Чи настане кінець епохи вогнепальної зброї?

Валентин Підвисоцький

Протягом останніх століть основним інструментом ведення війни було вогнепальне зброю. В даний час тільки стрілецьку вогнепальну зброю виробляють більше 1000 компаній у 98 країнах у кількості близько 8 млн. одиниць щороку. Світовими лідерами у виробництві та експорті є США, Росія, Китай. Загальна кількість стрілецької вогнепальної зброї у світі становить 639млн одиниць, приватним особам належить 377млн одиниць або 59%.

З моменту появи і до наших днів вогнепальна зброя дуже змінилося. Воно вдосконалювалося, в процесі еволюції підвищувалися його бойові характеристики поліпшувалися експлуатаційні якості. У результаті багатовікового розвитку вогнепальна зброя досягла високого ступеня технічної досконалості. Але як будь-який технічний пристрій має і свої недоліки.

Основним недоліком є занадто великий розмір порохового патрона. Це обумовлено низькою питомою теплотою згоряння пороху (близько 3800кДж/кг). В даний час, в більшості зразків вогнепальної зброї використовуються одні й ті ж патрони, розроблені багато десятиліть тому, чи їх модифікації. Нові патрони винаходяться рідко, і вогнепальна зброя навіть найсучаснішої конструкції, зазвичай створюється під вже існуючий патрон. Великі розміри порохового патрона не дозволяють значно підвищити бойові характеристики і поліпшити експлуатаційні якості вогнепальної зброї.

У цій статті розглядається альтернативне зброю, робота якого заснована на кілька інших принципах. Це пневмоелектріческое зброя, у якому замість пороху використовується ефективне паливо метал-кисень. Метали має значно більш високу питому теплоту згоряння (до 43000кДж/кг), що дає можливість розв'язувати такі проблеми. По-перше, збільшувати початкову швидкість і дуловій енергію кулі. Це дозволить зменшити калібр кулі, збільшити дальність і точність стрільби, посилити вражаюча дія кулі. По-друге: зменшувати розміри патрона. Це дозволить зменшити розміри зброї, зробити його більш легким і більш зручним, збільшити боєзапас.

Пневмоелектріческое зброя це пристрій для метання снаряда (кулі), яке складається з наступних основних елементів: стовбур, джерело електричного струму, пневмоелектріческій патрон. Пневмоелектріческій патрон є конструкцією, в якій з допомогою гільзи, об'єднуються в одне ціле снаряд, система подачі стисненого газу і згоряє елемент.

згоряє елемент виконаний з матеріалу, який є пальним по відношенню до стиснення газу. Як пальне можуть використовуватися метали, як стисненого газу кисень.

Для виробництва пострілу замикається електричний контакт між джерелом електричного струму і згорає елементом. Під дією електричного струму, згоряє елемент нагрівається до високої температури. У результаті нагрівання відбувається хімічна реакція горіння між металом і стисненим киснем, і виділяється значну кількість тепла. Стислий кисень нагрівається, і його тиск у гільзі зростає. Під тиском нагрітого кисню, куля з гільзи виштовхується в ствол. Нагріте кисень різко розширюється і продовжує тиснути на снаряд. Внаслідок цього куля з прискоренням рухається в каналі ствола, набуває велику швидкість і вилітає зі ствола. Таким чином, відбувається постріл.

Як джерела електричного струму може використовуватися електричний конденсатор і батарея для зарядки конденсатора. Для зниження температури займання в матеріал, з якого виготовляється згоряє елемент, може додаватися каталізатор.

Переваги пневмоелектріческого зброї в порівнянні з вогнепальною зброєю наступні.

Перше: велика питома теплота згоряння палива метал-кисень. Після згоряння порохового заряду пістолетного 9-мм патрона залишається 0,25 г порохових газів і виділяється 950Дж енергії. Після згоряння згорає елемента 9-мм пневмоелектріческого патрона, залишається 0,24 г кисню і виділяється 1400Дж енергії (див. нижче). Порохові гази і кисень мають однакову молекулярну масу, відповідно 14 ... 19 і 16 атомних одиниць маси. При однакових розмірах і рівній кількості розширюється газу, 9-мм пневмоелектріческій патрон у півтора рази перевершує аналогічний 9-мм пороховий патрон, по кількості що виділяється енергії.

Для виготовлення згорає елемента можуть використовуватися різні матеріали. Наприклад, вуглець. Вуглецевий згоряє елемент може нагріватися електричним струмом (з вуглецю виготовляються електричні нагрівальні елементи). Основним недоліком є можливість самозаймання.

Найбільш стійкі до самозаймання метали. Крім того, метали мають низку потрібних якостей. У початкових експериментах для виготовлення яких спалює елементів можуть використовуватися кульгала (загальна назва жаростійких сплавів металевих сплавів, що містять 17 ... 30% хрому, 4,5 ... 6% алюмінію, інше - Залізо).

Для промислового застосування знадобляться спеціальні сплави, що володіють оптимальним поєднанням наступних якостей. Низька питома теплота займання (під питомою теплотою займання мається на увазі кількість теплової енергії, необхідне для нагрівання 1кг матеріалу до температури горіння), висока питома теплота згоряння, велика щільність, електропровідність, висока електричний опір.

Крім того, можливо промислове виготовлення згорає елемента з існуючих матеріалів, за рахунок застосування особливої конструкції. Наприклад, двошарова конструкція: матеріал з великим електричним опором використовується для виготовлення серцевини, а оболонка згорає елемента виготовляється з легкозаймистого матеріалу.

За основу для виготовлення експериментального пневмоелектріческого патрона, може бути взятий 9-мм пороховий патрон з трассірующей кулею, конструкторів В. В. Трунова і П. Ф. Сазонова (див. «Характеристики пістолетних патронів»). Його параметри такі: калібр 9мм, маса патрона 10г, маса кулі 6,1 г, маса порохового заряду близько 0,25 г, довжина патрона 25мм, довжина кулі 12,35 мм, довжина гільзи 18,1 мм, довжина камери заряджання 12,25 мм, об'єм камери заряджання 0,56 см3, максимальне тиск газів 118МПа (1160атм.). Маса та початковий тиск стисненого кисню в пневмоелектріческом патроні, можуть становити відповідно 0,28 г та 200 атмосфер.

Для наближеної оцінки припустимо, що згоряє елемент виготовлений зі сплаву на основі алюмінію, з високим електричним опором, і наступними характеристиками: питома теплота згоряння близько 30000кДж/кг, щільність близько 2700кг/м3, питома теплоємність близько 0,88 кДж/(кг · К). Згоряє елемент може бути виготовлений з дроту, діаметром 0,45 мм і довжиною 108мм. Дріт має форму спіралі довжиною 12,25 мм, 8 витоків, діаметр витка 5мм. Обсяг згорає елемента складе 0,0172 см3 або 3% обсягу камери заряджання, маса 0,046 р.

Для ефективного перебігу хімічної реакції згоряє елемент потрібно нагріти до температури близько 250 ° C. Для цього знадобиться енергія приблизно 10Дж. Початок горіння металевого сплаву при такій порівняно низькій температурі, можливо за рахунок високої щільності та тиску кисню, а також додати до сплав каталізатора. При повному згоранні згорає елемента витрачається 0,041 г кисню (15% його кількості в камері заряджання), і виділяється 1,4 кДж теплової енергії.

Існують резерви значного підвищення кількості що виділяється енергії, без збільшення розмірів пневмоелектріческого патрона. Так, при зростанні тиску кисню до 400 атмосфер, і його 50-відсоткової втрати при згорянні, маса згорає елементу зростає в 6 разів, і складе 0,3 м. При повному згорянні виділяється 9кДж теплової енергії (у 9 ... 10 разів більше, ніж у базового пістолетного патрона). Для нагрівання згорає елемента масою 0,3 г до температури 250 ° C знадобиться енергія 60Дж.

За рахунок більшої питомої теплоти згоряння можна зменшити масу кулі і збільшити її початкову швидкість до 3000м/с, що дозволить підвищити бойові характеристики стрілецької зброї. Крім того, можна значно зменшити розміри патрона, що дозволить поліпшити експлуатаційні якості.

Друге: значно менше зусилля, необхідне для роботи автоматики, тому що не потрібно здійснювати взвод ударно-спускового механізму. У пневмоелектріческом зброю можуть ефективно застосовуватися більш прості, компактні і легкі системи автоматики, у тому числі ті, застосування яких виявилося недоцільним для вогнепальної зброї.

Замість ударно-спускового механізму пневмоелектріческое зброю містить джерело імпульсного електричного струму (електричний конденсатор і батарею). Для отримання потужного електричного розряду з енергією 10Дж може використовуватися конденсатор ємністю 100мкФ, заряджений до різниці потенціалів 300В. За таких параметрах маса побутового конденсатора становить близько 40г (існують конденсатори, маса яких на порядок менше).

Енергоємність батареї визначається, кількістю ват-годин, що містяться в батареї, і Один твору напруги батареї на її ємність в ампер-годинах. Батарейка Lithium Photo модель CRP2P має ємність 1300мАч, напруга 6В і важить 37г. Її енергоємність 7,8 Вт * год або 28кДж. У реальних умовах батарея не віддає всю накопичену енергію, а лише частина її, залежно від співвідношення знімається потужності і номінальною енергоємності батареї. Чим більше знімна потужність щодо енергоємності батареї, тим менше вона віддасть енергії, тобто тим нижче її ККД. При витратах енергії на один постріл 10Дж і ККД зазначеної батарейки 70%, її енергоємності достатньо для виробництва близько 2000 пострілів.

Такий ресурс значно перевищує фактичні потреби і обумовлений залежністю між енергоємністю і знімається потужністю. Максимальна потужність знімна чисельно приблизно дорівнює трьом номінальним енергоємності, тобто з 6-вольта батарейки енергоємністю 7,8 Вт * год можна зняти максимальну потужність близько 25Вт. При витратах енергії на один постріл 10Дж одна батарейка може забезпечити скорострільність 2 ... 3 постріли в секунду (пістолет). П'ять батарейок забезпечать скорострільність 10 ... 15 пострілів у секунду (пістолет - кулемет).

При більш потужному патроні і для подальшого підвищення скорострільності, доцільно застосування більш потужних батарей і акумуляторів. У деяких випадках можуть застосовуватися стаціонарні джерела електричного струму (для танкових кулеметів, авіаційних кулеметів, артилерійських систем і т.д.).

Третє: можливість ефективного керування процесом горіння згорає елемента здійснюється шляхом зміни енергії електричного розряду, хімічного складу і форми згорає елемента, тиску і процентного вмісту кисню. Дозволяє застосовувати дуже могутні патрони і оптимально використовувати їх енергію.

У вогнепальну зброю процес горіння порохового заряду є некерованим. Це призводить до великим піковим тиску, що може викликати розрив ствола, роздмухування гільзи і т.д., і є одним з факторів, що обмежують потужність порохового патрона. Нераціональне розподіл тиску порохових газів на різних етапах пострілу, призводить до неефективного перетворення енергії газів в енергію кулі, (ККД вогнепальної зброї становить 30 ... 35 %).

Оскільки, в пневмоелектріческом зброю температура розширюється кисню значно вище, ніж у порохових газів, можливий більш високий ККД. Крім того ККД може бути підвищений за рахунок раціонального розподілу тиску розширюється кисню на різних етапах пострілу. Більш високий ККД призводить до зменшення нагрівання ствола. Зниження пікових тисків дозволяє зменшити масу зброї.

Четверте: можливість застосування електричного приводу автоматики. Відсутність ударно-спускового механізму дозволяє використовувати нетрадиційні рішення. Пневмоелектріческій пістолет з електричним механізмом заряджання має багато спільного з фотоапаратом. Ті ж електричні батарейки. Замість фотоспалахи імпульс електричного струму ініціює постріл. Замість перемотування фотоплівки відбувається заряджання патроном. Така зброя може бути більш компактним. Для вогнепальної стрілецької зброї використання електричного приводу автоматики неможливо, оскільки необхідно значне зусилля для взводу ударно-спускового механізму.

П'яте: можливість роботи механізму за рахунок зусилля натискання на спусковий гачок. У вогнепальну зброю таку схему реалізує пістолет-револьвер подвійного дії. Для натискання на його спусковий гачок необхідно зусилля 5 ... 6кгс, оскільки при такому натисканні здійснюється взвод ударно-спускового механізму і поворот барабана. У пневмоелектріческом зброю, функцію ударно-спускового механізму виконує джерело імпульсного електричного струму. Тому, зусилля натискання на спусковий гачок використовується лише для повороту барабана, і становить 1 ... 2кг. Крім того, пневмоелектріческій пістолет-револьвер має дуже просту конструкцію: стовбур, барабан, спусковий гачок, електричний контакту та механізм обертання барабана з приводом від спускового гачка, джерело імпульсного електричного струму.

Можливі технічні причини неотримання очікуваних результатів і способи їх усунення наступні.

Інтенсивна хімічна реакція між киснем і внутрішньою поверхнею стовбура, внаслідок чого може відбутися різке зменшення об'єму і тиску кисню. Цей ефект може ослабнути після перших пострілів, тому що внутрішня поверхня стовбура покриється окисом заліза, шар якої буде перешкоджати контакту кисню з залізом. Можна спеціально покрити внутрішню поверхню стовбура захисним шаром, або застосовувати хімічно менш активну суміш кисню з інертним газом.

Займання гільзи патрона або частин зброї в результаті взаємодії з розпеченим киснем. Для усунення цього ефекту знадобиться застосування стійких матеріалів, нанесення захисних покриттів, або застосування для метання снаряда хімічно менш активною суміші кисню з інертними газами.

Недостатня швидкість горіння згорає елементу. Для підвищення швидкості горіння, можна додати матеріал згорає елемента каталізатор, змінити форму згорає елементу для збільшення площі його поверхні, збільшити потужність електричного розряду для підвищення температури. Можна збільшити всередині патрона тиск кисню або його концентрацію (у випадку використання суміші кисню з інертними газами), використовувати для виготовлення згорає елемента матеріал із зниженою теплотою займання.

У результаті згоряння металу утворюються тверді абразивні частинки окислів металу, які впливають на знос внутрішньої поверхні стовбура, інших частин і механізмів пневмоелектріческого зброї, можуть викликати заклинювання автоматики. Для усунення можливих наслідків можна використовувати для виготовлення згорає елемента неметалеві матеріали, застосовувати схеми автоматики без відведення частини газів (наприклад, з використанням енергії віддачі), застосовувати електричний привід автоматики.

У результаті впливу вологи на джерело імпульсного електричного струму, пневмоелектріческое зброя може виявитися недостатньо надійним.

Розробка може застосовуватися у виробництві стрілецької зброї, кулеметів великого калібру, артилерійських систем, а також боєприпасів. Очікувані ефекти від її застосування наступні.

Загальне підвищення експлуатаційних якостей та бойових характеристик стрілецької зброї.

Зменшення калібру і розмірів стрілецької зброї.

Перерозподіл сфер застосування різних типів стрілецької зброї (наприклад, пневмоелектріческій пістолет-кулемет зможе виконувати функції штурмової гвинтівки; пневмоелектріческая гвинтівка зможе застосовуватися для ураження легкоброньованого цілей).

Використання пневмоелектріческіх кулеметів великого калібру для ураження легкоброньованого цілей на дистанції понад 1км.

Використання пневмоелектріческіх артилерійських систем малого калібру для боротьби з танками.

Використання пневмоелектріческіх артилерійських систем середнього та великого калібру для ураження цілей на дистанції понад 100 км.

Проблема переозброєння при виявленні значної переваги деяких видів пневмоелектріческого зброї.

Зменшення обсягу споживання і виробництва пороху.

Проблема утилізації вогнепальної зброї та порохових боєприпасів.

Зростання обсягу виробництва і споживання кисню.

Збільшення споживання і виробництва батарей і акумуляторів.

Пневмоелектріческое зброя є окремим видом зброї, поряд з пневматичним і вогнепальною зброєю. Попередні розрахунки показують його значну перевагу, за стосовно не тільки до пневматичної зброї, а й до вогнепальної. Потенційні можливості цього виду зброї дуже великі.

Якщо очікувані технічні результати будуть отримані в повному обсязі, можна розробляти і проводити різні моделі пневмоелектріческого зброї, які замінять вогнепальну зброю. Якщо очікувані результати будуть отримані не в повному обсязі, або пневмоелектріческое зброя виявиться занадто складним, дорогим і ненадійним в експлуатації, то воно складе обмежену конкуренцію вогнепальної зброї (наприклад, у сфері виробництва елітного і спеціального зброї). Якщо очікувані результати не будуть отримані, пневмоелектріческое зброя зможе виявитися вдалим комерційним проектом (наприклад, у сфері виробництва спортивного, мисливського, сувенірного і ін зброї). У будь-якому випадку, можливо значне поліпшення технічних результатів, як у результаті доведення окремих зразків, так і в процесі розвитку цього виду зброї в цілому.

Список літератури

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://www.nt.org/