Научно-производственная фирма "ИМКАС"

3.1. Течение газа в стволе при выстреле (в пиродинамический период)

В существующих образцах огнестрельного оружия снаряд или пуля приобретают скорость под действием пороховых газов, образующихся вследствие взрывчатого разложения порохового заряда.

В огнестрельном оружии имеются три основных элемента: ствол, заряд, пуля.

Огнестрельное оружие представляет собой термодинамическую машину, в которой энергия порохового заряда почти мгновенно трансформируется сначала в тепловую, а затем в кинетическую энергию движения всей системы: снаряд-заряд-ствол. Выделяемая порохом энергия превращается, главным образом, в кинетическую энергию движения снаряда или пули.

Явления, происходящие в канале огнестрельного оружия при выстреле, характеризуются:

  • высокими давлениями, развиваемыми пороховыми газами (150-300 МПа), в отдельных случаях – и выше;
  • значительной температурой пороховых газов, порядка 2000–3000°С;
  • короткими промежутками времени протекания процесса (0,01–0,001 с). [83, 84].

Явление выстрела, как правило, протекает следующим образом.

Действием некоторого механического или электрического импульса вызывается взрывчатое разложение воспламенителя – специального заряда, предназначенного для воспламенения порохового заряда.
Раскаленные пороховые газы воспламенителя, развивающие первоначальное давление около 20–40 кг/см2, заполняют свободное пространство камеры, нагревают и воспламеняют заряд.

За воспламенением следует горение заряда, которое вызывает дальнейшее образование пороховых газов, что проводит к увеличению давления в камере.

Когда будет достигнуто давление, достаточное для преодоления сопротивления врезанию ведущей части пули в нарезы ствола огнестрельного оружия, пуля начнет свое движение вдоль канала ствола.

Горение пороха до момента движения снаряда происходит в неизмененном объеме. Этот период называется пиростатическим, или предварительным периодом.

Когда давление достигает уровня, достаточного для преодоления сопротивления врезания, начинается движение пули, и одновременно с этим – движение несгоревшей части заряда.

Рис. 3.2. Изменение давления и скорости звука при выстреле

На рис. 3.2 приведены графики изменения давления в канале ствола и скорости пули, в общем случае при выстреле [83].

Момент достижения давления Pсоответствует началу движения пули в стволе. «Заснарядное» пространство растет быстрее притока пороховых газов, и в некоторый момент давление, достигнув в точке Pm максимальной величины, начинает падать.

В начальные моменты движения снаряда особенно, а в последующем – в меньшей степени пороховые газы из заснарядного пространства могут проникать вперед через зазоры между пулей и стволом.

Температура пороховых газов падает вследствие выполняемой ими работы, горение заряда, связанное с образованием пороховых газов, продолжается при падении их давления. В точке, отмеченной на рис. 3.2 Pk, заряд сгорит.

Процесс выстрела от момента начала движения снаряда до момента окончания горения заряда называется первым пиродинамическим периодом (первым периодом).

После окончания горения заряда движение пули под действием расширяющихся пороховых газов продолжается при отсутствии образования новых порций газа.

Явления в заснарядном пространстве, связанные с движением пороховых газов, падением температуры и давления, продолжаются до момента вылета снаряда из канала ствола оружия (Pd и Vd на рис. 3.2).

Период процесса от момента окончания горения заряда до момента вылета пули называют вторым пиродинамическим периодом (вторым периодом).

После вылета пули из канала ствола оружия некоторое время пороховые газы будут продолжать действовать на пулю.

Период от момента вылета снаряда до момента прекращения действия на него пороховых газов называется периодом последействия пороховых газов.

Газы, вылетающие вслед за пулей, продолжают на некотором расстоянии от дульного среза оказывать давление на ее донную часть, сообщая пуле дополнительное ускорение.

Поэтому снаряд получает наибольшую скорость Vmax не в момент выхода из дульного среза, а на некотором ln расстоянии от него (20-40 калибров), приращение скорости составляет 0,5–2%, после чего под действием силы сопротивления воздуха скорость снаряда начинает убывать.

Таким образом, в явлении выстрела различают такие периоды [85]:

  1. предварительный от начала горения заряда до начала движения снаряда;
  2. первый или основной – период горения пороха и движения пули в канале ствола (до полного сгорания заряда);
  3. второй – после сгорания заряда до вылета снаряда из канала ствола;
  4. третий – период последействия газов на снаряд после вылета его из канала ствола.

Для проектирования надульных устройств наиболее значимы второй и третий периоды [88-102].

В процессе выстрела продукты горения пороха, помимо основного действия – сообщения снаряду движения, приводят к ряду сопровождающих выстрел физико-химических явлений.

К этим побочным явлениям, сопровождающим выстрел, относятся: звук выстрела, пламя, дым и разгар канала ствола.

Пламя при выстреле образуется, главным образом, благодаря догоранию в кислороде воздуха горючих газов СО, Н2 и СН4, содержащихся в газовом облаке. Пламя появляется на некотором расстоянии от дульного среза и зарождается в передней части газового облака. Продолжительность пламени измеряется сотыми и тысячными долями секунды.

Пламя и дым при выстреле – взаимосвязанные явления: с увеличением пламенности выстрела уменьшается его дымность.

Дым при выстреле представляет собой мелкодиспергированные твердые частицы, взвешенные в пороховых газах. Главным источником этих твердых частиц являются воспламенитель из дымного пороха, выделяющий при горении более 50 % твердых продуктов, пламегасящие добавки, частицы углерода, частицы металла ствола, выносимые струей пороховых газов и др. [86 ].

Основной задачей при проектировании огнестрельного оружия является сообщение снаряду наибольшей возможной скорости в момент вылета его из ствола при прочих равных условиях. На работу, обеспечивающую поступательное движение снаряда, затрачивается наибольшее количество энергии, выделенной при взрывчатом разложении пороха.

В [84] приведена следующая упрощенная формула для определения начальной скорости снаряда:

где γ – показатель адиабаты;
η – термический коэффициент полезного действия;
m – масса снаряда (пули);
R – универсальная газовая постоянная;
T0 – температура пороховых газов;
ω – масса пороха.

Из формулы видно, что начальная скорость пули зависит от энергетической характеристики пороха  RT0, от отношения ω/m и от коэффициента полезного действия η.

Для обычного огнестрельного оружия значение η колеблется в пределах 0,25÷0,35, что соответствует КПД двигателя внутреннего сгорания.

Большая часть энергии порохового заряда не используется, и к моменту вылета снаряда газы имеют высокое давление и способны выполнить значительную работу. Использование этой энергии требует значительного удлинения ствола, что приводит к утяжелению оружия.

Увеличение начальной скорости снаряда в процессе развития огнестрельного оружия достигалось, преимущественно, за счет повышения энергетических свойств пороха (RT0), давления в стволе (Pm), снижения коэффициента , и увеличения длины ствола lcm .