Введение
Внутренняя баллистика (также известная как внутренняя баллистика) — раздел баллистики, изучающий процессы, происходящие при движении снаряда в канале ствола. В огнестрельном оружии внутренняя баллистика охватывает период времени от воспламенения пороха до момента покидания снарядом ствола. Изучение внутренней баллистики важно для разработчиков и пользователей всех видов огнестрельного оружия, от малокалиберных винтовок и пистолетов до высокотехнологичной артиллерии. Для ракетных снарядов внутренняя баллистика охватывает время работы ракетного двигателя, пока он обеспечивает тягу.
История
Внутренняя баллистика не имела научной основы до середины 1800-х годов. Стволы и затворы изготавливались достаточно прочными, чтобы выдерживать известную перегрузку (проверочный тест). Начальная скорость пули определялась по дальности её полёта. В 1800-х годах начали использовать испытательные стволы. В стволе просверливались отверстия, в которые устанавливались стандартизированные стальные поршни, создававшие давление, сжимавшее стандартизированные медные цилиндры при выстреле. Уменьшение длины медного цилиндра использовалось как показатель максимального давления, известного как "медные единицы давления" или "CUP" для оружия высокого давления. Аналогичные стандарты применялись к оружию с более низким максимальным давлением, обычно к обычным пистолетам, с использованием тестовых цилиндрических гранул из более легко деформируемого свинца, отсюда и "свинцовые единицы давления" или "LUP". Измерение показывало только максимальное давление, достигнутое в данной точке ствола. В 1960-х годах были внедрены пьезоэлектрические датчики деформации, позволяющие измерять мгновенное давление без использования деструктивных отверстий для измерения давления. Армейская научно-исследовательская лаборатория разработала инструментальные снаряды, измеряющие давление у основания снаряда и ускорение.
Методы заготовки
Методы воспламенения пороха совершенствовались со временем. В казенную часть сверлили небольшое отверстие (запальное отверстие), в которое затем засыпали порох, и подносили внешний огонь или искру (см. фитильный замок и кремнёвый замок). Капсюли и самодостаточные патроны имеют капсюльные взрыватели, которые детонируют после механического воздействия, воспламеняя порох.
Черный порошок
Пушечный порох (чёрный порох) — мелко измельчённая, прессованная и гранулированная механическая пиротехническая смесь серы, древесного угля и нитрата калия или нитрата натрия. Он может производиться с различными размерами зёрен. Размер и форма зёрен могут увеличивать или уменьшать относительную площадь поверхности и существенно изменять скорость горения. Скорость горения чёрного пороха относительно нечувствительна к давлению, что означает, что он горит быстро и предсказуемо даже без уплотнения, что также делает его пригодным для использования как слабое взрывчатое вещество. Он имеет очень медленную скорость разложения и, следовательно, очень низкую бризантность. В строгом смысле этого слова это не взрывчатое вещество, а "дефлагрант", поскольку он не детонирует, а разлагается посредством дефлаграции из-за субзвукового механизма распространения фронта пламени.
Нитроцеллюлоза (однобазовые двигатели)
Нитроцеллюлоза, или "пушечный хлопок", образуется в результате воздействия азотной кислоты на целлюлозные волокна. Это легковоспламеняющийся волокнистый материал, который быстро дефлагрирует при нагревании. Он также очень чисто сгорает, практически полностью превращаясь в газообразные продукты при высоких температурах с минимальным количеством дыма и твердого остатка. Желатинизированная нитроцеллюлоза – это пластичное вещество, которое можно формовать в цилиндры, трубки, шары или хлопья, известные как одноосновные ракетные топлива. Размер и форма зерен топлива могут увеличивать или уменьшать относительную площадь поверхности и существенно изменять скорость горения. Для дальнейшей модификации скорости горения в топливо могут добавляться добавки и покрытия. Как правило, быстрогорящие пороха используются для легких пуль или пистолетов и дробовиков с малой скоростью, пороха средней скорости горения – для пистолетов магнум и легких винтовочных патронов, а медленногорящие пороха – для крупнокалиберных тяжелых винтовочных патронов.
Двухбазовые двигатели
Нитроглицерин можно добавлять к нитроцеллюлозе для получения "двойных баз пороха". Нитроцеллюлоза десенсибилизирует нитроглицерин для предотвращения детонации в гранулах пороха подходящего размера (см. динамит), а нитроглицерин желатинизирует нитроцеллюлозу и повышает энергетическую составляющую. Пороха двойной базы горят быстрее, чем пороха одинарной базы той же формы, хотя и не так чисто, и скорость горения увеличивается с ростом содержания нитроглицерина. В артиллерии баллистит или кордит использовались в форме стержней, трубок, прорезанных трубок, перфорированных цилиндров или многотрубчатых конструкций; геометрия выбиралась для обеспечения требуемых характеристик горения. (Например, круглые шары или стержни демонстрируют "дегрессивное горение", поскольку их газообразование уменьшается с уменьшением площади поверхности по мере сгорания шаров или стержней; тонкие пластины демонстрируют "нейтральное горение", поскольку они сгорают по своим плоским поверхностям до полного исчезновения пластины. Продольно или многократно перфорированные цилиндры, используемые в крупнокалиберных винтовках или пушках с длинными стволами, демонстрируют "прогрессивное горение"; площадь горения увеличивается по мере расширения внутреннего диаметра отверстий, обеспечивая устойчивое горение и длительное, непрерывное воздействие на снаряд для достижения более высокой скорости без чрезмерного повышения пикового давления. Порох прогрессивного горения в некоторой степени компенсирует падение давления по мере ускорения снаряда в стволе и увеличения объема позади него.) Хотя существует как минимум одна экспериментальная военная винтовка (H&K G11) и одна коммерческая винтовка (Voere VEC 91), использующие патроны без гильз, они не получили широкого распространения. Еще одной коммерческой винтовкой была винтовка Daisy VL, произведенная компанией Daisy Air Rifle Co. и предназначенная для патронов калибра .22 без гильз, которые воспламенялись мощной струей сжатого воздуха из рычага, используемого для сжатия мощной пружины, как в пневматической винтовке. Патроны без гильз, конечно, нельзя перезаряжать, поскольку после выстрела пули не остается гильзы, а незащищенный порох делает патроны менее долговечными. Кроме того, гильза в стандартном патроне служит уплотнением, предотвращающим выход газов из казенной части. Оружие без гильз должно использовать более сложную систему самогерметизации казенной части, что усложняет конструкцию и производство. Другая неприятная проблема, общая для всего быстрострельного оружия, но особенно актуальная для оружия, использующего патроны без гильз, – это проблема "самовоспламенения" патронов. Эта проблема вызвана остаточным теплом от камеры, нагревающим патрон в камере до температуры воспламенения, что приводит к случайному выстрелу. Чтобы минимизировать риск самовоспламенения патрона, пулеметы могут быть сконструированы для стрельбы с открытого затвора, при котором патрон не досылается в патронник до нажатия на спусковой крючок, и, следовательно, нет возможности самовоспламенения до того, как оператор будет готов. Такое оружие может эффективно использовать патроны без гильз. Конструкции с открытым затвором обычно нежелательны для чего-либо, кроме пулеметов; масса затвора, движущегося вперед, вызывает рывок оружия в ответ, что значительно снижает его точность, что обычно не является проблемой для пулеметного огня.
Плотность нагрузки и консистенция
Плотность загрузки – это процент пространства в гильзе картриджа, заполненный порохом. В целом, заряды с плотностью около 100% (или даже заряды, при которых запрессовывание пули в гильзу сжимает порох) воспламеняются и сгорают более стабильно, чем заряды с меньшей плотностью. В патронах, унаследованных от эпохи черного пороха (например, .45 Colt, .45 70 Government), гильза значительно больше, чем необходимо для размещения максимального заряда бездымного пороха высокой плотности. Это дополнительное пространство позволяет пороху перемещаться внутри гильзы, собираясь у передней или задней стенки и потенциально вызывая существенные колебания скорости горения, поскольку порох у задней стенки воспламенится быстро, а порох у передней стенки – с задержкой. Это оказывает меньшее влияние на быстрые пороха. Такие патроны большой емкости и низкой плотности обычно демонстрируют наилучшую точность при использовании самого быстрого подходящего пороха, хотя это ограничивает общую энергию из-за резкого пика высокого давления. Патроны пистолетов "Магнум" меняют это соотношение мощности и точности, используя пороха с меньшей плотностью и более медленным горением, которые обеспечивают высокую плотность загрузки и широкую кривую давления. Недостатком является повышенная отдача и выброс газов из-за большой массы пороха, а также высокое давление в канале ствола. Большинство винтовочных патронов имеют высокую плотность загрузки при использовании подходящих порохов. Винтовочные патроны, как правило, имеют бутылочную форму – широкое основание, сужающееся к меньшему диаметру – для удержания легкой, высокоскоростной пули. Эти гильзы предназначены для размещения большого заряда пороха низкой плотности, обеспечивающего еще более широкую кривую давления, чем у патронов пистолетов "Магнум". Для достижения полной эффективности эти патроны требуют использования длинного винтовочного ствола, хотя они также используются в пистолетах винтовочного типа (однозарядных или с продольно-скользящим затвором) со стволами длиной от 10 до 15 дюймов (25 до 38 см).
Прямая линия против узкого места
Прямые гильзы были стандартом с самого начала развития патронного оружия. Из-за низкой скорости горения чёрного пороха наилучшая эффективность достигалась при использовании крупных, тяжёлых пуль, поэтому диаметр пули был максимально возможным. Большой диаметр позволял создавать короткую, стабильную пулю с высоким весом и обеспечивал максимальный полезный объём канала ствола для извлечения максимального количества энергии при заданной его длине. Существовали и патроны с длинными, пологими конусами, но они, как правило, представляли собой попытку использовать существующую гильзу для стрельбы меньшей пулей с более высокой скоростью и менькой отдачей. С появлением бездымных порохов стало возможным достигать гораздо более высоких скоростей, используя медленный бездымный порох в гильзе большого объёма и выталкивая лёгкую пулю меньшего калибра. Необычный, сильно сужающийся 8-мм Лебель, созданный путём уменьшения диаметра более старого 11-мм патрона для чёрного пороха, был представлен в 1886 году, а вскоре за ним последовали военные патроны 7,92×57 мм Маузер и 7×57 мм Маузер, а также коммерческий .30-30 Винчестер – все это были новые конструкции, разработанные для использования бездымного пороха. Все они имеют чётко выраженное плечо, очень похожее на современные патроны, и за исключением Лебеля до сих пор используются в современном огнестрельном оружии, несмотря на то, что этим патронам более ста лет.
Соотношение аспектов и согласованность
При выборе винтовочного патрона для максимальной точности, короткий, толстый патрон с минимальным конусом гильзы может обеспечить более высокую эффективность и стабильную скорость, чем длинный, тонкий патрон с выраженным конусом гильзы (что частично объясняет конструкцию с бутылочным горлышком). Учитывая современные тенденции к более коротким и толстым гильзам, такие как новые патроны Winchester Super Short Magnum, представляется, что идеальной может быть гильза, близкая к сферической форме внутри. Патроны для спортивной стрельбы и охоты на вредителей требуют максимальной точности, поэтому их гильзы, как правило, короткие, толстые и практически не имеют конусности, с чёткими фасками на гильзе. Короткие, толстые гильзы также позволяют изготавливать оружие с коротким ходом затвора легче и прочнее при сохранении того же уровня производительности. Цена этой производительности – патроны большого диаметра, занимающие больше места в магазине, чёткие фаски, затрудняющие подачу из магазина, и менее надёжная экстракция стреляной гильзы. По этим причинам, когда надёжная подача патронов важнее точности, например, в военных винтовках, предпочтение отдаётся более длинным гильзам с более пологими углами фаски. Однако, даже среди военного оружия наблюдается долгосрочная тенденция к более коротким и толстым гильзам. Текущий патрон 7,62×51 мм NATO, заменяющий более длинный .30-06 Springfield, является хорошим примером, как и новый патрон 6,5 Grendel, разработанный для повышения эффективности семейства винтовок и карабинов AR-15. Тем не менее, точность и поражающая способность патрона зависят не только от длины и диаметра гильзы. Патрон 7,62×51 мм NATO имеет меньший объём гильзы, чем .30-06 Springfield, что ограничивает количество пороха, которое можно использовать, напрямую влияя на сочетание веса пули и начальной скорости, определяющих поражающую способность (как подробно описано в опубликованных спецификациях патронов, ссылки на которые приведены для сравнения). Патрон 6,5 Grendel, с другой стороны, способен выстреливать значительно более тяжёлой пулей (см. ссылку), чем 5,56 NATO из оружия семейства AR-15, с незначительным снижением начальной скорости, что может обеспечить более выгодный баланс характеристик.
Статическое трение и зажигание
Поскольку скорость горения бездымного пороха изменяется прямо пропорционально давлению, начальное повышение давления (то есть "давление в момент выстрела") оказывает значительное влияние на конечную скорость, особенно в крупных патронах с очень быстрыми порохами и относительно легкими снарядами. В малокалиберном оружии трение, удерживающее пулю в гильзе, определяет, как скоро после воспламенения пуля начнет движение, и поскольку движение пули увеличивает объем и снижает давление, разница в трении может изменить крутизну кривой давления. В целом, желательно плотное прилегание пули к гильзе, вплоть до обжимки пули в гильзу. В гильзах с прямыми стенками и без фланца, таких как .45 ACP, агрессивная обжимка невозможна, поскольку гильза удерживается в патроннике за счет края гильзы, но подбор размера гильзы, обеспечивающий плотную посадку пули, может дать желаемый результат. В крупнокалиберном оружии давление в момент выстрела часто определяется силой, необходимой для первоначального вдавливания ведущего пояса снаряда в нарезы ствола; гладкоствольное оружие, не имеющее нарезов, достигает давления в момент выстрела, первоначально вдавливая снаряд в "сужающий конус", который оказывает сопротивление при сжатии оперенного кольца снаряда.
Кинетическое трение
Пуля должна плотно прилегать к стволу, чтобы герметизировать высокое давление пороховых газов. Эта плотная посадка создает значительную силу трения. Трение пули о стенки ствола оказывает незначительное влияние на конечную скорость, но обычно это не вызывает серьезных опасений. Гораздо большую проблему представляет тепло, выделяющееся в результате трения. При скоростях около определенного значения свинец начинает плавиться и откладываться на стенках ствола. Это накопление свинца сужает канал ствола, увеличивая давление и снижая точность последующих выстрелов, а также его трудно удалить, не повредив ствол. Патроны, используемые на скоростях до определенного предела, могут использовать восковые смазки для уменьшения отложений свинца. При скоростях выше этого предела почти все пули имеют медную оболочку или подобный сплав, достаточно мягкий, чтобы не изнашивать ствол, но с достаточно высокой температурой плавления, чтобы уменьшить отложения в канале ствола. Накопление меди начинает происходить при превышении определенных скоростей, и распространенным решением является пропитка поверхности пули дисульфидом молибдена. Это снижает накопление меди в канале ствола и обеспечивает лучшую долгосрочную точность. Крупнокалиберные снаряды также используют медные наводящие пояски для стволов с нарезами, предназначенные для снарядов, стабилизированных вращением. Однако снаряды, стабилизированные оперением, запускаемые как из винтовочных, так и из гладкоствольных стволов, такие как бронебойные подкалиберные снаряды APFSDS, используют нейлоновые обтюрационные кольца, которые достаточно эффективны для герметизации пороховых газов высокого давления и минимизации трения в канале ствола, обеспечивая небольшое увеличение начальной скорости.
Роль инерции
В первые несколько сантиметров движения по стволу пуля достигает значительной части своей конечной скорости, даже для винтовок большой емкости, использующих медленно горящий порох. Ускорение составляет десятки тысяч g, поэтому даже такой легкий снаряд, как [укажите вес пули], может оказывать сопротивление, превышающее [укажите значение] из-за инерции. Следовательно, изменения массы пули оказывают огромное влияние на кривые давления в патронах с бездымным порохом, в отличие от патронов с черным порохом. Зарядка или перезарядка бездымных патронов, таким образом, требует высокоточного оборудования и тщательно выверенных таблиц данных о навеске для конкретных патронов, порохов и весов пуль.
Отношения давление-скорость
Энергия сообщается пуле в огнестрельном оружии давлением газов, образующихся при сгорании пороха. Хотя более высокое давление обеспечивает более высокую скорость, продолжительность действия давления также имеет значение. Максимальное давление может составлять лишь небольшую долю времени, в течение которого пуля разгоняется. Необходимо учитывать всю длительность движения пули по стволу.
Пик против площади
Энергия — это способность совершать работу над объектом. Работа — это сила, приложенная на расстоянии. Полная энергия, сообщаемая пуле, определяется площадью под кривой, где ось Y представляет собой силу (то есть давление, оказываемое на основание пули, умноженное на площадь основания пули), а ось X — расстояние. Увеличение энергии пули требует увеличения площади под этой кривой, либо за счет повышения давления, либо за счет увеличения расстояния, которое пуля проходит под воздействием давления. Давление ограничено прочностью огнестрельного оружия, а продолжительность — длиной ствола.
Конструкция двигателя
Двигательные заряды подбираются в соответствии с прочностью огнестрельного оружия, объемом патронной гильзы и длиной ствола, а также материалом пули, ее весом и размерами. Скорость образования газа пропорциональна площади поверхности горящих зерен пороха в соответствии с законом Пиобера. Реакции бездымного пороха протекают в серии зон или фаз по мере продвижения реакции от поверхности вглубь твердого вещества. Наиболее глубокая часть твердого вещества, подвергающаяся теплопередаче, плавится и начинает фазовый переход из твердого состояния в газообразное в пенообразной зоне. Газообразный порох разлагается на более простые молекулы в окружающей его шипучей зоне. Эндотермические преобразования в пенообразной и шипучей зонах требуют энергии, первоначально предоставляемой капсюлем, а затем высвобождаемой в светящейся внешней зоне пламени, где более простые газовые молекулы реагируют с образованием обычных продуктов сгорания, таких как водяной пар и угарный газ. Скорость теплопередачи бездымного пороха увеличивается с давлением, что приводит к увеличению скорости образования газа с заданной площади поверхности зерна при более высоком давлении. Ускоренное образование газа из быстрогорящего пороха может быстро создать разрушительный пик высокого давления до того, как движение пули увеличит объем реакции. И наоборот, пороховые заряды, разработанные для минимальной теплопередачи, могут прекратить разложение на газообразные реагенты, если движение пули снижает давление до того, как будет израсходован медленно горящий порох. Несгоревшие зерна пороха могут оставаться в стволе, если зона пламени, высвобождающая энергию, не может поддерживаться из-за отсутствия газообразных реагентов из внутренних зон. (См. статью о дульном тормозе для получения дополнительной информации о недостатках дульных тормозов.) Отношение массы пороха к массе пули также касается вопроса эффективности. В случае патрона .22 250 Remington больше энергии тратится на разгон пороховых газов, чем на разгон пули. Патрон .22 250 компенсирует это, требуя большой гильзы с большим количеством пороха, что дает лишь небольшое увеличение скорости и энергии по сравнению с другими патронами калибра .22.
Револьверные вопросы
Определяющей характеристикой револьвера является вращающийся цилиндр, отделенный от ствола, содержащий каморы. Револьверы обычно имеют от 5 до 10 камор, и первостепенная задача – обеспечить их единообразие, поскольку при их несоответствии точка попадания будет меняться от каморы к каморе. Каморы также должны последовательно выравниваться со стволом, чтобы пуля входила в ствол одинаково из каждой каморы. Горло револьвера состоит из двух отдельных частей: горло цилиндра и горло ствола. Горло цилиндра является частью цилиндра и имеет размер, обеспечивающий его концентричность по отношению к каморе и незначительное превышение диаметра пули. Зазор между цилиндром и стволом должен быть достаточно широким для свободного вращения цилиндра даже при загрязнении пороховыми остатками, но не настолько большим, чтобы происходил избыточный сброс газов. Накатный конус – место, где пуля направляется из цилиндра в канал ствола – должен быть достаточно глубоким, чтобы пуля входила в канал без значительной деформации. В отличие от винтовок, где резьба на стволе находится в патроннике, резьба на стволе револьвера окружает казенную часть канала ствола. При вкручивании ствола в раму возможно сжатие канала ствола. Увеличение длины накатного конуса может снять эту "точку удушения", как и доводка ствола после его установки в раму.