боеприпас

Формула изобретения

1. Боеприпас, содержащий снаряд или пулю, гильзу, устройство воспламенения метательного заряда и контейнер в виде стакана с метательным зарядом, установленный между снарядом или пулей и дном гильзы с фиксацией в ней без возможности осевого перемещения и выполненный с перфорацией донной перегородки, обращенной к снаряду или пуле, в виде множества продольно ориентированных, сквозных отверстий, а также открытым противоположным донной перегородке задним торцом, отличающийся тем, что гильза выполнена бутылочной формы, собранной из передней и задней частей, соединенных между собой без возможности перемещения друг относительно друга, контейнер-стакан установлен без зазора со стенкой задней части гильзы, а толщина донной перегородки превышает диаметр отверстий ее перфорации не менее чем в четыре раза.

2. Боеприпас по п.1, отличающийся тем, что контейнер выполнен Н-образным в продольном сечении, с дополнительным стаканом, расположенным оппозитно стакану для размещения метательного заряда так, что донная перегородка разделяет их полости, а цилиндрическая стенка охватывает, с обжимом, снаряд или пулю, являясь одновременно дульцем гильзы, при этом контейнер в целом является одновременно упомянутой передней частью гильзы.

3. Боеприпас по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что контейнер выполнен с конической боковой поверхностью донной перегородки и с превышением наружного диаметра стакана для размещения метательного заряда над наружным диаметром дульца гильзы.

4. Боеприпас по п.3, отличающийся тем, что задняя часть гильзы полностью охватывает стакан с метательным зарядом и завальцована на конической боковой поверхности донной перегородки, с образованием упомянутого соединения частей гильзы друг с другом и, одновременно, ее переходного конуса.

5. Боеприпас по п.1, отличающийся тем, что толщина донной перегородки и диаметр отверстий ее перфорации выполнены в соотношении 5:1.

6. Боеприпас по п.1, отличающийся тем, что диаметр отверстий перфорации донной перегородки меньше нормированного усредненного минимального размера частиц метательного заряда при сыпучей структуре последнего, а количество отверстий соответствует максимально возможному, по условию прочности перемычек между ними, коэффициенту перфорации.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к боеприпасам (унитарным патронам) для огнестрельного, преимущественно нарезного артиллерийского и стрелкового оружия (артиллерийским унитарным боеприпасам, патронам к снайперским винтовкам и т. д.).

Известна возникшая в 1944 году идея газовых редукторов системы "высокое-низкое давление": перфорированная перегородка разделяет замкнутое 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 в виде стакана с метательным зарядом, установленный между снарядом и дном гильзы с фиксацией в ней без возможности осевого перемещения и выполненный с перфорацией донной перегородки, обращенной к снаряду, в виде множества продольно ориентированных сквозных отверстий [4].

В нем снаряд выполнен в виде контейнера с дробовым зарядом, гильза - цилиндрической формы, цельной, контейнер с метательным зарядом выполнен с закрытым противоположным донной перегородке задним торцом и расположен между снарядом и дном гильзы частично, а частично заполняет собой всю центральную часть дна гильзы, устройство воспламенения метательного заряда в виде ударного капсюля-воспламенителя встроено в пробку, которой заглушен задний торец перфорированного контейнера с метательным зарядом, перфорированный контейнер установлен с зазором со стенкой гильзы и связан с дном гильзы резьбовым соединением, а толщина донной перегородки 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 имеет прямоугольную форму в продольном сечении и цилиндрическую форму боковой поверхности донной перегородки.

Известны также боеприпасы различных калибров (патроны) для нарезного стрелкового и артиллерийского оружия, с гильзой бутылочной формы и без упомянутой выше системы "высокое-низкое давление", в частности российский 7,6254R [1, с. 19] , австрийский 15,2-мм "Steyr" [1, с.34], американский 25137 КВА [1, с.47], 30170 "Эрликон" КСВ [1, с.54].

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 в виде стакана с метательным зарядом, установленный между снарядом или пулей и дном гильзы с фиксацией в ней без возможности осевого перемещения и выполненный с перфорацией донной перегородки ("донной стенки"), обращенной к снаряду или пуле, в виде множества продольно ориентированных, сквозных отверстий, а также открытым противоположным донной перегородке задним торцом [5].

В нем, как и в описанной выше разработке-аналоге [4], метаемое тело в виде снаряда, пули, дробового или иного заряда (далее - "снаряда") размещают в части внутреннего объема цельной гильзы цилиндрической формы, контейнер с метательным зарядом расположен между снарядом и дном ("основанием") гильзы частично, устройство воспламенения метательного заряда выполнено в виде ударного капсюля-воспламенителя, перфорированный контейнер установлен с зазором со стенкой гильзы и связан с дном гильзы (в отличие от аналога [4], ее выдающейся цилиндрической частью) резьбовым соединением.

В то же время в нем контейнер с метательным зарядом выполнен П-образным в продольном сечении и частично охватывает центральную выдающуюся часть дна гильзы, причем указанной выдающейся частью заглушен задний торец перфорированного контейнера с метательным зарядом, капсюль-воспламенитель встроен в дно гильзы (классическая схема), толщина донной перегородки соразмерна с толщиной цилиндрической стенки контейнера (на основании иллюстраций) и превышает диаметр отверстий ее перфорации не более чем в 1,5 раза (также на основании иллюстраций), причем коэффициент перфорации меньше максимально возможного (геометрически) его значения, перфорация предусмотрена не только в донной перегородке, но и в цилиндрической стенке, а количество отверстий и их диаметр выбирают с учетом требуемой зависимости давления (продуктов сгорания метательного заряда) в увеличивающемся по мере движения снаряда заснарядном пространстве по длине канала ствола.

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 p_дин=0,5v² (где - 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 донной перегородки 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 при сохранении массы метательного заряда или сокращение массы метательного заряда при сохранении начальной скорости снаряда. К недостаткам устройства-прототипа можно отнести также ограничение (системой крепления контейнера в цельной, т.е. неразборной гильзе) возможностей увеличения навески метательного заряда, недостаточно высокую технологичность конструкции (в частности, резьбовое соединение контейнера с гильзой) и неприспособленность конструкции для гильз бутылочной формы, широко распространенных в патронах для нарезных стволов.

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;

- приспособленности для гильз бутылочной формы.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в боеприпасе, содержащем снаряд или пулю, гильзу, устройство воспламенения метательного заряда и контейнер в виде стакана с метательным зарядом, установленный между снарядом или пулей и дном гильзы с фиксацией в ней без возможности осевого перемещения и выполненный с перфорацией донной перегородки, обращенной к снаряду или пуле, в виде множества продольно ориентированных сквозных отверстий, а также открытым противоположным донной перегородке задним торцом, гильза выполнена бутылочной формы, собранной из передней и задней частей, соединенных между собой без возможности перемещения относительно друг друга, контейнер-стакан установлен без зазора со стенкой гильзы, а толщина донной перегородки превышает диаметр отверстий ее перфорации не менее чем в четыре раза.

Решение поставленной задачи достигается также за счет дополнительных конструктивных признаков:

- при сформулированной выше основной совокупности признаков контейнер может быть выполнен Н-образным в продольном сечении, с дополнительным стаканом, расположенным оппозитно стакану для размещения метательного заряда так, что донная перегородка разделяет их полости, а цилиндрическая стенка охватывает с обжимом снаряд или пулю, являясь одновременно дульцем гильзы, при этом контейнер в целом является одновременно упомянутой передней частью составной гильзы (за счет двухфункциональности элементов конструкция упрощается; Н-образность поперечного сечения контейнера как передней части составной гильзы и цилиндричность ее задней части не только высокотехнологичны сами по себе, позволяя изготавливать эти детали штамповочно-вытяжными операциями из цилиндрической заготовки, но и облегчают сборку гильзы; расширяются возможности варьирования взаимного расположения соединения частей гильзы, донной перегородки и донца снаряда или пули при различных потребных перекрытиях снаряда или пули дульцем гильзы);

- при основной или предыдущей совокупности признаков контейнер может быть выполнен с конической боковой поверхностью донной перегородки и с превышением наружного диаметра стакана для размещения метательного заряда над наружным диаметром дульца гильзы (это облегчает организацию надежной фиксации контейнера в гильзе при одновременной надежности обтюрации в зоне переходного конуса, а также последующее соединение частей гильзы друг с другом с формированием бутылочной ее формы);

- при предыдущей совокупности признаков задняя часть гильзы может полностью охватывать стакан с метательным зарядом и быть завальцована на конической боковой поверхности донной перегородки с образованием упомянутого соединения частей гильзы друг с другом и одновременно ее переходного конуса (этим существенно облегчается соединение частей гильзы между собой с образованием переходного конуса как основного признака бутылочной формы гильзы; завальцовка конца задней части гильзы на указанный конус Н-образного контейнера - высокотехнологичный вариант формирования гильзы в общем техпроцессе сборки боеприпаса);

- при основной совокупности признаков толщина донной перегородки и диаметр отверстий ее перфорации могут быть выполнены в соотношении 5:1 (этим обеспечивается оптимальные геометрические условия для формирования струи в отверстии-канале перфорации и, по сути, самое эффективное преобразование статической составляющей давления продуктов сгорания метательного заряда в динамическую составляющую);

- при основной совокупности признаков диаметр отверстий перфорации донной перегородки может быть меньше нормированного усредненного минимального размера частиц метательного заряда при сыпучей структуре последнего, а количество отверстий соответствовать максимально возможному по условию прочности перемычек между ними коэффициенту перфорации (этим обеспечивается, с одной стороны, задержка сгорающих и еще не сгоревших частиц метательного заряда в полости контейнера, а с другой стороны, максимальный эффект преобразования статической составляющей давления в динамическую, при прочих равных условиях, за счет максимального использования площади перегородки на диаметре, равном калибру).

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 стенки ("тела") гильзы, D₃ - наружный диаметр дульца гильзы, d - внутренний диаметр дульца гильзы, равный (как правило) калибру боеприпаса (снаряда), d_к1 и d_к2 - соответственно наружный и внутренний диаметры стакана контейнера для метательного заряда, d₀ - диаметр отверстий перфорации донной перегородки, b - толщина донной перегородки и одновременно длина отверстия (канала) ее перфорации, h₁ и h₂ - глубины соответственно дополнительного и основного стаканов контейнера, h₃ - глубина перекрытия снаряда переходным конусом гильзы, - угол при вершине переходного конуса гильзы, - зазор между донцем снаряда и донной перегородкой контейнера;

на фиг. 2 показан вариант выполнения контейнера без перекрытия полости дополнительного стакана конусной поверхностью;

на фиг.3 представлен фрагмент фиг.1 (повернуто на 90^o по часовой стрелке) с укрупненным изображением перфорации донной перегородки контейнера, где p₁, p_1cт, р₂, р_2ст и р_2дин - давление продуктов сгорания метательного заряда, соответственно суммарное и его статическая составляющая в стакане для метательного заряда, суммарное и его статическая и динамическая составляющие в заснарядном пространстве (включая полость дополнительного стакана).

Боеприпас содержит (см. фиг.1) гильзу бутылочной формы, выполненную собранной из двух, преимущественно металлических, частей: задней части со стенкой ("телом") 1 (с наружной цилиндрической поверхностью или поверхностью со слабо выраженной конусностью, по форме патронника оружия, поверхностью диаметром D₁ и с внутренней цилиндрической поверхностью диаметром D₂), дном 2 и гнездом, в которое встроено устройство воспламенения метательного заряда (в данном примере - ударный капсюль-воспламенитель) 3, и передней части в виде дополнительного стакана с цилиндрической стенкой 4 и донной перегородкой 5. Наружный диаметр стенки 4 равен D₃, а внутренний, как правило, - калибру d боеприпаса (снаряда или пули).

Боеприпас содержит также металлический или иной прочный контейнер-стакан с цилиндрической стенкой 6 (с наружным и внутренними диаметрами d_k1 и d_к2 соответственно), конструктивно объединенный со стаканом 4-5 в "контейнер" 4-6 (его дальнейшее обозначение) так, что оба стакана расположены оппозитно ("валетом") и имеют общую донную перегородку 5. Иначе говоря, контейнер 4-6 в целом выполнен Н-образным в продольном сечении, а его донная перегородка 5 разделяет полости стаканов 4-5 и 5-6. Рекомендуется выполнение контейнера 4-6 с конической боковой поверхностью перегородки 5 (угол при вершине конуса) и с соотношением диаметров стаканов d_к1>D₃. При этом возможны как вариант с перекрытием полости стакана 4-5 конусной поверхностью перегородки 5 (см. фиг.1), так и без такового (см. фиг.2).

Торец 7 стакана 5-6, противоположный перегородке 5 и являющийся задним торцом контейнера 4-6, выполнен открытым полностью (не показан) или частично. Частично открытый вариант может быть оформлен конструктивно по-разному, в данном примере - с завальцованными по форме дна 2 задней части гильзы краями, с образованием отверстия или окна (окон) диаметром, например, несколько превышающим диаметр выдающейся части устройства 3 воспламенения метательного заряда. Смысл указанного отверстия или окна (окон) состоит в обеспечении возможности воспламенения метательного заряда от устройства 3 (см. далее), а форма торца 7 задается из соображений надежной осевой фиксации контейнера 4-6 упором в дно 2 и уменьшения проникновения продуктов сгорания метательного заряда под давлением между торцом 7 и дном 2.

В перегородке 5 выполнена перфорация в виде множества продольно ориентированных сквозных отверстий (каналов) 8. Толщина b перегородки 5 превышает диаметр d₀ отверстий 8 не менее чем в 4 (четыре) раза. Оптимальным следует считать соотношение b:d₀=5:1. Диаметр d₀ должен быть предпочтительно меньше нормированного (стандартного) усредненного минимального размера частицы применяемого в конкретном типоразмере боеприпаса метательного заряда при его сыпучей структуре (например, диаметра зерна пороха). В частности, при используемых в настоящее время пластинчатых порохах диаметр d₀ составляет примерно от 0,4 до 2,0 мм.

Как оптимальный вариант рекомендуется также выполнение перегородки 5 с максимально возможным коэффициентом перфорации (отношение суммарной площади отверстий 8 к площади перегородки 5 на диаметре d) при выбранном диаметре ₀.

Рекомендуется изготовление части 1 гильзы и контейнера 4-6 обработкой металлов давлением (штамповочно-вытяжными операциями из цилиндрических заготовок).

В полости стакана 6 размещен метательный заряд 9 (как правило - пороховой). Снаряжение зарядом 9 осуществляют через отверстие или окно (окна) в торце стакана 6 при ориентации контейнера 4-6 стаканом 6 вверх. Сборку гильзы производят, как правило, при той же ориентации контейнера 4-6.

В собранном состоянии гильзы (см. фиг.1) ее часть 1 предпочтительно полностью, беззазорно (за счет соответствия диаметров d_k1D₂ - по легкой прессовой посадке) охватывает стакан 5-6 и завальцована на конической боковой поверхности перегородки 5 с образованием упомянутого соединения частей 1 и 4-6 друг с другом и одновременно образованием переходного конуса 10 гильзы с углом при вершине. Иными словами, контейнер 4-6 своим стаканом 6 установлен без зазора со стенкой части 1 гильзы. Естественно, соединением частей гильзы без возможности перемещения относительно друг друга обеспечивается и фиксация контейнера 4-6 от перемещения в осевом направлении от дна 2.

Снаряд или пуля 11 (далее - условно "снаряд", имея в виду пулевой, артиллерийский, специальный или иной снаряд) встроен в дополнительный стакан 4 контейнера 4-6, при этом цилиндрическая стенка стакана 4 охватывает с обжимом снаряд 11, являясь одновременно дульцем гильзы. Для усиления осевой фиксации снаряда 11 в дульце 4 гильзы на снаряде 11 на уровне перекрытия дульцем 4 может быть предусмотрена, по меньшей мере, одна кольцевая канавка (показана пунктиром). При любом варианте конструкции по фиг.1, 2 между перегородкой 5 и донцем снаряда 11 может быть при необходимости предусмотрен зазор , величина которого не должна, как правило, превышать восьми диаметров d миделева сечения снаряда 11 (оптимум - нулевое значение).

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

Устройство работает следующим образом.

При инициировании метательного заряда 9 устройством 3 продукты сгорания заряда 9 (далее для простоты изложения - "газы") в полости стакана 6 контейнера 4-6 перетекают через отверстия 8 в непосредственно заснарядное пространство, которое с момента превышения сил давления на донце снаряда 11 над силой трения (сопротивления) покоя, с учетом инерции снаряда 11, начинает увеличиваться пропорционально перемещению снаряда 11 в канале ствола оружия. При этом в соответствии с уравнением Бернулли и за счет указанного выше рационального эмпирически полученного соотношения диаметра d₀ отверстий перфорации и ширины b перегородки 5 (а значит, и длины отверстий-каналов 8) 1: 4, вплоть до оптимального для формирования правильной струи соотношения 1:5, в основном статическое (разнонаправленное в динамике) давление p₁ (p_1cт) в полости стакана 6 преобразуется в преимущественно динамическое давление р₂ (р_2дин существенно больше, чем р_2ст) в заснарядном пространстве.

Газы, сформировавшись в системе отверстий 8 в параллельные струи, движутся после среза отверстий 8 (т.е. после перегородки 5) в заснарядном пространстве параллельными струями (см. фиг.3) и оказывают динамическое давление на донце снаряда 11, сообщая снаряду 11 ускорение в осевом направлении, превышающее то ускорение, которое имело бы место под действием статического давления.

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

На участке 8d (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 стенку 4 стакана и одновременно дульца гильзы вследствие уменьшения доли статической составляющей _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 p₂ в пользу динамической составляющей p_2дин, следует отнести и улучшение условий обтюрации газов.

В процессе истечения газов перфорация не пропускает еще не сгоревшие частицы заряда 9 в заснарядное пространство, а направленная в сторону дна 2 гильзы реактивная сила совместно с силой давления газов на внутреннюю поверхность торца 7 уменьшают силовое воздействие на конусное соединение частей 1 и 4-6 гильзы.

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.

Беззазорность соединения частей гильзы, осевая фиксация контейнера 4-6 и обусловленная этим возможность выполнения цилиндрической стенки 6 относительно тонкой (во всяком случае, тоньше, чем у прототипа [5] и близкого аналога [4]) определяет не только достаточно большой объем полости стакана 6 для размещения в ней заряда 9, но и относительно большую площадь перфорации (при бутылочной форме гильзы - не менее миделева сечения снаряда 11), а значит, и эффективность преобразования давления, КПД использования энергии заряда 9 в рамках калибра.

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;

- приспособленности для гильз бутылочной формы.

При этом следует учитывать наличие масштабного фактора: с ростом калибра d боеприпаса эффективность использования данного изобретения возрастает. Поэтому и рекомендуется его использование, прежде всего, для артиллерийских боеприпасов.

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, 19, 34, 47, 54.

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 (прототип).

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

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