Физические основы функционирования стрелково-пушечного оружия.

Физические основы функционирования стрелково-пушечного оружия.
Колесников Р.А.
НИУ “БелГУ”
Белгород, Россия
Physical basis of the functioning of gunnery weapons
Kolesnikov R.A.
NIU"BSU"
Belgorod,Russia
История баллистики тесно связана с историей развития артиллерии. Ряд
выдающихся ученых, особенно математиков, занимался вопросами
баллистики еще до средних веков. Так, итальянский учѐный Н. Тарталья (XVI
век) написал труд «Вопросы и открытия, относящиеся к артиллерийской
стрельбе». Баллистикой занимались такие выдающиеся ученые, как
Г.Галилей, Э.Торричелли, М.Мерсенн, М.В.Ломоносов, Л.Эйлер, Д.Бернулли.
М.Мерсен в 1644 году предложил назвать науку о движении снаряда *
Баллистит – одно из наименований пороха.12 баллистикой (от греческого
слова «балло» — бросать, метать). Как самостоятельная, определенная
область науки, баллистика получила широкое развитие с середины XIX века.
Баллистика обязана многим трудам великих русских математиков
Н.И.Лобачевского, П.Л.Чебышева, М.В. Остроградского, замечательным
работам воспитанников Михайловской артиллерийской академии
А.А.Фадеева, Н.В.Майевского, Н.А.Забудского, В.М.Трофимова, Н.Ф.Дроздова
и др. В 1857 году русский химик Л.Н.Шишков, преподаватель
артиллерийской академии, публикует совместно с немецким ученым
Р.В.Бунзеном первую работу по теории горения порохов. В 1860 году капитан
русской армии А.П.Горлов написал статью о движении снаряда в канале
нарезного оружия. Часть этой работы была опубликована в 1862 году в
отчетах Парижской академии наук. В 1868 году полковник Н.П.Федоров
установил влияние условий горения пороха на состав продуктов горения. Эти
работы явились основой для развития правильных положений о горении
пороха при выстреле и были использованы в дальнейших трудах по
внутренней баллистике. К 60-м годам относится изобретение двух основных
приборов экспериментальной баллистики, широко применяемых до
настоящего времени, — хронографа Ле-Буланже для измерения скорости
снаряда (Бельгия) и крешера У.Нобеля для измерения давления пороховых
газов (Англия)
Баллистика
Баллистика—наука о движении снарядов. Основное развитие баллистика,
как наука, получила в результате появления о огнестрельного оружия,
опираясь на достижения ряда других наук: физики, химии, математики,
метеорологии, аэродинамики и т. д. В настоящее время в баллистике можно
выделить две части:
• внутреннюю, изучающую движение снаряда под действием пороховых
газов, а также все явления, сопровождающие это движение;
• внешнюю, изучающую движение снаряда по прекращении действия на
него пороховых газов;
Сведения из внутренней баллистики
Внутренняя баллистика изучает явления, происходящие в канале ствола
оружия во время выстрела, движение снаряда по каналу ствола и характер
нарастания скорости снаряда как внутри канала ствола, так и в период
последействия газов.
Сущность явления выстрела.
Выстрелом называется выбрасывание снаряда из канала ствола давлением
газов, образующихся при сгорании порохового заряда. При выстреле из
стрелковых и артиллерийских систем различают следующие основные
процессы. Эти процессы взаимосвязаны и протекают одновременно, но мы
их разделяем. Горение пороха и образование газов (в этом процессе
скорость горения зависит в основном от природы и температуры пороха, от
давления газов). Преобразование потенциальной энергии пороховых газов в
кинетическую энергию движения системы. Движение газов заряда, снаряда
и ствола. Несмотря на высокую интенсивность протекающих при выстреле
процессов, они тем не менее закономерны, в определенных пределах
управляемы и при сохранении одних и тех же условий заряжания стабильны
от выстрела к выстрелу. В баллистике выстрел рассматривается как процесс
очень быстрого превращения потенциальной энергии пороха в кинетическую
энергию движения оружия (под оружием понимается система: пороховые
газы - снаряд - ствол). Существенной особенностью выстрела является то, что
работа пороховых газов по перемещению снаряда происходит в переменном
объеме. Все эти особенности чрезвычайно осложняют исследование явления
выстрела и чтобы получить общую картину явления, приходится
рассматривать его по частям. Поэтому весь комплекс процессов,
происходящих при выстреле, внутренняя баллистика разделяет на ряд
отдельных вопросов, а само явление выстрела делится на четыре периода:
предварительный, первый, второй и период последействия газов.
Прочность и живучесть ствола.
При выстреле давление газов в стволе оружия достигает очень больших
величин, поэтому устройство ствола должно обеспечивать достаточную его
прочность. Под прочностью понимается способность ствола выдерживать
определенное давление без остаточной деформации. Из графика (рис.7)
видно, что нет смысла весь ствол рассчитывать на максимальное давление
газов, так как по мере продвижения снаряда вперед давление падает.
Поэтому обычно в казенной части стенки более толстые, чем во всей
остальной части ствола. В каждом сечении стенки ствола изготавливаются с
запасом прочности, позволяющей выдерживать давление в 1,3 - 1,5 раза
больше, чем давление, возникающее при выстреле. При всех величинах
давления, на которые рассчитано оружие, ствол подвергается только
упругим деформациям расширения; при воздействии давления ствол
расширяется по окружности, а с прекращением давления принимает
первоначальные размеры. Однако в процессе эксплуатации могут
возникнуть условия, при которых давление в канале ствола может
превосходить рассчитанный запас прочности. В этом случае ствол
подвергается остаточной деформации, т. е., расширившись под действием
газов, после прекращения давления не восстанавливает своих размеров.
Такое явление называется раздутием ствола. В большинстве случаев
раздутие, получается, от попадания в ствол посторонних предметов (пакли,
тряпки, песка, земли и пр.). Снаряд, натыкаясь на посторонний предмет,
замедляет свое движение. Газы, следующие за снарядом, отталкиваются от
его дна и создают обратное движение. При столкновении газов, движущихся
в противоположных направлениях, возникает скачок давления,
превосходящий величину, на которую рассчитан ствол: происходит раздутие
ствола, а иногда и разрыв его.
Движение снаряда по каналу ствола
Основная работа пороховых газов затрачивается, с одной стороны, на
придание снаряду поступательного и вращательного движений, а с другой
стороны - на отдачу оружия. Работа, затрачиваемая на сообщение снаряду
поступательного и вращательного движения, составляет примерно 25-35% от
полной энергии пороховых газов (эта величина является коэффициентом
полезного действия оружия). Вращательное движение снаряда,
необходимое для обеспечения устойчивости его полета в воздухе,
достигается устройством нарезов в канале ствола. Длина хода нарезов,
обеспечивающих устойчивость полета снаряда, вычисляется по
определениям внешней баллистики. Двигаясь по каналу ствола, снаряд
(пуля) под действием давления пороховых газов врезается медным ведущим
пояском (оболочкой) в нарезы и получает вращательное движение.
Начальная скорость снаряда
Начальная скорость снаряда (V0) – это условная скорость в точке вылета,
которая получается расчетным путем [8, 10]. Начальная скорость является
одной из важнейших баллистических харак- теристик оружия, оказывающей
влияние на его боевые свойства. При увеличении начальной скорости
увеличиваются дальность полета снаряда, настильность траектории,
поражаемое пространство, бронепробиваемость, а также уменьшается
влияние внешних условий на полет снаряда. В таблицах стрельбы и
наставлениях указываются величины начальных скоростей несколько
большие, чем скорость снаряда в момент вылета . Объясняется это
следующим образом. При движении снаряда по каналу ствола под
действием пороховых газов скорость его все время увеличивается. Если бы
период последействия отсутствовал, то эта скорость была бы наибольшей,
ею определялось бы начало движения снаряда в воздухе. Но во время
периода последействия под давлением истекающих газов скорость снаряда
продолжает еще несколько увеличиваться и достигает какого-то значения V
после которого начинает убывать. Участок периода последействия газов у
оружия незначителен, поэтому считают, что снаряд после вылета из канала
ствола не подвергается действию пороховых газов. Но в этом случае
действительная скорость снаряда в момент вылета оказывается не связанной
с кривой изменения скорости полета снаряда в воздухе. Для определения
скорости снаряда в какой-либо точке в воздухе приме- няются специальные
приборы – хронографы*. Сущность определения скорости снаряда при
помощи хронографа заключается в следующем .На определенном
расстоянии друг от друга устанавливаются две мишени, которые
представляют собой либо деревянную раму с натянутой проволокой (для
артиллерийских систем), либо наклеенную на бумагу фольговую мишень
(поз. 1 и 2) (для стрелкового оружия), рассчитанную так, чтобы снаряд
обязательно при пробивании рамы перервал проволоку или фольговую
полоску. При этом разъединяется электрическая цепь. Обе рамы-мишени
соединены с хронографом. При пробивании снарядом поочередно первой и
второй рам- мишеней хронограф дает возможность определить время
полета снаряда между двумя рамами. Зная расстояние между рамамимишенями, и принимая движение на этом участке равномерным,
определяют среднюю скорость снаряда на участке между рамами.
Кинетическая энергия снаряда
Убойная и пробивная способность снаряда характеризуется его кинетической энергией (энергией движения), называемой также живой силой,
которая сообщается снаряду пороховыми газами в момент вылета из канала
ствола. Кинетическая энергия снаряда является важной характеристикой,
показателем его пробивной способности. Установлено, например, что пуля
стрелкового оружия обладает достаточной убойной силой для вывода из
строя человека, если ее кинетическая энергия не менее 8 кгм. Для
поражения же самолета, имеющего легкие броневые покрытия, пуля
крупнокалиберного пулемета должна иметь энергию около 100— 120 кгм.
Результат ударного действия снаряда (пули) зависит от его энергии при
встрече преградой. Особое значение величина кинетической энергии имеет
для боеприпасов при стрельбе по бронецелям. Большой запас кинетической
энергии бронебойных снарядов обеспечивает высокую
бронепробиваемость.
Сведения из внешней баллистики
Внешней баллистикой называется наука, изучающая движение снаряда
после прекращения действия на него пороховых газов . Данное определение
можно считать правильным, но в науке произошли изменения, и в
настоящий момент более верным будет признать такое определение:
«Внешней баллистикой называется наука, изучающая движение снаряда в
поле гравитации и воздушной среде». Вылетев из канала ствола под
действием пороховых газов, снаряд двигается в воздухе по инерции. Линия,
описываемая центром тяжести движения снаряда при его полѐте,
называется траекторией Для того чтобы решать практические задачи,
связанные со стрельбой, необходимо знать свойства траектории данного
вида оружия и еѐ форму; время, за которое снаряд пролетает то или иное
расстояние; общую дальность полета снаряда; и полѐта снаряда с тангажем
над линией прицеливания и много других вопросов. Основной задачей
внешней баллистики является решение вопроса о том, с какой начальной
скоростью, под каким углом возвышения нужно бросить снаряд
определенной формы, чтобы он достиг данной точки на поверхности земли,
водной поверхности или в пространстве.
Движение снаряда под действием силы тяжести
Действие сил тяжести не зависит от скорости полета снаряда.. В конце
первой секунды полета под действием силы тяжести снаряд будет не в точке
«а1 » или «а», а в точке А. Это происходит в результате поступательного
движения снаряда в первоначальном направлении и движения его под
действием силы тяжести. Рассматривая аналогичное положение снаряда в
конце 2, 3 и т.д. секунд, мы получим точки Б, В и т.д. Сокращая
последовательно промежутки времени, через которые мы определяли
положение снаряда, можно получить ряд очень близко отстоящих друг от
друга точек. Соединив эти точки кривой, мы получим графическое
изображение траектории полета снаряда без учета силы сопротивления
воздуха. Математическим выражением закона движения снаряда является
уравнение траектории, которое отражает зависимость между координатами
х и у в любой точке полета снаряда.
Движение снаряда в воздухе
При движении снаряда в воздухе кроме силы тяжести на него действует сила
сопротивления воздуха. Величина силы сопротивления воздуха, а
следовательно, и интенсивность воздействия на снаряд, может значительно
превосходить силу тяжести. Эта разница тем больше, чем меньше вес
снаряда и больше скорость его полета. При этом необходимо отметить, что
величина силы сопротивления возрастает особенно резко при движении
снарядов со скоростями, превышающими скорость звука. Сила
сопротивления воздуха, действующая на винтовочную пулю, летящую со
скоростью 825 м/с, в 40 - 80 раз больше силы тяжести от веса мины. О
величине влияния силы сопротивления воздуха на полет снаряда со
скоростью, превышающей скорость звука, можно судить по следующим
примерам. Дальность полета пули в безвоздушном пространстве при угле
бросания 15˚и начальной скорости 825 м/с, независимо от еѐ размеров и
формы, была бы равна, как показывает ранее решенный пример, 68550 м.
Дальность полета пули обр. 1908 г. при тех же условиях, но при наличии силы
сопротивления воздуха равна лишь 3825 м, т.е. в 17 раз меньше, чем в
безвоздушном пространстве. Сила сопротивления воздуха является одним из
главных факторов, препятствующих достижению больших дальностей
стрельб. Разнообразие форм современных пуль и снарядов во многом
определяется необходимостью уменьшить величину силы сопротивления.
Причины возникновения силы сопротивления воздуха. Сопротивление
воздуха полету вызывается тремя основными причинами: вязкостью воздуха,
отрывом пограничного слоя с образованием завихрения и образованием
баллистической волны. Каждая из этих причин проявляется в результате
давления воздуха на снаряд или возникновения сил трения. Вязкость
воздуха, образование пограничного слоя. Вязкость воздуха объясняется
наличием внутреннего сцепления между частицами воздуха. При движении
снаряда происходит следующее явление. Частицы воздуха, непосредственно
примыкающие к снаряду, вследствие сцепления с его поверхностью,
движутся со скоростью снаряда. Следующий слой частиц воздуха в
результате внутреннего сцепления также приходит в движение, но уже с
несколько меньшей скоростью. Движение этого слоя передается
следующему, и так до тех пор, пока разность скоростей частиц не станет
равной нулю. Образуется так называемый пограничный слой. Образование
пограничного слоя.79 Пограничный слой образуется как при движении
снаряда со скоростью меньшей скорости звука, так и при движении со
скоростью большей скорости звука. В пограничном слое возникают
касательные напряжения, которые можно отнести к силам трения. На их
преодоление расходуется часть энергии снаряда, что и приводит к
уменьшению скорости его полета. Понятно, что тщательная обработка
поверхности снаряда уменьшает со- противление воздуха, на всех скоростях.
Отрыв пограничного слоя и образование завихрений. Если слой воздуха,
раздвинутый головной частью снаряда, снова сомкнется сразу за снарядом,
то сопротивление воздуха будет наименьшим. Кинетическая энергия снаряда
будет расходоваться только на раздвигание слоя воздуха и преодоление сил
трения, возникающих в пограничном слое. Однако такого положения можно
достигнуть только при наличии особой сигарообразной формы снаряда и при
крайне малых скоростях его полета.
Литература.
• Физические основы функционирования стрелково-пушечного,
артиллерийского и ракетного оружия «БАЛЛИСТИКА» - С.А. Горов, С.Г.
Губин.
2. Наставление по стрелковому делу. 7,62-мм снайперская винтовка Драгунова (СВД). – М.: Воениздат. 1967. с.175.
3. Наставление по стрелковому делу. 7,62-мм пулемету Калашникова(ПКМ,
ПКМС, ПКМБ, ПКТ). – М.: Воениздат. 1971. с. 253.
4. Наставление по автомату Калашникова, модернизированному складномус
прибором бесшумной стрельбы. – М.: Воениздат. 1986. С. 54-57.
5. Наставление по стрелковому делу. 14,5-мм крупнокалиберный пулемет
Владимирова (КПВТ). – М.: Воениздат. 1992. с. 224.
6. Наставление по стрелковому делу. 9-мм специальный автомат (АС). М.:Воениздат. 1994. С. 40.
7. Наставление по стрелковому делу. Самозарядный пистолет специальный
(ПСС). - М.: Воениздат. С.38.
8. Наставление по стрелковому делу. Основы и правила стрельбы.. –
М.:Воениздат. 1986. с. 176.
9. Правила стрельбы из стрелкового оружия и боевых машин. – М.: Воениздат. 1992. с. 204.
10. Огневая подготовка. Часть первая. Основы и правила стрельбы. Управление огнем./ Под общей редакцией к. в. н. доцента Семенова Ю.И. ––
М.: Воениздат.1978 с. 336.