеет большое практическое значение. С одной стороны, чем выше это давление, тем сильнее оно сказывается на затворе и стволах ружья. Когда же оно превосходит предел упругости материала, происходят раздутия и разрывы стволов, деформации и изломы коробок. Кроме того, чем выше давление газов, тем выше и температура, и тем интенсивнее идет выгорание стенок канала стволов. Наконец, чем выше максимальное давление, тем сильнее деформируется дробь и тем хуже получается осыпь.

С другой стороны, при слишком низком максимальном давлении снаряд не получает нужного ускорения, и резкость выстрела остается неудовлетворительной. На рисунке приведены кривые зависимости скоростей снаряда от величины максимального давления. Данные получены на Сент-Этьиеннской испытательной станции при испытании патронов с электрическим запалом (из каталога французской фирмы СМФМ).

Таким образом, максимальное давление является злом для ружья и необходимым явлением для получения резкого боя. Следовательно, от патронов требуется оптимальный компромисс между величиной давления и начальной скоростью. Такой компромисс достигается применением различных сортов пороха в зависимости от калибра патронов и массы снаряда.

Очень часто у охотников, а иной раз и у пороходелов (Бутурлин, порох «Глухарь»), возникает идея создания дробового пороха с низким максимальным давлением, которое бы компенсировалось относительно высоким давлением в передней половине ствола. Сделать такой порох, конечно, можно, но для стрельбы из дробового ружья он не будет пригоден. Осыпь будет плохой, звук выстрела — нестерпимо резким, и, наконец, для такого пороха потребуется делать особые стволы — толстостенные в дульной половине. А такие стволы полностью лишат ружье посадистости, то есть одного из наиболее важных эксплуатационных качеств дробового ружья.

Встречаются два различных понятия, сходных, однако, по своему звучанию: среднее максимальное давление и среднее давление в канале ствола. Первое из них находят как среднее арифметическое из 10 или 20 замеров максимальных давлений. Например, замеры давлений при обыкновенных капсюлях дали бы среднее значение 299,7 кг/см2, а для патронов с электрическим запалом соответственно 405,1 кг/см2. Среднее же давление в канале ствола определяется на основании нескольких замеров давления при одном выстреле, но на разных расстояниях от патронника. Так, в 5 см от того места, где располагался снаряд до выстрела, давление при быстрогорящем порохе составило 500 кг/см2. В 15 см давление было 300 кг/см2, в 25 см — 205 кг/см2 и т.д. Суммируя показания и деля их на число измерений, получаем 188,36 кг/см2.

Давление газов в канале ствола чаще всего измеряют крешерным прибором, который устанавливается на массивном баллистическом стволе. Для определения максимального давления на стволе устанавливают один прибор, располагая его в 25-40 мм от казны. Когда же требуется получить представление о давлении на всем протяжении ствола, то устанавливают несколько приборов через определенные интервалы. Крешеры, находящиеся у казны, показывают величину максимального давления, а остальные - то давление, которое имело место в момент прохождения снаряда мимо соответствующего прибора.

Крешерная установка была впервые предложена в 1875 г. Нобелем и имела упрощенную конструкцию, представленную на рисунке. В настоящее время крешерные приборы претерпели конструктивные изменения, но сущность осталась той же. Установка ввинчивается в массивную стенку специального ствола и сообщается с его каналом канальцем диаметром 3,9 или 6,4 мм. По канальцу ходит стальной поршенек, между которым и упорным винтом зажимается собственно крешер - цилиндрик из мягкой меди или свинца. Если от прибора требуется большая чувствительность, то цилиндрический крешер заменяется коническим. При выстреле происходит усадка крешера, причем чем выше было давление, тем короче становится крешер. Сопоставляя его укорочение с данными «тарражных» (тарировочных) таблиц, находят максимальное значение давления, имевшего место непосредственно у данного прибора. Описанный метод далек от совершенства, но для практических целей дает удовлетворительные результаты.

В последнее время металлические крешеры стали заменять двумя пластинками, вырезанными из кристалла кварца. Под давлением на поверхности этих пластинок возникает разность потенциалов, пропорциональная приложенному давлению. Импульсы через усилитель поступают на экран осциллографа, где возникает кривая давления. Ввиду быстротечности всего процесса кривую приходится фотографировать. Величины давления, измеренные описанным выше пьезоэлектрическим датчиком, бывают на 25 % выше, чем измеренные крешерным прибором (Буррард).

В любительских условиях измерение давления трудноосуществимо. Чтобы избежать повреждения ружья, да и ранения самого стрелка, при снаряжении патронов следует строго придерживаться фабричных рекомендаций. Отклонение от этих указаний допустимо только в сторону уменьшения зарядов и снарядов, однако при обязательной проверке резкости боя. Уменьшенный снаряд даже при нормальном заряде пороха может стать причиной заметного снижения начальной скорости. При бездымных порохах для получения полноценного выстрела требуется определенное сопротивление снаряда во время статического периода. Если же это сопротивление будет меньше необходимого минимума, снаряд сдвинется с места при недостаточном давлении. Заснарядное пространство начнет увеличиваться, и среднее давление по пути снаряда уже не достигнет требуемого значения. В отличие от бездымных порохов, дымный порох легко переносит уменьшение массы снаряда, отвечая на это повышением начальных скоростей.

Если возникает подозрение, что давления, развиваемые патронами, очень высоки, то следует обратить внимание на состояние стреляных гильз. На металлическом поддоне, или головке гильзы, там, где он соприкасался с экстрактором, появляется выпуклость — отпечаток последнего. Закраины гильз раздуваются, и на них по окружности возникают трещины. Наконец, капсюль как бы облепляет боек. Если на гильзах появляются перечисленные изменения, то такими патронами пользоваться нельзя: они развивают давления порядка 1000 кг/см2.

Пороховые газы стремятся расшириться во все стороны и действуют как на дно и стенки гильзы, так и на пыж с лежащим впереди него снарядом. Гильза плотно прижимается к стенкам патронника и щитку коробки, что препятствует прорыву газов назад. В то же время давление на пыж и снаряд заставляет их двигаться по каналу ствола со всевозрастающей скоростью. Сообразно с быстрым нарастанием давления и последующим его снижением сообщаемое снаряду ускорение в начале разгона значительнее, чем в конце, перед вылетом из дула. Так приращение скорости снаряда от 0 до 190 м/сек происходит на первых 15-20 см его движения по каналу ствола. Приращение же скорости на следующие 190 м/сек осуществляется только по достижении снарядом дульного среза, то есть после пробега в 50-60 см. Поэтому укорочение стволов с 70 до 60 см или их удлинение с 70 до 80 см мало сказываются на начальных скоростях дроби и практическим не отзываются на резкости боя.

Скорости, с которыми снаряд движется на отдельных участках канала, могут быть определены несколькими способами. Самый простой из них заключается в определении начальных скоростей, поучаемых при последовательном укорочении одного и того же ствола. Поскольку же небольшие изменения в форме патронника, переходного конуса и дульного сужения (чока) могут сказаться на начальных скоростях, экспериментальный ствол для этих целей делается свинчивающимся из нескольких секций длиной 10-15 см. После каждой серии выстрелов удаляют одну из срединных секций и снова определяют начальные скорости.

Если же требуется установить местонахождение снаряда в определенные моменты времени, то поступают иначе. Поперек канала в нескольких местах натягивают тонкие проволочки, по которым пропускают электрический ток. Снаряд при выстреле поочередно перебивает эти проволочки и прерывает соответствующие электрические цепи. Эти моменты фиксируются на быстровращающемся барабане одновременно с отметками времени. Раньше для этой цели пользовались камертоном, который, вибрируя, оставлял на барабане синусоидную (волнистую) дорожку. Поскольку камертоны дают строго определенное число колебаний в секунду, по числу гребней синусоиды время легко определялось. Позже стали применять часовые механизмы, отмечавшие тысячные или десятитысячные доли секунды. В настоящее время пользуются подкварцованными импульсными генераторами, отсчитывающими миллионные доли секунды.

Кирилл Мартино 17 января 2014 в 00:00






Оставьте ваш комментарий

Оставлять свои отзывы и комментировать могут только зарегистрированные пользователи.
Вы можете авторизоваться используя свой аккаунт на нашем сайте, а так же войти с помощью вашего аккаунта во "Вконтакте" или на "Facebook".


Спасибо за Ваше мнение!

Архив голосований










наверх ↑