О внутренней баллистике дробового выстрела

Повышение стоимости боеприпасов увеличило число охотников, занимающихся снаряжением патронов в домашних условиях. Начинающие и даже достаточно опытные охотники обсуждают, спорят, какой способ лучше, какие использовать подручные материалы. К сожалению, часто рекомендации бывалых охотников, да и охотничья литература на тему рационализации процесса снаряжения патронов не содержат объяснения физического смысла предлагаемых способов с позиций внутренней баллистики и могут считаться справедливыми только при использовании дымного (черного) пороха; так, например, до самого последнего времени отдельные авторы рекомендуют использовать осаленные войлочные пыжи, ухудшающие действие бездымного пороха.
Как правильно снаряжать патроны к охотничьему ружью? Прежде всего необходимо отметить, что до сих пор многие охотники недооценивают значения пристрелки какого-либо конкретного ружья, то есть подбора наилучшего веса заряда и снаряда и наилучшего способа снаряжения патрона к нему. "Вот у меня ружье - сколько хочешь клади пороха и дроби - бьет как часы", - часто можно слышать от владельцев. Они допускают, по меньшей мере, две ошибки: во-первых, - ружья разного веса не могут быть безразличны к весу снаряда, а во-вторых, способность ружья придавать какую-то форму дробовому снопу и высокую скорость дроби, называемую в обиходе "резкостью", проявляется только после полного сгорания пороха и создания в начале ствола оптимального давления пороховых газов, которое зависит от правильности снаряжения патрона. Если не будет нужного давления пороховых газов, то у любого ружья с самым выдающимся боем вместо выстрела может получиться только "пшик". Здесь нужно отметить существенные различия в пиродинамике порохов, то есть закономерности их горения. Большинству охотников известно, что черный (дымный) порох на открытой поверхности или в какой-то емкости сгорает, на взгляд человека, мгновенно, почти независимо от плотности укупорки. Но это только "почти". В одном из рассказов прошлого века описывается процесс зарядки шомпольного ружья. Порох, запыженный комком кудели (овечьей шерсти) уплотняется шомполом, бросаемым в ствол до тех пор, пока он не выскочит из ствола от удара о пыж. В этом эпизоде отражаются результаты практических наблюдений стрелков за качеством выстрела. Вообще же в ружейном патроне казнозарядного ружья дымный порох сгорает при выстреле одинаково быстро, независимо от способа снаряжения патрона: качество выстрела при этом зависит, главным образом, от технических показателей ружья: калибра и сверловки ствола, его длины, характеристик металла, из которого изготовлен ствол, и других показателей.
При использовании охотником бездымного пороха природа выстрела меняется. Бездымный порох, подожженный на открытой поверхности, горит, "как примус". На этом и основана методика проверки его годности. На сложенную уголком полоску бумаги насыпается 0,25 г пороха "Сокол" тонкой грядкой длиной 5 см, конец бумажки, положенной на край ствола, поджигается и по секундомеру отмечается время сгорания. Если проба пороха сгорает менее чем за 1,8 сек, то это означает ускоренное горение, более быстрое, чем нужно для охотничьего ружья и, следовательно, непригодность пороха к использованию из-за его взрывоопасности.
В чем же суть процесса горения бездымного пороха? При зажигании заряда пороха "Сокол", каждый грамм которого состоит примерно из трех тысяч пластинок, эти пластинки начинают гореть одновременно, параллельными слоями по всей поверхности, превращаясь при этом в раскаленные пороховые газы в объеме, тысячекратно превышающем первоначальный объем пороховых зерен, то есть - сжатие пропорционально увеличению своего объема. Воспламенение происходит мгновенно по всей поверхности всех зерен заряда, сжатого пороховой прокладкой и пыжами. Эта мгновенность имеет место при повышении давления газов до 40-60 атмосфер, в среднем - до 50 атмосфер. После такого, мгновенного, воспламенения каждая порошинка, каждое пороховое зерно продолжает гореть с одинаковой скоростью, превышающей, кстати, скорость горения дымного пороха. Не следует забывать, что очень малая толщина одной пластинки-порошинки, по сравнению с размерами одной молекулы пороха, весьма велика и поэтому процесс горения имеет определенную постепенность, показанную на диаграмме (рис. 1).

Рис. 1. Диаграмма горения бездымного пороха "Сокол":
Сплошными линиями изображены показатели оптимального режима горения, а пунктирными - показатели режима горения при воспламенении в условиях заниженного давления форсирования снаряда.

Полное сгорание порохового заряда после воспламенения происходит на расстоянии около 30 см от казенного среза ствола (Ркон.), а максимальное давление газов (Рмакс.) создается раньше - в 10 - 15 см от казенного среза. Это объясняется тем, что суммарная поверхность всех тонких пороховых пластинок в процессе горения уменьшается очень незначительно, что видно из рис. 2.
Следовательно, горение пороха сопровождается равномерным прибавлением количества пороховых газов и повышением их давления. Повышение давления вызывает движение снаряда, то есть порохового пыжа, дроби (пули). По мере ускорения движения снаряда темп приращения объема канала ствола за снарядом начинает опережать темп приращения объема выделяющихся газов и их давление начинает уменьшаться.
С момента окончания горения пороха (Ркон.) происходит окончательный разгон дробового или пулевого снаряда, характеризующийся степенью понижения давления от Ркон. до Рдул.
Чем больше степень падения давления Ркон., тем выше скорость дроби на вылете из ствола, меньше дульное давление Рдул., меньше громкость звука и отдача ружья при выстреле. Такие оптимальные показатели горения пороха и движения снаряда в канале ружейного ствола показаны на диаграмме (рис. 1) сплошными линиями.
Теперь посмотрим, какие дефекты могут появиться в производстве выстрела с применением бездымного пороха и что нужно делать при снаряжении патрона, чтобы получить его оптимальные показатели.
Описание этого процесса мы начали с того, что воспламенение поверхности всех пороховых зерен происходит одновременно при давлении 50 атмосфер (Рвоспл.). Особенностью этого момента является то, что воспламенение должно происходить до начала движения снаряда, когда все зерна порохового заряда еще прижаты друг к другу в первоначальном объеме камеры сгорания. Следовательно, одновременное воспламенение поверхностей пороховых зерен должно происходить в условиях соприкосновения этих поверхностей, когда давление форсирования достигло или несколько превысило давление воспламенения и только после воспламенения пороховые зерна получили возможность перемещения и удаления друг от друга. Таким образом, желая получить быстрое и полное воспламенение бездымного пороха, мы оказались перед задачей создания определенного давления форсирования. От чего же оно зависит? Какие силы препятствуют началу движения снаряда? Это силы трения прокладок и пыжей о внутреннюю поверхность гильзы; силы инерции снаряда, сила, необходимая для раскрытия дульца гильзы, завальцованного обычной закруткой или "звездочкой". Все эти силы в сумме гораздо меньше давления воспламенения, которое даже в патроне 20-го калибра составляет 100 кг. Поэтому необходимое давление форсирования может быть достигнуто лишь при соблюдении двух условий - одновременности действия всех сил, составляющих давление форсирования и скорости процесса, при которой сила инерции снаряда во столько раз превышает его вес, во сколько раз его ускорение превышает ускорение свободного падения - 9,81 м/сек2: это второе условие, являющееся смыслом выстрела, вступает в действие только при соблюдении первого условия.
Назовем типичные ошибки, которые могут появиться при снаряжении патрона. Прежде всего это недостаточное сжатие порохового заряда. Если пороховая прокладка имеет возможность легко двигаться вперед, а пыж - легко сжиматься, то в момент воспламенения капсюля от удара бойка объем камеры сгорания может быстро увеличиться В результате упадет давление форсирования, контакт между зернами порохового заряда нарушится и воспламенение пороха замедлится, так как часть пороховых зерен не воспламенится. Замедление нарастания давления пороховых газов приведет к более постепенному, с меньшим ускорением, началу движения снаряда при меньшем давлении. Действие сил инерции, удерживающих снаряд, уменьшится пропорционально уменьшению ускорения, что в свою очередь приведет к еще большему замедлению сгорания пороха. В этом случае диаграмма давлений в канале ствола может быть такой, какая показана на рис. 1 пунктирной линией. Это значит: максимальное давление уменьшится, порох будет еще продолжать гореть после вылета снаряда из ствола (заметен выброс пламени из дула), дульная скорость уменьшится, дульное давление увеличится, звук выстрела и отдача усилятся до "пушечной". И все это произойдет независимо от характеристики ружья, а только оттого, что давление форсирования в патроне будет меньше оптимального давления воспламенения бездымного пороха. Диаграмма сгорания дымного пороха, как правило, имеет вид, промежуточный между вариантами, приведенными на рис. 1.
Каковы основные причины снижения давления форсирования в патроне с бездымным порохом и ухудшения качества выстрела? Назовем основные.

- Плохое качество пороховой прокладки в папковой гильзе или всех прокладок при использовании латунной гильзы.
- Недостаточное сжатие порохового заряда и мягкого войлочного пыжа На банках с порохом дается рекомендация: сжимать заряд с силой 8 кг, а не кг/см2, на мой взгляд, совершенно неграмотна, так как она обозначает, что в патроне 20-го калибра порох должен быть сжат в 1,5 раза сильнее, чем в патроне 12-го. Для улучшения сгорания пороха нужно обратное соотношение.
- Применение осаленных войлочных пыжей, имеющих пониженный коэффициент трения на стадии форсирования снаряда, а не на стадии разгона после окончания горения пороха.
- Применение многопустотных полиэтиленовых пыжей-контейнеров, которые легко сжимаются на стадии форсирования.
- Применение в качестве пороховых прокладок полиэтиленовых обтюраторов, действие которых отсутствует на стадии форсирования и проявляется только после почти полного сгорания пороха, когда в канале ствола уже создалось высокое давление: обтюрация в этом случае достигается в результате прижатия "юбочки" обтюратора к внутренней поверхности канала ствола, что повышает давление в стволе на 15% без увеличения дульной скорости снаряда. Обтюратор, не прижатый спереди дробовым снарядом, иногда вообще не выбрасывается. Это приводит к разрыву невычищенного ствола при выстреле даже нормальным патроном (такой случай произошел на соревнованиях, проводившихся советом ВОО ЦО МО в 1992 году).
- Слабая завальцовка или запрессовка "звездочкой" дульца папковой или полиэтиленовой гильзы.
Кроме упомянутых причин бывают другие, которые не сразу поддаются осмыслению. Так, например, не всегда полезны различные способы усиления действия капсюля "Центробой" в латунных гильзах.
Подсыпка в капсюльное гнездо нескольких зерен черного пороха как бы усиливает вспышку капсюля, но не изменяет давления форсирования и только преждевременно нарушает соприкосновение пороховых зерен. Рассверливание латунных гильз под капсюль "Жевело" иногда приводит прямо-таки к анекдотичным результатам. Один из стрелков-стендовиков снарядил патроны в латунные гильзы, рассверленные под "Жевело", бездымным порохом "Сунар", удельный объем которого значительно меньше, чем у пороха "Сокол". Заряд "Сунара" помещается в латунной гильзе сравнительно тонким слоем (рис. 3). При вспышке капсюля "Жевело" факел пламени из капсюля настолько резко отталкивает пороховую прокладку и все, что за ней находится, что в камере сгорания не создается условий для воспламенения пороха: все зерна пороха отбрасываются друг от друга и вместо выстрела происходит уже упоминавшийся "пшик", что и произошло у стрелка, воспользовавшегося "усовершенствованными" латунными гильзами.
Кстати говоря, дробь в упомянутых "пшиковых" патронах была закреплена способами, неоднократно описанными в журнале "Охота и охотничье хозяйство". Все эти способы, как правило, говорят о закреплении дробового пыжа, чтобы "не потерять дробь" до выстрела или при выстреле из соседнего ствола, но являются недостаточными для создания в патроне оптимальных условий, необходимых для воспламенения и полного сгорания бездымного пороха. Следовательно, чтобы получить полноценный выстрел, пользуясь порохом "Сунар", нужно обращать особое внимание на качество прокладок, на порох и пыжи (не допуская их осалки) и качество завальцовки (закрутки).
Обобщая вышеизложенное, приходишь к выводу, что оценка всех способов снаряжения охотничьих патронов должна сводиться к оценке влияния этих способов на обеспечение соответствия давления форсирования давлению воспламенения.

Рис. 2. Изменение поверхности порохового зерна в процессе сгорания:
а) Начальные размеры поверхности порохового зерна.
б) Размеры поверхности порохового зерна после уменьшения его объема в процессе сгорания.

Рис. 3. Воспламенение пороха "Сунар" в латунной гильзе с капсюлем "Жевело".

Рис. 2. Изменение поверхности порохового зерна в процессе сгорания:
а) Начальные размеры поверхности порохового зерна.
б) Размеры поверхности порохового зерна после уменьшения его объема в процессе сгорания.

Рис. 3. Воспламенение пороха "Сунар" в латунной гильзе с капсюлем "Жевело".

[edited by Mikl]