Выстрел
Выстрел — явление, происходящее при стрельбе, например, из холодного, огнестрельного и другого оружия.
Происходит от слова «стрела». Выстрел представляет собой сложный комплекс физических и химических явлений. Знание о происходящих во время выстрела процессах и о влиянии на них большого числа внешних факторов помогает артиллеристам при расчёте данных для вычисления точных установок для стрельбы и, как следствие, способствует успешному выполнению стоящих перед артиллерией боевых задач.
Событие выстрела можно условно разделить на две стадии — движение снаряда в канале ствола артиллерийского орудия и комплекс явлений, происходящих после вылета снаряда из ствола. Более подробное описание каждой из этих стадий приведено ниже.
Содержание
Движение снаряда в канале ствола орудия
После того, как затвор казенной части орудия заперт, производится подрыв метательного заряда, чаще всего путём механического удара по капсюлю. Капсюль инициирует химическую реакцию самоокисления вещества метательного заряда (пороха, пироксилина, баллистита). Эти вещества являются взрывчатыми, но в них химическая реакция самоокисления носит характер быстрого горения, а не детонации, как у динамита, тринитротолуола или гексогена. Это необходимо для предотвращения чрезмерно быстрого газообразования внутри ствола орудия, которое может привести к прорыву газов сквозь затвор или даже к разрыву орудия. При горении метательного заряда запасенная в нём химическая энергия переходит во внутреннюю энергию хаотического движения молекул пороховых газов. Величина удельного энерговыделения Q зависит от вида вещества метательного заряда, находясь в диапазоне 5-10 МДж/кг. Впоследствии часть тепловой энергии пороховых газов преобразуется в механическую кинетическую энергию снаряда.
Образовавшиеся при горении метательного заряда пороховые газы с температурой порядка 3000° градусов Цельсия оказывают давление на донную часть снаряда, придавая ему ускорение. Это ускорение не является постоянным во времени, оно меняется из-за изменений силы давления газов на днище снаряда и силы трения о стенки канала ствола орудия. В нарезных орудиях последняя существенно больше, чем в гладкоствольных. Однако врезание снаряда в нарезы позволяет придать ему вращение вокруг продольной оси симметрии и стабилизировать его полет после вылета из орудия. Так как снаряд покидает ствол за очень короткий промежуток времени, то в процессе расширения пороховых газов до его вылета не успевает произойти сколь-нибудь значительный теплообмен с окружающей средой; процесс в первом приближении можно считать адиабатическим. Значительный нагрев канала ствола при выстреле обусловлен большими силами трения между снарядом и стенками канала, особенно у нарезных орудий. Подробно движение снаряда внутри орудия изучает внутренняя баллистика.
Вплоть до момента пересечения днищем снаряда дульного среза орудия система «снаряд-ствол-пороховые газы» является замкнутой, то есть к ней применимы законы сохранения импульса, энергии и момента импульса. Однако для расчета дульной скорости практическое значение имеют только два первых закона сохранения. В гладкоствольных орудиях вращательные движения и вовсе отсутствуют. В нарезных орудиях доля энергии, идущая на придание снаряду осевого вращательного движения, как правило много меньше доли, идущей на его разгон. Оба этих закона сохранения позволяют оценить энергию отдачи и коэффициент полезного действия (КПД) орудия как тепловой машины в целом.
Рассмотрим два состояния системы — в момент «0» полного сгорания метательного заряда, но когда снаряд ещё неподвижен и в момент «1» вылета снаряда из орудия. При этом введем два допущения. Первым будет полное сгорание метательного заряда до начала движения снаряда. На самом деле сгорание ещё происходит, когда снаряд уже начал движение. Однако точный расчёт в таком случае очень сложен, так как представляет собой самосогласованную задачу. Для решения практических задач описанное выше допущение считается вполне пригодным. Вторым допущением будет отсутствие тепловых потерь, которые нарушают чисто механические законы сохранения энергии и импульса. Применительно к практике это означает, что производится оценка сверху энергии отдачи и КПД орудия.
В момент «0» снаряд массой mсн, откатные части орудия массой M и пороховые газы массой mпг не имеют механических скоростей в инерциальной системе отсчета, связанной с Землей. Так что все импульсы равны нулю.
В момент «1» снаряд набрал скорость v, откатные части (в отсутствие противооткатных устройств) получили скорость V. Соответственно проекция импульса снаряда pсн на ось, направленную вдоль канала ствола орудия, равна mснv, а проекция импульса откатных частей P = -MV. Согласно принятой в артиллерии модели распределения скорости упорядоченного движения пороховых газов вдоль канала ствола орудия эта скорость равна нулю у затвора и линейно возрастает до v у дульного среза. Расчет суммарного импульса пороховых газов интегрированием вдоль канала ствола орудия дает значение pпг = 0.5mпгv. Применяя закон сохранения импульса, получаем
mснv + 0.5mпгv = MV
Из этого уравнения можно рассчитать скорость откатных частей и значение кинетической энергии отдачи E = 0.5MV² от вылета снаряда, которая нужна в ходе проектирования противооткатных устройств орудия и для возможного оснащения ствола дульным тормозом. Эти устройства нужны для смягчения ударных нагрузок на лафет при отдаче. Аналогично, рассчитав полезную кинетическую энергию снаряда e = 0.5mснv², можно получить КПД орудия, разделив e на mпгQ (так как масса пороховых газов равна массе метательного заряда).
В качестве примера рассмотрим 121.92-мм корпусное орудие А-19 обр. 1931/37 г, обладающее следующими характеристиками и боеприпасами:
Рассчитав по вышеприведенным формулам импульсы снаряда и пороховых газов, получим:
- pсн = 25*800 = 20000 кг·м/с;
- pпг = 0.5*800*3.8 = 1520 кг·м/с;
- P = pсн + pпг = 21520 кг·м/с.
Исходя из этого, V = P / M = 8.96 м/с и E = 96 кДж. Взяв за оценку верхнюю границу Q как 10 МДж/кг и получив e = 8 МДж, можно примерно оценить КПД орудия А-19 как 8 / (10 * 3.8) = 0.21.
Однако знания P недостаточно для вычисления полной энергии отдачи, так как сам процесс отдачи продолжается уже после вылета снаряда. Поэтому рассмотрим вторую фазу явления выстрела — последействие после вылета снаряда.
Последействие
После вылета снаряда сильно нагретые пороховые газы начинают сверхкритически истекать через дуло орудия. Именно этим объясняется красноватая вспышка (соответствующая температуре газов около 3000° градусов Цельсия) после выстрела и акустическая ударная волна. Помимо этого рассеивающиеся в окружающем пространстве пороховые газы способны выполнить механическую работу по приведению в движение близлежащих предметов. Поэтому после выстрела полевое орудие часто окутывается непрозрачным облаком поднятой с поверхности земли пыли даже при стрельбе с использованием бездымного пороха. Истекающие из канала ствола газы воздействуют по третьему закону Ньютона на сам ствол с равной и противоположно направленной силой. Реализуется принцип реактивного движения, который усиливает чисто механическую отдачу от вылета снаряда. Точный расчёт полной энергии отдачи является сложной процедурой, но в артиллерийской науке существует эмпирическое правило, что в механическую энергию отдачи уходит 3 % от дульной энергии снаряда. То есть для А-19 полная механическая энергия отдачи составляет 0.03*8 МДж = 240 кДж. Это соответствует потенциальной энергии груза массой в 1 тонну, поднятого на 24 м над уровнем земли, принятым за нулевую точку отсчета энергии. В обычных условиях этого хватило бы, чтобы смять или разбить на части лафет орудия. Однако противооткатные устройства у этой пушки (она не оснащена дульным тормозом) успешно гасят эту энергию отдачи и используют её, чтобы привести откатную часть орудия в исходное положение перед следующим выстрелом.
Полное же распределение энергии при выстреле варьирует в зависимости от типа орудия, метательного заряда и снаряда, но в целом картина выглядит приблизительно так:
- 20—40 % уходит в кинетическую энергию снаряда
- 15—25 % уходит на нагрев снаряда и ствола путём взаимного трения
- 5 % уходит на механическую энергию отката орудия
- прочее (иной раз до 60 %) — диссипация в атмосферу
См. также
Напишите отзыв о статье "Выстрел"
Литература
- Учебник сержанта ракетных войск и артиллерии (для начальников вычислительных команд) / ред. Е. В. Жукунов. — М.: Воениздат, 1990. — 227 с.
- Толочков. Теория лафетов. — М.: Воениздат.
Примечания
Отрывок, характеризующий Выстрел
Николай обещал и опять покраснел, когда откланивался Мальвинцевой. При упоминании о княжне Марье Ростов испытывал непонятное для него самого чувство застенчивости, даже страха.Отходя от Мальвинцевой, Ростов хотел вернуться к танцам, но маленькая губернаторша положила свою пухленькую ручку на рукав Николая и, сказав, что ей нужно поговорить с ним, повела его в диванную, из которой бывшие в ней вышли тотчас же, чтобы не мешать губернаторше.
– Знаешь, mon cher, – сказала губернаторша с серьезным выражением маленького доброго лица, – вот это тебе точно партия; хочешь, я тебя сосватаю?
– Кого, ma tante? – спросил Николай.
– Княжну сосватаю. Катерина Петровна говорит, что Лили, а по моему, нет, – княжна. Хочешь? Я уверена, твоя maman благодарить будет. Право, какая девушка, прелесть! И она совсем не так дурна.
– Совсем нет, – как бы обидевшись, сказал Николай. – Я, ma tante, как следует солдату, никуда не напрашиваюсь и ни от чего не отказываюсь, – сказал Ростов прежде, чем он успел подумать о том, что он говорит.
– Так помни же: это не шутка.
– Какая шутка!
– Да, да, – как бы сама с собою говоря, сказала губернаторша. – А вот что еще, mon cher, entre autres. Vous etes trop assidu aupres de l'autre, la blonde. [мой друг. Ты слишком ухаживаешь за той, за белокурой.] Муж уж жалок, право…
– Ах нет, мы с ним друзья, – в простоте душевной сказал Николай: ему и в голову не приходило, чтобы такое веселое для него препровождение времени могло бы быть для кого нибудь не весело.
«Что я за глупость сказал, однако, губернаторше! – вдруг за ужином вспомнилось Николаю. – Она точно сватать начнет, а Соня?..» И, прощаясь с губернаторшей, когда она, улыбаясь, еще раз сказала ему: «Ну, так помни же», – он отвел ее в сторону:
– Но вот что, по правде вам сказать, ma tante…
– Что, что, мой друг; пойдем вот тут сядем.
Николай вдруг почувствовал желание и необходимость рассказать все свои задушевные мысли (такие, которые и не рассказал бы матери, сестре, другу) этой почти чужой женщине. Николаю потом, когда он вспоминал об этом порыве ничем не вызванной, необъяснимой откровенности, которая имела, однако, для него очень важные последствия, казалось (как это и кажется всегда людям), что так, глупый стих нашел; а между тем этот порыв откровенности, вместе с другими мелкими событиями, имел для него и для всей семьи огромные последствия.
– Вот что, ma tante. Maman меня давно женить хочет на богатой, но мне мысль одна эта противна, жениться из за денег.
– О да, понимаю, – сказала губернаторша.
– Но княжна Болконская, это другое дело; во первых, я вам правду скажу, она мне очень нравится, она по сердцу мне, и потом, после того как я ее встретил в таком положении, так странно, мне часто в голову приходило что это судьба. Особенно подумайте: maman давно об этом думала, но прежде мне ее не случалось встречать, как то все так случалось: не встречались. И во время, когда Наташа была невестой ее брата, ведь тогда мне бы нельзя было думать жениться на ней. Надо же, чтобы я ее встретил именно тогда, когда Наташина свадьба расстроилась, ну и потом всё… Да, вот что. Я никому не говорил этого и не скажу. А вам только.
Губернаторша пожала его благодарно за локоть.
– Вы знаете Софи, кузину? Я люблю ее, я обещал жениться и женюсь на ней… Поэтому вы видите, что про это не может быть и речи, – нескладно и краснея говорил Николай.
– Mon cher, mon cher, как же ты судишь? Да ведь у Софи ничего нет, а ты сам говорил, что дела твоего папа очень плохи. А твоя maman? Это убьет ее, раз. Потом Софи, ежели она девушка с сердцем, какая жизнь для нее будет? Мать в отчаянии, дела расстроены… Нет, mon cher, ты и Софи должны понять это.
Николай молчал. Ему приятно было слышать эти выводы.
– Все таки, ma tante, этого не может быть, – со вздохом сказал он, помолчав немного. – Да пойдет ли еще за меня княжна? и опять, она теперь в трауре. Разве можно об этом думать?
– Да разве ты думаешь, что я тебя сейчас и женю. Il y a maniere et maniere, [На все есть манера.] – сказала губернаторша.
– Какая вы сваха, ma tante… – сказал Nicolas, целуя ее пухлую ручку.
Приехав в Москву после своей встречи с Ростовым, княжна Марья нашла там своего племянника с гувернером и письмо от князя Андрея, который предписывал им их маршрут в Воронеж, к тетушке Мальвинцевой. Заботы о переезде, беспокойство о брате, устройство жизни в новом доме, новые лица, воспитание племянника – все это заглушило в душе княжны Марьи то чувство как будто искушения, которое мучило ее во время болезни и после кончины ее отца и в особенности после встречи с Ростовым. Она была печальна. Впечатление потери отца, соединявшееся в ее душе с погибелью России, теперь, после месяца, прошедшего с тех пор в условиях покойной жизни, все сильнее и сильнее чувствовалось ей. Она была тревожна: мысль об опасностях, которым подвергался ее брат – единственный близкий человек, оставшийся у нее, мучила ее беспрестанно. Она была озабочена воспитанием племянника, для которого она чувствовала себя постоянно неспособной; но в глубине души ее было согласие с самой собою, вытекавшее из сознания того, что она задавила в себе поднявшиеся было, связанные с появлением Ростова, личные мечтания и надежды.
Когда на другой день после своего вечера губернаторша приехала к Мальвинцевой и, переговорив с теткой о своих планах (сделав оговорку о том, что, хотя при теперешних обстоятельствах нельзя и думать о формальном сватовстве, все таки можно свести молодых людей, дать им узнать друг друга), и когда, получив одобрение тетки, губернаторша при княжне Марье заговорила о Ростове, хваля его и рассказывая, как он покраснел при упоминании о княжне, – княжна Марья испытала не радостное, но болезненное чувство: внутреннее согласие ее не существовало более, и опять поднялись желания, сомнения, упреки и надежды.
В те два дня, которые прошли со времени этого известия и до посещения Ростова, княжна Марья не переставая думала о том, как ей должно держать себя в отношении Ростова. То она решала, что она не выйдет в гостиную, когда он приедет к тетке, что ей, в ее глубоком трауре, неприлично принимать гостей; то она думала, что это будет грубо после того, что он сделал для нее; то ей приходило в голову, что ее тетка и губернаторша имеют какие то виды на нее и Ростова (их взгляды и слова иногда, казалось, подтверждали это предположение); то она говорила себе, что только она с своей порочностью могла думать это про них: не могли они не помнить, что в ее положении, когда еще она не сняла плерезы, такое сватовство было бы оскорбительно и ей, и памяти ее отца. Предполагая, что она выйдет к нему, княжна Марья придумывала те слова, которые он скажет ей и которые она скажет ему; и то слова эти казались ей незаслуженно холодными, то имеющими слишком большое значение. Больше же всего она при свидании с ним боялась за смущение, которое, она чувствовала, должно было овладеть ею и выдать ее, как скоро она его увидит.
Но когда, в воскресенье после обедни, лакей доложил в гостиной, что приехал граф Ростов, княжна не выказала смущения; только легкий румянец выступил ей на щеки, и глаза осветились новым, лучистым светом.
– Вы его видели, тетушка? – сказала княжна Марья спокойным голосом, сама не зная, как это она могла быть так наружно спокойна и естественна.
Когда Ростов вошел в комнату, княжна опустила на мгновенье голову, как бы предоставляя время гостю поздороваться с теткой, и потом, в самое то время, как Николай обратился к ней, она подняла голову и блестящими глазами встретила его взгляд. Полным достоинства и грации движением она с радостной улыбкой приподнялась, протянула ему свою тонкую, нежную руку и заговорила голосом, в котором в первый раз звучали новые, женские грудные звуки. M lle Bourienne, бывшая в гостиной, с недоумевающим удивлением смотрела на княжну Марью. Самая искусная кокетка, она сама не могла бы лучше маневрировать при встрече с человеком, которому надо было понравиться.
«Или ей черное так к лицу, или действительно она так похорошела, и я не заметила. И главное – этот такт и грация!» – думала m lle Bourienne.
Ежели бы княжна Марья в состоянии была думать в эту минуту, она еще более, чем m lle Bourienne, удивилась бы перемене, происшедшей в ней. С той минуты как она увидала это милое, любимое лицо, какая то новая сила жизни овладела ею и заставляла ее, помимо ее воли, говорить и действовать. Лицо ее, с того времени как вошел Ростов, вдруг преобразилось. Как вдруг с неожиданной поражающей красотой выступает на стенках расписного и резного фонаря та сложная искусная художественная работа, казавшаяся прежде грубою, темною и бессмысленною, когда зажигается свет внутри: так вдруг преобразилось лицо княжны Марьи. В первый раз вся та чистая духовная внутренняя работа, которою она жила до сих пор, выступила наружу. Вся ее внутренняя, недовольная собой работа, ее страдания, стремление к добру, покорность, любовь, самопожертвование – все это светилось теперь в этих лучистых глазах, в тонкой улыбке, в каждой черте ее нежного лица.
Ростов увидал все это так же ясно, как будто он знал всю ее жизнь. Он чувствовал, что существо, бывшее перед ним, было совсем другое, лучшее, чем все те, которые он встречал до сих пор, и лучшее, главное, чем он сам.
Разговор был самый простой и незначительный. Они говорили о войне, невольно, как и все, преувеличивая свою печаль об этом событии, говорили о последней встрече, причем Николай старался отклонять разговор на другой предмет, говорили о доброй губернаторше, о родных Николая и княжны Марьи.
