ВНУТРІШНЯ БАЛІСТИКА

Внутрішня балістика– це наука, яка займається вивченням процесів, що проходять під час пострілу і особливо під час руху кулі (снаряда) у каналі ствола. Вона призначена для вирішення завдання, як надати кулі найбільшої швидкості, не перевищуючи при цьому допустимого тиску порохових газів у каналі ствола зброї.

При пострілі зі стрілецької зброї від удару бойка по капсулю патрона вибухає його ударна суміш. Сильне полум’я, що виникає при цьому, через отвори у дні гільзи проникає в товщу порохового заряду і запалює зерна пороху. Пороховий заряд згорає майже миттєво і виділяє велику кількість сильно нагрітих газів, які утворюють у каналі ствола високий тиск на дно кулі, дно та стінки гільзи, а також на стінки ствола і затвора. Зустрічаючи опір міцних стінок ствола і дна гільзи, що впирається в затвор, порохові гази розповсюджуються у бік найменшого опору і штовхають кулю, як більш легкий предмет, перед собою. Вона врізається у нарізи каналу ствола і, обертаючись по них, рухається з безперервно зростаючою швидкістю до її викидання назовні. Тобто відбувається постріл.

Постріл– це викидання кулі (снаряда) з каналу ствола зброї енергією газів, які утворюються при згоранні порохового заряду. Він являє собою процес дуже швидкого перетворення хімічної енергії пороху спочатку в теплову, а потім у кінетичну енергію руху зброї (заряду – кулі – ствола).

Явище пострілу характеризується такими особливостями:

– значною величиною тиску газів (2000–3000 кг/см² й більше);

– високою температурою порохових газів (2400–3500 °С);

– миттєвою тривалістю явища (0,001–0,06 с);

– горінням порохового заряду в об’ємі, що швидко змінюється.

При згоранні порохового заряду:

– 25–30 % енергії, яка виділяється, витрачається для надання кулі поступального спрямованого руху (основна робота);

– 15–25 % енергії витрачається на другорядні роботи (врізання у нарізи і подолання тертя при русі кулі по каналу ствола, нагрівання стінок ствола, гільзи і кулі, переміщення рухомих частин зброї);

– майже 40–50 % енергії не використовується зовсім і безцільно втрачається після вильоту кулі з каналу ствола.

Тиск газів на дно гільзи викликає рух зброї назад (відбій зброї). Від тиску газів на гільзу та стінки ствола відбувається їх розтяг (пружна деформація). Гільза, міцно притискуючись до патронника, перешкоджає прориванню порохових газів у бік затвора (цей процес називається обтюрацією). Одночасно при пострілі виникає коливальний рух (вібрація)ствола і ствол дуже нагрівається. Нагріті гази та частинки пороху, що не догорів, витікають з каналу ствола слідом за кулею і при зустрічі з повітрям породжують полум’я та ударну хвилю, яка є джерелом звуку при пострілі.

Хоча постріл відбувається майже миттєво (0,001–0,06 с), у ньому розрізняють чотири послідовні періоди: попередній; перший, або основний; другий;третій, або період післядії газів (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Періоди пострілу:

Р₀ – тиск форсування; Р_max – найбільший тиск; Р_к і V_к (Р_ді V_д) – тиск газів

та швидкість кулі в момент закінчення згорання пороху (у момент вильоту

кулі з каналу ствола); V_max– найбільша швидкість кулі; Р_атм – атмосферний тиск

Попередній (піростатичний) період триває від початку горіння порохового заряду до повного врізання оболонки кулі в нарізи ствола. Протягом цього періоду в каналі ствола утворюється тиск газів, необхідний для того, щоб зрушити кулю з місця і подолати сили опору руху (затискання кулі в дулці гільзи та врізання її в нарізи) при майже незмінному об’ємі.

Цей тиск називається тиском форсування (P₀). Він залежить від будови нарізів, ваги кулі та твердості її оболонки і досягає 250–500 кг/см². За часом це найкоротший період; у гладкоствольній зброї він відсутній.

Перший(піродинамічний),або основний період,триває від початку руху кулі по нарізах до моменту повного згорання порохового заряду. У цей період горіння порохового заряду проходить в об’ємі, що швидко змінюється.

На початку періоду, коли швидкість руху кулі по каналу ствола ще невелика, кількість газів збільшується швидше, ніж об’єм закульного простору (простір між дном кулі і дном гільзи), тиск газів швидко збільшується і досягає найбільшої величини – 294 МПа (приблизно
3000 кг/см²). Цей тиск називається максимальним тиском (P_max). Він утворюється при проходженні кулею 4–6 см шляху і після повного врізання кулі у нарізи викликає миттєве прискорення її руху. Пороховий заряд повністю згорає незадовго до того, як куля вилетить з каналу ствола.

Другий (термодинамічний)періодтриває від моменту повного згорання порохового заряду до моменту вильоту кулі з каналу ствола. З початком цього періоду надходження порохових газів припиняється, однак сильно стиснуті та нагріті гази розширюються і, продовжуючи тиск на кулю, збільшують швидкість її руху. Спад тиску в другому періоді проходить дуже швидко і біля дулового зрізу (дуловий тиск) становить 300–900 кг/см². Швидкість кулі в момент вильоту з каналу ствола V_д (дулова швидкість) трохи менше початкової швидкостіV₀ (V_д < V₀).

У деяких видів стрілецької зброї, особливо короткоствольних (пістолет Макарова), другий період відсутній, оскільки повного згорання порохового заряду до моменту вильоту кулі з каналу ствола фактично не відбувається.

Третій період, або період післядії газів,триває від моменту вильоту кулі з каналу ствола до моменту закінчення дії на неї порохових газів. Протягом цього періоду порохові гази, витікаючи з каналу ствола зі швидкістю, більшою за швидкість кулі (приблизно 1200–2000 м/с), продовжують діяти на кулю і надають їй додаткової швидкості. Найбільшої (максимальної) швидкості (V_max > V₀) куля досягає в кінці третього періоду на відстані декількох десятків сантиметрів (до 20 см) від дулового зрізу ствола. Цей період закінчується тоді, коли тиск порохових газів, що витікають із ствола зброї за кулею, зрівнюється з опором повітря (P_{д =} P_атм).

Таким чином, з просуванням кулі по каналу ствола швидкість її безперервно зростає і досягає найбільшої величини в декількох сантиметрах від дулового зрізу. Після закінчення дії на кулю порохових газів її рух продовжується за інерцією. Зустрічаючи опір повітряного середовища, вона починає втрачати швидкість. Оскільки швидкість кулі весь час змінюється, то її прийнято фіксувати тільки в деяких певних фазах руху.

Початковою швидкістю (V₀)називається швидкість руху кулі біля дулового зрізу ствола. Вона є однією з головних бойових характеристик зброї. При збільшенні початкової швидкості збільшується:

– дальність польоту кулі;

– дальність прямого пострілу;

– убивча та пробивна дія кулі;

А також траєкторія польоту кулі стає більш настильною (пологою) та зменшується вплив зовнішніх умов на її політ.

За початкову швидкість V₀ береться умовна швидкість, яка дещо більша за дулову і менша за максимальну (V_max > V₀ > V_д). Вона визначається дослідним шляхом з наступними розрахунками. Її величина вказується у таблицях стрільби і бойових характеристиках зброї.

Величина початкової швидкості кулі залежить від:

– довжини ствола;

– маси кулі;

– маси, температури і вологості порохового заряду, форми і розміру зерен пороху та щільності заряджання.

Чим довший ствол, тим більше часу на кулю діють порохові гази і тим більша початкова швидкість. При постійній довжині ствола і вазі порохового заряду початкова швидкість тим більша, чим менша вага кулі.

Зміна ваги порохового заряду призводить до зміни кількості порохових газів, які утворюються, величини максимального тиску в каналі ствола та початкової швидкості кулі. Чим більша вага порохового заряду, тим більші максимальний тиск і початкова швидкість кулі.

Зі збільшенням температури порохового заряду збільшується і швидкість горіння пороху, а звідси збільшується максимальний тиск і початкова швидкість. При зниженні температури заряду початкова швидкість зменшується. Зі збільшенням вологості порохового заряду зменшується швидкість його горіння, а звідси і початкова швидкість кулі.

Форма та розміри пороху сильно впливають на швидкість горіння порохового заряду та на початкову швидкість кулі, тому вони підбираються відповідним чином при конструюванні зброї та патронів.

Збільшення щільності заряджання може призвести при пострілі до різкого стрибка тиску і в наслідок цього – до розриву ствола. Зменшення щільності заряджання викликає уповільнення горіння пороху.

Початкова швидкість кулі залежить також від маси самої зброї і є однією з найважливіших характеристик не тільки патронів, а й зброї. Але не слід судити про балістичні властивості зброї тільки на основі однієї початкової швидкості кулі, тому для розрахунку енергії, яку має куля, та роботи, яку вона може виконати на певній відстані від зброї, вводяться визначення убивча та пробивна дія кулі.

Убивча дія кулі– це енергія, яку має куля в момент зустрічі її з ціллю. Для нанесення ураження людині (виведення її зі строю) достатньо енергії, що дорівнює 10 кг/см².

Пробивна дія кулі– це здатність кулі пробивати перешкоду (укриття) певної щільності та товщини.

У стволі зброї при згоранні порохового заряду виникає дуже високий тиск, так у АК74 він досягає 2800–3000 кг/см². Навіть найменший тиск у дуловій частині ствола в момент вильоту кулі дорівнює декільком сотням атмосфер. Щоб витримувати таке напруження, ствол зброї повинен мати велику міцність, яка залежить від товщини стінок ствола та якості металу.

Міцність ствола розраховується так, щоб він зазнавав тільки пружних деформацій розширення, тобто при впливі тиску розширявся, а з припиненням тиску набував первинних розмірів.

Якщо тиск у стволі за будь-яких обставин перевищить величину, на яку розрахована міцність ствола, то ствол може зазнати залишкової деформації, яка спостерігається у вигляді його роздуття, а іноді й розриву.

Роздуття ствола відбувається в тих випадках, коли у стволі зброї на шляху руху кулі знаходиться стороннє тіло (дрантя, що залишилось після чищення, ганчірка, мастило, зібране в краплю, пісок, бруд і т. п.).

Стороннє тіло (рис. 2.2) є перешкодою; натикаючись на нього, куля сповільнює свій рух. Гази, що йдуть услід за кулею, відштовхуються від її дна і дають зворотну хвилю, але основна маса газів продовжує рухатися до дулової частини. Відбувається зіткнення двох хвиль газів, які рухаються у протилежних напрямках. Внаслідок цього позаду кулі виникає дуже сильний тиск газів радіального напрямку, який перевищує міцність стінок ствола. Він і викликає роздуття або розрив ствола.

У переважній більшості випадків у появі роздуття ствола винен сам стрілець. З метою запобігання роздуттю слід ретельно протирати та уважно оглядати канал ствола перед стрільбою, а також оберігати його і патрони від забруднення при пересуванні.

Ствол у процесі стрільби піддається зносу, причини виникнення якого можуть мати хімічний, механічний або термічнийхарактер.

У результаті причин хімічного характерув каналі ствола утворюється пороховий нагар і якщо після стрільби не вичистити весь цей нагар, то канал ствола в місцях сколювання хрому протягом короткого часу покриється іржею, після видалення якої залишаються тріщини. При повторенні таких випадків ступінь ушкодження ствола буде збільшуватись і може призвести до виникнення виїдів, тобто значних поглиблень у стінках каналу ствола. Негайне ретельне чищення і змащування каналу ствола після стрільби запобігають його ураженню іржею.

Причини механічного характеру зносу ствола– удари і тертя кулі об нарізи, неправильна чистка – призводять до стирання полів нарізів чи округлення кутів полів нарізів, особливо їх лівої грані, викришуванню та сколюванню хрому в місцях сітки розгару.

Причинами термічного характеруєвисока температура порохових газів, періодичне розширення каналу ствола і повернення його у початковий стан, які призводять до утворення сітки розгару та оплавлення поверхні стінок ствола в місцях сколювання хрому.

Під дією всіх цих причин канал ствола розширюється і змінюється його поверхня, внаслідок чого збільшується прорив порохових газів між кулею і стінками каналу ствола, зменшується початкова швидкість кулі і збільшується розсіювання куль.

Для збільшення строку придатності ствола до стрільби необхідно виконувати встановлені правила чищення та огляду зброї і боєприпасів, вживати заходів щодо зменшення нагрівання ствола під час стрільби.

Режимом вогнюназивається найбільша кількість пострілів, яка може бути здійснена за визначений проміжок часу без завдання шкоди матеріальній частині зброї, без порушення заходів безпеки і зниження результатів стрільби. З метою раціонального забезпечення режиму вогню необхідно виконувати заміну ствола (там, де він змінний) або охолоджувати його через певну кількість пострілів. Невиконання режиму вогню призводить до надмірного нагрівання ствола і, як наслідок, до передчасного його зносу, а також до різкого зниження результатів стрільби.

Живучістю стволаназивається можливість ствола витримувати певну кількість пострілів, після чого він зношується і втрачає свої якості (значно збільшується розсіювання куль, зменшується початкова швидкість і стійкість кулі у польоті). Живучість хромованих стволів стрілецької зброї досягає
10–20 тисяч пострілів.

Збільшення живучості ствола досягається дотриманням режиму вогню, усуненням причин, що викликають роздуття ствола, своєчасним і правильним чищенням та змащуванням зброї.

При згоранні порохового заряду гази, розширюючись, тиснуть з однаковою силою на всю поверхню об’єму, який заповнюється ними, та відкидають зброю і кулю в різні боки.

Відбоєм зброї(рис. 2.3) називається рух зброї назад у момент пострілу. Відбій відчувається як поштовх у плече, руку або грунт. Дія відбою зброї характеризується величиною швидкості та енергією, яку вона має при русі назад. Швидкість відбою зброї приблизно в стільки разів менша за початкову швидкість кулі, в скільки разів куля легша за зброю.

Рис. 2.3. Відбій зброї

При стрільбі з автоматичної зброї, будова якої заснована на принципі використання енергії відбою, частина її віддається для передачі руху рухомим частинам і на перезаряджання зброї. Тому енергія відбою при пострілі з такої зброї менша, ніж при стрільбі з неавтоматичної або автоматичної зброї, будова якої заснована на принципі використання енергії порохових газів, що відводяться через отвір у стінці ствола.

Сила тиску порохових газів (сила відбою) і сила опору відбою (упор приклада у плече, центр ваги зброї та ін.) розташовані не на одній прямій і направлені в протилежні боки. Вони утворюють пару сил, під дією яких дулова частина ствола зброї відхиляється вгору. Величина відхилення дулової частини ствола тим більша, чим більше плече цієї пари сил.

Крім цього, при пострілі ствол зброї робить коливальний рух – вібрує.
У результаті вібрації дулова частина ствола в момент вильоту кулі може також відхилитись від початкового положення в довільну сторону (вгору, вниз, вліво, вправо). Розмір цього відхилення збільшується при неправильному використанні упора для стрільби, забрудненні зброї тощо.

Поєднання впливу вібрації ствола, відбою зброї та інші причини призводять до утворення кута між напрямком осі каналу ствола до пострілу та її напрямком у момент вильоту кулі з каналу ствола.

Кут, утворений напрямком осі каналу ствола до пострілу та в момент вильоту кулі, називається кутом вильоту (γ). Кут вильоту вважається додатним (+), коли вісь каналу ствола в момент вильоту кулі вище її положення до пострілу, і від’ємним (–), коли вона нижче. Розмір кута вильоту надається в таблицях стрільби.

Вплив кута вильоту на стрільбу кожного екземпляра зброї усувається при приведенні її до нормального бою. Однак при порушенні правил прикладки та утримання зброї під час стрільби, неправильному використанні упору і правил догляду за зброєю змінюються розміри кута вильоту та бій зброї. Для забезпечення одноманітності кута вильоту і зменшення впливу відбою на результати стрільби необхідно чітко дотримуватись прийомів стрільби та правил збереження зброї, вказаних у настановах зі стрілецької справи.

З метою зменшення шкідливого впливу відбою на результати стрільби в деяких зразках стрілецької зброї (наприклад, АК74) застосовують спеціальні пристрої – дулові гальма-компенсатори, у РКК74 – сошку, а у ККМ – станки.