СТВОЛ ОГНЕСТРЕЛЬНОГО ОРУЖИЯ Российский патент 2003 года по МПК F41F1/00 F41A21/00 

Изобретение относится к гладким или нарезным стволам артиллерийских орудий и ручного огнестрельного оружия, главным образом к орудиям калибра св. 100 мм и неавтоматическому оружию для спецопераций.

Повышение эффективности огнестрельного оружия путем увеличения начальной скорости V₀ снаряда или пули (далее - "снаряда") достигается обычно увеличением навески (массы) метательного (боевого) заряда, улучшением его состава или условиями горения, а также увеличением длины ствола. Тем не менее проблема могущества оружия и связанные с ней проблемы эффективности использования (КПД) метательного заряда и габаритно-массовых характеристик оружия остаются и требуют своего дальнейшего решения.

Разработаны различные системы артиллерийских орудий [1] и неавтоматического (в том числе разового применения) стрелкового оружия для спецопераций [2].

Известен, в частности, ствол огнестрельного оружия (артиллерийского орудия), содержащий трубу с казенной частью и зарядной каморой, включающей в себя пространство для размещения, по меньшей мере, части снаряда или пули и пространство для размещения метательного заряда в гильзе, в картузе или россыпью [1, с. 91-94, рис. 21, 22-24].

Наиболее близким к заявленному изобретению по назначению и совокупности конструктивных признаков (прототипом) является ствол огнестрельного оружия (авиационная установка для метания бомб на различные дистанции), содержащий трубу с казенной частью и зарядной каморой, включающей в себя пространство для размещения, по меньшей мере, части снаряда или пули, отделенное перегородкой от пространства для размещения метательного заряда в гильзе, в картузе или россыпью [3].

В нем перегородка выполнена сплошной (без каких-либо отверстий) и установлена с возможностью перемещения вдоль продольной оси ствола под действием пороховых газов, т.е. является поршнем, выталкивающим снаряды из ствола.

Однако в устройстве-прототипе, как и во всех известных стволах, при сгорании порохового метательного заряда резкое повышение давления в заснарядном пространстве, оказывающее разгоняющее воздействие на снаряд в пределах канала трубы и на небольшом начальном участке внешней траектории, носит в основном статический характер, т.е. в равной степени оказывает силовое воздействие, через перегородку, на дно снаряда (полезная составляющая, используемая для разгона снаряда или пули) и на стенки канала ствола и затвора. Таким образом, энергия пороховых газов используется для сообщения снаряду ускорения недостаточно эффективно: через статическое в основном давление в заснарядном пространстве. Соответственно недостаточно используются возможности повышения начальной скорости снаряда при сохранении массы метательного заряда, а значит, и могущества выстрела или сокращение массы метательного заряда при сохранении начальной скорости снаряда. Кроме того, существенная доля остаточной энергии пороховых газов после вылета снаряда из канала ствола определяет, во-первых, наличие дульного пламени, демаскирующего положение орудия (и соответственно необходимость применения пламягасителя), и, во-вторых, газодинамический шум (и соответственно необходимость применения устройств для снижения его уровня). Следует учитывать также проблему обтюрации пороховых газов при его статическом характере.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является улучшение технико-экономических характеристик огнестрельного оружия путем:
- повышения эффективности (КПД) использования метательного заряда и соответственно боевой эффективности оружия или снижения потребной массы заряда за счет обеспечения в основном динамического воздействия продуктов его сгорания на снаряд или пулю и уменьшения доли остаточной энергии продуктов сгорания после вылета снаряда или пули из канала ствола (с вытекающим отсюда устранением острой необходимости оборудования оружия пламягасителями и устройствами для снижения шума выстрела);
- снижения статического воздействия продуктов сгорания на другие поверхности, ограничивающие заснарядное пространство.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в стволе огнестрельного оружия, содержащем трубу с казенной частью и зарядной каморой, включающей в себя пространство для размещения, по меньшей мере, части снаряда или пули, отделенное перегородкой от пространства для размещения метательного заряда в гильзе, в картузе или россыпью, перегородка выполнена с перфорацией в виде множества продольно ориентированных сквозных отверстий диаметром, величина которого меньше нормированного минимального размера частиц метательного заряда при сыпучей структуре последнего, а отношение толщины перегородки к диаметру отверстия равно или больше 4.

Решение поставленной задачи достигается также за счет дополнительных конструктивных признаков (при сформулированной выше основной совокупности признаков):
- толщина перегородки может превышать диаметр отверстия в пять раз;
- перегородка может быть выполнена с максимально возможным коэффициентом перфорации по условию прочности перемычек между ее отверстиями;
- перегородка может быть установлена с упором в поверхность канала ствола, например, при вершине упорного конуса при раздельном гильзовом заряжании;
- при предыдущей совокупности признаков, между перегородкой и затвором может быть установлена распорная трубка, образуя двухслойную структуру стенки зарядной каморы на длине пространства для размещения метательного заряда;
- при предыдущей совокупности признаков перегородка и распорная трубка могут быть конструктивно объединены в стакан-контейнер.

Среди известных устройств не обнаружены такие, совокупность существенных признаков которых совпадала бы с заявленной. В то же время именно за счет последней достигается новый технический результат в соответствии с поставленной задачей.

Заявляемое устройство ствола огнестрельного оружия представлено чертежами:
на фиг.1 показано устройство заряженного ствола огнестрельного оружия с зарядной каморой картузного заряжания, фрагмент варианта с дисковой перфорированной перегородкой, продольный разрез, где d - калибр боеприпаса (снаряда или пули), d₀ - диаметр отверстий перфорации перфорированной перегородки, b - толщина перегородки и одновременно длина отверстия (канала) ее перфорации, δ - зазор между дном снаряда или пули и перегородкой;
на фиг.2 - то же, вариант с дисковой перегородкой и распорной трубкой;
на фиг.3 - то же, вариант со стаканом-контейнером вместо двух упомянутых выше отдельных деталей;
на фиг 4 - устройство заряженного ствола огнестрельного оружия с зарядной каморой гильзового раздельного заряжания, фрагмент продольного разреза;
на фиг. 5 - схема работы устройства по фиг.2, где p₁, p_1cт, p₂, р_2ст и р_2дин - давление продуктов сгорания метательного заряда, соответственно суммарное и его статическая составляющая в пространстве для размещения метательного заряда, суммарное и его статическая и динамическая составляющие в пространстве между перфорированной перегородкой и дном снаряда или пули (в варианте по фиг.3 - во внешнем по отношению к стакану-контейнеру заснарядном пространстве).

Ствол огнестрельного оружия содержит (см. фиг.1) трубу 1 с казенной частью 2 и затвор 3. Часть канала трубы 1 занимает зарядная камора, включающая в себя пространство для размещения, по крайней мере, задней части снаряда или пули без пыжа-контейнера или с ним (далее обобщенно - "снаряда") 4 (на чертежах показана его фиксация от преждевременного осевого перемещения в сторону дульной части началом нарезного участка) и пространство для размещения метательного (по артиллерийской терминологии - "боевого") заряда 5, в данном примере - безгильзового, картузного, порохового заряда 5.

В зарядной каморе между пространством для размещения заряда 5 (вместе с оболочкой-картузом) и пространством для размещения части снаряда 4 (или снаряда 4 целиком), в общем случае с зазором "δ" установлена, с упором в выступ 6 трубы 1, переходный от пространства для размещения заряда 5 к пространству для размещения снаряда 4, перегородка 7 толщиной "b". Выступом 6 может служить участок при вершине опорного конуса зарядной каморы орудий с раздельным гильзовым заряжанием (см. [1, с. 93, рис.23]), что условно показано на фиг. 4, переходный конус зарядной каморы орудий, предназначенных ранее для унитарного гильзового заряжания (см. [1, с. 93, рис.22]), как базовых, и т.д.

Перегородка 7 перфорирована множеством продольно ориентированных (по отношению к оси канала ствола), сквозных отверстий 8 диаметром "d₀". Величина "d₀" меньше нормированного (стандартного) минимального размера частиц заряда 5 (ширины пластинчатого или диаметра трубчатого порохового зерна) при сыпучей структуре последнего (см. источник [1, с. 183, рис. 166]). Отношение толщины перегородки 7 к диаметру отверстий 8 составляет не менее четырех: b/d₀≥4. При этом оптимальным следует считать отношение b/d₀=5 (пять). Отверстия 8 должны быть, по возможности, равноудалены друг от друга, а коэффициент перфорации (отношение суммарной площади отверстий 8 к площади перегородки 7 на внутреннем диаметре d) - максимально возможным по условию прочности (неразрушению перемычек между отверстиями 8). Перегородку 7, особенно многоразового использования (т.к. она может быть и одноразовой) рекомендуется изготовлять металлической, преимущественно стальной.

При картузном заряжании (см. фиг.1, 2) в затворе 3 предусмотрено гнездо (по артиллерийской терминологии - специальная камора) 9 для установки капсюля-воспламенителя или вытяжной трубки с ее корпусом (см. источник [1, с. 171]).

В примере конструктивного исполнения устройства по фиг.2 между перегородкой 7 и затвором 3 установлена распорная трубка (втулка) 10, с образованием двухслойной структуры стенки зарядной каморы на длине пространства для размещения заряда 5 (слои 2 и 10).

Двухслойность на длине пространства для размещения заряда 5 будет иметь место и в варианте устройства с конструктивным объединением перегородки 7 и трубки (втулки) 10 в одну деталь - стакан-контейнер со стенкой 11 - аналогом трубки 10 (см. фиг.3). При этом стакан-контейнер 7,11 может быть выполнен как П-образным в продольном сечении, так и с частично закрытым, например завальцовкой вовнутрь торцом, противоположным перегородке 7 (на чертежах не показано). Стакан-контейнер 7,11 может монтироваться уже снаряженный зарядом 5.

Если при безгильзовом заряжании внутренняя поверхность трубки 10 или стенки 11 может быть цилиндрической (как наиболее технологичный вариант), то при гильзовом заряжании (а это возможно в принципе при переделке зарядной каморы или уменьшении диаметра гильзы, например использовании меньшего калибра) она должна повторять форму наружной поверхности гильзы (как правило, укороченной) с зарядом 5, в частности иметь такую же конусность (конусности) для беззазорного соединения "гильза - трубка 10 или стенка 11".

В связи с этим ствол может иметь сменные детали - трубку 10 или стакан-контейнер 7,11 разной геометрии (конфигурации).

Наружные поверхности трубки 10 или стенки 11 и находящаяся в плотном контакте с ними внутренняя поверхность казенной части 2 трубы 1 также могут иметь конусность для обеспечения монтажа-демонтажа казенной части ствола.

При раздельном гильзовом заряжании в зарядной каморе размещен заряд 5 уже в гильзе (как правило, укороченной штатной), снабженной ударным капсюлем-воспламенителем (по существующей схеме, но при отсутствии несгораемых пыжей, ибо вместо них вне гильзы установлена перегородка 7).

Однако, как правило, гильзовое раздельное заряжание предполагает упрощенную конструкцию, с перегородкой 7 и без трубки 10, не требующую переделки оружия (см. фиг.4). В ней укороченная на величину "b" гильза 12 установлена с боковым контактом со стенкой 2 и с упором открытого торца в торец дисковой перфорированной перегородки (или с минимальным зазором между ними). В этом случае гильза 12 сама выполняет распорную (фиксирующую в осевом направлении) функцию трубки 10 в варианте по фиг.2. В варианте по фиг.4 гнездо 9 служит для обеспечения инициирования капсюля-воспламенителя, встроенного в гильзу 12. Возможно и иное конструктивное оформление этой зоны затвора 3.

Описанные примеры конструктивного выполнения заявляемого устройства не исключают других возможных вариантов в рамках формулы изобретения.

В частности, предусмотрены следующие обобщения: вместо порохового метательного заряда 5 - иной метательный заряд, не отнесенный к порохам (при этом оговоренные выше ограничения размеров отверстий 7 по геометрическим размерам зерен пороха требуют указания на сыпучую структуру метательного заряда).

Устройство работает следующим образом.

При инициировании заряда 5 устройством воспламенения (в гнезде 9) продукты сгорания заряда 5 (далее для простоты изложения - "газы") в пространстве между затвором 3 и перегородкой 7 (далее - "пространство слева от перегородки 7", согласно фиг.1) перетекают через отверстия 8 в заснарядное пространство, которое с момента превышения сил давления на дно снаряда 4 над силой трения (сопротивления) покоя, с учетом усилия деформации снаряда 4 (его направляющих поясков, продольных или иных выступов), усилия врезания в нарезку канала ствола 1 (при нарезном стволе 1, как это показано на чертежах) и инерции снаряда 4 начинают увеличиваться пропорционально ее перемещению в канале ствола. При этом в соответствии с уравнением Бернулли и за счет указанного выше рационального эмпирически полученного отношения толщины "b" перегородки 7 (а значит, и длины отверстий-каналов 8) к диаметру "d₀" отверстий 8, включая оптимальное для формирования правильной струи в каждом отверстии 8 отношение, равное пяти, в основном статическое (разнонаправленное в динамике) давление p₁ (р_1ст) в пространстве слева от перегородки 7 преобразуется в преимущественно динамическое давление р₂ (р_2дин существенно больше, чем р_2ст) в заснарядном пространстве (см. фиг.5).

Газы, сформировавшись в системе отверстий 7 в параллельные струи, движутся после среза отверстий 8 (т.е. после перегородки 7), в заснарядном пространстве параллельными струями (см. фиг.5) и оказывают динамическое давление на дно снаряда 4, сообщая ему ускорение в осевом направлении, превышающее то ускорение, которое имело бы место под действием статического давления р_1ст.

Минимальное по условию прочности перемычек расстояние между отверстиями 8 обеспечивает минимум турбулизирующих влияний со стороны газов, находящихся между струями, что позволяет дольше сохранить сформировавшийся характер течения.

В увеличивающемся зазоре на участке δ≤8 d (также экспериментальные данные) не происходит существенной турбулизации и снижения динамической составляющей р_2дин в общем давлении р₂.

Одновременно происходит как побочный положительный эффект снижение давления на стенки канала ствола 1 вследствие уменьшения доли статической составляющей р_2ст в общем давлении р₂. Это согласуется со стремлением к уменьшению толщины стенок ствольных труб.

Еще к одному побочному положительному эффекту, связанному с перераспределением давления p₂ в пользу динамической составляющей р_2дин, следует отнести и улучшение условий обтюрации газов.

В процессе истечения газов из полости контейнера в заснарядное пространство перфорация не пропускает еще не сгоревшие частицы заряда 5 в заснарядное пространство, а реактивная сила уменьшает силу давления (под действием p₁) перегородки 7 в упор 6, помогая силе давления газов на внутреннюю поверхность задней торцевой стенки (в варианте с завальцованным торцом стакана-контейнера 7,11).

Следует отметить, что в варианте со стаканом-контейнером, выполненным с задней торцевой стенкой, имеет место замыкание части сил в его теле, что разгружает внешние детали.

Положительно решается вопрос дульного пламени, демаскирующего положение оружия (вплоть до отказа от пламягасителя).

Уменьшение энергии газов после вылета снаряда из ствола снижает газодинамическую составляющую шума выстрела.

Таким образом, использование заявленного устройства позволяет улучшить технико-экономические характеристики огнестрельного оружия путем:
- повышения эффективности (КПД) использования метательного заряда и соответственно боевой эффективности оружия или снижения потребной массы заряда за счет обеспечения в основном динамического воздействия продуктов его сгорания на снаряд или пулю и уменьшения доли остаточной энергии продуктов сгорания после вылета снаряда или пули из канала ствола (с вытекающим отсюда устранением острой необходимости оборудования оружия пламягасителями и устройствами для снижения шума выстрела);
- снижения статического воздействия продуктов сгорания на другие поверхности, ограничивающие заснарядное пространство;
При этом следует учитывать наличие масштабного фактора: с ростом калибра d оружия эффективность использования данного изобретения возрастает. Поэтому и рекомендуется использовать его прежде всего в тяжелой артиллерии и артиллерии большой и особой мощности, т.е. при калибре d свыше 100 мм.

Описанный положительный эффект подтвержден экспериментальными исследованиями с участием авторов.

Источники информации
1. Надин В.А., Скорик И.А., Шегерян В.М. Артиллерия. - М.: Изд-во ДОСААФ, 1972. - 335 с., ил.

2. Ардашев А.Н. Оружие специальное, необычное, экзотическое: Иллюстрированный справочник. / А.Н. Ардашев, С.Л. Федосеев. - М.: ООО "Издательство Астрель": ООО "Издательство "ACT", 2001. - 320 с.: ил. (Военная техника). - С. 233-234.

3. GB 2221522 A, F 41 F 1/00, 07.02.1990 (прототип).

Изобретение относится к гладким или нарезным стволам артиллерийских орудий и ручного огнестрельного оружия, главным образом к орудиям калибра св. 100 мм и неавтоматическому оружию для спецопераций. Ствол огнестрельного оружия содержит трубу с казенной частью и зарядной каморой. Последняя включает в себя пространство для размещения, по меньшей мере, части снаряда или пули (далее - "снаряда") и пространство для размещения метательного заряда (МЗ) в гильзе, в картузе или россыпью (далее - "для размещения МЗ"). В зарядной каморе между пространствами для размещения МЗ и снаряда установлена перегородка (П) толщиной b. П выполнена с перфорацией в виде множества продольно ориентированных сквозных отверстий диаметром d₀, величина которого меньше нормированного минимального размера частиц метательного заряда при сыпучей структуре последнего, а отношение b/d₀≥4. Оптимально - b/d₀=5. При этом рекомендуется максимально возможный коэффициент перфорации по условию прочности перемычек между ее отверстиями. П может упираться в поверхность канала ствола. Частные варианты конструкции предполагают наличие распорной трубки между затвором казенной части и П или конструктивное объединение П и распорной трубки в одну деталь - стакан-контейнер. За счет рационального отношения b/d₀ в основном статическое давление в пространстве перед П преобразуется в преимущественно динамическое давление в заснарядном пространстве. Газы, сформировавшись в системе отверстий перфорации в параллельные струи, эффективно перемещают снаряд в канале ствола. Использование изобретения позволяет повысить могущество выстрела, частично разгрузить стенки канала ствола, уменьшить долю остаточной энергии газов после вылета снаряда ствола (с вытекающим отсюда устранением острой необходимости оборудования оружия пламягасителями и устройствами для снижения шума выстрела). При этом эффективность возрастает пропорционально росту калибра оружия. 5 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Ствол огнестрельного оружия, содержащий трубу с казенной частью и зарядной каморой, включающей в себя пространство для размещения, по меньшей мере, части снаряда или пули, отделенное перегородкой от пространства для размещения метательного заряда в гильзе, в картузе или россыпью, отличающийся тем, что перегородка выполнена с перфорацией в виде множества продольно ориентированных сквозных отверстий диаметром, величина которого меньше нормированного минимального размера частиц метательного заряда при сыпучей структуре последнего, а отношение толщины перегородки к диаметру отверстия равно или больше 4. 2. Ствол по п.1, отличающийся тем, что толщина перегородки превышает диаметр отверстия в пять раз. 3. Ствол по п.1, отличающийся тем, что перегородка выполнена с максимально возможным коэффициентом перфорации по условию прочности перемычек между ее отверстиями. 4. Ствол по п.1, отличающийся тем, что перегородка установлена с упором в поверхность канала ствола, например, при вершине упорного конуса при раздельном гильзовом заряжании. 5. Ствол по п. 4, отличающийся тем, что между перегородкой и затвором установлена распорная трубка, образуя двухслойную структуру стенки зарядной каморы на длине пространства для размещения метательного заряда. 6. Ствол по п.5, отличающийся тем, что перегородка и распорная трубка конструктивно объединены в стакан-контейнер.