Středoškolská technika 2016 Setkání a prezentace prací středoškolských studentů na ČVUT
Konstrukce děla a srovnání účinností různých střelných prachů na základě měření úsťové rychlosti Oliver Klimt, Václav Mikulec
Gymnázium Jana Nerudy Hellichova 3, Praha 1, Malá Strana
1 Abstrakt Projekt se zabývá konstrukcí testovacího kanonu a následným testováním účinností různých střelných prachů. Jako kritérium účinnosti byla zvolena úsťová rychlost, která byla stanovena za pomoci vysokorychlostní kamery. Během konstrukce byly řešeny problémy zejména se stabilizací kanonu a tlumením silného zpětného nárazu. Ze šesti testovaných prachů byl jako neúčinnější stanoven nitrocelulosový střelný prach. Klíčová slova: Kanón, střelivo, projektily, příprava střelby
2 Abstract Our project deals with construction of experimental cannon and also with comparison of efficiency of gunpowders of different compositions. The initial speed of bullet was measured using high-speed camera and afterwards used as criterion. Problems with cannon stabilization and absorption of shot energy had to be solved. Gunpowder based on nitrocellulose was determined as the most powerful. Keywords: Cannon, ammunition, projectiles, preparation for firing
1
3 Prohlášení Čestně prohlašujeme, že studentský projekt byl námi vypracován samostatně a to pouze s použitím uvedených pramenů a literatury.
2
4 Obsah 1
Abstrakt ........................................................................................................................................... 1
2
Abstract ........................................................................................................................................... 1
3
Prohlášení ........................................................................................................................................ 2
5
Historie kanónu ............................................................................................................................... 5
6
5.1
První konstrukce ...................................................................................................................... 5
5.2
Dějiny střelného prachu........................................................................................................... 5
Výbušniny v balistice ...................................................................................................................... 6 6.1
Střeliviny v nábojích ............................................................................................................... 6
6.2
Nitrocelulosový prach ............................................................................................................. 6
6.3
Nitroglycerinový prach............................................................................................................ 6
6.4
Kordit....................................................................................................................................... 7
6.5
Diglykolový prach ................................................................................................................... 7
6.6
Vlastnosti nitrocelulosy vs vlastnosti černého střelného prachu ............................................. 7
6.7
Projektily ................................................................................................................................. 7
6.7.1
Tanková munice ...................................................................................................................... 8
6.8 7
8
9
Typy projektilů: ............................................................................................................... 7
Výroba kanónu ................................................................................................................................ 9 7.1
Úvod do praktické části: .......................................................................................................... 9
7.2
Konstrukce kanónu: ................................................................................................................. 9
7.2.1
Konstrukce stativu: ........................................................................................................ 10
7.2.2
Konstrukce hlavně: ........................................................................................................ 11
7.2.3
Munice:.......................................................................................................................... 13
7.2.4
Konstrukce odpalovacího zařízení: ............................................................................... 13
7.2.5
Možnosti zlepšení: ......................................................................................................... 13
Mísení primárních složí ................................................................................................................. 14 8.1
Cíl laboratorní práce: ............................................................................................................. 14
8.2
Pracovní postup: .................................................................................................................... 14
Praktická část – Test střelby .......................................................................................................... 15 9.1 ...................................................................................................................................................... 15 9.1
Úvod do testování: ................................................................................................................ 15
9.2
Test střelby – úsťová rychlost: .............................................................................................. 15
9.3
Test střelby – průbojnost munice: ......................................................................................... 16
9.4
Test střelby – balistika: .......................................................................................................... 17 3
10
Závěr .......................................................................................................................................... 18
11
Seznam obrázků ........................................................................................................................ 19
12
Seznam tabulek ......................................................................................................................... 19
4
5 Historie kanónu 5.1 První konstrukce Kanón je následovník takzvaného „ohnivého kopí“, které bylo vynalezeno o necelá dvě století dříve. Ohnivé kopí bylo konstrukčně jednodušší a posloužilo jako základ pro moderní kanóny. Ohnivé kopí se skládalo z opracovaného dutého bambusu, který byl naplněn černým střelným prachem, který měl dostatečnou energii na uvedení malého projektilu do tak vysoké rychlosti, že jím voják dokázal zneškodnit protivníka na malou až střední vzdálenost. Tyto zbraně ale nebyly dostatečně přesné, takže jimi bylo možné zneškodnit nepřítele na vzdálenost nepřesahující 20 m. Dalším problémem byla pevnost použitého bambusu. Bambusová trubice nedokázala odolat explozím, a proto bylo z hlediska bojové efektivity lepší užití luků. Raná konstrukce kanónů měla hlaveň, obdobně jako ohnivé kopí z bambusu, které se rychle opotřebovávalo, to se ale změnilo, když Číňané zdokonalili odlévání kovů. Užití kovu udělalo z kanónu mnohem přesnější zbraň, která určila směr pro následující tisíciletí.1 Nejstarší dochovaný kanón se datuje k roku 1288 a jeho ráže činila 25 mm. Druhý nejstarší exemplář pochází z roku 1332 a jeho proporce jsou již významně větší. Jeho ráže činí celých 105 mm. Oba kanóny jsou vázovitého tvaru, který byl dán nedokonalým odlitím. Tato nedokonalost činila střelbu méně účinnou, plyn po výbuchu nehnal střelu vpřed veškerou svou hmotou, část se stlačila ve „vázovité skulině“.2 Koncept palné zbraně se dostal i za hranice Číny, a to až do středověké Evropy, kde byl neustále zdokonalován. V roce 1453 se objevuje kanón schopný pálit kamenné projektily až do vzdálenosti 1600 m a byl slyšet do 16 km od místa výstřelu. Konstrukce je připisována maďarskému konstruktérovi kanónů Urbanovi. V 15. století se stává běžnou součástí kanónů i jejich podvozek. Tato úprava vyplynula z častého nasazování těžkého dělostřelectva do bojů a ze změn v taktikách boje. V této době se také začala zmenšovat těla a hlavně z důvodu zvýšení mobility. Ve středověku platilo pravidlo: čím delší hlaveň, tím delší i dostřel. Dnes se již ví, že je to mylná domněnka, ale až do 15. století byla považována za pravdivou. Následkem se výroba kanónů rozdělila na mobilní, které mohl táhnout kůň, a stacionární, k jehož pohybu byla zapotřebí obsluha více mužů či koní. V Německu se zavedla i třetí kategorie, minomet, což byla zkrácená verze kanónu s větší ráží. Tato verze byla schopna demolovat i zdi domů, ba dokonce hradeb. V Nizozemí používali jako projektily koule plněné střelným prachem. Ty byly zapalovány jednozážehovou metodou, kdy byla roznětka projektilu natočena k střelnému prachu. Tato metoda se často vymkla kontrole. Síla exploze poničila strukturu projektilu i s roznětkou, která pak předčasným výbuchem poničila hlaveň kanónu. V roce 1650 se přešlo na metodu dvojího zážehu, kdy teplo způsobené uvolněním plynů a rychlým nárůstem tlaku zažehlo roznětku, která pak detonovala bombu až v liniích nepřítele. Přidáním úhloměru se zvýšila přesnost palby. Náklonem kanónu se určoval dostřel. Také vznikl „kvadrant dělostřelce“, podle něhož nastavovali úhel palby. Přes veškerá vylepšení neumožňovaly kanóny přesnou střelbu, dělostřelci se stále museli spoléhat na svojí zkušenost a svůj odhad. Po celou dobu historie kanónů se vyvíjely ruční palné zbraně, které postupně vytlačovaly těžko přizpůsobivé kanóny. Ve 20. století se kanóny již nevyužívaly k primární palbě, ale pouze jako palebná podpora. Nyní děla najdeme na lodích, na tancích nebo na bezpilotních prostředcích.3
5.2 Dějiny střelného prachu Střelný prach byl až do 13. století rozšířen pouze v Číně a používaný zejména k ohňostrojům. Od poloviny 14. století byl už běžně používán v anglických a francouzských ozbrojených silách v obdobě černého střelného, který sloužil k odpalování munice na nepřátelské hrady případně armády. A to zejména během konfliktu známém jako stoletá válka. Střelný prach nebyl použit ve válkách pouze v Evropě. Turkové také použili kanóny např. během 5
obléhání Konstantinopole (dnešní Istanbul) roku 1453. Směs užitá v dělech byla v poměru 75 % KNO3, 12,5 % síry, 12,5 % dřevěného uhlí. V 15. století už se začal střelný prach dávat do nových, ručních, střelných zbraní, ve kterých směs obsahovala 75% KNO3, 10% síry a 15% dřevěného uhlí. V tomto složení byl použit Husity např. v "Píšťalách". Dělová verze střelného prachu byla také používána v původní české houfnici. Černý střelný prach je dnes nejčastěji využit v demoličním průmyslu. Jeho výbuchová teplota je 2400°C. Jeho detonační rychlost dosahuje maximálně 340 m/s. Energie výbuchu obsahuje 720 kcal/g. Na jeden kilogram výbušniny se vypustí 280 l plynů, jejichž tlak je 6900 atmosfér. Sypná hustota černého prachu jsou 2 gramy na centimetr krychlový. Nejčastěji uváděné reakce výbuchu jsou následující: 10 KNO3 + 3 S + 8 C → 2 K2CO3 + 3 K2SO4 + 6 CO2 + 5 N2 nebo 2 KNO3 + S + 3 C → K2S + N2 + 3 CO2 a další možná reakce je 4 KNO3 + C7H4O + 2 S → 2 K2S + 3 CO2 + 4 CO + 2 H2O + 2 N2 Podmínka pro tyto reakce je vysoká teplota.4
6 Výbušniny v balistice 6.1 Střeliviny v nábojích V 19. století se místo umisťování střelného prachu přímo do hlavně, začal dávat přímo do samotných nábojů, první kovové náboje ho obsahovaly, ale kvůli jeho negativním vlastnostem například lehkému navlhnutí, relativně nízkému výkonu a podílu zbytkových pevných látek po výstřelu ho rychle nahradily bezdýmné prachy. V dnešní době se střelný prach v nábojích využívá pouze v historických replikách, případně v signálních nábojích. Nalézt ho můžeme také v zápalných šňůrách a časovacích složích. Moderní náboje obsahují bezdýmné prachy, které se podle způsobu výroby rozdělují na nitrocelulosové, nitroglycerinové a diglykolové.
6.2 Nitrocelulosový prach Nitrocelulosa vzniká působením kyseliny dusičné na bavlnu za působení kyseliny sírové Chemická reakce výroby nitrocelulosy:
2 HNO3 + C6H10O5 → C6H8(NO2)2O5 + 2 H2O Tento materiál má drsný povrch je nepórovitý a jeho zrno je neprůsvitné žluté až zelené. Není pružný a je křehký. Je navlhavý a citlivý na změnu vlhkosti. Čím je jemnější, tím je rychlost hoření větší. Rychlost hoření může být ovlivněna volbou nitrocelulosy (obsah dusíku), nebo také jeho rozpustností. Jeho balistické schopnosti jsou dobré z důvodu dobrého přizpůsobení tvaru. Může se smršťovat a jeho výroba je zdlouhavá a drahá, na druhou stranu neopotřebovává hlaveň. Používá se v municích pro zbraně s krátkou hlavní (ruční zbraně) například "Glock-19".
6.3 Nitroglycerinový prach Má hladký povrch, je pružný, jeho barva je lehce průsvitná světlá až tmavohnědá. Je lesklý. Navlhá méně než nitrocelulosový prach. Výhoda tohoto prachu je jednoduchá a rychlá. Dále vyniká svojí 6
obrovskou balistickou a chemickou stálostí. Nevýhoda je, že je vyráběn z nitroglycerinu a značně opotřebovává hlavně. Používán je v moderních kanónech a jiných speciálních zbraních.
6.4 Kordit Kordit je také bezdýmnou výbušninou. V dnešní době je nejčastěji používán jako pohon do nábojů střelných zbraní a raket, případně v lomech. Byl vynalezen A. Nobelem a je to kombinace nitrocelulosy (65%), nitroglycerinu (30%) a vazelíny (5%). Sovětský kordit používaný jako raketové palivo, obsahoval také dinitrotoluen a centralit. Tato směs dosahovala výtokové rychlosti až 2000m/s.
6.5 Diglykolový prach Je méně pružný než ostatní prachy, vyrábí se v hrubých zrnech. Nejsou u něj potřeba vysoce účinné tlumiče ohně. Hlavně sice opotřebovává, ale mnohem méně než nitroglycerinový prach. Využíván je buď v raketové technice nebo u zbraní s vysokou kadencí například takzvaný "M134 Minigun".
6.6 Vlastnosti nitrocelulosy vs vlastnosti černého střelného prachu Nitrocelulosa má vysokou výbušnost, nízký bod vzplanutí a může vykazovat známky samozápalnosti (kvůli zbytkům kyselin). Teplota výbuchu se pohybuje mezi 2 200 - 2 700 °C a lze ji rozpustit v některých organických rozpouštědlech (aceton, ether, apod.…) a není rozpustná ve vodě. Její detonační rychlost při maximální hustotě (1,2 g/cm3) je 7300 m/s. Její energie při výbuchu je 800-1040 kcal/kg a objem jejích výbušných plynů je 860-970 l/kg. Vlivem tepla se pomalu rozkládá a je citlivá na tření a otřesy. Vzplane buď vlivem jiskry, sálavého tepla nebo plamenem. Je hlavní součástí bezdýmného střelného prachu, používá se také v lepidlech, nátěrových hmotách a používala se také jako fotografický film. Když si vlastnosti nitrocelulosy porovnáme s výše uvedenými vlastnostmi černého střelného prachu, nitrocelulosa nám vždy vyjde jako vhodnější volba, jelikož má nižší hustotu a díky tomu nižší hmotnost. Detonační rychlost je asi dvacetkrát vyšší u nitrocelulosy, i energie uvolněná při výbuchu je až o polovinu vyšší než u střelného prachu. Objem uvolněných plynů na litr, je skoro čtyřikrát vyšší u nitrocelulosy. Už jen z těchto čísel můžeme vidět výhodu nitrocelulosy a k tomu se ještě přidává fakt, že nitrocelulosa méně navlhá než černý střelný prach a dá se také tvarovat, aby se účinnost zvýšila a výbuch měl správný směr (využito v nábojích do pistolí), což černý střelný prach nedokáže.5
6.7 Projektily Výbušniny jsou sice v balistice velmi důležité, ale bez projektilů by z nich byly pouze usměrněné výbuchy, a proto si také uvedeme nejdůležitější typy projektilů dnes používaných a jaké mají účinky. 6.7.1 Typy projektilů: AP - Průbojné palivo, používá se k prostřelení nepřátelských pancířů. Je možno používat ve všech typech zbraní, jak ručních, tak pušek a kanónů. Skládá se z jádra (tvrzená ocel, wolfram, ochuzený uran) a měkčího pláště (slitiny mědi, nebo hliníku). FMJ - Celokovový plášť (full metal jacket), nejpoužívanější typ i v ČR. GameKing – Polo-plášťová střela se zúženou zádí, používá se na lov. Efektivní na střelbu do dálky díky jejímu aerodynamickému tvaru, který snižuje odpor vzduchu a tím pádem i úbytek pohybové energie střely. GD - Gold Dot má dokonalé spojení pláště s jádrem. Díky její konstrukci expanzivní dutiny zamezuje ztrátám materiálu střely při dopadu. GS - Golden Saber je střela konstruovaná tak aby svým průměrem dobře prošla drážkami hlavně. Díky tomu dosahuje vyšší přesnosti. HP - Hollow point aneb střela s dutinkou, také známá jako DUM-DUM. Tato střela je konstruována s dutinou ve své přední části, takže se po dopadu expanduje. Toto sice snižuje její penetraci, ale při nárazu do tkání působí extrémní škodu. Nicméně při nárazu do tvrdého objektu jako je například kost, 7
je možné, že kulka vůbec neexpanduje. Míra deformace kulky záleží na rychlosti střely, když narazí do tkáně. J - Všeobecně plášťovaná kulka (jacketed). L - Lead je jakákoli olovněná střela. SP - Lovecká střela, která se po nárazu zdeformuje (poloplášťová s měkkou špičkou). XTP - Střely s řízenou deformací. Existují další typy projektilů, například značkovací, které obsahují hořlavinu pro zanechání světelné stopy nebo dokonce projektily otrávené (např. za druhé světové války Rusové a Němci používali střely plněné kyanidem).6
6.8 Tanková munice Pro tanky se vyrábí několik druhů munice, které se rozdělují do dvou kategorií: - Munice, která působí na cíl energií výbuchu trhaviny, jež je uložena ve střele. HE -High explosive jsou klasické tříštivo-trhavé střely. Používají se jen proti nepancéřovaným, nebo jen lehce pancéřovaným cílům. Jsou stabilizovány rotací, tudíž vyžadují kanóny s drážkovaným vývrtem. Trhavina je iniciována nárazovým zapalovačem a na cíl působí tlakovou vlnou a střepinami. HESH/HEP - High explosive squash / High explosive plastic, jejich tělo je vyrobenu z měkkého kovu, které je vyplněno plastickou trhavinou. Při nárazu na pancíř se střela "rozplácne" a utvoří jakýsi koláč a následně se spustí zapalovač umístěný v zadní části střely. Rázová vlna takovéhoto výbuchu prostupuje pancířem a vytrhává jeho kusy na vnitřní straně. Střepiny vlnou vytvořené zabijí posádku uvnitř tanku a poškodí technologie. Tank zvenku vypadá nepoškozeně. Typ munice je také stabilizován rotací. Účinnou obranou proti této střele je obložení vnitřku tanku panely z balistických vláken. HEAT - High explosive anti-tank, koncentruje energii svého výbuchu do úzkého paprsku plazmatu, kterým se propálí skrz pancíř. Trhavina je vytvarována podle kovové vložky (například měď) do kuželovitého tvaru otevřeného směrem k cíli. Zepředu ji kryje balistický kryt a vzadu stabilizátor. Odpálení zajišťuje kontaktní zapalovač umístěný na tyči na čele granátu. Jejich nevýhodou je, že po probití pancíře působí jen v nepatrné vzdálenosti od osy samotného paprsku. Pokud tedy přímo nezasáhne důležitou konstrukci tanku, posádku či munici, je tank i po poškození nadále bojeschopný. -Munice, která působí na cíl kinetickou energií střely AP -Armor piercing, je rázová střela z velmi tvrdého kovu, princip spočívá v soustředění velké energie na střelu o malém průměru. Používá se pouze v malorážových kanónech. APCR/HVAP -Armor piercing composite rigid, nebo také HVAP (High velocity armour piercing). Je dutá rážová střela z měkkého kovu, ve kterém je usazeno jádro z velmi tvrdého kovu. Při nárazu na pancíř se samotná střela zastaví, ale jádro pokračuje a probíjí pancíř. Je to v podstatě upravená verze AP určená k vystřelování z velkorážových kanónů. Tato střela má díky velkému poloměru obrovský odpor vzduchu a ztrácí spoustu pohybové energie. Tento typ střely se již v současnosti nepoužívá. APDS - Armour piercing discarding sabot, střela z velmi tvrdého kovu (například wolfram), má značně menší průměr, než je ráže kanónu. Při výstřelu ji v hlavni vede pouzdro z lehké slitiny, které střelu roztočí a tím ji stabilizuje pro let. Po opuštění hlavně se díky odporu vzduchu pouzdro odpojí od střely a před kanónem tak vzniká nebezpečí pro pěchotu. APFSDS - Armour piercing fin stabilized discarding sabot, je další vývojový stupeň APDS, která je uzpůsobena pro moderní tanky s bezdrážkovou hlavní, místo rotační stabilizace je použita šípová. Lze ji vystřelit i z drážkovaných děl ale je potřeba složitější pouzdro. Došlo k zúžení a prodloužení střely, 8
a díky tomu má náboj větší průbojnost. Nemusí se vyrábět pouze z wolframu, ale lze to i z ochuzeného uranu. Tato střela je velmi efektivní vůči homogennímu pancéřovanému plášti.7
7 Výroba kanónu 7.1 Úvod do praktické části: Na samém počátku naší práce byl nápad na stavbu plně funkčního kanónu, to nás později dovedlo k myšlence, jaké testy s takto vytvořeným kanónem můžeme provést. Zvolili jsme porovnání prachových směsí vlastní výroby s průmyslově vyráběnými. Jako metody testování jsme zvolili měření úsťové rychlosti a test průbojnosti. Veškeré testování jsme prováděli za přítomnosti vysokorychlostní kamery, abychom dosáhli co nejprofesionálnějších podmínek a co nejpřesnějších výsledků. První fází bylo vytvoření funčního konceptu kanónu, jehož stavbu bychom chtěli zrealizovat. Prvním nápadem byl kanón prakticky nejjednodušší konstrukce, která postrádá jakýkoliv závěrový mechanismus. Takováto verze by byla nabíjena ústím, což přináší mnohá úskalí jako je dlouhá doba přebíjení, zanášení hlavně a s tím spojené složitější čištění. Druhým a také, jak se později ukázalo, i finálním konceptem kanónu se stal komplexnější kompromis mezi kanónem a houfnicí, který se od prvního konceptu lišil přítomostí závěrového mechanismu, který nám dovoluje, aby tato verze byla nabíjena nábojnicemi. Tímto jsme eliminovali všechna úskalí ústím nabíjeného kanónu. Ve chvíli, kdy byl hotov koncept hlavně, tak jsme museli vytvořit stativ, který bude pevný ale zároveň lehký a mobilní. Zvolili jsme stativ do tvaru písmena X, který byl konstruován tak, aby plnil všechna předešlá kritéria.V poslední řadě jsme vytvořili odpalovací mechanismus založený na elektrickém palníku. V následující kapitole naší práce je probrána detailní problematika konstrukce kanónu, munice a odpalovacího mechanismu. Mimo to je v této kapitole rozebrána detailní problematika testování a získané výsledky.
7.2 Konstrukce kanónu: Jako výchozí bod pro konstrukci jsme měli nábojnice do brokovnice ráže 12, od kterých se odvíjel zbytek kanónu. Vzhledem k faktu, že jsme se rozhodli použít brokovnicové nábojnice ráže 12/70, tak jsme museli zvolit ráži 20 mm, která přesně odpovídá zmíněné munici. Následně byl vytvořen 3D model za pomocí programu Autodesk Inventor® 2015 (viz. obr. 1), podle kterého se řídila samotná konstrukce.
9
Obrázek 1 Cílová konstrukce
7.2.1 Konstrukce stativu: Základním materiálem jsme zvolili bukové dřevo, které se jevilo jako vhodnější než náš první koncept stativu, který by byl zhotoven z oceli. Bukové dřevo nám poskytuje průžnou konstrukci, která je navíc lehčí než ocel a také jednodušší na výrobu vzhledem k tomu, že není nutno použít stvářecí techniku. Základna kanónu byla zkonstruována do tvaru písmene X z důvodu stejné stability, které bychom dosáhli i čtevrcovou konstrukcí. Konstrukce do tvaru písmene X má výhodu oproti čtvercové konstrukci v úspoře materiálu a tedy i výsledné hmotnosti. Základna se skládá ze 3 hranolů, které dohromady tvoří již zmíněnou konstrukci do tvaru písmene X. Nejdelší hranol je dlouhý 63 cm vysoký 2,5 cm a široký 3 cm. Na tento hranol jsou přidělány dva identické hranoly o délce 30 cm. Jako pojivý materiál jsme zvolili ocelové spojovací plošky s předvrtanými dírami, které nám zajištují vyšší pevnost než samotné vruty. Posledním krokem při tvorbě základny bylo vyvrtání celkem 4 svislých otvorů o průměru 1cm na vnějších rozích základny, které budou sloužit k ukotvení kanonu do země pomocí ocelových hřebů. Takto vyvrtané otvory jsme vystužili duralovou trubkou, aby nedošlo k popraskání dřeva důsledkem pohybu kanónu při zpětném rázu. Na základnu navazuje nástavba (viz. obr. 2) , která má za úkol upevnění děla při sklonu 15°. Je zhotovená ze stejných hranolů bukového dřeva jako základna. Skládá se ze tří částí pospojovanými vruty a epoxidovým lepidlem. Na koncové části jsme vyvrtali díru pod úhlem 15°, do které bude umístěna jedna ze dvou objímek na hlaveň. Na nástavbu jsme připevnili upravený prefabrikát sloužící na upevnění patek trámů z lisované oceli, který má za úkol upevňovat druhou objímku hlavně (viz. obr. 3).
10
Obrázek 2 Nástavba pro upevnění
Obrázek 3 Fixace druhé objímky
7.2.2 Konstrukce hlavně: Jak bylo zmíněno, tak jsme se museli řídit podle brokovnicové ráže 12/70, tedy jsme museli zvolit bezvývrtovou hlaveň ráže 20 mm (viz. obr. 4). Nejlepší možnou variantou na trhu byla vysokotlaká závitová ocelová trubka o délce 50 mm a s tloušťkou pláště 2 mm. Tato trubka následně podstoupila kalení v oleji, abychom dosáhli vyšší pevnosti. Výměna patron probíhá pomocí mosazné záslepky se závitem na jednom konci hlavně (viz. obr. 5, 6). Na ústí hlavně jsme našroubovali mosazný válcový kompenzátor, který zmírňuje zpětný ráz při výstřelu a navíc usměrňuje plyny za projektilem. Hlaveň je upevněna dvěma objímkami ke zbylé konstrukci. Tyto objímky díky jejich gumové vložce nalubrikované silikonovým olejem dovolují hlavni bržděný pohyb směrem dozadu při výstřelu, tedy zákluz, který snižuje riziko fatálního opotřebení všech dílů důsledkem zpětného rázu.
11
Obrázek 4 Bezvývrtová hlaveň
Obrázek 5 Koncový závit pohled A
Obrázek 6 Koncový závit pohled B
12
7.2.3 Munice: Naše munice se skládá z prázdných brokových nábojnic ráže 12/70, které jsme upravili pro naše potřeby, tak aby se do ní místo rozbušky vešel elektrický palník. Konečný hotový náboj obsahuje 10 g výbušné primární slože a cca 0,5 g iniciační slože. Iniciační slož je v našem případě součástí elektrického palníku, který se skládá z odporového drátu obaleného směsí dusičnanu draselného a cukru. Výbojem z odpalovacího zařízení se drát zahřeje a zapálí iniciační slož, která vyvolá detonaci primární slože. Testovaly se 3 typy projektilů z toho 2 jsou průbojné a 1 brokový. Průbojné projektily se liší pouze hmotností (20 g a 30 g) jinak jsou konstruovány prakticky stejně. Jedná se o válec z bukového dřeva, na který je připevněna vybroušená hlavice z kalené oceli. Následně pak byly tyto projektily lakovány, abychom dosáhli co nejmenšího odporu vzduchu (viz. obr. 7). Brokový náboj je tvořen 27g olověné drti.
Obrázek 4 Vyhotovené projektily
7.2.4 Konstrukce odpalovacího zařízení: Odpalovací mechanizmus je konstruován tak, aby dovoloval spolehlivě kontrolovat střelbu z kanónu z bezpečné vzdálenosti. Zvolili jsme odpalování pomocí již zmíněných odporových elektrických palníků. Samotný ruční odpalovač je situován do plastové konstrukční krabičky a obsahuje pojistný obvod, který je nutno odjistit a jako následek odjištění uzavřeme obvod mezi baterii a odpalovačem, navíc začne blikat varovná červená LED signalizující odjištění. Ruční odpalovač pouze uzavírá obvod mezi 11,1V/80C Li-pol baterií, která dokáže vyprodukovat vysoké množství proudu potřebné k okamžitému zapálení iniciační slože. 7.2.5 Možnosti zlepšení: Přestože náš kanón je plně funkční a naprosto splnil naše požadavky, tak si uvědomujeme po celou dobu jeho stavby, co bychom mohli vylepšit a postavit tak verzi 2.0, která by byla plnohodnotnou palnou zbraní. Nejprve bychom potřebovali vyřešit problém s odolností materiálu rámu, protože jak jsme se už zmínili, tak bukové dřevo je sice poměrně pevné a lehké, ale ne natolik jako například letecký hliník, který bukové dřevo předčí v obou kritériích. Jak je vám známo, tak u našeho děla dosud zajišťovala zákluz hlavně dvojice povolených a nalubrikovaných gumiček. Pro naše účely to bohatě stačí, ale dochází zde k silnému opotřebení jak gumiček, tak i objímek, které je svírají, proto bychom ve verzi 2.0 chtěli tento primitivní zákluzový systém nahradit systémem kolejnicovým, který by byl bržděn dvojicí progresivních vinutých tlačných pružin. Nyní se přesouváme k samotné hlavni. Hlaveň by si doopravdy zasloužila největší upgrade vzhledem k tomu, že se původně ani nejednalo o trubku pro 13
extrémní tlaky a tím pádem jsme jí museli ještě vykalit, abychom dosáhli větší tvrdosti. Tedy ve verzi kanónu 2.0 by byla dosavadní „improvizovaná“ hlaveň nahrazena zbrojařskou ocelovou hlavní s vývrtem. Jako bonus by vývrt hlavně dodal projektilu rotaci, která zvyšuje jeho stabilitu a tedy i přesnost. Dalším markantním zlepšením, které by bylo nutno pro verzi 2.0 provést je nahrazení dosavadního šroubovacího závěru za uzamčený posuvný závěr podobný systému Browning. Mimo to nynější úsťová brzda má minimální efekt a proto verze 2.0 by byla obohacena o úsťovou brzdu ve tvaru hrotu šípu, která je určena pro těžké artilerie a protimateriálové odstřelovací pušky jako Barrett M82. Naše munice je sice účinná, ale ne natolik, aby mohla být zařazena například do vojenské služby. Potýkáme se s nepřesností u projektilů, která je způsobena nedokonalými podmínkami výroby jako například absencí soustruhu. Pro munici verze 2.0 bychom zvolili celoplášťové projektily o hmotnosti minimálně 20 g pro standardní střelbu a kulky s wolframovou špičkou jako protimateriálovou munici. Co se týče primární slože, tak bychom chtěli navýšit množství ze stávajících 10g na 15g pomocí vysokého tlaku. Nábojnice bychom obohatili zápalkou se středovým zápalem, která by nám dodala větší spolehlivost při střelbě. Vzhledem k vylepšení nábojnic bychom museli pozměnit celý dosavadní palníkový systém na systém úderníkový.
8 Mísení primárních složí 8.1 Cíl laboratorní práce: Testovací část našeho projektu spočívá v tom, že jsme chtěli porovnat účinnost různých směsí střelných prachů a zároveň tyto námi připravené prachy porovnat s komerčně vyráběnými – přesněji s černým prachem do předovek a s vysokovýkonným bezdýmným nitrocelulosovým prachem. Pro naše účely jsme se rozhodli pro následující směsi prachů: Tabulka 1 Složení jednotlivých střelných prachů8
KNO3
NaNO3
Černé uhlí
Uhlík
KMnO₄
Síra
Černý střelný prach
75 %
-
15 %
-
-
10 %
Trhací prach forte
80 %
-
-
20 %
-
-
Dělový prach
75 %
-
-
12,5 %
-
12,5 %
Akcelerovaný prach
73 %
-
-
12 %
5%
10 %
PGI optimum
74 %
-
-
14 %
-
12 %
Černý prach alternativní
-
75 %
15 %
-
-
10 %
8.2 Pracovní postup: Rozhodli jsme se pro vytvoření 40 g od každé směsi, tedy naším prvním krokem bylo navážit jednotlivé součásti prachů podle procent (viz. Tabulka 1). Odvážené jednotlivé složky jsme rozdrtili v třecí misce, abychom dosáhli větší hustoty zrn. Dále jsme takto nadrcené složky přesili přes plastové síto, aby byla všechna zrna co nejvíce identická, to umocní rychlost vznícení. Mísení jednotlivých složek jsme prováděli na papíře, kde bylo důležité smísit všechny složky tak, aby jako poslední přidanou složkou bylo oxidační činidlo. Kdyby tomu tak nebylo bylo by zde riziko exploze. Takto připravené směsi jsme uložili do nádob, ze kterých jsme ji později mohli bezpečně a přehledně distribuovat do nábojnic.
14
9 Praktická část – Test střelby 9.1 Úvod do testování: Rozhodli jsme nejprve pro test úsťové rychlosti, která je směrodatná pro dostřel a celkový výkon zbraně. Úsťová rychlost byla měřena za pomocí softwaru, ve kterém jsme si zpomalili záznam ze střelby s vysokým počtem snímků za sekundu, tak aby byl vidět projektil. Z takto upraveného záznamu jsme mohli počítat, za jaký čas urazí střela 1 m. Další test, který jsme prováděli, byl test průbojnosti, který určil množství energie při nárazu střely do polystyrenových v podobě hloubky, do které střela pronikla.
9.2 Test střelby – úsťová rychlost: Test úsťové rychlosti byl mimo jiné i prvním testem samotného kanónu. Pro účely tohoto testu jsme si vybrali k porovnání 4 různé druhy střelných prachů při množství 10 g primární slože, přičemž bylo stříleno nestandardní municí, tedy pouhými 5g těžkými válci z bukového dřeva, abychom dosáhli lepších podmínek pro pozorování projektilu a navíc abychom se vyhnuli složitému způsobu výroby více průbojných nábojů. V prvním zpomaleném videozáznamu (viz. video 1) můžeme vidět dělový prach naší vlastní výroby. Úsťová rychlost se pohybovala okolo 100m/s. Na videu můžeme pozorovat masivní zákluz hlavně, který jak se v posledním testu (viz. video 2) ukáže stal i problémem, který je třeba řešit. Druhý zpomalený videozáznam (viz. video 3) je největší neúspěch z našich směsí. Jedná se o černý střelný prach, ve kterém byl dusičnan draselný nahrazen slabším okysličovadlem tedy dusičnanem sodným. Při detonaci iniciační slože dost pravděpodobně došlo pouze k vznícení jen části primární slože. To způsobilo, že zbytek primární slože včetně s projektylem byl vystřelen z hlavně. Díky tomu, že zde nedošlo k plné expanzi plynů, tak se úsťová rychlost pohybovala pouze okolo 35 m/s. Vzhledem k výsledkům s touto směsí jsme ji pro test průbojnosti vyřadili. Ve třetím záznamu (viz. video 4) můžeme pozorovat test směsi trhacího prachu forte. Pro naše účely je jak se ukázalo neúčinný, jelikož náš vytvořený vzorek má moc malou rychlost expanze plynů při detonaci. Úsťová rychlost se i přes to pohybovala okolo 90 m/s, což považujeme stále za úspěch. Čtvrté video (viz. video 5) dobře srovnává dělový prach a trhací prach forte. Mimo to, že můžeme pozorovat rozdíl v zálkuzu, tak i mimo to si můžeme povšimnout rozdílného záblesku při výstřelu, který se liší z důvodu, že v trhacím prachu forte není obsažena síra. Poslední testovaný vzorek (viz. video 2) byl pro porovnání všech našich prachů s komerčním bezdýmým vysokovýkonostním prachem, tedy nitrocelulózovým. Je udáváno, že tato směs je až sedminásobně účinější než černý střelny prach, což se i při testu ukázalo. Byla naměřena impozantní úsťová rychlost pohybující se přes 200m/s. Je to pouhý přibližný odhad, jelikož instalovaná vysokorychlostní kamera je schopna snímat maximálně v takové rychosti snímků za sekundu jako se pohybuje těleso o rycholsti 200m/s. Při testu došlo k natolik silné detonaci primární slože, že zákluz byl tak masivní až rozerval přední objímku držící hlaveň. Navíc tento test byl prováděn na rozmáčené půdě, takže se kotvící hřeby neudržely v zemi v důsledku zpětného rázu. Naštěstí se nejednalo o fatální vadu – stačila jen výměna objímky. Tento test nás přidedl k možnosti upgradu, kde bychom chtěli do konstrukce přidat pružinu brzdící zákluz a kolejnicový systém. Takto upravená konstrukce by s nitrocelulózovým prachem neměla sebemenší potíže.
15
9.3 Test střelby – průbojnost munice: Mimo test úsťové rychlosti jsme se rozhodli zároveň pro test průbojnosti munice. Tento test je směrodatný pro zjištění ničivého účinku naší munice. Test byl prováděn tak, že cílem byla polystyrenová masivní deska ve vzdálenosti 1,5m od ústí hlavně. Měřili jsme hloubku, do které projektil o hmotnosti 20 g pronikl. Mimo to jsme stříleli i s brokovým nábojem o hmotnosti 27 g, abychom zjistili míru ničivosti pro organické tkáně. Jako testovací subjekt nám posloužil vodní meloun. Pro tento test jsme si vybrali 6 vzorků střelných prachů pro porovnání. Výsledkem hned po prvním výstřelu bylo, že jsme podcenili průraznost střel a tím pádem došlo k dokonalé penetraci téměř 30 cm polystyrenu a zároveň došlo k masivnímu poškození kvádru z litého betonu, který byl za deskou.
9.4 Grafický výpočet Za pomocí počítače jsme ve zpomaleném záběru určovali čas, za který střela urazí 0,5m.
Obrázek 5 První pozice projektilu
Obrázek 6 Druhá pozice projektilu
16
Obrázek 7 Grafické znázornění
Vypočítané rychlosti jsme zaznamenali do tabulky. (viz. Tabulka 3)
9.5 Balistika: Balistika počítá s druhým Newtonovým zákonem, 𝐹⃗ = 𝑚 ∙𝑎⃗ Kde: F je celková síla, m je hmotnost projektilu, a je zrychlení projektilu. Celkovou sílu lze rozložit do os x a y, kde bude platit: 𝐹𝑥 = 𝑚 ∙ 𝑎𝑥 = 𝐹 ∙ cos 𝛼 𝐹𝑦 = 𝑚 ∙ 𝑎𝑦 = 𝐹 ∙ sin 𝛼 Kde: α je úhel střelby Pro určení balistické křivky je nutné určit počáteční rychlost, podélný úhel střelby, hmotnost projektilu a koeficient odporu vzduchu. Koeficient odporu vzduchu je dán následující rovnicí: 𝑏=
1 ∙𝐶∙𝜌∙𝑆 2
Kde: b je koeficient odporu vzduchu, C je koeficient odporu projektilu, S je ofukovaná plocha projektilu.
je hustota vzduchu,
Střela je v ose x zpomalována odporem vzduchu (síla je úměrná rychlosti a má opačný směr) 𝐹𝑥 = −𝑏 ∙ 𝑣 2 a v ose y na ní působí gravitace a odpor vzduchu. 𝐹𝑦 = −𝑏 ∙ 𝑣 2 − 𝑚 ∙ 𝑔 Kde: m je hmotnost střely, g je gravitační zrychlení K vykreslení balistických křivek a pro pozorování polohy a rychlosti střely v čase jsme použili tabulku v programu Excel. 9 17
Úhel střelby je 15°, koeficient odporu projektilu je 0,75, hustota vzduchu je 1,29kg/m3 Tabulka 2 Parametry projektilů
koeficient délka hmotnost poloměr ofukovaná odporu projektilu projektilu projektilu plocha vzduchu
Projektil Alternativní černý střelný prach
0,05
0,02
0,01
0,000314 0,000152
Černý střelný prach
0,05
0,02
0,01
0,000314 0,000152
Dělový prach
0,05
0,02
0,01
0,000314 0,000152
Nitrocelulózový střelný prach
0,06
0,03
0,01
0,000314 0,000152
Trhací prach forte
0,05
0,02
0,01
0,000314 0,000152
m
kg
m
150
200
250
m2
100 50 0 0
50
100
300
350
400
450
-50 Alternativní střelný prach
Černý střelný prach
Dělový prach
Nitrocelulósový střelný prach
Trhací prach forte
osy x a y jsou udávány v metrech
Obrázek 8 Balistické křivky Tabulka 3 Dostřel a dostupnost
Alternativní černý střelný prach Černý střelný prach Dělový prach Nitrocelulózový střelný prach Trhací prach forte
Dostupnost
Dostřel
4,154197
51,27306
19,51771
158,2922
27,24517
192,543
86,55313
426,428
23,33444
176,0921
m
m
Rychlost 35,2465 81,3712 99,2158 201,2143 90,3629 m/s
10 Závěr Námi sestrojený kanón střílí, účinnosti jednotlivých prachů se liší, což se projevuje na úsťové rychlosti a balistické křivce. Nitrocelulosový střelný prach je nejúčinnější z námi testovaných střelných prachů s rychlostí 201,2143 m/s a dostřelem 426,428 m 18
11 Seznam obrázků Obrázek 1 Cílová konstrukce __________________________________________________________________ 10 Obrázek 2 Nástavba pro upevnění _____________________________________________________________ 11 Obrázek 3 Fixace druhé objímky _______________________________________________________________ 11 Obrázek 4 Vyhotovené projektily ______________________________________________________________ 13 Obrázek 5 První pozice projektilu Obrázek 6 Druhá pozice projektilu _____________________________________________________________ 16 Obrázek 7 Grafické znázornění ________________________________________________________________ 17 Obrázek 8 Balistické křivky ___________________________________________________________________ 18
12 Seznam tabulek Tabulka 1 Složení jednotlivých střelných prachů ................................................................................................... 14 Tabulka 2 Parametry projektilů ............................................................................................................................. 18 Tabulka 3 Dostřel a dostupnost ............................................................................................................................ 18
13 Seznam videí Dělový prach
Video1
Trhací prach forte
Video4
Alternativní černý střelný prach
Video2
Nitrocelulózový střelný prach
Video5
Černý střelný prach
Test1
14 Použité zdroje 1
https://en.wikipedia.org/wiki/History_of_cannon
2
https://cs.wikipedia.org/wiki/Kan%C3%B3n https://en.wikipedia.org/wiki/Pot-de-fer
3
https://cs.wikipedia.org/wiki/Kan%C3%B3n https://en.wikipedia.org/wiki/History_of_cannon
4
https://cs.wikipedia.org/wiki/St%C5%99eln%C3%BD_prach
5
http://www.strelci.com/?p=318
6
https://cs.wikipedia.org/wiki/Projektil
7
https://cs.wikipedia.org/wiki/Tankov%C3%A1_munice http://www.pyroexpert.cz/strelny-prach/
8
9
Finální balistika.xls Všechny odkazy jsou platné k datu 23.4.2016
19
