СПОСОБ УМЕНЬШЕНИЯ ОТДАЧИ ОРУЖИЯ И ЭЖЕКТОРНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR DECREASING GUN RECOIL AND EJECTOR DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к способам и эжекторным надульным устройствам уменьшения отдачи оружия и может быть использовано для улучшения боевых характеристик стрелкового оружия и оружия других типов.
Известен способ торможения отдачи стрелкового оружия, реализованный в устройстве, описанном в патенте RU №2138000, МПК F41A 21/36.
Способ торможения отдачи выстрела выполняют давлением пороховых газов, выходящих из газоотводных каналов ствола и воздействующих на подвижные поршень и подпружиненный относительно ствола цилиндр с передней стенкой и продувочными отверстиями в боковых стенках. При этом пороховые газы, расширяясь в цилиндре, охлаждаются и уменьшают свое давление, так как объем цилиндра на порядок больше объема ствола.
Расширяясь, пороховые газы раздвигают поршень и цилиндр со скоростями, пропорциональными их массам, поэтому скорость поршня выше, чем цилиндра. При своем движении поршень воздействует на верхнее плечо коромысла, качательно смонтированного на заднем упоре, а нижним плечом - дополнительно ускоряют цилиндр. В конце своего хода цилиндр наталкивается на передний упор, установленный на срезе ствола, сообщая тем самым массивному стволу ударный импульс, гасящий соответствующую часть энергии отдачи.
Недостатком известного способа торможения отдачи является низкая эффективность снижения энергии отдачи, поскольку на поршень и подпружиненный цилиндр осуществляет давление только часть пороховых газов. Кроме этого, передача энергии не абсолютно упругим ударом поршня массивному стволу физически связана со значительным превращением кинетической энергии удара в энергию деформации упора и его нагрев.
Известен способ уменьшения отдачи оружия, взятый за прототип, работающий в период последействия и использующий энергию пороховых газов, выходящих из канала ствола вслед за метаемым снарядом. (См. учебник: Министерство образования РФ, Волгоградский Государственный технический университет "Физические основы устройства и функционирования стрелково-пушечного, артиллерийского и ракетного оружия". Часть 1. Под ред. чл.-корр. РАРАН А.А.Королева и чл.-корр. МАНПО В.Г.Кучерова. РПК, «Политехник», Волгоград, 2002, стр.116…119, §2.4.) Основной принцип использования энергии пороховых газов заключается в сообщении движения системе оружия (стрелковое оружие) или частям ее (ствол артиллерийского орудия) в направлении, обратном отдаче.
Сущность способа уменьшения отдачи оружия за счет преобразования части энергии отдачи, возникающей при выстреле, состоит в том, что после вылета снаряда (пули) из канала ствола пороховые газы направляют в специальную полость на дульном срезе, которые истекают через переднее и боковые отверстия этой полости в атмосферу. Истечение пороховых газов через боковые каналы, направленные под различными углами к оси канала ствола, уменьшает осевую реакцию, действующую на ствол и на оружие. При истечении пороховых газов через переднее отверстие суммарную реакцию газовых струй при расширении направляют вверх, чем создают момент, препятствующий прыжку ствола вверх, обычно возникающий при выстреле.
К положительному эффекту такого способа уменьшения отдачи относится то, что с его помощью не передают усилия на лафет, а замыкают его только на ствол оружия.
Основным недостатком известного способа уменьшения отдачи является сложность и значительная трудоемкость подбора возникающих осевых и боковых усилий, составляющих суммарный вектор количества движения пороховых газов, действующих на ствол и на оружие, для обеспечения требуемого положения оси ствола перед очередным выстрелом. Этот подбор связан с проведением значительного числа выстрелов на измерительных стендах для определения направления и величины отдачи и многочисленными корректировками угловых направлений истечения пороховых газов в атмосферу из отверстий специальной полости на дульном срезе с помощью механической обработки. Кроме этого, невозможность более глубокого охлаждения и снижения давления пороховых газов перед их истечением в атмосферу создает значительную зону повышенного давления на стрелка или расчет орудия и вызывает демаскирующий эффект.
Известно устройство дульного тормоза (См. патент RU №2138000, МПК F41A 21/36), реализующее известный способ торможения отдачи стрелкового оружия, содержащее установленный подвижно на стволе подпружиненный относительно него цилиндр с передней стенкой и продувочными отверстиями в боковых стенках и поршень. Ствол выполнен с газоотводными каналами и закрепленным на его наружной поверхности, ближе к дульному срезу, передним ограничительным упором в виде тормозного устройства. Второй упор установлен на стволе после поршня и содержит качательно смонтированное на нем коромысло, взаимодействующее верхним рычагом с подвижным поршнем, а нижним - с подвижным цилиндром.
Недостатком конструкции известного устройства является его громоздкость и сложность, обусловленная наличием подвижных механических элементов: поршня, цилиндра, пружины, коромысла, а также неподвижных упоров на стволе, создающих опасность их использования, вытекающего из описания конструкции.
Известны также газодинамические устройства уменьшения отдачи оружия при выстреле, используемые в заявке в качестве прототипа: дульные тормоза, газовые компенсаторы или стабилизаторы устойчивости оружия, навинчивающиеся на конце ствола по резьбе и использующие энергию пороховых газов, выходящих из канала ствола вслед за снарядом после выстрела. В конструкциях этих устройств реализуется известный способ уменьшения отдачи оружия.
Дульные тормоза имеют симметрично расположенные относительно оси канала ствола радиальные каналы с наклоном к зарядной части оружия, создающие симметричную реакцию надульного устройства на ствол, выходящими пороховыми газами, компенсирующими действие кинетического момента отдачи, направленного вдоль ствола при выстреле. Дульные тормоза часто используются в одной конструкции с газовыми компенсаторами.
Газовые компенсаторы или стабилизаторы устойчивости оружия при выстреле (См. учебник: Министерство образования Российской Федерации, Волгоградский Государственный технический университет "Физические основы устройства и функционирования стрелково-пушечного, артиллерийского и ракетного оружия". Часть 1. Под ред. чл.-корр. РАРАН А.А.Королева и чл.-корр. МАНПО В.Г.Кучерова. РПК, «Политехник», Волгоград, 2002, стр.119) представляют собой надульные устройства типа дульного тормоза, имеющие в отличие от последнего несимметрично расположенные относительно оси канала ствола боковые каналы, создающие поперечную (боковую) реакцию надульного устройства на ствол и тем самым компенсирующие действие момента от динамической пары, опрокидывающей оружие при выстреле. Типичные газовые компенсаторы отдачи для автоматического оружия имеют вид кососрезанных цилиндрических и конических насадок, навинченных на конец ствола, и могут стабилизировать оружие в одной или двух плоскостях.
Недостатками известных дульных устройств уменьшения отдачи является низкая эффективность, а также создание повышенного избыточного давления под действием пороховых газов в зоне обслуживающего персонала и стрелка. Пороховые газы, направляемые этими устройствами назад и в стороны, не могут сильнее охлаждаться расширением и снижать давление при истечении в атмосферу. Этот же недостаток особенно присущ реактивным бескамерным дульным тормозам. Другим недостатком таких дульных устройств является демаскировка местонахождения оружия и стрелка и затруднение проведения прицельной стрельбы из-за пыли, поднимаемой пороховыми газами, ударяющимися о поверхность земли.
Технической задачей настоящего изобретения является повышение эффективности уменьшения отдачи оружия при стрельбе с использованием эжекторных устройств в конструкциях дульных тормозов, газовых компенсаторов или стабилизаторов устойчивости оружия для обеспечения требуемого положения оси ствола перед очередным выстрелом, а также улучшение маскирующих факторов местонахождения оружия и персонала.
Технический результат изобретения достигается тем, что в способе уменьшения отдачи оружия при выстреле с помощью пороховых газов, которые направляют в противоположных направлениях отдачи и отскоку оружия, пороховые газы до выхода из ствола направляют для частичного охлаждения, уменьшения давления и торможения в конфузоры сопел Лаваля с центральным телом ствола, разгоняют до звуковых скоростей в критических сечениях сопел Лаваля с центральным телом ствола и при истечении в диффузоры сопел пороховые газы, расширяясь, разгоняют до сверхзвуковых скоростей, создавая в диффузорах зоны вакуумного разрежения, с помощью которых эжектируют наружный воздух через каналы, соединяющие зоны с атмосферой, охлаждая пороховые газы и увеличивая массу их смеси за счет эжектируемого воздуха, тем самым снижая давление пороховых газов до оптимальной величины, увеличивая суммарный кинетический момент выходной реактивной струи из диффузоров в направлениях, противоположных отдаче и отскоку оружия.
Кроме того, эжекторное устройство уменьшения отдачи оружия при выстреле, выполненное в виде дульного насадка, соединенного с концевым срезом ствола с помощью резьбы, содержащее газоотводные отверстия, направляющие пороховые газы в направлениях, противоположных отдаче и отскоку оружия при выстреле, снабжено кольцевым зазором и охватывающей его камерой расширения, выполненной в виде герметичного неразъемного соединения через кольцо входов двух конфузоров сопел Лаваля с центральным телом ствола, причем кольцо выполнено с калиброванным внутренним отверстием, служащим для регулировки количества поступающих в каждый конфузор камеры расширения пороховых газов, путем перемещения по резьбе, по отдельности, концевого без нарезов среза ствола и остальной части ствола относительно соответствующих сторон кольца, при этом выходом каждого конфузора сопла является критическое сечение, через которое каждый конфузор соединен со своим диффузором, снабженным соединительными каналами вакуумных зон разрежения диффузоров с наружной атмосферой и выходными секционными сопловыми отверстиями для выхода реактивных струй смеси газов в направлениях, противоположных отдаче и отскоку оружия при выстреле. Концевое сопло Лаваля с центральным телом ствола для уменьшения отскока оружия выполнено в виде верхней половины, а секционные сопловые отверстия диффузора, для выхода реактивных струй смеси газов, направлены в стороны и вверх.
К тому же оси каналов, эжектируемые наружный воздух, направлены перпендикулярно образующей внутренней поверхности диффузоров сопел Лаваля с центральным телом.
Осуществление способа уменьшения отдачи оружия с помощью конструкции эжекторного устройства выполняется при выстреле пороховыми газами, когда пуля или снаряд находится еще в концевом без нарезов срезе ствола. Пороховые газы направляют до выхода из ствола через кольцевой зазор перед концевым без нарезов срезом ствола в камеру расширения для торможения, частичного охлаждения и уменьшения их давления. Поскольку этот процесс преобразования параметров пороховых газов к требуемым определяется как объемом камеры расширения, так и количеством пороховых газов, входящих в нее, то естественной необходимостью конструкции является выполнение регулируемого кольцевого зазора.
Такая регулировка предусмотрена в эжекторном устройстве уменьшения отдачи оружия вращением концевого без нарезов среза ствола по резьбе, уменьшая или увеличивая величину кольцевого зазора. Регулировку кольцевого зазора ствола можно также выполнять вращением всего эжекторного надульного устройства относительно ствола по резьбе.
Кроме установки требуемой величины кольцевого зазора на стволе оружия предусмотрена регулировка пропускания количества пороховых газов через зазор между одной стороной кольцевого зазора на стволе и соответствующей ближайшей стороной кольца. Кольцо, герметично соединяющее равные по объему конфузоры сопел Лаваля с центральным телом ствола, образуют камеру расширения. Такая регулировка позволяет направлять с высокой точностью разное количество пороховых газов из общего потока их, выходящих из кольцевого зазора ствола, как в один, так и в другой конфузор благодаря калиброванному отверстию кольца.
Соединение входами двух конфузоров через кольцо, для образования камеры расширения, позволяет упростить выход пороховых газов из кольцевого зазора ствола в камеру. Такое соединение позволило выполнить простые и эффективные регулировки количества поступления пороховых газов из кольцевого зазора ствола в конфузоры сопел Лаваля, а также позволило уменьшить линейный размер и упростить конструкцию эжекторного устройства.
Поступая в конфузоры камеры расширения, пороховые газы, несмотря на частичное расширение, охлаждение и уменьшение давления, имеют достаточно высокую температуру и давление. Из конфузора пороховые газы поступают в критическое сечение сопла Лаваля с центральным телом, в котором скорость газов увеличивается до скорости звука. В газовой динамике принято скорости газов определять числом Маха М, которое выражается отношением реальной скорости струи газа к скорости звука в этой же газовой струе. Таким образом, в критическом сечении скорость пороховых газов будет M=1.
После критического сечения пороховые газы в диффузоре подвергаются расширению вследствие расширения образующей поверхности в направлении течения газов под углом 15°. Это вызывает падение давления и температуры в струе пороховых газов и согласно закону сохранения энергии возрастает скорость газового потока пороховых газов и она становится сверхзвуковой, т.е. M>1.
-3
-4
Поскольку на выходе из критического сечения струя пороховых газов имеет сверхзвуковую скорость и низкое давление, то в начальном сечении диффузора возникает зона вакуумного разряжения, в которой при правильно рассчитанных геометрических параметрах сопла Лаваля степень разрежения достигает порядка 10…10 мм ртутного столба. Соединяя эту вакуумную зону разрежения каналами с наружной атмосферой, охлажденный наружный воздух эжектируется в диффузор. Поэтому струя пороховых газов называется эжектирующей, а струя атмосферного воздуха, поступающая в диффузор через каналы, эжектируемой.
Эжектируемый наружный воздух, смешиваясь с эжектирующей струей пороховых газов в диффузоре, значительно понижает температуру пороховых газов. При смешивании увеличивается суммарная масса выходящей струи газов из диффузора, которая создает повышенный кинетический момент реактивный тяги. Этот кинетический момент реактивной тяги можно также регулировать в необходимых пределах уменьшением или увеличением сечений каналов, эжектируемых наружный воздух внутрь диффузора, а также изменяя количество эжектируемых каналов. Это также позволяет регулировать температуру и давление реактивной струи из диффузора, приближая давление смеси газов к оптимальному.
Из диффузоров эжекторного устройства уменьшения отдачи реактивная струя направляется в свои секционные сопловые отверстия, в которых она разделяется на несколько реактивных струй по требуемому направлению. Реактивные струи сопла Лаваля с центральным телом ствола, предназначенные для компенсации отдачи, направляют для силового воздействия противоположно вектору отдачи. Реактивные струи сопла Лаваля с центральным телом ствола, предназначенные для исключения подскока оружия при выстреле, направляются через свои секционные сопловые отверстия вверх и в стороны.
Применение секционных сопловых отверстий для направления реактивных струй газов из сопел Лаваля с центральным телом ствола позволяет уменьшить линейные размеры диффузоров, а также габариты эжекторного устройства, примерно, в два раза без нарушения режимов его работы и получить приращение реактивной тяги (См. Г.Н.Абрамович "Прикладная газовая динамика", М.: Наука, 1969, стр.514…515, рис.9.38).
Предлагаемая конструкция эжекторного устройства уменьшения отдачи оружия при выстреле с использованием сопел Лаваля с центральным телом ствола отличается от известных аналогичных конструкций, поскольку они не имеют центрального тела в виде цилиндра. Однако известны конструкции сопел, которые обладают прямолинейной внешней границей в виде обечайки, а центральное тело имеет конфигурацию внутренней границы в виде контура сопла Лаваля, см., например, цитируемую в предыдущем абзаце литературу на стр.397…403.
Поскольку для проведения анализа газодинамических течений в известных конструкциях сопел безразлично, какая граница будет прямолинейной: внешняя или внутренняя, - то можно положить, что цилиндрическая обечайка является внутренней границей центрального тела сопла, см. рис.8.11, а) на стр.397 указанной литературы. Кроме этого, в конструкциях авиационных турбореактивных двигателей встречаются конструкции в виде сопел Лаваля, в которых вместе с дюзами (камерами сгорания) в конфузоре устанавливается лопастной нагнетатель воздуха, соединенный с приводным колесом газовой турбины, размещенным в диффузоре сопла, посредством цилиндрического вала, проходящим через критическое сечение по оси симметрии. В этом случае такая конструкция служит примером сопла Лаваля с центральным цилиндрическим телом, подобно предлагаемой конструкции в настоящей заявке.
Поэтому геометрическая конфигурация требуемого сопла Лаваля с центральным телом, в каждом конкретном случае, рассчитывается с учетом исходных параметров пороховых газов и получения требуемых физических выходных параметров для эффективной работы эжекторного устройства по назначению. Для ознакомления с расчетом эжекторных устройств см. литературу Г.Н.Абрамович "Прикладная газовая динамика", М.: Наука, 1969, стр.149…168, 385…437, 438…515.
Благодаря применению способа, реализованного в эжекторном устройстве, значительно уменьшается отдача оружия при стрельбе, что обеспечивает требуемое положение оси ствола перед очередным выстрелом и улучшает маскирующие факторы местонахождения оружия и персонала.
Эжекторное устройство для осуществления заявленного способа уменьшения отдачи при выстреле оружия иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 представлен общий вид в разрезе; на фиг.2 - общий вид в объемном изображении; на фиг.3 представлена торцевая проекция выходных отверстий диффузора устройства уменьшения отдачи.
Эжекторное устройство уменьшения отдачи оружия при выстреле включает ствол 1, ввинченный резьбовым соединением в крышку 2 с секционными сопловыми отверстиями 3, которая соединена с помощью наружной резьбы с корпусом 4 сопла Лаваля с центральным телом ствола. Это сопло имеет диффузор 5, в зону разрежения которого эжектируется воздух через каналы 6, и критическое сечение 7. Вход конфузора 8 герметично соединен через кольцо 9 с входом второго конфузора 10 с образованием камеры расширения, охватывающей кольцевой зазор 11 между стволом и концевым без нарезов срезом ствола 12, ввинченного в несъемную крышку 13 с секционными сопловыми отверстиями 14 второго диффузора 15. В зону разрежения этого диффузора также эжектируется наружный воздух через эжектируемые каналы 16 в корпусе 17 сопла Лаваля с центральным телом концевого без нарезов среза ствола 12 с помощью эжектирующих струй пороховых газов, истекающих из критического сечения 18.
Осуществление способа уменьшения отдачи оружия при выстреле происходит следующим образом.
При выстреле, когда пуля или снаряд находится в концевом без нарезов срезе ствола 12, часть пороховых газов до выхода из ствола 1 направляют в камеру расширения, охватывающую кольцевой зазор 11, образованную герметично соединенными входами двух конфузоров 8 и 10 через кольцо 9 двух сопел Лаваля с центральными телами ствола. Переднее сопло Лаваля имеет центральным телом концевой без нарезов срез ствола 12 и выполнено в виде только верхней половины, поскольку такая конструкция определяется назначением этого сопла для уменьшения отскока ствола или всего оружия. Второе сопло Лаваля имеет центральным телом ствол 1 и предназначено для уменьшения силового импульса отдачи оружия или ствола.
В каждый конфузор 8 и 10 втекает свое количество пороховых газов, определяемое величиной зазора между стороной кольцевого зазора 11 и соответствующей стороной кольца 9, имеющего калиброванное осевое отверстие. Регулировку требуемого зазора проводят перемещением по резьбе либо концевого без нарезов среза ствола 12, либо неподвижного ствола 1, вращением всей конструкции эжекторного устройства по резьбе ствола 1.
В каждом конфузоре 8 и 10 пороховые газы в результате расширения охлаждаются, уменьшают свое давление и испытывают торможение, совершая теплопередачу корпусам 4 и 17 сопел Лаваля. Из конфузоров 8 и 10 пороховые газы входят в критические сечения 7 и 18, где приобретают скорость звука, определяемую своими физическими параметрами в конфузорах 8 и 10 и геометрическими размерами конфузоров 8, 10 и критических сечений 7 и 18.
-3
-4
После критических сечений 7 и 18 пороховые газы поступают в расширяющиеся каналы диффузоров 5 и 15, образующие поверхности которых направлены относительно оси симметрии под углом 15°. За счет расширения давление пороховых газов в диффузорах 5 и 15 уменьшается, и газы приобретают сверхзвуковую скорость согласно закона сохранения энергии. По этим причинам в диффузорах 5 и 15 в начальных сечениях после критических сечений 7 и 18 возникают вакуумные зоны разрежения, давление в которых достигает порядка 10…10 мм ртутного столба.
Эти зоны разрежения диффузоров 5 и 15 соединяют с наружной атмосферой каналами 6 и 16, проходящими через корпуса 4 и 17 сопел Лаваля. По этим каналам 6 и 16 эжектируют наружный воздух в зону разрежения диффузоров 5 и 15, смешивая его с эжектирующим потоком пороховых газов и охлаждая их до получения требуемой оптимальной температуры и увеличивая суммарную массу смеси газов эжектирующего потока. Температуру и массу смеси пороховых газов и наружного воздуха можно регулировать как сечением эжектируемых каналов 6 и 16, так и их количеством. Таким образом, на выходе из диффузоров 5 и 15 получают реактивную струю смеси, обладающую повышенным реактивным кинетическим моментом.
На выходе из каждого диффузора 5 и 15 реактивную струю разделяют на несколько струй с помощью секционных сопловых отверстий 3 и 14, через которые эти струи направляют по назначению. Через отверстия 3 в боковой стенке 2, соединенной резьбой с корпусом 4 сопла Лаваля, реактивные струи направляют противоположно вектору отдачи оружия или ствола для ее уменьшения. Через отверстия 14 в боковой стенке 13 корпуса 17 сопла Лаваля реактивные струи направляют в стороны и вверх противоположно направлению вектора отскока ствола или оружия.
Расчет процессов при прохождении пороховых газов в соплах Лаваля с центральными телами, с образованием реактивных струй смесей пороховых газов и атмосферного воздуха, позволяет сделать вывод, что реальная температура исходящих реактивных струй может достигать температуры на 25°C…40°C выше температуры окружающей среды. Давление реактивных струй на выходе из сопел Лаваля при выстреле составляет 40…60 атмосфер при их скорости истечения не более 50…60 м/с, при этом компенсация расчетного отскока и отдачи для стрелкового оружия производится полностью, что отвечает требованиям комфортности и безопасности персонала, обслуживающего оружие.