Внутренняя баллистика

Хотя внутренняя баллистика нарезного (пулевого) и гладкого (дробового) выстрела имеет много общего, между ними имеются и серьезные различия. Здесь мы рассмотрим процессы, происходящие в нарезном стволе. О дробовом выстреле поговорим в одном из ближайших номеров.

БАЛЛИСТИКА ПУЛЕВОГО ВЫСТРЕЛА

«Биография» каждой пули начинается с изготовления, и ее качества серьезно зависят от «родителей», то есть производителей. Очень важно, чтобы пули одного типа имели одинаковую и правильную форму. Их центр тяжести должен находиться точно на продольной оси пули. В идеале каждой пуле нужно проводить динамическую балансировку, как это делают с автомобильными колесами. Сделать хорошую пулю непросто, поскольку большинство из них состоит из нескольких элементов. Лучшие западные производители для пуль, предназначенных для высокоточной стрельбы, делают на них кольцевые поперечные канавки (канелюры) — для надежного и воспроизводимого от патрона к патрону закрепления пули в дульце гильзы. Если этих канавок на пуле нет, ей грозит ассиметричная деформация при обжатии в  дульце гильзы. Если это случается (а у наших патронщиков это «случается» всегда), то о приличной кучности можно забыть. Важно, чтобы усилие, необходимое для «изгнания» пули из гильзы, было одинаковым у всех патронов одной партии. От него значительно зависит максимальное давление, которое будут иметь пороховые газы при выстреле. Кроме того, максимальное давление зависит еще от массы пули, ее инерции. Чем тяжелее пуля, тем выше максимальное давление в стволе.

Для высокой кучности нужно, чтобы при закрытом затворе пуля своей головной частью плотно прижалась к переходному конусу. Это момент далеко не простой. Дело в том, что если длина гильзы стандартизована, то длина собранного патрона бывает различной из-за разной длины пули. Это происходит оттого, что для разных целей пули для одного патрона (и калибра) могут иметь существенно разную массу, а следовательно, и длину. Именно поэтому патронники оружия, предназначенного для сверхточной стрельбы, делают под определенную пулю. При досылании патрона пуля не должна «закусываться» полями, так как в этом случае она может неправильно войти в нарезы ствола. Перед ней не должно быть и свободного хода до нарезов. В этом случае при выстреле будет удар в переходной конус, что приводит к снижению кучности. При входе в ствол пуля должна принять форму его сечения, чтобы не было прорыва пороховых газов. На этой стадии главная задача — получить максимальную скорость. Очень важно, чтобы пули одной партии патронов имели минимальный разброс по скоростям. Это необходимая составляющая высокой кучности. После удара бойка по капсюлю начинается важнейшая часть жизни патрона.

ЧТО ВЛИЯЕТ НА ГОРЕНИЕ ПОРОХА

Горение пороха инициируется горячим факелом продуктов сгорания воспламенительного состава, проникающего в гильзу через запальные отверстия. А сам капсюльный состав воспламеняется от интенсивного взаимного трения его отдельных кристаллов. Энергию для этого ему сообщает боевая пружина оружия через ударный механизм. Для начавшегося горения пороха определяющим является величина и характер поверхности его частиц. Безукоризненно работает правило: большая поверхность — быстрое горение. Если зерна пороха обработать графитом и отполировать, горение замедляется. Пористая структура зерна обеспечивает большую поверхность. Это и позволяет регулировать скорость горения полировкой зерен пороха. Кроме того, на скорость горения пороха влияет температура окружающего воздуха (лето — зима!) и содержание влаги в самом порохе.

Горение порохового заряда должно заканчиваться раньше, чем пуля покинет ствол оружия. Это время весьма коротко — порядка одной миллисекунды. Полностью сгоревший бездымный порох увеличивает свой объем более чем в тысячу раз. При этом в стволе, а сначала в полости гильзы образуется высокое давление, действующее на донную часть пули, стенки гильзы, а через них на патронник и личинку затвора. Сила, определяющая ускорение пули, равна произведению давления на площадь поперечного сечения пули (ее калибр). Поскольку сечение пули пропорционально квадрату ее диаметра, то сила, разгоняющая ее, также пропорциональна ему. Большое влияние на скорость горения пороха оказывает и форма гильзы. В низкой и широкой гильзе порох горит интенсивнее, чем в узкой и высокой. Однако широкая гильза невыгодна тем, что она требует толщины стенки ствола пропорциональной диаметру патронника. Одинаковое давление в узкой трубке вызывает меньшее напряжение, чем в широкой. Именно поэтому наиболее распространенным патроном для нарезного ствола европейских тройников и комбинированных ружей является 9,3 Х 74 R. А если говорить об одном из малых калибров, то в комбинированном оружии удобно применять патроны .22 Hornet. А в карабинах с продольноскользящими затворами выгоднее применять патроны в широких и коротких гильзах. Кроме более высокой скорости горения. широкая и короткая гильза позволяет укоротить ствольную коробку, приблизить ствол к плечу стрелка и тем самым улучшить маневренность оружия. Понятно, что ствол при этом должен быть толще, но в одноствольном оружии это не так критично, как в комбинированном.

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ ПО ДЛИНЕ СТВОЛА

Когда обсуждается давление внутри ствола (и патронника), то имеется в виду «запульное» пространство, то есть ограниченное казенной частью ствола и тыльной частью пули. Пока пуля не начала выдвигаться из дульца гильзы, выделяющиеся разогретые газы занимают постоянный объем, практически равный объему порохового пространства гильзы. В это время увеличивающееся количество продуктов сгорания пороха приводит к резкому возрастанию давления. После того как пуля начала движение по стволу, объем газов начинает увеличиваться, но их количество также растет из-за продолжающегося горения. Затем наступает момент, когда, благодаря движению пули, объем увеличивается быстрее, чем образуются продукты горения. В это время давление в запульном пространстве начинает спадать. В момент выхода пули из ствола давление находится на уровне четырехсот атмосфер.

На графике показаны зависимости нарастания давления в стволе при быстро (прогрессивно) и медленно (с постоянной скоростью) горящем порохе. Площади под обеими кривыми приблизительно одинаковы, что означает и одинаковую величину работы, произведенной этими порохами. Видно, что и скорости пуль на выходе из ствола также одинаковы. Однако медленно горящий порох развивает значительно меньшее максимальное давление, что позволяет иметь более тонкие стенки ствола.

В соответствии с изменением давления вдоль ствола должна изменяться и толщина его стенок. При расчете толщины стенок стволов на прочность закладывается двойной запас. При допустимых давлениях деформация стволов должна быть ниже предела упругости. Иными словами, после спада давления в стволе он должен возвращаться к своим исходным размерам. Хотя это требование всегда соблюдается, давление пороховых газов вызывает в стволе вполне измеряемую деформацию и несколько типов механических колебаний. Самые очевидные — это поперечные. Из-за этих колебаний нельзя при стрельбе прислонять ствол к жестким опорам. Проходящий вдоль ствола импульс непременно отбросит ствол в сторону противоположную опоре. Ошибка будет заметной при любой дистанции стрельбы. А еще пуля, резко начав движение вперед, не только вытягивает дульце гильзы, но и вызывает продольные колебания, также распространяющиеся вдоль ствола. Кроме того, при вдавливании в выступающие поля пуля приобретает вращательное движение. Как реакция на это в стволе появляются торсионные (скручивающие) колебания. Эти процессы имеют сравнительно высокую частоту и накладываются друг на друга. Для точной стрельбы еще более важны продольные волны низкой частоты, которые вызываются ассиметричной фиксацией ствольной коробки в ложе и проходят вдоль ствола. Амплитуда этих колебаний лежит в вертикальной плоскости и существенно растягивает сноп траекторий по вертикали. Поскольку давление даже в самых высококачественных патронах несколько варьирует, для достижения максимальной кучности необходимо стремиться к тому, чтобы пули покидали ствол в тот момент, когда дульный срез находится в одной из крайних точек амплитуды (самой верхней или самой нижней). В этих точках скорость движения ствола имеет минимальные значения, и некоторая разность скоростей пуль отдельных выстрелов будет приводить к минимальным различиям в высотах мест встречи с целью. Этого добиваются с помощью дополнительных грузов, которые разными способами могут перемещаться вдоль ствола.

ПУЛЯ И «ЖИВУЧЕСТЬ» СТВОЛА

Современные пороха и пули малых калибров, вылетающие со скоростями порядка 1000 м/c и более, за несколько сотен выстрелов делают стволы непригодными для точной стрельбы. Использование легированных сталей с высокой температурой отпуска лишь немного уменьшает остроту проблемы. В более крупных калибрах по мере снижения давлений в стволе и скоростей пуль ресурсы стволов несколько выше. Как только давление пороховых газов начинает выталкивать пулю из гильзы, в ее ведущую часть начинают вдавливаться поля ствола. Пуля стремится вытянуться вдоль оси. Эта деформация, состоящая из пластической (необратимой) и упругой (обратимой) компонентов, «съедает» значительную часть энергии пороховых газов. Важно, чтобы тело пули полностью перекрывало сечение канала ствола, не пропуская пороховых газов по нарезам. Именно поэтому важно точное соблюдение размерных допусков в стволах. Как только ствол становится более свободным, прорывы пороховых газов начинают заметно увеличиваться, а вслед за этим снижается качество выстрела и прежде всего кучность. При больших износах начинаются срывы пуль с нарезов. В результате кучность падает катастрофически, и это означает конец жизни ствола.

Снижение трения между поверхностью пули и каналом ствола — постоянная забота оружейников. Изготовители стволов прилагают максимум усилий для достижения высочайшей чистоты поверхностей полей и нарезов. Их тщательно шлифуют и полируют, обращая особое внимание на пульный вход — то место, где происходит вдавливание полей в тело пули. Изготовители пуль стремятся понизить трение пули в стволе для снижения температуры и уменьшения его износа. Понятно, что чем податливее тело пули и мягче наружное покрытие, тем выше ресурс ствола. Свинцовые пули по безвредности для стволов ближе всего к жеваной промокашке. На противоположной стороне этого ряда находятся пули в стальной оболочке. К счастью (а может быть, к нашему несчастью), такие пули массово делают лишь в одной стране (угадайте, в какой?). Сейчас — как нечто прогрессивное у нас вводится биметаллическая оболочка — сталь, покрытая очень тонким слоем томпака (медь с добавкой цинка до 10%). Но это повышает свойства пуль несравненно меньше, чем цену. Такая оболочка все равно имеет высокую жесткость. Трудно деформируются пули, имеющие толстые поперечные перегородки (Fail Safe, Swift-A-Frame, Partition Gold и др.).

Совсем другое дело, когда оболочка пуль целиком из томпака, а под ней сердечник из мягкого свинца.

Для снижения трения пули в стволе применяются антифрикционные покрытия. Наиболее эффективным является покрытие томпаковой оболочки тонким слоем дисульфида молибдена. Фирма Barnes Bullets выпускает пули с покрытием на основе фторсодержащих полимеров. Remington тоже выпускает патроны с несколькими видами пуль, покрытых тонким слоем патентованного пластика Lubalox. Антифрикционные покрытия снижают максимальные давления в стволах, уменьшают количество нагара, позволяют сильнее разогнать пулю, дают лучшую кучность и увеличивают ресурс ствола.

Берегите свои стволы и оружие!

Владимир Тихомиров, Фото автора
Охота и рыбалка 3-2010