makulaturoman (makulaturoman) wrote,
makulaturoman
makulaturoman

Categories:

Проблема порохового огнестрельного оружия. Внутренняя баллистика. Теория горения пороха.


Являясь неспециалистом, а любителем я заинтересовался одной проблемой, которую пытались решить еще в далекие 40-е. Летом 1942 г. в поселке Билимбае группа инженеров авиазавода, эвакуированного из Москвы, пыталась (приватно) найти средство значительного увеличения дульных скоростей, а следовательно, бронебойности пуль и снарядов...

Для наглядности, существует такой вот график для патрона 5.56 мм НАТО, где показано давление, время, скорость (ускорение):



Даже неспециалисту ясно видны недостатки, обусловленные горением пороха.Но почему до сих пор используют именно его в качестве метательного заряда? Дело в его "мягких" и "гибких" свойствах по отношению к камере сгорания, стволу, снаряду. Благодаря этим свойствам можно управлять скоростью горения, газообразования, а следовательно и начальной скоростью снаряда. Но у пороховой артиллерии есть свои ограничения, скорости выше, чем скорость горения пороха невозможны (2000 м\с), а на практике лишь 1800 м\с.

Желаемый график, к которому следует стремится выглядит приблизительно так для патрона 5.56 (с некоторой ошибкой):



Требуются принять меры для управления процессом газообразования в заряде, которые позволят управлять величиной максимального давления выстрела на протяжении всего времени передачи кинетической энергии пуле. Повысить прогрессивность горения существующих порохов и увеличить скорость метания при неизменном уровне максимального давления выстрела, которое не превышает штатное.

[Приведу также таблицы скоростей-энергий пуль в зависимости от расстояния и стойкости траектории:]
Правая таблица это отклоняемость ветром от заданной траектории (м\с)

Скорость пули и баллистика калибра 7.62х39


Скорость пули и баллистика калибра 7.62Х54


5.45Х39


Если увеличить начанульную скорость на 200-400 м\с, то улучшение показателей на излете однозначно произойдет (экстраполировать не буду)
Прошу обратить внимание на патрон 7.62Х54 и численные значения на 1000 м. Дозвуковая скорость 300+ м\с, а энергия 500 Дж (скачок снижения воздушного сопротивления) только появляется.
Для сохраняемости начальной скорости и кинетической энергии, сообщенной пороховыми газами используют различные аэродинамические формы от "каплеобразных" до "иглообразных", каждая имеет свои свойства на разных дальностях: одна лучшее останавливающее действие имеет, другая настильность траектории и точность на больших и средних дистанциях.

Вот баллистические коэффициенты (скачок сопротивления при приближении к скорости звука):

Наибольшее сопротивление на графике у 7.62Х54
самая нижняя кривая - с наименьшим сопротивлением это 5.45Х39 наш патрон
А посередине видоизмененный 7.62Х54 пулю которого я слегка изменил (удлинил и заострил немного)

Решение данной проблемы было предложено Германом Герлихом еще раньше, но немного другим способом - механическим:

[Конический ствол и пуля Герлиха.]

Еще до Первой мировой войны – первым патент на ружье с коническим каналом ствола получил немец Карл Руфф в 1903 году. Проводились опыты с коническим каналом ствола и в России. В 1905 году инженер М.Друганов и генерал Н.Роговцев предложили патент на ружье с коническим каналом ствола. А в 1940 году в конструкторском бюро артиллерийского завода № 92 в Горьком были испытаны опытные образцы стволов с коническим каналом.

В ходе экспериментов удалось получить начальную скорость 965 м/с. Однако В.Г.Грабину не удалось справиться с рядом технологических трудностей, связанных с деформацией снаряда во время прохождения канала ствол, и добиться нужного качества обработки канала. Поэтому еще до начала Великой Отечественной войны Главное артиллерийское управление приказало прекратить опыты со стволами с коническим каналом.

Конический ствол и пуля Герлиха.

В 1930 году немецкий оружейник Герман Герлих, инженер оружейного завода фирмы «Хальгер» в г. Киле, заявил, что стреляя из винтовки своей конструкции калибра 7 мм, он получил скорость пули в 1400 м/с, и может получить скорость пули выше 1650 м/с. Ведущие оружейные специалисты того времени усомнились в возможности получения скоростей, заявленных Герлихом.

Но на испытаниях в Ванзее на германской испытательной станции винтовка Герлиха калибра 7 мм, в присутствии официальной комиссии придала пуле конструкции Герлиха массой 6,5 г скорость в 1475 м/с. Затем винтовка дала скорость пули 1600 м/с, и при некотором увеличении порохового заряда даже фантастическую в то время скорость в 1700 м/с.

Оппоненты Герлиха были опровергнуты. Сам же Герлих считал возможным придать винтовочной пуле скорость и в 2000 м/с.

Уже на скоростях 1450—1470 м/с, пуля винтовки Герлиха массой 6,5 г, действующим диаметром всего 6,35 мм, со свинцовым сердечником на расстоянии 50 м, проламывала (а не пробивала) в стальном броневом листе толщиной 12 мм дыру диаметром 15 мм, а в толстой броне делала воронку в 15 мм глубины и диаметром 25 мм. Обычная пуля боевой винтовки «Маузер» калибра 7,92 мм оставляла на такой броне лишь небольшое углубление в 2—3 мм.


Конические стволы применялись для увеличения начальной скорости снаряда (пули). Принцип увеличения скорости снаряда в конических стволах есть сложный видоизменённый принцип «пробки и иглы». В начале движения снаряда давление пороховых газов действует на большую площадь дна снаряда. При движении снаряда по коническому стволу давление пороховых газов начинает падать, но это падение компенсируется уменьшением объёма ствола сравнительно с обычным цилиндрическим. При этом уменьшается и площадь снаряда, но при обжимании в стволе ведущих поясков снаряда сохраняется высокая степень обтюрации пороховых газов, снижающая их потери.

[Немецкая многокамерная пушка]
Немецкая многокамерная пушка

Основным отличием от стандартных орудий, использующих для разгона в стволе единственный заряд, в многоканальной пушке применялся метод многоступенчатого разгона выстрела. Он заключался в следующем: через расчётно-равные отрезки очень длинного ствола были выполнены дополнительные каморы для размещения зарядов. Они выполнялись под тупым углом к дульному срезу ствола. Снаряд закладывался в казенной части пушки и первоначальное движение ему сообщалось пороховым зарядом, также закладываемым в казенную часть.

Далее снаряду, двигающемуся по каналу ствола, подрывы зарядов в дополнительных каморах, сообщали дополнительную скорость. Подрыв дополнительных пороховых зарядов производился с помощью электрики. В итоге, снаряд покидал канал ствола со скорость не менее 1500 м/с, что делало возможным достижения выстрелом расстояний в 160-170 километров. Для артиллерийского снаряда калибра 150 мм это была невиданная дальность.

Устройство и конструкция

Основой конструкции был ствол. Он представлял собой конструкцию из 32 элементов. Элементы – части ствола и дополнительные каморы. Все элементы собирались в бетонной шахте, готовый ствол устанавливался под расчётным углом возвышения в 55 градусов. Ствол заканчивался с одной стороны казенником, с другой стороны дульной частью. Общая длина пушки равнялась 124 метрам. Получившаяся конструкция должная была весить 62 тонны, но вследствие потребности усиления надежности элементов ствола, общий вес увеличился на 14 тонн. Ствол не имел нарезов, характерных для современных пушек.

Специально для этих пушек был разработан необычный снаряд – его длина была чуть больше 3 метров, вес 140 кг, из которых 25 кг отводилось на заряд ВВ. Хотя калибр орудия был 150 мм, конструкторы выполнили снаряд в подкалиберном исполнении 110 мм.
Из-за отсутствия нарезов в стволе, которые в обычной пушке придают выстрелу вращение необходимое для стабилизации полета, стабилизация полета обеспечивалась оперением хвоста снаряда многоканальной пушки. Оперение должно было раскрываться после выхода из канала ствола от срабатывания пружины.

Немецкая многокамерная пушка «HochDruckPumpe»

Были и другие версии подкалиберных снарядов от 110 до 80 мм. Вес таких снарядов варьировался от 127 до 80 килограмм. Они имели 4-6 откидных стабилизаторов.

Трудности «V-3»

Хотя рабочая модель показала удовлетворительный результат, испытания серийного прототипа в начале весны 1944 года проходили с большими трудностями. Разработанные снаряды не приобретали в полете требуемую стабилизацию. Хотя испытания, в принципе, показали, что орудие можно использовать по назначению – по удаленным реальным целям. Из проблемы стабилизации снаряда вытекала следующая трудность – снаряды для пушки уже изготавливали в большом количестве, снаряды которые теперь имели конструкционный недостаток. На время проведения испытаний уже было изготовлено более 25 тысяч снарядов.

Мощность производства снарядов составляла 10 тысяч снарядов за месяц. Такое количество было не случайным, так как скорострельность пушки «HDP» была 1 выстрел в 5 минут. 50 пушек за час могли производить 600 выстрелов. За 24 часа они могли произвести 14400 выстрелов. Согласно планов Гитлера пушки должны были круглосуточно обстреливать столицу Англии с безопасного расстояния.

В данном просчете конечно виноваты конструкторы компании «Rochling». Как стало позже известно, они провели недостаточный объем аэродинамических исследований новых снарядов, что привело к конструкционной ошибке в выборе оперения стабилизации снаряда. В дальнейшем выяснился еще один просчет – при установки фиксированного угла возвышения и направления не была учтена поправка вращения земли. Но разработчикам и руководителям проекта повезло в том, что им не пришлось об выявленных недостатках пушки докладывать Гитлеру, ведь в этом случае их скорее всего ждал расстрел, британские самолеты практически сравняла с землей построенные огневые позиции для 50 орудий. Чуть позже район расположения огневых позиций попал под контроль канадских пехотинцев.

Немецкая многокамерная пушка «HochDruckPumpe»

Была еще одна проблема, которая была в ходе работ решена – недостаточная начальная скорость снаряда и как следствие малая дальность поражения. К разработке привлекли шесть компаний, давно разрабатывающих и создающих для Германии вооружение и технику. Вскоре изготовили требуемый снаряд, исправили небольшие проблемы затвора.

Развитие проекта «HDP»

Однако Гитлер не закрыл проект многообещающей дальнобойной пушки – он приказал переработать проект под возможность использования их в полевых условиях. Пушку построили с уменьшенной длиной ствола в 50 метров. Ствол также был составной и состоял из 12 элементов ствола, каждый с 2 каморами для зарядов и 13 вставок. Казенная часть использовалась от гаубицы калибра 150 мм «s.F.H. 18». Общий вес новой пушки составлял 28 тонн. Пушка получает название «LRK15 F58».

Для стрельбы из новой пушки модифицировали снаряд, это стал стреловидный 150 мм «Sprgr. 4481». Масса снаряда равнялась 97 кг, основной заряд весил 5 кг, дополнительные заряды (24 единицы) имели общий вес 72,8 кг. Все заряды сообщали снаряду общую начальную скорость в 935 м/с, что давало возможность ему поражать цели на дальности до 50 километров.

Было построено четыре пушки «LRK15 F58». Их установили возле города Трир под углом возвышения 34 градуса. Направление ведения стрельбы – город Люксембург. Дальность до города – 42,5 км. Расчет – 30 военнослужащих. Входили в состав 705 тяжелого артдивизиона. В боях были использованы только два орудия. Первое боевое применение – 30.12.1944 года. Участвовали в боях с 3 армией Соединенных Штатов. Всего двумя орудиями было произведено 157 выстрелов. В конце войны военнослужащие Соединённых Штатов захватили одно из орудий и вывезли его для изучения на свою территорию.

Основные характеристики «V-3»:
- калибр орудия – 150 мм;
- тип боеприпаса – подкалиберный;
- калибр боеприпаса – 110 мм;
- длина ствола – 150 м (826 калибров);
- общий вес – 76 тонн;
- вес боеприпаса – 140 кг;
- начальная скорость боеприпаса – 1500 м/с;
- дальность поражения – 150-165 км;
- угол возвышения – фиксированный 55 градусов;
- число элементов – 32 единицы;
- длина снаряда – 3,1 (2,5) метра.







...

На данный момент существуют кое-какие патенты порохов под различные калибры, которые незначительно улучшают вышеописанные характеристики. Суть этих изобретений в том, чтобы как можно дольше продливать максимально достигнутое штатное давление в процессе движения пули по стволу. В процессе горения внутрь порошинок увеличивать общую площадь горения и газовыделение, но данный метод изменения форм и составов пороха ограничен в своих возможностях из-за слишком быстрого изменения "допульного пространства" в процессе горения.

[PS]
PS
1. Интересные сведения можно найти в юбилейном издании нижегородского ОАО ЦНИИ «Буревестник» под названием «40 лет на страже Отечества и мира. 1970-2010 гг.».

«С 1 квартала 1982 года... ЦНИИ «Буревестник» стал головным исполнителем по НИР НВ1-142-82 «Лава», в рамках которой институт совместно с предприятиями п/я В-8469, п/я В-2281, п/я А-7701 и Институтом химии нефти СО АН СССР отрабатывал баллистическое решение и элементы схемы танковой пушки с применением ЖМВ (жидкие метательные вещества). Проведенные исследования позволили рекомендовать два направления проектирования артсистем с применением ЖМВ:
- с размещением заряда ЖМВ в каморе артиллерийского орудия (объемное горение);
- с распределением заряда ЖМВ по длине канала ствола (распределенная подача).

Была разработана и изготовлена 57 мм минометная баллистическая установка, позволяющая проводить экспериментальные исследования по обоим выбранным направлениям. В продолжение этого проекта по решению ВПК с 1985 года была открыта НИР «Волна» - «Изыскание технических направлений создания артсистем и боеприпасов с применением ЖМВ». Научным руководителем темы был назначен директор института В.М. Чебаненко...

2. В 1981 году в рамках контракта Pulse Power Systems проблемами ЖВМ начинает заниматься DARPA – американское агентство передовых оборонных исследовательских проектов.

Уже в 1986 году лаборатория баллистики Абердинского испытательного полигона и армейский центр исследований и разработок вооружения Пикантинского арсенала заключают контракты на научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы с «General Electric».

В рамках исследований было произведено порядка 2000 выстрелов на лабораторных установках различных конструкций и калибров (от 25 и до 105 мм).

Работы были разделены на три этапа. В ходе первого к 1988 году был изготовлен служивший для статических испытаний 155 мм образец на лафете буксируемой гаубицы M115.

Во время испытаний максимальная дальность стрельбы активно-реактивным снарядом М549А1 составила 44,4 км при начальной скорости 998 м/с, а минимальная осколочно-фугасным М107 - 4,4 км.

Испытания продолжались с июля 1988 по сентябрь 1990 года.

Второй этап предусматривал создание самоходного образца для демонстрационных испытаний, начало которых было запланировано на конец 1990 года. До третьего – создания серийной артиллерийской системы на ЖМВ так и не дошло.


Если химики прочтут, интересно что они бы предложили.



Список источников:

  1. Как выдумали жидкий порох, или Пулемёт на керосине

  2. Патент на изобретение №2254312

  3. Пуля Герлиха

  4. Немецкая многокамерная пушка «HochDruckPumpe» калибра 150 мм



Tags: Россия, оборонка, оружие, раздача патентов
Subscribe
  • Post a new comment

    Error

    default userpic

    Your IP address will be recorded 

    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 36 comments