Внешняя баллистика. Траектория и ее элементы. Превышение траектории полета пули над точкой прицеливания. Форма траектории. Внутренняя баллистика. Выстрел и его периоды Отдел баллистики
Введение 2.
Объекты, задачи и предмет судебно-
баллистической экспертизы 3.
Понятие огнестрельного оружия 5.
Устройство и назначение основных
частей и механизмов огнестрельного
оружия 7.
Классификация патронов к
ручному огнестрельному оржию 12.
Устройство унитарных патронов
и их основных частей 14.
Оформление заключения эксперта и
Фототаблицы 21.
Список использованной литературы 23.
Введение.
Термин "баллистика " происходит от греческого слова "ballo" – бросаю, мечу. Исторически так сложилось, что баллистика возникла как воинская наука, определяющая теоретические основы и практическое применение закономерностей полета снаряда в воздухе и процессов, сообщающих снаряду необходимую кинетическую энергию. Ее возникновение связывают с великим ученым древности - Архимедом сконструировавшим метательные машины (баллисты) и рассчитавшим траекторию полета метаемых снарядов.
На конкретном историческом этапе развития человечества было создано такое техническое средство, как огнестрельное оружие. Оно стало со временем использоваться не только в военных целях или на охоте, но и в противозаконных целях - как орудие преступления. В результате его использования потребовалось вести борьбу с преступлениями, сопряженными с использованием огнестрельного оружия. Исторические периоды предусматривают правовые, технические меры, направленные на их предотвращение и раскрытие.
Судебная баллистика своим возникновением в качестве отрасли криминалистической техники обязана необходимостью исследовать прежде всего, огнестрельные повреждения, пули, дробь, картечь и оружие.
- это один из видов традиционных криминалистических экспертиз. Научно-теоретической основой судебно-баллистической экспертизы служит наука, получившая название "Судебная баллистика", которая входит в систему криминалистики как элемент ее раздела - криминалистическая техника.
Первыми специалистами, привлекаемыми судами в качестве "экспертов по стрельбе", были оружейники, которые вследствие своей работы знали и могли собрать, разобрать оружие, обладали более или менее точными знаниями о стрельбе, а заключения, которые от них требовались, касались по большей части вопросов о том, был ли произведен выстрел из оружия, с какого расстояния то или иное оружие поражает цель.
Судебная баллистика - отрасль кримтехники, изучающая методами естественно- технических наук с помощью специально разработанных методик и приемов огнестрельное оружие, явления и следы, сопутствующие его действию, боеприпасы и их компоненты в целях расследования преступлений, совершенных с применением огнестрельного оружия.
Современная судебная баллистика сформировалась в результате анализа накопленного эмпирического материала, активных теоретических исследований, обобщения фактов, связанных с огнестрельным оружием, боеприпасами к нему, закономерностями образования следов их действия. Некоторые положения собственно баллистики, то есть науки о движении снаряда, пули, также входят в судебную баллистику и используются при решении задач, связанных с установлением обстоятельств применения огнестрельного оружия.
Одной из форм практического применения судебной баллистики является производство судебно-баллистических экспертиз.
ОБЪЕКТЫ, ЗАДАЧИ И ПРЕДМЕТ СУДЕБНО-БАЛЛИСТИЧЕСКОЙ ЭКСПЕРТИЗЫ
Судебно-баллистическая экспертиза - это специальное исследование, проводимое в установленной законом процессуальной форме с составлением соответствующего заключения в целях получения научно обоснованных фактических данных об огнестрельном оружии, боеприпасах к нему и обстоятельствах их применения, имеющих значение для расследования и судебного разбирательства.
Объектом любого экспертного исследования являются материальные носители информации, которые могут быть использованы для решения соответствующих экспертных задач.
Объекты судебно-баллистической экспертизы в большинстве случаев связаны с выстрелом или его возможностью. Круг этих объектов весьма многообразен. К нему относятся:
Огнестрельное оружие, его части, принадлежности и заготовки;
Стреляющие устройства (строительно-монтажные, стартовые пистолеты), а также пневматическое и газовое оружие;
Боеприпасы и патроны к огнестрельному оружию и иным стреляющим устройствам, отдельные элементы патронов;
Образцы для сравнительного исследования, полученные в результате экспертного эксперимента;
Материалы, инструменты и механизмы, используемые для изготовления оружия, боеприпасов и их компонентов, а также снаряжения боеприпасов;
Выстрелянные пули и стреляные гильзы, следы применения огнестрельного оружия на различных объектах;
Процессуальные документы, содержащиеся в материалах уголовного дела (протоколы осмотра места происшествия, фотоснимки, чертежи и схемы);
Материальная обстановка места происшествия.
Надо подчеркнуть, что из огнестрельного оружия объектами судебно-баллистической экспертизы является, как правило, только стрелковое огнестрельное оружие. Хотя известны примеры проведения экспертиз и по гильзам от артиллерийского выстрела.
Несмотря на все разнообразие и разнохарактерность объектов судебно-баллистической экспертизы, задачи, стоящие перед ней, могут быть разделены на две большие группы: задачи идентификационного характера и задачи неидентификационного характера (рис. 1.1).
Рис. 1.1. Классификация задач судебно-баллистической экспертизы
К идентификационным задачам относятся: групповая идентификация (установление групповой принадлежности объекта) и индивидуальная идентификация (установление тождества объекта).
Групповая идентификация включает в себя установление:
Принадлежности объектов к категории огнестрельного оружия и боеприпасов;
Вида, модели и типа представленных огнестрельного оружия и патронов;
Вида, модели оружия по следам на стреляных гильзах, выстрелянных снарядах и следах на преграде (при отсутствии огнестрельного оружия);
Огнестрельного характера повреждения и типа (калибра) снаряда, нанесшего его.
К индивидуальной идентификации относятся:
Идентификация применявшегося оружия по следам канала ствола на снарядах;
Идентификация применявшегося оружия по следам его частей на стреляных гильзах;
Идентификация оборудования и приборов, применявшихся для снаряжения боеприпасов, изготовления их компонентов или оружия;
Установление принадлежности пули и гильзы одному патрону.
Задачи неидентификационного характера можно разделить на три вида:
Диагностические, связанные с распознаванием свойств исследуемых объектов;
Ситуационные, направленные на установление обстоятельств производства выстрелов;
Реконструкционные, связанные с воссозданием первоначального вида объектов.
Диагностические задачи:
Установление технического состояния и пригодности для производства выстрелов огнестрельного оружия и патронов к нему;
Установление возможности выстрела из оружия без нажатия на спусковой крючок при определенных условиях;
Установление возможности производства выстрела из данного оружия определенными патронами;
Установление факта производства выстрела из оружия после последней чистки его канала ствола.
Ситуационные задачи:
Установление дистанции, направления и места производства выстрела;
Определение взаиморасположения стрелявшего и потерпевшего в момент выстрела;
Определение последовательности и количества выстрелов.
Реконструкционные задачи - это главным образом выявление уничтоженных номеров на огнестрельном оружии.
Обсудим теперь вопрос о предмете судебно-баллистической экспертизы.
Слово "предмет" имеет два основных значения: предмет как вещь и предмет как содержание изучаемого явления. Говоря о предмете судебно-баллистической экспертизы, имеется в виду второе значение этого слова.
Под предметом судебной экспертизы понимают обстоятельства, факты, устанавливаемые посредством экспертного исследования, которые важны для, решения суда и производства следственных действий.
Так как судебно-баллистическая экспертиза есть один из видов судебной экспертизы, то данное определение относится и к ней, но ее предмет можно конкретизировать, исходя из содержания решаемых задач.
Предметом судебно-баллистической экспертизы как вида практической деятельности являются все факты, обстоятельства дела, которые могут быть установлены средствами этой экспертизы, на основе специальных познаний в области судебной баллистики, криминалистической и военной техники. А именно, данные:
О состоянии огнестрельного оружия;
О наличии или отсутствии тождества огнестрельного оружия;
Об обстоятельствах выстрела;
Об относимости предметов к категории огнестрельного оружия и боеприпасов. Предмет конкретной экспертизы определяется вопросами, которые поставлены перед экспертом.
ПОНЯТИЕ ОГНЕСТРЕЛЬНОГО ОРУЖИЯ
Уголовный кодекс, предусматривая ответственность за незаконное ношение, хранение, приобретение, изготовление и сбыт огнестрельного оружия, его хищение, небрежное хранение, не дает четкого определения, что же считать огнестрельным оружием. В то же время в разъяснениях Верховного Суда прямо указывается, что, когда для решения вопроса о том, является ли оружием предмет, который виновный похитил, незаконно носил, хранил, приобрел, изготовил или сбыл, требуются специальные познания, судам необходимо назначать экспертизу. Следовательно, эксперты должны оперировать четким и полным определением, в котором отражены основные признаки огнестрельного оружия.
От дула до цели: основные понятия, которые должен знать каждый стрелок.
Чтобы понять, как летит винтовочная пуля, университетский диплом по математике или физике не требуется. На этой утрированной иллюстрации видно, что пуля, всегда отклоняясь только вниз от направления выстрела, пересекает линию прицеливания в двух точках. Вторая из этих точек находится именно на том расстоянии, на которое пристреляна винтовка.
Один из самых успешных проектов последнего времени в книгоиздательстве – это серия книг с названиями « ... для чайников». Каким бы знанием или умением вы ни пожелали овладеть, для вас всегда найдётся соответствующая «чайниковая» книжка, включая такие предметы, как воспитание толковых детей для чайников (честное слово!) и ароматотерапия для них же. Интересно, однако, что эти книги написаны совсем не для дураков и рассматривают предмет не на упрощённом уровне. В самом деле, одна из лучших причитанных мной книг о вине называлась «Вино для чайников».
Так что наверно никто не удивится, если я заявлю, что должна быть и «Баллистика для чайников». Надеюсь, что вы согласитесь принять этот заголовок с тем же чувством юмора, с каким я вам его предлагаю.
Что нужно знать о баллистике, – если о ней вообще что-то нужно знать, – чтобы стать более метким стрелком и добычливым охотником? Баллистика делится на три раздела: внутреннюю, внешнюю и терминальную.
Внутрення баллистика рассматривает то, что происходит внутри винтовки от момента воспламенения до выхода пули через дульный срез. По правде говоря, внутренняя баллистика касается только релодырей, это они собирают патрон и тем самым определяют его внутреннюю баллистику. Надо быть настоящим чайником, чтобы начать собирать патроны, не получив заранее элементарных представлений о внутренней баллистике, хотя бы потому, что от этого зависит ваша безопасность. Если же и на стрельбище, и на охоте вы стреляете только заводскими патронами, то вам на самом деле не нужно ничего знать о том, что происходит в канале ствола: всё равно повлиять на эти процессы вы никак не можете. Не поймите меня неправильно, я никого не отговариваю от углублённого изучения внутренней баллистики. Просто в таком контексте она не имеет практического значения.
Что до терминальной баллистики, то да, здесь у нас имеется некоторая свобода, но не более, чем в выборе пули, снаряженной в самодельном или заводском патроне. Терминальная баллистика начинается в тот момент, когда пуля проникает в цель. Это наука настолько же качественная, насколько и количественная, потому что факторов, определяющих убойность, великое множество, и не все из них можно точно моделировать в лаборатории.
Остаётся внешняя баллистика. Это просто красивый термин, которым обозначают то, что происходит с пулей от дульного среза до цели. Мы будем рассматривать этот предмет на элементарном уровне, тонкостей я и сам не знаю. Я должен вам признаться, что математику в колледже сдал с третьего захода, а физику вообще завалил, так что поверьте, то, о чём я буду рассказывать, несложно.
У этих 154-грановых (10г) 7-миллиметровых пуль поперечная плотность одинаковая и равна 0,273, но у левой, с плоским торцом, БК равен 0,433, в то время как у SST справа он составляет 0,530.
Чтобы понять, что происходит с пулей от дула до цели, по крайней мере настолько, насколько это нужно нам, охотникам, надо усвоить некоторые определения и базовые понятия, просто чтобы расставить всё по местам.
Определения
Линия прицеливания (ЛП) – прямая от глаза стрелка через прицельную марку (или через целик и мушку) до бесконечности.
Линия бросания (ЛБ) – ещё одна прямая, направление оси канала ствола в момент выстрела.
Траектория – линия, по которой движется пуля.
Падение – снижение траектории пули относительно линии бросания.
Все мы слышали, как кто-нибудь рассказывал, что некая винтовка стреляет так настильно, что пуля просто не падает на первых ста ярдах (91,4м). Чушь. Даже у самых настильных супермагнумов с самого момента вылета пуля начинает падать и отклоняться от линии бросания. Обычно недопонимание происходит от употребления слова «подъём» в баллистических таблицах. Пуля всегда падает, но она и поднимается относительно линии прицеливания. Эта кажущаяся несуразность происходит оттого, что прицел располагается над стволом, и поэтому единственный способ пересечь линию прицеливания с траекторией пули – это наклонить прицел вниз. Другими словами, если бы линия бросания и линия прицеливания были бы параллельны, пуля вылетала бы из дула на полтора дюйма (38мм) ниже линии прицеливания и начинала бы падать всё ниже и ниже.
Путаницы добавляет и тот факт, что когда прицел установлен так, чтобы линия прицеливания пересекалась с траекторией на какой-нибудь разумной дистанции – на 100, 200 или 300 ярдов (91,5, 183, 274м), пуля пересечёт линию прицеливания ещё до этого. Стреляем ли мы из 45-70, пристрелянного в ноль на 100 ярдов, или из 7mm Ultra Mag, пристрелянного на 300, первое пересечение траектории и линии прицеливания произойдёт между 20 и 40 ярдами от дульного среза.
Обе эти 300-грановые пули калибра 375 имеют одинаковую поперечную плотность 0,305, но левая, с острым носом и «лодочной кормой», имеет БК 0,493, в то время как круглоносая только 0,250.
В случае 45-70 мы увидим, что, чтобы попасть в цель на 100 (91,4м) ярдах, наша пуля пересечёт линию прицеливания примерно в 20 ярдах (18,3м) от дульного среза. Далее пуля будет подниматься над линией прицеливания до наивысшей точки в районе 55 ярдов (50,3м) – примерно на два с половиной дюйма (64мм). В этой точке пуля начинает снижаться относительно линии прицеливания, так что эти две линии опять пересекутся на желаемой дистанции в 100 ярдов.
Для 7mm Ultra Mag, пристрелянного на 300 ярдов (274м), первое пересечение произойдёт около 40 ярдов (37м). Между этой точкой и отметкой в 300 ярдов наша траектория достигнет максимальной высоты в три с половиной дюйма (89мм) над линией прицеливания. Таким образом, траектория пересекает линию прицеливания в двух точках, вторая из которых и есть дистанция пристрелки.
Траектория на половине пути
А сейчас я коснусь одного малоупотребительного в наши дни понятия, хотя в те годы, когда молодым шалопаем я начинал осваивать стрельбу из винтовки, траектория на половине пути была критерием, по которому баллистические таблицы сравнивали эффективность патронов. Траектория на половине пути (ТПП) – это максимальная высота подъёма пули над линией прицеливания при условии, что оружие пристреляно в ноль на заданное расстояние. Обычно баллистические таблицы приводили это значение для 100-, 200- и 300-ярдовой дистанции. Например, ТПП для 150-грановой (9,7г) пули в патроне 7mm Remington Mag по ремингтоновскому каталогу 1964 года составляла полдюйма (13мм) на 100 ярдах (91,5м), 1,8 дюйма (46мм) на 200 ярдах (183м) и 4,7 дюйма (120мм) на 300 ярдах (274м). Это означало, что если мы пристреляем наш 7 Mag в ноль на 100 ярдов, то траектория на 50 ярдах поднимется над линией прицеливания на полдюйма. При пристрелке на 200 ярдов на отметке 100 ярдов она поднимется на 1,8 дюйма, а при пристрелке на 300 ярдов мы получим подъём в 4,7 дюйма на дистанции 150 ярдов. На самом деле максимальная ордината достигается несколько дальше середины дистанции пристрелки – около 55, 110 и 165 ярдов соответственно, - но на практике разница несущественная.
Хотя ТПП была полезной информацией и хорошим способом сравнить разные патроны и заряды, современная система приведения для одной и той же дистанции пристрелки высоты или снижения пули в разных точках траектории более содержательна.
Поперечная плотность, баллистический коэффициент
После вылета из ствола траектория полёта пули определяется её скоростью, формой и весом. Это приводит нас к двум звучным терминам: к поперечной плотности и баллистическому коэффициенту. Поперечная плотность – это вес пули в фунтах, делённый на квадрат её диаметра в дюймах. Но забудьте об этом, это просто способ связать вес пули с её калибром. Возьмите, например, 100-грановую (6,5г) пулю: в семимиллиметровом калибре (.284) это довольно лёгкая пуля, но в шестимиллиметровом (.243) – довольно тяжёлая. А в значениях поперечной плотности это выглядит так: 100-грановая пуля семимиллиметрового калибра имеет поперечную плотность 0,177, а шестимиллиметровая пуля того же веса будет иметь поперечную плотность 0,242.
Эта четвёрка семимиллиметровых пуль демонстрирует последовательные степени обтекаемости. Круглоносая пуля слева имеет баллистический коэффициент 0,273, пуля справа, Hornady A-Max, - 0,623, т.е. в два с лишним раза больше.
Пожалуй, лучшее понимание того, что считать лёгким, а что тяжёлым, может быть получено из сравнения пуль одного и того же калибра. В то время как самая лёгкая семимиллиметровая пуля имеет поперечную плотность в 0,177, самая тяжёлая – 175-грановая(11,3г) – 0,310. А самая лёгкая, 55-грановая (3,6г), шестимиллиметровая пуля имеет поперечную плотность 0,133.
Поскольку поперечная плотность связана только с весом, а не с формой пули, получается, что самые тупоносые пули имеют ту же поперечную плотность, что и самые обтекаемые того же веса и калибра. Баллистический коэффициент – совсем другое дело, это мера того, насколько пуля обтекаема, то есть насколько эффективно она преодолевает сопротивление в полёте. Вычисление баллистического коэффициента не вполне определено, существует несколько методик, часто дающих несовпадающие результаты. Добавляет неопределённости и то, что БК зависит от скорости и высоты над уровнем моря.
Если вы не математический маньяк, одержимый вычислениями ради вычислений, то я предлагаю просто делать, как все: использовать значение, предоставляемое производителем пули. Все производители пуль для самостоятельного снаряжения патронов публикуют значения поперечной плотности и баллистического коэффициента для каждой пули. А вот для пуль, используемых в заводских патронах, это делают только Remington и Hornady. Между тем, это полезная информация, и я думаю, что всем производителям патронов следовало бы сообщать её как в баллистических таблицах, так и прямо на коробках. Почему? Потому что если у вас на компьютере стоят баллистические программы, то всё, что вам нужно, это ввести дульную скорость, вес пули и её баллистический коэффициент, и вы сможете нарисовать траекторию для любой дистанции пристрелки.
Опытный релодырь может с приличной точностью на глаз оценить баллистический коэффициент любой винтовочной пули. Например, ни одна круглоносая пуля, от 6мм до.458 (11,6мм), не имеет баллистического коэффициента больше 0,300. От 0,300 до 0,400 – это лёгкие (с малой поперечной плотностью) охотничьи пули, остроносые или с углублением в носовой части. Более 0,400 – умеренно тяжёлые для данного калибра пули с чрезвычайно обтекаемой формой носа.
Если БК охотничьей пули близок к 0,500, это означает, что в этой пуле соединились близкая к оптимальной поперечная плотность и обтекаемая форма, как, например, в 7мм 162-грановой (10,5г) SST от Hornady с БК 0,550 или 180-грановой (11,7г) XBT от Barnes в тридцатом калибре с БК 0,552. Такой чрезвычайно высокий БК типичен для пуль с округлой хвостовой частью («лодочной кормой») и поликарбонатным носиком, как у SST. Barnes, однако, достигает такого же результата за счёт очень обтекаемой оживальной части и чрезвычайно малой фронтальной поверхности носика.
Кстати, оживальная часть – это часть пули спереди от ведущей цилиндрической поверхности, попросту то, что образует нос нули. Если посмотреть на пулю сбоку, то оживальная часть образована дугами или кривыми линиями, но Hornady применяет оживальную часть из сходящихся прямых, то есть коническую.
Если положить рядом плосконосую, круглоносую и остроносую пули, то здравый смысл подскажет, что остроносая более обтекаема, чем круглоносая, а круглоносая в свою очередь более обтекаема, чем плосконосая. Отсюда следует, что при прочих равных условиях на заданной дистанции остроносая снизится меньше, чем круглоносая, а круглоносая – меньше, чем плосконосая. Добавьте «лодочную корму», и пуля станет ещё более аэродинамичной.
С точки зрения аэродинамики форма может быть хорошей, как у 120-грановой (7,8г) семимиллиметровой пули слева, но из-за низкой поперечной плотности (то есть веса для этого калибра) она будет терять скорость гораздо быстрее. Если 175-грановую (11,3г) пулю (справа) выпустить со скоростью на 500 футов в секунду (152м/с) меньше, то она догонит 120-грановую на отметке 500 ярдов (457м).
Возьмём в качестве примера 180-грановую (11,7г) X-Bullet компании Barnes тридцатого калибра, выпускаемую как с плоским торцом, так и с «лодочной кормой». Профиль носовой части у этих пуль одинаков, так что разница в баллистических коэффициентах обусловлена исключительно формой торца. У пули с плоским торцом БК составит 0,511, в то время как лодочная корма даст БК 0,552. В процентном отношении, можно подумать, что такая разница существенна, но на самом деле на пятистах ярдах (457м) пуля с «лодочной кормой» снизится всего на 0,9 дюйма (23мм) меньше, чем пуля с плоским торцом, при прочих равных условиях.
Дистанция прямого выстрела
Другой способ оценки траекторий – это определение дистанции прямого выстрела (ДПВ). Так же, как и траектория на половине пути, дистанция прямого выстрела никак не влияет на действительную траекторию пули, это просто ещё один критерий для пристрелки винтовки, исходя из её траектории. Для дичи размером с оленя дистанция прямого выстрела основывается на требовании, чтобы пуля попала в убойную зону диаметром 10 дюймов (25,4см) при прицеливании в её центр без компенсации падения.
По сути дела, это как если бы мы взяли совершенно прямую воображаемую трубу диаметром 10 дюймов и наложили бы её на заданную траекторию. При дульном срезе в центре трубы на одном её конце дистанция прямого выстрела – это тот максимальный отрезок, на котором пуля будет лететь внутри этой воображаемой трубы. Естественно, на начальном участке траектория должна быть направлена несколько вверх, так чтобы в точке наивысшего подъёма пуля лишь коснулась верхней части трубы. При таком прицеливании ДПВ – это то расстояние, на котором пуля пройдёт через дно трубы.
Рассмотрим пулю 30 калибра, вылетающую из 300го магнума на скорости 3100 футов в секунду (945м/с). По сьерровскому мануалу, пристреляв винтовку в ноль на 315 ярдов (288м), мы получим дистанцию прямого выстрела в 375 ярдов (343м). Той же самой пулей, выпущенной из винтовки калибра 30-06 на скорости 2800 футов в секунду, при пристрелке на 285 ярдов (261м) мы получим ДПВ в 340 ярдов (311м) – не такая уж большая разница, как могло бы показаться, правда?
Большинство баллистических программ рассчитывают дистанцию прямого выстрела, вам следует только ввести вес пули, БК, скорость и размер убойной зоны. Естественно, вы можете ввести четырёхдюймовую (10см) убойную зону, если охотитесь на сурков, и восемнадцатидюймовую (46см), если охотитесь на лося. Но лично я никогда не использовал ДПВ, я считаю это стрельбой спустя рукава. Тем более теперь, когда у нас есть лазерные дальномеры, рекомендовать такой подход не имеет никакого смысла.
Содержание статьи
БАЛЛИСТИКА, комплекс физико-технических дисциплин, охватывающих теоретическое и экспериментальное исследование движения и конечного воздействия метаемых твердых тел – пуль, артиллерийских снарядов, ракет, авиационных бомб и космических летательных аппаратов. Баллистика разделяется на: 1) внутреннюю баллистику, изучающую методы приведения снаряда в движение; 2) внешнюю баллистику, изучающую движение снаряда по траектории; 3) баллистику в конечной точке, предметом изучения которой являются закономерности воздействия снарядов на поражаемые цели. Разработка и проектирование видов и систем баллистического оружия основываются на применении математики, физики, химии и конструкторских достижений для решения многочисленных и сложных задач баллистики. Основателем современной баллистики принято считать И.Ньютона (1643–1727). Формулируя законы движения и рассчитывая траекторию материальной точки в пространстве, он опирался на математическую теорию динамики твердого тела, которую разработали И.Мюллер (Германия) и итальянцы Н.Фонтана и Г.Галилей в 15 и 16 вв.
Классическая задача внутренней баллистики, которая состоит в расчете начальной скорости снаряда, максимального давления в стволе и зависимости давления от времени, для стрелкового оружия и пушек решена теоретически довольно полно. Что касается современных артиллерийских и ракетных систем – безоткатных орудий, газовых пушек, артиллерийских ракет и систем с реактивной тягой, – то здесь ощущается потребность в дополнительном уточнении баллистической теории. Типичные задачи баллистики с наличием аэродинамических, инерционных и гравитационных сил, действующих на снаряд или ракету в полете, за последние годы стали более сложными. Гиперзвуковые и космические скорости, вхождение носового конуса в плотные слои атмосферы, огромная длина траектории, полет за пределами атмосферы и межпланетные космические полеты – все это требует обновления законов и теорий баллистики.
Истоки баллистики теряются в древности. Самым первым ее проявлением было, несомненно, метание камней доисторическим человеком. Такие предшественники современного оружия, как лук, катапульта и баллиста, могут служить типичным примером самых ранних видов применения баллистики. Прогресс в конструировании оружия привел к тому, что в наши дни артиллерийские орудия стреляют 90-килограммовыми снарядами на расстояния более 40 км, противотанковые снаряды способны пробивать стальную броню толщиной 50 см, а управляемые ракеты могут доставить исчисляемую в тоннах боевую нагрузку в любую точку земного шара.
На протяжении многих лет использовались разные способы ускорения метательных снарядов. Лук ускорял стрелу за счет энергии, запасенной в согнутом куске дерева; пружинами баллисты служили скручиваемые сухожилия животных. Были опробованы электромагнитная сила, сила пара, сжатого воздуха. Однако ни один из способов не был столь успешен, как сжигание горючих веществ.
ВНУТРЕННЯЯ БАЛЛИСТИКА
Внутренняя баллистика – это раздел баллистики, изучающий процессы приведения снаряда в поступательное движение. Такие процессы требуют: 1) энергии; 2) наличия рабочего вещества; 3) наличия устройства, управляющего подводом энергии и разгоняющего снаряд.Устройством для разгона снаряда может служить орудийная система или реактивный двигатель.
Ствольные системы ускорения.
Общая классическая задача внутренней баллистики в применении к ствольным системам начального ускорения снаряда состоит в отыскании предельных соотношений между характеристиками заряжания и баллистическими элементами выстрела, которыми в совокупности полностью определяется процесс выстрела. Характеристики заряжания – это размеры пороховой каморы и канала ствола, конструкция и форма нарезов, а также массы порохового заряда, снаряда и орудия. Баллистические элементы – это давление газа, температура пороха и пороховых газов, скорость газов и снаряда, расстояние, преодолеваемое снарядом, и количество действующих в данный момент газов. Орудие, в сущности, представляет собой однотактный двигатель внутреннего сгорания, в котором снаряд движется как свободный поршень под давлением быстро расширяющегося газа.
Давление, возникающее вследствие превращения твердого горючего вещества (пороха) в газ, очень быстро повышается до максимального значения, составляющего от 70 до 500 МПа. При продвижении снаряда по каналу ствола давление довольно быстро падает. Длительность действия высокого давления – порядка нескольких миллисекунд для винтовки и нескольких десятых долей секунды для оружия большого калибра (рис. 1).
Характеристики внутренней баллистики ствольной системы ускорения зависят от химического состава метательного взрывчатого вещества, скорости его горения, формы и размера порохового заряда и от плотности заряжания (массы порохового заряда на единицу объема каморы орудия). Кроме того, на характеристиках системы могут сказываться длина ствола орудия, объем пороховой каморы, масса и «поперечная плотность» снаряда (масса снаряда, деленная на квадрат его диаметра). С точки зрения внутренней баллистики, желательна малая плотность, так как при этом снаряд достигает большей скорости.
Для удержания орудия с откатом в равновесии во время выстрела требуется прилагать значительную внешнюю силу (рис. 2). Внешняя сила, как правило, обеспечивается противооткатным механизмом, состоящим из механических пружин, гидравлических устройств и газовых амортизаторов, рассчитанных так, чтобы гасился направленный назад импульс ствола и казенной части с затвором орудия. (Импульс, или количество движения, определяется как произведение массы на скорость; по третьему закону Ньютона импульс, сообщаемый орудию, равен импульсу, передаваемому снаряду.)
В безоткатном орудии не требуется внешней силы для поддержания равновесия системы, так как здесь полное изменение импульса, сообщаемого всем элементам системы (газам, снаряду, стволу и казенной части) за заданное время, равно нулю. Чтобы оружие не давало отдачи, импульс движущихся вперед газов и снаряда должен быть равен и противоположно направлен импульсу газов, движущихся назад и выходящих наружу через казенную часть.
Газовая пушка.
Газовая пушка состоит из трех основных частей, показанных на рис. 3: секции сжатия, ограничительной секции и пускового ствола. Обычный пороховой заряд поджигается в каморе, что заставляет поршень двигаться по стволу секции сжатия и сжимать газообразный гелий, заполняющий канал ствола. Когда давление гелия нарастает до определенного уровня, разрывается диафрагма. Резкий прорыв газа под высоким давлением выталкивает снаряд из пускового ствола, а ограничительная секция останавливает поршень. Скорости снаряда, выпущенного газовой пушкой, могут достигать 5 км/с, тогда как для обычного орудия это максимум 2000 м/с. Более высокая эффективность газовой пушки объясняется малой молекулярной массой рабочего вещества (гелия) и соответственно высокой скоростью звука в гелии, воздействующем на донную часть снаряда.
Реактивные системы.
Реактивные пусковые установки выполняют в основном те же функции, что и артиллерийские орудия. Такая установка играет роль неподвижной опоры и обычно задает начальное направление полета реактивного снаряда. При пуске управляемой ракеты, имеющей, как правило, бортовую систему наведения, точная наводка, необходимая при стрельбе из орудия, не требуется. В случае же неуправляемых ракет направляющие пусковой установки должны вывести ракету на траекторию, ведущую к цели.
ВНЕШНЯЯ БАЛЛИСТИКА
Внешняя баллистика занимается движением снарядов в пространстве между пусковой установкой и целью. Когда снаряд приведен в движение, его центр масс прочерчивает в пространстве кривую, называемую траекторией. Основная задача внешней баллистики состоит в том, чтобы описать эту траекторию, определив положение центра масс и пространственное положение снаряда в функции времени полета (времени после запуска). Для этого нужно решить систему уравнений, в которых учитывались бы силы и моменты сил, действующие на снаряд.
Вакуумные траектории.
Самый простой из частных случаев движения снаряда – движение снаряда в вакууме над плоской неподвижной земной поверхностью. В этом случае предполагается, что на снаряд не действуют никакие другие силы, кроме земного тяготения. Уравнения движения, соответствующие такому предположению, легко решаются и дают траекторию параболической формы.
Траектории материальной точки.
Другой частный случай – движение материальной точки; здесь снаряд рассматривается как материальная точка, и учитываются его лобовое сопротивление (сила сопротивления воздуха, действующая в обратном направлении по касательной к траектории и замедляющая движение снаряда), сила тяжести, скорость вращения Земли и кривизна земной поверхности. (Вращение Земли и кривизну земной поверхности можно не учитывать, если время полета по траектории не очень велико.) Следует сказать несколько слов о лобовом сопротивлении. Сила лобового сопротивления D , оказываемого движению снаряда, дается выражением
D = rSv 2 C D (M ),
где r – плотность воздуха, S – площадь поперечного сечения снаряда, v – скорость движения, а C D (M ) – безразмерная функция числа Маха (равного отношению скорости снаряда к скорости звука в среде, в которой движется снаряд), называемая коэффициентом лобового сопротивления. Вообще говоря, коэффициент лобового сопротивления снаряда можно определить экспериментально в аэродинамической трубе или на испытательном полигоне, оснащенном точным измерительным оборудованием. Задача облегчается тем, что для снарядов разного диаметра коэффициент лобового сопротивления одинаков, если они имеют одинаковую форму.
Теория движения материальной точки (хотя в ней не учитываются многие силы, действующие на реальный снаряд) с очень хорошим приближением описывает траекторию ракет после прекращения работы двигателя (на пассивном участке траектории), как и траекторию обычных артиллерийских снарядов. Поэтому она широко применяется для вычисления данных, используемых в системах прицеливания оружия такого рода.
Траектории твердого тела.
Во многих случаях теория движения материальной точки неадекватно описывает траекторию снаряда, и тогда приходится рассматривать его как твердое тело, т.е. учитывать, что он будет не только двигаться поступательно, но и вращаться, и принимать во внимание все аэродинамические силы, а не только лобовое сопротивление. Такого подхода требует, например, расчет движения ракеты с работающим двигателем (на активном участке траектории) и снарядов любого типа, выпущенных перпендикулярно траектории полета высокоскоростного самолета. В некоторых случаях вообще невозможно обойтись без представления о твердом теле. Так, например, для попадания в цель необходимо, чтобы снаряд был устойчив (двигался головной частью вперед) на траектории. И в случае ракет, и в случае обычных артиллерийских снарядов этого достигают двумя путями – при помощи хвостовых стабилизаторов или за счет быстрого вращения снаряда вокруг продольной оси. Далее, говоря о стабилизации полета, отметим некоторые соображения, не учитываемые теорией материальной точки.
Стабилизация посредством хвостового оперения – это очень простая и очевидная идея; недаром один из самых древних снарядов – стрела – стабилизировался в полете именно таким способом. Когда оперенный снаряд движется с углом атаки или рыскания (углом между касательной к траектории и продольной осью снаряда), отличным от нуля, площадь позади центра масс, на которую действует сопротивление воздуха, больше площади впереди центра масс. Разность неуравновешенных сил заставляет снаряд повернуться вокруг центра масс так, чтобы этот угол стал равен нулю. Здесь можно отметить одно важное обстоятельство, не учитываемое теорией материальной точки. Если снаряд движется с отличным от нуля углом атаки, то на него действуют подъемные силы, обусловленные возникновением разности давлений по обе стороны снаряда. (На этом основана способность самолета летать.)
Идея стабилизации вращением не столь очевидна, но ее можно пояснить сравнением. Хорошо известно, что если колесо быстро вращается, то оно оказывает сопротивление попыткам повернуть ось его вращения. (Примером может служить обычный волчок, и это явление используется в приборах систем управления, навигации и наведения – гироскопах.) Самый обычный способ привести снаряд во вращение – нарезать в канале ствола спиральные канавки, в которые врезался бы металлический поясок снаряда при разгоне снаряда по стволу, что и заставляло бы его вращаться. В ракетах, стабилизируемых вращением, это достигается при помощи нескольких наклонных сопел. Здесь тоже можно отметить некоторые особенности, не учитываемые теорией материальной точки. Если выстрелить вертикально вверх, то стабилизирующее действие вращения заставит снаряд и после достижения верхней точки полета опускаться донной частью вниз. Это, конечно, нежелательно, а потому из орудий не стреляют под углом более 65–70° к горизонту. Второе интересное явление связано с тем, что, как можно показать на основании уравнений движения, стабилизируемый вращением снаряд должен лететь с отличным от нуля углом нутации, называемым «естественным». Поэтому на такой снаряд действуют силы, вызывающие деривацию – боковое отклонение траектории от плоскости стрельбы. Одна из этих сил – сила Магнуса; именно она вызывает искривление траектории «крученого» мяча в теннисе.
Все сказанное об устойчивости полета, не охватывая полностью явлений, определяющих полет снаряда, тем не менее иллюстрирует сложность задачи. Отметим лишь, что в уравнениях движения необходимо учитывать много разных явлений; в эти уравнения входит ряд переменных аэродинамических коэффициентов (типа коэффициента лобового сопротивления), которые должны быть известны. Решение этих уравнений – очень трудоемкая задача.
Применение.
Применение баллистики в боевых действиях предусматривает расположение системы оружия в таком месте, которое позволяло бы быстро и эффективно поразить намеченную цель с минимальным риском для обслуживающего персонала. Доставка ракеты или снаряда к цели обычно разделяется на два этапа. На первом, тактическом, этапе выбирается боевая позиция ствольного оружия и ракет наземного базирования либо положение носителя ракет воздушного базирования. Цель должна находиться в пределах радиуса доставки боезаряда. На этапе стрельбы производится прицеливание и осуществляется стрельба. Для этого необходимо определить точные координаты цели относительно оружия – азимут, возвышение и дальность, а в случае движущейся цели – и ее будущие координаты с учетом времени полета снаряда.
Перед стрельбой должны вноситься поправки на изменения начальной скорости, связанные с износом канала ствола, температурой пороха, отклонениями массы снаряда и баллистических коэффициентов, а также поправки на постоянно меняющиеся погодные условия и связанные с ними изменения плотности атмосферы, скорости и направления ветра. Кроме того, должны быть внесены поправки на деривацию снаряда и (при большой дальности) на вращение Земли.
С увеличением сложности и расширением круга задач современной баллистики появились новые технические средства, без которых возможности решения нынешних и будущих баллистических задач были бы сильно ограничены.
Расчеты околоземных и межпланетных орбит и траекторий, учитывающие одновременное движение Земли, планеты-цели и космического аппарата, как и влияние различных небесных тел, были бы крайне трудны без компьютеров. Скорости сближения гиперскоростных целей и снарядов столь велики, что совершенно исключается решение задач стрельбы на основе обычных таблиц и ручное задание параметров стрельбы. В настоящее время данные для стрельбы из большинства систем оружия хранятся в электронных банках данных и оперативно обрабатываются компьютерами. Выходные команды компьютера автоматически приводят оружие в положение с азимутом и возвышением, необходимыми для доставки боезаряда к цели.
Траектории управляемых снарядов.
В случае управляемых снарядов и без того сложная задача описания траектории усложняется тем, что к уравнениям движения твердого тела добавляется система уравнений, называемых уравнениями наведения, связывающая отклонения снаряда от заданной траектории с корректирующими воздействиями. Суть управления полетом снаряда такова. Если тем или иным путем с использованием уравнений движения определяется отклонение от заданной траектории, то на основе уравнений наведения для этого отклонения рассчитывается корректирующее действие, например, поворот воздушного или газового руля, изменение тяги. Это корректирующее действие, изменяющее те или иные члены уравнений движения, приводит к изменению траектории и уменьшению ее отклонения от заданной. Такой процесс повторяется, пока отклонение не уменьшится до приемлемого уровня.
БАЛЛИСТИКА В КОНЕЧНОЙ ТОЧКЕ
Баллистика в конечной точке рассматривает физику разрушающего действия оружия на поражаемые цели. Ее данные используются для усовершенствования большинства систем оружия – от винтовок и ручных гранат до ядерных боеголовок, доставляемых к цели межконтинентальными баллистическими ракетами, а также средств защиты – солдатских бронежилетов, танковой брони, подземных укрытий и т.д. Ведутся как экспериментальные, так и теоретические исследования явлений взрыва (химических взрывчатых веществ либо ядерных зарядов), детонации, проникновения пуль и осколков в различные среды, ударных волн в воде и грунте, горения и ядерных излучений.
Взрыв.
Эксперименты в области взрыва проводятся как с химическими взрывчатыми веществами в количествах, измеряемых граммами, так и с ядерными зарядами мощностью до нескольких мегатонн. Взрывы могут производиться в разных средах, таких, как земля и скальные породы, под водой, у поверхности земли в нормальных атмосферных условиях или в разреженном воздухе на больших высотах. Главный результат взрыва – образование ударной волны в окружающей среде. Ударная волна распространяется от места взрыва сначала со скоростью, превышающей скорость звука в среде; затем с уменьшением интенсивности ударной волны ее скорость приближается к скорости звука. Ударные волны (в воздухе, воде, грунте) могут поражать живую силу противника, разрушать подземные укрепления, морские суда, здания, наземные транспортные средства, самолеты, ракеты и спутники.
Для моделирования интенсивных ударных волн, возникающих в атмосфере и у поверхности земли при ядерных взрывах, применяются особые устройства, называемые ударными трубами. Ударная труба, как правило, представляет собой длинную трубу, состоящую из двух секций. На одном ее конце расположена камера сжатия, которая заполняется воздухом или другим газом, сжатым до сравнительно высокого давления. Другой ее конец представляет собой камеру расширения, открытую на атмосферу. При мгновенном разрыве тонкой диафрагмы, разделяющей две секции трубы, в камере расширения возникает ударная волна, бегущая вдоль ее оси. На рис. 4 показаны кривые давления ударной волны в трех поперечных сечениях трубы. В сечении 3 она принимает классическую форму ударной волны, возникающей при детонации. Внутри ударных труб можно размещать миниатюрные модели, которые будут претерпевать ударные нагрузки, аналогичные действию ядерного взрыва. Нередко проводятся испытания, в которых действию взрыва подвергаются более крупные модели, а иногда и полномасштабные объекты.
Экспериментальные исследования дополняются теоретическими, и вырабатываются полуэмпирические правила, позволяющие предсказывать разрушающее действие взрыва. Результаты таких исследований используются при проектировании боезарядов межконтинентальных баллистических ракет и противоракетных систем. Данные такого рода необходимы также при проектировании ракетных шахт и подземных убежищ для защиты населения от взрывного действия ядерного оружия.
Для решения специфических задач, характерных для верхних слоев атмосферы, имеются специальные камеры, в которых имитируются высотные условия. Одна из таких задач – оценка уменьшения силы взрыва на больших высотах.
Проводятся также исследования, в которых измеряются интенсивность и длительность прохождения ударной волны в грунте, возникающей при подземных взрывах. На распространение таких ударных волн влияют тип грунта и степень его слоистости. Лабораторные опыты проводятся с химическими ВВ в количествах менее 0,5 кг, тогда как в полномасштабных экспериментах заряды могут измеряться сотнями тонн. Такие эксперименты дополняются теоретическими исследованиями. Результаты исследований используются не только для усовершенствования конструкции оружия и убежищ, но и для обнаружения несанкционированных подземных ядерных взрывов. Исследования детонации требуют проведения фундаментальных исследований в области физики твердого тела, химической физики, газодинамики и физики металлов.
Осколки и пробивная способность.
Осколочные боевые части и снаряды имеют металлическую наружную оболочку, которая при детонации заключенного в нее заряда химического бризантного ВВ разрывается на многочисленные кусочки (осколки), разлетающиеся с большой скоростью. Во время Второй мировой войны были разработаны снаряды и боеголовки с зарядами кумулятивного действия. Такой заряд обычно представляет собой цилиндр из взрывчатого вещества, на переднем конце которого имеется коническая выемка с размещенным в ней коническим металлическим вкладышем, как правило медным. Когда с другого конца заряда ВВ начинается взрыв и вкладыш сжимается под действием очень высоких давлений детонации, образуется тонкая кумулятивная струя материала вкладыша, вылетающая в направлении цели со скоростью более 7 км/с. Такая струя способна пробивать стальную броню толщиной в десятки сантиметров. Процесс формирования струи в боеприпасе с зарядом кумулятивного действия показан на рис. 5.
Если металл находится в прямом контакте с взрывчатым веществом, ему могут передаваться давления ударной волны, измеряемые десятками тысяч МПа. При обычных размерах заряда ВВ порядка 10 см длительность импульса давления составляет доли миллисекунды. Столь огромные давления, действующие кратковременно, вызывают необычные процессы разрушения. Примером таких явлений может служить «скалывание». Детонация тонкого слоя ВВ, помещенного на броневую плиту, создает очень сильный импульс давления малой длительности (удар), пробегающий по толщине плиты. Дойдя до противоположной стороны плиты, ударная волна отражается как волна растягивающих напряжений. Если интенсивность волны напряжений превысит предел прочности на растяжение материала брони, происходит разрывное разрушение вблизи поверхности на глубине, зависящей от первоначальной толщины заряда ВВ и скорости распространения ударной волны в плите. В результате внутреннего разрыва броневой плиты образуется металлический «осколок», с большой скоростью отлетающий от поверхности. Такой летящий осколок может вызвать большие разрушения.
Чтобы выяснить механизм явлений разрушения, проводят дополнительные эксперименты в области металлофизики высокоскоростной деформации. Такие эксперименты проводятся как с поликристаллическими металлическими материалами, так и с монокристаллами различных металлов. Они позволили сделать интересный вывод относительно зарождения трещин и начала разрушения: в тех случаях, когда в металле имеются включения (примеси), трещины всегда начинаются на включениях. Проводятся экспериментальные исследования пробивной способности снарядов, осколков и пуль в разных средах. Ударные скорости лежат в пределах от нескольких сотен метров в секунду для низкоскоростных пуль до космических скоростей порядка 3–30 км/с, что соответствует осколкам и микрометеорам, встречающимся с межпланетными летательными аппаратами.
На основе таких исследований выводятся эмпирические формулы относительно пробивной способности. Так, установлено, что глубина проникновения в плотную среду прямо пропорциональна количеству движения снаряда и обратно пропорциональна площади его поперечного сечения. Явления, наблюдающиеся при ударе с гиперзвуковой скоростью, показаны на рис. 6. Здесь стальная дробинка со скоростью 3000 м/с ударяется о свинцовую пластину. В разное время, измеряемое микросекундами от начала соударения, сделана последовательность снимков в рентгеновских лучах. На поверхности пластины образуется кратер, и, как показывают снимки, из него выбрасывается материал пластины. Результаты исследования соударения при гиперзвуковой скорости делают более понятным образование кратеров на небесных телах, например на Луне, в местах падения метеоритов.
Раневая баллистика.
Для имитации действия осколков и пуль, поражающих человека, производят выстрелы в массивные мишени из желатина. Подобные эксперименты относятся к т.н. раневой баллистике. Их результаты позволяют судить о характере ран, которые может получить человек. Информация, которую дают исследования по раневой баллистике, дает возможность оптимизировать эффективность разных видов оружия, предназначающегося для уничтожения живой силы противника.
Броня.
С использованием ускорителей Ван-де-Граафа и других источников проникающего излучения исследуется степень радиационной защиты людей в танках и бронеавтомобилях, обеспечиваемая специальными материалами для брони. В экспериментах определяется коэффициент прохождения нейтронов сквозь плиты из разных слоев материалов, имеющие типичные танковые конфигурации. Энергия нейтронов может лежать в пределах от долей до десятков МэВ.
Горение.
Исследования в области воспламенения и горения проводятся с двоякой целью. Первая – получить данные, необходимые для увеличения способности пуль, осколков и зажигательных снарядов вызывать загорание топливных систем самолетов, ракет, танков и т.д. Вторая – повысить защищенность транспортных средств и стационарных объектов от зажигательного действия вражеских боеприпасов. Проводятся исследования по определению воспламеняемости разных топлив под действием различных средств воспламенения – искр электрического разряда, пирофорных (самовоспламеняющихся) материалов, высокоскоростных осколков и химических воспламенителей.
Внутренняя баллистика, выстрел и его периоды
Внутренняя баллистика - это наука, занимающаяся изучением процессов, которые происходят при выстреле, и в особенности при движении пули (гранаты) по каналу ствола.
Выстрел и его периоды
Выстрелом называется выбрасывание пули (гранаты) из канала ствола оружия энергией газов, образующихся при сгорании порохового заряда.
При выстреле из стрелкового оружия происходят следующие явления. От удара бойка по капсюлю боевого патрона, досланного в патронник, взрывается ударный состав капсюля и образуется пламя, которое через затравочные отверстия в дне гильзы проникает к пороховому заряду и воспламеняет его. При сгорании порохового (боевого) заряда образуется большое количество сильно нагретых газов, создающих в канале ствола высокое давление на дно пули, дно и стенки гильзы, а также на стенки ствола и затвор.
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 порождают пламя и ударную волну; последняя является источником звука при выстреле.
При выстреле из автоматического оружия, устройство которого основано на принципе использования энергии пороховых газов, отводимых через отверстие в стенке ствола (например, автомат и пулеметы Калашникова, снайперская винтовка Драгунова, станковый пулемет Горюнова), часть пороховых газов, кроме того, после прохождения пулей газоотводного отверстия устремляется через него в газовую камору, ударяет в поршень и отбрасывает поршень с затворной рамой (толкатель с затвором) назад.
Пока затворная рама (стебель затвора) не пройдет определенное расстоян-ие, 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, автоматический пистолет Стечкина, автомат обр. 1941 г.), 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, станковый пулемет обр. 1910 г.) 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.
Иногда после удара бойка по капсюлю выстрела не последует или он произойдет с некоторым запозданием. В первом, случае имеет место 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. Поэтому необходимо оберегать боеприпасы от влаги и содержать оружие в исправном состоянии.
Затяжной выстрел является следствием медленного развития процесса зажжения или воспламенения порохового заряда. Поэтому после осечки не следует сразу открывать затвор, так как возможен затяжной выстрел. Если осечка произойдет при стрельбе из станкового гранатомета, то перед его разряжанием необходимо выждать не менее одной минуты.
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.
Выстрел происходит в очень короткий промежуток времени (0,001-0,06 сек). При выстреле различают четыре последовательных периода: предварительный; первый, или основной; второй; третий, или период последействия газов (рис. 1).
Периоды выстрела: Ро - давление форсирования; Рм - наибольшее (максимальное) давление: Рк и Vк давление, газов и скорость пули в момент конца горения пороха; Рд и Vд давление газов и скорость пули в момент вылета ее из канала ствола; Vм - наибольшая (максимальная) скорость пули; Ратм - давление, равное атмосферному
Предварительный период длится от начала горения порохового заряда до полного врезания оболочки пули в нарезы ствола. В течение этого периода в канале ствола создается давление газов, необходимое для того, чтобы сдвинуть пулю с места и преодолеть сопротивление ее оболочки врезанию в нарезы ствола. Это давление называется давлением форсирования; оно достигает 250 - 500 кг/см2 в зависимости от устройства нарезов, веса пули и твердости ее оболочки (например, у стрелкового оружия под патрон обр. 1943 г. давление форсирования равно около 300 кг/см2). Принимают, что горение порохового заряда в этом периоде происходит в постоянном объеме, оболочка врезается в нарезы мгновенно, а движение пули начинается сразу же при достижении в канале ствола давления форсирования.
Первый, или основной , период длится от начала движения пули до момента полного сгорания порохового заряда. В этот период горение порохового заряда происходит -в быстро изменяющемся объеме. В начале периода, когда скорость движения пули по каналу ствола еще невелика, количество газов растет быстрее, чем объем запульного пространства (пространство между дном пули и дном гильзы), давление газов быстро повышается и достигает наибольшей величины (например, у стрелкового оружия под патрон обр. 1943 г.- 2800 кг/см2, а под винтовочный патрон - 2900 кг/см2). Это давление называется максимальным давлением. Оно создается у стрелкового оружия при прохождении пулей 4-6 см пути. Затем, вследствие быстрого увеличения скорости движения пули, объем запульного пространства увеличивается быстрее притока новых газов, и давление начинает падать, к концу периода оно равно 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.
Второй перио д длится от момента полного сгорания порохового заряда до момента вылета пули из канала ствола. С началом этого периода приток пороховых газов прекращается, однако сильно сжатые и нагретые газы расширяются и, оказывая давление на пулю, увеличивают скорость ее движения. Спад давления во втором периоде происходит довольно быстро и у дульного среза - дульное давление - составляет у различных образцов оружия 300-900 кг/см2 (например, у самозарядного карабина Симонова - 390 кг/см2, у станкового пулемета Горюнова - 570 кг/см2). Скорость пули в момент вылета ее из канала ствола (дульная скорость) несколько меньше начальной скорости.
У некоторых видов стрелкового оружия, особенно короткоствольных (например, пистолет Макарова), второй период отсутствует, так как полного сгорания порохового заряда к моменту вылета пули из канала ствола фактически не происходит.
Третий период, или период последействия газов , длится от момента вылета пули из канала ствола до момента прекращения действия пороховых газов на пулю. В течение этого периода пороховые газы, истекающие из канала ствола со скоростью 1200- 2000 м/сек, продолжают воздействовать на пулю и сообщают ей дополнительную скорость.
Наибольшей (максимальной) скорости пуля достигает 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 будет уравновешено сопротивлением воздуха.
Баллистика - это наука о движении, полете и влиянии снарядов. Она разделена на несколько дисциплин. Внутренняя и внешняя баллистика имеют дело с движением и полетом снарядов. Переход между этими двумя режимами называется промежуточной баллистикой. Терминальная баллистика касается воздействия снарядов, отдельная категория охватывает степень поражения цели. Что изучает внутренняя и внешняя баллистика?
Пушки и ракеты
Пушечные и ракетные двигатели являются типами теплового двигателя, частично с превращением химической энергии в апропеллент (кинетическую энергию снаряда). Пропелленты отличаются от обычных видов топлива тем, что их сгорание не требует атмосферного кислорода. В ограниченном объеме производство горячих газов с помощью горючего топлива вызывает увеличение давления. Давление продвигает снаряд и увеличивает скорость горения. Горячие газы имеют тенденцию к эрозии ствола пистолета или горла ракеты. Внутренняя и внешняя баллистика стрелкового оружия изучает движение, полет и влияние, которое снаряд оказывает.
Когда заряд пропеллента в камере пистолета воспламеняется, газы сгорания сдерживаются выстрелом, поэтому давление возрастает. Снаряд начинает двигаться, когда давление на него преодолевает его сопротивление движению. Давление продолжает расти некоторое время, а затем падает, а выстрел ускоряется до высокой скорости. Быстрое горючее ракетное топливо вскоре исчерпано, и со временем выстрел выбрасывается из дула: скорость выстрела до 15 километров в секунду достигнуты. Откидные пушки выпускают газ через заднюю часть камеры, чтобы противодействовать силам отдачи.
Баллистической является ракета, которая направляется в течение относительно короткого начального активного участка полета, чья траектория впоследствии регулируется законами классической механики, в отличие, например, от крылатых ракет, которые направляются аэродинамическим образом в полете с работающим двигателем.
Траектория выстрела
Снаряды и пусковые установки
Снаряд - любой объект, проецируемый в пространство (пустое или нет) при приложении силы. Хотя любой объект в движении в пространстве (например, брошенный мяч) является снарядом, термин чаще всего относится к оружию дальнего боя. Математические уравнения движения используются для анализа траектории снаряда. Примеры снарядов включают шары, стрелы, пули, артиллерийские снаряды, ракеты и так далее.
Бросок - это запуск снаряда вручную. Люди необычайно хороши в метании из-за их высокой ловкости, это развитая черта. Свидетельство человеческого метания датируется 2 миллионами лет. Скорость метания 145 км в час, найденная у многих спортсменов, намного превышает скорость, с которой шимпанзе могут бросать предметы, что составляет около 32 км в час. Эта способность отражает способность человеческих плечевых мышц и сухожилий сохранять эластичность, пока она не понадобится для продвижения объекта.
Внутренняя и внешняя баллистика: кратко о видах оружия
Одними из самых древнейших пусковых устройств были обычные рогатки, лук и стрелы, катапульта. Со временем появились ружья, пистолеты, ракеты. Сведения из внутренней и внешней баллистики включают в себя информацию о различных видах оружия.
- Сплинг - оружие, обычно используемое для выброса тупых снарядов, таких как камень, глина или свинцовая «пуля». У стропы имеется небольшая колыбель (сумка) в середине соединенных двух длин шнура. Камень помещается в сумку. Средний палец или большой палец помещается через петлю на конце одного шнура, а вкладка на конце другого шнура помещается между большим и указательным пальцами. Слинг качается по дуге, а табуляция выпускается в определенный момент. Это освобождает снаряд, чтобы лететь к цели.
- Лук и стрелы. Лук - это гибкий кусок материала, который стреляет аэродинамическими снарядами. Тетива соединяет два конца, и, когда она оттягивается назад, концы палки сгибаются. Когда струна отпущена, потенциальная энергия согнутой палки преобразуется в скорость стрелки. Стрельба из лука - это искусство или спорт стрельбы из луков.
- Катапульта - это устройство, используемое для запуска снаряда на большом расстоянии без помощи взрывных устройств - особенно различных типов древних и средневековых осадных двигателей. Катапульта использовалась с древних времен, поскольку она оказалась одним из наиболее эффективных механизмов во время войны. Слово «катапульта» происходит от латинского, которое, в свою очередь, происходит от греческого καταπέλτης, что означает «бросать, швырять». Катапульты были изобретены древними греками.
- Пистолет - обычное трубчатое оружие или другое устройство, предназначенное для выпуска снарядов или другого материала. Снаряд может быть твердым, жидким, газообразным или энергичным и может быть свободным, как с пулями и артиллерийскими снарядами, так и с зажимами, как с зондами и китобойными гарпунами. Средство проецирования варьируется в соответствии с конструкцией, но обычно осуществляется действием давления газа, создаваемого путем быстрого сжигания пропеллента, или сжимается и хранится механическими средствами, работающими внутри трубки с открытым концом в виде поршня. Конденсированный газ ускоряет подвижный снаряд по длине трубки, придавая достаточную скорость, чтобы поддерживать движение снаряда, когда действие газа прекращается в конце трубки. В качестве альтернативы можно использовать ускорение посредством генерации электромагнитного поля, в этом случае можно отказаться от трубки и заменить направляющую.
- Ракета - это ракета, космический корабль, самолет или другое транспортное средство, которое получает удар от ракетного двигателя. Выхлоп двигателя ракеты полностью сформирован из пропеллентов, перевозимых в ракете перед использованием. Ракетные двигатели работают действием и реакцией. Ракетные двигатели выталкивают ракеты вперед, просто бросая их выхлопы назад очень быстро. Хотя они сравнительно неэффективны для использования на низкой скорости, ракеты относительно легки и мощны, способны генерировать большие ускорения и достигать чрезвычайно высоких скоростей с разумной эффективностью. Ракеты не зависят от атмосферы и отлично работают в космосе. Химические ракеты являются наиболее распространенным типом высокопроизводительной ракеты, и они обычно создают их выхлопные газы при сжигании ракетного топлива. Химические ракеты хранят большое количество энергии в легко высвобождаемой форме и могут быть очень опасными. Однако тщательный дизайн, тестирование, конструкция и использование минимизируют риски.
Основы внешней и внутренней баллистики: основные категории
Баллистика может быть изучена с помощью высокоскоростной фотографии или высокоскоростных камер. Фотография выстрела, сделанная с сверхвысокой скоростью вспышки воздушного зазора, помогает рассмотреть пулю без размытия изображения. Баллистика часто разбивается на следующие четыре категории:
- Внутренняя баллистика - изучение процессов, изначально ускоряющих снаряды.
- Переходная баллистика - изучение снарядов при переходе на безналичный полет.
- Внешняя баллистика - изучение прохождения снаряда (траектории) в полете.
- Терминальная баллистика - изучение снаряда и его последствий по мере его завершения
Внутренняя баллистика является изучением движения в виде снаряда. В пушках она покрывает время от зажигания ракетного топлива до тех пор, пока снаряд не выйдет из ствола орудия. Это то, что изучает внутренняя баллистика. Это важно для дизайнеров и пользователей огнестрельного оружия всех типов, от винтовок и пистолетов, до высокотехнологичной артиллерии. Сведения из внутренней баллистики для ракетных снарядов охватывает период, в течение которого ракетный двигатель обеспечивает тягу.
Переходная баллистика, также известная как промежуточная баллистика, - это исследование поведения снаряда с момента его выхода из дула до тех пор, пока давление за снарядом не будет уравновешено, поэтому оно находится между понятием о внутренней и внешней баллистике.
Внешняя баллистика изучает динамику атмосферного давления вокруг пули и является частью науки о баллистике, которая занимается поведением снаряда без питания в полете. Эта категория часто ассоциируется с огнестрельным оружием и связана с незанятой фазой свободного полета пули после того, как она выходит из ствола пистолета и до того, как попадет в цель, поэтому она находится между переходной баллистикой и баллистикой терминала. Однако внешняя баллистика также касается свободного полета ракет и других снарядов, таких как шары, стрелы и так далее.
Терминальная баллистика - это исследование поведения и эффектов снаряда, когда он достигает цели. Данная категория имеет значение как для снарядов малого калибра, так и для снарядов большого калибра (стрельба из артиллерии). Изучение чрезвычайно высоких скоростных воздействий все еще очень новое и в настоящее время применяется в основном к проектированию космических аппаратов.
Судебная баллистика
Судебная баллистика включает в себя анализ пуль и пулевых воздействий для определения информации об использовании в суде или в другой части правовой системы. Отдельно от информации о баллистике, экзамены по огнестрельному оружию и инструментальной метке («баллистическая отпечатка пальца») предусматривают анализ доказательств огнестрельного оружия, боеприпасов и инструментов, чтобы установить, использовалось ли какое-либо огнестрельное оружие или инструмент при совершении преступления.
Астродинамика: орбитальная механика
Астродинамика - применение баллистики оружия, внешней и внутренней, и орбитальной механики к практическим проблемам движения ракет и других космических аппаратов. Движение этих объектов, как правило, рассчитывается из законов движения Ньютона и закона всемирного тяготения. Это основная дисциплина в области проектирования и контроля космической миссии.
Путешествие снаряда в полете
Основы внешней и внутренней баллистики касаются путешествия снаряда в полете. Путь полета пули включает: движение вниз по стволу, путь по воздуху и путь через цель. Основы внутренней баллистики (или исходной, внутри пушки) различаются в соответствии с типом оружия. Пули, выпущенные из винтовки, будут иметь больше энергии, чем аналогичные пули, выпущенные из пистолета. Еще больше порошка можно также использовать в ружейных патронах, потому что пулевые камеры могут быть спроектированы так, чтобы выдерживать большее давление.
Для более высокого давления требуется более крупная пушка с большей отдачей, которая медленнее загружается и генерирует больше тепла, что приводит к большему износу металла. На практике трудно измерить силы внутри ствола орудия, но один легко измеряемый параметр - это скорость, с которой пуля выходит из ствола (начальная скорость). Регулируемое расширение газов от горящего пороха создает давление (сила/площадь). Здесь находится база пули (эквивалентная диаметру ствола) и является постоянной. Поэтому энергия, передаваемая пуле (с заданной массой), будет зависеть от массового времени, умноженного на временной интервал, на котором применяется сила.
Последний из этих факторов является функцией длины ствола. Пулевое движение через пулеметное устройство характеризуется увеличением ускорения, когда расширяющиеся газы нажимают на него, но уменьшают давление в стволе при расширении газа. До точки уменьшения давления, чем дольше баррель, тем больше ускорение пули. Когда пуля проходит по стволу пистолета, происходит небольшая деформация. Это происходит из-за незначительных (редко крупных) недостатков или вариаций в нарезке или меток в стволе. Главной задачей внутренней баллистики является создание благоприятных условий для избежания подобных ситуаций. Эффект на последующей траектории полета пули обычно незначителен.
От пушки до цели
Внешнюю баллистику кратко можно назвать путешествием от пушки до цели. Пули обычно не следуют по прямой линии к цели. Действуют вращательные силы, которые удерживают пулю от прямой оси полета. Основы внешней баллистики включают такое понятие, как прецессия, которая относится к вращению пули вокруг центра масс. Нутация - это небольшое круговое движение на кончике пули. Ускорение и прецессия уменьшаются по мере увеличения расстояния от пули от ствола.
Одной из задач внешней баллистики является создание идеальной пули. Чтобы уменьшить сопротивление воздуха, идеальная пуля была бы длинной тяжелой иглой, но такой снаряд прошел бы прямо через цель, не рассеивая большую часть своей энергии. Сферы будут отставать и высвобождать больше энергии, но могут даже не попасть в цель. Хорошая аэродинамическая компромиссная форма пули - это параболическая кривая с низкой лобовой областью и формой ветвления.
Лучшей пулевой композицией является свинец, который имеет высокую плотность и дешев для получения. Его недостатки - тенденция к размягчению со скоростью > 1000 кадра в секунду, что приводит к тому, что он смазывает ствол и уменьшает точность, также свинец имеет тенденцию полностью расплавиться. Легирование свинца (Pb) с небольшим количеством сурьмы (Sb) помогает, но реальный ответ заключается в том, чтобы связать свинцовую пулю с жестким стальным бочонком через другой металл, достаточно мягкий, чтобы запечатать пулю в стволе, но с высокой температурой плавления. Медь (Cu) лучше всего подходит для этого материала в качестве «пиджака» для свинца.
Баллистика терминалов (попадание в цель)
Короткая, высокоскоростная пуля начинает резко рычать, поворачиваться и даже вращаться при входе в ткань. Это приводит к тому, что больше ткани смещается, увеличивается сопротивление и придает большую часть кинетической энергии цели. Более длинная, более тяжелая пуля может иметь больше энергии в более широком диапазоне, когда она попадает в цель, но она может проникать так хорошо, что она выходит из цели с большей частью своей энергии. Даже пуля с низкой кинетикой может принести значительный урон ткани. Пули производят повреждение тканей тремя способами:
- Разрушение и дробление. Диаметр повреждения при раздавливании в ткани - это диаметр пули или фрагмента, вплоть до длины оси.
- Кавитация - «постоянная» полость вызвана траекторией (дорожкой) самой пули с дроблением ткани, тогда как «временная» полость образована радиальным растяжением вокруг пулевой дорожки от непрерывного ускорения среды (воздуха или ткани) в результате пули, заставляя раневую полость растягиваться наружу. Для снарядов, движущихся с низкой скоростью, постоянные и временные полости почти одинаковы, но с большой скоростью и с пулевым рысканием временная полость становится больше.
- Ударные волны. Ударные волны сжимают среду и движутся впереди пули, а также по сторонам, но эти волны длится всего несколько микросекунд и не вызывают глубоких разрушений с малой скоростью. При большой скорости генерируемые ударные волны могут достигать до 200 атмосфер давления. Однако перелом кости из-за кавитации является чрезвычайно редким событием. Баллистическая волна давления от дальнего пулевого удара может вызвать у человека сотрясение, что вызывает острые неврологические симптомы.
Экспериментальные методы для демонстрации повреждения тканей использовали материалы с характеристиками, подобными мягким тканям и коже человека.
Дизайн пули
Конструкция пули важна в потенциале ранения. Гаагская конвенция 1899 года (и впоследствии Женевская конвенция) запрещала использование расширяющихся, деформируемых пуль в военное время. Поэтому у военных пуль есть металлическое облачение вокруг свинцового ядра. Разумеется, договор был в меньшей степени связан с соблюдением, чем тот факт, что современные военные штурмовые винтовки стреляют снарядами с высокой скоростью, а пули должны быть покрыты медной оболочкой, поскольку свинец начинает плавиться из-за тепла, создаваемого со скоростью > 2000 кадров в секунду.
Внешняя и внутренняя баллистика ПМ (пистолета Макарова) отличается от баллистики так называемых «разрушаемых» пуль, предназначенных для разрушения при ударе по твердой поверхности. Такие пули обычно изготавливают из металла, отличного от свинца, такого как медный порошок, уплотненный в виде пули. Расстояние мишени от дула играет большую роль в способности к ранению, поскольку большинство пуль, выпущенных из пистолетов, потеряли значительную кинетическую энергию (КЭ) на расстоянии 100 ярдов, в то время как высокоскоростные военные орудия по-прежнему имеют значительный КЭ даже на 500 ярдах. Таким образом, внешняя и внутренняя баллистика ПМ и военных и охотничьих ружей, предназначенных для доставки пуль с большим количеством КЭ на большее расстояние, будут различаться.
Проектирование пули для эффективной передачи энергии конкретной цели не является простым, поскольку цели отличаются. Понятие внутренней и внешней баллистики включает в себя также дизайн снаряда. Чтобы проникнуть в толстую шкуру и жесткую кость слона, пуля должна быть небольшого диаметра и достаточно прочной, чтобы противостоять дезинтеграции. Однако такая пуля проникает в большинство тканей, как копье, нанося немного больше урона, чем ножевая рана. Пуля, предназначенная для повреждения тканей человека, потребует определенных «тормозов», чтобы вся КЭ передавались цели.
Легче конструировать функции, которые помогают замедлить большую, медленную движущуюся пулю в тканях, чем небольшая, высокоскоростная пуля. К таким мерам относятся модификации формы, такие как круглая, сплющенная или куполообразная. Круглые носовые пули обеспечивают наименьшее торможение, обычно покрыты оболочкой и полезны главным образом в пистолетах с малой скоростью. Сплющенная конструкция обеспечивает наибольшее торможение только от формы, не покрывается оболочкой и используется в пистолетах с малой скоростью (часто для целевой практики). Конструкция купола является промежуточной между круглым и режущим инструментом и полезна при средней скорости.
Конструкция пули полых точек облегчает поворот пули «наизнанку» и выравнивание фронта, называемое «расширением». Расширение надежно происходит только при скоростях, превышающих 1200 кадров в секунду, поэтому подходит только для пистолетов с максимальной скоростью. Разрушаемая пуля, состоящая из порошка, предназначена для дезинтеграции при ударе, доставки всего КЭ, но без значительного проникновения, размер фрагментов должен уменьшаться по мере увеличения скорости удара.
Потенциал ранения
Тип ткани влияет на потенциал ранения, а также на глубину проникновения. Удельный вес (плотность) и эластичность являются основными тканевыми факторами. Чем выше удельный вес, тем больший урон. Чем больше эластичность, тем меньше урон. Таким образом, легкая ткань с низкой плотностью и высокой эластичностью повреждается меньше мышц с более высокой плотностью, но с некоторой эластичностью.
Печень, селезенка и мозг не имеют эластичности и легко травмируются, как и жировая ткань. Заполненные жидкостью органы (мочевой пузырь, сердце, большие сосуды, кишечник) могут лопнуть из-за создаваемых волн давления. Пуля, поражающая кость, может привести к фрагментации кости и / или к образованию многочисленных вторичных ракет, каждая из которых вызывает дополнительное ранение.
Баллистика пистолета
Это оружие легко скрывается, но трудно прицелиться точно, особенно в местах преступления. Большинство стрельб из стрелкового оружия происходят на расстоянии менее 7 ярдов, но даже в этом случае большинство пуль пропускают намеченную цель (только 11% патронов нападавших и 25% пуль, выпущенных полицейскими, попадают в намеченную цель в одном исследовании). Обычно оружие низкого калибра используется в преступлениях, потому что они дешевле и легче носить и легче контролировать во время стрельбы.
Уничтожение тканей может быть увеличено любым калибром с использованием пули с расширяющимися полыми точками. Двумя основными переменными в баллистике пистолетов являются диаметр пули и объем пороха в корпусе картриджа. Картриджи более старого дизайна были ограничены давлениями, которые они могли выдержать, но достижения в металлургии позволили удвоить и утроить максимальное давление, чтобы можно было генерировать больше кинетической энергии.