за счет чего вылетает пуля
Новое в блогах
ЗА ДОЛИ СЕКУНДЫ ЧЕТЫРЕ ПЕРИОДА ВЫСТРЕЛА
Явление выстрела включает следующие процессы:
— образование пороховых газов;
— врезание ведущих поясков в нарезы;
— поступательное движение пули (снаряда);
— трение ведущих поясков о поверхность канала ствола;
— вращательное движение пули (снаряда);
— расширение пороховых газов;
— движение пороховых газов;
— движение элементов боевого заряда;
— изменение состава пороховых газов;
— теплопередача от пороховых газов к стенкам ствола;
— деформация ствола, пули (снаряда), гильзы;
— износ и разгар канала ствола;
— вытеснение воздуха из канала ствола;
— движение подвижных частей автоматики оружия;
— истечение пороховых газов из канала ствола;
— образование дульной волны;
— образование дульного пламени.
Перечисленные процессы могут протекать в одном или в нескольких периодах. Так, воспламенение пороха и врезание ведущих поясков в нарезы происходит в предварительном периоде, образование дульной волны — в периоде последействия. А движение пороховых газов протекает в четырех периодах — предварительном (пиростатическом), пиродинамическом, термодинамическом и последействия. Наибольшее число процессов совершается одновременно в пиродинамическом периоде, поэтому он является наиболее сложным и общим.
Перечисленные процессы не равноценны по их роли при решении основной задачи пиродинамики, т. е. с точки зрения раскрытия характера движения снаряда в канале ствола орудия. К основным процессам явления выстрела относятся:
— образование пороховых газов;
— расширение пороховых газов;
— поступательное движение снаряда;
— истечение пороховых газов из канала ствола.
Эти процессы во внутренней баллистике изучаются подробно.
Следует отметить, что горение пороха происходит сначала в постоянном объеме, а с момента начала движения пули (снаряда) — в переменном объеме, расширение пороховых газов происходит как при горении пороха, так и после его горения.
В этом и состоит явление выстрела. Он протекает очень быстро. Так, пуля в стволе 7,62 мм магазинной винтовки Мосина образца 1891/30 гг. движется всего лишь около 0,0015 сек.
Явление выстрела характеризуется кратковременностью и сложностью, оно длится десятые и даже сотые доли секунды (0,001—0,06 сек), причем за столь короткий промежуток времени происходит множество процессов различной природы, связанных друг с другом. Во время выстрела развиваются высокие давления, достигающие тысяч атмосфер, и высокие температуры до 3000 °C.
Несмотря на кратковременность явления выстрела, его можно разделить на четыре последовательных периода.
Максимальное давление пороховых газов в стволе 5,6 мм малокалиберной винтовки и пистолета равно 130 МПа (1300 кг/кв.см), а в стволе 7,62 мм револьвера «Наган» образца 1895 года — 110 МПа (1100 кг/кв.см).
В образцах стрелково-артиллерийского вооружения обычно имеют место все перечисленные периоды и только в редких случаях, когда окончание горения пороха происходит после вылета снаряда, отсутствует термодинамический период. В минометах, как правило, отсутствует период форсирования.
Иногда после удара бойка по капсюлю выстрела может не произойти или он последует с некоторым запозданием. В первом случае происходит осечка, а во втором — затяжной выстрел.
Траектория полета пули и ее свойства. Прямой выстрел.
Баллистика
Внутренняя баллистика
Выстрел
Динамика выстрела. При ударе бойка по капсюлю боевого патрона, досланного в патронник, ударный состав капсюля взрывается, при этом, образуется пламя, которое через затравочные отверстия в дне гильзы передается пороховому заряду и воспламеняет его. При одномоментном сгорании боевого (порохового) заряда, образуется большое количество нагретых пороховых газов, которые создают высокое давление на дно пули, дно и стенки гильзы, а также на стенки канала ствола и затвор.
Выстрел происходит в сверхкороткий промежуток времени: от 0,001 до 0,06 секунды и делится на четыре последовательных периода:
Внутренняя баллистика: выстрел, четыре периода выстрела
Предварительный период выстрела. Длится с момента возгорания порохового заряда патрона до момента полного врезания пули в нарезы канала ствола. На протяжении этого периода, в канале ствола создается давление газов достаточное для того, чтобы сдвинуть пулю с места и преодолеть сопротивление ее оболочки врезанию в нарезы канала ствола. Такой тип давления называется давлением форсирования, которое достигает значения 250 — 600 кг/см² в зависимости от веса пули, твердости ее оболочки, калибра, типа ствола, количества и типа нарезов.
Затем, вследствие очень быстрого увеличения скорости движение пули, объем запульного пространства увеличивается быстрее притока новых газов, вследствие чего давление начинает падать: к концу периода оно равно приблизительно 2/3 максимального давления. Скорость движения пули постоянно возрастает и к концу периода достигает приблизительно 3/4 начальной скорости. Пороховой заряд полностью сгорает незадолго до того, как пуля вылетит из канала ствола.
Начальная скорость пули
Вес пули. Чем он меньше, тем больше ее начальная скорость.
Длина ствола. Чем она больше, тем больший промежуток времени пороховые газы действуют на пулю, соответственно, тем больше ее начальная скорость.
Температура порохового заряда. С понижением температуры, начальная скорость пули уменьшается, с повышением — увеличивается в связи с увеличением скорости горения пороха и значением давления. При нормальных погодных условиях, температура порохового заряда примерно равна температуре воздуха.
Вес порохового заряда. Чем больше вес порохового заряда патрона, тем большее воличество пороховых газов, воздействующих на пулю, тем большее давление в канале ствола и, соответственно — скорость полета пули.
Влажность порохового заряда. При ее повышении, уменьшается скорость горения пороха, соответственно, скорость пули снижается.
Отдача
Еще раз о правильной пуле
Тема «правильной» пули не только интересна, но и актуальна
Хотя, честно говоря, ни одна из существующих пуль, на мой взгляд, не имеет права на такое звание, но это с одной стороны. С другой же, почти каждая из них при определенных условиях может выполнить свою «работу» лучше других и для этого конкретного случая станет «правильной». Немножко заумно, но, наверное, понять можно. Вопросы убойного действия пуль занимали меня всегда, поэтому я очень внимательно прочитал статью нашего эксперта Михаила Шукиса в мартовском номере журнала «Что такое правильная пуля?» Я согласен с автором, что тематические статьи при их внимательном прочтении наводят на размышления. Ими-то я и хочу поделиться с читателями. Конечно, сквозное ранение хорошо, если оно нанесено пулей, изменившей свою форму и сделавшей достаточно широкий раневой канал, а это значит, что пуля должна обладать некоторыми свойствами. Прежде всего способностью к вполне определенной деформации, которая увеличит диаметр передней части пули, а значит, и ее поперечное сечение. Но увеличение площади поперечного сечения неминуемо приведет и к многократному росту сопротивления движению в тканях животного, т. к. сопротивление растет пропорционально квадрату скорости. Чтобы такая пуля прошла навылет, ее скорость (если хотите – энергия) в туше зверя должна быть достаточной. М. Шукис считает, что поперечная нагрузка одна из основных составляющих баллистической характеристики пули. С этим отчасти можно согласиться. Почему «отчасти»? Да потому, что если мы выбираем пулю внутри одного калибра, то ее масса дает, по сути, ту же информацию, что и поперечная нагрузка, и ничего дополнительного. Кстати, позвольте внести некоторые уточнения: «поперечная нагрузка», согласно определению, это отношение массы пули в граммах к площади ее поперечного сечения, выраженной в см2, а не к квадрату диаметра. Поскольку второй составляющей в формуле площади круга является «П» – величина постоянная (П=3,14…), то ею можно было бы и пренебречь, только необходимо, чтобы все приняли это правило, иначе полученные результаты нельзя сравнивать. И тогда «золотая» поперечная нагрузка 0,250 становится неопределенной. В своей статье автор приводит численные величины поперечной нагрузки для целого ряда пуль разных калибров. Я попробовал получить эти показатели расчетом: делил массу и в граммах, и в гранах и на площадь поперечного сечения пуль, и на квадрат диаметра – и ни разу не получил табличные результаты, похоже, что с этими показателями что-то не то. Но оставим расчеты и перейдем к рассуждениям об этой характеристике.
Пули с большей поперечной нагрузкой при одинаковом коэффициенте формы медленнее теряют скорость, следовательно, при прочих равных имеют потенциально большую пробивную способность. И тем не менее возникают большие сомнения в отношении прямой зависимости между величиной поперечной нагрузки и проникающей способности пули при попадании в тушу животного. Расчетные показатели поперечной нагрузки справедливы для пули, находящейся в полете, т.е. в воздухе, либо для пули, имеющей твердую, совершенно не деформирующуюся оболочку, которая пронизывает животное, не меняя своей формы, сменив только среду движения. Когда мы рассуждаем о поражающем эффекте пули, то прежде всего интересуемся ее поведением при попадании в животное. У экспансивной пули все меняется в мышечной ткани зверя, и, естественно, поперечная нагрузка. Она резко уменьшается по вполне объяснимым причинам. Деформация значительно увеличивает диаметр пули и, соответственно, поперечное сечение, одновременно, как правило, уменьшается масса пули за счет фрагментации при ударе в животное. Исходя из определения поперечной нагрузки пули как частного от деления массы пули на площадь ее поперечного сечения, можно сделать вывод: большая поперечная нагрузка у пули, при остальных равных показателях баллистики, обладает большим потенциалом проникания в ткани животного, но вот сможет ли она реализовать свой потенциал, зависит во многом от ее конструкции, от способности к деформации и формы.
Все начинается с удара пули. Если она обладает полной и достаточно толстой оболочкой и остроносая по форме, то шок от удара не будет очень сильным. Разумеется, если калибр и мощность патрона правильно выбраны для охоты на конкретного зверя. Пуля же экспансивная максимально деформируется сразу при ударе, а не постепенно, как рисуют на картинках, сначала чуть-чуть, потом побольше, потом еще больше и, наконец, полное раскрытие к концу движения. Трудно себе представить, что, когда скорость и, естественно, энергия приближаются к нулю, деформация продолжает активно нарастать. Это подтверждает и разрывной эффект, который демонстрируют пули непрочной конструкции: они ударяют в зверя с большой скоростью и практически исчезают, нанеся только поверхностную рану. Значит, максимальной степени деформации – разрушения они достигают при ударе. Развернувшись (или раскрывшись, как будет угодно), пуля движется в таком состоянии до тех пор, пока сила сопротивления тканей не остановит ее или, если сохранилось достаточно энергии, не пройдет насквозь.
Если кто-нибудь из любознательных охотников сам вскрывал или присутствовал при вскрытии раневого канала экспансивной пули, то, видимо, отметил для себя, что сначала канал почти равен диаметру деформированной пули, затем он сильно расширяется, потом опять сужается, если пуля останавливается, или дает большое выходное отверстие, если пуля прошла навылет. Объяснение такой формы раневого канала не очень сложное. На первом этапе уже деформированная пуля движется еще достаточно быстро и проходит через ткани животного, как поршень, толкая перед собой кровь, разорванные мышечные волокна, связки и пр., т.е. создавая впереди себя дополнительную зону поражения. Но при быстром движении твердого тела в любой среде за ним образуется зона разрежения, в которую засасываются всякие мелкие элементы тех же живых тканей, через которые идет пуля. Попадая в канал движения пули и обладая некоторой энергией, они расширяют его и создают более широкую зону поражения, чем диаметр пули. А что такое широкий раневой канал? Это сильное разрушение жизненно важного органа, если пуля прошла через него, или ранение, вызывающее большую кровопотерю. В первом случае стреляное животное быстро погибает, а во втором, по крайней мере, позволяет проследить движение подранка и возможно добрать его. Для каждого вида животных существует тот объем пораженных или разрушенных тканей, который не позволяет ему жить. Правда, это не значит, что такой объем постоянен для любой части тела зверя. Чем дальше ранение от жизненно важных органов, тем большие разрушения в организме должна наносить пуля. В области сердца, легких, печени, почек, головы находятся самые крупные кровеносные сосуды и нервные узлы, поэтому относительно небольшой по диаметру раневой канал может иметь достаточное убойное действие.
Пробивная способность пули не может зависеть только от одного показателя своей баллистической характеристики. Эту способность формируют масса, калибр, скорость, деформация и плотность живых тканей, через которые ей приходится проходить. Чем лучше пуля сохранила свою массу в процессе деформации, тем более длинный и широкий раневой канал она оставит после себя. Именно поэтому конструкторы – пулевики борются за то, чтобы пуля не фрагментировалась при попадании и дальнейшем движении в туше зверя. Отделившиеся от основной массы фрагменты, как более легкие и имеющие неправильную форму, вроде бы и создают дополнительную зону поражения, но она значительно уступает той, которую могла бы нанести целостная пуля, не рассыпься она на элементы. И чем больше отделяется фрагментов, тем меньший раневой канал создает облегченная часть пули. Поэтому я никак не могу согласиться с утверждением ряда авторов, описывающих действие пуль при движении в туше зверя, что разделение пули отдельно на оболочку и свинцовый сердечник усиливает убойное действие. Это самый настоящий дефект конструкции, которым, к сожалению, обладают все полуоболочечные пули отечественного производства.
Что мы видим на рисунке? Тонкая оболочка, чуть утолщенная в донной части, покрывает свинцовый сердечник. Он удерживается внутри полости пули только конусной частью оболочки. При попадании в зверя оголенный свинец вдавливается внутрь оболочки, рвет ее изнутри, разрушая в первую очередь именно конусную часть, и открывает выход всему сердечнику. Обладая значительно большей массой, чем оболочка, а значит, и большей инерцией, сердечник вылетает из оболочки и продолжает движение уже самостоятельно. А что оболочка? Легкая, да еще с рваными краями, она остается почти на том же месте, где рассталась с сердечником, и на увеличение раневого канала никакого действия уже не оказывает. Сердечник же, будучи достаточно облегченным и деформированным при первом ударе, сминается еще больше из-за мягкости материала, совсем теряет свою первоначальную форму и не проходит далеко по тканям из-за большого сопротивления. То есть тот раневой канал, который продолжает создавать сердечник, не может идти в сравнение с тем, который сделала бы целостная пуля. Хотя справедливости ради надо сказать, что бывают случаи, когда, отклонившись из-за потери формы от заданного направления движения, сердечник попадает как раз туда, куда надо. Но это не правило, а исключение, тогда как работа пули должна быть прогнозируемой.
Как летит пуля. Стабилизирующее вращение и сила Магнуса
Взаимодействие моментов при полете пули
Сила Магнуса и момент Магнуса
Двухплечевая модель рыскающего движения пули
Статически нестабильная пуля
Самовыравнивание пули вдоль набегающего потока воздуха
Выводы
Большинство людей полагает, что пули летят носиком вперед и остаются стабилизированными от дула до мишени, но это не обязательно так. На коротких дальностях большинство траекторий можно аппроксимировать до прямых линий, в то время как для больших дальностей необходимо принимать в расчет изгиб траекторий.
Большинство экспертов по стрелковому оружию принимают тот факт, что пули может болтать, когда они задевают какие-то объекты, или когда они пролетают промежуточные мишени. Тем не менее, как будет выяснено, некоторые физические условия должны быть выполнены для того, чтобы гарантировать стабильный полет, и пуля не будет стабилизироваться автоматически. Закручивание пули наделяет ее гироскопическими свойствами, которые очень важны – но не достаточны – для обеспечения стабильности пули.
Тем не менее, с точки зрения преподавания, движение вращающегося гироскопа является одним из наиболее сложных движений, с которым студенты-физики не дружат во время лекций по классической механике. Хотя движение гироскопов в целом может быть описано и полностью понято только путем тщательных математических расчетов, это вступление делает попытку описать элементы этого предмета посредством большого количества иллюстраций. Использование формул ограничено и предназначено только для тех, кто бы хотел их видеть Для объяснения некоторых основных физических терминов, используемых в статье, интересующийся читатель может обратиться к учебнику по элементарной физике.
Отметьте изменение типа потока от ламинарного к турбулентному на каннелюре пули. Можно различить по крайней мере три ударные волны. Первая и наиболее интенсивная исходит от носика пули и называется конусом Маха. Вторая ударная волна начинается от расположения каннелюры, и третья ударная волна формируется за донцем пули. Кроме того, можно увидеть высоко турбулентный поток позади донца, который называется турбулентный след. Тип потока на поверхности пули изменяется от ламинарного пограничного слоя в переднем регионе пули, который характеризуется параллельными обтекающими линиями, до турбулентного потока, демонстрирующего завихрения, начинающиеся от каннелюры.
Теневая фотография демонстрирует поле обдувания пули, в основном состоящее из ламинарной и турбулентной областей. Поле обдувания в частности зависит от скорости, с которой движется пуля, формы пули и качества ее поверхности, как от наиболее важных факторов. Поле обдувания, очевидно, стремительно изменяется, когда скорость падает ниже скорости звука, которая составляет около 115 фт/с (340 м/с) для стандартных атмосферных условий.
9-мм оболочечная пистолетная пуля (9 mm Luger FMJ), летящая немного быстрее скорости звука.
Можно заметить серьезные отличия: конус Маха все еще присутствует, но он больше не прикреплен к носику пули, и угол открытия конуса увеличился. Турбулентный след все еще виден, но пограничный слой является ламинарным от носика до донца, на всем протяжении поверхности пули.
Математические формулы, посредством которых можно определить параметры поля обдувания (к примеру, давление и скорость поля обдувания в каждом положении) хорошо известны в математике, как уравнения Навье-Стокса. Тем не менее, данные уравнения и их действительные корни являются совершенно различными вещами. Даже с помощью мощных компьютеров до сих пор удалось найти всего лишь несколько применимых решений для некоторых специфических конфигураций. В виду таких математических ограничений баллистики по всему миру рассматривают движение пули в атмосфере, не учитывая специфических характеристик поля обдувания, и применяя упрощенную точку зрения: поле обдувания характеризуется силами и моментами, действующими на тело. В общем случае, эти силы и моменты должны быть определены экспериментально, что осуществляется в процессе стрелковых экспериментов и тестированием в аэродинамических трубах.
В общем случае, тело, движущееся через атмосферу, подвергается влиянию различных сил. Некоторые из этих сил являются силами массы, и прикладываются к СG (центру тяжести) тела и зависят от массы тела и ее распределения по телу. Вторая группа сил называется аэродинамическими силами. Эти силы происходят от взаимодействия поля обдувания с пулей и зависят от формы и качества поверхности тела. Некоторые аэродинамические силы зависят от рыскания, либо от вращения, либо от обоих из них.
Так как мы пытаемся изучать движение пуль на Земле, нам необходимо принимать во внимание ее вращение. Тем не менее, формулы Ньютона для движения справедливы только в инерциальной справочной системе координат – которая либо покоится, либо движется с постоянной скоростью. Поскольку мы считаем, что пуля движется в справочной системе координат, закрепленной на вращающейся Земле, нам приходится иметь дело с системой координат, движущейся с ускорением. Но мы можем компенсировать это – и все еще использовать формулы Ньютона – добавлением двух дополнительных сил.
Взаимодействие моментов при полете пули
Гироскопический эффект может быть описан и объяснен исходя из общих законов физики и может быть подтвержден математическими вычислениями. В данный момент мы просто должны принять то, что мы наблюдаем: ввиду гироскопического эффекта продольная ось пули движется в противоположном направлении от опрокидывающего момента, как показано стрелкой на рисунке.
В общем случае из-за влияния гироскопического эффекта, ось симметрии пули будет двигаться по поверхности конуса со скоростью, вектор которой будет направлен по оси конуса. Это движение часто называется прецессией. Тем не менее, более современные источники называют это медленной модой осцилляции. Опрокидывающий момент стремиться повернуть пулю вокруг оси, которая проходит через CG и которая перпендикулярна плоскости рыскания, плоскости, сформированной вектором скорости v и продольной осью пули. При отсутствии вращения угол рыскания d будет возрастать, и пуля начнет болтаться.
Если пуля обладает существенным вращением, скажем, если она вращается достаточно быстро вокруг оси своей симметрии, будет иметь место гироскопический эффект: продольная ось пули движется в направлении опрокидывающего момента, перпендикулярно к плоскости сопротивления. Тем не менее, эта ось смещается вместе с плоскостью сопротивления, которая затем поворачивается вокруг вектора скорости.
Чтобы еще больше все усложнить, скажем, что реальное движение стабилизируемой вращением пули еще более запутано. В дополнение к этому, к медленной осцилляции добавляется еще и быстрая осцилляция.
Поверхностное трение на поверхности пули замедляет ее вращательное движение. Момент затухания вращения (также момент затухания оборачивания) рассчитывается по приведенной выше формуле. Коэффициент затухания вращения зависит от геометрии пули и типа обтекания (ламинарное или турбулентное).
Сила Магнуса и момент Магнуса
В общем случае ветровая нагрузка будет являться доминирующей аэродинамической силой. Тем не менее, существует еще несколько более мелких сил, но нам бы хотелось упомянуть только силу Магнуса, которая, как оказывается, является очень важной для стабилизации пули.
Двухплечевая модель рыскающего движения пули
Теперь мы закончили обсуждать наиболее важные силы и аэродинамические моменты, влияющие на движение пули, но пока мы не видели, как выглядит результирующее движение пули. В данный момент нас не интересует сама по себе форма траектории (поступательное движение тела), но мы хотим сконцентрироваться на вращении вокруг ЦТ. Рыскающее движение пуль, стабилизируемых вращением, производимое суммой всех аэродинамических моментов, может быть смоделировано в виде суперпозиции быстрой и медленной мод осцилляции, и наиболее простым образом может быть объяснено и понято посредством двухплечевой модели.
Представьте себе, что вы смотрите на пулю сзади, как показано на рисунке. Простая двухплечевая модель адекватно описывает рыскающее движение пули, стабилизированной вращением, происходящее от взаимодействия всех аэродинамических моментов.
Рыскающее движение может быть осознано как суперпозиция быстрой и медленной осцилляций, часто называемых нутацией и прецессией. Представьте, что вы смотрите на пулю сзади. Плечо медленной моды от CG до A должно иметь точкой вращения CG и вращается с частотой медленной моды. Таким образом, А движется по окружности вокруг (красная окружность). Плечо быстрой моды от A до T, где T – носик пули, должно иметь точкой вращения точку А и вращаться с частотой быстрой моды. Таким образом, T вращается по окружности вокруг А. Расстояние от CG до T – это проекция продольной оси пули.
В соответствии с рисунком, представьте, что вы смотрите на пулю, летящую в сторону глаза наблюдателя. Тогда носик пули движется по спиралевидной (она еще называется геликоидной) траектории, как показано на рисунке, в то время, как CG остается закрепленным в центре окружности. Носик пули периодически возвращается назад, перпендикулярно к траектории. Если это происходит, угол рыскания становится минимальным.
Данный рисунок схематически показывает основное угловое движение пули, стабилизированной вращением, вблизи от дульного среза. Представьте, что CG пули закреплен в центре системы координат, и таким образом, пуля летит в направлении глаза наблюдателя. Тогда ее носик движется по спиралевидной траектории (как показано кривыми линиями) в направлении стрелок. На дульном срезе (t=0) угол рыскания может быть маленьким, но возрастать до максимального значения примерно в 1°, уменьшаясь затем снова почти до нуля.
Отметьте, что величина успешных максимальных углов рыскания будет меньше, чем у их предшественников, так как пуля на рисунке предполагается динамически стабильной (максимальный угол рыскания уменьшается по мере того, как пуля продолжает продвигаться вперед).
Эта простая модель адекватно описывает рыскающее движение, если дополнительно принять, что частота быстрой моды превосходит частоту медленной моды, и длины плеч для медленной моды и быстрой моды для динамически стабилизированной пули постоянно укорачиваются.
ак как частота вращения w уменьшается намного медленнее, чем скорость vw, фактор гироскопической стабильности sg, как минимум вблизи от дульного среза, постоянно возрастает. Практический пример показан на рисунке 10 Этот рисунок демонстрирует фактор гироскопической стабильности для пули М80 калибра 7.62 x 51 НАТО, выстреленных под углом вылета 32° со скоростью 870 м/с из ствола с шагом нарезов в дульной части в 12 дюймов. Пуля M80 демонстрирует статическую стабильность на всем протяжении траектории полета, так как условие статической стабильности sg>1 сохраняется везде. Величина sg имеет минимальное значение 1.35 на дульном срезе.
Если, наоборот, пуля динамически нестабильна, угол рыскания увеличивается. Появление начального угла рыскания на дульном срезе вовсе не является индикатором нестабильности пули. В некоторых последних публикациях утверждения «пуля не стабилизирована» и «пуля показывает (большой) угол рыскания» используются как синонимы, что неверно. Наоборот, начальный угол рыскания на дульном срезе неизбежен и происходит из-за различных возмущений.
Равновесный угол рыскания (или рыскание покоя, также называемое равновесным рысканием) – это угол, на который отклоняется мгновенная ось прецессии от направления полета (см. рис). В результате влияния этого маленького наклона, возникает постоянный воздушный поток, который стремится отклонить пулю вправо. Таким образом, возникновение рыскания покоя является причиной, по которой пуля отклоняется вправо (для правосторонних нарезов) или влево (для левосторонних нарезов).
Поскольку мгновенное рыскание, получаемое на дульном срезе, у стабильной пули гасится, угол d становится равным рысканию покоя. Величина угла рыскания покоя обычно составляет лишь доли градуса около дульного среза, но может достигать существенных значений в верхней точке траектории, особенно для больших углов вылета.
Возникновение рыскания покоя ответственно за боковой снос стабилизируемых вращением снарядов даже при отсутствии ветра. Зависящий от вращения боковой снос также называется деривацией. Также можно показать, что для правостороннего вращения рыскание покоя лежит справа от траектории. Таким образом, носик пули описывает розочку со средним смещением вправо, что приводит к боковому сносу вправо.
Статически нестабильная пуля
Возникает вопрос, в каких случаях эти нестабильности имеют существенный практический эффект. Если говорить о коротких дистанциях до нескольких тысяч калибров, динамическую нестабильность пули определить трудно, если, конечно, не применять очень сложную технику измерений. Если пуля сильно превышает эту дальность, угол рыскания достигает существенных значений, сопротивление возрастает и кучность падает. Скорее всего, вариации от выстрела к выстрелу будут ненормальными, а траектории станут непредсказуемыми.
Измерение скорости Доплеровским радаром для стандартной пули НАТО калибра 7.62×51, выстрелянной под углом 38.7° демонстрирует быструю потерю скорости вблизи дульного среза, но осциллирующую природу скорости для полетного времени, превышающего 14 секунд. Считается, что такая осцилляция скорости с частотой 1.0. 1.6 Гц может быть объяснена прецессионной нестабильностью, приводящей к конусообразному движению пули.
С первого взгляда все выглядит нормально. Скорость пули существенно уменьшается вблизи дульного среза, и после общего времени полета примерно в 30 секунд, пуля падает на дальности более 2,5 километров. Более пристальное изучение кривой зависимости скорости от времени, начиная с 14 секунд полета, четко демонстрирует осциллирующее поведение. Увеличенный сектор кривой зависимости скорости от времени показан на нижней иллюстрации рисунка.
Расчеты показывают, что частота колебания скорости возрастает от примерно одного оборота в секунду на 20 секундах полетного времени до почти двух оборотов в секунду на 28 секундах. Нет никаких сомнений в том, что измерения при помощи Доплеровского радара не являются ошибочными. С другой стороны, мы столкнулись не с аэродинамической силой, которая может быть ответственна за ускорение или замедление пули и вызывать осцилляции скорости. Это экспериментальное наблюдение можно объяснить динамической нестабильностью пули 7.62 х 51 НАТО на низких скоростях.
Из предыдущих рисунков мы узнали, что пуля калибра 7.62 х 51 НАТО статически и динамически стабильна вблизи дульного среза. Таким образом, рыскающее движение будет затухать, и после пролета определенной дистанции рыскание, за исключением небольшого рыскания покоя (деривации), практически окажется нулевым.
Когда скорость пули существенно снизится, и она начнет лететь на дозвуковой скорости, спектр обтекания сильно изменится. Это было подтверждено экспериментальными исследованиями BRL (смотри Выводы), и одним из последствий изменения спектра обтекания станет смещение центра давления для силы Магнуса. Для сверхзвуковой скорости эта точка располагается позади ЦТ, но перемещается вперед ЦТ на дозвуковых скоростях. Как было показано ранее (смотри рисунок 7 ), момент Магнуса становится сильным дестабилизирующим моментом, и как следствие, пуля становится динамически нестабильной.
Осцилляция на низких частотах, также называемая прецессией, больше не будет угасать и начинает медленно усиливаться. Тем не менее, пуля все еще имеет повышенную статическую стабильность, и, таким образом, гироскопический эффект продолжает иметь место. В конце концов, продольная ось пули смещается к поверхности конуса, в то время, как траектория является осью конуса. Так как эта осцилляция незатухающая, угол открытия конуса постоянно возрастает. Рисунок 26 схематически показывает конусообразное движение пули НАТО на ниспадающей ветви траектории.
Очевидно, что динамическая нестабильность пули НАТО оказывает заметное влияние на ее траекторию. По мере увеличения рыскания, скорость пули еще больше уменьшается, и дальность падает. Было отмечено, что для изучаемой партии пуль НАТО нестабильности были не воспроизводимы, и дальности, таким образом, даже при стрельбе на практически одинаковых дульных скоростях и при практически одинаковых углах вылета отличались существенно, по случайному закону. Стоит еще отметить, что расчеты внешней баллистики (смотри Выводы), основанные как на модели точечной массы, так и на модифицированной модели точечной массы не способны точно предсказать траекторию такой нестабильной пули.
Самовыравнивание пули вдоль набегающего потока воздуха
Пуля вылетает из ствола в неподвижную воздушную среду, т.е. воздух стоит на месте и бокового ветра нет. В горизонтальной плоскости все физические свойства гиростабилизированной пули имеют одинаковое значение относительно траектории ее полета. Углы рыскания влево и вправо одинаковы и компенсируют друг друга. Учитывая уменьшение этих углов по мере движения по траектории, мы можем принять, что пуля летит строго по линии вращения. Эта линия задана первоначально стрелком при выстреле.
Так она и будет лететь пока нет бокового ветра. Центр давления или максимального сопротивления набегающего потока воздуха находится впереди центра тяжести и располагается на линии полета. Пуля как бы закреплена в этом центре давления.
Далее появляется боковой ветер. Он осуществляет смещение вбок конуса ударной волны и через центр давления старается повернуть носик пули относительно центра тяжести. Дополнительно появляется набегающий поток воздуха внутри конуса ударной волны, который добавляет дополнительное отклонение по аналогии с подъемной силой крыла самолета на сверхзвуке.
Гироскоп, который представляет пуля, тут же старается вернуть ось своего вращения к ориентации, которая была до возмущения. Этот возврат происходит не центром давления, а центром тяжести. Пуля занимает первоначальное положение немного в стороне от прежней линии полета.
Мы знаем, что у гироскопа ось вращения уходит не по прямой от линии давления бокового воздуха, а и дополнительно отклоняется либо вверх, либо вниз, в зависимости от направления ветра. Это дополнительное отклонение так же приходит в ноль за счет гироскопического эффекта. В итоге пуля займет свою первоначальную ориентацию не только немного в стороне, а и выше, либо ниже.
Но ветер снова повторяет отклонение оси вращения пули и пуля снова компенсирует это отклонение гироскопическим эффектом. Так и идет борьба между боковым ветром и гироскопическим эффектом.
Как только ветер прекратится, этой борьбы не будет и пуля продолжит свой полет в той ориентации, которую обеспечивает гироскопический эффект.
Что касается набегающего потока воздуха внутри конуса ударной волны. При любом отклонении оси вращения, пуля перейдет, как вы сказали, в «мелкопериодические колебания». Набегающий поток будет не только с одной стороны, а и с противоположной. Сила его не одинакова слева и справа, поэтому в совокупности с основной силой отклонения ветром, появится некий малый угол.
Считается, что при боковом ветре в 20 миль в час центральная линия пули наклонится на угол 0,52 градуса относительно направления полета. Такой маленький и даже больший угол очень трудно заметить среди отклонений точек попадания пуль.
До настоящего времени не существует иного удобного метода, кроме эксперимента, с помощью которого можно предсказать динамическую нестабильность пули, особенно на дальних дистанциях. Некоторые очень сложные компьютеризованные процедуры (численные решения формул Навье-Стокса) для решения этих проблем только разрабатываются исследователями-баллистами.