БОЕПРИПАС Российский патент 2004 года по МПК F42B5/00 F42B7/00 

Изобретение относится к боеприпасам (патронам) для огнестрельного, преимущественно нарезного и гладкоствольного стрелкового и артиллерийского оружия (пушкам, пистолетам, пистолетам-пулеметам и т.д.).

Известна возникшая в 1944 году идея боеприпасов с системой "высокое-низкое давление": перфорированная перегородка разделяет заснарядное пространство на две полости, вследствие чего происходит понижение статического давления газов после их дросселирования через перфорацию из первой камеры во вторую [1].

Эта идея реализована, в частности, в боеприпасах: в некоторых 40-миллиметровых австрийских и германских гранатах [1, с. 66-73], боеприпасах к гладкоствольному стрелковому охотничьему и др. оружию [2-7].

В частности, известен боеприпас (американская разработка) для гладкоствольного стрелкового оружия, содержащий снаряд, гильзу, устройство воспламенения метательного заряда и контейнер с метательным зарядом, установленный между снарядом и дном гильзы с упором в фиксатор и выполненный с перфорацией передней торцевой стенки, обращенной к снаряду, в виде множества продольно ориентированных, сквозных отверстий, а также отверстием в задней торцевой стенке для заполнения контейнера метательным зарядом [4].

В нем снаряд выполнен в виде контейнера с дробовым зарядом, гильза - цилиндрической формы, отверстие в задней торцевой стенке контейнера заглушено резьбовой пробкой со встроенным в нее упомянутым устройством воспламенения метательного заряда в виде ударного капсюля-воспламенителя, контейнер расположен между снарядом и дном гильзы частично, а частично - заполняет собой всю центральную часть дна гильзы, при этом он установлен с зазором со стенкой гильзы и связан с дном гильзы резьбовым соединением, а толщина передней торцевой стенки меньше толщины цилиндрической стенки контейнера (на основании иллюстраций) и превышает диаметр отверстий его перфорации не более чем в 2,5 раза (на основании иллюстраций, описанных физических процессов и эффекта). При этом перфорированный контейнер (с пробкой и устройством воспламенения) имеет прямоугольную форму в продольном сечении.

Известны также боеприпасы различных калибров (патроны) для нарезного стрелкового оружия, с цилиндрической гильзой и без упомянутой выше системы "высокое-низкое давление", в частности российский пистолетный патрон 9-мм "Макаров" [1, с.24].

Наиболее близким к заявленному изобретению по назначению и совокупности конструктивных признаков (прототипом) является боеприпас (российская разработка), содержащий снаряд или пулю, гильзу, устройство воспламенения метательного заряда и контейнер с метательным зарядом, установленный между снарядом или пулей и дном гильзы без зазора с ее стенкой и с упором в ее дно и выполненный с перфорацией передней торцевой стенки, обращенной к снаряду или пуле, в виде множества продольно ориентированных, сквозных отверстий, а также с задней торцевой стенкой, частично открытой для заполнения контейнера упомянутым метательным зарядом и для связи с устройством воспламенения [6].

В нем, как и в описанной выше разработке-аналоге [4], снаряд в виде дробового или иного заряда или пули, преимущественно в пыже-контейнере, размещают в части внутреннего объема цельной гильзы цилиндрической формы, устройство воспламенения метательного заряда выполнено в виде ударного капсюля-воспламенителя.

В то же время в нем контейнер с метательным зарядом выполнен прямоугольным в продольном сечении, капсюль-воспламенитель встроен в дно гильзы (классическая схема), толщина передней торцевой стенки соразмерна с толщиной цилиндрической стенки контейнера (на основании иллюстраций) и превышает диаметр отверстий ее перфорации не более чем в 1,5-2 раза (на основании иллюстраций, происходящих физических процессов и эффекта в соответствии с поставленной задачей), причем коэффициент перфорации существенно меньше максимально возможного (геометрически) его значения (суммарная площадь отверстий находится в пределах 1/3 площади миделева сечения пространства, занимаемого снарядом или пулей), а количество отверстий и их диаметр выбирают с учетом требуемой зависимости давления (продуктов сгорания метательного заряда) в увеличивающемся, по мере движения снаряда или пули, заснарядном пространстве по длине канала ствола.

Устройство-прототип направлено на улучшение технико-эксплуатационных и экономических показателей за счет повышения полноты сгорания метательного заряда, снижения давления на цилиндрическую стенку гильзы и др. положительных моментов.

Однако в устройстве-прототипе существенное понижение давления продуктов сгорания метательного заряда (в данном случае - пороховых газов) в полости контейнера при ее дросселировании через относительно короткие отверстия перфорации не сопровождается существенным преобразованием статической составляющей давления p₁ в динамическую составляющую р_дин=0,5ρ•v² (где ρ - плотность продуктов сгорания метательного заряда, v - скорость их потока) в общем балансе (р_ст+р_дин) в соответствии с уравнением Бернулли, во внешнем для контейнера заснарядном объеме. Соответственно давление распределяется по поверхностям стенок, ограничивающих указанный объем, части передней торцевой стенки и снаряда практически равномерно. Таким образом, энергия продуктов сгорания метательного заряда используется для сообщения снаряду ускорения недостаточно эффективно: через статическое в основном, причем уменьшенное вследствие тепловых потерь и редукции в перфорации, давление во внешнем для контейнера заснарядном объеме. Соответственно недостаточно используются возможности повышения начальной скорости снаряда или пули при сохранении массы метательного заряда или сокращение массы метательного заряда при сохранении начальной скорости снаряда или пули.

К недостаткам устройства-прототипа можно отнести также недостаточно высокую технологичность конструкции (составной контейнер с регулируемым объемом, система пыжей), разумеется, с учетом решаемых задач и разновидности боеприпаса, и неприспособленность конструкции для пистолетных и подобных им патронов с цилиндрическими гильзами.

Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является улучшение технико-экономических характеристик устройства путем:
- повышения КПД использования метательного заряда и соответственно могущества выстрела 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;
- снижения статического воздействия продуктов сгорания на другие поверхности, ограничивающие заснарядное пространство;
- повышения технологичности конструкции применительно к патронам с цилиндрическими гильзами, главным образом пистолетов и пистолетов-пулеметов с нарезными стволами (в частности, к патрону 9-мм "Макаров") и артиллерийских систем, использующих боеприпасы раздельного заряжания.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в боеприпасе, содержащем снаряд или пулю или их систему, гильзу, устройство воспламенения метательного заряда и контейнер с метательным зарядом, установленный между снарядом или пулей и дном гильзы без зазора с ее стенкой и с упором в ее дно или в иной ограничитель и выполненный с перфорацией передней торцевой стенки, обращенной к снаряду или пуле, в виде множества продольно ориентированных, сквозных отверстий, а также с задней торцевой стенкой, частично открытой для заполнения контейнера упомянутым метательным зарядом и связи с устройством воспламенения, толщина b передней торцевой стенки контейнера и диаметр d₀ отверстий ее перфорации выполнены в соотношении b/d₀ в диапазоне от 4 до 6.

Решение поставленной задачи достигается также за счет дополнительных конструктивных признаков (при сформулированной выше основной совокупности признаков):
- может быть соблюдено соотношение b/d₀=5 (это оптимальное соотношение, условие формирования наиболее геометрически правильной, стабильной струи на выходе отверстия перфорации и соответственно максимального эффекта от преобразования статической составляющей давления в динамическую, ибо дальнейшее увеличение диаметра сопровождается постепенным ростом потерь на трение);
- передняя торцевая стенка контейнера может быть выполнена с максимально возможным коэффициентом перфорации по условию прочности перемычек между ее отверстиями (это обусловливает максимальный, при прочих равных условиях, эффект преобразования статической составляющей давления в динамическую за счет максимального использования площади передней торцевой стенки на диаметре, равном внутреннему диаметру контейнера);
- суммарная площадь отверстий перфорации передней торцевой стенки контейнера может превышать суммарную площадь отверстий или окон в задней его торцевой стенке преимущественно в два раза, при этом диаметр d₀ должен быть предпочтительно меньше нормированного минимального размера частиц метательного заряда при сыпучей структуре последнего (указанным соотношением площадей обеспечивается достаточно надежное поджатие контейнера реактивной силой струй через перфорацию к дну гильзы, а рекомендуемыми размерами поперечного сечения отверстий перфорации - задержка сгорающих и еще не сгоревших частиц метательного заряда в полости контейнера);
- контейнер может быть установлен в гильзе с легкой прессовой посадкой (этим обеспечивается, с одной стороны, сила трения покоя, необходимая для сохранения положения контейнера, предотвращения его вылета вслед за снарядом или пулей при работе устройства, а с другой стороны - необходимая прочность системы цилиндрических стенок гильзы и контейнера и соответственно возможность выполнения цилиндрической стенки контейнера более тонкой).

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 боеприпаса пояснено на чертежах:
на фиг. 1 изображен боеприпас в сборе, продольный разрез, где D₁ и D₂ - соответственно наружный и внутренний диаметры цилиндрической стенки гильзы, D_к1 и D_к2 - соответственно наружный и внутренний диаметры цилиндрической стенки контейнера, d - калибр боеприпаса (снаряда или пули), d₀ - диаметр отверстий перфорации передней торцевой стенки, d₁ - диаметр отверстия или характерный размер окна в задней торцевой стенке контейнера, b - толщина передней торцевой стенки и одновременно длина отверстия (канала) ее перфорации, δ - зазор между донцем снаряда или пули и передней торцевой стенкой контейнера; R - радиус кривизны завальцовки заднего торца контейнера с образованием его задней торцевой стенки;
на фиг.2 представлен фрагмент фиг.1 (повернуто на 90^o по часовой стрелке) с укрупненным изображением перфорации передней торцевой стенки контейнера, где p₁, p_1ст, p₂, р_2ст и р_2дин - давление продуктов сгорания метательного заряда соответственно суммарное и его статическая составляющая в полости контейнера, суммарное и его статическая и динамическая составляющие во внешнем по отношению к контейнеру заснарядном пространстве.

Представленный пример устройства представляет собой модернизацию пистолетного патрона 9-мм "Макаров" (с соблюдением геометрических пропорций на чертежах за исключением условно увеличенного диаметра отверстий перфорации).

Патрон содержит (см. фиг.1) гильзу 1 с цилиндрической стенкой с наружным и внутренним диаметрами D₁ и D₂ соответственно и дном, в которое встроен ударный капсюль-воспламенитель 2 с затравочными отверстиями (каналами) 3. В гильзу встроена (с обжатием) калиберная пуля 4. Между пулей 4 и донцем гильзы 1 установлен металлический контейнер 5. Он вставлен в гильзу 1 с ее открытого торца до установки пули 4, причем без зазора с ее стенкой (d_к1≈D₂), предпочтительно с легкой прессовой посадкой и с упором задней торцевой стенки контейнера 5 в дно гильзы 1. При этом между донцем пули 4 и передней торцевой стенкой контейнера 5 может быть предусмотрен, при необходимости, зазор δ.
В передней торцевой стенке контейнера 5 выполнена перфорация в виде множества продольно ориентированных, сквозных отверстий (каналов) 6. Толщина b передней торцевой стенки и диаметр d₀ отверстий 6 находятся в соотношении b/d₀ в диапазоне от 4 (четырех) до 6 (шести), оптимально b/d₀=5. Диаметр d₀ должен быть предпочтительно меньше нормированного (стандартного) усредненного минимального размера частицы (диаметра порохового зерна). В частности, при используемых в настоящее время пластинчатых порохах диаметр d₀ составляет примерно от 0,4 до 2,0 мм, для патрона, принятого за базовый, d₀=0,4 мм. При этом отверстия 6 должны быть, по возможности, равноудалены друг от друга, а коэффициент перфорации (отношение суммарной площади отверстий 6 к площади передней торцевой стенки на внутреннем диаметре D_к2 контейнера 5) - максимально возможным по условию прочности (неразрушению перемычек между отверстиями 6).

Задняя торцевая стенка стакана 5, т.е. противоположная его перфорированной стенке, выполнена частично открытой - с шайбой 7, встроенной в расточку и завальцованной, по форме дна гильзы 1, с радиусом R, с образованием отверстия 8 диаметром d₁. Смысл отверстия 8 состоит в обеспечении возможности, во-первых, размещения порохового метательного заряда в контейнере 5 (заполнения контейнера пороховыми зернами) до установки шайбы 7 и, во-вторых, воспламенения заряда от устройства 2 (см. далее). Как рациональный вариант, суммарная площадь отверстий 6 должна превышать площадь отверстия 7 преимущественно в 2 (два) раза. Таким образом, в полости контейнера 5 размещен пороховой метательный заряд 9.

Описанный пример конструктивного выполнения заявляемого устройства не исключает других возможных вариантов в рамках формулы изобретения.

В частности, предусмотрены следующие обобщения: вместо пистолетного патрона может быть иной боеприпас для стрелкового или артиллерийского нарезного или гладкоствольного оружия; вместо пули 4 (пулевого снаряда) - либо иной снаряд, например артиллерийский или контейнер с дробью, либо система пуль или снарядов, например тандемная их система; вместо порохового метательного заряда 9 - иной метательный заряд, не отнесенный к порохам (при этом оговоренные выше ограничения размеров отверстий 6 по геометрическим размерам зерен пороха требуют указания на сыпучую структуру метательного заряда); вместо ударного капсюля-воспламенителя 2 - иное устройство воспламенения метательного заряда, например электрокапсюль; контейнер 5 может упираться в иной ограничитель осевого перемещения, чем в дно гильзы 1; возможно другое оформление задней торцевой стенки контейнера 5 (вместо отверстия 8 - два разнесенных отверстия, расположенных напротив отверстий 3; окно или окна с характерным размером, эквивалентным диаметру d₁, при этом оговоренное выше условие превышения суммарной площади перфорации передней торцевой стенки контейнера 5 над площадью отверстия 8 трансформируется в условие превышения суммарной площади перфорации над суммарной площадью отверстий или окон 8; и т.д.).

Устройство работает следующим образом.

При инициировании заряда 9 устройством 2 продукты сгорания заряда 9 (далее для простоты изложения - "газы") в полости контейнера 5 перетекают через отверстия 6 в заснарядное пространство, которое с момента превышения сил давления на донце пули 4 над силой трения (сопротивления) покоя с учетом усилия врезания в нарезы ствола (при нарезном стволе) и инерции пули 4, начинает увеличиваться пропорционально ее перемещению в канале ствола оружия. При этом в соответствии с уравнением Бернулли и за счет указанного выше рационального эмпирически полученного отношения ширины b передней торцевой стенки контейнера 5 (а значит, и длины отверстий-каналов 6) к диаметру d₀ отверстий 6 от 4 до 6, включая оптимальное для формирования правильной струи отношение, равное пяти, в основном статическое (разнонаправленное в динамике) давление р₁ (p_1cт) в полости контейнера 5 преобразуется в преимущественно динамическое давление р₂ (р_2дин существенно больше, чем р_2ст) в заснарядном пространстве.

Газы, сформировавшись в системе отверстий 6 в параллельные струи, движутся, после среза отверстий 6 (т.е. после передней торцевой стенки), в заснарядном пространстве параллельными струями (см. фиг.2) и оказывают динамическое давление на донце пули 4, сообщая ей ускорение в осевом направлении, превышающее то ускорение, которое имело бы место под действием статического давления.

Минимальное по условию прочности перемычек расстояние между отверстиями 6 обеспечивает минимум турбулизирующих влияний со стороны газов, находящихся между струями, что позволяет дольше сохранить сформировавшийся характер течения.

На участке δ≤8 d (также экспериментальные данные) не происходит существенной турбулизации и снижения динамической составляющей р_2дин в общем давлении р₂ в заснарядном пространстве.

Одновременно происходит, как побочный положительный эффект, снижение давления на цилиндрическую стенку гильзы 1 вследствие уменьшения доли статической составляющей р_2ст в общем давлении р₂.

Это согласуется с одной из основных тенденций в устройствах-аналогах с системой "высокое-низкое давление", а именно - облегчением корпуса гильзы, обеспечением возможности использования тонких корпусных деталей гильзы.

Еще к одному побочному положительному эффекту, связанному с перераспределением давления р₂ 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 9 в заснарядное пространство, а реактивная сила помогает силе давления газов на внутреннюю поверхность задней торцевой стенки поджимать контейнер 5 к дну гильзы 1 и удерживать ее (в дополнение к силе трения покоя и инерции) от перемещения вслед за пулей 4.

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 устройства путем:
- повышения КПД использования метательного заряда и соответственно могущества выстрела 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 приборами бесшумной стрельбы);
- снижения статического воздействия продуктов сгорания на другие поверхности, ограничивающие заснарядное пространство;
- повышения технологичности конструкции применительно к патронам с цилиндрическими гильзами, главным образом пистолетов и пистолетов-пулеметов с нарезными стволами (в частности, к патрону 9-мм "Макаров").

При этом следует учитывать наличие масштабного фактора: с ростом калибра d боеприпаса эффективность использования данного изобретения возрастает. Поэтому и рекомендуется использовать его прежде всего в тяжелой артиллерии и артиллерии большой и особой мощности, т.е. в артиллерийских боеприпасах свыше 100 мм (обычно это боеприпасы раздельного заряжания).

Описанный положительный эффект подтвержден экспериментальными исследованиями с участием авторов.

Источники информации
1. Хогг Я. Боеприпасы: патроны, гранаты, артиллерийские снаряды, минометные мины. - М.: Изд-во ЭКСМО-Пресс, 2001. - 144 с., ил. - С. 66-73, 24.

2. US 3575113, F 42 В 7/02, 26.02.1968.

3. SU 1821618 А1, F 42 В 7/00, 21.11.1990.

4. US 3687078, F 42 В 7/02, 31.03.1970.

5. RU 2151365 С1, F 42 В 7/02, 22.04.1998.

6. RU 2000109198/02 A, F 42 В 7/02, 21.04.2000 (прототип).

7. RU 2000109199/02 A, F 42 В 7/02, 21.04.2000.

Изобретение относится к боеприпасам (патронам) для огнестрельного нарезного и гладкоствольного артиллерийского и стрелкового оружия. Боеприпас содержит снаряд или пулю, гильзу, устройство воспламенения метательного заряда и контейнер с метательным зарядом. Контейнер установлен между снарядом и дном гильзы без зазора с ее стенкой и с упором в ее дно или в иной ограничитель. При этом контейнер выполнен с перфорацией передней торцевой стенки, обращенной к снаряду, в виде множества продольно ориентированных, сквозных отверстий. Задняя торцевая стенка контейнера частично открыта для его заполнения метательным зарядом и для связи с устройством воспламенения. Толщина b передней торцевой стенки контейнера и диаметр d₀ отверстий ее перфорации выполнены в соотношении b/d₀ в диапазоне 4 - 6, оптимально 5. Передняя торцевая стенка контейнера может быть выполнена с максимально возможным коэффициентом перфорации по условию прочности перемычек между ее отверстиями. Рекомендуется превышение суммарной площади отверстий перфорации передней торцевой стенки контейнера над суммарной площадью отверстий или окон в задней его торцевой стенке преимущественно в два раза, при этом диаметр d₀ должен быть меньше нормированного минимального размера частиц метательного заряда при сыпучей структуре последнего. Предпочтительна установка контейнера в гильзе с легкой прессовой посадкой. Использование заявленного изобретения позволяет улучшить технико-экономические характеристики боеприпаса. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Боеприпас, содержащий снаряд или пулю, или их систему, гильзу, устройство воспламенения метательного заряда и контейнер с метательным зарядом, установленный между снарядом или пулей и дном гильзы без зазора с ее стенкой и с упором в ее дно или в иной ограничитель и выполненный с перфорацией передней торцевой стенки, обращенной к снаряду или пуле, в виде множества продольно ориентированных, сквозных отверстий, а также с задней торцевой стенкой, частично открытой для заполнения контейнера упомянутым метательным зарядом и для связи с устройством воспламенения, отличающийся тем, что толщина b передней торцевой стенки контейнера и диаметр d₀ отверстий ее перфорации выполнены в соотношении b/d₀ в диапазоне от 4 до 6.2. Боеприпас по п.1, отличающийся тем, что в нем соблюдено соотношение b/d₀=5.3. Боеприпас по п.1, отличающийся тем, что передняя торцевая стенка контейнера выполнена с максимально возможным коэффициентом перфорации по условию прочности перемычек между ее отверстиями.4. Боеприпас по п.1, отличающийся тем, что суммарная площадь отверстий перфорации передней торцевой стенки контейнера превышает суммарную площадь отверстий или окон в задней его торцевой стенке, преимущественно в два раза, при этом диаметр d₀ меньше нормированного минимального размера частиц метательного заряда при сыпучей структуре последнего.5. Боеприпас по п.1, отличающийся тем, что контейнер установлен в гильзе с легкой прессовой посадкой.