Проект комплекса «оружие/патрон» GX-6
Для пулеметов проблема прицельной стрельбы очередями была решена путем использования массивных станков с упором в грунт и переходом к поражению преимущественно групповых целей. В отличие от пулеметов индивидуальное автоматическое оружие стрелков типа автомата/штурмовой винтовки предназначено для маневренной тактики с частыми перемещениями, стрельбой из неудобных положений, сопровождающееся удержанием оружия на весу силой мышц рук и компенсацией отдачи с помощью упора приклада в плечо. В связи с этим индивидуальное автоматическое оружие ограничено в весе и силе отдачи, которые определяются физическими возможностями среднеобученых стрелков, составляющих большинство пехотных подразделений.
Стрелок в процессе стрельбы очередью испытывает разнонаправленные силовые воздействия, приходящиеся на его руки и тело. В начале каждого выстрела действует максимальный по величине импульс отдачи. После открытия затвора и непродолжительного периода равномерного действия силы отдачи, сжимающего возвратную пружину, на стрелка действует второй импульс, связанный с ударом затвора в заднюю стенку ствольной коробки. Цикл перезарядки оружия продолжается вторым периодом равномерного действия силы упругости возвратной пружины и заканчивается третьим импульсом, направленным вперед и связанным с ударом затвора в ствол. Одновременно оружие испытывает циклические колебания от перемещения своего центра тяжести, связанного с возвратно-поступательным движением затвора. Ситуация усугубляется тем, что в большинстве моделей оружия ось ствола, вдоль которого действует сила отдачи, не совпадает с осью симметрии приклада, опирающегося на плечо стрелка. Сила отдачи и сила реакции опоры создают момент, подбрасывающий вверх ствол.
В случае использования газоотводного механизма перезаряжания оружие получает дополнительные колебания от удара газа высокого давления в затворную раму и затворной рамы в затвор. Отказ от затвора, жестко сцепленного со стволом, и переход к свободному затвору, в случае сохранения неизменными энергетических характеристик патронов, ведет к кратному росту темпа стрельбы. Обеспечить приемлемый по расходу боеприпасов темп стрельбы можно, лишь увеличив инерционную массу затвора и уменьшив дульную энергию оружия. Увеличение инерционной массы затвора вызывает рост амплитуды циклических колебаний оружия, уменьшение дульной энергии делает неэффективной стрельбу на средней дистанции, что свидетельствует о тупиковости перехода к свободному затвору.
Исходя из импульсной диаграммы, прицельная стрельба очередями из неудобных положений зависит от уровня реализации в индивидуальном автоматическом оружии следующих технических решений:
- снижение величины максимального импульса отдачи посредством перехода от закрытого к полусвободному затвору, начинающего движение назад с самого начала возгорания метательного заряда в стволе, при этом сам выстрел должен производиться на выкате затвора:
- устранение подбрасывающего момента путем подъема оси симметрии приклада на уровень оси ствола с соответствующим выносом вверх линии визирования прицельных приспособлений;
- компенсация перемещения масс подвижных частей механизма перезаряжания за счет встречного движения балансира;
- устранение ударов затвора о ствол и ствольную коробку.
Первые два решения полностью или частично реализованы в принятых на вооружение образцах индивидуального автоматического оружия. Последнее решение не имеет эффективной реализации в существующих конструкциях оружия. В известной схеме сбалансированной автоматики одновременно с затвором в противоположном направлении движется балансир, соударяющийся с затвором в крайних положениях. Указанное решение имеет принципиальный недостаток – с целью синхронизации движения затвора и балансира применяют реечно-шестеренчатую передачу, испытывающую в процессе работы знакопеременные нагрузки, вызывающие выкрашивание зубьев передачи, что на порядок снижает ресурс механизма перезаряжания относительно ресурса остальных частей оружия. Кроме того, балансир, масса которого равна сумме масс подвижных элементов механизма перезаряжания, увеличивает вес ручного оружия более чем на четверть.
Принципиальным решением является переход к полусвободному затвору с кривошипно-шатунным механизмом перезаряжания, сочетающим в себе функции замедления затвора, устранения ударов затвора о ствол и ствольную коробку, компенсации смещения центра тяжести подвижных элементов механизма перезаряжания и увеличения его ресурса до уровня ресурса ствола.
История применения кривошипно-шатунного механизма в автоматическом огнестрельном оружии имеет свое начало в патенте австро-венгерского конструктора Эмиля фон Шкоды от 1891 года, который предложил использовать маховик, связанный кривошипно-шатунной передачей с затвором, жестко соединенным с подвижным стволом во время выстрела. В 1904 году немецкий конструктор Андреас Шварцлозе запатентовал решение с полусвободным затвором, замедленным продольно подвижным балансиром, связанным с затвором с помощью ломающегося рычага кривошипно-шатунной передачи. Конструкция была реализована в пулемете M.07/12, выпускавшемся большими сериями в различных модификациях с 1905 по 1939 год в Австро-Венгрии, Чехословакии, Голландии и Польше.
Наконец, в 1937 году советский конструктор Юрий Федорович Юрченко создал полнофункциональную систему автоматики огнестрельного оружия с полусвободным затвором, замедленным исключительно кривошипно-шатунным механизмом с вращающимися балансирами. В первой половине 1941 года на Ковровском механическим заводе малой серией были выпущены авиационный пулемет Ю-7.62. Максимальный темп стрельбы составлял 3600 выстрелов в минуту. В связи с его рекордным уровнем ресурс ствола по нарезам не превышал 1000 выстрелов, ствол требовал замены после нескольких боевых вылетов, что считалось приемлемым в условиях первого этапа войны. В дальнейшем, в связи с переходом военной авиации на пушечное вооружение выпуск пулеметов Ю-7.62 был прекращен.
Система автоматики Юрченко включает полусвободный затвор, соединенный шатуном с шатунной шейкой, связывающей между собой два кривошипа, вращающихся в одном направлении, оснащенных балансирами и установленных один против другого в специальных кольцевых утолщениях ствольной коробки. Кривошипы размещены строго аксиально относительно оси ствола. Их масса и диаметр минимизированы для уменьшения веса и габаритов пулемета, а также для достижения максимально возможного темпа стрельбы, требуемого для авиационного оружия. Выстрел производится на выкате затвора при недоходе кривошипов 5 градусов до верхней мертвой точки их вращения. Под действием силы отдачи, передаваемой от затвора через шатун, кривошипы осуществляют поворот на 350 градусов до второй точки производства выстрелов, после чего цикл работы механизма перезаряжания повторяется до снятия нажатия на спусковой крючок.
Горизонтально направленная сила отдачи, действующая вдоль оси ствола, преобразуется шатуном в вертикальную составляющую, действующую на направляющие ствольной коробки, и в результирующий вектор, передаваемый вдоль оси симметрии шатуна на шейку кривошипов. В этой точке результирующий вектор преобразуется в тангенциальную составляющую силы отдачи (генерирующую крутящий момент кривошипов) и радиальную составляющую силы отдачи (генерирующую реакцию опоры). Скорость вращения кривошипов изменяется по синусоидальному закону с достижением первого максимума на подходе к верхней мертвой точке и второго максимума (величина которого меньше первого максимума с учетом расхода энергии на сжатие возвратной пружины) в нижней мертвой точке. Скорость возвратно-поступательного движения затвора также изменяется по синусоидальному закону со смещением максимумов и минимумов на 90 градусов.
В нижней мертвой точке вращения кривошипов происходят безударные останов и реверсирование движения затвора на фоне продолжения вращения кривошипа в заданном направлении с последующим ускорением всех подвижных элементов механизма перезаряжания за счет подпитки энергией со стороны разжимающейся возвратной пружины. На подходе к верхней мертвой точке происходит замедление скорости движения затвора практически до нуля с последующим реверсированием его движения за счет давления пороховых газов от сгорания метательного заряда патрона. При этом также реверсируется вращение кривошипа. В случае осечки патрона затвор упирается в казенный срез ствола, подпираемый возвратной пружиной. Точка упора затвора в ствол соответствует 1 градусу недохода кривошипов до верхней мертвой точки. Оборот кривошипов между точками 5 и 1 градусов соответствует времени сгорания метательного заряда патрона. В связи с этим выстрел производится при практически остановленном затворе и продолжающемся выкате кривошипов.
С целью реализации схемы сбалансированной автоматики эффективный диаметр кривошипов, равный удвоенному расстояния от оси шейки до оси вращения кривошипов, должен совпадать с рабочим ходом затвора между передним и задним крайними положениями. Вес балансиров кривошипов должен соответствовать суммарной массе затвора с шатуном, скорректированной на расстояние удаления центра масс балансиров от оси вращения кривошипов. Только в этом случае будет полностью компенсировано перемещение центра тяжести оружия при работе механизма перезаряжания.
Однако указанные линейные размеры и масса подвижных элементов, достаточные для восприятия нагрузок от силы отдачи и обеспечения сбалансированности автоматики, являются неприемлемыми для случая ручного огнестрельного оружия, поскольку величина крутящего момента, передаваемого от полусвободного затвора на кривошипы, обуславливает темп стрельбы в несколько тысяч выстрелов в минуту. Снижение темпа стрельбы до стандартного уровня в 600 выстрелов в минуту потребует кратного увеличения веса и/или линейных размеров подвижных элементов. Кроме того, циклическое реверсирование кривошипов, вращающихся в одном направлении, на подходе к верхней мертвой точке ведет к возникновению реактивного момента, попеременно подбрасывающего/опрокидывающего оружие.
Система автоматики Юрченко требует существенной доработки с целью применения в ручном огнестрельном оружии. Наиболее очевидным решением является переход от двух кривошипов, вращающихся в одном направлении, к двум кривошипам, вращающимся в разных направлениях. В последнем случае реактивные моменты, возникающие при реверсировании вращения, будут взаимно компенсировать друг друга. Более нетривиальным решением является способ уменьшения крутящего момента, подводимого к кривошипам в процессе сгорания метательного заряда патрона, что является принципиальным моментом в вопросе использования кривошипно-шатунного механизма в ручном огнестрельном оружии. В качестве такового способа предлагается использовать благоприятную возможность, создаваемую кинематикой самого кривошипно-шатунного механизма, а именно замедлением практически до нуля скорости поступательного движения затвора при его подходе к верхней мертвой точке.
С целью реализации указанной возможности необходимо разделить затвор на стебель и затворную раму. Стебель должен быть выполнен в виде свободного затвора (в дальнейшем обозначаемый как затвор), замедленного только инерцией своей массы и силой буферной пружины, опирающейся на затворную раму. В свою очередь затворная рама на подходе к верхней мертвой точке замедлятся кривошипно-шатунным механизмом в соответствии с его кинематикой. Давление пороховых газов будет воздействовать на затвор, преодолевая его инерцию и силу упругости буферной пружины. На затворную раму будет передаваться давление, не превышающее жесткость буферной пружины на сжатие, вплоть до упора торца затвора в затворную раму. Масса подвижных элементов и степень упругости буферной пружины должны обеспечить отдаление во времени момента упора на величину, достаточную для спада пика давления пороховых газов в стволе, уменьшив тем самым величину крутящего момента, подводимого к кривошипам. Исходя из максимального давления в стволе в 4000 бар и максимальной силы отдачи в 2880 кгс, можно оценить суммарную массу затвора в 50 грамм при максимальной величине упругости пружины в 1000 кгс. Длина хода затвора составит порядка 5 мм. Снятие нагрузки с буферной пружины будет происходит в условиях противодавления пороховых газов, поэтому сила обратного удара затвора о затворную раму не превысит предела прочности их конструкционного материала.
Однако окончательным решением может считаться только переход к новому типу унитарного патрона, рассчитанного на откат назад на пике давления пороховых газов. Гильза патрона должна быть цилиндрической формы для устранения опасности отрыва дульца или ската. Для соединения пули и гильзы необходимо применить шашку прессованного метательного заряда с открытым торцом. В качестве конструкционного материала гильзы должен быть использован антифрикционный материал, кратно снижающий коэффициент трения гильзы о патронник ствола по сравнению с латунью или сталью.
В связи с указанным предлагается вниманию инновационный проект комплекса «оружие/патрон» под титулом GX-6. В комплекс входят штурмовая винтовка и малоимпульсный патрон к ней. Магазин с патронами размещается сверху вдоль ствола. Патроны в магазине располагаются в шахматном порядке в вертикальном положении пулями вверх с перестроением в один ряд при выходе из магазина.
Штурмовая винтовка выполнена по схеме буллпап с целью размещения в прикладе габаритных элементов механизма перезаряжания. Основой компоновки кривошипно-шатунного механизма является ствольная коробка, связанная резьбовым соединением со стволом. В теле коробки выполнены посадочные места для кривошипов и направляющие для затвора. Ствол имеет ответную резьбу и осевой упор, расположенные в казенной части. Ствол и ствольная коробка вывешены относительно корпуса оружия, соединяясь с ним в районе шейки приклада.
Кривошипы изготовлены в виде металлических стаканов небольшой высоты, в одной половине которых установлены съемные пальцы для крепления шатунов, в другой половине размещены балансиры. Боковые стенки стаканов служат внутренней обоймой подшипников скольжения. Кривошипы установлены с натягом в кольцевые выступы ствольной коробки, служащие внешними обоймами подшипников скольжения. Каждый кривошип соединяется со своим шатуном. Другой стороной шатуны крепятся к несъемным пальцам, расположенным на хвостовике затворной рамы.
В переднем торце затворной коробки размещена муфта, внутри которой нанесены верхний и нижний секторы винтовой нарезки с двумя гладкими участками между ними. По обе стороны от муфты также имеются проемы для прохода толкателей, опирающихся на затворную раму. На противоположных концах толкателей установлены складывающиеся рукоятки ручного перезаряжания оружия, поджатые собственными пружинами сжатия к корпусу оружия во избежание самопроизвольного перемещения при стрельбе. Для обеспечения противоположного вращения кривошипов после их выстаивания в нижней мертвой точке длина толкателей выбирается меньше длины рабочего хода затворной рамы. На каждой боковой стенке коробки, между муфтой и посадочным отверстием кривошипа проходит пара ножевых направляющих затворной рамы, одновременно выполняющих роль рёбер жесткости. Направляющие разнесены по высоте на величину диаметра одной из двух возвратных пружин, располагающихся между ними.
Затворная рама в плане имеет Т-образную форму и изготавливается из цельной металлической заготовки методом фрезерования. Плечи затворной рамы опираются на возвратные пружины, боковые поверхности контактируют с направляющими ствольной коробки. В переднем торце рамы имеется отверстие для затвора, в заднем торце – отверстие для ударника. На боковых поверхностях хвостовика размещены несъемные пальцы шатунов. Передняя часть верхней поверхности рамы имеет скос, обращенный к стволу.
Затвор выполнен в виде штока, задняя часть которого погружена в тело затворной рамы, передняя часть оснащена двумя горизонтально расположенными экстракторами. На заднем торце затвора выполнен кольцевой выступ, ограничивающий перемещение затвора внутри рамы. Между кольцевым выступом и задней стенкой рамы расположена буферная пружина в виде сборки тарельчатых пружин, изготовленных из титанового пружинного сплава, обладающего трехкратной нагрузочной способностью по сравнению со стальным аналогом. Внутри затвора расположен инерционный ударник со своей пружиной сжатия, приводящийся в действие с помощью курка ударно-спускового механизма.
Сборка кривошипно-шатунного механизма осуществляется в следующем порядке. В заводских условиях соединяют затворную раму с затвором, буферной пружиной, ударником и пружиной ударника, а также устанавливают кривошипы в посадочные места ствольной коробки. Затем надевают шатуны на пальцы хвостовика рамы. Между направляющими ствольной коробки размещают возвратные пружины. Через муфту ствола в коробку вводят затворную раму с шатунами. Противоположные концы шатунов соединяют съемными пальцами с кривошипами.
Подача патронов на линию досылания и удаление стреляных гильз осуществляется в направлении сверху вниз. Открытый торец магазина упирается в фиксатор, расположенный рядом с телескопическим подавателем патронов, шарнирно укрепленным над затворной рамой. Свободный конец подавателя оснащен горизонтальными захватами, заходящими в проточку гильзы патрона, расположенного на выходе из магазина. Внутри подавателя размещена винтовая пружина, обеспечивающая раздвигание частей его телескопического корпуса. Шарнирный подвес и захваты подавателя оснащены пружинами кручения, которые обеспечивают отклонение подвеса и захватов на угол в 45 градусов в направлении соответственно назад и вперед.
Затворная рама в крайнем переднем положении своим скосом на верхней поверхности поджимает подаватель вверх до упора. После отката рамы в крайнее заднее положение винтовая пружина раздвигает две части телескопического подавателя, отражая при этом стреляную гильзу вниз. Пружины кручения разворачивают корпус и захваты подавателя в положение вывода патрона на линию досылания. При обратном движении затворной рамы вертикальные экстракторы затвора заходят в проточку гильзы патрона, раздвигают в стороны горизонтальные захваты подавателя и досылают патрон в ствол. Экстракторы затвора обеспечивают постоянный прижим донца гильзы к зеркалу затвора вплоть до момента её отражения в конце цикла перезаряжания оружия.
Корпус штурмовой винтовки состоит из кожуха и резинового затыльника приклада. Кожух выполнен из стеклонаполненного полимера. В передней части кожуха в два яруса расположены пространства для размещения полупрозрачного магазина и ствола, на боковых поверхностях которых выполнены прорези соответственно для контроля наличия патронов в магазине и охлаждения ствола. Между ярусами на боковых поверхностях кожуха выполнены две направляющие для магазина. Передний и задний торцы кожуха открыты. В средней части кожуха выполнена рукоятка управления пистолетного типа. В нижней части приклада имеется эжекторное отверстие для удаления стреляных гильз и осечных патронов. Эжекторное отверстие закрыто защитной шторой, открывающейся при откате затворной рамы. Сверху и снизу в передней части кожуха на заклепках устанавливаются металлические планки Пикатинни, предназначенные для крепления в том числе механических и оптических прицельных приспособлений.
Модульный ударно-спусковой механизм расположен внутри рукоятки управления и включает в свой состав том числе защитную скобу, спусковой крючок, двухсторонний предохранитель/селектор режима стрельбы и две продольные тяги, приводящие в движение курок, установленный отдельно под ствольной коробкой.
Внутри кожуха смонтированы следующие металлические закладные детали:
- втулка крепления ствола и ствольной коробки;
- втулка крепления глушителя с внутренней секторной резьбой;
- планка крепления ударно-спускового механизма;
- опорные планки толкателей рукояток ручного перезаряжания;
- планка крепления фиксатора магазина и телескопического подавателя патронов;
- планка крепления курка и защитной шторы.
Сборка штурмовой винтовки производится в следующей последовательности. В начале внутри кожуха устанавливаются ударно-спусковой механизм, подаватель патронов, курок и защитная штора. Затем спереди и сзади в кожух вводятся ствольная коробка и ствол, которые собираются вместе при одновременной опоре торцов муфты коробки и осевого упора ствола во втулку крепления. В заключении в заднем торце кожуха упруго фиксируется резиновый затыльник приклада, опирающийся на ствольную коробку. В результате прямой передачи упора ствольной коробки через затыльник в плечо стрелка неметаллический кожух полностью выведен из под действия сжимающей нагрузки силы отдачи. При стрельбе без упора приклада в плечо кожух испытывает растягивающую нагрузку на небольшом участке от тыльной стороны рукоятки управления до места упора ствола во втулку крепления к корпусу оружия.
Предпосылкой перехода на новый вид боеприпасов, оптимизированных для систем автоматики с полусвободным затвором, служит появление современных конструкционных материалов, пригодных для изготовления неметаллической гильзы унитарного патрона взамен её изготовления из традиционных латуни и стали.
Гильза в патроне выполняет несколько функций:
- обеспечение механической прочности патрона в процессе эксплуатации
- аккумулирование тепла, передаваемого от ствола к патрону;
- обтюрация пороховых газов при выстреле.
Отказ от гильз и переход к безгильзовым патронам ведет к понижению теплового барьера их самовозгорания в стволе до уровня температуры вспышки метательного заряда, которая всегда будет достигаться при ведении интенсивного автоматического огня, примером чему служит серийная штурмовая винтовка Heckler & Koch G11.
Использование стандартных гильзовых патронов в сочетании с канавками Ревелли, наносимыми на поверхность патронника ствола и предназначенными для снижения трения гильзы, в случае полусвободного затвора ведет к повышенной загазованности ствольной коробки и нестабильной работе механизма перезаряжания из-за оседания пороховой гари на контактных поверхностях подвижных элементов, что было продемонстрировано на примере опытного ручного пулемета Дегтярева-Гаранина КБ-П-790.
В связи с указанным в качестве конструкционного материала гильзы инновационного патрона предлагается использовать углерод-углеродный композит, получаемый обжигом структурного пенопласта и его прессованием в виде заготовки цилиндрической гильзы, мелкие поры которой пропитывается высокомолекулярной кремнийорганической смолой с её последующей полимеризацией методом спекания. Полученный композитный материал обладает прочностью на уровне латуни и коэффициентом трения на уровне графита, т.е. в 3,5 раза меньшим по сравнению с коэффициентом трения латуни. Вес композитной гильзы также уменьшается в несколько раз по сравнению с металлической.
Гильза имеет строго цилиндрическую форму со сферической внутренней поверхностью дна, выбранную с точки зрения исключения концентраций напряжений в её конструкции. Диаметр ранта гильзы меньше диаметра стенки на толщину экстракторов затвора. Пуля оживальной формы соединяется с гильзой путем запрессовывания в шашку метательного заряда, погруженного в гильзу до уровня кромки. Открытый торец метательного заряда покрыт нитролаком. В дне гильзы образовано посадочное место для капсюля. В теле шашки от капсюля к пуле проходит факельный канал, в конце которого расположен дополнительный ускорительный заряд, выталкивающий пулю из шашки до момента воспламенения основного метательного заряда. В качестве метательного заряда может быть использован как нитроцеллюлозный порох так и флегматизированный октоген, примененный в патронах к пулемету LSAT, оснащенных пластиковой гильзой.
Патроны снаряжаются в магазин, длина которого равна длине ствола винтовки. После заряжания в оружие магазин не выходит за габариты корпуса винтовки. Запасные магазины переносятся в заплечном ранце,
Тактико-технические характеристики штурмовой винтовки и патронов проекта GX-6:
Калибр - 5,56х35 мм
Диаметр гильзы - 11,8 мм
Длина гильзы - 35 мм
Длина патрона - 50 мм
Вес одного патрона - 7 грамм, в том числе пуля - 4 грамма, метательный заряд - 2 грамма, гильза - 1 грамм
Количество патронов в магазине - 60 единиц
Вес магазина с патронами - 700 грамм
Вес винтовки без магазина - 3000 грамм
Темп стрельбы - 800 выстрелов в минуту
Начальная скорость пули - 950 м/с
Дульная энергия - 1800 Дж
Максимальное давление в патроннике - 4000 бар
Длина винтовки - 758 мм
Высота - 240 мм
Ширина - 40 мм
Длина прицельной линии - 400 мм
Расстояние от прицельной линии до оси ствола - 100 мм
Длина ствола - 508 мм
Длина патронника ствола - 51 мм
Длина навинчиваемого пламегасителя - 48 мм
Толщина затыльника приклада - 20 мм
Длина кожуха - 690 мм
Толщина оболочки кожуха - 2 мм
Длина ствольной коробки - 220 мм
Толщина боковой стенки ствольной коробки - 3 мм
Диаметр возвратной пружины - 15 мм (всего две единицы)
Длина возвратной пружины - 100 мм
Диаметр кривошипов - 80 мм
Длина затворной рамы с затвором - 60 мм, в том числе хвостовик 20 мм, затвор 10 мм
Ход затворной рамы - 60 мм
Длина шатунов - 80 мм (всего две единицы)
Диаметр пальцев шатунов - 10 мм
Вес затворной рамы в сборе с затвором и буферной пружиной - 150 грамм
Вес шатуна - 50 грамм
Вес корпуса кривошипа - 50 грамм (всего 2 единицы)
Вес балансира - 250 грамм (всего 2 единицы)
Итого вес подвижных частей механизма перезаряжания - 850 грамм
Проект комплекса GX-6 имеет изобретательский уровень технического решения и предназначен для патентования в течение шести месяцев с момента настоящей публикации. В связи с этим к участию в проекте приглашаются инвесторы из числа лицензированных производителей оружия и боеприпасов.
Источники информации:
Таблицы стрельбы по наземным целям из стрелкового оружия калибров 5,45 и 7,62 мм. ТС ГРАУ N 61 издания 1977 года http://www.ak-info.ru/joomla/index.php/uses/12-spravka/92-shttables77
Д.Ширяев. Рекордсменка. «Оружие» № 1 за 2007 год http://zonawar.narod.ru/or_2007.html
Патент RU 2193542 http://ru-patent.info/21/90-94/2193542.html
Информация