Давления на колодку по формуле инж. А. А. Зернова

В добавочной главе вышедшего в 1935 г. нового издания своей книги о стрельбе дробью инженер А. А. Зернов дает такую формулу для расчета давлений на колодку при выстреле:

Сила Q, отрывающая стволы от колодки по направлению оси ствола, равна сумме давления газов (в атм. или кг на 1 см²) на дно снаряда (в см²) за вычетом массы ружья без стволов, умноженной на ускорение отдачи (масса есть вес в кг, деленный на 9,81).

Прежде всего, что такое «масса ружья без массы стволов»? Практически говоря, это есть масса колодки. Ведь мелкий прибор, даже замки, и весят сравнительно немного, и на прочность ружья, как и приклад, влияния не оказывают. Разные системы и образцы ружей отличаются главным образом по форме и весу колодки (говоря с точки зрения прочности, веса и отдачи). И если сила, разрывающая колодку, равна давлению газов на снаряд за вычетом из этого давления массы колодки (умноженной на ускорение отдачи), то, при прочих равных условиях, чем массивнее колодка, тем больше будет вычет из давления газов и тем меньше будет остаток — усилие, разрывающее колодку. Следовательно, увеличивая массивность колодки, мы имеем по этой формуле двойной выигрыш в прочности: с одной стороны, массивная колодка более способна выносить всякие напряжения, а с другой, — самая массивность ее уменьшает падающие на нее разрывные усилия. По здравой логике, это только лишний довод в пользу защищаемого нами десятки лет положения о желательности массивных колодок. Каким образом это можно выставлять как доказательство в пользу облегчения обычных колодок (якобы «излишне прочных»), это понять трудно.

Обращаясь теперь к данным, которые позволили бы сделать подсчет по разбираемой формуле, приходится сказать, что действительно они скудны, а в отчетах Ваннзейской станции в Германии или в книге французского исследователя Журнэ мы их действительно вовсе не найдем. Но кое-что есть в менее известных у нас источниках: в английских работах Гриффита и редакции Фильда (впрочем, частью приведенных на стр. 155—157 тома I книги С. А. Бутурлина «Стрельба пулей», 1912 г.).

Во-первых, где именно и когда происходит наибольшее давление газов в дробовом стволе? Нам ведь только оно в данном случае интересно, так как только при наибольшем давлении газов колодка получает наибольшие напряжения. Вот несколько цифр давлений в атмосферах или кг на см² в ружье 12 калибра.

Таблица 29. Давление пороховых газов

Следовательно, из этих цифр Льежской испытательной станции видно, что уже в 11 см от казенного обреза давления в полтора раза менее, чем в патроннике.

Далее приводим английские опыты с ружьем 12 калибра при обычном снаряде дроби в 31,9 г и зарядах разных порохов, дающих обычные начальные скорости — от 372 до 382 м/сек. Напоминаем, что по тамошней номерации порох № 2—очень мелкий, взрывчатый, № 4 —средний, № 6 — очень крупный, медленно горящий. Шульце и баллистит — английские нитропороха.

Таблица 30. Давление пороховых газов

Здесь видно, что не только в 112 мм, но даже в 63,5 мм от казенного обреза давления ниже, чем в казенной половине патронника, даже при очень крупном порохе № 6.

Непосредственно сравнивать английские и бельгийские цифры, конечно, нельзя. Они не только получены на разных приборах, но и способ перевода в давления показаний прибора (крешер непосредственно дает лишь укорочение, т. е. сжатие свинцовых или медных цилиндриков) был различен. Но это не важно, важно видеть ход, движение давлений на протяжении ствола.

Итак, максимальные давления получаются даже не у самого конца патронника (не в 63,5 мм от казны), а в самом патроннике, около 18—25,4 мм от казны. В какой же момент по отношению ко всему явлению выстрела получается это наибольшее давление? На это есть некоторые указания в третьем издании работы Журнэ. В 12 калибре при разных порохах, дающих нормальные скорости и давления (он говорит о нитропорохах), в момент наибольшего давления дробь продвинулась вперед от первоначального положения на расстояние от 23 до 38 мм всего. Другими словами, пороховые пыжи в это время еще не вышли или едва выходят из гильзы.

Что касается скорости движения дроби по стволу, то в опытах Гриффита имеются такие данные (см. табл. 31).

Это—сводка опытов, произведенных в разное время; поэтому нельзя ожидать, чтобы отдельные цифры сходились до стотысячных долей секунды. Но в общем они сходятся удовлетворительно. Так как в этих опытах время регистрировалось разбитием дробовым пыжом волосных стеклянных трубочек с ртутью, пропущенных сквозь ствол и замыкавших ток электроприбора, то надо учесть, что до выстрела, вершина снаряда, т. е. дробовой пыж, лежит, приблизительно, в 56 мм от казенного обреза (гильза 63,5 мм, из которых 7,5 мм остаются на закрутку). Следовательно, до трубочки, находящейся в 76,2 мм от казенного обреза, снаряд должен продвинуться на 20,2 мм. Так как на это продвижение при порохе № 2 пошло 72 стотысячных доли секунды, а при порохе № 6—162 стотысячных, то (разделяя пройденную длину на время) средняя скорость движения снаряда в этой части ствола оказывается для пороха № 2—28,05 м/сек. и для пороха № 6—12,47 м/сек. Но это средняя скорость, двинулись же снаряды от скорости, равной нулю. Следовательно, в конце этого пробега в 20,2 мм скорость снарядов была соответственно вдвое больше: при порохе № 2—56,1 м/сек. и при порохе № 4—24,94 м/сек. Чтобы при этой скорости пройти еще 18 мм (до указываемого Журнэ самого дальнего продвижения в 38 мм), снарядам соответственно понадобилось бы еще при № 2—32 и при № 6—72 стотысячных долей секунды, а всего для продвижения от удара курка понадобилось бы соответственно 106 и 234 стотысячных долей секунды. По такому же расчету для снаряда при нитропорохе Шульце нужно, чтобы отодвинуться на 38 мм вперед, всего 0,00397 секунды.

Таблица 31. Скорость движения дроби в стволе

Из этих расчетов следует, что в ружье 12 калибра при обычных дробовых патронах наибольшее давление пороховых газов достигается при истечении не больше 0,00072—0,00374 секунды после удара курка по капсюлю. Журнэ дает даже еще меньший срок—0,00066 секунды.

Каковы же в это время скорости и ускорения отдачи? По опытам Гриффита со свободно подвешенным ружьем 12 калибра около 3,2 кг весом самые первые движения отдачи происходили при черных порохах по истечении около 0,00400 секунды после удара курка по капсюлю и при нитропорохе Шульце — через 0,00660 секунды. Выходит, стало быть, что при всяких порохах первое заметное движение отдачи происходило после достижения пороховыми газами наибольших напряжений. А следовательно, и ускорение отдачи во время максимального давления газов равно нулю, и, значит, по самой разбираемой формуле давление на колодку равно давлению на дно снаряда.

Напоминаем, что Гриффит был первоклассным физиком, инженером и экспериментатором, всю жизнь работающим над этими вопросами. И он положительно утверждает, работая с приборами, дававшими ему возможность наблюдать движения, длящиеся стотысячные доли секунды, что первые движения отдачи ружья начинаются в то время, когда дробовой снаряд уже отошел от казенного обреза ствола на расстояние около 127 мм при черных порохах и около 240 мм при Шульце, т. е. тогда, когда по всем решительно данным давление пороховых газов внутри ствола уже успело довольно значительно снизиться.

Само собою разумеется, что реакция ружья движению вперед снаряда должна быть налицо с первого движения дроби, но эта реакция ведь может не сразу выразиться попятным движением ружья, т. е. отдачей. Некоторое время (дело ведь идет о стотысячных долях секунды) может уйти на сжатие донышка гильзы и тому подобные внутренние явления.

Однако подойдем к этому важному вопросу иначе. Положим, что отдача ружья должна начинаться одновременно с движением снаряда вперед и все время (по крайней мере, до вылета снаряда из дула) должна давать ружью то же количество движения, которое в данный момент имеет снаряд (дробь и пыжи, продукты же горения до вылета снаряда из ствола не принимаем во внимание). В приведенных выше опытах Гриффита мы имеем время достижения снарядом точки, отстоящей в 76,2'мм от казенного обреза ствола: для черного пороха № 2—0,00072 секунды, для № 6—0,00162 секунды и для Шуль-ца — 0,00275 секунды. За эти промежутки времени все эти три снаряда продвинулись вперед на 20 мм от первоначального положения.

Разделяя пройденное пространство — 20 мм или 0,020 м — на время прохождения снарядом этого пространства, находим среднюю скорость продвижения по этому пути снаряда при nopoxе № 2—28,05 м/сек., при порохе № 6—12,47 м/сек. и при Шульце— 7,34 м/сек. Но это только средняя, причем начальная скорость была равна нулю. Поэтому окончательную скорость на этом участке, т. е. в момент самого прохождения в точке 76,2 мм от казны, мы можем считать за двойную против средней, т. е. для снаряда при порохе № 2— 56,1 м/сек., при порохе № 6— 24,94 м/сек. и при Шульце — 14,69 м/сек. Какова же при этом должна быть скорость отдачи?

При опытах ружье было около 3,2 кг, а снаряд дроби около 31,9 г. Пыжи должны были весить около 3,5 г. Следовательно, ружье, приблизительно, в 90 раз тяжелее снаряда. Следовательно, в данный момент скорость отдачи ружья должна быть в 90 раз меньше скорости движения снаряда. Именно, при порохе № 2 — 0,62 м/сек., при № 6—0,277 м/сек. и при Шульце — 0,163 м/сек. Но это скорость, а нам нужно знать ускорение. Так как эта скорость во всех трех случаях прибавилась к нулевой скорости в течение промежутков, прибавившихся к нулю времени (когда движения снаряда и ружья еще не было), в 0,00072 секунды для снаряда при порохе № 2, в 0,00162 секунды при порохе № 6 и в 0,00275 секунды при Шульце, то для нахождения ускорения надо разделить указанные приращения скоростей на приращения времени: 0,62, деленное на 0,00072, равно 861; 0,277, деленное на 0,00162, равно 171 и 0,163, деленное на 0,00275, равно 59.2.

Следовательно, ускорение отдачи будет при порохе № 2 — =861 метру в секунду — секунду, при № 6=171 метру в секунду—секунду и при Шульце=59,2 метра в секунду—секунду (иногда пишут «в секунду в квадрате» или «в сек2»).

Масса ружья (3,2 :9,81=0,3262) равна 0,3262. Так как хорошее английское ружье, конечно, имело нормальный баланс, то стволы должны были весить 1,6 кг и их масса (1,6:9,81=0,1631) равна 0,1631 и этой же цифре равна масса ружья без стволов. Площадь дна снаряда в английском ружье 12 калибра, несомненно, была около 2,70 см².

Давление пороховых газов при тех патронах, которыми велись все эти испытания, можно в круглых цифрах принять, как видели выше, для этих моментов в 500 кг на см² для пороха № 2, в 330 кг на см² для № 6 и в 270 кг на см² для Шульце Умножая каждую из этих цифр на площадь дна снаряда, т. е на 2,7, получаем для № 2 общее давление на дно снаряда в 1350 кг, для № 6—891 кг и для Шульце — 729 кг. Но из этих давлений согласно разбираемой нами формуле А. А. Зернова надо откинуть произведение от умножения массы ружья без массы стволов (как мы только что нашли, эта масса ружья без стволов равна 0,1631) на ускорения отдачи. Для пороха № 2 это произведение (861X0,1631 = 140) равно 140, и, вычтя его из 1350, получаем силу, стремящуюся оторвать стволы от колодки, действуя по оси стволов, равной (1350—140 = 1210) 1210 кг. Для пороха № 6 означенное произведение (171X0,1631=27,9) равно 27,9, и, вычтя его из 891, получаем силу, отрывающую стволы в этом случае равной 863Д' кг. Наконец, для Шульце произведение массы на ускорение отдачи (59,2X0,1631=9,7) равно 9,7, и, вычтя их из давления на дно снаряда в 729r получим остаток, т. е. силу, отрываюшую стволы от колодки, в 719,3 кг.

В 1912 г. мы давали для обычных охотничьих патронов (о каких мы и сейчас все время говорили) величину давления «а задок колодки в размере полного давления пороховых газов (напр., стр. 110 тома 1 «Стрельба пулей»), что составляет в 12 калибре около 820—1230 кг. Теперь в «ненаучные» расчеты С. А. Бутур-лина внесена по формуле А. А. Зернова научная поправка: оказывается, что полное давление пороховых газов в стволе должно быть уменьшено в зависимости от сорта пороха от 1,45 до 11,4 проц. Серьезность этой поправки явствует из того, что самые цифры давлений, даваемые применяемыми для этого инструментами, приблизительны и не точны в пределах по меньшей мере 10—20 проц. и не точны чаще всего именно в сторону преуменьшения давлений, действительно имеющих место.

Если нельзя не пожалеть, что сам А. А. Зернов не мог по незнакомству с цифровым материалом по ружейному выстрелу дать конкретные расчеты по его формуле, то все же надо быть ему благодарными, что он поднял этот вопрос и своей формулой помог теперь, через 24 года, подтвердить со всех сторон совершенную правильность тех основных цифр, на которые мы всегда опирались при оценке коленчатых колодок.

Надо еще взять в расчет, что при нашем вычислении этих 1,45—11,4 проц. мы сделали большую натяжку, увеличившую значительно величину поправки к моим прежним расчетам: мы брали величину отдачи в моменты от 0,00072 до 0,00275 секунды после удара бойка (не имея более ранних цифр). Но по Журнэ максимальное давление газов наступает раньше, около 0,00066 сек., когда, следовательно (как это выходит и по Гриффиту), величина отдачи и ее ускорение еще гораздо меньше, чем мы ее рассчитали. Стало быть, и поправки, собственно, будут не в полтора, три с половиной и одиннадцать проц., а значительно менее (вероятно, приближаясь к нулю). Не зря же английское военное ведомство ставит крешер для определения давлений не в стенке патронника винтовки, а позади донышка гильзы.

Надо добавить, что ввиду меньшей площади поперечного сечения малых калибров в сравнении с 12 каждые сто атмосфер давления пороховых газов в стволе производят давление на головку гильзы или на щиток колодки в 287 кг в 12 калибре, в 205 кг в 20 калибре и в 165 кг в 28 калибре. Кроме того, разумеется, ось ствола лежит ближе к оси шарнирного болта в малых калибрах, а это облегчает сопротивление колодки давлениям.

Комиссия по поручению Ружейно-пулеметного треста производила в Ижевске испытание одной модели двустволки (Инж.8) несколькими тысячами выстрелов, нормальными и полуторными зарядами. Стрельба велась не с руки (с плеча), но с упором затылка приклада в почти неподвижную опору (брус, обшитый кожей). При докладе об этих испытаниях в научно-техническом совете РУЖа один из инженеров заявил, что стрельба не с руки, а с упора была поблажкой испытуемой модели, так как упор облегчает работу затвора и колодки.

Для проверки этого утверждения в Ижевске был произведен ряд выстрелов из двустволки с вынутыми затворными болтами, причем болт Гринера заменялся стерженьками мягкой стали от 0,7 до 0,9 мм толщиной. Одни выстрелы делались из ружья, подвешенного на бечевках около 1,6 м длиной (не 0,6, как ошибочно напечатано было в сообщении), другие—из ружья, упертого затылком в упомянутый выше упор. Вопреки сделанному в НТС заявлению, во втором случае ружье открывалось, срезая стальные стержни, гораздо чаще и легче.

Но неудачные предсказатели не успокоились: даже в печати они заявляли, что опыт был неправильный и ничего не доказал.

Во-первых, они сомневались в том, что опора была совершенно неподвижна. Конечно, нет; деревянный или железный обшитый кожей брус не может быть «абсолютно» неподвижным. Да ведь речь-то шла именно об этом самом брусе ижевского тира, хорошо знакомом инженеру, делавшему упомянутое выше заявление в НТС, так как ,он несколько лет был директором этого завода.

Во-вторых, они утверждали, что ружье было подвешено неправильно — не за конец ствола и затылок ложи, а иначе. В третьих, заявляли, что вообще подвешенное ружье не совершенно свободно, что надо было его уложить на специальные катки на гладкой поверхности, и т. д„ и т. д. В этом случае опять замазывался тот факт, что речь с самого начала шла не об «абсолютно» свободном ружье, а о полусвободном (в руках стрелка). При этом стрелок не держит ружья при стрельбе ни за конец дула, ни за конец приклада. Поэтому и бечевки подвеса были привязаны как раз там, где толковый стрелок держит ружье руками: у цевья, ближе к концу, и на шейке ложи. Во всяком случае, бечевки такого подвеса меньше мешали ружью раскрыться, чем мешают этому руки охотника при стрельбе. И факт, что в таком полусвободном ружье напряжения затвора были гораздо слабее, чем в ружье, упертом затылком в брус, остался фактом.

Поэтому вообще безопаснее руководиться и в проектировании и в приобретении ружей прежде всего данными опыта, говорящими о том, какие ружья, какой конструкции и размеров служат больше и лучше, — а не исходить из чисто теоретических, не проверенных и даже опровергаемых опытами утверждений.