Огнестрельное орудие с аккумулятором давления
Огнестрельное орудие с аккумулятором давления содержит увеличенный пороховой заряд (3) по сравнению с известными обычными огнестрельными орудиями, ствол (1), имеющий значительно увеличенную длину, и аккумулятор давления для поглощения основной части пороховых газов, образующихся в результате сгорания порохового заряда (3), аккумулирующий поршень (43), поддерживаемый помещенными одна в другую пружинами (38, 39, 40), и установленный с уплотнением с возможностью скольжения в корпусе (41) аккумулятора давления. Также имеется газовая подушка (17), демпфирующая удар со стороны пружин (13, 38, 39, 40). Повышается дальность стрельбы. 5 з.п. ф-лы, 8 ил.
Данное изобретение относится к огнестрельному орудию с аккумулятором давления, которое устраняет основные недостатки известных и используемых огнестрельных орудий, а также соединяет в себе и улучшает их по существу преимущественные характеристики.
В стволах известных до настоящего времени огнестрельных орудий давление является неравномерным. У начального участка ствола давление быстро возрастает, достигает максимума, а затем постепенно падает. Известные материалы, из которых выполнен ствол, подходящие с экономической точки зрения, не допускают, чтобы максимальное давление газа в стволе превышало 3000-4000 бар. Вследствие падения давления на более удаленных участках ствола не имеет смысла применять более длинные стволы, которые в 50-60 раз превышают внутренний диаметра ствола (или калибр), так как у конца ствола, длина которого превышает этот размер, давление, продвигающее снаряд, снижается до такой степени, что силы, тормозящие снаряд, превышают силы, придающие ему ускорение, и, таким образом, снаряд вместо приобретения ускорения начинает замедляться.
Из-за вышеупомянутых ограничений снаряд выходит из ствола обычных огнестрельных оружий с начальной скоростью, составляющей максимум 1-1,6 км/с.
В 1960-е годы, в США, посредством решения, разработанного в рамках программы HARP (Научно-исследовательский проект по большим высотам), и использования концепции направляющих поддонов могла быть достигнута начальная скорость в 2,5-3 км/с, так чтобы благодаря содействию направляющих поддонов выстрел подкалиберными снарядами, имеющими размер меньше чем калибр, выполнялся из стволов большого калибра. При таком способе вес снаряда может быть уменьшен до 1/3-1/4 веса снаряда при его обычном размере. Из этого следует, что сила, действующая на единичную часть снаряда, увеличивается почти в 3-4 раза. При таком решении длина ствола в 150-200 раз превышает диаметр ствола. Этот способ в основном используется в развитых странах для танковых орудий.
Основной недостаток этого решения заключается в том, что продвигающее снаряд давление газов является неравномерным, и в то же самое время снаряд, выше данного калибра, создает затруднение для его перемещения вследствие чрезвычайно большого размера и веса, а, кроме того, он является весьма дорогостоящим. Помимо всего прочего направляющие поддоны быстро изнашиваются при поглощении значительной части рабочей энергии при каждом выстреле.
Данное изобретение направлено на решение вышеупомянутых проблем так, что основная часть газов, образующихся при сгорании увеличенного объема пороха, поступает в аккумулятор давления, тогда как меньшая его часть проходит в ствол значительно увеличенной длины, продвигая при этом снаряд вперед. Затем, по мере прохождения снаряда через ствол газы, скопившиеся в аккумуляторе давления, поступают в ствол и продвигают снаряд по всей длине ствола почти с одинаковым же давлением.
Таким образом, данное изобретение представляет собой огнестрельное орудие с аккумулятором давления, которое выполнено с увеличенным количеством пороха и значительно увеличенной длиной ствола по сравнению с обычными огнестрельными орудиями.
Следует отметить, что идея встроенного в огнестрельное орудие аккумулятора давления появилась недавно в виде средства, обеспечивающего создание более равномерного давления газа, а также для уменьшения силы отдачи при выстреле. Однако в этих решениях дальность стрельбы может быть увеличена приблизительно только на 20-30%, тогда как при использовании данного изобретения дальность стрельбы может быть увеличена до 500-600%.
Известны также решения, в которых увеличение давления газа в стволе создается воспламенением одновременно или последовательно большого количества пороховых зарядов, однако эти способы небезопасны и весьма сложны в обращении с ними.
Данное изобретение описано подробно со ссылкой на чертежи, причем на фиг.1 и 2 проиллюстрированы его основные преимущества по сравнению с предшествующими огнестрельными орудиями, а на фиг.3, 4, 5, 6, 7 и 8 показаны виды вариантов его выполнения в продольном разрезе.
Фиг.1а показывает обычное огнестрельное орудие, в котором газы порохового заряда 3, расположенные в полости гильзы, разгоняют непосредственно снаряд 2 в стволе 1.
Фиг.1b иллюстрирует решение использования направляющих поддонов, разработанных в рамках программы HARP, в котором газы порохового заряда 3 продвигают снаряд 2 посредством направляющих поддонов 4 в стволе 1. В этом решении видно, что размер порохового заряда 3 намного превосходит размер снаряда 2. Это объясняется тем, что такое решение обеспечивает в два раза большую начальную скорость, которая требует сгорания в 4 раза большего количества пороха как источника энергии. Также впечатляет относительно большой диаметр ствола 1 по сравнению со снарядом 2, дополнительное увеличение которого ограничено быстрым возрастанием напряженного состояния направляющих поддонов 4 при силовом воздействии.
Фиг.1с показывает новую конструкцию огнестрельного орудия в соответствии с данным изобретением. В этом решении также бросается в глаза большой объем порохового заряда 3 по сравнению со снарядом 2. Такое увеличенное количество обеспечивает начальную скорость, превышающую 3 км/с, достигаемую при использовании этого способа. Газы от увеличенного количества пороха разгоняют непосредственно снаряд 2, т.е. при этом отсутствуют потери, которые возникают при использовании направляющих поддонов 4. Калибр ствола 1 соответствует размеру цилиндра снаряда 2, так же, как в обычных орудиях, т.е. в данном случае отсутствует необходимость в стволе 1 огромной массы, крупного калибра, который представляет трудность для перемещения. Аккумулятор 5 давления обеспечивает отсутствие отдачи ствола 1, обусловленное газами, выделяемыми большим количеством пороха, а именно аккумулятор 5 давления принимает избыток газа, образующийся у первого участка ствола 1, и возвращает его у дальних участков ствола 1. Сильно удлиненный ствол может обеспечить использование всего количества газа. Данное изобретение обеспечивает максимальную дистанцию стрельбы посредством использования длины ствола, которая соответствует калибру 250-300.
На фиг.2 показаны сравнительные энергетические зависимости трех вариантов выполнения, показанных на фиг.1.
На графике «а» можно видеть, что в стволах обычных огнестрельных орудий на начальном участке давление газа возрастает с большой крутизной, а затем бесповоротно уменьшается. То же самое наблюдается для давления газа в решении, в котором используются направляющие поддоны, как проиллюстрировано на графике «b», но с отличием, которое заключается в использовании большего калибра, при этом взаимосвязанные величины являются существенно большими. Решение, проиллюстрированное графиком «с» и соответствующее способу по данному изобретению, демонстрирует равномерное давление газа, не превышающего значения давления, величина которого ограничена прочностью материала ствола. Однако, несмотря на это, данный размер равномерной продленной рабочей области сравнивается с размером рабочей области, характерной для случая увеличенного калибра с использованием направляющих поддонов, а в некоторых ситуациях он даже превышает последнюю на некоторую величину.
В новом типе огнестрельных орудий, выполненных в соответствии с данным изобретением, возможно использование различных типов аккумуляторов давления.
На фиг.3 показан аккумулятор 5 давления, выполненный с кольцевым поршнем 10. Газы от порохового заряда 3, который должен быть воспламенен, частично перетекают в аккумуляторную область 15 через сужающуюся горловину 7 охватывающего корпуса 8 и канал 9. В цилиндрической области 11, выполненной в казеннике 6, кольцевой поршень 10 испытывает отдачу с воздействием на пружину 13 и увеличивает аккумуляторную область 15, при этом значительное количество порохового газа устремляется в аккумуляторную область 15, противодействуя давлению пружины. Сжатие пружины 13, а затем ее последующее расширение поддерживает относительно равномерное длительное давление газа в стволе 1. При выходе снаряда 2 из ствола 1 давление газа в аккумуляторной области 15 падает и кольцевой поршень 10 продвигается вперед под воздействием удара пружины 13. Газовая подушка 17, заключенная между кольцевым фланцем 18 и кольцевым каналом 16, уменьшает отрицательное воздействие этого удара.
Вариант выполнения аккумулятора давления, показанный на фиг.3, имеет некоторые недостатки. Один из них заключается в необходимости уплотнения кольцевого поршня 10 и снаружи и изнутри вследствие его кольцевого характера, которое выполняется посредством сальников 12 и 21. Однако такое двойное уплотнение не является достаточно эффективным. С другой стороны, кольцевой поршень 10 окружает пороховой заряд 3 и не допускает подачу пороха с боковой стороны. Подача пороха может быть осуществлена исключительно сзади со стороны корпуса 19 замка, снабженного соединителем 20 для воспламенителя, что затрудняет высокую скорость заряжания.
Как высокоскоростное автоматическое заряжание с боковой стороны, так и проблемы, связанные с кольцевыми уплотнениями, решаются в улучшенном варианте выполнения, показанном на фиг.4. В этом варианте с правой и левой стороны в казеннике 6 симметрично расположены две цилиндрические полости 26 и 27, между которыми выполнена область 33 для заряжания в направлении оси ствола 1. Область 33 для заряжания содержит корпус 31 замыкателя и парный корпус 32 замыкателя, допускающие возможность выполнения высокой скорости заряжания с боковой стороны. Пороховые газы, образовавшиеся при возгорании порохового заряда 3, частично истекают в ствол 1, а частично в двух направлениях посредством радиальных отверстий 14 через промежуточный канал 22 в аккумуляторную область 23 с правой стороны, а также через промежуточный канал 24 в аккумуляторную область 25 с левой стороны. Газы, истекающие в правую аккумуляторную область 23, отталкивают цилиндрический поршень 28 с воздействием на пружину 39 в правосторонней цилиндрической полости 27, тогда как газы, истекающие в левостороннюю аккумуляторную полость 26, отталкивают другой цилиндрический поршень 28 с воздействием на пружину 29 в левосторонней аккумуляторной полости 26. Пружины 29 и 30 предпочтительно представляют собой спирали с противоположной навивкой, при этом они поддерживаются замковыми заглушками 34. При выходе снаряда 2 из ствола 1 давление газов падает как в правосторонней аккумуляторной области 23, так и в левосторонней аккумуляторной области 25, что обусловливает продвижение цилиндрических поршней 28 вперед под давлением пружин 29 и 30. Торможение продвигающихся вперед цилиндрических поршней 28 выполняется введением тормозящих стержней 35 в левостороннюю область 36 торможения и правостороннюю область 37 торможения.
Несовершенство аккумулятора давления, показанного на фиг.4, заключается в том, что вследствие сравнительно небольших диаметров левосторонней цилиндрической полости 26 и правосторонней цилиндрической полости 27 возможно использование пружин 29, 30, имеющих лишь сравнительно небольшие диаметры, давление которых не пригодно для поддержания высоких давлений газов, используемых в снарядах дальнего действия.
Для устранения этого недостатка подходящим является вариант выполнения, показанный на фиг.5, который решает проблему сохранения большой силы сжатия пружины посредством использования пружин 38, 39, 40, имеющих относительно большой диаметр и помещенных одна в другую. По принципу действия этот вариант аналогичен предыдущим вариантам. Однако отличие заключается в том, что пороховые газы, образуемые в результате сгорания порохового заряда 3, выходят из корпуса 31 замыкателя в двух направлениях: частично через горловину 7 и канал 9 к стволу 1, а частично через выпускной канал 42 к корпусу 43 аккумулятора давления, прикрепленному сзади к казеннику 6. Предпочтительно спиральные пружины 38, 39, 40 с противоположной навивкой поддерживают сзади поршень 43 аккумулятора давления, а защиту от металлического удара с поршнем 43 аккумулятора давления при его смещении вперед обеспечивает газовая подушка 17, заключенная в кольцевой области 44 торможения.
Вариант выполнения в соответствии с фиг.6 может обеспечить равномерно распределенную большую силу сжатия пружины посредством выполнения открытого аккумулятора, и в то же самое время, вследствие его открытой конструкции, движение поршня 43 аккумулятора давления допускает заряжание или выполнение других операций. Следует отметить, что предлагаемое орудие с аккумулятором давления может работать как безоткатное орудие. Это обстоятельство положительно влияет на стоимость его производства, точность стрельбы и темп огня. Деятельность, связанная обычно с откатом орудийного ствола, например загрузка, должна быть решена в этом изобретении другим способом, электромагнитным, электропневматическим и т.д. В варианте выполнения, показанном на фиг.6, эта задача может быть решена механическим способом посредством перемещения аккумуляторного поршня 43.
Пороховые газы, образующиеся в результате сгорания порохового заряда 3, проходят в этом случае также к стволу 1 вперед и к аккумуляторному поршню 43 назад. Ствол 1 прикреплен в передней части казенника 6, тогда как аккумуляторный поршень 43 проходит с уплотнением в цилиндрическую область, находящуюся в его задней части. Дисковидный упор 45 аккумуляторного поршня прилегает к мощным пружинам 38, 39, расположенным одна в другой. Предпочтительно пружины 38, 39 представляют собой спирали с противоположной навивкой. Они прилегают своими противоположными концами к опорной пластине 47, которая прикреплена контргайками 49 к ограничивающим выступающим частям 46 казенника 6 посредством ограничивающих стержней 48. Очевидно, что в этом варианте выполнения, при необходимости, размер пружин 38, 39 может быть увеличен.
Эти пружины могут быть равным образом выполнены как из материалов из специальной стали, так и различных материалов из волокнистых пластиков.
Существенный недостаток механических пружин заключается в их массивности и ограниченном быстродействии. Инерция при колебании крупных подвижных масс может создать неравномерное давление в стволе 1, которое уменьшает эффективность предлагаемого орудия. В то же самое время волны, связанные с колебаниями, распространяются, например, в стали, со скоростью 5 км/с. При подобных скоростях, возникающих в этом варианте выполнения, срок службы данных пружин может быть значительно снижен.
Для устранения этих недостатков предлагаются варианты выполнения 7 и 8, в которых в качестве пружин используется различная упругая газовая среда.
В варианте выполнения, показанном на фиг.7, газы, образующиеся от сгорания порохового заряда 50, расположенного в замыкателе 19, заполняют цилиндрическую область 11. Этот газ под давлением в 500-1000 бар толкает аккумуляторный поршень 43 вперед. Созданное в результате возгорания порохового заряда 3 давление газа в 3000-6000 бар толкает аккумуляторный поршень 43 назад и приводит в равновесное состояние давление в цилиндрической области 11. Это равновесие является причиной создания длительного по времени относительно равномерного давления газа в стволе 1. При выходе снаряда из ствола 1 давление в цилиндрической области 11 толкает аккумуляторный поршень 43 вперед. Однако тормозной стержень 35 закрывает канал 42, проводящий газы назад, таким образом, торможение аккумуляторного поршня 43 выполняется без металлического удара.
Вариант выполнения, проиллюстрированный на фиг.8, очень похож на предшествующий, за исключением того, что газ, создающий давление в цилиндрической области 11, подают через штуцер 52 и клапан 51. Поданный газ может быть нейтральным газом высокого давления, например, азотом или воздухом, однако он может быть горючим газом, например, ацетиленом, воспламеняемым в цилиндрической области 11 с созданием тем самым необходимого высокого давления газа.
Преимущества нового предлагаемого огнестрельного орудия можно резюмировать следующим образом. Основное его преимущество заключается в том, что при наличии соответственно большого порохового заряда и большой длины ствола начальная скорость предлагаемого огнестрельного орудия может значительно превышать начальные скорости, достигаемые известными до настоящего времени огнестрельными орудиями.
Другим важным преимуществом решения в соответствии с данным изобретением является то, что может быть использован быстро воспламеняющийся бризантный порох с большой рассредоточивающей силой без нанесения повреждения стволу.
Дополнительным преимущественным свойством, в основном при использовании ракет с собственным двигателем, является то, что умеренное плавное ускорение в стволе не вызывает детонации взрывчатого вещества, находящегося в стволе, а также не повреждает механизмы и конструктивные части, чувствительные к тряске.
Также преимущественным является то, что значительно уменьшается воздействие отдачи на снаряд при стрельбе, оно даже может быть полностью устранено выбором соответствующих соотношений колеблющихся масс.
Данное изобретение является шагом вперед почти для любой дальности стрельбы огнестрельных орудий. Оно может быть использовано, например, в дальнобойных орудиях для дистанции стрельбы в 4-6 км или в орудиях противовоздушной обороны для поражения целей на высоте 30-35 км посредством самонаводящихся ракет, а также оно применимо для крупных межконтинентальных ракет для дистанции стрельбы в 500-1000 км.
Варианты выполнения по данному изобретению, использующие аккумулятор давления, могут применяться не только для увеличения дистанции стрельбы, но и для создания плавного и равномерного ускорения снаряда в стволе посредством сдерживания давления газов, образующихся в результате сгорания порохового заряда, что делает их особенно подходящими для стрельбы ракетами.
1. Огнестрельное орудие с аккумулятором давления, предпочтительно для стрельбы на дальние дистанции, отличающееся тем, что содержит значительно увеличенный пороховой заряд (3) по сравнению с известными обычными огнестрельными орудиями, ствол (1), имеющий значительно увеличенную длину, и аккумулятор (5) давления для поглощения основной части пороховых газов, образующихся в результате сгорания порохового заряда (3), которые способны вскрыть казенник (6), причем в процессе движения вперед снаряда (2) в стволе (1) указанный поглощенный газ перетекает из указанного аккумулятора (5) давления в ствол (1), а также содержит аккумуляторный поршень (43), поддерживаемый помещенными одна в другую пружинами (38, 39, 40), и установленный с уплотнением с возможностью скольжения в корпусе (41) аккумулятора давления, при этом имеется газовая подушка (17), демпфирующая удар со стороны пружин (13, 38, 39, 40).
2. Огнестрельное орудие по п.1, отличающееся тем, что в казеннике (6) аккумулятора (5) давления выполнены две симметрично расположенные правосторонняя и левосторонняя цилиндрические полости (26, 27).
3. Огнестрельное орудие по п.1, отличающееся тем, что его аккумулятор (5) давления снабжен каналом (9), обеспечивающим перетекание газов, образующихся в результате сгорания порохового заряда (3), частично в ствол (1), а также каналом (42) отводящим остающиеся газы в противоположном направлении к корпусу (41) аккумулятора давления, установленному сзади на казеннике (6).
4. Огнестрельное орудие по п.1, отличающееся тем, что его аккумуляторный поршень (43) снабжен дисковидным упором (45), и поддерживается помещенными одна в другую пружинами (38, 39), выступающими от казенника (6) назад.
5. Огнестрельное орудие по п.1 или 2, отличающееся тем, что цилиндрическая область (11) его аккумуляторной области (15) заполняется газами, образуемыми в результате сгорания порохового заряда (3).
6. Огнестрельное орудие по п.1 или 2, отличающееся тем, что цилиндрическая область (11) его аккумуляторной области (15) заполнена нейтральным или горючим газом, вводимым через штуцер (52) и клапан (51).
