"Черный ящик" приоткрывается, или Немного о популярной внутренней баллистике

Рекламный клик:	[ x ]

Пневматическое оружие (далее - пневматика) представляет собой устройство, в котором метание снаряда (пули) осуществляется действием на него расширяющегося газа, перетекающего в ствол из специальной камеры. По сути этот же принцип реализуется и в огнестрельном оружии, где снаряд (пуля) выбрасывается из ствола под действием пороховых газов.

И в пневматике, и в огнестрельном оружии скорости метания не превышают существенно скорости звука в рабочих газах или оказываются даже меньше их: например, для воздуха при 20°С скорость звука составляет примерно 343 м/с, для газов, образующихся при сгорании нитроглицериновых порохов при 2000-3500°C, - 820-1100 м/с. Не углубляясь в теорию, можно утверждать, что в данных стреляющих устройствах волновые эффекты, возникающие в том или ином рабочем газе играют незначительную роль, в отличие, например, от высокоскоростных легкогазовых (действующих на водороде, гелии) баллистических установок. То есть расчёт конструктивных и баллистических параметров образцов пневматического оружия может в основном опираться на методы классической газовой динамики и баллистики.

В данной статье основное внимание сосредоточено на пневматике, в которой рабочим газом является воздух.

Для того чтобы воздух расширялся в стволе и выбрасывал пулю, к нему нужно подвести энергию: например, путем предварительного нагнетания в камеру (накачкой), быстрым сжатием поршнем, подогревом, ударной волной. В наиболее распространенных разновидностях пневматики в основном используют первые два способа. Первый - одноразовая, многоразовая, а также предварительная накачка (в том числе с использованием сменных баллонов большой емкости), при которой потенциальная энергия сжатого воздуха переходит в кинетическую энергию пули. Второй - сжатие воздуха поршнем в процессе самого выстрела с переходом кинетической энергии поршня в потенциальную энергию сжатого воздуха, которая, в свою очередь, передается пуле. Оба указанных способа имеют свои особенности, о которых будет сказано ниже.

Основываясь на положениях газовой динамики, можно утверждать, что скорость пули, выстреливаемой из пневматического оружия, в самом общем виде будет зависеть от скорости звука в газе, отношения объема ствола к объему газовой камеры (что определяет КПД выстрела), показателя адиабаты газы, отношения массы газа к массе пули, скорости движения всего газа как рабочего тела и, наконец, обобщенного коэффициента потерь.

Очевидно, что для повышения скорости пули в общем случае необходимо уменьшить обобщенный коэффициент потерь (на трение, теплопередачу), повысить скорость звука в рабочем газе (за счет повышения температуры и снижения молекулярной массы газа), увеличить отношение объема ствола к объему камеры и массы метающего газа к массе пули, а также повысить скорость газа как рабочего тела (опять-таки за счет повышения его температуры и дополнительного ускорения в стволе).

На практике возможности повышения мощности воздушной пневматики ограничиваются как объективными причинами (свойствами воздуха, которые особо не изменишь; масоо-габаритными характеристиками оружия; потребительскими и эксплутационными свойствами и т.п.), так и и субъективными (принятыми в ряде стран - в том числе и в России - ограничениями по допустимому калибру и дульной энергии оружия, разрешенного для свободного безлицензионного оборота).

Снижение потерь на трение пули в стволе обеспечивают качественной его обработкой, применением пуль специальной формы, смазкой как самих пуль, так и канала ствола. Влияние трения в общем случае возрастает с увеличением скорости метания и снижается с увеличением калибра оружия. Но для повышения мощности оружия не всегда удается одновременно увеличить отношение объема ствола к объему воздушной камеры и отношение массы воздуха к массе пули. Поэтому разработчики стремятся сделать так, чтобы суммарный эффект от сочетания этих параметров был бы наибольшим: например, за счет возможно большего давления воздуха в выбранном объеме камеры, который оптимально соответствует объему ствола.

Увеличение скорости звука и скорости воздуха как рабочего тела обеспечивается повышением его температуры, для чего существуют кое-какие возможности, которые есть смысл рассматривать отдельно для оружия с накачкой (его еще называют компрессионным) и пружинно-поршневого оружия.

Практически всем владельцам пневматики известно, что мощность их винтовок и пистолетов, помимо конструктивных особенностей, существенно зависит от температуры окружающей среды: в теплый день скорость пули выше, чем в холодный, поскольку с ростом температуры растет скорость звука в воздухе, т.е. повышается скорость его расширения.

Предположим, что стрельба ведется с использованием определенного (заранее расчитанного для используемого объема ствола) объема сжатого воздуха при заданном давлении (т.е. задана масса воздуха в этом объеме).

Эти условия можно реализовать, предварительно закачав в определенный объем воздух под заданным давлением или быстро сжав его - например, поршнем - до такого же определенного объема и заданного давления (масса сжатого воздуха везде одинакова). Во втором случае скорость пули получится больше, чем в первом, потому что при быстром сжатии воздуха (почти адиабатическом процессе с минимальной теплопередачей за время выстрела) температура его резко возрастает, возрастает и скорость пули. Определенный эффект дает также движение поршня, позволяющего за счет поджатия воздуха при движении пули в стволе в какой-то мере удерживать повышенное среднее давление на нее. Это одно из положительных качеств пружинно-поршневой системы. В то же время, искушенный владелец однозарядно компрессионной пневматики знает, что при частой стрельбе (и соответственно при частом повторении процесса закачки воздуха) скорость пули возрастает от выстрела к выстрелу: нагреваются зарядная камера с воздухом и ствол, улучшаются энергетические условия стрельбы.

Для многозарядной компрессионной пневматики (в том числе и предварительной накачки) эффект обратный: каждый последующий выстрел менее мощный, чем предыдущий; при частой стрельбе снижаются температура воздуха в воздушной камере (баллоне) и его давление. Поэтому высококачественные модели оснащены специальными редукционными устройствами, позволяющими достичь стабильности параметров для определенного числа выстрелов (хотя и не всех).

Существуют компрессионные модели, в которых можно компенсировать упомянутое изменение давления за счет подкачки. Например, из южнокорейской охотничьей винтовки "Yewha BBB Dynamite" последостижения рабочего давления (примерно 150 накачиваний) можно произвести до 20 выстрелов с постепенно падающей мощностью, а можно после каждого выстрела подкачивать воздух (4-5 накачиваний) и обеспечивать тем самым почти постоянную мощность.

В поршневой пневматике, как и в огнестрельном оружии, метаемое тело начинает двигаться в стволе по достижении некоторого давления газа - так называемого "давления форсирования" (оно тем выше, чем более прочно закреплена пуля в гильзе, чем больше размеры головной и хвостовой части пневматической пули, чем глубже и круче нарезы в стволе за пульным входом и т.п.).

В нарезной артиллерии и высокоскоростных баллистических установках давление форсирования обеспечивают на уровне 250-300 атм, в нарезном стрелковом оружии - 500-1500 атм.

Теория и практика показывают, что в длинноствольном высокоскоростном огнестрельном оружии и легкогазовых баллистических установках давление форсирования в сравнительно малой степени (в пределах 3-5%) влияет на скорость метаемого тела, однако оказывает значительное влияние на максимальное давление в камере (или гильзе) и стволе. В данном случае давление форсирования лишь перераспределяет аккумулируемую энергию порохового заряда или сжатого легкого газа, а не изменяет его величину. Правильным выбором давления форсирования при очень высоком давлении в камере (гильзе) огнестрельного оружия можно довести давление, действующее на метаемое тело, до значения, не опасного для прочности ствола и самого тела.

Иначе обстоит дело с относительно маломощной (по сравнению с огнестрельным оружием) пружинно-поршневой пневматикой. Здесь по возможности пытаются обеспечить давление форсирования, близкое к максимальному давлению, развиваемому поршнем. Иными словами, для достижения максимальной скорости пуля должна начать движение, когда сжатие воздуха поршнем максимально. Это достигается оптимальным сочетанием геометрических размеров пульного входа ствола и самой пули с учетом свойств материалов, из которых они изготовлены.

Когда автор этих строк в молодости конструировал свой первый пневматисекий пистолет поршневой системы, произошел занятный казус: поршень с относительно слабой пружиной был не в состоянии сжать воздух до такой степени, чтобы вытолкнуть в ствол стальной шарик, который крепко сидел в резиновой муфте казенной части ствола. Пришлось снизить давление форсирования, а для этого увеличить внутренний диаметр муфты. А чтобы шарик от сотрясения не выпадал в ствол, пришлось вставить в муфту капроновый волосок, который, собственно, и удерживал шарик.

Для компрессионной пневматики давление форсирования весьма и весьма мало. В гладкоствольном оружии требуется лишь исключить выпадение пули (чаще всего шариковой) в ствол до открытия клапана камеры со сжатым воздухом. В нарезном оружии такой проблемы нет, но следует учитывать, что продвижение пули будет тормозиться начинающимися за пульным входом нарезами.

Форма газовой камеры в обоих рассматриваемых видах пневматики представляет собой, чаще всего, цилиндр (хотя для пневматики предварительной накачки иногда используются несколько взаимосвязанных цилиндров, резервуары бутылочной формы и др.).

Что касается формы канала для перепуска воздуха из воздушной камеры в казенную часть ствола, то и теория и экспериментальные исследования рекомендуют делать его по возможности достаточно плавным и коротким. По сравнению с крутым и длинным каналом это позволяет на 5-10% повысить скорость метания (из охотничьей практики хорошо известно, что при коротком плавном переходе от патронника к каналу ствола возрастают кучность и резкость боя). Но, исходя из конструктивных и технологических соображений, конструкторы иногда вынуждены выбирать форму, отличающуюся от оптимальной.

И все же, для относительно слабой (в сранении с огнестрельным оружием) пневматики желательно учитывать все "мелочи", хоть как-то позволяющие повысить мощность выстрела.

Одним из существенных конструктивных параметров поршневой пневматики является масса поршня. Оптимально она должна подбираться так, чтобы обеспечить максимальную степень сжатия воздуха, исходя из мощности имеющейся пружины (обычно витой, но бывает что и "газовой"), начального объема (массы) воздуха в воздушной камере, длины хода поршня и площади его поперечного сечения. Кинетическая энергия поршня (теснейшим образом связанная с потенциальной энергией сжатой пружины) должна как можно более полно перейти в потенциальную энергию сжатого воздуха. С увеличением начального объема воздуха в камере массу поршня целесообразно увеличивать, а с увеличением мощности боевой пружины - уменьшать ее до определенного предела. Таким образом, вновь и вновь нужно искать "золотую середину".

Определенную роль в процессе сжатия воздуха играет также форма головной части поршня. Теоретически для пневматики идеальной - с точки зрения максимальной степени сжатия - была бы головная часть в виде выпуклой полусферы или парабалоида (естественно, при соответствующем профилировании передней части газовой камеры). На практике же по ряду соображений (трудоемкость изготовления сложных поршней и камер и необходимость применения обтюрующих манжет соответствующей формы) ее обычно делают плоской.

Для того чтобы наглядно иметь представления о выстреле из пневматического оружия, на рис. 1-3 показан характер изменения давления воздуха, действующего на пулю, и ее скорости при движении по стволу (кривые получены в результате газодинамических расчетов). На рис. 1 приведены графики для одной из самых мощных компрессионных винтовок предварительной накачки - южнокорейской "Hunting Master" 900 калибра 9 мм и длиной ствола 680 мм. Винтовка имеет два спаренных подствольных цилиндрических резервуара, в которых воздух может быть сжат до 211 атм. Максимальная дульная скорость пули весом 6 г составляет примерно 275 м/c, а кинетическая энергия достигает 277 Дж. Впечатляет, не правда ли?..

 
Рис. 1-3
 

На рис. 2 приведены графики изменения давления и скорости пули для американского компрессионного пистолета многоразовой накачки "Crosman" 1377 .177 калибра 4,5 мм и стволом длиной около 250 мм. Минимальная (после 10 накачиваний) скорость пули "диабло" весом 0,5 г составляет примерно 153 м/с.

На рис. 3 аналогичные графики приведены для отечественной поршневой винтовки ИЖ-60 калибра 4,5 мм и стволом 450 мм, в которой штатная пружина была заменена на более мощную, с усилием сжатия ~50 кг. Для такой "усиленной" винтовки скорость пули "диабло" составляет 160-170 м/с (ставшие притчей во языцех 7,5 Дж не превышены).

Как видно, в компрессионной пневматике кривые давления и скорости заметно отличаются от кривых для поршневой пневматики. Так, если в первом случае давление (скорость) плавно убывает (возрастает), то во втором - давление сначала растет (за счет движения поршня), проходит отметку форсирования (пуля начинает движение), достигает максимума, а затем плавно спадает. При этом скорость пули растет вначале весьма резко, а затем (после достижения максимального давления) более плавно, как в компрессионной пневматике.

Уместно задаться вопросом: есть ли у упомянутых моделей резервы повышения мощности: например, за счет удлинения ствола? Южнокорейская винтовка в этом плане сконструирована очень хорошо, ее мощность при таких габаритах достигла практически максимальной величины (куда же больше, это все-таки пневматика!). Если у нее удлинить ствол - например на 20 см - то скорость пули возрастет всего на 12-15 м/с (КПД выстрела возрастет с ~0,47 до ~0,51).

Иное дело "Crosman" 1377. Он спроектирован так, что резерв увеличения мощности есть. Если удлинить ствол на 20 см, то скорость пули увеличится существенно - примерно до 193 м/с (КПД выстрела при этом возрастет с ~0,15 до ~0,226). Поэтому фирма "Crosman" и выпустила на базе пистолета 1377 модель 1389 "Backpacker" с удлиненным до 35 см стволом и пистолетной рукояткой, заменяемой - по желанию владельца - на рамочный приклад (фактически получилась компактная винтовка).

Что касается отечественной поршневой ИЖ-60, то резервы увеличения мощности "по стволу" практически исчерпаны, поскольку дульное давление слишком мало. Оптимально повысить мощность винтовки при фиксированной длине ствола можно одновременным увеличением и силы пружины, и объема камеры (хода поршня).

В целом, повышать скорость пули в пневматике (да и в огнестрельном оружии тоже) за счет удлинения ствола можно лишь до определенного предела, т.к. трение при движении пули в стволе будет давать больший эффект, чем давление воздуха на пулю.

Юрий Даньшов
Источник: журнал "Пневматическое оружие"
 
Верстка HTML: Oleg
 

Обсудить статью на форуме

Вернуться в раздел "Винтовки"