Введение

Откат (часто называемый нокбэком, кикбэком или просто киком) — это импульс отдачи, возникающий при выстреле из оружия. С технической точки зрения, откат является следствием закона сохранения импульса: согласно третьему закону Ньютона, сила, необходимая для разгона объекта, вызывает равную по величине, но противоположно направленную силу реакции. Это означает, что импульс, приобретенный снарядом и пороховыми газами (продуктами сгорания), математически компенсируется равным и противоположно направленным импульсом, действующим на оружие.

Основы

Любая система запуска (оружие или нет) генерирует отдачу. Однако отдача представляет собой проблему только в области артиллерии и стрелкового оружия из-за величины действующих сил. Давление в камере оружия и ускорение снаряда огромны, порядка от десятков до сотен мегапаскалей и в десятки тысяч раз превышают ускорение свободного падения (g), оба параметра необходимы для запуска снаряда с полезной скоростью за очень короткое время (обычно всего несколько миллисекунд), пока он движется внутри ствола. В то же время, то же давление, действующее на донце снаряда, действует на заднюю стенку каморы, ускоряя оружие назад во время выстрела с той же силой, с которой снаряд ускоряется вперед. Это перемещает оружие назад и создает импульс отдачи. Этот импульс отдачи равен произведению массы и ускорения снаряда и пороховых газов, взятому с обратным знаком: снаряд движется вперед, а отдача – назад. Чем тяжелее и быстрее снаряд, тем больше будет генерироваться отдача. Оружие приобретает скорость отката, которая является отношением этого импульса к массе оружия: чем тяжелее оружие, тем меньше скорость отката. Например, пуля калибра 9×19 мм Parabellum массой 8 г (124 грана) при начальной скорости 350 м/с создает импульс, чтобы отбросить пистолет массой 0,8 кг назад со скоростью 3,5 м/с, если стрелок не оказывает сопротивления.

Противодействие отката

Для того чтобы остановить движущуюся назад пушку, импульс, приобретенный ею, рассеивается силой противодействия отдаче, направленной вперед, которая прикладывается к пушке в течение определенного времени во время и после выхода снаряда из ствола. В ручном стрелковом оружии стрелок прикладывает эту силу, используя свое тело, что вызывает ощутимый импульс, обычно называемый "отдачей". В более тяжелых установленных орудиях, таких как тяжелые пулеметы или артиллерийские системы, импульс отдачи передается на платформу, на которой установлено оружие. Конструкции орудийных лафетов, как правило, недостаточно прочны, чтобы выдерживать максимальные силы, ускоряющие орудие в течение короткого времени, пока снаряд находится в стволе. Для снижения этих больших сил отдачи механизмы буферизации отдачи распределяют силу противодействия отдаче на более длительный период времени, обычно в десять-сто раз превышающий продолжительность действия сил, ускоряющих снаряд. Это приводит к тому, что требуемая сила противодействия отдаче пропорционально уменьшается и легко поглощается лафетом. Для приложения этой силы противодействия отдаче современные установленные орудия могут использовать буферизацию отдачи, состоящую из пружин и гидравлических механизмов, аналогичных амортизирующей подвеске автомобилей. В ранних пушках использовались системы веревок в сочетании с качением или скольжением трения для создания сил, замедляющих откатывающуюся пушку до полной остановки. Буферизация отдачи позволяет снизить максимальную силу противодействия отдаче, чтобы не превышать пределы прочности орудийного лафета.

Вклад двигательных газов

Современные пушки также очень эффективно используют дульные тормоза для перенаправления части пороховых газов назад после покидания снаряда ствола. Это создает противодействующую силу отдачи, позволяющую более эффективно проектировать систему амортизации и лафет, при этом снижая их вес. Пороховые газы используются в еще большем объеме в безоткатных орудиях, где значительная часть газа высокого давления, остающегося в стволе после покидания снаряда, отводится назад через сопло в задней части каморы, создавая большую противооткатную силу, достаточную для отказа от использования тяжелых буферов, смягчающих отдачу в лафете (хотя и ценой снижения начальной скорости снаряда).

Ручные пистолеты

Те же физические принципы, которые влияют на отдачу в орудиях, установленных на станок, применимы и к ручному оружию. Однако тело стрелка выполняет роль орудийного станка и должно аналогичным образом рассеивать импульс отдачи оружия за время, превышающее время прохождения пули по стволу, чтобы избежать травм. Руки, плечи и предплечья обладают достаточной силой и эластичностью для этой цели, хотя и в определенных практических пределах. Тем не менее, "ощущаемые" пределы отдачи варьируются у разных стрелков в зависимости от их телосложения, использования амортизирующих элементов, индивидуальной болевой чувствительности, веса оружия, а также применения систем смягчения отдачи и дульных устройств (компенсатора или глушителя). По этой причине установление стандартов безопасности, связанных с отдачей, для стрелкового оружия остаётся сложной задачей, несмотря на простоту лежащих в основе физических принципов.

Физика: импульс, энергия и импульс

Когда стреляют из оружия, в действие вступают два закона сохранения: закон сохранения импульса и закон сохранения энергии. Откат объясняется законом сохранения импульса, поэтому его удобнее рассматривать отдельно от энергии. Импульс – это просто масса, умноженная на скорость. Скорость – это величина скорости в определенном направлении (а не просто скорость). В строгом техническом смысле, скорость является скаляром (в математике): характеризуется только величиной, тогда как скорость – вектором (в физике): характеризуется величиной и направлением. Импульс сохраняется: любое изменение импульса объекта требует равного и противоположного изменения импульса других объектов. Отсюда и откат: для передачи импульса снаряду необходимо передать противоположный импульс самому оружию. Изменение импульса массы требует приложения силы (это законы движения Ньютона). В огнестрельном оружии силы изменяются резко, поэтому важен импульс: изменение импульса равно величине импульса. Быстрое изменение скорости (ускорение) оружия ощущается как удар и компенсируется, подобно работе амортизатора. Энергия при выстреле из огнестрельного оружия проявляется в различных формах (тепловая, давление), но для понимания отката важна кинетическая энергия, которая равна половине массы, умноженной на квадрат скорости. Для отбрасываемого оружия это означает, что при заданном импульсе отдачи, удвоение массы уменьшает скорость вдвое, а также уменьшает кинетическую энергию оружия вдвое, что облегчает её рассеивание.

Угловой момент

Для орудия, стреляющего при условиях свободного отката, сила, действующая на орудие, может не только толкать его назад, но и вызывать вращение вокруг центра масс или точки опоры отката. Это особенно характерно для старых образцов огнестрельного оружия, таких как классическая винтовка Кентукки, где приклад значительно опущен ниже ствола, создавая точку опоры, вокруг которой может подниматься дуло во время отката. Современное огнестрельное оружие, например, винтовка M16, использует конструкцию приклада, расположенного на одной линии со стволом, чтобы минимизировать любые вращательные эффекты. Если существует угол, относительно которого части отката могут вращаться, крутящий момент, действующий на орудие, определяется следующим образом:

где – перпендикулярное расстояние от центра масс орудия до оси ствола, – сила, действующая на орудие из-за расширяющихся газов, равная по величине и противоположная по направлению силе, действующей на пулю, – момент инерции орудия относительно его центра масс или точки опоры, а – угол поворота оси ствола "вверх" от его первоначального положения в момент воспламенения (угол прицеливания). Угловой импульс орудия определяется интегрированием этого уравнения:

где использовалось равенство импульсов орудия и пули. Угловое вращение орудия в момент выхода пули из ствола затем находится повторным интегрированием:

где – угол, под которым пуля покидает ствол относительно угла прицеливания, – время движения пули в стволе (из-за ускорения время оказывается больше, чем : ) и L – расстояние, которое пуля проходит от начального положения до дульного среза. Угол, под которым пуля покидает ствол относительно угла прицеливания, определяется следующим образом:

Включая выброшенный газ

Перед тем, как снаряд покинет ствол, он герметично закрывает просвет и "запирает" расширяющиеся газы, образующиеся при сгорании пороха позади него. Это означает, что газ по сути содержится в замкнутой системе и выступает в качестве нейтрального элемента в общем импульсе системы. Однако, когда снаряд покидает ствол, эта функциональная герметизация нарушается, и высокоэнергетический газ внезапно высвобождается из дула, расширяясь в виде сверхзвуковой ударной волны (которая зачастую может быть достаточно быстрой, чтобы на мгновение догнать снаряд и повлиять на его баллистику), создавая явление, известное как импульс отдачи. Вектор этого импульса направлен вперед, создавая реактивную тягу, которая воздействует на ствол, добавляясь к обратному импульсу, генерируемому снарядом перед выходом из оружия. Общая отдача, приложенная к огнестрельному оружию, равна и противоположна суммарному импульсу не только снаряда, но и выходящих газов. Соответственно, энергия отдачи, передаваемая огнестрельному оружию, также зависит от выходящих газов. В соответствии с законом сохранения массы, масса выходящих газов будет равна первоначальной массе пороха (при условии полного сгорания). В качестве приближения можно считать, что выходящие газы имеют эффективную скорость истечения, где – начальная скорость снаряда, а – приблизительно постоянная величина. Общий импульс пороха и снаряда тогда будет равен: где – масса порохового заряда, равная массе выходящих газов. Это выражение следует подставить в формулу для импульса снаряда, чтобы получить более точное описание процесса отдачи. Эффективную скорость можно использовать и в уравнении энергии, но поскольку значение α обычно задается для уравнения импульса, полученные значения энергии могут быть менее точными. Значение константы α обычно принимается в пределах от 1,25 до 1,75. Оно в основном зависит от типа используемого пороха, но может в незначительной степени зависеть и от других факторов, таких как отношение длины ствола к его радиусу. Дульные устройства могут уменьшить импульс отдачи, изменяя характер расширения газов. Например, дульные тормоза работают главным образом за счет перенаправления части выходящих газов в стороны, увеличивая интенсивность бокового импульса (и, следовательно, громкость в стороны), но уменьшая тягу от прямого истечения (и, таким образом, отдачу). Аналогично, компенсаторы отдачи направляют выходящие газы преимущественно вверх, чтобы противодействовать подъему ствола при выстреле. Однако глушители работают по иному принципу, не направляя расширение газов в стороны, а модулируя скорость расширения газов вперед. Используя внутренние перегородки, газ заставляют проходить по сложному пути, прежде чем он окончательно выходит наружу через переднюю часть глушителя, тем самым рассеивая свою энергию на большей площади и в течение более длительного времени. Это снижает как интенсивность импульса (и, следовательно, громкость), так и генерируемую отдачу (поскольку при одинаковом импульсе сила обратно пропорциональна времени).

Монтированные пушки

Система отката поглощает энергию отдачи, уменьшая пиковую силу, передаваемую на установку, на которой закреплена пушка. Старинные пушки без системы отката откатывались на несколько метров назад при выстреле; использовались различные системы для частичного ограничения этого движения (веревки, трение, включая тормоза на колесах, наклонные поверхности, чтобы отдача толкала пушку вверх), но полное предотвращение движения приводило бы к поломке лафета. В результате, после каждого выстрела пушку приходилось возвращать в исходное положение и тщательно наводить заново, что значительно снижало скорострельность. Появление современных скорострельных пушек стало возможным благодаря изобретению гораздо более эффективного устройства: гидропневматической системы отката. Впервые разработанная Владимиром Барановским в 1872–1875 годах и принятая на вооружение русской армией, а затем и во Франции, в 75-мм полевой пушке образца 1897 года, она до сих пор является основным устройством, используемым в крупнокалиберной артиллерии. В этой системе ствол устанавливается на направляющие, позволяющие ему откатываться назад, а отдача гасится цилиндром, принцип работы которого аналогичен автомобильному газонаполненному амортизатору и который обычно виден как цилиндр, короче и меньше ствола, установленный параллельно ему. Цилиндр содержит заряд сжатого воздуха, выполняющий роль пружины, а также гидравлическое масло; при работе энергия ствола тратится на сжатие воздуха при откате ствола назад, а затем рассеивается за счет гидравлического демпфирования при возврате ствола вперед в исходное положение под давлением сжатого воздуха. Таким образом, импульс отдачи распределяется во времени, необходимом для сжатия воздуха стволом, а не в течение гораздо меньшего интервала времени, когда происходит выстрел снаряда. Это значительно снижает пиковую силу, передаваемую на лафет (или на землю, на которой установлена пушка).

Мягкий откат

В системе мягкого отката пружина (или воздушный цилиндр), возвращающая ствол в переднее положение, изначально находится почти полностью сжатой, после чего ствол орудия освобождается и движется вперед непосредственно перед выстрелом; заряд воспламеняется в тот момент, когда ствол достигает крайнего переднего положения. Поскольку ствол все еще движется вперед при воспламенении заряда, примерно половина импульса отдачи используется для остановки его движения, а другая половина, как и в обычной системе, – для повторного сжатия пружины. Затем затвор фиксирует ствол и удерживает его в исходном положении. Это примерно вдвое снижает энергию, которую необходимо поглотить пружине, и примерно вдвое уменьшает максимальную силу, передаваемую на лафет, по сравнению с обычной системой. Однако обеспечение надежного воспламенения в строго определенный момент времени является серьезной практической проблемой этой системы; и в отличие от обычной гидропневматической системы, системы мягкого отката нелегко справляются с задержками выстрела или осечками. Одним из первых орудий, использовавших эту систему, была французская 65-мм пушка образца 1906 года (65 mm mle.1906); она также применялась в британском переносном противотанковом оружии PIAT времен Второй мировой войны.

Другие устройства

Безоткатные орудия и реактивные гранатометы выпускают выхлопные газы назад, компенсируя отдачу. Они часто используются как лёгкое противотанковое оружие. Шведский 84-мм безоткатный гранатомёт Carl Gustav является одним из таких образцов. В пулемётах конструкции Хирама Максима – например, пулемёт Vickers – отдача ствола используется для привода механизма подачи патронов.