Внутрішня балістика

Балістика (у перекладі з грецької “кидаю”) – наука про рух некерованих ракет, артилерійсь­ких снарядів, авіаційних бомб, куль і т. п.

Балістика – теоретична наука, що базується на вищій математиці, теоретичній механіці, газовій динаміці, термодинаміці, теорії вибухових речовин, пороху та ін.

Розрізняють внутрішню та зовнішню балістику.

Внутрішня балістика – це наука, що займається вивченням процесів, які від­буваються при пострілі й особливо під час руху кулі (гранати) по каналу ствола.

Вона покликана вирішувати завдання, як додати кулі найбільшу швидкість, не перевищуючи допустимого тиску порохових газів у каналі ствола зброї.

При пострілі зі стрілецької зброї від удару по капсулю бойового патрона миттєво вибухає ударна суміш капсуля. Сильне полум’я, що виникає при цьому, через отвори у дні гільзи проникає в товщу порохового заряду, запалюючи зерна пороху. Пороховий заряд, згораючи майже миттєво, 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, штовхаючи кулю перед собою. Та врізається в нарізи, обертаючись, проходить з безперервно зростаючою швидкістю каналом ствола і викидається назовні. Тобто відбувається постріл.

Постріл – викидання кулі (гранати) з каналу ствола зброї енергією газів, які утворюються при згоранні порохового заряду.

Тиск газів на дно гільзи викликає рух зброї назад. Від тиску газів на дно гільзи і ствола відбувається їх розтягування (пружна деформація), і 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 він нагрівається. Розжарені гази і частинки незгорілого пороху, які витікають з каналу ствола слідом за кулею, при зустрічі з повітрям породжують полум’я й ударну хвилю; остання є джерелом звуку при пострілі.

Хоча постріл відбувається в дуже короткий проміжок часу (0,001– 0,06 с), у ньому розрізняють чотири послідовні періоди: попередній; перший, або основний; другий; третій, або період післядії газів (рис. 1).

Попередній 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. Коли він досягає певної величини, достатньої для подолання сил опору руху (затискання кулі в дульці гільзи, урізування її в нарізи тощо), куля починає свій рух. Цей тиск називається тиском форсування, і він досягає 250–500 кг/см² залежно від будови нарізів, ваги кулі й твердості її оболонки.

Перший, або основний, період триває від початку руху кулі до моменту повного згорання порохового заряду. У цей період горіння порохового заряду проходить у швидко змінюваному об’ємі. 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 3 000 кг/см²). Цей тиск називається максимальним тиском. Він утворюється при проходженні кулею 4–6 см шляху і викликає прискорення руху кулі. Пороховий заряд повністю згорає незадовго до того, як куля вилетить з каналу ствола.

Другий період триває від моменту повного згорання порохового заряду до моменту вильоту кулі з каналу ствола. З початком цього періоду надходження порохових газів припиняється, однак сильно стиснуті й 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 від початкової швидкості V ₀ (V _д < V ₀ ).

У деяких видів стрілецької зброї, особливо короткоствольних, 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 порохових газів на кулю. Протягом цього періоду порохові гази, витікаючи з каналу ствола зі швидкістю, більшою за швидкість кулі (приблизно 1 200–2 000 м/с), продовжують діяти на кулю і додають їй додаткової швидкості. Найбільшої (максимальної) швидкості (V _max > V ₀ ) куля досягає в кінці третього періоду на відстані декількох десятків сантиметрів (до 20 см) від дулового зрізу ствола. Цей період закінчується в той момент, коли тиск порохових газів буде зрівняний з опором повітря.

Таким чином, у міру просування кулі в каналі ствола швидкість її безперервно зростає, досягаючи 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, її прийнято фіксувати тільки в яких-небудь певних фазах руху.

Початковою швидкістю (V ₀ ) називається швидкість руху кулі біля дулового зрізу ствола.

Початкова швидкість є однією з головних характеристик бойових властивостей зброї. При збільшенні початкової швидкості збільшується:

– дальність польоту кулі;

– дальність прямого пострілу;

– убивча та пробивна дія кулі.

Також траєкторія польоту кулі стає більш настильною (пологою) і зменшується вплив зовнішніх умов на її політ.

За початкову швидкість береться умовна швидкість, яка дещо більша за дулову і менша за максимальну. Вона визначається дослідним шляхом з подальшими розрахунками. Величина початкової швидкості кулі вказується в таблицях стрільби і в бойових характеристиках зброї.

Величина початкової швидкості кулі залежить від:

– довжини ствола;

– маси кулі;

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

Чим довший ствол, тим більше часу діють на кулю 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 приводить до зміни кількості порохових газів, а звідси – і до зміни величини максимального тиску в каналі ствола і початкової швидкості кулі. Чим більша вага порохового заряду, тим більші максимальний тиск і початкова швидкість кулі.

Зі збільшенням температури порохового заряду збільшується 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 і початкова швидкість кулі.

Форма та розміри пороху чинять великий вплив на швидкість горіння порохового заряду, а звідси і на початкову швидкість кулі. Вони підбираються відповідним чином при конструюванні зброї та патронів.

Збільшення щільності заряджання може призвести при пострілі до різкого стрибка тиску і внаслідок цього – до розриву ствола. Зменшення щільності заряджання викликає повільне та неправильне горіння пороху.

Величина початкової швидкості є однією з найважливіших характеристик не тільки патронів, але й зброї. Проте судити про балістичні властивості зброї тільки на основі однієї початкової швидкості кулі не можна. Необхідно знати, що швидкість кулі пов’язана з її масою. Важливо знати, яку енергію має куля, яку роботу вона може виконувати. Для цього вводяться поняття убивча та пробивна дія кулі.

Убивча дія кулі характеризується її енергією в момент зустрічі з ціллю. Для нанесення ураження людині (виведення її зі строю) достатньо енергії, що дорівнює 10 кг/см².

Пробивна дія кулі характеризується її здатністю пробивати перешкоду (укриття) певної щільності й товщини.

При горінні заряду порохові гази в стволі зброї розвивають дуже високий тиск. Навіть найменший тиск у дуловій частині ствола в момент вильоту кулі дорівнює декільком сотням атмосфер. Природно, щоб витримувати таке напруження, ствол зброї повинен мати велику міцність. Залежить вона від товщини стінок ствола і якості металу.

Звичайно міцність ствола розраховується так, щоб ствол зазнавав тільки пружних деформацій розширення, тобто при впливі тиску розширявся, а з припиненням тиску приймав первинні розміри.

Якщо тиск у стволі чомусь перевищить величину, на яку розрахована міцність ствола, то він може зазнати залишкової деформації, яка спостерігається у вигляді роздуття ствола, а іноді і його розриву (рис. 2).

Роздуття ствола відбувається в тих випадках, коли в стволі зброї на шляху руху кулі трапляється стороннє тіло (пакля, що залишилася після чищення, ганчірка, мастило, зібране в краплю, пісок, бруд і т. п.). Стороннє тіло є перешкодою, стикаючись з якою, 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 в протилежних напрямах. Внаслідок цього позаду кулі виникає дуже сильний тиск газів радіального напряму, що 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 необхідно ретельно протирати і уважно оглядати канал ствола перед стрільбою, а також при пересуванні оберігати його і патрони від забруднення.

У процесі стрільби ствол піддається зносу. Причини, що викликають знос ствола, можна розділити на три основні групи – хімічного, механічного і термічного характеру.

У результаті причин хімічного характеру в каналі ствола утворюється нагар.

Якщо після стрільби не вичистити весь пороховий нагар, то канал ствола протягом короткого часу в місцях сколювання хрому покриється іржею, після видалення якої залишаються сліди. При повторенні таких випадків ступінь ушкодження ствола буде збільшуватись і може призвести до виникнення раковин, тобто значних поглиблень у стінках каналу ствола. Негайне чищення і змащування каналу ствола після стрільби запобігає 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, викришування та сколювання хрому в місцях сітки розгару.

Причинами термічного характеру є висока температура порохових газів, періодичне розширення каналу ствола і повернення його в початковий стан, які призводять до утворення сітки розгару і 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 та збільшується розкид куль.

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

Режимом вогню називається найбільша кількість пострілів, яка може бути зроблена за визначений проміжок часу без шкоди для матеріальної частини зброї, без порушень заходів безпеки і без зниження результатів стрільби.

З метою раціонального забезпечення режиму вогню необхідно виконувати зміну ствола або охолоджувати його через певну кількість пострілів.

Недодержання режиму вогню призводить до надмірного нагрівання ствола і як наслідок до передчасного його зносу, а також до різкого зниження результатів стрільб.

Живучістю ствола називається можливість ствола витримувати певну кількість пострілів, після чого він зношується і втрачає свої якості (значно збільшується розкид куль, зменшується початкова швидкість і стійкість польоту кулі). Живучість хромованих стволів стрілецької зброї досягає 10–20 тис. 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, давлять з однаковою силою на всю поверхню об’єму, який заповнюється ними. Можна сказати, що при пострілі сили порохових газів немов відкидають зброю і кулю в різні боки.

Відбоєм зброї називається рух зброї назад у момент пострілу. Відбій відчувається як поштовх в 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.

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 зброї або з 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 в 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 (рис. 3). 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 і т. ін.

Сполучення впливу вібрації ствола, відбою зброї та інших причин призводить до утворення кута між напрямком осі каналу ствола до пострілу та її напрямком у момент вильоту кулі з каналу ствола.

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

Вплив кута вильоту на стрільбу кожного екземпляра зброї усувається при приведенні його до нормального бою. Однак при порушенні правил прикладки зброї, використання упору, а також правил утримання зброї та її збереження змінюються розміри кута вильоту і бій зброї. Для забезпечення однаковості кута вильоту і зменшення впливу відбою на результати стрільби необхідно точно дотримуватись прийомів стрільби і правил утримання зброї, вказаних в настановах зі стрілецької справи.

З метою зменшення шкідливого впливу відбою на результати стрільби в деяких зразках стрілецької зброї (наприклад в автоматі Калашникова) застосовують спеціальні пристрої – компенсатори.

Контрольні запитання:

1. Визначення, предмет та завдання внутрішньої балістики.

2. Визначення та характеристика явища пострілу.

3. Періоди пострілу, їх характеристика.

4. Початкова швидкість кулі, від чого залежить її величина та на які характеристики стрілецької зброї впливає.

5. Визначення та характеристика явища відбою зброї.

6. Обґрунтувати основні правила догляду за стрілецькою зброєю.

Коротко підвести підсумки по другому питанню.