VUT v Brně Fakulta strojního inženýrství Výstřel z malorážové zbraně a jeho charakteristiky
Róbert Jankových (
[email protected] ) Brno, 9. října 2012
Studijní literatura https://e-ballistics.com
Bezpečná manipulace se zbraněmi a střelivem jako proces
Zdravotní způsobilost Střelecká způsobilost
Znalost zbraní a střeliva Znalost provozního řádu střelnice
Proces bezpečné manipulace
Kontrola zbraně před střelbou
Nabití zbraně
Střelba na terč
Kontrola zbraně po střelbě
Znalost zbraní a střeliva: Znalost konstrukce a funkce zbraně Znalost konstrukce a funkce střeliva Vědomosti o základních částech … Znalosti základů vnitřní, vnější a terminální balistiky
Neohrožení sebe a ostatních osob
Neohrožení okolí (majetku, životního prostředí, ...)
Osnova Výstřel z hlavňové palné zbraně Základní vnitrobalistické charakteristiky Matematické modelování VB Modely založené na geometrické představě o hoření prachového zrna
Výstřel a funkční cyklus HPZ Aktivace zápalky
Zážeh, vzplanutí a hoření PN v konstantním objemu
Uvolnění střely z NC, zařezávání střely do drážek, postupný (a otáčivý) pohyb střely, hoření a dohoření PN v proměnném objemu
Pohyb prachových plynů a neshořeného prachu v hlavni, další urychlování střely, konec pohybu střely v hlavni
1 Vytažení NC 2 Vyhození NC 3 Zasunutí náboje
Pohyb střely za ústím, její urychlování vytékajícími plyny
4 Uzavření NK 5 Uzamknutí NK 6 Spuštění
Činnost č. 1
VÝSTŘEL
Činnost č. 6
FC
Činnost č. 5
Činnost č. 2
Činnost č. 3 Činnost č. 4
Cyklogram pistole
Aktivace (iniciace) zápalky BERDAN
BOXER
0,4-1,2 mm
1 kalíšek 2 kovadlinka
3 tenkostěnná fólie (vrstva laku) 4 zápalková slož citlivá k nárazu
Zápalka - iniciátor, který vytváří plamen po aktivaci nárazem zápalníku (část úderníku) palné zbraně (tzv. zápalka s mechanickou aktivací).
Střelivo se středovým a okrajovým zápalem (iniciací)
z. BERDAN
z. BOXER
STŘEDOVÝ ZÁPAL
OKRAJOVÝ ZÁPAL
Zápalka W209 krytka kovadlinka vnější pouzdro krycí fólie
kalíšek
zápalková slož
Křivka citlivosti zápalky
Maximální energie -vyloučená aktivace
Minimální energie -zaručená aktivace
Zápalkové slože na bázi třaskavin výbušnina
explosive
chemická látka nebo směs látek v tuhém nebo kapalném stavu, schopná vlivem roznětu rychlé a samočinně probíhající chemické přeměny s uvolněním velkého množství tepla a plynných zplodin výbuchu. Výbušniny se dělí na střeliviny, trhaviny, třaskaviny a pyrotechnické slože.
chemical substance or mixture of solid or liquid substances capable of fast and self-acting chemical reaction releasing large amount of heat and gaseous products. Explosives can be divided into propellants, secondary explosives, primary explosives and pyrotechnic compounds.
Zápalkové slože 1. generace Složení
Typ zápalky, země původu
(komponenty) [%]
Náboj Flobert
Německá rok 1888
Anglie
Ruská pušková a pistolová
Berdan 4,5
Berdan 5,5
Hg(ONC)2
67,8
27,0
15,0
25,0
20,0
54,0
37,0
35,0
37,5
40,0
13,0
29,0
45,0
37,5
40,0
30,0
KClO3 Sb2S3
2,6
Sklo
7,0
Černý prach Ba(NO3)2 S
2,5 29,6
3,0 2,5
Zápalkové slože 2. generace (NEREZ) Složení (komponenty) Berdan Berdan [%] 4,5 4,5
TNRO Tetrazen Ba(NO3)2 Sb2S3 Sklo KClO3 CaSi Pentrit PbO2
45,0 7,0 35,0 13,0
31,5 5,5 31,5 5,3 26,2
Typ zápalky Boxer Boxer Boxer 5,3 5,3 4,4
42,5 5,0 37,5 4,0
38,5 6,5 39,0 8,0
11,0
8,0
40,0 4,0 36,0 10,0
5,0 5,0
W 209
W 209
38,0 3,5 38,5 5,0
40,0 3,5 32,0
10,0
10,0 5,0 4,5
5,0
Zápalkové slože 3. generace NONTOX složení [%]
komponenta Dinitrodiazofenol (DINOL) tetrazen
35,0
29,8
40,0
8,0
19,8
20,0
CuO
29,8
MnO2
10,0
sklo
9,8
Ba(NO3)2
38,0
Sb2O3
12,0
Al
7,0
pojivo
28,0
9,8 1,0
2,0
Vnitřní balistika věda o pohybu střely ve vývrtu hlavně účinkem tlaku plynů vzniklých hořením náplně střeliviny zkoumá zákonitosti jevů a procesů probíhajících při výstřelu atd
Přechodová balistika – T 10 věda o přechodových dějích mezi vnitřní a vnější balistikou asi 45 % energie uvolněné při hoření prachu je obsaženo v plynech, které vytečou z hlavně během několika milisekund • Jejich energie ovlivňuje: – Dynamiku zbraně – Dynamiku střely
Vědní obor vnitřní balistika Vnitřní balistika hlavňových zbraní
Bez výtoku plynů
S výtokem plynů
funkčním BzK, ...
škodlivým opotřebené hlavně minomety
Výstřel - ukázka BEZ VÝTOKU PLYNŮ
S FUNKČNÍM VÝTOKEM PLYNŮ
10.10.2012
18
Průběh výstřelu
doba trvání výstřelu (0,1 15).10-3 [s], tlak v hlavni (až 500 MPa u děl i více), zrychlení střel (100 3000)103 [ms-2] teplota 2000 3800 K okamžitý výkon 0,015 9600 MW
305 mm lodní kanon ŠKODA
12× 305mm děla ve čtyřech věžích, střela 450 kg, v0 =800m/s, tj. 144 MJ úsťové energie, tu = 15.10-3 s, asi si 9600 MW okamžitého výkonu
Wku P tu
Časové úseky výstřelu (periody)
I. perioda – od okamžiku zážehu prachové náplně do počátku pohybu střely: zažehnutí, vzplanutí a počátek hoření prachové náplně v konstantním objemu (pyrostatika)
II. perioda – od počátku pohybu střely do okamžiku dohoření prachové náplně: zaříznutí vodicích částí střely do přechodového kužele (u jednotného náboje) a postupný pohyb střely ve vodící části vývrtu hlavně, hoření prachové náplně v proměnném objemu (pyrodynamika)
III. perioda – od dohoření prachové náplně do okamžiku, kdy dno střely opouští ústí hlavně:
urychlování střely silou expandujících prachových plynů v hlavni (expanze)
IV. perioda – od okamžiku, kdy dno střely opustí ústí hlavně do okamžiku ukončení urychlování střely: urychlování střely silou plynů vytékajících z hlavně
(perioda dodatečného účinku plynů - přechodová balistika)
Charakteristiky p, T, v, l (t)
počátek pohybu střely
Dosažení max. tlaku PP
Dohoření PN
Dno střely opouští ústí hlavně
Charakteristiky p, T, v, t (l)
Matematické modelování
matematické určení vnitrobalistických veličin (tlaku p a teploty T prachových plynů, rychlosti v a dráhy střely l) v závislosti nejčastěji na čase t nebo na dráze střely l ve vývrtu hlavně (tzv. přímá úloha vnitřní balistiky) Matematické modelování = odvození soustavy rovnic, které popisují děje probíhající ve vývrtu HPZ. Následným řešením těchto rovnic získáme hledané průběhy vnitrobalistických veličin.
Konstrukční parametry HPZ 1/3 Poř. Pojmenování č. 1. Ráže hlavně 2. Průřez hlavně 3.
Objem počátečního spalovacího prostoru
4.
Délka počátečního spalovacího prostoru (délka komory) Celková dráha střely v hlavni Délka hlavně Vztažná délka počátečního spalovacího prostoru Součinitel rozšíření spalovacího prostoru
5. 6. 7. 8.
Ozn.
Roz.
d s
m m2
co
m3
l kom
m
lú
m
L HL l0
m m
1
Poznámka Průměr hlavně v polích Plocha příčného průřezu drážkované části hlavně Objem prostoru, vymezeného vnitřkem nábojnice a zadní části nabité střely Vzdálenost dna střely od opěrné plochy závěru Dráha dna střely až po ústí hlavně Délka hlavně i se závěrem c0 s l0 lkom
l0
Konstrukční parametry 2/3 • Ráže hlavně d [m] – je průměr vývrtu hlavně v polích
• Plocha průřezu vývrtu hlavně s [m2]
s k .d
2
3] 2 • Počáteční objem spalovacího prostoru c0[m d s b astřely, – objem nábojové komory za zadní částí d zmenšený ok objem nábojnice ks s 4 a b 4 10.10.2012
26
Konstrukční parametry 3/3 Vztažná délka počátečního spalovacího prostoru l0 [m] c0 l0 s
Součinitel rozšíření spalovacího prostoru [1] l0 lkom
10.10.2012
27
Nabíjecí podmínky Poř. č.
Pojmenování
Ozn.
Roz.
9.
Hmotnost střely
mq
kg
10.
Hmotnost prachové náplně
kg
11. Hustota prachové náplně
kg.m -3
Vlastnosti prachové 12. náplně (PN) a rozměry prachových zrn (PZ)
-
-
Poznámka
c0
Prachová náplň (PN) - střelivina
Mechanické směsy Černý prach – směs: KNO3 – 75% (okysličovadlo), práškové dřevěné uhlí – 15% S (pojivo) -10% - tuhé zbytky – až 56%
Bezdýmné prachy (Nc prachy, Ng prachy, Dg prachy, G prachy)
Ca Hb O c N d - tuhé zbytky až 0%
Hoření prachové náplně Geometrická představa hoření prachové náplně: • všechna zrna prachové náplně mají stejný geometrický tvar, stejné rozměry a jsou stejnorodá, • při zážehu prachové náplně vzplanou všechna zrna náplně okamžitě a na celém povrchu, • zrna se při hoření vzájemně nedotýkají a neovlivňují, • hoření všech zrn probíhá stejnou rychlostí ve všech směrech kolmo k povrchu zrna.
při popisu hoření náplně stačí sledovat hoření pouze jednoho zrna prachové náplně.
Charakteristiky PN Poř . č. 1. 2. 3. 4.
Ozn.
Rozměr
Výbuchové teplo Výbuchová teplota Měrný objem plynu
Qv Tv w0
J.kg -1 K m 3 .kg -1
Hustota prachové masy 5. Měrné teplo plynu za stálého objemu 6. Poměr měrných tepel plynu (adiabatický exponent) 7. Jednotková rychlost hoření prachu
kg.m -3
cv
J.kg -1 .K -1
8.
Název
c u1
Měrná energie prachu
9. Kovolum prachových plynů
f
1
m.s -1 .Pa -1 J.kg -1 m 3 .kg -1
Poznámka Uvažujeme vodu jako páru Uvažujeme vodu jako páru -
c
cp cv
Rychlost hoření prachu při tlaku 1Pa (za předpokladu lineárního zákona hoření) f = r.T v , kde je r měrná plynová konstanta V rovnici ideálního plynu
Charakteristiky PN Poř
Název
Ozn.
Roz.
2e 1
m
Poznámka
. č. 10. Charakteristická tloušťka prachového zrna
Nejmenší lineární rozměr zrna před začátkem hoření
3,3 5,2 2,9 4,8
Ng 2,8 4,3 2,5 3,9 (2380)
1650 (1600) 1280 1330
1600 (1570) 1300 1360
1240 1260
(1600)
5,2 14,6
6,9 9,6
1,002
1,057
(0,488)
0,740 0,892 0,974 0,48 0,56
0,865
(0,244)
0,85 1,15 0,96 1,20 0,97 1,06 0,24 0,40
3,1 9,4
2)
1500 1620 1500 1850
1,26 1,30 1,23 1,29 1,26 1,28
1550
1540
(0,279)
0,95 1,08 0,84 1,01 0,89 0,94 0,24 0,28
3900
Nc
3200
3,5 4,0 3,1 3,7 2800 3200 2370 2570
ČP
2500
2,8 3,2
2200
Dg c
cv
wo
Tv
Qv(v.p.)
Qv(v.v.)
Char.
[m3.kg-1]
[MJ.kg-1]
. 103
f
[m.s-1.Pa-1] u1 . 1010
[1]
[J.kg-1.K-1]
[kg.m-3]
[m3.kg-1]
[K]
[MJ.kg-1]
[MJ.kg-1]
Druh
Hodnoty charakteristik střelivin
Modely založené na geometrické představě o hoření prachového zrna
prachová náplň obsahuje známý počet zrn všechna zrna prachové náplně mají stejný geometrický tvar, stejné rozměry a jsou stejnorodá při zážehu prachové náplně vzplanou všechna zrna náplně okamžitě a na celém povrchu zrna se při hoření vzájemně nedotýkají a neovlivňují hoření všech zrn probíhá stejnou rychlostí ve všech směrech kolmo k povrchu zrna
1. Rovnice vývinu prachových plynů
. z .. z 2 ..z 3 ) f . .
..mq .v 2
2 s(l l )
2. Tlak prachových plynů
p
3. Pohybová rovnice střely
dv .mq s. p dt
4. Kinematický člen spojující veličiny l, v, t 5. Rychlost hoření prachu, tj. rovnice
dl v dt dz p dt I K
6. Rovnice pro redukovanou délku volného objemu spalovací komory
1 l l0 1 .
7. Rovnice po teplotu plynů
1 ..mq .v 2 T Tv 1 2. f .
Ukázka otázek do testu z T4 Složení střeliviny – bezdýmného prachu lze obecně zapsat vzorcem:
a) KNO3 +C+S b) C2H5OH + CH3OH c) Ca Hb Oc Nd
Výbuchové teplo (Energie výbuchu) bezdýmných prachů je řádově a) 2,5-5 MJ/kg b) 25-50 MJ/kg c) 2,5-5 kJ/kg
