Основные разделы внутренней баллистики орудия.

Внутренняя баллистика на её современном уровне развития состоит из следующих основных разделов:

1. Пиростатика – изучение горения пороха и образование газов при сгорании пороха в постоянном объёме. Изучается влияние формы, размеров, природы пороха, условий заряжания, давления газов на интенсивность газообразования в простейших условиях, когда пороховые газы не совершают работу при расширении.

2. Физическая пиродинамика – изучение физических основ явления выстрела из орудия как термодинамического и газодинамического процесса, исследование других явлений, сопровождающих выстрел.

3. Теоретическая пиродинамика – решение основной задачи внутренней баллистики – установление изменения давления пороховых газов и скорости снаряда в функции пути снаряда и времени.

4. Баллистическое проектирование орудий – обратная задача внутренней баллистики – определение конструктивных данных канала ствола и условий заряжания, при которых снаряд данного калибра d и веса q получит при вылете из канала ствола заданную дульную скорость - υдпри допустимом максимальном давлении газа – Рmна снаряд (орудие). Из многих решений выбирается вариант, который наиболее полно удовлетворял бы тактико-техническим требованиям (ТТТ) и условиям производства орудия. Результаты расчётов выбранного варианта проверяются решением прямой задачи внутренней баллистики и кривые давления р=р(t) и скорости v=v(t) ,а также Р(l) и v(l) являются исходными данными для проектирования ствола, лафета, порохового заряда и т.д.

Несколько по-другому делится внутренняя баллистика за рубежом. Шарбонье ограничил внутреннюю баллистику изучением механических эффектов, т.е. что относится к основной классической задаче (включая замкнутый объём), все другие вопросы он относил к теории горения.

Дж. Корнер делит внутреннюю баллистику на практическую и исследовательскую. К практической баллистике относятся вопросы, рождённые в обычной артиллерийской практике, например при баллистических испытаниях орудия, порохов и т.д. В «исследовательской баллистике» теоретическая часть также делится на «практическую» и «исследовательскую». Там, где измерения связаны со значительным объёмом работы, теория должна быть точной, насколько это возможно. Теоретическая внутренняя баллистика по Дж. Корнеру соответствует нашему разделу «теоретическая пиродинамика».

Глава 1

1.Порох как источник энергии.

1.1. Виды порохов, их формы, размеры, марки.

Со времён появления огнестрельного оружия и до 80-х годов позапрошлого столетия в артиллерии применяли только дымный порох. Он представлял собой смесь нитрата калия, древесного угля и серы в весовом отношении 75 : 10 : 10 . Порошкообразный чёрный порох прессуют в пороховые зёрна определённых размеров и используют в настоящее время в качестве воспламенителей, средств для передачи огня, замедлителей, дистанционных составов, вышибных зарядов и для снаряжения в патронах охотничьих ружей. В зависимости от размера зерна, он разбивается на сорта и обозначается ДРП №1, 2, 3; КЗДП. ДРП – дымный ружейный порох. Номер обозначает размер зерна (№3 – самый мелкий). Для охотничьих патронов дымный порох имеет марку, типа «Медведь», «Олень». КЗДП – крупнозернистый дымный порох, используется, например, для изготовления воспламенителя.

В настоящее время в артиллерийской технике в качестве источника энергии для движения снарядов, пуль, мин, реактивных снарядов используется бездымный порох. По физико-химической природе бездымные пороха можно разделить на нитроцеллюлозные и смесевые. В зависимости от содержания азота в нитроклетчатке, различают пироксилин №1(содержание азота N=12,9-13%), №2(N=11,9-12,3%) и коллоксилин(N<11,9%). Пироксилин №1 почти нерастворим в спиртоэфирной смеси, пироксилин №2 нацело растворяется в этой смеси. Для изготовления пороха берётся смесь пироксилинов №1 и №2. Подвергнутый действию спиртоэфирной смеси (летучего растворителя) в определённой пропорции, пироксилин под давлением желатинизируется, становится коллоидом. Смесь пироксилина с растворителем в виде очень густой массы при прессовании под давлением через матрицу может приобретать определённую форму (трубка, прут, зерно и др.). Состав пироксилиновых порохов приведён в таблице 3.

Таблица 3.

Пироксилиновые пороха – пороха на летучем растворителе, за рубежом они называются одноосновными.

Пороха на труднолетучем и нелетучем растворителе получили название баллиститов (за рубежом их называют двухосновными). При изготовлении баллиститов обычно используют коллоксилин (40-75%), который пластифицируется нитроглицерином, либо нитродигликолем, либо другими нитратами многоатомных спиртов (25-60%). Название порохов соответствует техническим названиям нитратов, например, нитроглицериновый, нитродигликолевый. Баллиститный порох содержит стабилизатор (централит, акардит) и специальные добавки. В орудийные пороха вводятся добавки, понижающие температуру горения, например, нитрогуанидин, что способствует повышению живучести ствола.

Нитроглицериновые пороха на смешанном растворителе называются кордитами и изготовляются из опироксилина №1, пластификатором является спиртоацетоновый растворитель.

Кроме того, могут использоваться нитроцеллюлозные пороха без растворителя, получаемые нитрованием с последующей стабилизацией измельчённого пергамента или вискозной нити.

Смесевые пороха – механическая смесь окислителя, горючего и связующих веществ; окислитель – нитраты, перхлораты; горюче-связующие вещества – каучук, смолы и т.п.

По назначению (видам оружия) обычно пороха разделяют на четыре группы:

1. Орудийные пороха

2. Пороха для стрелкового оружия

3. Миномётные пороха

4. Ракетные пороха.

Форма порохов чрезвычайно разнообразна: лента, пластинка, брусок, пруток, кубик, сфера, трубка, чечевица, зерно с одним и многими каналами и др. Форма пороха связана с типом оружия. Маркировка пороха:

Пластинка – Пл (Пл 14-10 – толщина 2е1=0,14 мм, ширина и длина пластинки 2b=2e=1 мм).

Лента – Л (Л35 – толщина 2е1=0,35 мм).

Пороха зеренные с одним или 7 каналами (4/1 – одноканальный 2е1=0,4 мм; 5/7 – 7 канальный 2е1=0,5 мм, где 2е1– наименьшее расстояние между каналами, или толщина трубки).

Пороха трубчатые – Тр (22/1 Тр - 2е1=2,2 мм)

Порох кольцевой – К (К 32/65-14 – толщина 2е1=0,14 мм, наружный диаметр – 65 мм, внутренний – 32 мм).

Порох спиральный – Сп (Сп14-47, толщина 2е1=0,14мм, ширина спирали 2b=47 мм).

Зернения пороха под пулю имеют …….. обозначение ВТ, ВЛ, ВУ – под тяжелую винтовочную пулю, легкую винтовочную пулю и укороченный винтовочный патрон соответственно.

П – пористый порох. П85 выведено 85 частей селитры на 100 частей пироксилина.

Состав и природа пироксилиновых порохов обозначаются следующими индексами:

"св" – из свежего пироксилина на хлопковой и древесной целлюлозе.

"ца" – древесная целлюлоза в форме жгутиков.

"цг" – древесная целлюлоза в форме гранул

Пер – порох, полученный переделкой старых порохов

ФЛ – порох, подвергнутый флегматизации с поверхностных слоёв.

Гр – порох графитованный

Состав и природа баллиститных порохов.

Н или НГВ – нитроглицериновый порох

НБ – с высокой калорийностью

НДТ – содержащий в качестве охлаждающей добавки динитротолуол и дибутилфтолат.

ДГ – содержащий в качестве добавки центролит.

НДТ-2 – цифра указывает на определённую калорийность пороха (2-770 кал/кг;

3-675 кал/кг).

Полная маркировка пороха обычно имеет вид:

НБПл 12-10 4/42 М – нитроглицериновый пластинчатый порох, толщина пластинки 2е1=0,12 мм, ширина кв. пластинки 2b=2с=1 мм;

4 – номер партии; 44 – год изготовления 1944;

М – шифр завода-изготовителя;

12/7 св 5/41 с – пироксилиновый порох из свежего пироксилина 7-иканальный с

2е1=1,2 мм, 5 партия 1941 г. изготовления, шифр завода изготовителя – с.

Зернение пороха для морской артиллерии обозначается также как для сухопутной артиллерии. Трубчатые пороха для морской артиллерии имеют другое обозначение. Например 180/60, где 180 – калибр орудия; 60 – длина ствола в калибрах.

В охотничьих патронах бездымный порох имеет другую маркировку: "Сокол", "Барс", "Сунар", "ВУСД", "Супербарс" и т.д.

Порох сферической формы как правило используется в зарядах спортивного оружия, в карабинах, пистолетах. Он имеет наибольшую гравиметрическую плотность, больше, чем гравиметрическая плотность зерна или пластинки. В таблице 4 приведены геометрические размеры некоторых марок порохов.

Таблица 4.

Физико – химические характеристики пороха.

1. Удельный вес пороха - d.

Удельный вес пороха зависит от состава пороха и условий технологии изготовления и колеблется от 1,56 до 1,64. Среднее значение для пиксилиновых порохов d»1,6 кг/дм3, для баллиститов и кардитов d»1,58 кг/дм3,пористые пироксилиновые пороха (пистолетный) d=1,3¸1,4 кг/дм3.

2. Гравиметрическая плотность пороха - Dг.

Зависит от формы порохового зерна и представляет отношение веса пороха, свободно насыпанного в сосуд определённого объёма и формы, к весу воды при 4°С (плотность равна 1 кг/дм3), заполняющей сосуд того же объёма. Форма и объём сосуда оказывают также влияние на значение гравиметрической плотности, поэтому оговариваются особо. Гравиметрическая плотность – весьма важная характеристика для снаряжения патрона стрелкового оружия, где порох засыпается в гильзу.

3. Теплота взрывчатого превращения или количество тепла Q, выделяемое при сгорании 1 кг пороха, является весьма важной характеристикой порохов как источник энергии. Обычно по условиям горения различают теплоту горения при постоянном объёме Qwи при постоянном давлении Qp. Связь между ними имеет вид

Qw=Qp+ mRT,

где m - число граммолей газообразных продуктов на 1 кг пороха

R – универсальная газовая востоянная

T – температура горения пороха

обычно Q определяют из опытов в калометрической бомбе, которая погружена в воду при температуре t=15°C. При этом влага из парообразного состояния превращается в жидкость. Фактически же при выстреле вода находится в парообразном состоянии

Qw(ж)=Qw(пар)+620n/100.

где: n – процентное содержание воды в продуктах разложения пороха по весу.

620 – количество больших калорий, выделяемое при конденсации 1 кг водяных паров и охлаждении их до температуры 15 ºС (≈ 539 + 100 – 15). Теплота горения Q_wж может изменяться в пределах 600 – 1250 ккал/кг.

4. Потенциал пороха П = ЕQ_w. Если количество теплоты Q_w перевести в механическую энергию, умножив на механический эквивалент тепла Е = 4270 кгдм/ккал, то получим П = (4270 · Q_w) кгдм.

Для нитроцеллюлозных порохов П = 2560000 ÷ 5380000 кгдм = 256 ÷ 538 тм.

5. Температура горения при постоянном объеме Т₁ К по известным из опыта составу продуктов горения и тепловому эффекту – Q_w рассчитывается температура при постоянном объеме – Т₁ К или тепловом эффекте Q_р рассчитывается температура горения при постоянном давлении Т₀ К. Для порохов ствольного оружия температуру горения рассчитывают по Q_w и теплоемкости С_w. Для ракетных порохов по Q_р и С_р при постоянном давлении, Т₁ К для нитроцеллюлозных порохов изменяется в пределах 2400 – 3800 К, а Т₀ = 1900 – 3000 К.

6. Удельный объем пороховых газов – ω₁ эм³/кг – это объем газов, образовавшихся при сжигании пороха в калориметрической бомбе газы, можно выпустить в газометр и измерить их объем – W_1ж при атмосферном давлении и температуре 15 ºС, а потом привести к 0 ºС. При этом вода, которая была в парообразном состоянии сконденсируется, т.е. общий объем уменьшится. Для перехода к объему газов, где вода была паром, существует формула

;

где: n – процентное содержание водяных паров в газовой смеси;

1240 дм³ – объем, который занимал бы 1 кг водяных паров, при атмосферном давлении и 15 ºС дм³/кг.

7. Удельная теплоемкость газа С_w ккал/кг·град. – количество тепла, необходимое для нагревания 1 кг газа на 1 ºС.

Теплоемкость зависит от состава пороховых газов и температуры газов. На участке изменения температур от температуры горения Т₁ К до температуры пороховых газов в момент вылета снаряда Т_д К (газ охлаждается до температуры 1800 – 2000 К). Зависимость теплоемкости от температуры можно принять линейной

С_w = А + вТ

Где А и в – константы.

Значения некоторых физико-химических характеристик порохов приведены в таблице 5.

Таблица 5

Для дымных порохов δ колеблется от 1,50 до 1,80 кг/ дм³ и в исключительных случаях до 1,90 кг/ дм³.

Значения Q_w ω₁ и Т₁ К зависят от состава пороха и, прежде всего от содержания азота в пороховых газах.

Г.П. Кисмемский дал следующие эмпирические формулы:

ω₁ = 1515 – 48,72 N Т₁ = 273 +34,7 N^5/3

Где N – содержание азота в процентах.

В.Г. Шеклин для наших порохов приводит зависимости:

Q_w=730+[48,5(N-11,8)+9,4]·n-28,5c-24,3d-37,5v-13,6h-26,7h^'-31,0s-32,5ф-42,0g

ω₁ = 944-47,3(N-11,8)-2,45n+14c+12d+23v+3,4h+16,9h^'+14,6s+17,4ф+10g

Т₁ К = 1290º+375(N-11,8)+22n-71c-59d-100v-54h-82h^'-88s-92ф-125g,

где N – содержание азота в пироксилине; содержание в порохе (в процентах) нитроглицерина – n; централита – c; дибутилфталата – d; вазелина – v; летучих удаляемых –h; неудаляемых – h^'; дифиниламина – s; камфоры – ф; графита – g.

Порох с содержанием азота N = 11,8 % имеет:

Q_w = 730 ккал/кг, ω₁ = 944 дм³/кг, Т₁ К = 2790 К