Внутренняя баллистика на её современном уровне развития состоит из следующих основных разделов:
1. Пиростатика – изучение горения пороха и образование газов при сгорании пороха в постоянном объёме. Изучается влияние формы, размеров, природы пороха, условий заряжания, давления газов на интенсивность газообразования в простейших условиях, когда пороховые газы не совершают работу при расширении.
2. Физическая пиродинамика – изучение физических основ явления выстрела из орудия как термодинамического и газодинамического процесса, исследование других явлений, сопровождающих выстрел.
3. Теоретическая пиродинамика – решение основной задачи внутренней баллистики – установление изменения давления пороховых газов и скорости снаряда в функции пути снаряда и времени.
4. Баллистическое проектирование орудий – обратная задача внутренней баллистики – определение конструктивных данных канала ствола и условий заряжания, при которых снаряд данного калибра d и веса q получит при вылете из канала ствола заданную дульную скорость - υдпри допустимом максимальном давлении газа – Рmна снаряд (орудие). Из многих решений выбирается вариант, который наиболее полно удовлетворял бы тактико-техническим требованиям (ТТТ) и условиям производства орудия. Результаты расчётов выбранного варианта проверяются решением прямой задачи внутренней баллистики и кривые давления р=р(t) и скорости v=v(t),а также Р(l) и v(l) являются исходными данными для проектирования ствола, лафета, порохового заряда и т.д.
Несколько по-другому делится внутренняя баллистика за рубежом. Шарбонье ограничил внутреннюю баллистику изучением механических эффектов, т.е. что относится к основной классической задаче (включая замкнутый объём), все другие вопросы он относил к теории горения.
Дж. Корнер делит внутреннюю баллистику на практическую и исследовательскую. К практической баллистике относятся вопросы, рождённые в обычной артиллерийской практике, например при баллистических испытаниях орудия, порохов и т.д. В «исследовательской баллистике» теоретическая часть также делится на «практическую» и «исследовательскую». Там, где измерения связаны со значительным объёмом работы, теория должна быть точной, насколько это возможно. Теоретическая внутренняя баллистика по Дж. Корнеру соответствует нашему разделу «теоретическая пиродинамика».
Глава 1
1.Порох как источник энергии.
1.1. Виды порохов, их формы, размеры, марки.
Со времён появления огнестрельного оружия и до 80-х годов позапрошлого столетия в артиллерии применяли только дымный порох. Он представлял собой смесь нитрата калия, древесного угля и серы в весовом отношении 75: 10: 10. Порошкообразный чёрный порох прессуют в пороховые зёрна определённых размеров и используют в настоящее время в качестве воспламенителей, средств для передачи огня, замедлителей, дистанционных составов, вышибных зарядов и для снаряжения в патронах охотничьих ружей. В зависимости от размера зерна, он разбивается на сорта и обозначается ДРП №1, 2, 3; КЗДП. ДРП – дымный ружейный порох. Номер обозначает размер зерна (№3 – самый мелкий). Для охотничьих патронов дымный порох имеет марку, типа «Медведь», «Олень». КЗДП – крупнозернистый дымный порох, используется, например, для изготовления воспламенителя.
В настоящее время в артиллерийской технике в качестве источника энергии для движения снарядов, пуль, мин, реактивных снарядов используется бездымный порох. По физико-химической природе бездымные пороха можно разделить на нитроцеллюлозные и смесевые. В зависимости от содержания азота в нитроклетчатке, различают пироксилин №1(содержание азота N=12,9-13%), №2(N=11,9-12,3%) и коллоксилин(N<11,9%). Пироксилин №1 почти нерастворим в спиртоэфирной смеси, пироксилин №2 нацело растворяется в этой смеси. Для изготовления пороха берётся смесь пироксилинов №1 и №2. Подвергнутый действию спиртоэфирной смеси (летучего растворителя) в определённой пропорции, пироксилин под давлением желатинизируется, становится коллоидом. Смесь пироксилина с растворителем в виде очень густой массы при прессовании под давлением через матрицу может приобретать определённую форму (трубка, прут, зерно и др.). Состав пироксилиновых порохов приведён в таблице 3.
Таблица 3.
Компоненты | Состав пороха в % | ||||
Для орудий | Для винтовок | Для пистолетов (пористый) | |||
Обыкно-венный | Малогигро-скопичный | Беспла-менный | |||
Пироксилин Растворитель (Спиртоэфирный раствор) Стабилизатор (дифениламин) Флегматизатор Графит Специальные добавки Влага | 93 – 95 1 – 4 - - - 1,5-2,0 | - - 13,0 | - - 15,0 | 91 – 95 2-6 0,2-0,3 - 1,3-1,5 | 96,7 0,5 - 0,3 - 1,5 |
Пироксилиновые пороха – пороха на летучем растворителе, за рубежом они называются одноосновными.
Пороха на труднолетучем и нелетучем растворителе получили название баллиститов (за рубежом их называют двухосновными). При изготовлении баллиститов обычно используют коллоксилин (40-75%), который пластифицируется нитроглицерином, либо нитродигликолем, либо другими нитратами многоатомных спиртов (25-60%). Название порохов соответствует техническим названиям нитратов, например, нитроглицериновый, нитродигликолевый. Баллиститный порох содержит стабилизатор (централит, акардит) и специальные добавки. В орудийные пороха вводятся добавки, понижающие температуру горения, например, нитрогуанидин, что способствует повышению живучести ствола.
Нитроглицериновые пороха на смешанном растворителе называются кордитами и изготовляются из опироксилина №1, пластификатором является спиртоацетоновый растворитель.
Кроме того, могут использоваться нитроцеллюлозные пороха без растворителя, получаемые нитрованием с последующей стабилизацией измельчённого пергамента или вискозной нити.
Смесевые пороха – механическая смесь окислителя, горючего и связующих веществ; окислитель – нитраты, перхлораты; горюче-связующие вещества – каучук, смолы и т.п.
По назначению (видам оружия) обычно пороха разделяют на четыре группы:
1. Орудийные пороха
2. Пороха для стрелкового оружия
3. Миномётные пороха
4. Ракетные пороха.
Форма порохов чрезвычайно разнообразна: лента, пластинка, брусок, пруток, кубик, сфера, трубка, чечевица, зерно с одним и многими каналами и др. Форма пороха связана с типом оружия. Маркировка пороха:
Пластинка – Пл (Пл 14-10 – толщина 2е1=0,14 мм, ширина и длина пластинки 2b=2e=1 мм).
Лента – Л (Л35 – толщина 2е1=0,35 мм).
Пороха зеренные с одним или 7 каналами (4/1 – одноканальный 2е1=0,4 мм; 5/7 – 7 канальный 2е1=0,5 мм, где 2е1– наименьшее расстояние между каналами, или толщина трубки).
Пороха трубчатые – Тр (22/1 Тр - 2е1=2,2 мм)
Порох кольцевой – К (К 32/65-14 – толщина 2е1=0,14 мм, наружный диаметр – 65 мм, внутренний – 32 мм).
Порох спиральный – Сп (Сп14-47, толщина 2е1=0,14мм, ширина спирали 2b=47 мм).
Зернения пороха под пулю имеют …….. обозначение ВТ, ВЛ, ВУ – под тяжелую винтовочную пулю, легкую винтовочную пулю и укороченный винтовочный патрон соответственно.
П – пористый порох. П85 выведено 85 частей селитры на 100 частей пироксилина.
Состав и природа пироксилиновых порохов обозначаются следующими индексами:
"св" – из свежего пироксилина на хлопковой и древесной целлюлозе.
"ца" – древесная целлюлоза в форме жгутиков.
"цг" – древесная целлюлоза в форме гранул
Пер – порох, полученный переделкой старых порохов
ФЛ – порох, подвергнутый флегматизации с поверхностных слоёв.
Гр – порох графитованный
Состав и природа баллиститных порохов.
Н или НГВ – нитроглицериновый порох
НБ – с высокой калорийностью
НДТ – содержащий в качестве охлаждающей добавки динитротолуол и дибутилфтолат.
ДГ – содержащий в качестве добавки центролит.
НДТ-2 – цифра указывает на определённую калорийность пороха (2-770 кал/кг;
3-675 кал/кг).
Полная маркировка пороха обычно имеет вид:
НБПл 12-10 4/42 М – нитроглицериновый пластинчатый порох, толщина пластинки 2е1=0,12 мм, ширина кв. пластинки 2b=2с=1 мм;
4 – номер партии; 44 – год изготовления 1944;
М – шифр завода-изготовителя;
12/7 св 5/41 с – пироксилиновый порох из свежего пироксилина 7-иканальный с
2е1=1,2 мм, 5 партия 1941 г. изготовления, шифр завода изготовителя – с.
Зернение пороха для морской артиллерии обозначается также как для сухопутной артиллерии. Трубчатые пороха для морской артиллерии имеют другое обозначение. Например 180/60, где 180 – калибр орудия; 60 – длина ствола в калибрах.
В охотничьих патронах бездымный порох имеет другую маркировку: "Сокол", "Барс", "Сунар", "ВУСД", "Супербарс" и т.д.
Порох сферической формы как правило используется в зарядах спортивного оружия, в карабинах, пистолетах. Он имеет наибольшую гравиметрическую плотность, больше, чем гравиметрическая плотность зерна или пластинки. В таблице 4 приведены геометрические размеры некоторых марок порохов.
Таблица 4.
Марки пороха | размеры,мм | марки пороха | размеры,мм | ||||
2е1 | 2b | 2c | 2e1 | dKH | 2c | ||
НБПл 10-10 НПл 10-12 "Сокол" "Х" | 0,07- -0,12 0,08 0,16 0,13 0,15 0,09 0,11 | 0,8- 1,1 1,2- 1,4 1,7 1,8 0,97 0,12 | 0,8- 1,1 1,2 1,9 1,7 1,8 0,97 0,12 | ВУФл 5/7 св 5/1 св 12/1 Tp НДТ-З-14/1 75/50 | 0,19- -0,24 -0,50 0,56 0,55- -0,60 1,0- -1,2 1,4- 1,53 1,4 | 0,10- 0,11 0,15- 0,25 0,25- 0,35 2,4- 2,8 1,9- 2,2 2,9 | 0,85- 1,25 2,5- 3,5 2,7- 3,3 590- 365- |
Физико – химические характеристики пороха.
1. Удельный вес пороха - d.
Удельный вес пороха зависит от состава пороха и условий технологии изготовления и колеблется от 1,56 до 1,64. Среднее значение для пиксилиновых порохов d»1,6 кг/дм3, для баллиститов и кардитов d»1,58 кг/дм3,пористые пироксилиновые пороха (пистолетный) d=1,3¸1,4 кг/дм3.
2. Гравиметрическая плотность пороха - Dг.
Зависит от формы порохового зерна и представляет отношение веса пороха, свободно насыпанного в сосуд определённого объёма и формы, к весу воды при 4°С (плотность равна 1 кг/дм3), заполняющей сосуд того же объёма. Форма и объём сосуда оказывают также влияние на значение гравиметрической плотности, поэтому оговариваются особо. Гравиметрическая плотность – весьма важная характеристика для снаряжения патрона стрелкового оружия, где порох засыпается в гильзу.
3. Теплота взрывчатого превращения или количество тепла Q, выделяемое при сгорании 1 кг пороха, является весьма важной характеристикой порохов как источник энергии. Обычно по условиям горения различают теплоту горения при постоянном объёме Qwи при постоянном давлении Qp. Связь между ними имеет вид
Qw=Qp+ mRT,
где m - число граммолей газообразных продуктов на 1 кг пороха
R – универсальная газовая востоянная
T – температура горения пороха
обычно Q определяют из опытов в калометрической бомбе, которая погружена в воду при температуре t=15°C. При этом влага из парообразного состояния превращается в жидкость. Фактически же при выстреле вода находится в парообразном состоянии
Qw(ж)=Qw(пар)+620n/100.
где: n – процентное содержание воды в продуктах разложения пороха по весу.
620 – количество больших калорий, выделяемое при конденсации 1 кг водяных паров и охлаждении их до температуры 15 ºС (≈ 539 + 100 – 15). Теплота горения Qwж может изменяться в пределах 600 – 1250 ккал/кг.
4. Потенциал пороха П = ЕQw. Если количество теплоты Qw перевести в механическую энергию, умножив на механический эквивалент тепла Е = 4270 кгдм/ккал, то получим П = (4270 · Qw) кгдм.
Для нитроцеллюлозных порохов П = 2560000 ÷ 5380000 кгдм = 256 ÷ 538 тм.
5. Температура горения при постоянном объеме Т1 К по известным из опыта составу продуктов горения и тепловому эффекту – Qw рассчитывается температура при постоянном объеме – Т1 К или тепловом эффекте Qр рассчитывается температура горения при постоянном давлении Т0 К. Для порохов ствольного оружия температуру горения рассчитывают по Qw и теплоемкости Сw. Для ракетных порохов по Qр и Ср при постоянном давлении, Т1 К для нитроцеллюлозных порохов изменяется в пределах 2400 – 3800 К, а Т0 = 1900 – 3000 К.
6. Удельный объем пороховых газов – ω1 эм3/кг – это объем газов, образовавшихся при сжигании пороха в калориметрической бомбе газы, можно выпустить в газометр и измерить их объем – W1ж при атмосферном давлении и температуре 15 ºС, а потом привести к 0 ºС. При этом вода, которая была в парообразном состоянии сконденсируется, т.е. общий объем уменьшится. Для перехода к объему газов, где вода была паром, существует формула
;
где: n – процентное содержание водяных паров в газовой смеси;
1240 дм3 – объем, который занимал бы 1 кг водяных паров, при атмосферном давлении и 15 ºС дм3/кг.
7. Удельная теплоемкость газа Сw ккал/кг·град. – количество тепла, необходимое для нагревания 1 кг газа на 1 ºС.
Теплоемкость зависит от состава пороховых газов и температуры газов. На участке изменения температур от температуры горения Т1 К до температуры пороховых газов в момент вылета снаряда Тд К (газ охлаждается до температуры 1800 – 2000 К). Зависимость теплоемкости от температуры можно принять линейной
Сw = А + вТ
Где А и в – константы.
Значения некоторых физико-химических характеристик порохов приведены в таблице 5.
Таблица 5
Характеристика | Для пироксилиновых порохов | Для нитроглицериновых порохов |
Qw (вода – пар), ккал/кг | 800 – 900 | 1100 – 1200 |
ω1 (вода – пар), дм3/кг | 900 – 970 | 800 – 860 |
Т1 К | 2800 – 2500 | 3000 – 3500 |
δ, кг/дм3 | 1,64 – 1,58 | 1,62 – 1,56 |
Для дымных порохов δ колеблется от 1,50 до 1,80 кг/ дм3 и в исключительных случаях до 1,90 кг/ дм3.
Значения Qw ω1 и Т1 К зависят от состава пороха и, прежде всего от содержания азота в пороховых газах.
Г.П. Кисмемский дал следующие эмпирические формулы:
ω1 = 1515 – 48,72 N Т1 = 273 +34,7 N5/3
Где N – содержание азота в процентах.
В.Г. Шеклин для наших порохов приводит зависимости:
Qw=730+[48,5(N-11,8)+9,4]·n-28,5c-24,3d-37,5v-13,6h-26,7h'-31,0s-32,5ф-42,0g
ω1 = 944-47,3(N-11,8)-2,45n+14c+12d+23v+3,4h+16,9h'+14,6s+17,4ф+10g
Т1 К = 1290º+375(N-11,8)+22n-71c-59d-100v-54h-82h'-88s-92ф-125g,
где N – содержание азота в пироксилине; содержание в порохе (в процентах) нитроглицерина – n; централита – c; дибутилфталата – d; вазелина – v; летучих удаляемых –h; неудаляемых – h'; дифиниламина – s; камфоры – ф; графита – g.
Порох с содержанием азота N = 11,8 % имеет:
Qw = 730 ккал/кг, ω1 = 944 дм3/кг, Т1 К = 2790 К