Výstřel z malorážové zbraně a jeho charakteristiky
VUT v Brně Fakulta strojního inženýrství
Róbert Jankových ([email protected] )
Brno, 9. října 2012
Studijní literatura
https://e-ballistics.com
Zdravotní
způsobilost
Střelecká
způsobilost
Neohrožení
sebe a
ostatních
osob
Znalost zbraní
a střeliva
Znalost
provozního
řádu střelnice
Proces bezpečné manipulace
Kontrola
zbraně
před
střelbou
Nabití
zbraně
Střelba
na terč
Kontrola
zbraně
po
střelbě Neohrožení
okolí
(majetku,
životního
prostředí, ...)
Bezpečná manipulace se zbraněmi a střelivem jako proces
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
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
Pohyb střely za ústím, její urychlování vytékajícími plyny
Činnost č. 1
Činnost č. 2
Činnost č. 3
Činnost č. 4
Činnost č. 5
Činnost č. 6
VÝSTŘEL
FC
1 Vytažení NC 2 Vyhození NC 3 Zasunutí náboje
4 Uzavření NK 5 Uzamknutí NK 6 Spuštění
Cyklogram pistole
Aktivace (iniciace) zápalky
Zápalka - iniciátor, který vytváří plamen po aktivaci nárazem zápalníku (část úderníku) palné zbraně (tzv. zápalka s mechanickou aktivací).
1 kalíšek
4 zápalková slož citlivá k nárazu
3 tenkostěnná fólie (vrstva laku)
2 kovadlinka
0,4-1,2 mm
BERDAN BOXER
Střelivo se středovým a okrajovým zápalem (iniciací)
z. BERDAN z. BOXER
STŘEDOVÝ ZÁPAL OKRAJOVÝ ZÁPAL
Zápalka W209
krytka
kovadlinka
vnější pouzdro
kalíšek
krycí fólie
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
KClO3 37,0 35,0 37,5 40,0 13,0
Sb2S3 2,6 29,0 45,0 37,5 40,0 30,0
Sklo 7,0
Černý prach 2,5
Ba(NO3)2 29,6 3,0
S 2,5
Zápalkové slože 2. generace (NEREZ)
Složení Typ zápalky
(komponenty)
[%]
Berdan
4,5
Berdan
4,5
Boxer
5,3
Boxer
5,3
Boxer
4,4
W 209 W 209
TNRO 45,0 31,5 42,5 38,5 40,0 38,0 40,0
Tetrazen 7,0 5,5 5,0 6,5 4,0 3,5 3,5
Ba(NO3)2 35,0 37,5 39,0 36,0 38,5 32,0
Sb2S3 13,0 31,5 4,0 8,0 10,0 5,0
Sklo 5,3
KClO3 26,2
CaSi 11,0 8,0 10,0 10,0
Pentrit 5,0 5,0
PbO2 5,0 5,0 4,5
Zápalkové slože 3. generace NONTOX
komponenta složení [%]
Dinitrodiazofenol
(DINOL)
35,0 29,8 40,0
tetrazen 8,0 19,8 20,0
CuO 29,8
MnO2 10,0
sklo 9,8 28,0
Ba(NO3)2 38,0
Sb2O3 12,0
Al 7,0 9,8
pojivo 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
funkčním
BzK, ...
škodlivým
opotřebené hlavně
minomety
S výtokem plynůBez výtoku plynů
Výstřel - ukázka
10.10.2012 18
BEZ VÝTOKU PLYNŮ
S FUNKČNÍM VÝTOKEM PLYNŮ
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
ku
u
WP
t
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.
Poř.
č. P o j m e n o v á n í Ozn. Roz. P o z n á m k a
1. Ráže hlavně d m Průměr hlavně v polích
2. Průřez hlavně s m2 Plocha příčného průřezu
drážkované části hlavně
3. Objem počátečního
spalovacího prostoru
co m3 Objem prostoru,
vymezeného vnitřkem
nábojnice a zadní části
nabité střely
4. Délka počátečního
spalovacího prostoru (délka
komory)
lkom m Vzdálenost dna střely od
opěrné plochy závěru
5. Celková dráha střely
v hlavni
lú m Dráha dna střely až po ústí
hlavně
6. Délka hlavně LHL m Délka hlavně i se závěrem
7. Vztažná délka počátečního
spalovacího prostoru
l0 m
8. Součinitel rozšíření
spalovacího prostoru
1
lc
s0
0
l
lkom
0
Konstrukční parametry HPZ 1/3
• Ráže hlavně d [m]
– je průměr vývrtu hlavně v polích
• Plocha průřezu vývrtu hlavně s [m2]
• Počáteční objem spalovacího prostoru c0 [m3]
– objem nábojové komory za zadní částí střely, zmenšený o objem nábojnice
10.10.2012 26
2
4s
da b
dk
a b
2.ss k d
4sk
Konstrukční parametry 2/3
Konstrukční parametry 3/3
Vztažná délka počátečního spalovacího prostoru l0 [m]
Součinitel rozšíření spalovacího prostoru [1]
10.10.2012 27
lc
s0
0
l
lkom
0
Poř.
č.
P o j m e n o v á n í
Ozn. Roz. P o z n á m k a
9. Hmotnost střely mq kg
10. Hmotnost prachové
náplně kg
11. Hustota prachové náplně kg.m-3
12.
Vlastnosti prachové
náplně (PN) a rozměry
prachových zrn (PZ)
- -
c0
Nabíjecí podmínky
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 Oc Nd
- 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. N á z e v Ozn. Rozměr P o z n á m k a
1. Výbuchové teplo Qv J.kg-1 Uvažujeme vodu jako páru
2. Výbuchová teplota Tv K -
3. Měrný objem plynu w0 m3.kg-1 Uvažujeme vodu jako páru
4. Hustota prachové masy kg.m-3 -
5. Měrné teplo plynu za
stálého objemu cv J.kg-1.K-1
-
6. Poměr měrných tepel
plynu (adiabatický
exponent)
c 1
7. Jednotková rychlost
hoření prachu u1 m.s-1.Pa-1
Rychlost hoření prachu při
tlaku 1Pa (za předpokladu
lineárního zákona hoření)
8. Měrná energie prachu f J.kg-1
f = r.Tv, kde je r měrná
plynová konstanta
9. Kovolum prachových
plynů m3.kg-1
V rovnici ideálního plynu
cp
v
c
c
Charakteristiky PN Poř
. č.
N á z e v Ozn. Roz. P o z n á m k a
10. Charakteristická tloušťka
prachového zrna
2e1 m Nejmenší lineární rozměr
zrna před začátkem hoření
Hodnoty charakteristik střelivin C
har.
Qv(
v.v.
)
Qv(
v.p.)
Tv
wo
c v
c
u1 . 1
010
f
. 1
03
Dru
h
[MJ.
kg
-1]
[MJ.
kg
-1]
[K]
[m3.k
g-1
]
[kg.m
-3]
[J.k
g-1
.K-1
]
[1]
[m.s
-1.P
a-1]
[MJ.
kg
-1]
[m3.k
g-1
]
ČP
2,8 3,2
23
70
2
57
0
(23
80
)
0,2
4
0,2
8
(0,2
79
)
15
00
1
85
0
2)
0,2
4
0,4
0
(0,2
44
)
0,4
8
0,5
6
(0,4
88
)
Nc
3,5 4,0 3,1 3,7
28
00
3
20
0
0,8
9
0,9
4
15
00
1
62
0
(16
00
)
12
40
1
26
0
1,2
6
1,2
8
6,9
9
,6
0,9
7
1,0
6
0,8
92
0
,97
4
Ng
3,3 5,2 2,9 4,8
25
00
39
00
0,8
4
1,0
1
15
50
16
50
(16
00
)
12
80
13
30
1,2
3
1,2
9
5,2
1
4,6
0,9
6
1,2
0
0,7
40
1,0
02
Dg
2,8 4,3 2,5 3,9
22
00
32
00
0,9
5
1,0
8
15
40
16
00
(15
70
)
13
00
13
60
1,2
6
1,3
0
3,1
9
,4
0,8
5
1,1
5
0,8
65
1,0
57
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
2 3. . . . . )z z z 1. Rovnice vývinu prachových plynů
d. .
dq
vm s p
t 3. Pohybová rovnice střely
d
d K
z p
t I5. Rychlost hoření prachu, tj. rovnice
0
11 .l l
6. Rovnice pro redukovanou délku
volného objemu spalovací komory
2. . .11
2. .
q
v
m vT T
f
7. Rovnice po teplotu plynů
d
d
lv
t4. Kinematický člen spojující veličiny
l, v, t
2. . .. .
2
( )
qm vf
ps l l
2. Tlak prachových plynů
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