Výstřel z malorážové zbraně a jeho charakteristiky

VUT v Brně Fakulta strojního inženýrství

Róbert Jankových (jankovych@fme.vutbr.cz )

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