1.6. Отдача ружья

Об отдаче дробовика, винтовки, орудия написано столько, что, казалось бы, эта тема давным-давно исчерпана, но нет-нет, да и появляются люди, которые вновь и вновь стараются шире и глубже разобраться во всех тонкостях того или иного явления. Такова уж природа Человека, в этом, видимо, и заключается гарантия дальнейшего развития общества. Однако, исследуя все новые и новые процессы и явления, нельзя отрываться от фундаментальных законов, в число которых входит и теоретическая механика.

В общероссийской газете "Пять охот" №9/66 за 2006г опубликована статья С.Кочкина "Немного об отдаче ...", в которой сделана попытка обосновать существенную разницу в величине отдачи при стрельбе из нарезного и гладкого стволов пуле-дробового комбинированного ружья.

Так, на стр.5 (13 строка сверху), автор пишет: "Нетрудно убедиться, что количество движения пуль, выпущенных как из гладкого, так и из нарезного ствола, практически полностью совпадают, что гарантирует почти абсолютное совпадение скорости отдачи, приобретенной оружием в течение первого, т.е. внутриствольного этапа.... Однако разница здесь будет в том, что хотя при стрельбе из нарезного ствола оружие приобретает ту же скорость, что и при стрельбе из гладкого ствола, но происходит это раза в полтора быстрее. Т.е. ускорение отдачи (курсив мой) будет значительно большим, а стало быть, и резкое ощущение удара также будет значительно большим".

Таким образом, причина резкого ощущения отдачи, по мнению автора, кроется в ускорении отдачи. Попробуем числом и мерою разобраться в этом, однако позволю себе начать немного издалека, памятуя о том, что кашу маслом не испортишь.

Поскольку система «ружье-заряд-снаряд» замкнутая, то к ней применимы законы сохранения импульса (количества движения) и энергии. Оба эти закона и позволяют определить скорость ружья при выстреле и энергию отдачи, которая и является мерилом отдачи ружья, винтовки или орудия.

Весь процесс выстрела разделим на две фазы: а) фазу от момента начала движения снаряда (пули, дроби) до момента достижения им конца ствола и б) фазу после вылета снаряда из дула. Такое деление вызвано различием физических явлений, требующих разного подхода для определения полной (суммарной) величины отдачи, а вовсе не потому, что мы в состоянии уловить эти две фазы за промежуток времени, равный 0,003-0,0035 с.

В начальный момент пороховые газы, снаряд и ружье неподвижны. При достижении снарядом конца ствола пороховые газы и снаряд будут иметь скорость V_сн, а ружье v_р. Если масса заряда m, масса снаряда М, а масса ружья M_р, то закон сохранения количества движения (импульса) равен

0,5mV_сн + МV_сн + M_рv_р = 0 1.34

Масса образовавшихся газов, очевидно, равна массе заряда, но скорость газов у казенной части ствола равна 0, а у дула - V_с, поэтому, считая, что скорость газов распределена по линейному закону, в формуле участвует только половина массы заряда.

Скорость ружья при этом равна

v_р = -V_сн(0,5m + М)/M_р, 1.35

а энергия Э отдачи -

Э = 0,5 M_рv_р² = 0,5(0,5m + М)V_с²(0,5m + М)/M_р. 1.36

Из формул 1.35 и 1.36 следует, что и скорость ружья и энергия отдачи во столько раз меньше скорости и кинетической энергии снаряда, во сколько раз масса снаряда меньше массы ружья.

Эти формулы верны с одной лишь оговоркой, - в них отсутствует присоединенная масса части тела стрелка, движущаяся вместе с ружьем. Учесть эту массу довольно затруднительно, поэтому приведенные формулы будут давать завышенные результаты, т.е. оценку сверху.

Со второй фазой также не все гладко. Во второй фазе нагретые пороховые газы по 3-му закону Ньютона воздействуют на ствол с равной и противоположной силой (реакция струи). Расчет скорости и энергии этой струи весьма сложен, поэтому в артиллерии пользуются эмпирическим правилом, согласно которому в механическую энергию отката уходит 3% от дульной энергии снаряда, что для ручного оружия явно не подходит. Некоторые авторы количеству движения от влияния пороховых газов отводится лишь 10-15%. В тоже время, для дробовика, по данным книги А.И.Толстопята "Охотничьи ружья и боеприпасы к ним", энергия отдачи составляет около 40%. Если принять эту цифру то, энергию отдачи следует увеличить в 1,4 раза.

Так как масса снаряда составляет от 1/96 до 1/100 массы ружья, а дульная скорость дроби у всех калибров практически одинакова, то отдача любого ружья в 96-100 раз меньше кинетической энергии снаряда. Но малые калибры имеют меньшую кинетическую энергию из-за меньшей массы снаряда, а, стало быть, и отдачу. Вот почему малые калибры уважают молодые леди и подростки, а промысловики и геологи - еще и за их вес.

Теперь можно вернуться к статье С.Кочкина, в которой даны следующие характеристики комбинированного ружья:

- для 20 калибра - масса пороха "Сунар 35" 1,5 г, масса снаряда 25 г, скорость V₁₀ 340 м/с;

- для калибра 7,6254R - масса пороха "Сунар 30-06S" 3,15 г, масса снаряда 12 г, скорость V₁₀ 750 м/с.

Проведя все необходимые расчеты, получим энергию отдачи при стрельбе из гладкого ствола 17 Дж, а при стрельбе из нарезного ствола - 22,7 Дж. Таким образом, при стрельбе из нарезного ствола энергия отдачи в 1,33 раза больше, чем из гладкого ствола.

Есть и еще одно замечание по статье. Автора почему-то интересует движение ружья в течение времени 0,003-0,0035 с, когда ружье, действительно, перемещается на 7-9 мм. Но движение на этом не заканчивается, так как в последующие промежутки времени перемещения будут продолжаться. Также как и снаряд, который, покинув ствол, и не встречая сопротивления, кроме сопротивления воздуха, улетит на сотни метров, так и ружье, будучи предоставленное самому себе, улетело бы на несколько метров. А для того, чтобы этого не произошло, стрелок и подставляет свое плечо, испытывая некоторый дискомфорт. Кстати, об ощущениях. Если ружье не прижато к плечу, то мы, действительно, испытываем удар, но если ружье плотно прижато к плечу, то мы имеем дело с толчком, причем, отдача ружья, как я упоминал, была бы меньше за счет присоединенной массы торса стрелка.

И, наконец, об ускорении. Давление порохового заряда достигает своего максимума на расстоянии порядка 4-5 см от казенного среза, т.е. еще в гильзе, создавая колоссальную силу, которая действует и на снаряд и на колодку ружья, придавая им колоссальные ускорения. Но это внутренние силы, уравновешивающие друг друга. И эти внутренние силы не создают энергии отдачи. Пока нет скорости снаряда, то нет и отдачи. По мере того, как будет увеличиваться скорость снаряда (и скорость ружья), будет увеличиваться и отдача, действующая на плечо стрелка.

Все дело в энергии: если она увеличивается или уменьшается, то увеличивается или уменьшается ощущение отдачи. А можно ли оценить на себе энергию отдачи, равную, скажем, 22,7 Дж? Да, можно. Для этого лягте спиной на мягкую горизонтальную поверхность и попросите кого-нибудь уронить ваше ружье затыльником на ваше плечо с высоты 0,7 м, (эта величина вычисляется по другой известной формуле Э = mgh). Игнорировать такую субстанцию, как энергия, негоже.

В этом разделе уместно коснуться вопросов, связанных с возникновением сил инерции, действующих на все, что связано с ружьем: оптические, лазерные и иные прицелы, различные фонари и другие устройства. Недостаточная жесткость крепления может вызвать их смещение, пагубно влияя на последующие выстрелы. Чтобы правильно сформулировать требования к узлу крепления необходимо знать силы, действующие на те или иные приспособления. Решение такой задачи было опубликовано мной совместно с А.А.Васильевым в Российском оружейном журнале «Ружье», №2, 2007г.

Сила инерции по второму закону Ньютона равна произведению массы тела на ускорение. Поскольку масса того или иного устройства, устанавливаемого на оружии, известна, то задача нахождения этой силы сводится только к определению величины ускорения, испытываемого оружием.

Не обременяя статью промежуточными выкладками, привожу окончательную формулу для определения силы инерции, действующей на любое устройство, прикрепленное к оружию

F = psm_у/M_р, 1.37

где F - сила инерции, Н;

p - максимальное давление пороховых газов, Па;

s - площадь поперечного сечения канала ствола, м²;

m_у - масса устройства, кг;

M_р - масса оружия, кг.

Следует обратить внимание на два важных обстоятельства. Во-первых, в формулу не входит ни масса снаряда, ни его дульная скорость, столь необходимые, для определения энергии отдачи ружья. Поэтому нет необходимости учитывать скорость последействия пороховых газов на ружье и на установленные на нем устройства. Во-вторых, при выводе формулы полагалось, что максимальное давление имеет место, когда скорость снаряда равна нулю, что не совсем верно. Однако такое положение дает завышенную величину силы инерции, что лишь повысит надежность последующих расчетов элементов крепления.

Чаще всего самым слабым местом при креплении различных устройств к оружию являются винты, работающие на срез и смятие. При выборе винтов следует учитывать также их растяжение при затяжке.

В качестве примера приведу размеры винтов, крепящих, например, коллиматорный прицел массой 0,2 кг к гладкоствольному ружью массой 3,2 кг. Радиус канала ствола 9,25 мм = 9,25. 10^-3 м, а давление в стволе 600 бар = 6.10⁷ Па. Соответствующие вычисления дают F = 1000 Н или 103 кгс. Если прицел крепится 4 винтами, работающими на срез, то их диаметр при _доп. = 10 кг/мм² должен быть равен 1.8 мм, что с некоторым запасом соответствует резьбе М2,5. С учетом затяжки винты должны быть не менее М3.

Такой же расчет для винтовки Heym африканского калибра 0,375, масса которой 4,4 кг, радиус канала ствола 4,75.10^-3 м, максимальное давление пороховых газов 3800 бар и масса фонаря 0,46 кг, дает силу 2329 Н или 233 кгс. В этом случае диаметр каждого из 4 винтов должен быть не менее 2,85 мм, что соответствует резьбе М4.

Полученные расчеты были сделаны при условии, что в качестве материала для винтов взята обычная конструкционная сталь СТ-3. В креплениях фирмы-производителя «Зенит» используются винты значительно меньшего размера. Из этого следует, что это возможно при использовании высококачественной стали и при соответствующей термической обработке.