За доли секунды четыре периода выстрела

Слово «выстрел» в артиллерии употребляется в нескольких значениях и обозначает: совокупность процессов, протекающих в стволе огнестрельного оружия; комплект боеприпасов, предназначенных для стрельбы из этого оружия; момент вылета пули (снаряда) из канала ствола оружия энергией газов, образующихся при сгорании порохового заряда. Во внутренней баллистике слово «выстрел» употребляется в его первом значении.

Явлением выстрела называется совокупность механических, физических, химических, термодинамических и газодинамических процессов, проходящих в оружии от момента начала воспламенения заряда до момента окончания истечения пороховых газов из канала ствола оружия после вылета снаряда.

Явление выстрела включает следующие процессы:
- воспламенение пороха;
- горение пороха;
- образование пороховых газов;
- врезание ведущих поясков в нарезы;
- поступательное движение пули (снаряда);
- трение ведущих поясков о поверхность канала ствола;
- вращательное движение пули (снаряда);
- расширение пороховых газов;
- движение пороховых газов;
- движение элементов боевого заряда;
- изменение состава пороховых газов;
- теплопередача от пороховых газов к стенкам ствола;
- нагрев ствола;
- деформация ствола, пули (снаряда), гильзы;
- износ и разгар канала ствола;
- вытеснение воздуха из канала ствола;
- движение подвижных частей автоматики оружия;
- истечение пороховых газов из канала ствола;
- образование дульной волны;
- образование дульного пламени.

Перечисленные процессы могут протекать в одном или в нескольких периодах. Так, воспламенение пороха и врезание ведущих поясков в нарезы происходит в предварительном периоде, образование дульной волны - в периоде последействия. А движение пороховых газов протекает в четырех периодах - предварительном (пиростатическом), пиродинамическом, термодинамическом и последействия. Наибольшее число процессов совершается одновременно в пиродинамическом периоде, поэтому он является наиболее сложным и общим.

Перечисленные процессы не равноценны по их роли при решении основной задачи пиродинамики, т. е. с точки зрения раскрытия характера движения снаряда в канале ствола орудия. К основным процессам явления выстрела относятся:
- горение пороха;
- образование пороховых газов;
- расширение пороховых газов;
- поступательное движение снаряда;
- истечение пороховых газов из канала ствола.

Эти процессы во внутренней баллистике изучаются подробно.

Следует отметить, что горение пороха происходит сначала в постоянном объеме, а с момента начала движения пули (снаряда) - в переменном объеме, расширение пороховых газов происходит как при горении пороха, так и после его горения.

Во время выстрела из стрелкового оружия происходят следующие явления.

При спуске курка с боевого взвода боек ударяет по капсюлю боевого патрона, досланного в патронник, вызывая этим мгновенный взрыв ударного состава капсюля. Возникающее при этом сильное пламя через затравочные отверстия в дне гильзы проникает к пороховому заряду, воспламеняя со всех сторон зерна пороха. Пороховой (боевой) заряд, почти одновременно загораясь, выделяет большое количество сильно нагретых упругих пороховых газов, создающих в канале ствола высокое давление на дно пули, дно и стенки гильзы, а также на стенки ствола и затвор. По мере сгорания заряда пороховым газам становится тесно в пороховой камере (патроннике). Стремясь расшириться, они давят во все стороны с одинаковой силой, в том числе и на пулю. Встречая сопротивление прочных стенок ствола и дна гильзы, упирающейся в личинку затвора, пороховые газы распространяются в сторону наименьшего сопротивления, толкая перед собой пулю. В результате давления газов на дно пули она сдвигается с места и врезается в нарезы; вращаясь по ним, продвигается по каналу ствола с непрерывно возрастающей скоростью и выбрасывается наружу по направлению оси канала ствола. Давление газов на дно гильзы вызывает движение оружия (ствола) назад. От давления газов на стенки гильзы и ствола происходит их растяжение (упругая деформация), и гильза, плотно прижимаясь к патроннику, препятствует прорыву пороховых газов в сторону затвора. Одновременно при выстреле возникает колебательное движение (вибрация) ствола и происходит его нагревание. Раскаленные газы и частицы несгоревшего пороха, истекающие из канала ствола вслед за пулей, при встрече с воздухом образуют пламя и ударную волну, которая является источником звука при выстреле.

В этом и состоит явление выстрела. Он протекает очень быстро. Так, пуля в стволе 7,62 мм магазинной винтовки Мосина образца 1891/30 гг. движется всего лишь около 0,0015 сек.

При выстреле из автоматического оружия, устройство которого основано на принципе использования энергии пороховых газов, отводимых через отверстие в стенке ствола (например, автомат Калашникова АК-74, ручной пулемет Калашникова РПК-74; снайперская винтовка Драгунова СВД; единый пулемет Калашникова ПКМ), часть пороховых газов после прохождения пулей газоотводного отверстия устремляется через него в газовую камеру, ударяет в поршень и отбрасывает поршень с затворной рамой (толкатель с затвором) назад.

Пока затворная рама (стебель затвора) не пройдет определенное расстояние, обеспечивающее вылет пули из канала ствола, затвор продолжает запирать канал ствола. После вылета пули из канала ствола происходит его отпирание; затворная рама и затвор, двигаясь назад, сжимают возвратную (возвратно-боевую) пружину; затвор при этом извлекает из патронника гильзу. При движении вперед под действием сжатой пружины затвор досылает очередной патрон в патронник и вновь запирает канал ствола.

При выстреле из автоматического оружия, устройство которого основано на принципе использования энергии отдачи (например, пистолет Макарова ПМ, автоматический пистолет Стечкина АПС, пистолет-пулемет Шпагина образца 1941 года ППШ), давление газов через дно гильзы передается на затвор и вызывает движение затвора с гильзой назад. Это движение начинается в момент, когда давление пороховых газов на дно гильзы преодолевает инерцию затвора и усилие возвратно-боевой пружины. Пуля к этому времени уже вылетает из канала ствола. Отходя назад, затвор сжимает возвратно-боевую пружину, затем под действием энергии сжатой пружины затвор движется вперед и досылает очередной патрон в патронник.

В некоторых образцах оружия (например, крупнокалиберный пулемет Владимирова КПВ, станковый пулемет «Максим» обр. 1910 года) под действием давления пороховых газов на дно гильзы вначале движется назад ствол вместе со сцепленным с ним затвором (замком). Пройдя некоторое расстояние, обеспечивающее вылет пули из канала ствола, ствол и затвор расцепляются, после чего затвор по инерции отходит в крайнее заднее положение и сжимает (растягивает) возвратную пружину, а ствол под действием пружины возвращается в переднее положение.

Явление выстрела характеризуется кратковременностью и сложностью, оно длится десятые и даже сотые доли секунды (0,001-0,06 сек), причем за столь короткий промежуток времени происходит множество процессов различной природы, связанных друг с другом.

Во время выстрела развиваются высокие давления, достигающие тысяч атмосфер, и высокие температуры до 3000 °C.

При сгорании порохового заряда примерно 25-35% выделяемой энергии затрачивается на сообщение пуле поступательного движения (основная работа); 15-25% энергии - на совершение второстепенных работ (врезание и преодоление трения пули при движении по каналу ствола; нагревание стенок ствола, гильзы и пули; перемещение подвижных частей оружия, газообразной и несгоревшей частей пороха); около 40% энергии не используется и теряется после вылета пули из канала ствола.

Несмотря на кратковременность явления выстрела, его можно разделить на четыре последовательных периода.

Предварительный (или пиростатический) период длится от момента начала горения порохового заряда до полного врезания оболочки пули в нарезы ствола. В течение этого периода в канале ствола по мере горения пороха количество пороховых газов увеличивается, в связи с чем быстро нарастает и давление газов, необходимое для того, чтобы сдвинуть пулю (снаряд) с места и преодолеть сопротивление ее оболочки врезанию в нарезы ствола. Когда оно достигает определенной величины, достаточной для преодоления сил сопротивления движению (обжимки пули в дульце гильзы, врезания пули в нарезы и др.), пуля начинает свое движение. Давление пороховых газов, которое необходимо для полного врезания пули в нарезы, называется давлением форсирования. В стрелковом оружии оно колеблется в пределах 25-50 МПа (250-500 кг/кв.см) при стрельбе оболочечными пулями, в зависимости от устройства нарезов, массы пули и твердости ее оболочки (например, у стрелкового оружия под 7,62 мм автоматный патрон образца 1943 года давление форсирования равно около 30 МПа (300 кг/кв.см).

Горение порохового заряда в этот период происходит в постоянном объеме, оболочка (поясок) пули (снаряда) врезается в нарезы мгновенно, а ее движение начинается сразу же при достижении в канале ствола давления форсирования.

Первый (или основной) пиродинамический период длится от начала движения пули (снаряда) до момента полного сгорания порохового заряда. В этот период горение порохового заряда происходит в быстро изменяющемся объеме. В начале периода, когда пуля (снаряд) еще не приобрела большую скорость движения по каналу ствола, количество газов растет значительно быстрее, чем объем запульного (заснарядного) пространства (пространство между дном пули (снаряда) и дном гильзы), в силу чего давление газов в канале ствола быстро повышается и достигает наибольшей величины. Например, у стрелкового оружия, рассчитанного на использование 7,62 мм автоматного патрона образца 1943 года - 280 МПа (2800 кг/кв.см), а под 7,62 мм винтовочный патрон - 290 МПа (2900 кг/кв.см). Это давление называется максимальным давлением. Оно создается у стрелкового оружия при прохождении пулей 4-6 см пути (снарядом 4-10 калибров). Затем, вследствие значительного увеличения скорости движения пули (снаряда), объем запульного пространства увеличивается быстрее притока новых газов, и давление в канале ствола начинает постепенно снижаться. В конце горения пороха давление пороховых газов составляет примерно 2/3 максимального давления. Скорость движения пули постоянно возрастает и к концу периода достигает примерно 3/4 начальной скорости. Пороховой заряд полностью сгорает незадолго до того, как пуля вылетит из канала ствола.

Максимальное давление, которое развивают пороховые газы в стволе 7,62 мм магазинной винтовки Мосина образца 1891/30 гг. при стрельбе легкой пулей - 285 МПа (2850 кг/кв.см), при стрельбе тяжелой пулей - до 320 МПа (3200 кг/кв.см). Максимальное давление пороховых газов в стволе 5,6 мм малокалиберной винтовки и пистолета равно 130 МПа (1300 кг/кв.см), а в стволе 7,62 мм револьвера «Наган» образца 1895 года - 110 МПа (1100 кг/кв.см).

Второй термодинамический период длится от момента полного сгорания порохового заряда до момента вылета пули (снаряда) из канала ствола. С началом этого периода приток пороховых газов прекращается, однако сильно сжатые и нагретые газы расширяются и дальнейшее движение пули (снаряда) происходит под действием постоянного, свободно расширяющегося количества пороховых газов, которые, благодаря своей упругости, обладают еще большим запасом энергии; продолжая расширяться, они увеличивают скорость движения пули. Спад давления во втором периоде происходит быстрее, чем в конце первого периода, и у дульного среза дульное давление (т. е. давление пороховых газов в момент вылета пули из канала ствола) составляет у орудия 1/3, у различных образцов стрелкового оружия - 1/5 максимального давления - от 20 (200 кг/кв.см до 90 МПа (900 кг/кв.см). Например, у 5,6 мм малокалиберной винтовки ТОЗ-8 - около 20 МПа (200 кг/кв.см); у 7,62 мм магазинной винтовки Мосина образца 1891/30 гг. оно равно 41,6 МПа (416 кг/кв.см); у 7,62 мм самозарядного карабина Симонова СКС - 39 МПа (390 кг/кв.см), у 7,62 мм станкового пулемета Горюнова - 57 МПа (570 кг/кв.см). Скорость пули в момент вылета ее из канала ствола (дульная скорость) несколько меньше начальной скорости.

Характер изменения давления пороховых газов в канале ствола и нарастания скорости движения пули при стрельбе из винтовки обр. 1891/30 гг. и малокалиберной винтовки показан в таблице 1.

У некоторых видов стрелкового оружия, особенно короткоствольных (например у пистолета Макарова ПМ), второй период отсутствует, так как пуля вылетает из канала ствола раньше, чем успевает полностью сгореть пороховой заряд.

Третий период, или период последействия газов, длится от момента вылета пули (снаряда) из канала ствола до момента окончания истечения пороховых газов из канала ствола и прекращения действия пороховых газов на пулю (снаряд). В течение этого периода пороховые газы, вырываясь из канала ствола со скоростью 1200-2000 м/сек (значительно большей, чем скорость пули), продолжают на некотором расстоянии от дульного среза оружия (до 20 см) оказывать давление на дно пули и сообщают ей дополнительную скорость - до тех пор, пока сопротивление окружающей воздушной среды не станет равным давлению газов на дно пули. Следовательно, по мере продвижения пули в канале ствола скорость ее движения непрерывно возрастает, достигая наибольшей (максимальной) в конце третьего периода на удалении нескольких десятков сантиметров от дульного среза ствола. Этот период заканчивается в тот момент, когда давление пороховых газов на дно пули (снаряда) будет уравновешено сопротивлением воздуха.

В образцах стрелково-артиллерийского вооружения обычно имеют место все перечисленные периоды и только в редких случаях, когда окончание горения пороха происходит после вылета снаряда, отсутствует термодинамический период. В минометах, как правило, отсутствует период форсирования.

После прохождения дульного среза оружия пуля (снаряд) имеет максимальную скорость.

Нужно отметить, что характер нарастания давления пороховых газов в канале ствола в значительной мере зависит от плотности порохового заряда. С увеличением плотности заряда резко повышается скорость горения пороха, а следовательно, и нарастание давления газов, вплоть до возникновения детонации. Поэтому, во избежание несчастных случаев, не следует стрелять патронами с глубоко посаженными пулями.

Иногда после удара бойка по капсюлю выстрела может не произойти или он последует с некоторым запозданием. В первом случае происходит осечка, а во втором - затяжной выстрел.

Причиной осечки чаще всего бывает отсыревание ударного состава капсюля или порохового заряда, а также слабый удар бойка по капсюлю. Как известно, с повышением процента влажности порох горит медленнее, отчего и нарастание давления пороховых газов в канале ствола может происходить также замедленней. Поэтому при отсыревшем пороховом заряде возможен затяжной выстрел, при котором между ударом бойка по капсюлю и звуком выстрела проходит заметный промежуток времени. При повышенной влажности заряда, а также недостаточной мощности капсюля луч пламени от взрыва капсюльного состава не может произвести одновременное зажжение всех пороховых зерен, а воспламеняет лишь близлежащие слои пороха, от которых следующие слои загораются через некоторый промежуток времени. В связи с этим, если после спуска курка выстрела не последовало, стрелок не должен торопиться с перезаряжанием оружия, а выждать несколько секунд, чтобы не мог произойти взрыв порохового заряда при открытом затворе и как следствие ранение стрелка и порча оружия. Если осечка произойдет при стрельбе из станкового гранатомета СПГ-9, то перед его разряжанием необходимо выждать не менее одной минуты.

В этом отношении наибольшую осторожность нужно проявлять при стрельбе патронами, длительное время хранившимися без герметической упаковки и в недостаточно сухом месте. Поэтому необходимо оберегать боеприпасы от влаги и содержать оружие в исправном состоянии.

Сергей Монетчиков
Фото Владимира Николайчука
и из архива автора
Братишка 07-2009