Intern ballistik

Intern ballistik (även inre ballistik ), ett delfält av ballistik , är studiet av framdrivningen av en projektil .

I vapen täcker intern ballistik tiden från drivmedlets antändning tills projektilen lämnar vapenpipan . Studiet av intern ballistik är viktigt för designers och användare av skjutvapen av alla slag, från små gevär och pistoler till högteknologiskt artilleri .

För raketdrivna projektiler täcker intern ballistik den period under vilken en raketmotor ger dragkraft.

Delar och ekvationer

Hatcher delar upp varaktigheten av inre ballistik i tre delar:

  • Låsningstid, tiden från det att bränningen släpps tills primern slås
  • Tändningstid, tiden från det att primern träffas tills projektilen börjar röra sig
  • Piptid, tiden från det att projektilen börjar röra sig tills den lämnar pipan.
Diagram över interna ballistiska faser

Det finns många processer som är viktiga. Energikällan är det brinnande drivmedlet. Den genererar heta gaser som höjer kammartrycket. Det trycket trycker på projektilens bas och får projektilen att accelerera. Kammartrycket beror på många faktorer. Mängden drivmedel som har bränts, gasernas temperatur och kammarens volym. Drivmedlets förbränningshastighet beror inte bara på den kemiska sammansättningen utan också på formen på drivmedelskornen. Temperaturen beror inte bara på den energi som frigörs, utan också på värmen som förloras till sidorna av trumman och kammaren. Volymen av kammaren förändras kontinuerligt: ​​när drivmedlet brinner finns det mer volym för gasen att uppta. När projektilen färdas nedför pipan ökar också volymen bakom projektilen. Det finns fortfarande andra effekter. En del energi går förlorad när projektilen deformeras och får den att snurra. Det finns också friktionsförluster mellan projektilen och pipan. Projektilen, när den färdas nedför pipan, komprimerar luften framför den, vilket ger motstånd till dess framåtrörelse.

Modeller har utvecklats för dessa processer. Dessa processer påverkar pistoldesignen. Slutstycket och pipan måste stå emot högtrycksgaserna utan skador. Även om trycket initialt stiger till ett högt värde, börjar trycket sjunka när projektilen har färdats en bit ner i pipan. Följaktligen behöver mynningsänden på pipan inte vara lika stark som kammaränden.

Det finns fem allmänna ekvationer som används i inre ballistik:

  1. Tillståndsekvationen för drivmedlet
  2. Energins ekvation
  3. Rörelseekvationen
  4. Brännhastighetsekvationen
  5. Formfunktionens ekvation

Historia

Före mitten av 1800-talet, före utvecklingen av elektronik och den nödvändiga matematiken, (se Euler ), och materialvetenskap för att helt förstå tryckkärlsdesign , hade intern ballistik inte mycket detaljerad objektiv information. Pipor och aktioner skulle helt enkelt byggas tillräckligt starka för att överleva en känd överbelastning ( Proof test ), och mynningshastighetsförändring kunde antas från avståndet som projektilen reste.

På 1800-talet började man instrumentera testtunnor. Hål borrades i pipan, försedd med standardiserade stålkolvar, för att deformera en standardiserad liten kopparcylinderpellet som krossas när skjutvapnet avfyras. Minskningen av kopparcylinderlängden används som en indikation på topptrycket. Branschstandarder definierade "Copper Units of Pressure" eller "CUP" för högtrycksskjutvapen. Liknande standarder tillämpades på skjutvapen med lägre topptryck, vanligtvis vanliga handeldvapen, med testcylinderkulor gjorda av mer lätt deformerade blycylindrar, därav "Lead Units of Pressure" eller "LUP". Mätningen indikerade bara det maximala trycket som uppnåddes vid den punkten i pipan. På 1960-talet användes också piezoelektriska töjningsmätare. De gör det möjligt att mäta momentana tryck och behövde ingen tryckport borrad in i pipan. På senare tid, med hjälp av avancerad telemetri och accelerationshärdade sensorer, utvecklades instrumenterade projektiler av Army Research Laboratory som kunde mäta trycket vid projektilens bas och dess acceleration.

Primningsmetoder

Huvudartikel: Primer (skjutvapen)

Genom åren har flera metoder för att tända drivmedlet utvecklats. Ursprungligen borrades ett litet hål (ett beröringshål ) i slutstycket så att ett fint drivmedel ( svartkrut , samma drivmedel som användes i pistolen) kunde hällas i, och en extern låga eller gnista applicerades (se tändsticka och flintlås ) ). Senare hade slaglock och fristående patroner primers som detonerade efter mekanisk deformation och antände drivmedlet. En annan metod är användningen av en elektrisk ström för att antända drivmedlet.

Drivmedel

Svartkrut

Huvudartikel: Krut

Krut ( svart pulver ) är en finmald, pressad och granulerad mekanisk pyroteknisk blandning av svavel , träkol och kaliumnitrat eller natriumnitrat . Den kan tillverkas i en rad kornstorlekar. Storleken och formen på kornen kan öka eller minska den relativa ytan och ändra förbränningshastigheten avsevärt. Förbränningshastigheten för svartkrut är relativt okänslig för tryck, vilket innebär att det brinner snabbt och förutsägbart även utan inneslutning, vilket gör det också lämpligt för användning som lågexplosiv ämne. Den har en mycket långsam nedbrytningshastighet och därför en mycket låg brisance . Det är inte, i ordets strikta bemärkelse, ett sprängämne, utan ett "deflagrant", eftersom det inte detonerar utan sönderdelas genom deflagrering på grund av dess subsoniska mekanism för flamfrontsutbredning.

Nitrocellulosa (enbasdrivmedel)

Huvudartikel: Rökfritt pulver

Nitrocellulosa eller "guncotton" bildas genom inverkan av salpetersyra på cellulosafibrer . Det är ett mycket brännbart fibröst material som deflagrerar snabbt när värme appliceras. Det brinner också mycket rent och brinner nästan helt till gasformiga komponenter vid höga temperaturer med lite rök eller fasta rester. Gelatinerad nitrocellulosa är en plast som kan formas till cylindrar, rör, kulor eller flingor som kallas enkelbasdrivmedel . Storleken och formen på drivmedelskornen kan öka eller minska den relativa ytan och ändra förbränningshastigheten avsevärt. Tillsatser och beläggningar kan tillsättas till drivmedlet för att ytterligare modifiera förbränningshastigheten. pistoler med lätta eller låga hastigheter och hagelgevär , medelhöga pulver för magnumpistoler och lätta gevärspatroner , och långsamma pulver för skott med tunga gevär.

Dubbelbaserade drivmedel

Huvudartiklar: Ballistite , Cordite och Smokeless puder

Nitroglycerin kan tillsättas till nitrocellulosa för att bilda "dubbelbaserade drivmedel". Nitrocellulosa desensibiliserar nitroglycerin för att förhindra detonation i drivmedelstora korn, (se dynamit ), och nitroglycerinet gelatiniserar nitrocellulosan och ökar energin. Dubbelbaspulver brinner snabbare än enkelbaspulver av samma form, men inte lika rent, och förbränningshastigheten ökar med nitroglycerinhalten.

Inom artilleri har Ballistite eller Cordite använts i form av stavar, rör, slitsade rör, perforerade cylinder eller multi-tubular ; geometrin väljs för att ge de erforderliga förbränningsegenskaperna. (Runda kulor eller stavar, till exempel, är "degressivt brännande" eftersom deras produktion av gas minskar med deras yta när kulorna eller stavarna brinner mindre; tunna flingor är "neutralbrinnande", eftersom de brinner på sina plana ytor tills flingan är helt förbrukad. De longitudinellt perforerade eller multiperforerade cylindrarna som används i stora gevär eller kanoner med långa pipor är "progressivt brinnande", den brinnande ytan ökar när hålens innerdiameter förstoras, vilket ger en ihållande bränning och en lång , kontinuerligt tryck på projektilen för att producera högre hastighet utan att öka topptrycket i onödan. Progressivt brinnande pulver kompenserar något för tryckfallet när projektilen accelererar ner i hålet och ökar volymen bakom den.)

Fasta drivmedel (hylsalös ammunition)

Ett aktuellt forskningsämne har handlat om " hylsalös ammunition ". I en hylsalös patron gjuts drivmedlet som ett enda fast korn, med primermassan placerad i en hålighet vid basen och kulan fäst i fronten. Eftersom det enstaka drivmedelskornet är så stort (de flesta rökfria pulver har kornstorlekar runt 1 mm, men ett höljelöst korn blir kanske 7 mm i diameter och 15 mm långt), måste den relativa brännhastigheten vara mycket högre. För att nå denna förbränningshastighet använder man ofta moderata sprängämnen, som RDX . De stora fördelarna med en framgångsrik omgång utan fodral skulle vara eliminering av behovet av att extrahera och mata ut det använda patronhylsan, vilket möjliggör högre eldhastighet och en enklare mekanism, och även minskad ammunitionsvikt genom att eliminera vikten (och kostnaden) för mässingen eller Stål fodral.

Även om det finns minst ett experimentellt militärt gevär ( H&K G11 ) och ett kommersiellt gevär (Vore VEC-91 ), som använder fodrallösa patroner, har de haft liten framgång. Ett annat kommersiellt gevär var Daisy VL-geväret tillverkat av Daisy Air Rifle Co. och inrymt för kaliber .22 kaliber ammunition som antändes av en het tryckluftsblåsning från spaken som användes för att komprimera en stark fjäder som för ett luftgevär. Den fodrallösa ammunitionen är naturligtvis inte omladdningsbar, eftersom det inte finns något hölje kvar efter att ha avfyrat kulan, och det exponerade drivmedlet gör skotten mindre hållbara. Dessutom fungerar höljet i en standardpatron som en tätning, vilket hindrar gas från att komma ut från slutstycket . Armar utan fodral måste använda en mer komplex självtätande bakdel, vilket ökar design- och tillverkningskomplexiteten. Ett annat obehagligt problem, gemensamt för alla snabbskjutande vapen men särskilt problematiskt för de som skjuter skottlösa skott, är problemet med skott som " kokar av" . Detta problem orsakas av restvärme från kammaren som värmer upp rundan i kammaren till den punkt där den antänds, vilket orsakar en oavsiktlig urladdning.

För att minimera risken för att patronen kokar av, kan maskingevär designas för att avfyra från en öppen bult, med kulan inte kammare förrän avtryckaren trycks in, så det finns ingen chans för kulan att koka av innan operatören är redo. Sådana vapen skulle kunna använda fodrallös ammunition effektivt. Design med öppna bultar är i allmänhet oönskade för allt annat än maskingevär; massan av bulten som rör sig framåt får pistolen att slingra sig i reaktion, vilket avsevärt minskar pistolens noggrannhet, vilket i allmänhet inte är ett problem för maskingeväreldning.

Drivmedelsladdning

Lastdensitet och konsistens

Lastdensitet är procentandelen av utrymmet i patronhylsan som är fyllt med pulver . I allmänhet antänds och brinner laster nära 100 % densitet (eller till och med laster där kulan placeras i lådan och komprimerar pulvret) mer konsekvent än laster med lägre densitet. I patroner som överlevt från svartkrutseran (exempel är .45 Colt , .45-70 Government ), är höljet mycket större än vad som behövs för att hålla den maximala laddningen av rökfritt pulver med hög densitet. Detta extra utrymme gör att pulvret kan förskjutas i fodralet, samlas upp nära framsidan eller baksidan av fodralet och potentiellt orsaka betydande variationer i förbränningshastighet, eftersom pulver nära baksidan av fodralet antänds snabbt men puder nära framsidan av fodralet kommer att tändas senare. Denna förändring har mindre effekt med snabba puder. Sådana kassetter med hög kapacitet och låg densitet ger i allmänhet bästa noggrannhet med det snabbaste lämpliga pulvret, även om detta håller den totala energin låg på grund av den skarpa högtryckstoppen.

Magnum pistolpatroner vänder denna effekt/noggrannhet avvägning genom att använda lägre densitet, långsammare brinnande pulver som ger hög belastningstäthet och en bred tryckkurva. Nackdelen är den ökade rekylen och mynningssprängningen från den höga pudermassan och det höga mynningstrycket.

De flesta gevärspatroner har en hög belastningstäthet med lämpliga pulver. Gevärspatroner tenderar att ha flaskhalsar, med en bred bas som smalnar av till en mindre diameter, för att hålla en lätt kula med hög hastighet. Dessa fodral är designade för att hålla en stor laddning av lågdensitetspulver, för en ännu bredare tryckkurva än en magnumpistolpatron. Dessa fall kräver användning av en lång gevärspipa för att få ut sin fulla effektivitet, även om de också är inbyggda i gevärsliknande pistoler (enkelskott eller bultverkan) med pipor på 10 till 15 tum (25 till 38 cm).

Ett ovanligt fenomen uppstår när täta, lågvolymspulver används i gevärsväskor med stor kapacitet. Små laddningar av pulver, såvida de inte hålls tätt nära baksidan av fodralet med vadd , kan uppenbarligen detonera när de antänds, vilket ibland orsakar katastrofala fel på skjutvapnet. Mekanismen för detta fenomen är inte välkänd, och i allmänhet påträffas den inte förutom när man laddar låg rekyl eller låghastighet underljudspatroner för gevär. Dessa skott har i allmänhet hastigheter på under 320 m/s (1100 ft/s), och används för inomhusskytte, i kombination med en dämpare eller för skadedjursbekämpning, där kraften och munkorgssprängningen från en full-power-runda inte behövs eller önskat.

Kammare

Rak vs flaskhals

Rakväggiga fodral var standarden från början av patronarmarna. Med den låga brinnhastigheten för svartkrut uppnåddes den bästa effektiviteten med stora, tunga kulor, så kulan var den största praktiska diametern . Den stora diametern gjorde det möjligt för en kort, stabil kula med hög vikt och den maximala praktiska hålvolymen att utvinna så mycket energi som möjligt i en given längd pipa. Det fanns några patroner som hade långa, grunda avsmalningar, men dessa var i allmänhet ett försök att använda en befintlig patron för att avfyra en mindre kula med högre hastighet och lägre rekyl. Med tillkomsten av rökfria pulver var det möjligt att generera mycket högre hastigheter genom att använda ett långsamt rökfritt pulver i ett hölje med stor volym, trycka på en liten, lätt kula. Den udda, mycket avsmalnande 8 mm Lebel , tillverkad genom att halsa ner en äldre 11 mm svart pulverpatron, introducerades 1886, och den följdes snart av 7,92×57 mm Mauser och 7×57 mm Mauser militära rundor och reklamfilmen . 30-30 Winchester , som alla var nya konstruktioner byggda för att använda rökfritt pulver. Alla dessa har en distinkt axel som liknar moderna patroner, och med undantag för Lebel är de fortfarande förvarade i moderna skjutvapen även om patronerna är över ett sekel gamla.

Bildförhållande och konsistens

När man väljer en gevärspatron för maximal noggrannhet, kan en kort, fet patron med mycket liten höljesavsmalning ge högre effektivitet och jämnare hastighet än en lång, tunn patron med mycket höljesavsmalning (en del av anledningen till en flaskhalsad design ). Med tanke på nuvarande trender mot kortare och fetare fodral, som de nya Winchester Super Short Magnum- patronerna, verkar det som om det perfekta kan vara ett fodral som närmar sig sfäriskt inuti. Mål- och ohyrajaktrundor kräver största noggrannhet, så deras fodral tenderar att vara korta, feta och nästan avsmalnande med vassa axlar på fodralet. Korta, feta fodral tillåter också kortverkande vapen att göras lättare och starkare för samma prestationsnivå. Avvägningen för denna prestation är feta rundor som tar mer plats i ett magasin , vassa axlar som inte matas lika lätt ur ett magasin och mindre tillförlitlig utvinning av den förbrukade rundan. Av dessa skäl, när tillförlitlig matning är viktigare än noggrannhet, såsom med militära gevär, gynnas längre fodral med grundare axelvinklar. Det har dock funnits en långsiktig trend, även bland militära vapen, mot kortare, fetare fall. Det nuvarande 7,62×51 mm NATO- fodralet som ersätter den längre .30-06 Springfield är ett bra exempel, liksom den nya 6,5 ​​Grendel- patronen designad för att öka prestandan hos AR-15 -familjen av gevär och karbiner. Ändå finns det betydligt mer till noggrannhet och kassettdödlighet än höljets längd och diameter, och 7,62×51 mm NATO har en mindre höljeskapacitet än .30-06 Springfield , vilket minskar mängden drivmedel som kan användas direkt. minska kombinationen av kulvikt och mynningshastighet som bidrar till dödlighet (som beskrivs i de publicerade patronspecifikationerna som länkas här för jämförelse). 6.5 Grendel , å andra sidan, kan avfyra en betydligt tyngre kula (se länk) än 5.56 NATO ur vapenfamiljen AR-15, med endast en liten minskning av mynningshastigheten, vilket kanske ger en mer fördelaktig prestanda avvägning.

Friktion och tröghet

Statisk friktion och antändning

Eftersom förbränningshastigheten för rökfritt pulver varierar direkt med trycket, har den initiala tryckuppbyggnaden (dvs "skottstarttrycket") en betydande effekt på sluthastigheten, speciellt i stora patroner med mycket snabba pulver och relativt låg vikt projektiler. I småkalibriga skjutvapen friktionen som håller kulan i höljet hur snart efter antändning kulan rör sig, och eftersom kulans rörelse ökar volymen och sänker trycket kan en skillnad i friktion förändra tryckkurvans lutning . I allmänhet är en tät passform önskvärd, till den grad att kulan krymps in i hylsan. I ramlösa fodral med raka väggar, såsom .45 ACP, är en aggressiv krympning inte möjlig, eftersom fodralet hålls i kammaren av fodralets mynning, men dimensionerar fodralet för att tillåta en tät passning med kulan , kan ge önskat resultat. I skjutvapen med större kaliber bestäms skottstarttrycket ofta av den kraft som krävs för att initialt gravera in projektildrivningsbandet i början av pipriffeln ; släta kanoner, som inte har rifling, uppnår skottstarttryck genom att initialt driva in projektilen i en "tvingande kon" som ger motstånd när den komprimerar projektilens tätningsring .

Kinetisk friktion

Kulan måste passa tätt i hålet för att täta det höga trycket från det brinnande krutet. Denna täta passform resulterar i en stor friktionskraft. Kulans friktion i hålet har visserligen en liten inverkan på sluthastigheten, men det är i allmänhet inte särskilt bekymmersamt. Av större oro är värmen som genereras på grund av friktionen. Vid hastigheter på cirka 300 m/s (980 ft/s) bly smälta och avsättas i hålet . Denna blyuppbyggnad drar ihop hålet, ökar trycket och minskar noggrannheten i efterföljande omgångar och är svår att skrubba ut utan att skada hålet. Kulor, som används vid hastigheter upp till 460 m/s (1 500 ft/s), kan använda vaxsmörjmedel på kulan för att minska blyuppbyggnaden . Vid hastigheter över 460 m/s (1 500 ft/s) är nästan alla kulor mantlade i koppar eller en liknande legering som är mjuk nog att inte slitas på pipan, men smälter vid en tillräckligt hög temperatur för att minska uppbyggnaden i borrningen. Kopparuppbyggnad börjar inträffa i omgångar som överstiger 760 m/s (2 500 ft/s), och en vanlig lösning är att impregnera kulans yta med molybdendisulfidsmörjmedel . Detta minskar kopparuppbyggnaden i hålet och resulterar i bättre långsiktig noggrannhet. Storkaliberprojektiler använder också koppardrivande band för riflade pipor för spinnstabiliserade projektiler; fenstabiliserade projektiler som avfyras från både gevär och slätborrade pipor, såsom APFSDS pansarskyddsprojektiler, använder sig av nylontäppningsringar som är tillräckliga för att täta högtrycksdrivmedelsgaser och även minimera friktion i borrhålet, vilket ger en liten boost till mynningen hastighet.

Tröghetens roll

Under de första centimeterna av färden ner i hålet når kulan en betydande andel av sin sluthastighet, även för gevär med hög kapacitet, med långsamt brinnande pulver. Accelerationen är i storleksordningen tiotusentals gravitationer , så även en projektil så lätt som 40 grains (2,6 g) kan ge över 1 000 newton ( 220 lbf ) motstånd på grund av tröghet . Förändringar i kulmassa har därför en enorm inverkan på tryckkurvorna för rökfria pulverpatroner, till skillnad från svartpulverpatroner. Laddning eller omladdning av rökfria patroner kräver därför högprecisionsutrustning och noggrant uppmätta tabeller med lastdata för givna patroner, pulver och kulvikter.

Tryck-hastighetssamband

Detta är en graf över en simulering av 5,56 mm NATO -skottet, som avfyras från en 20-tums (510 mm) pipa. Den horisontella axeln representerar tid, den vertikala axeln representerar tryck (grön linje), kulans rörelse (röd linje) och kulans hastighet (ljusblå linje). Värdena som visas överst är toppvärden

Energi överförs till kulan i ett skjutvapen genom trycket från gaser som produceras av förbränning av drivmedel. Medan högre tryck ger högre hastigheter är tryckets varaktighet också viktig. Topptrycket kan representera bara en liten bråkdel av tiden som kulan accelererar. Hela varaktigheten av kulans färd genom pipan måste beaktas.

Topp vs område

Denna graf visar olika tryckkurvor för pulver med olika brännhastigheter. Grafen längst till vänster är densamma som den stora grafen ovan. Den mittersta grafen visar ett pulver med 25 % snabbare förbränningshastighet, och grafen längst till höger visar ett pulver med 20 % lägre brännhastighet.

Energi definieras som förmågan att utföra arbete på ett föremål; till exempel, det arbete som krävs för att lyfta en vikt på ett kilo, en fot mot tyngdkraften definierar ett kilo kilo energi (En joule är lika med den energi som behövs för att flytta en kropp över en meter avstånd med en newton av kraft). Om vi ​​skulle modifiera grafen för att reflektera kraft (trycket som utövas på kulans bas multiplicerat med arean av kulans bas) som funktion av avstånd, skulle arean under den kurvan vara den totala energin som tilldelas kula. Att öka kulans energi kräver att arean under den kurvan ökas, antingen genom att höja medeltrycket eller öka avståndet som kulan färdas under tryck. Trycket begränsas av skjutvapnets styrka och varaktigheten begränsas av pipans längd.

Utformning av drivmedel

Drivmedel är noggrant anpassade till skjutvapenstyrka, kammarvolym och pipans längd, och till kulans material, vikt och dimensioner. Hastigheten för gasgenerering är proportionell mot ytan av brinnande drivmedelskorn i enlighet med Pioberts lag . Progression av förbränning från ytan till kornen tillskrivs värmeöverföring från ytan av energi som är nödvändig för att initiera reaktionen. Rökfria drivmedelsreaktioner inträffar i en serie av zoner eller faser när reaktionen fortsätter från ytan till det fasta ämnet. Den djupaste delen av det fasta ämnet som upplever värmeöverföring smälter och börjar fasövergången från fast till gas i en skumzon . Det gasformiga drivmedlet sönderdelas till enklare molekyler i en omgivande bruszon . Endotermiska omvandlingar i skumzonen och bruszonen kräver energi som initialt tillhandahålls av primern och därefter frigörs i en lysande yttre flamzon där de enklare gasmolekylerna reagerar för att bilda konventionella förbränningsprodukter som ånga och kolmonoxid .

Värmeöverföringshastigheten för rökfria drivmedel ökar med trycket; så hastigheten för gasalstring från en given kornyta ökar vid högre tryck. Accelererande gasgenerering från snabbt brinnande drivmedel kan snabbt skapa en destruktivt hög tryckspets innan kulrörelser ökar reaktionsvolymen. Omvänt kan drivmedel utformade för ett minimalt värmeöverföringstryck upphöra att sönderfalla till gasformiga reaktanter om kulrörelser minskar trycket innan ett långsamt brinnande drivmedel har förbrukats. Oförbrända drivmedelskorn kan finnas kvar i tunnan om den energiavgivande flamzonen inte kan upprätthållas i den resulterande frånvaron av gasformiga reaktanter från de inre zonerna.

Utbrändhet av drivmedel

En annan fråga att tänka på, när man väljer en pulverbrännhastighet, är den tid det tar för pulvret att brinna helt kontra tiden som kulan tillbringar i pipan. Tittar man noggrant på den vänstra grafen så sker en förändring i kurvan, vid ca 0,8 ms. Detta är den punkt där pulvret förbränns helt och ingen ny gas skapas. Med ett snabbare pulver uppstår utbrändhet tidigare, och med det långsammare pulvret inträffar det senare. Drivmedel som är oförbränt när kulan når mynningen slösas bort - det tillför ingen energi till kulan, men det bidrar till rekylen och mynningssprängningen. För maximal kraft bör pulvret brinna tills kulan är strax utanför nospartiet.

Eftersom rökfria pulver brinner, inte detonerar, kan reaktionen endast ske på pulvrets yta. Rökfria pulver finns i en mängd olika former, som tjänar till att avgöra hur snabbt de brinner, och även hur brännhastigheten ändras när pulvret brinner. Den enklaste formen är ett bollpulver, som är i form av runda eller lätt tillplattade sfärer. Kulpulver har ett förhållandevis litet förhållande mellan ytarea och volym, så det brinner relativt långsamt, och när det brinner minskar dess yta. Detta innebär att när pulvret brinner saktar brännhastigheten ner.

Till viss del kan detta kompenseras genom användningen av en retarderande beläggning på pulvrets yta, vilket saktar ner den initiala brännhastigheten och planar ut förändringshastigheten. Bollpulver formuleras i allmänhet som långsamma pistolpulver eller snabba gevärspulver.

Flingpulver är i form av platta, runda flingor som har ett relativt högt förhållande mellan ytarea och volym. Flingpulver har en nästan konstant förbränningshastighet och är vanligtvis formulerade som snabba pistol- eller hagelgevärspulver . Den sista vanliga formen är ett extruderat pulver, som är i form av en cylinder, ibland ihålig. Extruderade pulver har i allmänhet ett lägre förhållande mellan nitroglycerin och nitrocellulosa, och är ofta progressiva förbränning - det vill säga de brinner i snabbare takt när de brinner. Extruderade pulver är vanligtvis medelstora till långsamma gevärspulver.

Nostrycksproblem

Av tryckgraferna kan man se att resttrycket i pipan när kulan går ut är ganska högt, i detta fall över 16 kpsi / 110 MPa / 1100 bar. Även om man förlänger pipan eller minskar mängden drivgas kommer att minska detta tryck, men det är ofta inte möjligt på grund av problem med skjutvapenstorlek och minsta nödvändiga energi. Målvapen med kort räckvidd är vanligtvis inredda för .22 Long Rifle eller .22 Short, som har mycket liten puderkapacitet och lite resttryck. När högre energi krävs för skytte på långa avstånd, jakt eller anti-personell, krävs högre nostryck. Med dessa höga mynningstryck kommer ökad blixt och oljud från mynningssprängningen, och, på grund av de stora krutladdningarna som används, högre rekyl. Rekyl inkluderar reaktionen som inte bara orsakas av kulan, utan också av pulvermassan och hastigheten (med restgaserna som fungerar som ett raketavgas). Men för att en mynningsbroms ska vara effektiv måste det finnas ett betydande mynningstryck.

Allmänna bekymmer

Håldiameter och energiöverföring

Ett skjutvapen är på många sätt som en kolvmotor på kraftslaget. Det finns en viss mängd högtrycksgas tillgänglig, och energi utvinns från den genom att få gasen att flytta en kolv - i det här fallet är projektilen kolven. Kolvens svepta volym avgör hur mycket energi som kan utvinnas från den givna gasen. Ju mer volym som svepas av kolven, desto lägre är avgastrycket ( i detta fall mynningstrycket). Eventuellt kvarvarande tryck vid nospartiet eller i slutet av motorns kraftslag representerar förlorad energi.

För att extrahera den maximala mängden energi maximeras sedan den svepande volymen. Detta kan göras på ett av två sätt - öka längden på pipan eller öka diametern på projektilen. En ökning av cylinderns längd kommer att öka den svepande volymen linjärt, medan en ökning av diametern kommer att öka den svepande volymen som kvadraten av diametern. Eftersom pipans längd begränsas av praktiska problem till ungefär armlängden för ett gevär och mycket kortare för ett handeldvapen, är ökad håldiameter det normala sättet att öka effektiviteten hos en patron. Gränsen för hålets diameter är i allmänhet projektilens tvärsnittstäthet (se extern ballistik ) . Kulor med större diameter av samma vikt har mycket mer motstånd , och så förlorar de energi snabbare efter att ha lämnat pipan. I allmänhet använder de flesta handeldvapen kulor mellan 0,355 (9 mm) och 0,45 (11,5 mm) kaliber, medan de flesta gevär i allmänhet sträcker sig från 0,223 (5,56 mm) till 0,32 (8 mm) kaliber. Det finns många undantag, naturligtvis, men kulor i de givna intervallen ger den bästa prestanda för allmänna ändamål. Handvapen använder kulorna med större diameter för större effektivitet i korta pipor och tolererar hastighetsförlusten på lång håll eftersom handeldvapen sällan används för långdistansskytte. Handvapen avsedda för långdistansskytte är i allmänhet närmare förkortade gevär än andra handeldvapen.

Förhållandet mellan drivmedel och projektilmassa

En annan fråga, när man väljer eller utvecklar en patron, är frågan om rekyl. Rekylen är inte bara reaktionen från projektilen som avfyras, utan också från pulvergasen, som kommer ut ur pipan med en hastighet som är ännu högre än kulans. För handeldvapenpatroner, med tunga kulor och lätta krutladdningar (en 9×19 mm kan till exempel använda 5 grains (320 mg) pulver och en 115 grains (7,5 g) kula), är krutrekylen inte en betydande kraft ; för en gevärspatron (en .22-250 Remington , med 40 grains (2,6 g) pulver och en 40 grains (2,6 g) kula), kan pulvret utgöra huvuddelen av rekylkraften.

Det finns en lösning på rekylproblemet, även om det inte är utan kostnad. En mynningsbroms eller rekylkompensator är en anordning som omdirigerar pulvergasen vid mynningen, vanligtvis upp och tillbaka. Detta fungerar som en raket som trycker nospartiet nedåt och framåt. Framskjutningen hjälper till att motverka känslan av projektilens rekyl genom att dra skjutvapnet framåt. Trycket nedåt, å andra sidan, hjälper till att motverka rotationen som förorsakas av det faktum att de flesta skjutvapen har pipan monterad ovanför tyngdpunkten . Uppenbara stridsvapen, kraftfulla gevär med stor hål, långdistansvapen för gevärammunition och actionskjutande handeldvapen designade för exakt snabb eld, alla drar nytta av munningsbromsar.

De kraftfulla skjutvapnen använder mynningsbromsen främst för att reducera rekylen, vilket minskar misshandeln av skytten av den kraftiga rekylen. De actionskjutande handeldvapnen omdirigerar all energi uppåt för att motverka rekylens rotation och gör följande skott snabbare genom att lämna pistolen på målet. Nackdelen med mynningsbromsen är en längre, tyngre pipa, och en stor ökning av ljudnivåer och blixt bakom gevärets mynning. Att skjuta skjutvapen utan munningsbromsar och utan hörselskydd kan så småningom skada operatörens hörsel; skjutning av gevär med munningsbroms - med eller utan hörselskydd - orsakar dock permanenta öronskador. (Se mynningsbroms för mer om nackdelarna med mynningsbromsar.)

Pulver-till-projektil-viktförhållandet berör också ämnet effektivitet. När det gäller .22-250 Remington går mer energi till att driva pulvergasen än till att driva kulan. .22-250 betalar för detta genom att kräva ett stort fodral, med mycket pulver, allt för en ganska liten vinst i hastighet och energi jämfört med andra kaliber .22 patroner.

Noggrannhet och hålegenskaper

Nästan alla små skjutvapen, med undantag för hagelgevär, har räfflade pipor. Geväret ger kulan ett snurr, vilket hindrar den från att ramla under flykten. Geväret är vanligtvis i form av skarpkantade spår som skärs som spiraler längs hålets axel, allt från 2 till 16 till antalet. Områdena mellan spåren är kända som land.

Ett annat system, polygonal rifling , ger hålet ett polygonalt tvärsnitt. Polygonal rifling är inte särskilt vanligt, används av endast ett fåtal europeiska tillverkare samt den amerikanska vapentillverkaren Kahr Arms. De företag som använder polygonal rifling hävdar större noggrannhet, lägre friktion och mindre bly- och/eller kopparuppbyggnad i pipan. Traditionell land- och räffling används i de flesta tävlingsskjutvapen, så fördelarna med polygonal rifling är obevisade.

Det finns tre vanliga sätt att riva en pipa och en ny teknik:

  • Det mest grundläggande är att använda en enspetsfräs, neddragen i hålet av en maskin som noggrant kontrollerar rotationen av skärhuvudet i förhållande till pipan. Detta är den långsammaste processen, men eftersom den kräver den enklaste utrustningen används den ofta av specialanpassade vapensmeder och kan resultera i enastående exakta pipor.
  • Nästa metod är knäppning. Denna metod använder en tärning med en negativ bild av gevärskärningen på den. Denna tärning dras ner i pipan medan den försiktigt roteras, och den sveper insidan av pipan. Detta "klipper" alla räfflor på en gång (det skär inte riktigt metall), och är därför snabbare än skärande rifling. Belackare hävdar att processen lämnar avsevärda restspänningar i pipan, men världsrekord har satts med knappriffelpipor, så återigen finns det ingen tydlig nackdel.
  • Den sista vanliga metoden som används är hammarsmide . I denna process placeras en något överdimensionerad, borrad pipa runt en dorn som innehåller en negativ bild av hela längden på den riflade pipan. Pipan och dornen roteras och hamras av krafthammare, som bildar insidan av pipan på en gång. Detta är den snabbaste (och i det långa loppet, billigaste) metoden att tillverka en pipa, men utrustningen är oöverkomligt dyr för alla utom de största vapentillverkarna. Hammersmidda tunnor är strikt masstillverkade, så de är i allmänhet inte kapabla till högsta noggrannhet som de produceras, men med lite noggrant handarbete kan de fås att skjuta mycket bättre än de flesta skyttar är kapabla till.
  • En ny teknik som tillämpas vid tillverkning av fat är elektrisk bearbetning, i form av elektrisk urladdningsbearbetning (EDM) eller elektrokemisk bearbetning (ECM). Dessa processer använder elektricitet för att erodera bort material, en process som ger en mycket konsekvent diameter och mycket jämn finish, med mindre stress än andra riflingsmetoder. kanoner med långa lopp, där traditionella metoder är mycket svåra, medan ECM används av vissa mindre piptillverkare.

Syftet med pipan är att ge en konsekvent tätning , vilket gör att kulan kan accelerera till en konstant hastighet. Den måste också ge rätt spinn och släppa kulan konsekvent, perfekt koncentriskt mot hålet. Det kvarvarande trycket i hålet måste släppas ut symmetriskt så att ingen sida av kulan får mer eller mindre tryck än resten. Pipans mynning är den mest kritiska delen, eftersom det är den del som styr utsläppet av kulan. Vissa randeldar och luftgevär har faktiskt en lätt sammandragning , kallad choke , i pipan vid mynningen. Detta garanterar att kulan hålls säkert precis innan den släpps.

För att hålla en bra tätning måste hålet ha en mycket exakt, konstant diameter, eller ha en liten minskning i diameter från slutstycke till nosparti. Varje ökning av hålets diameter gör att kulan kan skifta. Detta kan göra att gas läcker förbi kulan, vilket påverkar hastigheten, eller få kulan att tippa, så att den inte längre är perfekt koaxiell med hålet. Högkvalitativa fat är överlappade för att ta bort eventuella förträngningar i hålet som kommer att orsaka en förändring i diameter.

En lappningsprocess känd som "brandlappning " använder en bly-"snigel" som är något större än hålet och täckt med fin slipmedelsblandning för att skära bort förträngningarna . Snigeln förs från sätesstycke till nosparti, så att när den stöter på förträngningar skär den bort dem och skär inte på områden som är större än förträngningen. Många genomgångar görs och när hålet blir mer enhetligt används finare kvaliteter av slipmedel. Slutresultatet är en pipa som är spegelslät och med en konsekvent eller något avsmalnande borrning. Handlappningstekniken använder en trä- eller mjukmetallstång för att dra eller trycka snäckan genom hålet, medan den nyare eld-lappningstekniken använder specialladdade, lågeffektspatroner för att trycka ned nötande kulor av mjukt bly i pipan.

En annan fråga som påverkar pipans grepp på kulan är geväret. När kulan avfyras tvingas den in i geväret, vilket skär eller " graverar " kulans yta. Om geväret är en konstant vridning, så rider geväret i spåren ingraverade i kulan, och allt är säkert och förseglat. Om geväret har en minskande vridning, så gör den ändrade vinkeln på geväret i kulans graverade spår att geväret blir smalare än spåren. Detta tillåter gas att blåsa förbi och lossar kulans grepp på pipan. En ökande vridning kommer dock att göra att geväret blir bredare än spåren i kulan, vilket bibehåller tätningen. När ett räfflat pipämne väljs för en pistol, kan noggrann mätning av de oundvikliga variationerna i tillverkningen avgöra om riffelvridningen varierar, och sätta den högre vridningsänden vid mynningen.

Pipans mynning är det sista som rör kulan innan den går i ballistisk flygning, och har som sådan störst potential att störa kulans flygning. Mynningen måste tillåta gasen att fly symmetriskt ur pipan; all asymmetri kommer att orsaka ett ojämnt tryck på kulans bas, vilket kommer att störa dess flygning. Munstyckets ände av pipan kallas "kronan", och den är vanligtvis antingen avfasad eller försänkt för att skydda den från stötar eller repor som kan påverka noggrannheten. Ett tecken på en bra krona kommer att vara ett symmetriskt, stjärnformat mönster på mynningsänden av pipan, bildat av sot som avsatts när pulvergaserna kommer ut från pipan. Om stjärnan är ojämn är det ett tecken på en ojämn krona och en felaktig tunna.

Innan pipan kan släppa kulan på ett konsekvent sätt, måste det greppa kulan på ett konsekvent sätt. Den del av pipan mellan där kulan lämnar patronen och griper in i geväret, kallas "halsen", och längden på halsen är frihålet . I vissa skjutvapen är frihålet nästan obefintligt - handlingen att kammare patronen tvingar in kulan i geväret. Detta är vanligt i lågkraftiga rimfire-målgevär. Placeringen av kulan i geväret säkerställer att övergången mellan patron och rifling är snabb och stabil. Nackdelen är att patronen hålls stadigt på plats, och det kan vara svårt att försöka ta ut den oavfyrade kulan, till den grad att man till och med drar kulan från patronen i extrema fall.

Med kraftfulla patroner finns det ytterligare en nackdel med ett kort frihål. En betydande mängd kraft krävs för att gravera kulan, och detta ytterligare motstånd kan höja trycket i kammaren med en hel del. För att mildra denna effekt tenderar gevär med högre kraft att ha mer frilopp, så att kulan tillåts ta lite fart och kammartrycket tillåts sjunka något innan kulan griper in i geväret. Nackdelen är att kulan träffar geväret när den redan är i rörelse, och varje liten snedställning kan få kulan att tippa när den griper in i geväret. Detta kommer i sin tur att innebära att kulan inte kommer ut ur pipan koaxiellt. Mängden friborrning är en funktion av både cylindern och patronen. Tillverkaren eller vapensmeden som skär av kammaren kommer att bestämma mängden utrymme mellan patronhylsans mynning och geväret. Att ställa kulan längre framåt eller bakåt i patronen kan minska eller öka mängden friborrning, men bara inom ett litet område. Noggrann testning av ammunitionslastaren kan optimera mängden friborrning för att maximera noggrannheten, samtidigt som topptrycket hålls inom gränserna.

Revolverspecifika problem

Den definierande egenskapen hos en revolver är den roterande cylindern, skild från pipan, som innehåller kamrarna. Revolvrar har vanligtvis 5 till 10 kammare, och det första problemet är att säkerställa enhetlighet mellan kamrarna, för om de inte är konsekventa kommer islagspunkten att variera från kammare till kammare. Kamrarna måste också vara i linje med pipan, så att kulan kommer in i pipan på samma sätt från varje kammare.

Halsen i en revolver är en del av cylindern, och som alla andra kammare bör halsen dimensioneras så att den är koncentrisk mot kammaren och mycket lite över kulans diameter. I slutet av halsen förändras dock saker och ting. För det första är halsen i en revolver minst lika lång som den maximala totala längden på patronen, annars kan cylindern inte rotera. Nästa steg är cylindergapet, utrymmet mellan cylindern och cylindern. Denna måste vara tillräckligt bred för att tillåta fri rotation av cylindern även när den blir nedsmutsad med pulverrester, men inte så stor att alltför mycket gas släpps ut. Nästa steg är den tvingande konen. Tvingningskonen är där kulan styrs från cylindern in i pipans hål. Det bör vara koncentriskt med hålet och tillräckligt djupt för att tvinga in kulan i hålet utan betydande deformation. Till skillnad från gevär, där den gängade delen av pipan är i kammaren, omger revolverpipans gängor slutänden av hålet, och det är möjligt att hålet kommer att komprimeras när pipan skruvas in i ramen. Att skära en längre kraftkon kan avlasta denna "choke"-punkt, liksom lappning av pipan efter att den har monterats på ramen.

Se även

externa länkar

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Internal_ballistics&oldid=1130458813 "