Balistyka wewnętrzna - Internal ballistics

Balistyki wewnętrznej (również wnętrze balistyczny ), A podpole od balistyki , jest badanie napędu z pocisku .

W armatach balistyka wewnętrzna obejmuje czas od zapłonu paliwa do momentu, gdy pocisk opuści lufę działa . Badanie balistyki wewnętrznej jest ważne dla projektantów i użytkowników broni palnej wszystkich typów, od małokalibrowych karabinów i pistoletów po zaawansowaną technologicznie artylerię .

W przypadku pocisków o napędzie rakietowym balistyka wewnętrzna obejmuje okres, w którym silnik rakietowy zapewnia ciąg.

Części i równania

Hatcher dzieli czas trwania balistyki wewnętrznej na trzy części:

  • Czas blokady, czas od zwolnienia przypalania do uderzenia podkładu
  • Czas zapłonu, czyli czas od uderzenia spłonki do momentu rozpoczęcia ruchu pocisku
  • Czas lufy, czas od kiedy pocisk zacznie się poruszać, aż do wyjścia z lufy.

Jest wiele ważnych procesów. Źródłem energii jest palący się materiał miotający. Generuje gorące gazy, które podnoszą ciśnienie w komorze. To ciśnienie naciska na podstawę pocisku i powoduje przyspieszenie pocisku. Ciśnienie w komorze zależy od wielu czynników. Ilość spalonego paliwa, temperatura gazów i objętość komory. Szybkość spalania propelentu zależy nie tylko od składu chemicznego, ale także od kształtu ziaren propelentu. Temperatura zależy nie tylko od uwolnionej energii, ale także od ciepła traconego na boki lufy i komory. Objętość komory stale się zmienia: w miarę spalania paliwa gaz ma większą objętość. W miarę przemieszczania się pocisku w dół lufy zwiększa się również objętość za pociskiem. Są jeszcze inne efekty. Część energii jest tracona podczas deformowania pocisku i powodowania jego wirowania. Występują również straty tarcia między pociskiem a lufą. Pocisk, przemieszczając się w dół lufy, ściska powietrze przed sobą, co zwiększa opór jego ruchowi do przodu.

Opracowano modele dla tych procesów. Te procesy wpływają na konstrukcję pistoletu. Zamek i lufa muszą wytrzymać gazy pod wysokim ciśnieniem bez uszkodzeń. Chociaż ciśnienie początkowo wzrasta do wysokiej wartości, ciśnienie zaczyna spadać, gdy pocisk przebył pewną odległość w dół lufy. W konsekwencji wylot lufy nie musi być tak mocny jak koniec komory.

W balistyce wnętrz stosuje się pięć ogólnych równań:

  1. Równanie stanu paliwa
  2. Równanie energii
  3. Równanie ruchu
  4. Równanie szybkości spalania
  5. Równanie funkcji postaci

Historia

Przed połową XIX wieku, przed rozwojem elektroniki i niezbędnej matematyki (patrz Euler ) oraz materiałoznawstwa w celu pełnego zrozumienia konstrukcji zbiornika ciśnieniowego , balistyka wewnętrzna nie miała wielu szczegółowych, obiektywnych informacji. Lufy i akcje byłyby po prostu zbudowane wystarczająco mocne, aby przetrwać znane przeciążenie ( test dowodowy ), a zmianę prędkości wylotowej można było przewidzieć na podstawie odległości, jaką przebył pocisk.

W XIX wieku zaczęto oprzyrządować lufy testowe. W lufie wywiercono otwory, wyposażone w znormalizowane stalowe tłoki, które odkształcają znormalizowany mały miedziany śrut cylindryczny, który zostaje zgnieciony po wystrzeleniu broni palnej. Zmniejszenie długości miedzianego cylindra jest wykorzystywane jako wskaźnik ciśnienia szczytowego. Standardy branżowe określają „miedziane jednostki ciśnienia” lub „CUP” dla broni wysokociśnieniowej. Podobne normy zastosowano do broni palnej o niższym ciśnieniu szczytowym, typowo pospolitej broni krótkiej, z kulkami cylindrów testowych wykonanymi z łatwiej odkształcalnych ołowianych cylindrów, stąd „jednostki ołowiowe ciśnienia” lub „LUP”. Pomiar wskazał jedynie maksymalne ciśnienie, jakie zostało osiągnięte w tym miejscu w lufie. W latach sześćdziesiątych powszechnie stosowano również tensometry piezoelektryczne. Pozwalają na pomiar chwilowych ciśnień i nie wymagają otworu ciśnieniowego wywierconego w lufie. Niedawno, przy użyciu zaawansowanych czujników telemetrycznych i czujników wzmocnionych przyśpieszeniem, w Wojskowym Laboratorium Badawczym opracowano pociski oprzyrządowane, które mogą mierzyć ciśnienie u podstawy pocisku i jego przyspieszenie.

Metody gruntowania

Główny artykuł: Podkład (broń palna)

Przez lata opracowano kilka metod zapalania paliwa. Pierwotnie w zamku wywiercono mały otwór (otwór dotykowy ), aby można było wsypać drobny materiał miotający ( czarny proch , ten sam materiał miotający, który jest używany w broni) i zastosować zewnętrzny płomień lub iskrę (patrz lont i zamek skałkowy ). Później naboje kapiszonowe i samodzielne naboje miały spłonki, które detonowały po mechanicznym odkształceniu, zapalając paliwo. Inną metodą jest użycie prądu elektrycznego do zapalenia paliwa.

Propelenty

Czarny proszek

Główny artykuł: Proch

Proch strzelniczy ( czarny proszek ) jest drobno zmieloną, sprasowaną i granulowaną mechaniczną mieszaniną pirotechniczną siarki , węgla drzewnego i azotanu potasu lub azotanu sodu . Może być produkowany w różnych rozmiarach ziaren. Rozmiar i kształt ziaren może zwiększać lub zmniejszać względną powierzchnię i znacząco zmieniać szybkość spalania. Szybkość spalania czarnego prochu jest stosunkowo niewrażliwa na ciśnienie, co oznacza, że ​​pali się on szybko i przewidywalnie nawet bez zamknięcia, dzięki czemu nadaje się również do użycia jako niski materiał wybuchowy. Charakteryzuje się bardzo wolnym tempem rozkładu, a co za tym idzie bardzo niską brisance . Nie jest to, w ścisłym tego słowa znaczeniu, materiał wybuchowy, ale „deflagrant”, ponieważ nie detonuje, ale rozkłada się przez deflagrację z powodu poddźwiękowego mechanizmu propagacji frontu płomienia.

Nitroceluloza (materiały pędne jednozasadowe)

Główny artykuł: Proszek bezdymny

Nitroceluloza lub „guncotton” powstaje w wyniku działania kwasu azotowego na włókna celulozowe . Jest to wysoce łatwopalny materiał włóknisty, który szybko ulega deflagracji pod wpływem ciepła. Spala się również bardzo czysto, spalając się prawie całkowicie na składniki gazowe w wysokich temperaturach z niewielką ilością dymu lub stałych pozostałości. Żelatynizowana nitroceluloza to tworzywo sztuczne , z którego można formować cylindry, rurki, kulki lub płatki znane jako jednozasadowe propelenty. Rozmiar i kształt ziaren paliwa może zwiększyć lub zmniejszyć względną powierzchnię i znacząco zmienić szybkość spalania. Do propelentu można dodawać dodatki i powłoki w celu dalszej modyfikacji szybkości spalania. Zwykle bardzo szybkie prochy są używane do lekkich lub niskoobrotowych pistoletów i strzelb , średnie prochy do pistoletów magnum i lekkich pocisków do karabinów , a wolne prochy do dużych pocisków do karabinów.

Propelenty dwuzasadowe

Główne artykuły: balistyt , kordyt i bezdymny proszek

Nitrogliceryna może być dodawana do nitrocelulozy w celu utworzenia „podwójnych propelentów”. Nitroceluloza odczula nitroglicerynę, aby zapobiec detonacji w ziarnach wielkości propelenta (patrz dynamit ), a nitrogliceryna żeluje nitrocelulozę i zwiększa energię. Proszki dwubazowe spalają się szybciej niż proszki jednobazowe o tym samym kształcie, choć nie tak czysto, a szybkość spalania wzrasta wraz z zawartością nitrogliceryny.

W artylerii , balistyt lub kordytu stosowano w postaci prętów, rur z otworami rurki perforowanymi cylindra lub wielo rurowe; wybrana geometria zapewnia wymagane właściwości spalania. (Na przykład okrągłe kulki lub pręty są „spalane degresywnie”, ponieważ ich wytwarzanie gazu zmniejsza się wraz z ich powierzchnią, gdy kulki lub pręty spalają się mniejsze; cienkie płatki są „spalane neutralnie”, ponieważ palą się na swoich płaskich powierzchniach do płatek jest całkowicie zużyty. Wzdłużnie perforowane lub wieloperforowane cylindry stosowane w dużych, długich karabinach lub armatach są „spalane progresywnie”; powierzchnia spalania zwiększa się wraz ze wzrostem średnicy wewnętrznej otworów, zapewniając ciągłe spalanie i długi , ciągłe naciskanie pocisku w celu wytworzenia większej prędkości bez nadmiernego zwiększania ciśnienia szczytowego. Progresywnie spalający się proszek kompensuje nieco spadek ciśnienia, gdy pocisk przyspiesza w dół otworu i zwiększa objętość za nim.)

Propelenty stałe (amunicja bezłuskowa)

Ostatnim tematem badań była dziedzina „ amunicji bezłuskowej ”. W bezłuskowym naboju propelent jest odlewany jako pojedyncze stałe ziarno, z mieszanką gruntującą umieszczoną w zagłębieniu u podstawy i kulą przymocowaną do przodu. Ponieważ pojedyncze ziarno miotające jest tak duże (większość proszków bezdymnych ma wielkość ziarna około 1 mm, ale ziarno bezłuskowe będzie miało prawdopodobnie 7 mm średnicy i 15 mm długości), względna szybkość spalania musi być znacznie wyższa. Aby osiągnąć takie tempo spalania, bezłuskowe materiały miotające często używają umiarkowanych materiałów wybuchowych, takich jak RDX . Głównymi zaletami udanego pocisku bezłuskowego byłaby eliminacja konieczności wyjmowania i wyrzucania łuski naboju, pozwalająca na większą szybkostrzelność i prostszy mechanizm, a także zmniejszona masa amunicji poprzez wyeliminowanie ciężaru (i kosztów) mosiądzu lub stalowa obudowa.

Chociaż istnieje co najmniej jeden eksperymentalny karabin wojskowy ( H&K G11 ) i jeden komercyjny karabin ( Voere VEC-91 ), które używają pocisków bezłuskowych, nie odniosły one wielkiego sukcesu. Innym komercyjnym karabinem był karabin Daisy VL wyprodukowany przez Daisy Air Rifle Co. i magazynowany na amunicję bezłuskową kalibru .22, która została zapalona gorącym podmuchem sprężonego powietrza z dźwigni używanej do ściskania silnej sprężyny, jak w karabinie pneumatycznym. Amunicji bezłuskowej nie można oczywiście przeładować, ponieważ po wystrzeleniu pocisku nie pozostaje łuska, a odsłonięty prochowiec sprawia, że ​​pociski są mniej wytrzymałe. Również futerał w standardowym naboju pełni funkcję uszczelnienia, uniemożliwiając ulatnianie się gazu z zamka . Ramiona bezłuskowe muszą używać bardziej złożonego samouszczelniającego się zamka, co zwiększa złożoność projektowania i produkcji. Innym nieprzyjemnym problemem, wspólnym dla wszystkich broni szybkostrzelnych, ale szczególnie problematycznym dla strzelających pociskami bezłuskowym, jest problem „ gotowania się ” pocisków . Ten problem jest spowodowany przez ciepło resztkowe z komory ogrzewające nabój w komorze do punktu, w którym zapala się, powodując niezamierzone wyładowanie.

Aby zminimalizować ryzyko wyschnięcia naboju, karabiny maszynowe można zaprojektować tak, aby strzelały z otwartego zamka, a nabój nie znajduje się w komorze, dopóki nie zostanie naciśnięty spust, więc nie ma szans na gotowanie się naboju, zanim operator będzie gotowy. Taka broń mogłaby skutecznie wykorzystywać bezłuskową amunicję. Konstrukcje z otwartymi śrubami są generalnie niepożądane w przypadku czegokolwiek poza karabinami maszynowymi; masa poruszającego się do przodu zamka powoduje, że broń szarpie się w reakcji, co znacznie zmniejsza celność działa, co na ogół nie stanowi problemu w przypadku strzelania z karabinu maszynowego.

Ładunek miotający

Gęstość i konsystencja obciążenia

Gęstość ładunku to procent przestrzeni w kasecie wypełnionej proszkiem. Ogólnie rzecz biorąc, ładunki o gęstości bliskiej 100% (lub nawet ładunki, w których osadzony pocisk w łusce ściska proszek) zapalają się i spalają bardziej konsekwentnie niż ładunki o mniejszej gęstości. W nabojach, które przetrwały erę czarnego prochu (przykłady to .45 Colt , .45-70 Government ) , pudło jest znacznie większe niż jest to potrzebne do utrzymania maksymalnego ładunku bezdymnego proszku o dużej gęstości. To dodatkowe miejsce pozwala na przesuwanie się proszku w obudowie, gromadząc się w pobliżu przodu lub tyłu obudowy i potencjalnie powodując znaczne różnice w szybkości spalania, ponieważ proszek w tylnej części obudowy zapala się szybko, ale proszek w pobliżu przodu obudowy zapali się później. Ta zmiana ma mniejszy wpływ na szybkie proszki. Takie naboje o dużej pojemności i małej gęstości zazwyczaj zapewniają najlepszą dokładność z najszybszym odpowiednim proszkiem, chociaż dzięki temu całkowita energia jest niska z powodu ostrego szczytu wysokiego ciśnienia.

Naboje pistoletowe Magnum odwracają ten kompromis między mocą a dokładnością, używając proszków o mniejszej gęstości, wolniej palących się, które zapewniają wysoką gęstość obciążenia i szeroką krzywą ciśnienia. Minusem jest zwiększony odrzut i wystrzał z dużej masy prochu oraz wysokie ciśnienie wylotowe.

Większość nabojów do karabinów ma wysoką gęstość obciążenia z odpowiednimi proszkami. Naboje karabinowe mają zwykle wąskie gardło, z szeroką podstawą zwężającą się do mniejszej średnicy, aby pomieścić lekki pocisk o dużej prędkości. Walizki te są zaprojektowane do przechowywania dużego ładunku proszku o niskiej gęstości, dla jeszcze szerszej krzywej ciśnienia niż nabój pistoletowy magnum. Przypadki te wymagają użycia długiej lufy karabinu w celu wydobycia ich pełnej skuteczności, chociaż są one również wyposażone w pistolety podobne do karabinów (jednostrzałowych lub bolcowych) z lufami od 10 do 15 cali (25 do 38 cm).

Niezwykłe zjawisko pojawia się, gdy w łuskach karabinów o dużej pojemności stosuje się gęste proszki o małej objętości. Małe ładunki prochu, o ile nie są trzymane ciasno w tylnej części łuski przez watowanie , mogą najwyraźniej detonować po zapaleniu, powodując czasami katastrofalne uszkodzenie broni palnej. Mechanizm tego zjawiska nie jest dobrze poznany i generalnie nie jest spotykany, z wyjątkiem ładowania pocisków poddźwiękowych o małym odrzucie lub niskiej prędkości do karabinów. Te pociski mają na ogół prędkość poniżej 1100 stóp/s (320 m/s) i są używane do strzelania w pomieszczeniach, w połączeniu z tłumikiem lub do zwalczania szkodników , gdzie nie jest potrzebna moc i wydmuch pocisku o pełnej mocy lub pożądane.

Izba

Proste kontra wąskie gardło

Łuski o prostych ściankach były standardem od początków broni nabojowej. Przy niskiej prędkości spalania czarnego prochu najlepszą skuteczność osiągnięto przy dużych, ciężkich pociskach, a więc pocisk miał największą praktyczną średnicę . Duża średnica pozwoliła krótkiemu, stabilnemu pociskowi o dużej wadze i maksymalnej praktycznej objętości lufy wydobyć jak najwięcej energii z lufy o danej długości. Było kilka nabojów, które miały długie, płytkie zwężenia, ale generalnie były to próby wykorzystania istniejącego naboju do wystrzelenia mniejszego pocisku z większą prędkością i mniejszym odrzutem. Wraz z pojawieniem się proszków bezdymnych , możliwe było generowanie znacznie większych prędkości za pomocą powolnego prochu bezdymnego w skrzyni o dużej objętości, popychając małą, lekką kulę. Dziwny, mocno zwężający się 8 mm Lebel , wykonany przez przewężenie starszego 11 mm naboju z czarnym proszkiem, został wprowadzony w 1886 roku, a wkrótce potem pojawiły się pociski wojskowe Mauser 7,92 x 57 mm i Mauser 7 x 57 mm , a także komercyjne . 30-30 Winchester , z których wszystkie były nowymi projektami zbudowanymi z użyciem prochu bezdymnego. Wszystkie z nich mają wyraźne ramię, które bardzo przypomina współczesne naboje, a z wyjątkiem Lebel nadal są one umieszczone w nowoczesnej broni palnej, mimo że naboje mają ponad sto lat.

Proporcje i spójność

Wybierając nabój do karabinu dla maksymalnej dokładności, krótki, gruby nabój z bardzo małym zwężeniem łuski może zapewnić wyższą wydajność i bardziej stałą prędkość niż długi, cienki nabój z dużym zwężeniem łuski (jest to jeden z powodów, dla których konstrukcja z szyjką butelki) ). Biorąc pod uwagę obecne trendy w kierunku krótszych i grubszych obudów, takich jak nowe wkłady Winchester Super Short Magnum , wydaje się, że idealnym rozwiązaniem może być obudowa zbliżona do sferycznej wewnątrz. Pociski do polowania na cele i robactwo wymagają największej dokładności, więc ich łuski są zwykle krótkie, grube i prawie nieskrępowane, z ostrymi ramionami na łusce. Krótkie, grube pokrowce pozwalają również na lżejszą i mocniejszą broń o krótkim działaniu przy tym samym poziomie wydajności. Kompromisem dla tej wydajności są grube naboje, które zajmują więcej miejsca w magazynku , ostre ramiona, które nie wysuwają się tak łatwo z magazynka, oraz mniej niezawodne wyciąganie zużytego naboju. Z tych powodów, gdy niezawodne podawanie jest ważniejsze niż dokładność, tak jak w przypadku karabinów wojskowych, preferowane są dłuższe futerały z mniejszymi kątami ramion. Istnieje jednak długoterminowa tendencja, nawet wśród broni wojskowej, w kierunku krótszych, grubszych przypadków. Dobrym przykładem jest obecna łuska NATO 7,62×51mm zastępująca dłuższą sprężynę .30-06 Springfield , podobnie jak nowy nabój Grendel 6,5 zaprojektowany w celu zwiększenia osiągów rodziny karabinów i karabinków AR-15 . Niemniej jednak celność i śmiertelność naboju jest znacznie większa niż długość i średnica łuski, a 7,62 x 51 mm NATO ma mniejszą pojemność łuski niż .30-06 Springfield , zmniejszając ilość paliwa, które można użyć bezpośrednio zmniejszenie masy pocisku i kombinacji prędkości wylotowej, która przyczynia się do śmiertelności (jak szczegółowo opisano w opublikowanych specyfikacjach nabojów, do których odsyła się tutaj dla porównania). Z drugiej strony Grendel 6.5 jest w stanie wystrzelić znacznie cięższy pocisk (patrz link) niż 5,56 NATO z rodziny broni AR-15, z tylko niewielkim spadkiem prędkości wylotowej, być może zapewniając korzystniejsze osiągi kompromis.

Tarcie i bezwładność

Tarcie statyczne i zapłon

Ponieważ szybkość spalania prochu bezdymnego zmienia się bezpośrednio wraz z ciśnieniem, początkowe narastanie ciśnienia (tj. „ciśnienie początku strzału”) ma znaczący wpływ na prędkość końcową , szczególnie w przypadku dużych nabojów z bardzo szybkim proszkiem i stosunkowo lekkim pociski. W broni palnej małego kalibru tarcie utrzymujące pocisk w łusce określa, jak szybko po zapaleniu pocisk porusza się, a ponieważ ruch pocisku zwiększa objętość i zmniejsza ciśnienie, różnica tarcia może zmienić nachylenie krzywej ciśnienia . Ogólnie rzecz biorąc, pożądane jest ciasne dopasowanie, aż do wciśnięcia pocisku w łuskę. W przypadku łusek o prostych ściankach, takich jak .45 ACP, agresywne zaciskanie nie jest możliwe, ponieważ futerał jest utrzymywany w komorze za ujście futerału, ale rozmiar futerału umożliwia ciasne pasowanie z pociskiem, może dać pożądany rezultat. W broni palnej większego kalibru ciśnienie startu strzału jest często określane przez siłę potrzebną do początkowego wygrawerowania taśmy prowadzącej pocisku na początku gwintowania lufy ; pistolety gładkolufowe , które nie mają gwintowania, osiągają ciśnienie początkowe strzału, początkowo wbijając pocisk w „stożek forsujący”, który zapewnia opór podczas ściskania pierścienia zasłaniającego pocisk .

Tarcie kinetyczne

Pocisk musi ciasno pasować do otworu, aby uszczelnić wysokie ciśnienie płonącego prochu. To ciasne dopasowanie skutkuje dużą siłą tarcia. Tarcie pocisku w otworze ma niewielki wpływ na prędkość końcową, ale generalnie nie stanowi to większego problemu. Większym problemem jest ciepło wytwarzane w wyniku tarcia. Przy prędkościach około 300 m/s (980 stóp/s) ołów zaczyna się topić i osadzać w otworze . To nagromadzenie ołowiu zwęża otwór, zwiększając ciśnienie i zmniejszając dokładność kolejnych rund i jest trudne do wyczyszczenia bez uszkodzenia otworu. Pociski, używane przy prędkościach do 460 m/s (1500 ft/s), mogą używać smarów woskowych na pocisku, aby zmniejszyć gromadzenie się ołowiu. Przy prędkościach powyżej 460 m/s (1500 ft/s) prawie wszystkie pociski są pokryte miedzią lub podobnym stopem, który jest wystarczająco miękki, aby nie nosić się na lufie, ale topi się w wystarczająco wysokiej temperaturze, aby zmniejszyć nawarstwianie otwór. Nagromadzenie miedzi zaczyna pojawiać się w pociskach, które przekraczają 760 m/s (2500 ft/s), a powszechnym rozwiązaniem jest impregnowanie powierzchni pocisku smarem z dwusiarczku molibdenu . Zmniejsza to gromadzenie się miedzi w otworze i zapewnia lepszą długoterminową dokładność. Pociski dużego kalibru wykorzystują również miedziane opaski napędowe do gwintowanych luf do pocisków o stabilizowanym obrocie; jednak pociski stabilizowane płetwami wystrzeliwane zarówno z luf karabinowych, jak i gładkolufowych, takie jak pociski przeciwpancerne APFSDS , wykorzystują nylonowe pierścienie obturacyjne, które są wystarczające do uszczelnienia gazów pędnych pod wysokim ciśnieniem, a także minimalizują tarcie w lufie, zapewniając niewielkie wzmocnienie wylotu lufy prędkość.

Rola bezwładności

W ciągu pierwszych kilku centymetrów podróży w głąb lufy pocisk osiąga znaczny procent swojej końcowej prędkości, nawet w przypadku karabinów o dużej pojemności, z wolno palącym się proszkiem. Przyspieszenia jest rzędu kilkudziesięciu tysięcy ciężarach właściwych , więc nawet pocisk lekki jak ziarna 40 (2,6 g) może dostarczyć na 1000 niutonów (220  funtów siły ) odporności na skutek bezwładności . Zmiany masy pocisku mają zatem ogromny wpływ na krzywe ciśnienia nabojów prochowych bezdymnych, w przeciwieństwie do nabojów z czarnym proszkiem. Ładowanie lub przeładowywanie nabojów bezdymnych wymaga zatem bardzo precyzyjnego sprzętu i dokładnie odmierzonych tabel danych dotyczących obciążenia dla danych nabojów, proszków i pocisków.

Relacje ciśnienie-prędkość

Jest to wykres z symulacji z 5,56 mm NATO okrągły, opalane od 20 cali (510 mm) beczki. Oś pozioma reprezentuje czas, oś pionowa reprezentuje ciśnienie (linia zielona), ruch pocisku (linia czerwona) i prędkość pocisku (linia jasnoniebieska). Wartości pokazane na górze są wartościami szczytowymi

Energia jest przekazywana pociskowi w broni palnej przez ciśnienie gazów wytwarzanych przez płonący materiał miotający. Podczas gdy wyższe ciśnienia wytwarzają wyższe prędkości, ważny jest również czas trwania ciśnienia. Szczytowe ciśnienie może reprezentować tylko niewielki ułamek czasu, w którym pocisk przyspiesza. Należy wziąć pod uwagę cały czas podróży pocisku przez lufę.

Szczyt vs obszar

Ten wykres przedstawia różne krzywe ciśnienia dla proszków o różnych szybkościach spalania. Wykres po lewej stronie jest taki sam jak duży wykres powyżej. Środkowy wykres pokazuje proszek o 25% szybszym tempie spalania, a najbardziej prawy wykres pokazuje proszek o 20% wolniejszym tempie spalania.

Energia jest definiowana jako zdolność do wykonywania pracy na obiekcie; na przykład praca potrzebna do podniesienia ciężaru jednego funta, jedna stopa wbrew przyciąganiu grawitacji określa stopofunt energii (jeden dżul jest równy energii potrzebnej do przemieszczenia ciała na odległość jednego metra przy użyciu jednego niutona siły). Gdybyśmy zmodyfikowali wykres tak, aby odzwierciedlał siłę (nacisk wywierany na podstawę pocisku pomnożony przez powierzchnię podstawy pocisku) w funkcji odległości, obszar pod tą krzywą byłby całkowitą energią przekazaną pocisk. Zwiększenie energii pocisku wymaga zwiększenia obszaru pod tą krzywą, albo poprzez podniesienie średniego ciśnienia, albo zwiększenie odległości, jaką pocisk pokonuje pod naciskiem. Ciśnienie jest ograniczone siłą broni palnej, a czas trwania jest ograniczony długością lufy.

Projekt miotający

Propelenty są starannie dobierane do wytrzymałości broni palnej, objętości komory i długości lufy, a także do materiału, wagi i wymiarów pocisku. Szybkość wytwarzania gazu jest proporcjonalna do pola powierzchni palących się ziaren paliwa zgodnie z prawem Pioberta . Postęp spalania od powierzchni do ziaren przypisuje się przenoszeniu ciepła z powierzchni energii niezbędnej do zainicjowania reakcji. Reakcje bezdymnego paliwa zachodzą w szeregu stref lub faz, gdy reakcja przechodzi z powierzchni do ciała stałego. Najgłębsza część ciała stałego podlegająca wymianie ciepła topi się i rozpoczyna przemianę fazową od ciała stałego do gazu w strefie piany . Gazowy propelent rozkłada się na prostsze cząsteczki w otaczającej strefie musowania . Przemiany endotermiczne w strefie piany i strefy musowania wymagają energii początkowo dostarczanej przez podkład, a następnie uwalnianej w świetlistej strefie zewnętrznego płomienia, gdzie prostsze cząsteczki gazu reagują, tworząc konwencjonalne produkty spalania, takie jak para wodna i tlenek węgla .

Szybkość wymiany ciepła bezdymnych propelentów wzrasta wraz z ciśnieniem; więc szybkość wytwarzania gazu z danej powierzchni ziarna wzrasta przy wyższych ciśnieniach. Przyspieszone generowanie gazu z szybko palących się propelentów może szybko wytworzyć destrukcyjnie wysoki skok ciśnienia, zanim ruch pocisku zwiększy objętość reakcji. Odwrotnie, propelenty zaprojektowane na minimalne ciśnienie wymiany ciepła mogą przestać rozkładać się na reagenty gazowe, jeśli ruch pocisku zmniejszy ciśnienie przed zużyciem wolno palącego się propelentu. Niespalone ziarna propelentu mogą pozostać w beczce, jeśli strefa płomienia uwalniającego energię nie może być podtrzymywana w wyniku wynikającej z tego nieobecności gazowych reagentów ze stref wewnętrznych.

Wypalenie paliwa

Inną kwestią, którą należy wziąć pod uwagę przy wyborze szybkości spalania prochu, jest czas, w którym proszek spala się całkowicie w stosunku do czasu, jaki pocisk pozostaje w lufie. Przyglądając się uważnie lewemu wykresowi, zmiana krzywej wynosi około 0,8 ms. Jest to punkt, w którym proszek zostaje całkowicie spalony i nie powstaje nowy gaz. Z szybszym proszkiem wypalenie następuje wcześniej, a przy wolniejszym proszku pojawia się później. Propelent, który nie zostaje spalony, gdy pocisk dociera do lufy, jest marnowany — nie dodaje energii pociskowi, ale zwiększa odrzut i wystrzał. Aby uzyskać maksymalną moc, proszek powinien palić się, aż pocisk znajdzie się tuż przy lufie.

Ponieważ proszki bezdymne palą się, a nie detonują, reakcja może zachodzić tylko na powierzchni proszku. Proszki bezdymne mają różne kształty, które służą do określenia szybkości ich spalania, a także zmiany szybkości spalania w miarę spalania proszku. Najprostszy kształt to proszek kulkowy, który ma postać okrągłych lub lekko spłaszczonych kulek. Proszek kulkowy ma stosunkowo mały stosunek powierzchni do objętości, więc pali się stosunkowo wolno, a w miarę spalania zmniejsza się jego powierzchnia. Oznacza to, że w miarę spalania proszku szybkość spalania spada.

W pewnym stopniu można to zrównoważyć przez zastosowanie powłoki opóźniającej na powierzchni proszku, która spowalnia początkową szybkość spalania i spłaszcza szybkość zmian. Proszki kulkowe są zwykle formułowane jako powolne prochy do pistoletów lub szybkie prochy do karabinów.

Proszki płatkowe mają postać płaskich, okrągłych płatków, które mają stosunkowo wysoki stosunek powierzchni do objętości. Proszki płatkowe mają prawie stałą szybkość spalania i są zwykle formułowane jako szybkie proszki do pistoletów lub strzelb . Ostatnim powszechnym kształtem jest wytłaczany proszek, który ma postać cylindra, czasem pustego. Wytłaczane proszki na ogół mają niższy stosunek nitrogliceryny do nitrocelulozy i często spalają się progresywnie — to znaczy, że spalają się szybciej w miarę spalania. Proszki ekstrudowane są generalnie średnimi lub wolnymi prochami karabinowymi.

Obawy dotyczące ciśnienia w pysku

Z wykresów ciśnienia widać, że ciśnienie resztkowe w lufie przy wylocie pocisku jest dość wysokie, w tym przypadku ponad 16 kpsi / 110 MPa / 1100 bar. Wydłużenie lufy lub zmniejszenie ilości gazu pędnego zmniejszy to ciśnienie, co często nie jest możliwe ze względu na rozmiar broni palnej i minimalną wymaganą energię. Pistolety celownicze krótkiego zasięgu są zwykle wyposażone w komorę karabinu .22 Long Rifle lub .22 Short, które mają bardzo małe pojemności prochu i niewielkie ciśnienie resztkowe. Kiedy wyższa energia jest potrzebna do strzelania z dużej odległości, polowania lub użycia przeciwpiechotnego, wysokie ciśnienie w pysku jest złem koniecznym. Z tymi wysokimi ciśnieniami w lufie pojawia się zwiększony błysk i hałas podmuchu, a także, ze względu na duże ładunki prochowe, większy odrzut. Odrzut obejmuje reakcję wywołaną nie tylko pociskiem, ale także masą i prędkością prochu (przy czym gazy resztkowe działają jak wyrzut rakiety). Jednak, aby hamulec wylotowy był skuteczny, musi istnieć znaczny nacisk na wylot.

Ogólne obawy

Średnica otworu i transfer energii

Pod wieloma względami broń palna jest jak silnik tłokowy podczas skoku mocy. Dostępna jest pewna ilość gazu pod wysokim ciśnieniem, a energia jest z niego wydobywana poprzez wprawianie gazu w ruch tłokiem — w tym przypadku pociskiem jest tłok. Objętość skokowa tłoka określa, ile energii można wydobyć z danego gazu. Im większa objętość jest omiatana przez tłok, tym niższe jest ciśnienie wydechu (w tym przypadku ciśnienie wylotowe). Wszelkie pozostałe ciśnienie na wylocie lub na końcu suwu silnika oznacza utratę energii.

Aby wydobyć maksymalną ilość energii, objętość przemiatania jest maksymalizowana. Można to zrobić na dwa sposoby — zwiększając długość lufy lub zwiększając średnicę pocisku. Zwiększenie długości lufy spowoduje liniowe zwiększenie objętości przemiatania, podczas gdy zwiększenie średnicy zwiększy objętość przemiatania jako kwadrat średnicy. Ponieważ długość lufy jest ograniczona ze względów praktycznych do długości ramienia w przypadku karabinu i znacznie krótsza w przypadku pistoletu, zwiększenie średnicy otworu jest normalnym sposobem na zwiększenie wydajności naboju. Granicą średnicy otworu jest ogólnie gęstość przekroju pocisku (patrz balistyka zewnętrzna ). Kule o większej średnicy o tej samej wadze mają znacznie większy opór , przez co szybciej tracą energię po wyjściu z lufy. Ogólnie rzecz biorąc, większość pistoletów używa pocisków o kalibrze od 0,355 (9 mm) do 0,45 (11,5 mm), podczas gdy większość karabinów ma kaliber od 0,223 (5,56 mm) do 0,32 (8 mm). Jest oczywiście wiele wyjątków, ale pociski z podanych zakresów zapewniają najlepszą wydajność ogólnego przeznaczenia. Pistolety używają pocisków o większej średnicy, aby uzyskać większą skuteczność w krótkich lufach i tolerują utratę prędkości na długim dystansie, ponieważ pistolety są rzadko używane do strzelania z dużej odległości. Pistolety przeznaczone do strzelania z dużej odległości są ogólnie bliższe skróconym karabinom niż innym pistoletom.

Stosunek paliwa do masy pocisku

Kolejną kwestią przy wyborze lub opracowywaniu naboju jest kwestia odrzutu. Odrzut jest nie tylko reakcją wystrzelonego pocisku, ale także prochu, który wydostanie się z lufy z prędkością nawet większą niż pocisk. W przypadku nabojów do broni krótkiej, z ciężkimi pociskami i lekkimi ładunkami proszkowymi (na przykład 9×19mm może zużywać 5 ziaren (320 mg) prochu, a 115 ziaren (7,5 g) pocisk), odrzut prochu nie jest znaczącą siłą ; w przypadku naboju karabinowego ( kaliber .22-250 Remington , przy użyciu 40 ziaren (2,6 g) proszku i 40 ziaren (2,6 g) pocisku), proszek może stanowić większość siły odrzutu.

Istnieje rozwiązanie problemu odrzutu, choć nie jest to bez kosztów. Hamulec wylotowy lub odrzut kompensatora urządzeniem przekierowania gazu proszkowy pyska, zwykle i do tyłu. Działa jak rakieta, popychając lufę w dół i do przodu. Pchnięcie do przodu pomaga zniwelować wrażenie odrzutu pocisku poprzez pociągnięcie broni palnej do przodu. Z drugiej strony pchnięcie w dół pomaga przeciwdziałać rotacji wynikającej z faktu, że większość broni palnej ma lufę zamontowaną powyżej środka ciężkości . Jawne pistoletów bojowych, dużych otworów o dużej mocy karabiny, pistolety dalekiego zasięgu komorowe dla amunicji karabinu i Action-strzelanie pistolety przeznaczone do dokładnego szybkiego ognia, wszyscy korzystają z hamulec wylotowy.

Broń o dużej mocy wykorzystuje hamulec wylotowy głównie w celu zmniejszenia odrzutu, co zmniejsza bicie strzelca przez silny odrzut. Pistolety strzelające w akcji przekierowują całą energię w górę, aby przeciwdziałać obrotowi odrzutu i przyspieszają kolejne strzały, pozostawiając broń na celowniku. Wadą hamulca wylotowego jest dłuższa, cięższa lufa oraz duży wzrost poziomu dźwięku i błysku za lufą karabinu. Strzelanie z broni palnej bez hamulców wylotowych i bez ochrony słuchu może ostatecznie uszkodzić słuch operatora; jednak strzelanie z karabinów z hamulcami wylotowymi - z ochronnikami słuchu lub bez - powoduje trwałe uszkodzenie ucha. (Zobacz hamulec wylotowy, aby uzyskać więcej informacji na temat wad hamulców wylotowych.)

Stosunek wagi proszku do pocisku również porusza temat wydajności. W przypadku Remingtona .22-250 więcej energii zużywa się na napędzanie prochu niż na napędzanie pocisku. .22-250 płaci za to, wymagając dużej łuski z dużą ilością prochu, a wszystko to dla dość małego przyrostu prędkości i energii w porównaniu z innymi nabojami kalibru .22.

Dokładność i charakterystyka otworu

Prawie każda broń palna małokalibrowa, z wyjątkiem strzelb, ma lufy gwintowane. Gwintowanie nadaje pociskowi rotację, dzięki czemu nie przewraca się w locie. Gwintowanie jest zwykle w postaci rowków o ostrych krawędziach, wyciętych spiralnie wzdłuż osi otworu, w liczbie od 2 do 16. Obszary pomiędzy rowkami nazywane są ziemiami.

Inny system, wielokątne gwintowanie , nadaje otworowi wielokątny przekrój. Karabinek wielokątny nie jest zbyt powszechny, stosowany tylko przez kilku europejskich producentów, a także przez amerykańskiego producenta broni Kahr Arms. Firmy, które stosują gwintowanie wielokątne, zapewniają większą dokładność, mniejsze tarcie i mniejsze nagromadzenie ołowiu i/lub miedzi w lufie. Tradycyjne karabiny lądowe i rowkowe są używane w większości broni palnej wyczynowej, więc zalety gwintowania wielokątnego są nieudowodnione.

Istnieją trzy popularne sposoby gwintowania lufy i jedna nowa technologia:

  • Najbardziej podstawowym jest użycie noża jednopunktowego, ciągniętego w dół przez maszynę, która dokładnie kontroluje obrót głowicy tnącej względem lufy. Jest to najwolniejszy proces, ale ponieważ wymaga najprostszego sprzętu, jest często używany przez rusznikarzy na zamówienie i może skutkować niezwykle celnymi lufami.
  • Kolejną metodą jest gwintowanie guzików. W metodzie tej wykorzystuje się wykrojnik z negatywowym obrazem nacięcia na gwint. Ta kostka jest ciągnięta w dół lufy podczas ostrożnego obracania i kształtuje wnętrze lufy. To „wycina” wszystkie rowki na raz (tak naprawdę nie przecina metalu), a więc jest szybsze niż cięcie gwintowania. Krytycy twierdzą, że proces pozostawia znaczne naprężenia szczątkowe w lufie, ale światowe rekordy zostały ustanowione z lufami gwintowanymi, więc znowu nie ma wyraźnej wady.
  • Ostatnią powszechnie stosowaną metodą jest kucie młotkowe . W tym procesie wokół trzpienia, który zawiera negatywowy obraz całej długości gwintowanej lufy , umieszcza się nieco przewymiarowaną, znudzoną lufę. Lufa i trzpień są obracane i kute młotami mechanicznymi, które jednocześnie tworzą wnętrze lufy. Jest to najszybsza (i na dłuższą metę najtańsza) metoda wykonania lufy, ale sprzęt jest zaporowo drogi dla wszystkich oprócz największych producentów broni. Kute lufy są produkowane masowo, więc generalnie nie są w stanie osiągnąć najwyższej celności, ale przy pewnej starannej pracy ręcznej można sprawić, że będą strzelać znacznie lepiej niż większość strzelców.
  • Nową techniką stosowaną w produkcji beczek jest obróbka elektryczna w postaci obróbki elektroerozyjnej (EDM) lub obróbki elektrochemicznej (ECM). Procesy te wykorzystują energię elektryczną do erodowania materiału, proces, który zapewnia wysoce spójną średnicę i bardzo gładkie wykończenie, przy mniejszym naprężeniu niż inne metody gwintowania. EDM jest bardzo kosztowne i stosowane przede wszystkim w dużym otworem, długiej lufy armaty , gdzie tradycyjne metody są bardzo trudne, a ECM jest używany przez niektórych mniejszych producentów baryłkę.

Celem lufy jest zapewnienie spójnego uszczelnienia , pozwalającego na przyspieszenie pocisku do stałej prędkości. Musi również nadawać odpowiedni obrót i konsekwentnie wypuszczać pocisk, idealnie współosiowo z otworem. Ciśnienie szczątkowe w otworze musi być uwalniane symetrycznie , tak aby żadna strona pocisku nie otrzymała większego lub mniejszego nacisku niż reszta. Wylot lufy jest najbardziej krytyczną częścią, ponieważ to ona kontroluje wystrzelenie pocisku. Niektóre rimfires i wiatrówki faktycznie mają niewielki skurcz , zwany dławik w beczce na pysk. Gwarantuje to, że pocisk jest bezpiecznie trzymany tuż przed wypuszczeniem.

Aby zachować dobre uszczelnienie, otwór musi mieć bardzo dokładną, stałą średnicę lub nieznacznie zmniejszyć średnicę od zamka do pyska. Każdy wzrost średnicy otworu pozwoli na przesunięcie pocisku. Może to spowodować wyciek gazu obok pocisku, wpływając na prędkość lub spowodować przechylenie pocisku, tak że nie będzie on już idealnie współosiowy z otworem. Wysokiej jakości lufy są docierane, aby usunąć wszelkie zwężenia w otworze, które spowodują zmianę średnicy.

Proces docierania znany jako „ docieranie ogniowe ” wykorzystuje ołowiany „odłamek”, który jest nieco większy niż otwór i pokryty drobną mieszanką ścierną , aby wyciąć przewężenia. Ślimak przechodzi z zamka do pyska, tak że gdy napotka zwężenie, odcina je i nie przecina obszarów większych niż zwężenie. Wykonuje się wiele przejść, a gdy otwór staje się bardziej jednorodny, stosuje się drobniejsze gatunki mieszanki ściernej. Efektem końcowym jest lufę gładką jak lustro i ze stałym lub lekko zwężającym się otworem. Technika docierania ręcznego wykorzystuje drewniany lub miękki metalowy pręt do przeciągania lub wciskania pocisku przez otwór, podczas gdy nowsza technika docierania ogniowego wykorzystuje specjalnie obciążone naboje o małej mocy do wpychania pokrytych materiałem ściernym pocisków z miękkiego ołowiu w dół lufy.

Kolejną kwestią, która ma wpływ na chwyt lufy na pocisku, jest gwintowanie. Wystrzelony pocisk jest wciskany w gwint, który przecina lub „ ryci ” powierzchnię pocisku. Jeśli gwintowanie jest ciągłym skręceniem, to karabinek jeździ w rowkach wyrytych w kuli i wszystko jest zabezpieczone i uszczelnione. Jeśli gwintowanie ma malejący skręt, to zmieniający się kąt gwintowania w wygrawerowanych rowkach pocisku powoduje, że gwintowanie staje się węższe niż rowki. Pozwala to na przedmuchanie gazu i rozluźnia mocowanie pocisku na lufie. Jednak coraz większy skręt spowoduje, że gwintowanie będzie szersze niż rowki w kuli, zachowując szczelność. Kiedy do pistoletu wybiera się półfabrykat z gwintowaną lufą , dokładny pomiar nieuniknionych zmian w produkcji może określić, czy zmienia się skręt gwintowania , i umieścić wyższy koniec na lufie.

Wylot lufy jest ostatnią rzeczą, która dotyka pocisku, zanim przejdzie on w lot balistyczny, i jako taki ma największy potencjał zakłócenia lotu pocisku. Wylot musi umożliwiać symetryczne uchodzenie gazu z lufy; każda asymetria spowoduje nierównomierny nacisk na podstawę pocisku, co zakłóci jego lot. Końcówka wylotowa lufy nazywana jest „koroną” i zwykle jest ścięta lub wpuszczona, aby chronić ją przed uderzeniami lub zadrapaniami, które mogą wpływać na celność. Oznaką dobrej korony będzie symetryczny, gwiaździsty wzór na wylotowym końcu lufy, utworzony przez sadzę osadzającą się podczas ulatniania się gazów prochowych z lufy. Jeśli gwiazda jest nierówna, oznacza to nierówną koronę i niedokładną lufę.

Zanim lufa będzie mogła wypuszczać kulę w spójny sposób, musi w spójny sposób chwycić kulę. Część lufy pomiędzy miejscem, w którym pocisk wychodzi z naboju i wchodzi w gwint, nazywana jest „gardłem”, a długość gardła to wolny otwór . W niektórych rodzajach broni palnej otwór luzem praktycznie nie istnieje — czynność wbijania naboju w komorę wciska pocisk w gwint. Jest to powszechne w karabinach tarczowych o małej mocy bocznego zapłonu. Umieszczenie pocisku w karabinku zapewnia szybkie i stabilne przejście pomiędzy nabojem a karabinem. Minusem jest to, że nabój jest mocno trzymany na miejscu, a próba wyciągnięcia niewystrzelonego pocisku może być trudna, do tego stopnia, że ​​w skrajnych przypadkach może nawet wyciągnąć pocisk z naboju.

W przypadku wkładów o dużej mocy istnieje dodatkowa wada krótkiego wolnego otworu. Grawerowanie pocisku wymaga znacznej siły, a ten dodatkowy opór może znacznie podnieść ciśnienie w komorze. Aby złagodzić ten efekt, karabiny o większej mocy mają zwykle większy wolny otwór, dzięki czemu pocisk może nabrać rozpędu, a ciśnienie w komorze może nieznacznie spaść, zanim pocisk wejdzie w gwintowanie. Minusem jest to, że pocisk uderza w gwintowanie, gdy jest już w ruchu, a każda niewielka niewspółosiowość może spowodować, że pocisk przewróci się, gdy natknie się na gwintowanie. To z kolei będzie oznaczać, że pocisk nie wyjdzie współosiowo z lufy. Wielkość wolnego otworu jest funkcją zarówno lufy, jak i naboju. Producent lub rusznikarz, który wycina komorę, określi wielkość przestrzeni między otworem łuski a karabinem. Ustawienie pocisku dalej do przodu lub do tyłu w naboju może zmniejszyć lub zwiększyć wielkość wolnego otworu, ale tylko w niewielkim zakresie. Dokładne testowanie przez ładowarkę amunicji może zoptymalizować ilość wolnego otworu, aby zmaksymalizować dokładność, jednocześnie utrzymując szczytowe ciśnienie w granicach.

Problemy związane z rewolwerami

Cechą charakterystyczną rewolweru jest obrotowy cylinder, oddzielony od lufy, w której znajdują się komory. Rewolwery zwykle mają od 5 do 10 komór, a pierwszym problemem jest zapewnienie spójności między komorami, ponieważ jeśli nie są one spójne, punkt uderzenia będzie się różnić w zależności od komory. Komory muszą również być zgodne z lufą, aby pocisk wchodził do lufy w ten sam sposób z każdej komory.

Gardło w rewolwerze jest częścią cylindra i jak każda inna komora, gardło powinno być tak zwymiarowane, aby było koncentryczne względem komory i nieznacznie przekraczało średnicę pocisku. Jednak na końcu gardła rzeczy się zmieniają. Po pierwsze, gardło w rewolwerze jest co najmniej tak długie, jak maksymalna długość naboju, w przeciwnym razie cylinder nie może się obracać. Następnym krokiem jest szczelina cylindra, czyli przestrzeń między cylindrem a lufą. Musi być wystarczająco szeroki, aby umożliwić swobodny obrót butli, nawet gdy zostanie on zabrudzony resztkami proszku, ale nie tak duży, aby uwolnić nadmiar gazu. Następnym krokiem jest stożek forsujący. Stożek forsujący to miejsce, w którym pocisk jest prowadzony z cylindra do otworu lufy. Powinien być koncentryczny z otworem i wystarczająco głęboki, aby wcisnąć pocisk w otwór bez znacznego odkształcenia. W przeciwieństwie do karabinów, w których gwintowana część lufy znajduje się w komorze, gwinty lufy rewolwerowej otaczają koniec zamka otworu i możliwe jest, że otwór zostanie ściśnięty po wkręceniu lufy do ramy. Cięcie dłuższego stożka tłoczącego może uwolnić ten punkt „przesunięcia”, podobnie jak docieranie lufy po zamontowaniu jej na ramie.

Zobacz też

Bibliografia

Linki zewnętrzne