VUT v Brně Fakulta strojního inženýrství

Transkript

1 VUT v Brně Fakulta strojního inženýrství Výstřel z malorážové zbraně a jeho charakteristiky Róbert Jankových (jankovych@fme.vutbr.cz ) Brno, 9. října 2012

2 Studijní literatura

3 Bezpečná manipulace se zbraněmi a střelivem jako proces Zdravotní způsobilost Střelecká způsobilost Znalost zbraní a střeliva Znalost provozního řádu střelnice Kontrola zbraně před střelbou Proces bezpečné manipulace Nabití zbraně Střelba na terč Kontrola zbraně po střelbě 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 Neohrožení sebe a ostatních osob Neohrožení okolí (majetku, životního prostředí,...)

4 Osnova Výstřel z hlavňové palné zbraně Základní vnitrobalistické charakteristiky Matematické modelování VB Modely založené na geometrické představě o hoření prachového zrna

5 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 1 Vytažení NC 2 Vyhození NC 3 Zasunutí náboje 4 Uzavření NK 5 Uzamknutí NK 6 Spuštění VÝSTŘEL Činnost č. 1 Činnost č. 6 FC Činnost č. 2 Činnost č. 5 Činnost č. 4 Činnost č. 3

6 Cyklogram pistole

7 Aktivace (iniciace) zápalky BERDAN BOXER 0,4-1,2 mm 1 kalíšek 2 kovadlinka 3 tenkostěnná fólie (vrstva laku) 4 zápalková slož citlivá k nárazu Zápalka - iniciátor, který vytváří plamen po aktivaci nárazem zápalníku (část úderníku) palné zbraně (tzv. zápalka s mechanickou aktivací).

8 Střelivo se středovým a okrajovým zápalem (iniciací) z. BERDAN z. BOXER STŘEDOVÝ ZÁPAL OKRAJOVÝ ZÁPAL

9 Zápalka W209 krytka kovadlinka vnější pouzdro krycí fólie kalíšek zápalková slož

10 Křivka citlivosti zápalky Maximální energie -vyloučená aktivace Minimální energie -zaručená aktivace

11 Zápalkové slože na bázi třaskavin výbušnina 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. explosive 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.

12 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 KClO 3 37,0 35,0 37,5 40,0 13,0 Sb 2 S 3 2,6 29,0 45,0 37,5 40,0 30,0 Sklo 7,0 Černý prach 2,5 Ba(NO 3 ) 2 29,6 3,0 S 2,5

13 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(NO 3 ) 2 35,0 37,5 39,0 36,0 38,5 32,0 Sb 2 S 3 13,0 31,5 4,0 8,0 10,0 5,0 Sklo 5,3 KClO 3 26,2 CaSi 11,0 8,0 10,0 10,0 Pentrit 5,0 5,0 PbO 2 5,0 5,0 4,5

14 Zápalkové slože 3. generace NONTOX komponenta složení [%] Dinitrodiazofenol 35,0 29,8 40,0 (DINOL) tetrazen 8,0 19,8 20,0 CuO 29,8 MnO 2 10,0 sklo 9,8 28,0 Ba(NO 3 ) 2 38,0 Sb 2 O 3 12,0 Al 7,0 9,8 pojivo 1,0 2,0

15 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

16 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

17 Vědní obor vnitřní balistika Vnitřní balistika hlavňových zbraní Bez výtoku plynů S výtokem plynů funkčním BzK,... škodlivým opotřebené hlavně minomety

18 Výstřel - ukázka BEZ VÝTOKU PLYNŮ S FUNKČNÍM VÝTOKEM PLYNŮ

19 Průběh výstřelu doba trvání výstřelu (0,1 15).10-3 [s], tlak v hlavni (až 500 MPa u děl i více), zrychlení střel ( )10 3 [ms -2 ] teplota K okamžitý výkon 0, MW

20 305 mm lodní kanon ŠKODA mm děla ve čtyřech věžích, střela 450 kg, v 0 =800m/s, tj. 144 MJ úsťové energie, t u = s, asi si 9600 MW okamžitého výkonu P W t ku u

21 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)

22 Charakteristiky p, T, v, l (t) počátek pohybu střely Dosažení max. tlaku PP Dohoření PN Dno střely opouští ústí hlavně

23 Charakteristiky p, T, v, t (l)

24 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.

25 Konstrukční parametry HPZ 1/3 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 m 2 Plocha příčného průřezu drážkované části hlavně 3. Objem počátečního spalovacího prostoru c o m 3 Objem prostoru, vymezeného vnitřkem nábojnice a zadní části 4. Délka počátečního spalovacího prostoru (délka komory) 5. Celková dráha střely v hlavni nabité střely l kom m Vzdálenost dna střely od opěrné plochy závěru l ú m Dráha dna střely až po ústí hlavně 6. Délka hlavně L HL m Délka hlavně i se závěrem 7. Vztažná délka počátečního spalovacího prostoru 8. Součinitel rozšíření spalovacího prostoru l 0 m 1 c0 l0 s l 0 l kom

26 Konstrukční parametry 2/3 Ráže hlavně d [m] je průměr vývrtu hlavně v polích Plocha průřezu vývrtu hlavně s [m 2 ] s k. d Počáteční objem spalovacího prostoru c 0 [m 3 ] s d objem nábojové komory za zadní částí astřely, b d zmenšený o objem nábojnice k k s s 4 4 a b

27 Konstrukční parametry 3/3 Vztažná délka počátečního spalovacího prostoru l 0 [m] Součinitel rozšíření spalovacího prostoru [1] l 0 l kom l 0 c 0 s

28 Nabíjecí podmínky 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 m q kg 10. Hmotnost prachové náplně kg 11. Hustota prachové náplně kg.m -3 c Vlastnosti prachové náplně (PN) a rozměry prachových zrn (PZ) - -

29 Prachová náplň (PN) - střelivina Mechanické směsy Černý prach směs: KNO 3 75% (okysličovadlo), práškové dřevěné uhlí 15% S (pojivo) -10% - tuhé zbytky až 56% Bezdýmné prachy (Nc prachy, Ng prachy, Dg prachy, G prachy) C a H b O c N d - tuhé zbytky až 0%

30 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.

31 Charakteristiky PN Poř. č. N á z e v Ozn. Rozměr P o z n á m k a 1. Výbuchové teplo Q v J.kg -1 Uvažujeme vodu jako páru 2. Výbuchová teplota T v K - 3. Měrný objem plynu w 0 m 3.kg -1 Uvažujeme vodu jako páru 4. Hustota prachové masy kg.m Měrné teplo plynu za stálého objemu 6. Poměr měrných tepel plynu (adiabatický exponent) 7. Jednotková rychlost hoření prachu 8. c v J.kg -1.K -1 - c 1 u 1 m.s -1.Pa -1 Měrná energie prachu f J.kg Kovolum prachových plynů m 3.kg -1 c c c p v Rychlost hoření prachu při tlaku 1Pa (za předpokladu lineárního zákona hoření) f = r.t v, kde je r měrná plynová konstanta V rovnici ideálního plynu

32 Charakteristiky PN Poř. č. N á z e v Ozn. Roz. P o z n á m k a 10. Charakteristická tloušťka prachového zrna 2e 1 m Nejmenší lineární rozměr zrna před začátkem hoření

33 Char. Druh Q v (v.v.) [MJ.kg -1 ] Hodnoty charakteristik střelivin Q v (v.p.) [MJ.kg -1 ] [K] (2380) 0,24 0,28 0,89 0,94 0,84 1,01 0,95 1,08 [m 3.kg -1 ] (0,279) T v w o c v c u f [kg.m -3 ] (1600) (1600) (1570) [J.kg -1.K -1 ] ,26 1,28 1,23 1,29 1,26 1,30 [1] 2) 6,9 9,6 5,2 14,6 3,1 9,4 [m.s -1.Pa -1 ] 0,24 0,40 0,97 1,06 0,96 1,20 0,85 1,15 [MJ.kg -1 ] (0,244) 0,48 0,56 0,892 0,974 0,740 0,865 [m 3.kg -1 ] 1,002 1,057 (0,488) ČP 2,8 3,2 3,5 4,0 3,1 3,7 Nc Ng 3,3 5,2 2,9 4,8 Dg 2,8 4,3 2,5 3,9

34 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

35 1. Rovnice vývinu prachových plynů 2. Tlak prachových plynů 3. Pohybová rovnice střely 4. Kinematický člen spojující veličiny l, v, t 5. Rychlost hoření prachu, tj. rovnice 6. Rovnice pro redukovanou délku volného objemu spalovací komory 7. Rovnice po teplotu plynů p 2 3. z.. z.. z ) dv. mq s. p dt dl dt v dz p dt I l K 1 l0 1. T T.. mq. v f.. 2 s( l l) v 1.. mq. v 1 2. f. 2 2

36 Ukázka otázek do testu z T4 Složení střeliviny bezdýmného prachu lze obecně zapsat vzorcem: a) KNO 3 +C+S b) C 2 H 5 OH + CH 3 OH c) C a H b O c N d Výbuchové teplo (Energie výbuchu) bezdýmných prachů je řádově a) 2,5-5 MJ/kg b) MJ/kg c) 2,5-5 kj/kg