Период форсирования в гладкоствольном выстреле

В классической науке Внутренней баллистике ствольных систем редко используется понятие период форсирования, анализируется влияние дискретной величины давления форсирования. Для артиллерийских классических систем это давление, при котором ведущий поясок снаряда полностью входить в нарезы ствола. В нарезных стволах стрелкового оружия давление форсирования — это давление на момент, когда пуля полностью войдет в нарезы ствола.

При этом для того, чтобы не усложнять анализ, делается допущение – снаряд и пуля входит в нарезы ствола мгновенно и давление форсирования приравнивается к давлению начала движения (страгивания). В артиллерийских стволах ведущий поясок снаряда при заряжании упирается в нарезы и имеет относительно малую длину.

В стрелковом оружии пуля от момента начала движения до начала входа в нарезы пуля проходит значительное расстояние и на момент начала входа в нарезы имеет скорость порядка 60 м/с. Все это происходит на восходящем участке кривой изменения давления на значительном расстоянии от места пика. Это связано с тем, что в нарезных стволах применяются медленно горящие, прогрессивные пороха.

Для гладкого ствола, по аналогии с классической Внутренней баллистикой, Изметинский и Михайлов в своей книге Ижевские ружья определяют давление форсирования, как давление на момент полного входа обтюратора в канал ствола из переходного конуса. Это происходит на значительном удалении от места пика давления на нисходящем участке кривой изменения давления. В отличие от винтовочных и артиллерийских порохов, даже у медленного горящих прогрессивных порохов для гладкого ствола скорость горения значительно выше.

По вышеизложенным причинам давление форсирование, как дискретная величина не подходит для анализа явления гладкоствольного выстрела. Имеет смысл анализировать процессы от момента срабатывания капсюля до полного входа обтюратора в канал ствола.

В этой публикации рассматривается период форсирования в гладкоствольном выстреле, который начинается с момента срабатывания капсюля и заканчивается в момент полного входа обтюратора в канал ствола из переходного конуса.

В классической Внутренней баллистике стрелкового оружия тоже рассматривается период форсирования, но он анализируется с момента страгивания пули. В гладкоствольном выстреле пиростатический период в классическом понимании отсутствует. Динамика - перемещения пыжей и перестроения в снаряде дроби начинаются с момента срабатывания капсюля.

В момент срабатывания капсюля его газы сжимают пыж, нагревают зерна пороха до перехода верхнего слоя в газообразное состояние. При прогреве до температуры воспламенения газообразные продукты начнут гореть, горение мгновенно распространится на всю поверхность порохового заряда.

В теории прогрев пороха до перехода в газообразное состояние и возникновение очагов горения называется периодом зажжения. распространение горения на всю поверхность порохового заряда - период воспламенения, после чего начинается период собственно горения.

Капсюли по энергии инициации делятся на мощные, средние и слабые.

Давления любого капсюля класса Жевело и их аналогов диаметром 6,2 мм применяемых для снаряжения патронов для гладкого ствола на бездымных порохах достаточно для полного сжатия пыжей или сжимаемых элементов ПК, Биор. Чем выше скорость горения пороха, тем меньше должна быть плотность заряжания (отношение веса заряда к объему, в котором происходит горение).

Объем сжатия у пыжей и ПК предназначенных для быстрогорящих порохов максимален.

При снаряжении на высоко прогрессивных медленно горящих порохах патронов со стальной дробью и весом заряда свинцовой дроби значительно ниже номинала пыж или сжимаемый элемент ПК может вообще отсутствовать.

Мощный капсюль считается универсальным т.к. может обеспечить надежное воспламенение пороха в любом максимально возможном объеме каморы.

Компания МAXAM, самый крупный производитель патронов для гладкоствольного оружия, для всех видов патронов использует только мощный капсюль G1000. Но это скорее исключение из общепринятых правил.

Использование слабых капсюлей в патронах с быстро горящими порохами может привести к затяжному выстрелу или не воспламенению пороха при больших объемах каморы.

С достаточной степенью точности можно считать, что энергия капсюля равна произведению давления, объема и температуры –W= PVT = const. При увеличении объема каморы уменьшается температура, снижается надежность воспламенения пороха.

Скорость горения в любой момент времени пропорциональна давлению в степени ν.

Показатель степени ν прямо зависит от энергии инициации (капсюля), температуры окружающей среды и обратно зависит от тепловых потерь в стволе, (в первом приближении для релодырей этих показателей достаточно)

Величина энергии инициации определяет скорость горения в период зажжения и воспламенения, влияет на скорость нарастания и во многом определяет величину максимума давления. В период горения в определении величины ν участвуют только температура окружающей среды и тепловые потери.

Мощный капсюль в сочетании с высокопрогрессивными медленногорящим порохом при номинальном весе снаряда приведет к ненужному увеличению скорости нарастания давления и увеличению его максимальной величины, сводит к минимуму эффект от прогрессивности горения пороха. Тоже наблюдается в мелких калибрах из-за небольшого объема, в котором горит порох в период форсирования.

От 20 калибра и мельче вполне обоснованным и рациональным есть применение капсюлей ЦБО (центробой) при снаряжении на бездымных порохах без подсыпки дымного пороха.

В малых объемах каморы для воспламенения бездымного пороха достаточно энергии капсюля ЦБО.

Рассматривая рекомендации компании Нобель можно сделать вывод, что замена мощного капсюля на капсюль средней мощности при прочих равных для 28 до 36 граммовых порохов может быть компенсирована увеличение веса заряда пороха порядка до 0,05г.

После срабатывания капсюля монолитных снаряд и центр масс дробового снаряда некоторое время остаются неподвижными. Снаряд после сжатия пыжей удерживается в неподвижном состоянии силой трения снаряда о стенки гильзы от расклинившей под действием силы инерции дроби и самой силой инерции. При легких снарядах влияет усилие раскрытия завальцовки гильзы.

В протоколах отстрелов баллистического комплекса Тульского патронного завода давление начала движения всего снаряда всегда постоянно, порядка 120 – 130 бар и не зависит от калибра и характеристик условий заряжения. Объяснения этому явлению, не смотря на неоднократные попытки, не найдено.

Давление на момент начала движения, но, по моему мнению, на параметры выстрела ощутимо не влияет, и практического значения не имеет.

При перемещении снаряда доля участия силы трения снаряда о стенки гильзы и ствола в противодействующей силе давления пороховых газов уменьшается, а силы инерции снаряда возрастает. К моменту входа обтюратора в канал ствола перестроения в дробовом снаряде завершатся, давление уменьшается, а сила трения снизится до такой величины, что учитывать ее влияние на скорость и давление при движении по каналу ствола не имеет смысла.

Таким образом, по аналогии с классической Внутренней баллистикой ствольных систем, работа силы давления пороховых газов по преодолению силы трения снаряда о стенки КАНАЛА ствола в гладком стволе не учитывается.

Величина силы трения в первую зависит от размера дроби, ее твердости, материала пороховых пыжей, формы и размера переходного конуса.

Площадь поверхности трения в снаряде мелкой дроби больше, чем в снаряде крупной, сила трения снаряда о стенки гильзы и переходного конуса больше, что обуславливает увеличение давления с уменьшением размера дроби при прочих равных характеристиках условий заряжания. Этим обосновывается рекомендация корректировать вес заряда пороха, с увеличением диаметра дроби или картечи увеличивать, а с уменьшением - уменьшать. Таким образом, давление в период форсирования поддерживается на оптимальном уровне.

Чем мягче дробь, тем больше поверхность трения и выше давление.

Традиционные пороховые пыжи даже при одинаковой поверхности трения после сжатия по причине различного типа сжатия и коэффициента трения будут создавать различную силу трения. Пробковые и войлочные пыжи, в отличие от ДВП и Дианы, при сжатии больше расширяются в диаметре, что обуславливает бОльшую силу трения. Давление на неосаленных войлочных пыжах выше, чем на осаленных. Пробковые пыжи имеют стабильные характеристики сжатия и вес, ИМХО, больший коэффициент трения, чем выгодно отличаются от войлочных неосаленных.

В коротких, с большими углами, резких переходных конусах дробь деформируется больше, чем в длинных и плавных с малыми углами входа. Потребность в коротких крутых конусных переходах отпала с появлением ПК, Биор и отдельных полиэтиленовых обтюраторов обеспечивающий идеальную обтюрацию.

Качественный патрон должен обладать достаточной резкостью при хорошей равномерности, постоянстве боя и необходимой для конкретного вида охоты и условий кучностью.

Это достигается подбором оптимальных характеристик условий заряжания.

Давление не должно превышать среднее эксплуатационное максимальное для данного ружья в пулевых патронах и дробовых патронов с крахмалом, оптимального давления по критерию твердости дроби при снаряжении без буферных составов.

Степень деформации дроби, во многом определяющая резкость, равномерность и кучность, зависит от величины максимального давления, размера и твердости дроби, и не зависит от скорости его нарастания.

Давление на момент конца горения не должно опускаться ниже уровня после которого порох срывается в аномальных режим горения. При переходе в аномальных режим горения бездымные пороха резко снижают выделение тепловой энергии и даже прекращают горение.

Величина давления перехода в аномальных режим для каждого пороха своя.

В качественных современных порохах оно значительно ниже, чем в широко используемом Соколе. Именно этим поясняются рекомендации при снаряжении на нем поддерживать максимально допустимый уровень максимального давления.

Желательно обеспечить условия, при которых в период форсирования сгорело бы как можно больше пороха при максимально возможном давлении. При этом точка окончания горения пороха максимально сместится к казенному срезу и больше дульного времени останется для превращения тепловой энергии пороховых газов в кинетическую энергию дробового снаряда или пули.

Красным на графике давления отмечен момент выхода обтюратора из гильзы в переходный конус, зеленым – давление на момент начала движения снаряда, голубым – рост давления в момент срабатывания капсюля.

Михаил Богдашкин
Охотники.ру 2-2014