ПАТРОН ПОВЫШЕННОЙ ПРОБИВАЕМОСТИ
CARTRIDGE OF INCREASED PENETRATION

Изобретение относится к области боеприпасов стрелкового оружия, преимущественно к патронам, предназначенным для поражения живой силы, расположенной в легкобронированной военной технике и открыто расположенной в бронежилетах.
В настоящее время одним из перспективных и наиболее рациональных направлений повышения боевой эффективности индивидуального стрелкового оружия является создание патронов, имеющих оптимальные баллистические и габаритно-весовые характеристики, позволяющие обеспечить максимальную эффективность их применения.
В наиболее общей форме критериями оценки патрона повышенной пробиваемости являются следующие: дальность эффективной стрельбы; дульная энергия пули; дульное давление пороховых газов при выстреле; габаритно-весовые характеристики.
Критерий дульной энергии характеризует важнейшие качества патрона - пробивное и убойное действие. Характеристика пробивного действия патрона является наиболее важной при условии сохранения достаточной энергии для убойного действия.
3
2
3
Уровень техники известен из пистолетного патрона, преимущественно калибра 9 мм, содержащего пулю со стальным сердечником, биметаллической оболочкой и полиэтиленовой рубашкой, цилиндрическую гильзу с капсюлем-воспламенителем и метательный пороховой заряд со следующими соотношениями параметров: длина патрона (3,4-3,9)d, длина пули (2,2-2,5)d, длина сердечника пули (2,1-2,4)d, длина головной части пули (0,85-1,2)d, длина гильзы (2,2-2,6)d, диаметр фланца гильзы (1,1-1,2)d, где d - калибр пули, при этом коэффициент веса пули 8,8-12,2 г/см, импульс порохового метательного заряда 55-75 кгс/дм, а плотность заряжения 0,9-1,24 г/см (RU 2045739, МПК F42В 5/02).
2
3
3
Известен патрон, содержащий пулю со стальным сердечником в свинцовой рубашке и биметаллической оболочке, гильзу, имеющую скат, капсюль-воспламенитель и метательный пороховой заряд. Оптимальные габаритные размеры пули и гильзы: длина пули (4,5-4,6)d, длина головной части пули (1,7-1,9)d, длина гильзы (4,1-4,3)d, длина ската гильзы (0,17-0,18)d, бутылочность корпуса гильзы (1,1-1,15)d, где d - калибр пули. Импульс порохового метательного заряда 45-55 кгс/дм, плотность заряжания 0,5-0,6 г/см. Коэффициент веса пули 20-24 г/см (RU 2079805, МПК F42В 5/02).
Основным недостатком данных технических решений является низкое пробивное действие.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому патрону (прототипом) является патрон стрелкового оружия, известный из патента RU 2206052, МПК F42В 5/02, 18.06.2001.
3
3
3
Известный патрон стрелкового оружия имеет первый и второй ведущие пояски, патрон выполнен с длиной пули (4,44-4,60)d и длиной сердечника (3,72-3,9)d, ширина первого ведущего пояска (0,31-0,59)d, ширина второго ведущего пояска (0,5…0,8)d, радиус оживала головной части пули (7,73-8,45)d, длина хвостовой части пули (0,61-0,77)d, коэффициент веса пули (15,45-16,68) г/см, плотность заряжания 0,88-0,96 г/см, внутренний объем гильзы 1,9-2,0 см, толщина стенки гильзы на расстоянии 1,44 d от торца равна (0,1-0,14)d, на расстоянии 2,52 d от торца - (0,08-0,11)d, на расстоянии 4,5 d от торца - (0,04-0,08)d, где d - калибр пули.
Недостатком данного технического решения является недостаточная пробивная способность сердечника при пробитии металлической брони и бронежилетов. Несмотря на то, что в данном решении сердечник выполнен из стали и закален, основным видом разрушения сердечника является хрупкое разрушение хвостовика и головной части. В случае когда сердечник пробивает бронеплиту, реализуется механизм пробития по типу пластического деформирования преграды с образованием выпучины и выбивание пробки (В.А.Григорян и др. Материалы и защитные структуры для локального и индивидуального бронирования. М. РадиоСофт. 2008 г. раздел Металлическая броня, стр.141). Наличие пробки значительно снижает способность пробития бронежилетов, защищенных дополнительно высокопрочными тканями. Когда не хватает энергии сердечника на пластическое расширение отверстия в преграде, он в ней застревает. При прохождении преграды данный сердечник испытывает объемное сжатие, при выходе из преграды внутренние напряжения в сердечнике скачкообразно уменьшаются, такое резкое изменение характера напряжений в объемах сердечника приводит к его разрушению или зарождению большого количества микротрещин, что значительно снижает прочность сердечника. Данный недостаток обусловлен нерациональным подбором материала сердечника и геометрических параметров его головной части. Данный патрон не позволяет реализовать механизм разрушения брони по типу высокотемпературного пластического деформирования. При данном механизме сердечник испытывает значительно меньшие по величине напряжения сжатия при повышенных температурах, что значительно увеличивает его убойное действие после прохождения преграды. Для реализации данного механизма разрушения стальной преграды необходим сердечник с другой геометрией головной части сердечника и с другим подбором физико-механических свойств материала сердечника.
В основу изобретения поставлена задача повышения поражения живой силы, расположенной в легкобронированной военной технике и открыто расположенной в бронежилетах.
В процессе решения поставленной задачи достигается технический результат, заключающийся в повышении пробиваемости патрона и сохранении достаточного убойного действия, в увеличении дистанции пробития металлической брони толщиной до 10 и бронежилета за счет отсутствия хрупкого разрушения сердечника, повышении давления и температуры в зоне контакта сердечника и преграды, реализации разрушения преграды по механизму высокотемпературного пластического деформирования и сохранении сердечником достаточной энергии для убойного действия.
Указанный технический результат достигается заявляемым патроном повышенной пробиваемости, содержащим пулю, имеющую оболочку, сердечник, состоящий из головной и хвостовой части, и свинцовую рубашку, стальную гильзу с капсюлем-воспламенителем и метательный пороховой заряд, патрон характеризуется такими параметрами, как длина пули, длина сердечника, при этом длина пули равна (3,52-4,60)d, длина сердечника пули равна (2,36-3,48)d, при этом сердечник выполнен из твердого сплава с содержанием карбида вольфрама по массе 85-96%, имеющий твердость HRA не ниже 85,0 единиц, предел прочности на изгиб не менее 2000 МПа, головная часть сердечника выполнена конусообразной формы, длина которой равна (0,52-2,41)d, хвостовая часть имеет форму цилиндра, или усеченного конуса, или соединенных между собой цилиндра и усеченного конуса, причем меньший диаметр усеченного конуса равен (0,69-0,86)d, больший диаметр усеченного конуса хвостовой части равен диаметру цилиндра и диаметру головной части сердечника и равен (0,70-0,86)d, a длина цилиндра равна (0,01-3,58)d, где d - диаметр калибра пули, поверхность сердечника полностью или частично имеет шероховатость не более Ra 1,6, а масса сердечника равна 0,34-0,62 массы пули.
1C
1/2
При этом патрон имеет твердый сплав с пределом прочности на сжатие не менее 4000 МПа и коэффициент интенсивности напряжений K не ниже 8 МПа м, конусообразная форма головной части сердечника образована прямой линией и/или дугой окружности с радиусом, равным (0,31-10,28)d, являющейся дугой сопряжения между линией, образующей конус, и линией, образующей, цилиндрическую часть хвостовика, при этом длина части конуса, образованная дугой окружности, равна (0,01-3,70)d, конусообразная форма головной части сердечника имеет радиус закругления остроконечной части не более 0,3 мм, а хвостовая часть сердечника и/или головная часть имеет покрытие, выполненное одним из физических или химических методов осаждения металлов.
Рассмотрим, как будут изменяться боевые характеристики патрона при изменении соотношений конструктивных параметров вышеуказанных пределов.
1. Длина пули (3,52-4,60)d,
Уменьшение длины пули менее 3,52 калибра приводит к уменьшению массы пули и сердечника и, следовательно, к уменьшению пробивного действия и внешнебаллистических характеристик пули.
Увеличение длины пули более 4,60 калибра приводит к увеличению массы пули и, следовательно, импульса отдачи патрона. При этом увеличивается давление пороховых газов и скорость подвижных частей оружия, что приводит к его более быстрому износу. Возникает трудность стабилизации пули на траектории и ухудшается кучность стрельбы.
2. Длина сердечника равна (2,36-3,48)d,
Уменьшение длины сердечника менее 2,36 калибра снижает его массу и снижает пробивное действие из-за уменьшения удельного давления на преграду.
Увеличение длины сердечника более 3,48 калибра снижает пробивное действие из-за уменьшения его устойчивости.
1C
1/2
3. Выполнение сердечника из твердого сплава с содержанием карбида вольфрама по массе 85-96%, имеющего твердость HRA не ниже 85,0 единиц, предел прочности на изгиб не менее 2000 МПа, предел прочности на сжатие не менее 4000 МПа и коэффициент интенсивности напряжений K не ниже 8 МПа м, позволяет в месте контакта с преградой создать высокие давления и температуры, обеспечивая тем самым механизм разрушения преграды по типу высокотемпературного пластического деформирования.
4. Выполнение головной часть сердечника конусообразной формы, длина которой равна (0,52-2,41)d, позволяет в данном диапазоне получить максимальную способность патрона по пробитию брони.
5. Дуга окружности, являющаяся дугой сопряжения между линией, образующей конус, и линией, образующей цилиндрическую часть хвостовика с радиусом, равным (0,31-10,28)d
Уменьшение радиуса дуги сопряжения головной части пули менее 0,31 диаметра калибра приводит к отсутствию сопряжения, следовательно, идет образование углов, концентраторов напряжения, это увеличивает износ сердечника и ухудшает пробивное действий пули.
Увеличение радиуса дуги сопряжения головной части пули более 10,28 диаметра калибра приводит к уменьшению длины ведущей части пули, что ухудшает точность стрельбы.
6. Выполнение конусообразной формы головной части сердечника с радиусом закругления остроконечной части не более 0,3 мм.
Данное «притупление» головной части позволяет значительно упростить технологический процесс изготовления сердечника и сборки патрона в целом, при этом не ухудшаются пробивные качества сердечника. Увеличение радиуса закругления приводит к снижению давления и температуры в месте контакта сердечника и брони, что снижает вероятность реализации разрушения преграды по механизму высокотемпературного пластического деформирования.
Важную роль в начальный период при пробитии брони и бронежилета играют геометрические параметры головной части сердечника и его физико-механические свойства. Наличие острого угла при вершине конуса с минимальным технологическим закруглением острия при высокоскоростном соударении позволяет создать высокие контактные нагрузки с локализацией температур и деформаций в малом объеме. Экспериментально установлено, что в месте контакта появляются области сильно локализованной пластической деформации, называемые плоскостями адиабатического сдвига (ПАС), в окрестностях которых концентрируется тепло. Быстрое деформирование металла приводит к локализованному нагреву контакта и катастрофическому разрушению. Увеличивая угол конуса и радиуса закругления, мы увеличиваем зону локализации и снижаем тем самым температуру в ней за счет увеличения отвода тепла через большую площадь контакта, что в итоге не приводит к образованию ПАС (Зельдович Я.Б. «Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений». М.: Наука, 1966, 686 с.).
При дальнейшем внедрении сердечника в преграду реализуется известный механизм пластического расширения отверстия в преграде при повышенных температурах. Оптимизация конусообразной формы головной части сердечника позволяет поддерживать высокую температуру в зоне контакта на всем протяжении внедрения головной части сердечника в броню. В этом случае реализуются более высокотемпературные механизмы пластической деформации преграды. Головная часть больше времени находится в контакте с броней, когда идет процесс пластического деформирования и значительно больше нагревается. Часть тепла переходит в броню, а часть передается хвостовику. В результате нагрева хвостовика вязкость разрушения его повышается, таким образом не происходит его разрушения от действия ударных волн и уменьшения напряжений сжатия при выходе его из преграды. Кроме этого, при данных геометрических параметрах головной части сердечника снижается образование ударных волн, а следовательно, снижается их негативное воздействие. Неразрушенный сердечник обладает значительной энергией после прохождения преграды.
7. Хвостовая часть имеет форму цилиндра, или усеченного конуса, или соединенных между собой цилиндра и усеченного конуса, причем меньший диаметр усеченного конуса равен (0,69-0,86)d, больший диаметр усеченного конуса хвостовика равен диаметру цилиндра и диаметру головной части сердечника и равен (0,70-0,86)d, а длина цилиндра хвостовика равна (0,01-3,58)d. Данный диапазон параметров хвостовой части сердечника позволяет снизить напряжения сжатия при прохождении сердечником преграды и уменьшить градиент напряжений при выходе сердечника из брони и тем самым максимально реализовать послепробивное действие сердечника. Кроме этого, уменьшение меньшего диаметра хвостовой части усеченного конуса менее 0,56 диаметра калибра приведет к увеличению ведущей части пули, уменьшению пробивного действия.
Увеличение меньшего диаметра хвостовой части усеченного конуса больше 0,71 приводит к увеличению напряжений сжатия в период прохождения сердечником преграды, что снижает его пробивное действие.
Диапазон параметров цилиндра хвостовой части сердечника позволяет реализовать рациональные технологические процессы при изготовлении и сборке патрона без снижения пробивной способности патрона.
8. Выполнение поверхности сердечника полностью или частично с шероховатостью не выше Ra 1,6 позволяет значительно повысить живучесть материала сердечника за счет снижения количества образования микротрещин и увеличения времени образования микротрещин. Наличие покрытия приводит к снижению температур в зоне контакта за счет снижения коэффициента трения, следовательно, к уменьшению сил трения.
9. Масса сердечника равна 0,34-0,62 массы пули. Уменьшение массы сердечника меньше 0,34 массы пули приводит к уменьшению массы сердечника и, следовательно, к уменьшению пробивного действия.
Увеличение массы сердечника выше 0,62 массы пули приводит к увеличению массы пули и, следовательно, импульса отдачи патрона. При этом увеличивается давление пороховых газов и скорость подвижных частей оружия, что приводит к его более быстрому износу.
Запредельное изменение указанных параметров патрона ведет к существенному ухудшению его боевых характеристик.
На фиг.1 представлена конструкция предлагаемого патрона, где L - длина пули, которая равна L=(3,52-4,60)d, 1 - пуля, стальная гильза 2, метательный пороховой заряд 3 и капсюль-воспламенитель 4 с неоржавляющим составом 5.
0
0
1
1
2
1
1
2
2
3
3
1
1
2
1
2
2
На фиг.2 представлена пуля, состоящая из биметаллической оболочки 6, свинцовой рубашки 7 и твердосплавного сердечника 8. Сердечник 8 состоит из головной части 8.1 и хвостовой части 8.2. Головная часть 8.1 состоит из конуса 8.1.1, образованного прямой линией, и конусообразной части 8.1.2, образованной частью окружности. Хвостовая часть 8.2 состоит или из цилиндра 8.2.1, или из усеченного конуса 8.2.2, или из цилиндра 8.2.1 и усеченного конуса 8.2.2, соединенных между собой. Соотношения конструктивных параметров патрона определены в зависимости от калибра патрона. Длина l сердечника 8 равна l=(2,36-3,48)d, длина головной части l сердечника 8.1 равна l=(0,52-2,41)d, l - длина части сердечника 8.1.1, образованная радиусом окружности R, равным R=(0,31-10,28)d, длина l равна 1=(0,01-3,70)d, длина цилиндрической части l хвостового сердечника 8.2.1 равна l=(0,01-3,58)d. Больший диаметр D усеченного конуса хвостовика равен диаметру цилиндра и диаметру головной части сердечника и равен D=(0,70-0,86)d, меньший диаметр D усеченного конуса равен D=(0,69-0,86)d. Остроконечная часть сердечника имеет радиус закругления R не более R<0,3 мм. Поверхности сердечника полностью или частично (либо головная часть, либо хвостовая часть) дополнительно шлифуются до шероховатости не выше Ra 1,6.
Проводились сравнительные испытания с патронами 7Н24, имеющими пулю с твердосплавным сердечником, сердечник имеет и 7Н24М, имеющие пулю с твердосплавным сердечником с головной частью в виде конуса. В качестве пробиваемого материала использовалась бронеплита 10 мм марки 2П ГОСТ В 21967-90 на удалении 100 м, стрельба велась из 5,45 мм ручного пулемета РПК74, бронеплита 5 мм марки 2П ГОСТ В 21967-90 на удалении 550 м, стрельба велась из 5,45 мм - автомата АК74М, снабженного оптическим прицелом, секция бронежилета 6БР23-1 на удалении 100 м, стрельба велась из ручного пулемета РПК74 и автомата АК74. Определялся процент пробития преграды.
В таблице представлены результаты сравнительных испытаний, подтверждающих повышение пробивной способности предлагаемого патрона
Патрон
Процент пробития плиты 2П на удалении 100 мРПК74
Процент пробития плиты 2П на удалении 550 мАК74М
Секция бронежилета 6БР23-1 на удалении 100 мРПК74
Секция бронежилета 6БР23-1 на удалении 100 мАК 74
Патрон 7Н24
10
0
30
0
Патрон 7Н24М
40
0
40
0
Патрон повышенной пробиваемости
100
100
100
100
Таким образом, совокупность всех указанных в формуле соотношений конструктивных параметров патрона обеспечивает создание патрона, который имеет более высокие характеристики по пробивному действию. Данные соотношения и полученные данные по механизму разрушения металлической брони могут быть использованы для создания патронов различного калибра.