БЕЗГИЛЬЗОВЫЙ ПАТРОН
CASE-FREE CARTRIDGE

Изобретение относится к боеприпасам стрелкового и более тяжелого оружия для метания оживальных тел из нарезных стволов боевых автоматических, полуавтоматических и неавтоматических устройств вооружения и стрелкового оружия.
Известен бесшумный патрон (См. патент RU №2297591, МКИ F42B 5/045), содержащий поршень с центральным отверстием, пулю, гильзу с капсюлем, снабженную в передней части бортиком для остановки поршня. Кроме этого бесшумный патрон снабжен двухзаходным винтовым стволом, снабженным в передней части бортиком для остановки размещенного в нем дополнительного, совмещенного со стволом поршня, разгоняющего и закручивающего при выстреле пулю в стволе.
Бесшумный патрон работает при инициировании заряда в гильзе, когда пороховые газы переместят с одинаковым ускорением поршень с центральным отверстием и дополнительный поршень в переднюю часть гильзы и ствола. Закрученная вдоль продольной оси пуля покидает гильзу и ствол, а поршни стопорятся соответствующими бортиками, не позволяя газам вырваться наружу.
Недостатком известного бесшумного патрона является незначительный разгон пули в гильзе и стволе, обусловленный малыми длинами гильзы и нарезного ствола. Затруднение удаления гильзы из ствола, как детали с размером суммарной длины гильзы и ствола, вызывает дополнительные трудности оперативного выполнения следующего выстрела. Наличие нарезного ствола в каждой гильзе патрона усложняет его конструкцию и удорожает боеприпас.
Известен патрон для выполнения бесшумного выстрела (См. положительное решение о выдаче патента на изобретение от 16.08.2009 г. по заявке №2008114702/02 от 14.04.2008 г.). Бесшумный патрон содержит полую пулю, в которой размещены гильза с пороховым зарядом и капсюлем, впрессованным в торец кормы гильзы, и поршень для герметизации пороховых газов, соединенный с гильзой. Внутренняя поверхность пули снабжена трапецеидальной резьбой, соответствующей резьбе гильзы на ее поверхности, витки которой служат упомянутым поршнем и образуют винтовую пару, герметизирующую пороховые газы внутри пули. На наружной поверхности пули выполнены нарезы, соответствующие полигональным нарезам ствола оружия, при этом величина хода нарезов в стволе в несколько раз больше величины хода трапецеидальных нарезов упомянутой винтовой пары. На корме гильзы, выходящей из пули, выполнены приливы, с возможностью их скольжения при выстреле в равных по ширине и высоте нарезам прямоугольных пазах, выполненных в стволе оружия.
Кроме того, число заходов витков, выполненных на поверхности гильзы и на внутренней поверхности пули, является четным, а число оборотов витков на поверхности гильзы составляет не более одного. Фиксация начального положения пули и гильзы обеспечена концентрическим пазом на гильзе и соответствующим пазом, выполненным на внутренней поверхности пули после окончания на ней трапецеидальной резьбы, в которые уставлено стопорное металлическое кольцо.
Недостатком известного патрона является большая величина аэродинамического сопротивления метаемой пули при выходе из ствола и при движении по баллисте траектории. Вследствие увеличения площади поверхности пули, из-за выдвинутой из оболочки гильзы, происходит увеличение вектора касательных сил, приложенных со стороны встречного потока воздуха к площади обтекания поверхности пули и гильзы. Кроме того, имеющиеся на корме пули прямоугольные приливы увеличивают парусность пули и ее аэродинамическое профильное сопротивление. Следствием таких аэродинамических характеристик является снижение скорости движения пули, уменьшение дальности прямого выстрела, ухудшение настильности траектории и прицельной точности поражения цели, из-за плохой стабилизации движения пули на траектории.
Технической задачей изобретения является увеличение начальной скорости метания пули, дальнобойности и прицельной дальности выстрела из безгильзового патрона.
Поставленная техническая задача обеспечивается тем, что в безгильзовом патроне, содержащем пороховой заряд с капсюлем, концентрический паз, в котором расположено стальное стопорное кольцо, приливы, скользящие соосно в пазах ствола оружия, выполненном в виде полой пули с трапецеидальной многозаходной резьбой на внутренней поверхности и размещенным внутри пули полым поршнем с однооборотной многозаходной соответствующей резьбой, - образующими винтовую пару, пуля снабжена внутренней пороховой каморой, часть порохового заряда размещена в полости поршня, с впрессованным в дно капсюлем, при этом на поверхности поршня выполнены прямоугольные направляющие выступы, служащие опорной поверхностью однооборотным многозаходным виткам трапецеидальной резьбы, скользящие в пазах неподвижного цилиндрического упора, охватывающего поршень и фиксировано установленного между краем внутренней пороховой каморы и стальным стопорным кольцом со свинцовыми прокладками, вставляемым в паз, а выход упора из пули осуществлен оживальной конусной поверхностью, на которой установлены приливы, имеющие направляющие боковые поверхности под углом, равным углу нарезов к оси ствола оружия, и торец которой закрыт связанным с внутренней поверхностью оживального конуса стальным кольцом с осевым отверстием, в которое вставлен толкатель бойка для воздействия на него ударника оружия, передающий энергию удара бойку через удлинители, сегментно-кольцевые в сечении, жестко связанные с толкателем, а с бойком - нормированным соединением на срез.
Кроме того, в безгильзовом патроне удлинители расположены в соответствующих им пазах, выполненных на внутренней поверхности цилиндрического упора, глубина которых меньше толщины цилиндрической стенки упора и равна толщине сегментно-кольцевого сечения удлинителей, удерживающих боек на расстоянии не более 1 мм от дна капсюля, причем диаметр бойка равен диаметру поршня.
При этом в безгильзовом патроне торец конусной оживальной поверхности упора герметично закрыт фольгой из коррозионно-стойкого металла.
Для решения технической задачи изобретения в предлагаемой конструкции патрона используется кинематическое преобразование прямолинейно-поступательного движения полого поршня под действием давления пороховых газов во вращательное движение тела (пули или снаряда) и вращательного движения в прямолинейно-поступательное движение метаемого тела из ствола оружия. Поскольку в таком преобразовании используется энергия пороховых газов, то источником этой энергии является заряд пороха, большей частью помещенный во внутреннюю пороховую камору в пуле, меньшей частью - в полости поршня. Поэтому становится возможным, вместо гильзы увеличенной длины, используемой в прототипе, ввести в конструкцию короткий полый поршень с пороховым зарядом с впрессованным в его дно капсюлем.
При инициации капсюля и воспламенении порохового заряда, под действием давления пороховых газов, поршень начинает прямолинейное движение вдоль оси пули, скользя своими прямоугольными выступами, расположенными на его наружной поверхности, в соответствующих им пазах, выполненных в цилиндрическом неподвижном упоре. Цилиндрическую наружную поверхность поршня охватывает внутренняя цилиндрическая поверхность неподвижного упора, а выступы поршня, необходимые для направления его прямолинейного движения, одновременно служат опорными поверхностями многозаходным однооборотным виткам трапецеидальной резьбы, охватываемым наружную цилиндрическую поверхность упора.
Многозаходные витки трапецеидальной резьбы поршня, как и в прототипе, соответствуют виткам трапецеидальной резьбы, выполненной на внутренней поверхности пули, образуя винтовую пару, и являются винтовым поршнем. Поэтому обтюрация пороховых газов в предлагаемой конструкции патрона осуществляется винтовым поршнем, витками трапецеидальной резьбы, расположенными на прямоугольных выступах поршня, скользящими по наружной поверхности неподвижного упора, а также внутренней цилиндрической поверхностью упора, охватывающей наружную поверхность поршня, и его прямоугольными выступами, скользящими в пазах неподвижного упора.
Неподвижность цилиндрического упора зафиксирована краем внутренней пороховой каморы и стальным стопорным кольцом, охватывающим упор по наружной поверхности и вставленным со свинцовыми кольцевыми прокладками в паз, расположенный на внутренней поверхности пули после окончания трапецеидальной резьбы. Необходимость свинцовых прокладок обусловлена возможностью снижения трения между неподвижным стальным кольцом на упоре и вращающимися боковыми стенками паза, соприкасающимися со свинцовыми прокладками под большим давлением пороховых газов, поскольку паз выполнен на внутренней поверхности оболочки пули, вращаемой в стволе вокруг неподвижного упора. Свинцовые прокладки также служат устройством для обтюрации пороховых газов.
Неподвижность упора, в качестве оси вращения оболочки пули, обеспечивается приливами, установленными на оживальной конусной поверхности выхода упора из оболочки. Приливы имеют направляющие боковые поверхности под углом, равным углу нарезов к оси ствола, скользящие, как в прототипе, в прямоугольных пазах ствола во время выстрела. Такое направление приливов способствует возникновению дополнительного гироскопического момента пули к полученному при вылете ее из ствола, вследствие обтекания встречным потоком атмосферного воздуха, и увеличивает устойчивость движения пули по траектории.
Торец оживальной конусной поверхности упора закрыт стальным кольцом с осевым отверстием, герметично связанным с внутренней конусной поверхностью упора. В отверстие вставлен толкатель бойка для воздействия на него ударника оружия, передающий энергию удара бойку через удлинители. При выстреле, под действием поршня, толкатель прижимается к внутренней вертикальной стенке кольца и служит обтюрирующим устройством для пороховых газов. Удлинители, жестко связанные с толкателем, имеют сегментно-кольцевое сечение, а с бойком - нормированным соединением на срез.
Удлинители расположены в соответствующих для скольжения пазах, выполненных на внутренней поверхности цилиндрического упора, глубина которых меньше толщины цилиндрической стенки упора, но равна толщине сегментно-кольцевого сечения удлинителей. Удлинители удерживают до выстрела боек, равный по диаметру наружному диаметру поршня, на расстоянии жала бойка не более 1 мм от дна капсюля.
Сопряжение бойка с удлинителями нормированным соединением на срез имеет такое же важное значение для безгильзового патрона, как и заделка пули в устье гильзы при обычном выстреле, поскольку усилие извлечения пули из устья гильзы оказывает влияние на величину дульной скорости пули и ее пробивную способность. Поэтому это соединение имеет широкие возможности технологического осуществления: от соединения пайкой прецизионными припоями, до контактной сварки.
Необходимость такого соединения диктует процесс движения поршня после инициации капсюля ударом бойка через толкатель и удлинители. Поскольку, под давлением пороховых газов после удара бойка, поршень оказывает давление на боек, то усилие среза бойка относительно удлинителей позволяет достигать время полного сгорания заряда пороха и максимальных усилий движения поршня и, соответственно, максимального момента вращения пули в стволе, а тем самым максимальной дульной скорости пули.
Небольшое расстояние бойка от дна капсюля в 1 мм позволяет уменьшать длину пути движения поршня внутри пули, что конструктивно уменьшает длину оболочки пули.
Для исключения попадания влаги внутрь патрона и увеличения его срока хранения торец конусной оживальной поверхности упора герметично закрыт фольгой из коррозионно-стойкого металла.
Благодаря расположению бойка внутри патрона становится возможным осуществить конструкцию патрона в виде пули в традиционных обтекаемых формах. Применение предлагаемого безгильзового боеприпаса позволяет упростить конструкции оружия, в частности устройства затворов и ствольную коробку, и выполнить оружие более надежным.
Заявляемое устройство безгильзового патрона поясняется чертежами.
На фиг.1 показан вариант конструкции патрона в общем, виде; на фиг.2 - продольный разрез патрона; на фиг.3 изображен фрагмент полой пули безгильзового патрона в сечении вертикальной плоскостью; на фиг.4 показан вариант внутренней конструкции патрона, расположенного в полой пуле, на фиг.5 - продольный разрез этой конструкции; на фиг.6 изображен продольный разрез неподвижного цилиндрического упора, в котором выполнена сборка поршня, показанного на фиг.7 в профильной и фронтальной проекциях, и на фиг.8 показан узел толкателя бойка в сборе, соединенный удлинителями нормированным соединением на срез с бойком, изображенный как в профильной, так и во фронтальной проекциях.
Безгильзовый патрон содержит полую пулю 1, на наружной поверхности которой выполнены нарезы 2. В пуле расположен внутренняя пороховая камора 3 и поршень 4 с впрессованным в его дно капсюлем 5. На поверхности поршня расположены направляющие прямоугольные выступы 6, служащие опорной поверхностью однооборотным многозаходным виткам трапецеидальной резьбы 7 и скользящие в пазах 8 неподвижного цилиндрического упора 9.
Этот цилиндрический упор 9 установлен между краем 10 и стальным стопорным кольцом 11 со свинцовой прокладкой 12, охватывающим наружную поверхность этого упора и вставленным в паз 13. Полая пуля имеет на выходе оживальную конусную поверхность 14. Цилиндрический упор 9 снабжен приливами 15, имеющими направляющие боковые поверхности под углом, равным углу δ нарезов ствола к оси. Выход цилиндрического упора 9 закрыт стальным кольцом 16. В его осевое отверстие 17 вставлен толкатель 18 бойка 19, связанный с толкателем 18 удлинителями 20, расположенными в соответствующих им пазах 21, выполненных на внутренней поверхности цилиндрического упора 9. Торец выхода цилиндрического упора 9 герметично закрыт фольгой 22 из коррозионно-стойкого материала. Боек 19 связан с удлинителями 20 нормированным соединением на срез.
Работа патрона осуществляется следующим образом.
Ударник оружия передает толкателю 18 силу удара, разрушая фольгу 22 по площади осевого отверстия 17 кольца 16. Воспринимая движение толкателя 18, удлинители 20, жестко связанные с бойком 19, перемещаются в пазах 21 неподвижного цилиндрического упора 9, преодолевая силу трения в них. Боек 19 накалывает капсюль 5 поршня 4, трапецеидальные витки 7 которого входят в начальные соответствующие пазы трапецеидальной резьбы, выполненной на внутренней поверхности полой пули 1.
Воспламенение порохового заряда поршня 4, а затем и порохового заряда внутренней каморы 3, сопровождается резким нарастанием давления пороховых газов. Поршень 4, при начальном давлении пороховых газов, вместе с бойком 19 пройдет, удерживаемый от вращения выступами 6 в пазах 8 цилиндрического упора 9, небольшое расстояние, когда толкатель 18 упрется в стенку стального кольца 16. Это движение поршня 4 вызовет вращающий момент пули 1, преобразующийся в нарезах 2 и в нарезах ствола в поступательное движение пули.
Такое преобразование вращательного движения в поступательное описывается известной кинематической зависимостью u=ω·r·ctgδ. Здесь u скорость поступательного движения пули относительно ствола определяется величиной линейной скорости ее вращения ω·r, увеличенной на котангенс угла подъема δ винтовых нарезов в стволе.
Дальнейшее нарастание давления пороховых газов срезает нормированное соединение бойка 19 с удлинителями 20. Поршень 4 продолжает поступательное движение, благодаря скольжению выступов 6 в пазах 8 цилиндрического упора 9 и скольжению своей трапецеидальной резьбы 7 в пазах резьбы пули 1, и передает пуле в стволе все увеличивающийся момент вращения, увеличивая скорость разгона пули в стволе.
Поступательное движение поршня 4 будет происходить до соприкосновения витков трапецеидальной резьбы 7 со стальным стопорным кольцом 11. В этот момент пуля 1 должна пройти срез канала ствола и продолжить свое движение по инерции во внешней среде, по своей баллисте.
Благодаря обтюрации пороховых газов винтовым поршнем 4, выступов 6 в пазах 8, свинцовыми прокладками 12 и толкателя 18 со стенками стального кольца 16, пороховые газы остаются запертыми и изолированными внутри полой пули. По этой причине, выстрел из предлагаемого патрона осуществляется без пламени и с пониженным уровнем звука.
Пример. Рассчитанный и конструктивно проработанный вариант пули калибром 9 мм приведен в графическом материале к данной заявке на изобретение на фиг.1-фиг.8. Основные параметры пули помещены в нижеследующей таблице. Определение скоростных параметров пули производилось по методикам, изложенным в литературе М.Е.Серебрякова. Внутренняя баллистика ствольных систем и пороховых ракет, М., 1962.
cp
cp
При расчете принималось допущение, что момент вращения пули, получаемый при прямолинейно-поступательном движения поршня 4 под действием давления пороховых газов внутри пули, равен моменту вращения пули внутри ствола. Вычислим по среднему диаметру резьбы угол подъема витков внутри пули по формуле h=π·d·ctgγ. Здесь h - длина шага витков, d - средний диаметр витков, γ - угол подъема витков. Тогда , а угол γ=68°14'. Из анализа винтовой пары с трапецеидальной резьбой известно, что вращающий момент находится по формуле M=F·r·tg(γ+φ), где F - осевая сила, противоположная по направлению осевому перемещению винта, r - средний радиус резьбы, φ - угол начала скольжения тела с наклонной плоскости. tgφ=µ, что определяет коэффициент максимальной силы трения покоя, равный тангенсу угла начала скольжения тела с наклонной плоскости. При скольжении стали по стали коэффициент µ=0,15 и угол φ=8°33'. Средний радиус резьбы определяется из таблицы, т.е.
.
сн
k
1
Для определения силы F требуется величина среднего баллистического давления p, поскольку принято, что порох горит под этим средним давлением, которое одинаково для всех точек заснарядного пространства. Это давление определяется по формуле П.Н.Шкворникова , где р - давление на дно снаряда, ω - вес пороха, q - вес снаряда, в данном случае вес поршня вместе с капсюлем, который взят из конструкторской документации на безгильзовый патрон, q=1,55 г; φ=1,02 - коэффициент, учитывающий силы сопротивления движению поршня.
2
2
Поскольку давление на дно снаряда определяется опытным путем, то примем давление пороховых газов на дно поршня 2000 кг/см. Тогда давление пороховых газов в полости пули, в соответствии с вычислениями по формуле для p, оказывается равным 3120 кг/см.
В таблице приведены необходимые для расчета данные.
Таблица.
№ п.п.
Наименование параметра, обозначение и единицы измерения.
Величина параметра
1.
Калибр пули, d, мм
9
2.
Диаметр пули по нарезам, D, мм
9,3
3.
Длина пули, L, мм
56,67
4.
Угол нарезов к оси ствола, δ, градус
8°33'
5.
Угол трения пули в нарезах ствола, γ, град
8°33'
6.
Угол наклона приливов к оси пули, δ, град
8°33'
7.
Число нарезов ствола, n
4
8.
Число направляющих приливов, m
2
9.
Ширина направляющих приливов, t, мм
2,6
10.
Вес пули, q, г
12,41
11.
Вес заряда пороха, ω, г
1,768
12.
Плотность (средняя) пороха, ρ, г/см<sup>3</sup>
1,6
13.
Суммарный вес пули, Q, г
14,18
14.
Внутренний диаметр пули, d<sub>вн</sub>, мм
8,1
15.
Диаметр витков внутри пули, d<sub>н</sub>, мм
8,7
16.
Шаг витков внутри пули, h, мм
10,5
17.
Число шагов витков внутри пули
2
18.
Диаметр поршня, d<sub>к</sub>, мм
7,5
19.
Вес поршня с капсюлем, q<sub>K</sub>, г
1,55
20.
Принятое давление на дно поршня, кгс/см<sup>2</sup>
2000
Вычисление силы F проводится по выражению:
.
Таким образом, для вычисления вращающего момента, возникающего при движении поршня под действием давления пороховых газов, имеются все величины:
M=F·r·tg(γ+φ)=13,78,4·0,42·tg(68°14'+8°33')=578,93·4,27=2472 кг·см.
Этот вращающий момент, в соответствии с допущением, сформулированным выше, приложен к пуле в канале ствола. Так как нарезы на пуле и нарезы канала ствола образуют аналогичную винтовую пару, но со своими параметрами, то можно записать, что M·P·R·tg(δ+φ). Здесь R - средний радиус по нарезам ствола, из таблицы 0,5·D=R=4,65 мм; δ - угол подъема нарезов в стволе и на поверхности пули, δ=8°33'; φ - угол трения стали по стали, φ=8°33'; P - осевое усилие, метающее пулю из канала ствола, которое необходимо определить при известном моменте M, т.е. имеем:
.
S
S
2
2
Для определения эквивалентного давления пороховых газов этому усилию требуется найденную величину силы P разделить на площадь сечения пули с учетом нарезов. Площадь пули вычисляется по известной формуле S=n·d, где n=0,82, d - калибр пули, S=0,82·0,8 1=0,6642 см. Тогда эквивалентное давление пороховых газов на дно пули определяется отношением
сн
2
Среднее баллистическое эквивалентное давление пороховых газов в заснарядном пространстве по формуле П.Н.Шкворникова будет больше эквивалентного давления пороховых газов на дно пули. Однако определение эквивалентного среднего баллистического давления по указанной формуле не представляется возможным, так как неизвестен вес пороха, который при сгорании создавал такое высокое давление р=26037 кг/см на дно пули.
2
2
сн
Повторными расчетами, при выборе давления на дно цилиндрической каморы 4 менее 2000 кг/см, можно получить давление на дно пули р, более приближенное к принимаемому в современном стрелковом оружии, порядка 3200…3500 кг/см. Поэтому из этого примера можно сделать вывод: предлагаемая конструкция безгильзового патрона позволяет увеличивать в три-четыре раза силу метания пули или снаряда из нарезного ствола оружия, чем при традиционном пороховом выстреле, без увеличения веса порохового заряда. Последний вывод наиболее важен, так как позволяет увеличить дульную скорость метаемого тела из ствола без увеличения веса и прочности ствола и увеличения веса конструкции оружия в целом. Кроме того, пример показал возможность дальнейшего совершенствования патрона: уменьшения его конструктивных размеров, за счет уменьшения веса порохового заряда при сохранении достигнутых тактико-технических характеристик оружия.
Длина ствола оружия для предлагаемого патрона определяется из внутренней баллистики высотой хода нарезов h, т.е. длиной образующей, на которой нарез делает полный оборот:
h·πd·ctgγ.
В предлагаемом патроне, при движении поршня 4 под давлением пороховых газов, пуля совершает два оборота, поэтому длина ствола должна иметь удвоенную величину хода нарезов в стволе:
cm
l=2p=2πd·ctgγ=2·3,14·9·ctg8°33'=62,83·6,667=377 мм.
Но в конце второго оборота пули в стволе, она должна пройти обрез ствола.
Поэтому найденную длину ствола необходимо уменьшить на длину пули.
Тогда окончательно длина ствола будет равна:
cm
l=317 мм - 56,67 мм=320 мм.
По известной формуле из внутренней баллистики найдем дульную скорость метания пули при вычисленном эквивалентном давлении на дно пули пороховых газов, используя данные приведенной выше таблицы:
,
2
где φ - коэффициент учета вторичных работ расширения пороховых газов, который определяется по зависимости , причем коэффициенты a=1.1; b=1/3 для стрелкового оружия, а вес заряда ω=1,768 г и вес пули q=14.2 г взяты из таблицы. Таким образом, найдем . Для определения массы пули m необходимо вес пули q разделить на ускорение свободного падения g=9,81 м/сек, т.е. имеем:
.
Подставив найденные численные величины в формулу, определим дульную скорость:
.
Расчетная начальная дульная скорость предлагаемой пули в несколько раз выше, чем начальные дульные наибольшие скорости метания из известных в мировой практике систем стрелкового оружия. Кроме того, выстрел является безгильзовым и с пониженным уровнем звука, поскольку пороховые газы запираются внутри пули и достигают объекта прицеливания вместе с пулей, при ударе о который, взрываясь, пуля может произвести значительные разрушения.
Боеприпас будет обладать пониженным уровнем звука, т.к. при такой скорости метания пуля при движении по траектории издает свистящий звук вследствие трения о воздух, но сила звука при этом меньше, чем при истечении из ствола пороховых газов при выстреле.