1.3.2. Явление выстрела в канале ствола

При выстреле капсюль-воспламенитель возбуждает горе­ние воспламенительного заряда, который вызывает горение основ­ного заряда. Вследствие интенсивного выделения газа при горении пороха повышается давление в заснарядном пространстве. До тех пор пока давление порохового газа позади снаряда является недос­таточным для преодоления сил сопротивления его движению, го­рение заряда происходит в неизменном объеме. Начиная с некото­рого момента, снаряд получает движение вдоль оси канала ствола. Вместе с тем пороховой газ оказывает давление на дно канала ствола. В результате вся система «снаряд - заряд - ствол» приходит в движение. При этом снаряд и большая часть заряда двигаются по каналу ствола к дульному отверстию, а ствол - в противоположном направлении.

Масса снаряда значительно меньше массы ствола и связанных с ним частей. Поэтому скорость снаряда превосходит скорость отката ствола в десятки раз: скорость ствола достигает величин 7...15 м/с, а скорость снаряда - Vo = 600... 1500 м/с. Снаряд приобретает боль­шую скорость за несколько тысячных долей секунды, в течение ко­торых он проходит путь в стволе.

Скорость порохового газа у дна снаряда равна скорости снаря­да, а у дна канала ствола - скорости отката ствола. Вследствие не­одинаковости скоростей газа давление по длине заснарядного про­странства будет различным и тем больше, чем меньше скорость га­за. В частности, давление на дно снаряда р_сн меньше, чем давление на дно канала ствола р_кн (рис. 1.9).

Поступательное движение снаряда происходит под действием силы:

P_CH= P_CH S-R_H, (1.1)

где S - площадь поперечного сечения снаряда, на которую распро­страняется давление порохового газа;

R_H - сила сопротивления поступательному движению снаряда со стороны стенок канала ствола (сила, равная по величине RH, но в обратном направлении, действует на ствол вдоль оси его канала со стороны снаряда).

Приближенно связь между давлениями на дно снаряда и дно канала выражается следующей зависимостью:

(1.2)

где w - масса заряда; q - масса снаряда.

Рис. 1.9. Схема распределения давления в каморе.

Обычно при рассмотрении движения снаряда в канале ство­ла вводится понятие осредненного давления, которое принима­ется постоянным по всему объе­му заснарядного пространства.

Характерная кривая измене­ния осредненного давления по­рохового газа в зависимости от пути снаряда изображена на рис. 1.10. Считается, что снаряд трогается c места при некотором давлении р₀, равном в среднем (3...5)∙10⁷ Н/м². Сначала, пока ско­рость снаряда мала, давление в заснарядном пространстве повыша­ется вследствие образования газа при горении пороха и достигает максимального значения; (до 3∙10⁸ Н/м² и больше). Затем в связи с возрастанием скорости снаряда происходит быстрое увеличение объема заснарядного пространства.

При этом приток газа от сгорания пороха оказывается недоста­точным для того, чтобы поддерживать повышение давления, и оно начинает падать. Практически создаются условия, при которых по­роховой заряд сгорает до вылета снаряда из канала ствола. К концу горения заряда давление порохового газа р_к еще велико (обычно больше 1∙10⁸ Н/м²). В дальнейшем снаряд продолжает движение под действием расширяющегося порохового газа. К моменту выле­та снаряда из канала ствола давление порохового газа равно р_д и составляет для большинства орудий (5... 10)∙10⁷ Н/м².

В течение всего времени дви­жения в стволе снаряд получает к положительное приращение ско­рости (рис. 1.11). Значительные ускорения снаряда обусловли­вают появление больших сил инерции, действующих на его элементы.

В процессе врезания ведуще­го пояска в нарезы (форсирова­ния) на нем образуются высту­пы, соответствующие по форме поперечного сечения нарезам Рис , , L Кривая изменения скорости (Рис. 1.12). При движении снаряда по пути движения его в стволе вдоль оси канала ствола высту­пы ведущего пояска перемещают­ся по нарезам, вследствие чего снаряд приобретает вращательное движение.

Рис 1.12. Схема взаимодействия нарезов ствола (1) и ведущего пояска снаряда (2)

К концу движения в стволе угловая скорость снаряда достигает 600 рад/с и больше.

Процессы, происходящие в канале ствола во время выстрела, весьма сложные. Изучением их занимается специальная наука - внутренняя баллистика. Порохо­вой заряд горит в изменяющемся объеме заснарядного простран­ства. Энергия пороха расходует­ся на совершение ряда работ. Основная часть энергии затрачивает­ся на сообщение снаряду скорости вдоль оси канала ствола. Вместе с тем производятся второстепенные работы по приведению во вра­щательное движение снаряда, перемещение массы заряда и откат­ных частей, а также по преодолению трения ведущего пояска снаря­да о стенки канала ствола. Часть энергии заряда идет на нагрев ствола, гильзы и снаряда.

За время движения снаряда в стволе расходуется лишь меньшая часть энергии порохового заряда (25-35 %). Остальная энергия удаляется из канала ствола после вылета снаряда в атмосферу вме­сте с истекающим пороховым газом.

После вылета снаряда из ствола пороховой газ, заключенный в канале ствола, вытекает в атмосферу. Истечение газа продолжа­ется до тех пор, пока давление в канале ствола окажется равным давлению окружающего воздуха. Период взаимодействия исте­кающего порохового газа со стволом и снарядом принято называть периодом последействия (соответственно на ствол и снаряд).

В результате последействия порохового газа на снаряд скорость последнего увеличивается на сравнительно небольшую величину AV. Таким образом, под действием порохового газа снаряд полу­чит, в конечном счете, скорость Vo, называемую начальной скоро­стью снаряда. Эта скорость является одной из основных характери­стик орудия. Откат ствола вдоль оси канала в сторону, противопо­ложную направлению движения снаряда, вызывает сила:

Р_кн =р_кн ∙ S_кн – р_км ∙ S_км - R_н , (1.3)

где S_КН — площадь дна канала ствола;

S_кн- площадь проекции ската каморы на плоскость, перпенди­кулярную к оси канала ствола;

р_км — давление порохового газа на скат каморы.

Характер изменения реакции р_кн от начала движения снаря­да за весь период действия поро­хового газа на ствол показан на рис. 1.13. Ее наибольшая величи­на соответствует по времени у = t_m) максимальному давлению в заснарядном пространстве. К мо­менту вылета снаряда из ствола (t = t_д) реакция Р_КН=Р_КНД, а в дальнейшем она асимптотиче­ски приближается к нулю. Прак­тически считают, что действие порохового газа на ствол прекра­щается, когда давление в канале упадет до 1,8-2 атм. При этом про­должительность периода последействия принимает конечное зна­чение t = t₁, а полное время нагружения ствола реакцией Р равно t_k=t_д+t₁.

Рис 1.13 График изменения приведен­ной силы давления пороховых газов на дно канала ствола