Вибрации ствола в момент выстрела. Записки технаря

Вибрации ствола в момент выстрела. Записки технаря


«Без возникновения вибраций выход в астральную проекцию усложняется».
Мудрость индийского йога


От чего зависит кучность — одна из главных характеристик оружия? Очевидно, от качества ствола и патрона. Патрон пока отложим, а рассмотрим физику процесса.


Возьмем металлический стержень или трубочку из упругого металла и жестко закрепим его в массивном основании. Так мы получим модель изучаемого устройства. Теперь, если ударить по стержню, не важно, в каком месте и в каком направлении или оттянуть, или сжать его, или, наконец, вставив в трубочку патрон, произвести выстрел, мы увидим, что стержень (ствол) пришел в затухающее колебательное движение. Эти колебания раскладываются на простейшие, и каждый вид такого простейшего колебания ствола будет влиять на кучность (точность) стрельбы по-своему.

Вибрации ствола в момент выстрела. Записки технаря


Начнем с колебаний первого порядка или основного тона. Как видно (рис. 1), у такого колебания всего один узел в точке крепления, самая большая амплитуда, самое большое время затухания и самое длительное время колебания одного периода. Это время составляет 0,017-0,033 сек. Время прохождения пули по каналу ствола составляет 0,001-0,002 сек. То есть значительно меньше цикла одного колебания, а значит и существенного влияния на кучность одиночного выстрела такой вид колебаний не оказывает. А вот при автоматической стрельбе может получиться интересная картина. Допустим, темп стрельбы 1200 выст/сек, т.е. время одного цикла - 0,05 сек. При периоде колебаний первого порядка 0,025 сек имеем кратное соотношение частот. А это непременное условие резонанса со всеми вытекающими из этого последствиями — оружие начинает трясти с такой силой, что оно может развалиться.

Перейдем к колебаниям второго порядка (рис. 2). Но гуманитариям предлагаю прежде провести эксперимент, чтобы ликвидировать недостатки образования из области физики. Нужно взять маленького мальчика (можно девочку), посадить на качели и раскачать. Перед вами маятник. Встаньте сбоку от качелей и попробуйте попасть в мальчика мячиком. После ряда попыток, вы придете к заключению, что попасть лучше всего можно тогда, когда цель находится в первой фазе колебания — максимального отклонения от точки равновесия. В этой точке цель имеет нулевую скорость.

Посмотрим на схему второго порядка. Второй узел колебаний находится примерно на расстоянии 0,22 от конца ствола. Эта точка - закон природы, невозможно создать такие колебания для консольной балки, чтобы второй узел приходился на свободный конец. Он там где есть и от длины ствола не зависит.

Амплитуда колебаний у схемы второго порядка ниже, а вот время колебания уже сравнимо со временем прохождения пули по каналу ствола — 0,0025-0,005 сек. Так что для одиночной стрельбы это уже представляет интерес. Чтобы было понятно, о чем речь, представим себе ствол длиной 1 метр. Пуля проходит весь ствол за 0,001 сек. Если период колебания 0,004 сек, то к моменту вылета пули, ствол достигнет максимального изгиба в первой фазе. Вопрос гуманитариям - в какой момент (в какой фазе) лучше всего вылетать пуле из ствола, чтобы обеспечить постоянство результатов? Вспомните качели. В нулевой точке вектор скорости отклонения ствола максимален. Пуле попасть в эту точку на срезе ствола труднее, она же имеет свою погрешность в скорости. То есть, наилучшим моментом вылета пули будет когда ствол находится в самой верхней точке первой фазы отклонения - как на рисунке. Тогда незначительные отклонения в скорости пули будут компенсироваться бОльшим временем нахождения ствола в его наиболее стабильной фазе.

Графическое представление этого явления хорошо видно на схеме (рис. 4-5). Здесь - Δt погрешность по времени, с которым пуля пересекает дульный срез ствола. На рис. 4 идеальный вариант когда среднее время вылета пули совпадает с нулевой фазой колебания ствола. (Математики! Я знаю, что распределение скоростей нелинейно.) Затененная область - это угол разброса траекторий.

Вибрации ствола в момент выстрела. Записки технаря


На рис.5 длина ствола и погрешность скоростей остались прежними. Но фаза изгиба ствола сдвинута так, что среднее время вылета совпадает с максимумом отклонения ствола. Комментарии излишни?

Ну, а стоит ли овчинка выделки? Насколько серьезными могут быть отклонения вызванные колебаниями второго порядка? Серьезны и даже очень. По данным советского профессора Дмитрия Александровича Вентцеля, в одном из экспериментов получены следующие результаты: радиус срединного отклонения вырос на 40% при изменении длины ствола всего лишь на 100 мм . Для сравнения — качественная обработка ствола может улучшить кучность всего лишь на 20%!

Теперь взглянем на формулу частоты колебаний:
Вибрации ствола в момент выстрела. Записки технаря
где:
k — коэффициент для колебаний второго порядка — 4,7;
L — длина ствола;
E — модуль упругости;
I — момент инерции сечения;
m — масса ствола.

… и приступим к анализу и выводам.

Очевидный вывод из рисунков 4-5 - это скоростная погрешность пули. Зависит она от качества пороха и его навески и плотности в патроне. Если эта погрешность будет составлять хотя бы четверть времени цикла, то на всё остальное можно махнуть рукой. К счастью, наука и промышленность добились очень большой стабильности в этом вопросе. А для особо искушенных (в бенчресте, например) есть все условия для самостоятельной сборки патронов, чтобы точно под длину ствола подогнать фазу вылета пули.

Итак, у нас есть патрон с минимально возможным разбросом скоростей. Длину ствола раcсчитали, исходя из его предельной массы. Возникает вопрос стабильности. Смотрим на формулу. Какие переменные влияют на изменение частоты колебаний? Длина ствола, модуль упругости и масса. Во время стрельбы ствол нагревается. Может ли нагрев изменить длину ствола, так чтобы это сказалось на точности. И да, и нет. Да, так как эта цифра лежит в пределах сотых долей процента для температуры 200 С. Нет, так как изменение модуля упругости стали для той же температуры примерно 8-9%, для 600С — почти в два раза . То есть многократно выше! Ствол становится мягче, фаза изгиба ствола сдвигается вперед к моменту вылета пули, кучность падает. Ну, что скажет вдумчивый аналитик? Он скажет, что невозможно получить на одной длине ствола максимальную кучность на холодном и горячем режиме! Оружие может иметь лучший показатель или с холодным или с горячим стволом. Соответственно, получается два класса оружия. Одно для засадных действий, когда цель необходимо поразить с первого - «холодного» выстрела, потому что кучность второго будет хуже из-за неминуемого разогрева ствола. В таком оружии нет острой необходимости в автоматике. И второй класс — автоматические винтовки, длина ствола которых подогнана под горячий ствол. В этом случае возможный промах из-за низкой кучности холодного выстрела можно компенсировать быстрым последующим горячим и более точным выстрелом.

Физику этого процесса прекрасно знал Е.Ф.Драгунов, когда проектировал свою винтовку. Предлагаю ознакомиться с рассказом его сына Алексея. Но для начала кое-кому придется сломать мозг. Как известно, к финалу конкурса на снайперскую винтовку подошли два образца Константинова и Драгунова. Конструкторы были друзьями и во всем помогали друг другу. Так вот, винтовка Константинова была «настроена» на холодный режим, винтовка Драгунова на «горячий». Пытаясь улучшить показатель кучности винтовки «соперника», Драгунов ведет стрельбу из его винтовки с длительными паузами.



Посмотрим еще раз на формулу. Как видно, частота зависит и от массы ствола. Масса ствола величина постоянная. Но жесткий контакт с цевьем образует непредсказуемую положительную обратную связь на ствол. Система — ствол-цевье-рука (опора) будет иметь другой момент инерции (совокупность масс относительно точки крепления), а значит и это тоже может вызвать сдвиг по фазе. Вот почему спортсмены используют мягкую опору. С этой же особенностью связано применение принципа «вывешенного ствола», когда цевье оружия не имеет жесткого касания со стволом и жестко крепится к нему (оружию) только в районе ствольной коробки, а второй конец или вообще не касается ствола или касается через подпружиненное сочленение (СВД).

Заключительная мысль. То, что при одной длине ствола невозможно получить одинаковую кучность на разных температурах, дает прекрасный повод поразмять мозги. Нужно всего лишь при изменении температуры ствола изменить его длину и (или) массу. Не изменяя при этом ни длину, ни массу ствола. С точки гуманитария это парадокс. С точки зрения технаря, идеально поставленная задача. С решением таких задач связана вся жизнь конструктора. Шерлоки отдыхают.

Литература:
Благонравов А.А. Основы проектирования автоматического оружия
Автор: © Андрей Куликов aka bunta, 2013, Ижевск


Мнение редакции "Военного обозрения" может не совпадать с точкой зрения авторов публикаций

CtrlEnter
Если вы заметили ошибку в тексте, выделите текст с ошибкой и нажмите Ctrl+Enter

Видео в тему

Читайте также
Загрузка...
Комментарии 34
  1. Nester 28 февраля 2013 09:15
    Спасибо за статью, познавательно.
  2. bunta 28 февраля 2013 10:00
    Кадр из "Видео в тему" послужил основой для создания мемориальной доски на доме где жил конструктор.
  3. лис 28 февраля 2013 10:09
    жесть...мозг чуть не вывихнул...но интересно и познавательно.выходит,что нельзя создать "абсолютное " стрелковое оружие.но наши-сделают.я уверен.
    1. Gladiatir-Zlo 19 марта 2013 20:33
      О Лис, привет, так я не одинок в своем невежестве по поводу внутренней баллистики, хотя статья очень понравилась. Интересно а смогу я теперяча, вести с технарями на равных беседу о стволах?
      Gladiatir-Zlo
  4. Mikhado 28 февраля 2013 10:46
    С интересом узнал про "подпружиненый газоотводный узел" в СВД, надо будет на чертежах присмотреться.
    Я вот думаю - а если а пределах серийной СВД делать версию с более тяжелым стволом и отключаемым газовым двигателем - насколько это улучшит кучность??
    1. Простотак 1 марта 2013 11:19
      Цитата: Mikhado
      и отключаемым газовым двигателем


      А какой в этом смысл? Изюминка СВД именно в автоматике. Для одиночной стрельбы есть болтовики.
  5. Андрей57 28 февраля 2013 10:58
    Абсолютное - нельзя, а вот учитывать всё вышеизложенное очень даже нужно. Вывод напрашивается сам собой - конструкция снайперской винтовки исходит из варианта "холодного" оружия, а автомат, например АК, из варианта горячего. А задачка в конце статьи - вообще супер)))
  6. bunta 28 февраля 2013 11:17
    wink Там нет подпружиненного газоотводного узла. Там "подпружиненное" сочленение передней части цевья. Если его можно так назвать. Переднее кольцо, которое соединяет две половинки цевья свободно движется по стволу. Поршень в газовой каморе, тоже отдельно от толкателя. Так что ствол имеет только одну "жесткую" точку касания с оружием в районе коробки. В момент прохождения пули по каналу ствола газовый двигатель никак на кучность не влияет. А вот для последующего выстрела, я думаю, идея отключения газ. двигателя имеет место быть. (Хотя бы для того чтобы не искать после выстрела гильзу wink ) Но это отдельная тема для рассуждений.

    С точки зрения улучшения кучности могу сказать одно - нет предела совершенству. В случае с СВД, как известно, кучность была сознательно ухудшена из-за необходимости возможности применения различных боеприпасов. Досточно вернуть шаг нарезов в изначальное состояние и уже получим результат (но не для всех патронов) и безо всякого увеличения массы.

    Допустим, мы имеем оружие с оптимальной длиной ствола. И решили за счет увеличения массы, увеличить жесткость ствола. Тогда для сохранения фазы, мы будем вынуждены немного уменьшить длину (уменьшить массу wink ). Видите как интересно.

    PS Подайте заявку на изобретение "Отключение газового двигателя..." я думаю пройдет.
    1. Чёрный Полковник 28 февраля 2013 15:24
      На мой взгляд наиболее простой (и дешёвый) "отключатель" газового двигателя лучше установить в патрубке, соединяющем ствол и газовую камору, по типу самоварного краника. Повернул на 90 град флажок переключателя вдоль ствола - патрубок перекрыт, газовый двигатель отключен, а ВСЯ энергия пороха используется для выброса пули. Повернул флажок переключателя обратно на 90 град - патрубок открыт и автоматика работает. Флажок сделать небольшого размера, не выступающим за габариты оружия. Подобным образом можно и Калаши для спецназа (особенно под оптику) изготовить. soldier
  7. Gun70 28 февраля 2013 11:51
    Нахлынули студенческие воспоминания ))) Не знаю, каков уровень вузов сейчас. С моего факультета после "перестройки" многие толковые преподы уехали за границу, даже казахи ((. Хотя я и сейчас остаюсь при мнении что советская школа была лучше западной.
  8. crambol 28 февраля 2013 13:03
    Автору статьи


    Коллега, нет ли ошибки в приведенной Вами формуле? При поперечных колебаниях стержня за частоту отвечает модуль сдвига, а не модуль продольной упругости. Это я помню по своим работам по измерению скорости звука в металлах и сплавах для вычисления модуля упругости. Причем частота поперечных колебаний примерно в четыре раза меньше продольных . Замечу, что это справедливо для незакрепленного стержня, свободно лежащего на двух опорах в местах узлов.
    1. bunta 28 февраля 2013 13:17
      Формула взята из первоисточника и упрощена до безобразия. И расчитана только для понимания сути процесса гуманитариями. Так что не обессудьте. А вот за соотношение частот продольных колебаний к поперечным огромное спасибо! Сам задумывался над этим. И вообще, если ткнете меня носом туда где есть готовые таблицы соотношений частот и амплитуд, буду благодарен.
      1. crambol 28 февраля 2013 20:00
        Спасибо. Сейчас поищу.
  9. komendor 28 февраля 2013 14:16
    Здравствуйте. Вопрос .
    В одной из статей было рассказано, про патроны без выхода пароховых газов
    из гильзы , метод поршня. Получается что нагрев ствола будет происходить в основном при трении пули по каналу в нарезах, Значит для такого патрона необходимо новое оружие с "холодным" стволом. И засчет чего происходит перезарядка , если нет выхода газов.
    Извените может не в той теме был задан вопрос.
    1. Чёрный Полковник 28 февраля 2013 15:28
      У Стечкина есть револьвер ОЦ-38 под такие патроны. Прелюбопытный экземпляр. Погуглите.
  10. ramsi 28 февраля 2013 14:29
    насколько я себе это представляю, максимальный изгиб ствола должен получаться в середине ствола, а максимальный диаметр неправильной описываемой им окружности - на конце. Даже не представляю, что кроме сошек на конце ствола, в рамках подобной убогой системы, можно сделать
    ramsi
  11. bunta 28 февраля 2013 14:30
    Это очень маломощный патрон, для пистолетов. Там такая точность не нужна. А автоматика работает за счет отдачи свободного затвора.

    Пока пуля движется в стволе, это все один объект. Но вот пуля вылетает из ствола с энергией 200 Дж. Все что осталось, по законам физики летит в другую сторону. Если вы держать пистолет не будете, то затвор вместе с пистолетом улетят. А та как вы держите пистолет, то отлетает только затвор. Разница в том что в обычном патроне газ давит все время пока пуля движется. А в "безгазовом" только в начальный момент до отсечки газов в гильзе.
  12. scrabler 28 февраля 2013 16:07
    Ух, тысяча плюсов smile
    1. crambol 28 февраля 2013 21:26
      Кирилл, так где Вы обитаете? То на юге, то на западе!
      1. scrabler 3 марта 2013 00:57
        Заброшен к врагу для осуществления разведывательно-диверсионных мероприятий soldier А если серьезно, то это мне с провайдером интернета повезло, флаг по IP ставится, вот и показывает что я то в Турции, то в ЕС, а сам я на попе в РБ сижу и даже никуда не собираюсь smile
  13. Рафаэль_83 28 февраля 2013 17:32
    Здорово! Спасибо за статью! Давно задумывался о чем-то подобном, но толком сформулировать и математически изложить (самому себе) - мозгов не хватало. И разъяснение в последнем абзаце тоже к месту пришлось: я-то всегда был убежден, что вывешенный ствол нужен исключительно, чтобы парировать тепловое воздействие, а о динамических колебаниях даже не задумывался толком.
  14. crambol 28 февраля 2013 20:41
    Даю две полстраницы из "Краткого справочника по физике" Г.Эберта.
    Гос. Издательство физ-мат литературы. Москва 1963 г.

    Цитата: bunta
    соотношение частот продольных колебаний к поперечным


    Справочник старый, но по скоростям достаточно надежный

    Цитата: bunta
    соотношение частот продольных колебаний к поперечным


    Справочник старый, но по скоростям достаточно надежный
    1. crambol 28 февраля 2013 20:44
      Если пригодится , буду рад.
      1. bunta 28 февраля 2013 20:46
        Это из Благонравова.
      2. bunta 28 февраля 2013 20:54
        Вот так лучше
    2. bunta 28 февраля 2013 20:44
      Спасибо. И как говорится, от нашего стола, вашему столу :


      тут не дает две картинки в одном комменте загрузить. Ну короче это первая страница, а выше вторая.
      1. crambol 28 февраля 2013 20:50
        Большое гран мерси! Между прочим, у меня сохранился учебник сопромата С.Тимошенко. А он проектировал мост кажется в Сан- Франциско.
  15. akm8226 28 февраля 2013 22:07
    Очень хорошо! Осталось спроектировать абсолютно жесткий ствол - и всего делов. Или же, что более парадоксально, сделать его мягким настолько чтобы убрать вообще любой резонанс. То есть, толстый пластичный кожух а внутри тонкостенный , твёрдый ствол. Наужная часть должна будет гасить все вибрации, возникающие внутри. Грубо говоря трубка, облитая пластилином.
    А этого можно добиться только соответствующей термообработкой.
    1. Мимопроходящий 28 февраля 2013 22:52
      Согласен, жесткий ствол кажется гораздо более простой задачей, чем ломать голову над оптимизацией колебаний и проч. Задача чисто технологическая, типа: ствол - продольные ребра жесткости - внешняя труба, все это сварено/спаяно/склеено в местах контакта.
      Или еще вариант - композитный ствол, типа волокон оксида металла (к примеру) в металлической матрице. Получим очень высокую жесткость в сочетании с высочайшей температурной стабильностью. Правда таких технологий пока нет, только лабораторные образы, но ведь технология полезная, много куда может пригодиться, так-что ее неизбежно будут развивать.
      Мимопроходящий
  16. crambol 28 февраля 2013 22:52
    Цитата: akm8226
    сделать его мягким настолько чтобы убрать вообще любой резонанс.

    Идея вовсе не парадоксальная. Для этой цели могут служить стали с большой демпфируемостью, в которых колебания очень быстро затухают. Однако их стоимость превысит разумные пределы.
    1. Лопатов 28 февраля 2013 22:58
      А электроникой эту проблему решить нельзя? Опыт то, в принципе, есть. По тем же пакетам РСЗО, где тоже существует огромная проблема вибрации.
  17. akm8226 28 февраля 2013 22:59
    Цитата: crambol
    Однако их стоимость превысит разумные пределы.


    Не дороже жизни снайпера.
  18. ramsi 1 марта 2013 08:09
    Мимопроходящий,
    Согласен, жесткий ствол кажется гораздо более простой задачей, чем ломать голову над оптимизацией колебаний и проч. Задача чисто технологическая, типа: ствол - продольные ребра жесткости - внешняя труба, все это сварено/спаяно/склеено в местах контакта.
    Вот если бы напрячь металл: закрутить ствол в сторону нарезов, наподобии торсиона, и закрепить в кожухе в трёх-четырёх точках... Ну и. конечно, сошки. Хотя всё это, наверное, уже делали
    ramsi
    1. Мимопроходящий 1 марта 2013 14:28
      Цитата: ramsi
      и закрепить в кожухе в трёх-четырёх точках

      ИМХО "закрепление" должно быть непрерывным по длине ствола. Если 3-4 точки контакта, то получим не прогнозируемую картину изгиба - внутренний ствол будет нагревается сильнее кожуха, соответственно ствол в процессе стрельбы будет удлинятся больше кожуха, т.е. в стволе будут возникать напряжения сжатия (связь между кожухом и стволом должна быть жесткой), и так как у нас 3-4 точки закрепления, то ствол при выстреле будет "выгибаться" между этими точками закрепления в произвольную сторону. Вместо прямого ствола, получим "змейку" которая с каждым выстрелом меняет свой изгиб.
      Впрочем, это мое чисто интуитивное видение, расчетом я это не поверял, возможно этот изгиб будет мизерным и малосущественным для точной стрельбы.
      Мимопроходящий
      1. ramsi 1 марта 2013 18:02
        Мимопроходящий,
        "закрепление" должно быть непрерывным по длине ствола. Если 3-4 точки контакта, то получим не прогнозируемую картину изгиба - внутренний ствол будет нагревается сильнее кожуха, соответственно ствол в процессе стрельбы будет удлинятся больше кожуха, т.е. в стволе будут возникать напряжения сжатия (связь между кожухом и стволом должна быть жесткой), и так как у нас 3-4 точки закрепления, то ствол при выстреле будет "выгибаться" между этими точками закрепления в произвольную сторону. Вместо прямого ствола, получим "змейку" которая с каждым выстрелом меняет свой изгиб.

        логика у меня была такая: поскольку максимальный выгиб в середине, то там и усиливаем; хотя при холодной закрутке середина и так должна упрочиться. Тут скорее проблема в том - как бы при нагреве всё это говно вместе с кожухом не вывернулось обратно
        ramsi
        1. глаз276 11 апреля 2013 16:47
          Насчет закрутки не знаю но наружный кожух применяется FR-f1 например вроде не жалуется никто,а колебания не получится регулировать например ствольные грузики?Ну я не инженер так мысли в слух.И еще из практики винтовка болтовая при установке ТГ (масса 350гр)в среднем дает кучность на 5мм меньше чем с ДТК ( с ТГ 15мм с ДТК 20мм на 100м).Ствол вывешен.
  19. schta 1 марта 2013 13:52
    Где-то в дебрях интернетов я видел замедленную съемку стрельбы из СВТэшки, у которой колебания ствола визуально были очень хорошо заметны
    schta
  20. bunta 3 марта 2013 15:57
    Вот только сейчас узнал что Lee-Enfield No.4 Mk тоже имела вывешенный ствол.
  21. vseprosto 17 марта 2013 18:07
    Сделать защемление на конце ствола, а на на начало шарнирно-подвижную опору.))))
    vseprosto
  22. fmvl 5 марта 2016 21:57
    Жесткое защемление показано только на верхнем рисунке, на среднем и нижнем свободный шарнир. Картина колебаний, соответственно, должна быть иная.
    Откуда взят рисунок?

Информация

Посетители, находящиеся в группе Гости, не могут оставлять комментарии к данной публикации.
Картина дня