Математическая морфология.
Электронный математический и
медико-биологический журнал. - Т. 12. -
Вып. 1. - 2013. - URL:
http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/TITL.HTM
http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/N-37-html/TITL-37.htm
http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/N-37-html/cont.htm
УДК
623
АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТИ
УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ГЛУШИТЕЛЯ ГУМБЕРТА
Ó
2013 г. Суханов В. В., Жендарёв М. В.
В настоящее время возможно,
при определённых доработках, уменьшить некоторые недостатки оригинальной схемы
глушителя звука выстрела стрелкового оружия, предложенной полковником Гумбертом.
В статье рассмотрены вопросы работы глушителей звука выстрела стрелкового
оружия. Предложены пути уменьшения некоторых недостатков в дульном устройстве глушителя, разработанного полковником Гумбертом.
Ключевые слова: глушение звука выстрела,
глушитель Гумберта.
Проблема звука выстрела появилась вместе с самим огнестрельным оружием, поскольку выстрел демаскировал сам факт применения оружия, и, соответственно, применявших его. Какие-либо попытки решить эту проблему до появления более или менее совершенного нарезного оружия не известны, появление же глушителей как таковых, относится к концу девятнадцатого, началу двадцатого веков. Одним из первых, кто получил патент на подобное устройство, был известный изобретатель Хайрем Максим. В то время хватало проблем с самим оружием и без глушителей.
В статье описана проблема подавления
звука выстрела и возможные пути её решения. Так же предложен способ уменьшения
одной из проблем устройства отсечки звука, создаваемого расширением пороховых
газов, предложенного Гумбертом.
Принцип действия
огнестрельного оружия заключается в создании за очень малое время очень
высокого, относительно внешней среды, давления в замкнутом пулей ограниченном
объёме. Под действием этого давления пуля начинает движение вперёд – по единственно
возможному направлению. После того, как пуля пересекает дульный срез ствола, пороховые
газы, следующие за ней, выходят в атмосферу. Все это сопровождается звуком. Сам
по себе звук, это продольная волна, то есть попеременное сжатие и разрежение среды.
Происходит одноразовое, но очень сильное сжатие-разрежение среды за счёт
"вклинивания" в воздух большого объёма газа за очень малое время,
т.е. создаётся импульс звуковой волны, которая и действует на барабанные
перепонки. Вот почему мы слышим выстрел. Однако, звук, при выстреле, вызывает
не только расширяющийся газ, но и в некоторых случаях сама пуля. Такое
происходит, когда скорость пули превышает скорость звука. Пуля уплотняет среду,
т.е. воздух, постоянно создавая звуковую волну, при этом перегоняя её. В
результате создаётся конус, образованный фронтами излучаемой волны (рис. 1).
Этот конус (конус Маха) создаёт так называемый сверхзвуковой взрыв, который и
является дополнительным источником звука при выстреле.
Кроме того, в качестве
источника звука (но не выстрела) выступают подвижные части оружия, такие как
затвор (особенно в оружии, реализующем автоматическое перезаряжание патрона в
патроннике) и курок с бойком, и даже предохранитель. Особым образом стоит
проблема звука от соударения пули с объектом поражения (поскольку от оружия
здесь уже мало что зависит). Итак, рассмотрев основные причины происхождения
звука, попытаемся понять, что и каким образом влияет на его интенсивность.
Рис. 1
Рассмотрим влияние пороховых газов, как основного источника звука, точнее их энергетики, поскольку именно энергией газа, в конечном итоге, определяется энергия звука. В момент воспламенения порохового заряда в ограниченном пространстве происходит резкое увеличение давления за счёт продуктов сгорания пороха – накапливается потенциальная энергия. Сила, порождаемая этой энергией, преодолевая силу трения пули о стенки ствола, совершает работу – движет пулю и газы за ней вперёд, стремясь их выбросить, при этом, естественно, пуля и пороховые газы набирают скорость, т.е. происходит преобразование высвободившейся потенциальной энергии в кинетическую. Посмотрим, что происходит в это время с газом.
Уравнение состояния газа
выражается:
pV=mRT,
где: p – давление газа;
V – объем газа;
m – масса газа;
R – универсальная газовая
постоянная, равная 29,26 кг·м/кг·град.;
Т – температура газа.
Откуда:
p = mRT/V (1)
Видно, что давление газа, образовавшегося в результате сгорания пороха, прямо пропорционально массе газа (количеству), температуре газа и обратно пропорционально занимаемому газом объёму. Поэтому, если нужно уменьшить давление пороховых газов, следует уменьшить их температуру и увеличить объём, а также уменьшить (точнее, разделить, рассредоточить) массу.
Однако, ещё остаётся
кинетическая составляющая энергии (та часть, которой обладает уже движущийся
газ).
Посмотрим, что же такое
кинетическая энергия газа:
E = mV2/2 (2)
где: E – кинетическая энергия газа;
V – скорость движение газа;
m – масса газа.
Из выражения (1) видно, что именно скорость является определяющей кинетическую энергию величиной, и уменьшить кинетическую энергию газа можно, прежде всего за счёт уменьшения его скорости. Теперь объединим выводы и изложим их в виде требований к устройству, призванному подавлять звук.
Итак, глушитель должен:
уменьшить температуру
исходящих из ствола газов;
предоставить исходящим газам
объём;
разделить газы на потоки
(псевдоуменьшение массы);
снизить скорость газов.
Из этих соображений вырисовывается примерная конструкция глушителя: расширительная камера, сделанная из рассеивающего тепло материала и содержащая элементы разделения массы газа (нельзя уменьшить массу, её можно только разделить), выполненные из материала с аналогичными свойствами. В основе всех глушителей расширительного типа лежит именно такая схема. Различные вариации – это попытка улучшить выполнение выше изложенных требований. Таким образом, обсудив физику работы глушителей, переходим к практическим реализациям глушителей и их обсуждению.
Самым простым и, пожалуй,
самым распространённым типом устройств подавления звука, является глушитель
расширительного типа, хотя есть и другие типы глушителей, например, устройства,
отсекающие газы. Прежде всего, говоря о классе глушителей расширительного типа,
следует начать с дульного глушителя, как наиболее простого и распространённого.
Основное достоинство устройств этого типа состоит в съёмности. Таким образом,
глушитель может быть использован по необходимости. Существует в двух видах:
центрический и эксцентрический. Эксцентрический глушитель отличается смещённым
от оси вращения каналом прохождения пули, таким образом, что габариты глушителя
не затеняют прицельные приспособления. В самом примитивном виде глушитель
расширительного типа – это единая расширительная камера, имеющая одно входное и
одно открытое выходное отверстия. В таком глушителе происходит только
расширение газа, об охлаждении же и торможении можно говорить скорее как о
побочных эффектах. Ко всему прочему у такой конструкции есть ещё один немаловажный
недостаток – при выходе из ствола газы обгоняют пулю, вследствие чего часть газов
просто вылетает из выходного отверстия глушителя почти с такой же скоростью,
что и при выходе из ствола. Поэтому эффективность такой конструкции конечно же
не слишком велика.
Более совершенной является
конструкция многокамерного глушителя.
Такая конструкция хороша
тем, что, во-первых, газ делится на порции, тормозится и охлаждается за счёт
межкамерных стенок (диафрагм) и он уже не так сильно обгоняет пулю, поскольку в
моменты прохождения пули диафрагм, объём замыкается. Из недостатков следует
отметить, что как и в первом случае, газ может свободно проходить сквозь отверстия
и, имея всё ещё достаточный импульс, создавать звуковую волну. Проблема
решается путём увеличения числа диафрагм (применительно в случае использования
патронов со слабым зарядом), увеличения массы и длины пули (при соответствующем
уменьшении массы пороха, в случае применения специальных патронов). В случае использования
более мощных патронов, а также для уменьшения габаритов глушителя, отверстия
для прохождения пули перекрывают эластичным материалом, например резиной.
Тогда, после прохождения пули отверстие за ней затягивается и газ уже не имеет
возможности свободно перемещается между камерами. Правда, в этом случае
необходимо регулярно менять межкамерные мембраны, поскольку они будут быстро изнашиваться
под действием пуль и горячего газа.
Важное значение в
многокамерном глушителе имеет конфигурация диафрагм, поскольку формой диафрагмы
можно заставить газ отклоняться в стороны, разворачивать, создавая
противопотоки. Подобные манипуляции реально увеличивают эффективность глушителя.
Известны схемы с преломлением потока и разбиением потока.
Основными недостатками
(точнее слабыми местами) дульных глушителей остаётся их крепление, а также
дисбаллансирующее воздействие на оружие. Проблема крепления заключается в люфте
в месте соединения со стволом, и как следствие, возможность отклонения оси
канала глушителя от оси канала ствола. Даже, если изначально крепление было
сделано притёртым, нет гарантии того, что при случайном ударе глушителем обо
что-либо, его ось не "погнётся". Проблема, конечно, решаема, в том
числе за счёт увеличения диаметра отверстий канала прохождения пули в
глушителе. Проблема дисбаланса оружия проистекает из массы глушителя, создающей
дополнительный момент силы тяжести со стороны дульной части, что приводит к
некоторому затруднению при стрельбе – оружие «ведёт». Для решения этой проблемы
изготовители идут даже на то, что применяют в своих глушителях детали из пластмассы.
Интегрированный
(интегральный) глушитель, это также устройство расширительного типа, но в
отличие от дульного, он не съёмен (во всяком случае, полностью) и всегда находится
на стволе (или, по крайней мере, часть его), т.е. такой глушитель интегрирован
со стволом. Это не означает, конечно, что глушитель сделан заодно со стволом,
просто глушитель является частью оружия. Начало расширительной камеры находится
намного раньше дульного среза. Поэтому такой глушитель уже нельзя назвать дульным.
Такая конструкция позволяет сделать глушитель длиннее, а значит ёмче, а оружие
компактным и сбалансированным. Таким образом, интегрированный глушитель во
многом избавлен от проблем, свойственных дульным "собратьям".
В некоторых видах
стрелкового оружия с интегрированным глушителем наствольное пространство
используется так же, как и при отводе пороховых газов в автоматическом оружии –
газы отводятся туда через поперечные отверстия в канале ствола, остальное пространство
– как обычный дульный глушитель. Из недостатков, можно отметить разве, что
оружие получается несколько "ухудшенным" среди своего класса, поскольку
приходится приспосабливать оружие ещё и под глушитель, т.е. это дополнительные
отверстия в стволе (как следствие, уменьшение кучности и т.д.).
Если сравнивать оба типа
рассмотренных устройств, то здесь нельзя сказать какое из них лучше, какое
хуже, поскольку и достоинства и недостатки проистекают из одних и тех же
свойств, поэтому все зависит от того, как и в каких условиях оружие (и какое оружие)
используется.
Несколько слов о геометрии.
Говоря об объёме, как об одном из условий понижения давления газов и,
следовательно, как о геометрическом свойстве глушителя, не был затронут один
важный момент: какое соотношение длины и сечения при одном и том же объёме оптимальнее,
или это всё равно. Говоря применительно к глушителям, разница есть. Дело в том,
что как говорилось ранее, важно газ затормозить и понизить его температуру. А
сделать это можно только "протащив" его сквозь тормозящие и
охлаждающие конструкции, а это значит, что чем больше расстояние от входного до
выходного отверстий, тем торможение и охлаждение сильнее, особенно в случае
многокамерного глушителя. Получается, что при оптимизации геометрии глушителя
при заданном объёме, основным критерием является все же длина.
Далее вспомним, что одним из
основных факторов, влияющих на давление пороховых газов, является температура,
поэтому глушитель (при сохранении всех конструктивных свойств) выгоднее делать
из высокотеплопроводящих материалов, например из алюминия. В некоторых случаях,
для увеличения теплоотдачи, в глушитель помещают свёрнутую сетку.
Что касается пуль, точнее их
скорости, то здесь ситуация следующая. Пистолетные пули, как правило, имеют
начальную скорость близкую к скорости звука, где-то чуть меньше, где-то чуть
больше. Для того, чтобы пуля не являлась дополнительным источником звука, ее
скорость должна быть порядка 300 м/с. Поэтому, что касается пистолетов, то
здесь, как правило, довольствуются только глушением звука, порождаемого
пороховыми газами (если это обычное оружие), поскольку наравне со звуком от
пули, следовало бы исключить лязг, создаваемый деталями оружия. Что касается специального
оружия, то у него уменьшают скорость пули следующими способами: за счёт длины
ствола, увеличения массы пули, за счет дополнительных отверстий в канале ствола
(что удобно для оружия с интегрированным глушителем), и уменьшения навески
пороха. От шума деталей можно избавиться, например, сделав оружие
неавтоматическим, либо, ставя дополнительно демпфера.
С винтовками дело обстоит
сложнее: уменьшать длину ствола или делать дополнительные отверстия
нецелесообразно, поскольку на скорости пули это сильно не скажется, поэтому для
бесшумной стрельбы используют патроны с уменьшенным зарядом. Уменьшение заряда
приводит к уменьшению скорости, но вместе с этим пуля теряет стабильность в полёте
и кинетическую энергию. Поэтому, уменьшая заряд, пулю утяжеляют (энергия пропорциональна
квадрату скорости и массе), а ствол, при необходимости (если штатный не подходит)
делают с более крутой нарезкой (пуля будет сильнее закручиваться – полёт будет
стабильнее).
Следует отметить влияние
человеческого фактора на проблему звука выстрела. Звук выстрела (в том числе
глушённый) имеет такой набор частот с соответствующими интенсивностями, что
такой набор будет узнаваться и опознаваться, как звук выстрела. Поэтому, стоит
только несколько видоизменить сам звук (какие-то частоты приглушить) и звука выстрела
уже не будет Звук будет, но это будет звук чего-то другого (опознаваться он
будет по-иному). Теоретически избавиться от звука выстрела можно, переведя его
вообще в неслышимый диапазон (ультразвук).
Работы над устройствами
"глушения выстрела" начались в конце XIX в. – вслед за введением
бездымных порохов. Первое более-менее действенное устройство создал в 1898г.
французский полковник Гумберт, установив на конце ствола цилиндрическое устройство
с цилиндрическим каналом, продолжающим канал ствола, каморой с клапаном и
отводными каналами для пороховых газов. В “орудийном” варианте клапаном служила
массивная пластина, шарнирно укреплённая на поперечной оси. После вылета
снаряда из ствола следующие за ним пороховые газы поднимали платину и прижимали
ее к дульному отверстию. Отсечённые таким образом газы сбрасывались в атмосферу
через узкие отводные каналы назад, так что устройство должно было служить ещё и
дульным тормозом. В “стрелковом” варианте вместо пластины использовался шарик,
поднимаемый из своего специально спрофелированного гнезда газовым потоком и
также перекрывавшим дульный срез. Среди достоинств изобретения Гумберта называлась
возможность его использования на штатных образцах, относительно небольшая
масса, отсутствия влияния на пулю резиновых отсекателей звука (ухудшающих
точность стрельбы). Однако испытания, проведённые фирмой “Гочкис”, показали,
что хотя уровень звука и дульное пламя заметно снижались, прорыв газов наружу
ещё до выхода снаряда (пули) из ствола не позволял достичь желаемой цели, а
отдача не снижалась вовсе. Кроме того, появление угла крена корпуса винтовки
приводило к перемещению шарика и заклиниванию пули в этом устройстве, со всеми
вытекающими последствиями. Последний факт делал этот оригинальный глушитель небезопасным.
Ещё одним недостатком можно считать невозможность использования такого
глушителя при стрельбе автоматическим огнём или одиночным огнём при высокой
боевой скорострельности.
На рис. 2 показана схема
дульного устройства глушителя, разработанного полковником Гумбертом:
а – до выстрела; б – после выстрела. На рисунке показаны:
К – корпус, Ш – шарик-клапан, поднимаемый пороховыми
газами, С – ствол. Видны каналы для отвода газов назад.
а б
Рис. 2
Из представленной схемы устройства видно, что существенно уменьшить указанные недостатки возможно путём симбиоза глушителей Гумберта и интегрированного с разделением и расширением части пороховых газов (рис. 3). Для исключения перекатывания шарика до выстрела и закрытия тем самым вылетающей пуле окна пролёта, в районе нахождения шарика до выстрела целесообразно закрепить кольцевой магнит. Правда, в этом случае, корпус глушителя должен быть из ненамагничивающегося материала. Чтобы магнит не закрывал прицельную линию его следует делать в виде незамкнутой сверху окружности. Кроме того, в такой конструкции при выходе из ствола газы не будут обгонять пулю, а большая часть отсечённых газов будет попадать в часть глушителя, расположенную над стволом. Поэтому эффективность такой конструкции конечно же будет больше.
Рис. 3
Таким образом, видно, что при определённых доработках, идея полковника Гумберта может получить «второе дыхание».
литература
1. Мураховский В. И.
Слуцкий Е. А. Оружие специального назначения. - М.: Издательство Московского университета,
1983. - 248 с.
ANALYSIS OF THE POSSIBILITY OF IMPROVEMENT MUFFLER
HUMBERT
Sukhanov V. V., Zhendaryov M. V.
It
is now possible, with some refinement, reduce some of the shortcomings of the
original scheme silencer shot sound of small arms, the proposed colonel
Humbert. The questions of silencing shot sound of small arms. The ways to
reduce some of the deficiencies in the muzzle device muffler designed colonel Humbert.
Key words: mute shot, silencer Humbert.
Военная академия войсковой
ПВО
Вооруженных Сил Российской
Федерации
имени Маршала
Советского Союза А.М. Василевского
(ВА ВПВО ВС РФ)