Перейти к содержанию

Оружейный опыт

Авторизация  
  • записей
    46
  • комментариев
    637
  • просмотров
    114 816

Авторы этого блога

Баллистическое сравнение подводных ружей. Часть 1.1

Авторизация  
admin

6 516 просмотров

Автор: Инженер Филиппо Англани

Источник: www.pescasub.it
Перевод: APOX.Ru

ЧАСТЬ 1.1

1. Введение

В специальной литературе по сухопутному оружию большое внимание уделялось изучению баллистики. Причиной этого, главным образом, является военное (и охотничье) применение оружия, и сопутствующие исследования и эксперименты в этом направлении. Мы знаем как много снарядов запускается в воздух и поражает цели на суше или в воздухе. Также существует большое количество документации для резиномоторного оружия или арбалетов благодаря их широкому использованию в спортивных и в прежние времена охотничьих целях.

Однако для подводного оружия специальной литературы издано очень мало: во-первых, потому, что оно не может использоваться в качестве боевого оружия (если не брать во внимание фильмы о Джеймсе Бонде), во-вторых, результаты специализированных исследований, проводимых производителями, представляют собой коммерческую тайну и не подлежат широкой публикации (несмотря на то, что последние образцы подводного оружия демонстрируют явный прогресс в этой сфере, на протяжение последнего десятилетия это практически не отразилось в опубликованных специальных исследованиях).

Но, в третьем тысячелетии потребителю, ставшему более искушенным и требовательным к нюансам, помимо знания характеристик и преимуществ одного образца подводного оружия над другим, хочется знать причину возникновения некоторых явлений, в основном физических, влияющих на рабочие показатели используемого оружия.

Большое расхождение между арбалетом и пневматикой может показаться парадоксальным, но, пока с чисто механической точки зрения не совсем ясным.

Мы знаем из опыта, что эти два вида оружия имеют различные характеристики, известны их достоинства и недостатки, но сравнительные научные исследования так и не были проведены.

У нас есть предложение восполнить этот пробел! В конце работы будут представлены некоторые простые инструменты для вычисления физических величин, которые влияют на эффективность выстрела, так, чтобы каждый мог определить идеальную конфигурацию своего оружия, оптимально подходящую для конкретных условий охоты.

2. Общая информация

В настоящем исследовании будут проанализированы баллистические испытания, проведенные в специально оборудованных бассейнах. Объект исследования - резиномоторные и пневматические ружья. Очевидно, что в целях максимального приближения результатов экспериментов к реальным, необходимо при дальнейших расчетах учитывать ряд факторов и условий, отличающих лабораторный эксперимент от случаев практического применения:

1. Будем считать, что траектория гарпуна является прямолинейной, по крайней мере в течение первых метров движения (мы увидим, что в действительности это не совсем так);

2. В реальных условиях на движение гарпуна может воздействовать сила подводных течений,  в ходе же эксперимента следует помнить об отсутствии такого воздействия;

3. Наличие нейлона, линя и оперения гарпуна в расчет не берется, их влияние (безусловно очень значимое) будет рассмотрено в ходе дальнейших экспериментов;

4. В эксперименте во внимание не принимается возможное различие в конусных наконечниках гарпунов;

5. Предполагается принять в качестве эталона стандартные серийные образцы резиномоторных и пневматических ружей (мы заинтересованы в анализе видов оружия, то есть, в сравнении их баллистических данных);

6. Единицы измерения:  

- Сила [N]
- Скорость [м/сек]
- Масса [Кг]
- Время [сек]
- Интервал[м]
- Энергия [Дж]
- Плотность воды / плотность воздуха = 800
- Давление кг/см2], хотя для простоты изложения будем ссылаться на атмосферу [атм.] или бар [бар]. Но эти величины не являются равноценными, и в расчетах всегда будем использовать [кг/см2]

3. Вопросы энергии

Отправной точкой нашего исследования является величина потенциальной энергии, накопленной от движителя (резиновых тяг, сжатого воздуха) и отданной при выстреле в виде кинетической энергии.

3.1 Резина

Эластомерами называются материалы, которые способны к быстрому и точному восстановлению первоначальной формы при больших деформациях. Их можно разделить на натуральные и синтетические. Натуральный каучук, известный как промышленный латекс или резина, получают путем полимеризации смол растения Hevea Brasiliensis. Ввиду высокой себестоимости каучука природного происхождения и его функциональной ограниченности начиная с конца первой Мировой войны промышленность приступила к изучению синтетических эластомеров, полученных путем полимеризации мономеров, полученных в результате перегонки минеральных масел. В 1931 году транснациональная корпорация Du Pont получил синтетический полимер, устойчивый к старению, износу, и обладающий хорошей упругостью: началась эра неопрена ...

Основные виды синтетического каучука сегодня в первую очередь используются в автомобилестроении, авиации, судостроительной отрасли, в области текстильной, мебельной и обувной промышленности.

Резина же для арбалетов до сих пор поставляется немногочисленными производителями натурального каучука. Это, к сожалению, сказывается на регулярности и бесперебойности поставок, а также на качестве - из-за различного сырья упругость изделия может отличаться от партии к партии.

В каучук на стадии производства готовых изделий добавляются различные продукты, которые обеспечивают устойчивость к атмосферным воздействиям, большую эластичность, плавность хода и влагоустойчивость (при смазывании каучука немного теряется эластичность)

3.1.1 Физико-химические и механические свойства резины

Применительно к подводной охоте можно выделить следующие показатели:

  • Объемная масса: она равна плотности резины. Измеряется в [г/см3]. Например, резиновые тяги Dessault 16 мм более плотные чем Picasso 20 мм;
  • Модуль упругости: характеризует нагрузку, необходимую для получения определенного процентного удлинения резины относительно состояния до приложения нагрузки [кг/см2]. Для подводных условий коэффициент находится между 250% и 300%, т.е. нагрузка, необходимая для удлинения отрезка от трех с половиной до четырех раз относительно первоначальной длины (Возьмем для примера жгут из 120 резиновых волокон длиной 30 см и измерим расстояние от наконечника гарпуна до паза спускового механизма, что составляет около 80 см и, таким образом, общее удлинение составит 30+80 = 110 см, что более чем в 3 с половиной раза больше первоначальной длины);
  • Упругость (эластичность): характеризует возвращенную резиновыми тягами энергию после прекращения воздействия на них деформирующих сил, и измеряется соотношением отдачи механической энергии к времени восстановления формы. Это соотношение находится в прямой зависимости от объемной массы (плотности) резины. В момент заряжания накопленная энергия переходит в систему гарпун + тяги, и следовательно общая ускоренная масса равна сумме масс гарпуна и тяг . Чем больше масса резиновых тяг, тем больше потребуется энергии для ускорения. Следовательно, из соображений динамики масса резины должна быть минимальной. Точнее, пропорция масса / энергия должно иметь как можно меньшую величину. Любая часть ружья, обладающая во время выстрела скоростью, ведет к снижению эффективности выстрела, из чего следует, что энергия движения тяг в момент выстрела ведет к потере полезной энергии стрелы.
  • Гистерезис означает энергию, поглощаемую резиной, когда она подвергается циклической деформации, и измеряется разницей между энергией приложенной и отданной, выраженную в процентах (упругая деформация). Поглощенная эластомером энергия обычно превращается в тепло из-за трения между полимерными цепями молекул и, учитывая низкую теплопроводность, температура возрастает (однако, этого не происходит в воде за счет охлаждения водными потоками).

3.2    Работа и энергия в пневматике и арбалете

Отправной точкой является определение количества энергии, которую можно аккумулировать в двух орудиях.

Рассмотрим приложение силы F к телу (резина, поршень), и дополняем перемещением Ds в направлении применения силы. Определяем величину работы L: 

L = F * Ds     что является единицей измерения этой энергии [Nm или Джоуль J]

Сразу становится понятна важность работы: для арбалета она представляет собой количество энергии, которую можно получить после применения силы F (измеряется в килограммах или Ньютонах) и затем перемещения Ds (См. раздел 3.1.1 о длине заряжания резиновых тяг).

Энергия определяется как способность силы F выполнять работу. Кроме того, понятие мощности P (часто используется неправильно) это не что иное, как работа, пропорциональная силе за определенный период времени. Мощность измеряется в ваттах [W], что равно работе 1 Джоуль в секунду.

Получается, что мощность определяется по формуле:

P = F * v   [W]

Результат произведения силы на скорость. Обратите внимание - по этим двум параметрам можно рассчитать мощность наших ружей.

Для пневматики работа (и, следовательно, накопленная энергия) зависит от начального давления (предварительного давления) и изменения физического объема в резервуаре, в соответствии с простым законом, в следующих пунктах мы остановимся на этом более подробно.

3.3    Арбалет

3.3.1    Резиновые тяги

Как видно, сила применяется для растяжения резиновых тяг, и при этом не является постоянной, а колеблется от нуля до определенной величины (обычно между 50 и 60 кг, в зависимости от качества и производителя).

Если испытать тяги на специальном стенде, в диаграмме проставить значения силы в функции аргумента, то получим диаграмму треугольного типа, где площадь представляет проделанную работу, и, следовательно, накопленную энергию (примечание:   значения оси абсцисс - это удлинение после часа растяжения и последующей стабилизации, а ось ординат представляет нагрузки, выраженные в кг, действующие на 1 тягу. Для пары резиновых тяг результаты нужно умножить на два):

Например, для Picasso black с диаметром 19 мм (модель продается с диаметром сечения 16мм) диаграмма выглядит следующим образом:

Баллистическое сравнение подводного оружия

При это диаграмма имеет треугольный вид.

Известно, что эластомеры, в отличие от пружин, не следуют линейному закону такого типа:

    F = k x

Поскольку изначально кривая имеет более высокий коэффициент наклона (в указанной формуле - k), которой впоследствии изменяется.

В таблице представлены результаты стендовых испытаний ряда тяг от наиболее известных производителей:

Величина нагрузки [кг] для резиновой тяги
Производитель 0% 100% 200% 250%
Mean Green 15мм x 3мм 0,0 11,5 20,2 29,6
87' H.Dessault #2 Red 0,0 12,9 21,1 27,4
Esclapez Green #1 0,0 13,6 22,0 27,7
Omer 16 мм Black 0,0 12,2 18,6 22,9
Esclapez Megabooster Black 20мм 0,0 15,9 23,4 28,1
Picasso 19mm Black (*) 0,0 15,9 22,2 27,7
Omer 20мм Coated Amber 0,0 15,9 23,1 27,9
Esclapez Megabooster Amber 20мм 0,0 14,5 20,9 26,1

(*) = Рассмотренный выше пример

Следующая диаграмма получена в результате испытаний, которые проводил маэстро Дапиран на стенде, и показывает разницу между представлением о максимальной нагрузке в кг и энергией, накопленной в тяге:

Баллистическое сравнение подводного оружия

Для наглядности данные представлены в таблице с процентом растяжения:

Таблица тестовой нагрузки на растяжение
  Lo = 30 [см]
  растяжение
нагрузка Mean Green 15 мм Omer 19 мм
[кг] [см] % [см] %
3 33,5 112% 33 110%
6 38,5 128% 36,5 122%
9 46 153% 40,5 135%
12 55 183% 47 157%
15 66,5 222% 56 187%
17,5 75 250% 65 217%
20 83,5 278% 76 253%
22,5 91 303% 86,5 288%
25 97,5 325% 98 327%
27 104 347% 108 360%
28 106 353% 115 383%

Как видно, тяга Mean Green 15 мм до равного растяжения передает большую нагрузку, но Omer 20 мм накапливает больше энергии, потому что ее кривая является более "выпуклой", и следовательно образует большую площадь.

При еще больших растяжениях видно как кривая Green на графике резко устремляется вверх, что говорит о необходимости приложения силы особо большой величины для получения почти нулевой деформации - резина затвердевает и больше не поглощает энергии. Из сравнения следует, что резина 20-мм имеет большее преимущество, за счет дополнительного резерва энергии для необходимого растяжения.

Таким образом, можно утверждать, что при одинаковой длине тяги диаметром 20 мм в общем имеют больший  запас энергии, чем тяги диаметром 16mm.

Для сравнения следовало бы построить диаграммы для всех моделей по отдельности, но при этом возникают трудности в воспроизводимости испытаний, так как качество сырья у одного и того же производителя в различный партиях может отличаться.

В связи с этим приведенные выкладки, будучи верными, все же носят ориентировочный характер.

3.3.2    Работа и энергия арбалета

По данным испытаний, в отсутствие внешних воздействий и сторонних сил, накопленная энергия резины равна площади, образуемой кривой нагрузки, и равна интегралу:

Epò F* Ds    [Дж]

Таким образом, можно построить таблицу расчета энергии выстрела, зная удлинение резины Ds (в приложенном Excel файле обозначено как Lt), и ниже приведен пример расчета (резиномоторное ружье, длина 90см, но расчеты могут быть использованы для любой конфигурации):

Таблица 1 (фрагмент файла fucil)

Модель APACHE 90

КОНФИГУРАЦИЯ

ПРИМЕЧАНИЯ

Lt =     Удлинение резины 59 [см]
Le =    Длина резиновых тяг 23 [см]
La =    Длина штока гарпуна 130 [см]
Lg =    Длина наконечника 6,5 [см]
Ma =   Масса штока  285 [gr] Нержавеющая сталь 6 мм
Me =   Масса резиновых тяг 105 [gr] Cressi S45 18 мм
Mo =   Масса наконечника  15 [gr]
De =    Диаметр резиновых тяг    18,0 [мм]

РЕЗУЛЬТАТЫ

F =   Сила заряжания     57,00 [кг]
Ep =    Накопленная энергия 191,35 [Дж] Площадь диаграммы
Ecp = Потраченная энергия резиновых тяг и наконечника 24,19 [Дж] составляет 12,64% от общего количества
Eu =    Полезная энергия  167,15 [Дж]
Eta =   Эффективность     87,36%  
v =    Начальная скорость 34,25 [м/с]
P =   Полезная мощность 9,52 [кВт]

Следовательно, накопленная энергия равна:

Ep = 191,35         [Дж]

и  возвращена в систему гарпун + тяги (и, таким образом, полная масса перемещаемого тела равна сумме масс штока, резиновых тяг и наконечника)

3.3.3    Скорость перемещения резиновых тяг

Даже если вся система шток + тяги + наконечник ускоряется движущей силой сокращающейся резины в силу ее характеристик, скорость каждого элемента системы в отдельный момент времени не одинакова.

Действительно, в резиновых тягах участки самые близкие к местам их крепления, выполняют наименьшее перемещение, стремясь к нулю в точке крепления, в то время как скорость различных участков пропорционально приближению к точке контакта со штоком гарпуна будет постепенно возрастать до полного равенства со скоростью штока (в точке контакта тяг и штока гарпуна), согласно графику гиперболического типа (это объясняется во второй части работы, пункт 9.7), который для простоты мы приблизим к треугольной форме (традиционный подход упрощения расчетов в целях учета других факторов потери энергии):

Баллистическое сравнение подводного оружия

Центр тяжести G резиновой тяги в состоянии покоя при длине длины Li переходит в позицию G' при растяжении тяги до длины Lf. Участок тяги в контакте со штоком гарпуна - единственный, который имеет скорость, равную скорости гарпуна vа, все другие участки, как видно из диаграммы, обладают скоростью, постепенно уменьшающейся до нуля в области крепления тяг.

При расчете кинетической энергии мы, таким образом, не можем сказать, что вся масса резиновых тяг задействована с одинаковой скоростью, но должны рассчитывать ее, ориентируясь на центр тяжести растянутой тяги, движущийся со скоростью VG, меньшей скорости штока гарпуна Va. Насколько меньшей? Судя по графику, скорость движения центра тяжести резиновой тяги равна половине скорости движения штока гарпуна (в реальном случае она незначительно выше):

VG = 0,5 * Va

Наконечник, будучи твердым и, таким образом, недеформируемым, перемещается с той же скоростью, что и шток.

Кинетическая совокупная энергия системы равна:

Ec = ½ Ma Va2 + ½ Me (Va / 2)2  +½Mo Va2        (1)

           (шток)             (тяги)           (наконечник)

Важная заметка: в таком энергетическом расчете мы пренебрегли эффектом отдачи, который имеет место в момент выстрела и уменьшает полезную энергию системы (см. пункт 6), поскольку эффект отдачи слишком субъективен и связан с массой отдельного подводного ружья. Такая потеря энергии в результате снижает конечную скорость штока, но учитывая, что ранее мы прибегли к некоторому упрощению расчетов (фактическая скорость резины должна быть несколько выше рассчитываемой) пока описанную потерю энергии отдельно рассчитывать мы не будем.

Следует, что скорость штока составляет

v = radq (( 2 Ec) / (Ma + Me/4 + Mo )) = 34,25 [м/сек]

Стоит иметь в виду, что масса тяг при расчете энергии берется как одна четвертая от общей.

Кинетическая энергия, которая расходуется на придание системе тяги + наконечник такое же ускорение, как штоку, равно:

Eg = ½ (Me * VG 2+ Mo * v2 ) = 24,19 [Дж]

Это равно 12,64 % от всей кинетической энергии, и таким образом, не является значительным фактором, так как в результате оставшейся энергии достаточно для эффективной работы системы.

Мы определяем, эффективность оружия как отношение 

h =   E / (E - E g) = 87,36%

Эффективность снижается пропорционально увеличению массы тяг и наконечника.

В идеале в целях повышения эффективности следует использовать легкие резиновые тяги по отношению к работе, которую они должны выполнять, и наконечник с пластиковой втулкой.

3.4   Силы сопротивления

При выше приведенных расчетах силы сопротивления (трения) принимались равными нулю, однако на самом деле при нажатии на спусковой крючок на элементы системы ввиду высокой плотности водной среды начинают воздействовать силы сопротивления.

Степень воздействия данных сил зависит от следующих параметров:

  • диаметр штока;
  • форма наконечника;
  • длина штока;
  • скорость (в квадрате);
  • форма хвостового оперения.

В целом воздействия сил сопротивления можно выразить формулой:

F = c * S * r * v2

Где:
c = коэффициент, зависящий от формы тела;
S = площадь сечения штока;
r = плотность жидкости;
v = скорость штока.

Определение влияния гидродинамического трения будут подробно изложены ниже.

3.5    Пневматическое ружье (пневматика)

В пневматике, как уже говорилось выше, работа (и, следовательно, накопленная энергия) зависит от начального давления и изменения объема в ресивере.

В соответствии с универсальным законом идеального газа, при изменении давления существенно изменяется и объем газа:

pV= nRT

Так в соответствии с законом Гей Люссака и Бойля Мариотта:

p1 V1 / T1 = p2 V2 / T2

Переход из одного состояния в другое может происходить в силу изменения одного из параметров, при поддержании же постоянной температуры изменение состояния происходит в соответствии со следующей формулой:

p1 V1 = p2 V2

Таким образом, рост начального давления при погружении прямо пропорционален снижению объема.

На самом деле в ружье сжатие газа под воздействием нарастающей нагрузки может быть приближенным в изотермическому процессу, и расширение в момент выстрела схоже с адиабатным процессом (происходит так быстро, что теплообмен с внешней средой в этот момент отсутствует).

Когда в ружье закачен такой газ, как воздух, при расчете работы газа необходимо учесть соответствующее перемещение l:

L = F * l =p * (V2 - V1)

Т.е.

L = p * DV    [Дж]        что равно накопленной энергии.

3.5.1   Начальное давление

Если S - площадь поверхности поршня [см2], то сила, с которой поршень воздействует на шток гарпуна, рассчитывается по формуле:

F = p * S     [кг] ,

величину которой, найдя эмпирическим путем, можно использовать для расчета предварительного (начального) давления P  в [кг/см2].

Действительно, при внутреннем диаметре ствола 13 мм, площадь поверхности поршня составит

S = 1,33 [см2]

Чтобы узнать давление, достаточно упереть ружье со вставленным гарпуном в деревянную доску, расположенную на домашних весах (лучше электронных), после чего следует надавить сверху, и в момент, когда шток начнет двигаться относительно ствола. снять показания (иначе давление будет расти) - так мы получим значение давления в ресивере в [кг].

Затем делим полученное давление в [кг] на площадь поверхности поршня [см2], что даст значение предварительного давления:

p = F / S   [кг/см2]

Для ствола с внутренним диаметром 11 мм (Cyrano, Skorpion) соответствующая площадь поверхности поршня будет равна

S = 0,95 [см2]

3.5.2   Работа и энергия пневматики

Возвращаясь к выражению работы, накопленная энергия при начальном давлении умножается на изменение объема в цилиндре, так как воздух в цилиндре при движении поршня меняет свой объем.

Обратите внимание на начальное давление и другие физические характеристики ружья, например (подводное ружье Cyrano 110):

Таблица 2 (выдержка из файла fucili.xls)

Cyrano 110

КОНФИГУРАЦИЯ

ПРИМЕЧАНИЕ

Lt =     Длина под нагрузкой 92     [см]
d2 =    Внутр. диаметр ствола 11     [мм]
P1 =    Давление предварительное 35     [кг/см2]
La =    Длина штока (общая)     122   [см]
d =   Диаметр штока 7    [мм]    0,00019
Ma =   Масса штока 365   [г]     Оригинальный Filettata Mares + наконечник
Mp =   Масса поршня       20     [г]     тефлон

РЕЗУЛЬТАТЫ

ПРИМЕЧАНИЕ

Fi =     Сила начальной нагрузки     33,26   [кг]
Ff =     Сила конечной нагрузки     36,61   [кг]
Vi =     Начальный объем цилиндра 986,96       [см3]
Vf =    Конечный объем цилиндра 896,68       [см3]    Изменение объема = 9%
Vc =    Внутренний объем ствола       90,28   [см3]
Pf =     Давление конечное в заряженном состоянии 38,52   [кг/см2]
Ep =    Накопленная энергия    309,98       [Дж]
Ecp = Потерянная энергия (трение поршня) 16,10   [Дж]    5,19% от общего    
Va =    Начальная скорость штока 40,13   [м/сек]
P =   Полезная мощность    8,07     [кВт]
Delta p =      Потеря давления в ружье 1,08     [кг/см2]

3.5.3   Ружья с диаметром стволов 11 мм и 13 мм

Важно заметить, что при рассмотрении чисто баллистических аспектов ружье со стволом диаметром 11мм уступает по своим рабочим характеристикам ружью со стволом 13мм, в действительности же первое имеет ряд преимуществ:

  • Требуется меньшее усилие при заряжании;
  • Возможность использования гарпунов диаметром 7 и 6,5 мм (которые часто гнутся из-за очень высокой силы, требуемой при заряжании в ствол диаметром 13мм);
  • Более высокая точность в силу конструктивных особенностей и меньшая отдача (так как мощность выстрела меньше).

Есть и недостатки:

  • Меньшее остаточное давление при равном начальном (объем сжимаемого воздуха меньше вследствие меньшего рабочего объема ствола);
  • Меньшая накопленная энергия (по причине, указанной выше);
  • Меньшая скорость штока равного диаметра.

Так, если бы в "нормальное" пневматическое ружье с диаметром ствола 13мм можно было загрузить гарпун диаметром 7мм, при равном начальном давлении мы бы получили  следующее (на примере Sten 110):

Sten 110

КОНФИГУРАЦИЯ

ПРИМЕЧАНИЯ

Lt =    

Длина под нагрузкой

92    

[см]

 

d2 =   

Внутр. диаметр ствола

11    

[мм]

 

P1 =   

Давление предварительное

35    

[кг/см2]

 

La =   

Длина штока (общая)

122  

[см]

 

d =  

Диаметр штока

7   

[мм]   

0,00019

Ma =  

Масса штока

365  

[г]    

Оригинальный Filettata Mares + наконечник

Mp =  

Масса поршня      

20    

[г]    

тефлон

РЕЗУЛЬТАТЫ

ПРИМЕЧАНИЯ

Fi =     Сила начальной нагрузки     46,46 [кг]
Ff =     Сила конечной нагрузки     53,38   [кг]
Vi =     Начальный объем цилиндра 971,88 [см3]
Vf =    Конечный объем цилиндра 845,79 [см3]    изменение объема = 9%
Vc =    Внутренний объем ствола       126,10 [см3]
Pf =     Давление конечное в заряженном состоянии 40,22 [кг/см2]
Ep =    Накопленная энергия    432,95 [Дж]
Ecp = Потерянная энергия (трение поршня) 22,49   [Дж]    5,19% от общего    
Va =    Начальная скорость штока 47,42   [м/сек]
P =   Полезная мощность    14,37 [кВт]
Delta p =      Потеря давления в ружье 1,58  [кг/см2]

При начальной скорости около 47 [м/сек] (!!), и гораздо большей энергии (изменение объема составляет 13% против 9% для ружья с диаметром ствола 11 мм), даже если удастся зарядить гарпун 7 мм (при давлении выше 32 -- 33 атм. это практически невозможно ввиду неизбежного изгиба штока гарпуна), и сделать надлежащую настройку спускового механизма (втулка 3 мм), сделать поправку на отдачу и трение воды (сделать разгрузку наконечника) и воздуха (в стволе), и т.д. ... выстрел будет непревзойденным ... но для чего? Где можно должным образом использовать оружие с такими характеристиками? Конечно, не для охоты на мелкую и среднюю рыбу.

Лично я, вопреки технической документации и инструкциям, использовал такую конфигурацию ружья при этом, не прибегая к каким-либо расчетам, но без всякого успеха, в первую очередь из-за точности - очень часто промахиваясь мимо "обычных" рыб, в которых я без проблем попал бы из хорошего арбалета.

Однако не думаю, что стоит сильно отклоняться от темы и переключаться на пелагических животных...

В следующем сезоне охоты на тунца я с удовольствием попробую использовать Cyrano 110, но на этот раз после модификации в соответствии со следующими советами PaxeMax...

La Mares в инструкции по эксплуатации Cyrano предлагает график, иллюстрирующий взаимосвязь между накопленной и кинетической энергией, оставшейся после пролета гарпуном расстояния 2,57 метра, при сравнении ружей Cyrano и Sten равной длины (коэффициент 0,58 против 0,49). Если внимательно рассмотреть условия испытаний, видим, что усилие погружения (плавучесть) было принято одинаковым для обоих образцов, однако чтобы получить то же усилие погружения, ружье с диаметром ствола 13мм должно быть меньше накачано... в частности, у Sten усилие погружения равно 24 [кг/см 2], а у Cyrano - до 35 [кг/см2] (см. таблицу). Таким образом, сравнение не является правильным, поскольку эксплуатационные показатели должны сопоставляться, в том числе, и при условии равенства предварительного давления!!

Кроме того, хотелось бы обратить внимание на то, что если бы в расчетных таблицах я указывал бы расстояние 2,57 м (ячейка D55) в разделе, посвященном ружью Cyrano, отношение между запасенной и остаточной энергией будет равно 0,58, что подтверждает точность моей формулы.

3.5.4    Потеря энергии из-за воздуха

Потери энергии, вызываемые прохождением воздуха вдоль гарпуна внутри ствола можно выразить формулой:

Dp = (b * v2 ) / (R * T * d) * l * p

где:

Dp = потери [кг / см 2]

b= коэффициент, который равен примерно 2,03

v = скорость поршня [м / сек]

R = газовая постоянная = 29,27 [кг м / кг ° K]

T = абсолютная температура = 273,16 + T [° C]    [K]

d = диаметр ствола [мм]

l = длина ствола [м]

p = конечное давление [кг / см 2]

Эта формула уже включена в таблицу расчета (fucili.xls) и величина рассчитывается автоматически.

3.5.5    Потери энергии из-за воды

В момент, когда мы нажимаем на курок, шток обладает высокой начальной скоростью, но гарпуну предстоит пересечь весь ствол, полный воды, которая должна быть вытолкнута либо через переднюю часть ствола, либо через выпускные отверстия наконечника. Основным средством сокращения потерь, таким образом, являются характерные выпускные отверстия, потому что потери гидравлического типа обратно пропорциональны участкам перемещения и прямо пропорциональные квадрату скоростей, в связи с чем, для снижения потерь необходимо:

  • Увеличить площадь перемещения;
  • Уменьшить шероховатость ствола;
  • Уменьшить скорость.

Поскольку, не хотелось бы оперировать третьей переменной, а вторая уже обладает хорошим значением (конечно, можно дополнительно обработать ствол алюминием методом анодного окисления), остается только изменить площадь отверстия при помощи сверла или развертки.

То есть в отличие от арбалета пневматическое ружье имеет дополнительные потери в виду необходимости перемещения массы воды внутри ствола, которые можно рассчитать по формуле:

Dp = K * V2 / (d * 2g)

где:

Dp = потери [кг/см2]

K = константа, которая зависит от шероховатости ствола и других факторов (трение, турбулентные потоки)

V = скорость [м / сек]

d = совокупный диаметр участка перемещения (ствол + передние отверстия) [мм]

g = ускорение свободного падения   [м/сек 2]

Данную величину вычислить крайне сложно, поскольку в научной литературе по гидравлике или гидродинамике нет упоминания о трубопроводах настолько малых диаметров при относительно высоких скоростях (из-за ограниченного применения).

При использовании расчетного графика применительно к нашему примеру (учитывая средний диаметр выпускных отверстий 5 мм х 4 отверстия) потеря будет приблизительно равна:

Dp » 2 [кг/см2]

В связи с этим скорость движения штока на выходе из ствола пневматического оружия в предыдущем примере (у ружья Cyrano) с учетом суммы потерь будет равна:

Va = 39,87 [м/сек]

В то время как у арбалета шток на выходе из оружия должен преодолеть лишь трение воды и, если есть, всю длину направляющей (пренебрегая трением в области наконечника).

3.6    Сравнение пневматики и арбалета

Основываясь на приведенных выше первоначальных результатах можно констатировать, что:

  • Ружье Cyrano накачанное до 35 [атм] со стволом с 7мм «на бумаге» (и только с точки зрения энергетики) быстрее арбалета со штоком 6мм (в зависимости от модели, превосходство от 6% до 15%), но не более мощное (от 8 кВт до 9,5 кВт). Это убеждает нас в том, что понятие мощности, в том числе равное произведению силы на скорость, зачастую трактуется неверно. И даже при большей скорости движения штока усилие заряжания пневматики значительно меньше (36,6 кг против 57 кг для арбалета). Это говорит о том, что КПД у пневматики выше, чем у арбалета. На деле заряжание кажется более тяжелым из-за того, что используется только одна рука в отличие от резиномоторной модели ружья, при этом можно увеличить усилие, задействовав плечевой сустав, однако в результате проблема усугубляется из-за сгибания штока. И, наконец, всегда помните о том, что отправной точкой для расчета проникновения гарпуна является его кинетическая энергия, для которой, как видно, единственными важными для расчета величинами являются масса и скорость, поэтому, чем больше у штока масса и скорость, тем дальше он летит, и тем глубже проникновение.
  • Эффективность пневматики, как сказано выше, больше, чем у арбалета, поскольку при меньшем усилии заряжания удается получить большую скорость. Учитывая потери энергии из-за трения при перемещении штока поршня, потерь вследствие неэффективного расхода воздуха в стволе из-за «утечки» между стенками ствола и гарпуном, и трение о воду (см. пар. 3.5.3 и 3.5.4), эффективность составляет около 90%;
  • В арбалете к штоку сила прикладывается только в одной точке, причем не в точке приложения силы (расположения спускового механизма), а в точке первого или второго зацепного паза, в силу чего в фазе выстрела штоку придаются упругие волнообразные деформации (явление упругой деформации в точке приложения силы), которых не возникло бы в пустоте в отсутствие сил сопротивления. Это отчетливо видно в некоторых роликах (Донати, Дапиран и др.) и в клипе Totem в испытаниях в бассейне, особенно при диаметре штока 6 мм. Описанное явление достаточно сложное и будет более подробно рассмотрено в дальнейшем. Доподлинно известно, что шток выполняет затухающие колебания (обычно 1-2) в пределах линии своей траектории перемещения. В целом ружье не теряет в точности при дальних выстрелах, потому что колебание затухает на первых двух метрах движения и, таким образом, если шток прямой, линия колебаний и траектория движения штока в итоге совпадают (см. рисунок: для большей наглядности, колебания штока немного преувеличены).

Баллистическое сравнение подводного оружия

  • Напротив, пневматика теряет в точности при выстрелах с близкого расстояния (известны промахи мимо зубатки с одного метра) и, как всегда в таких случаях, теряется и энергия. Пневматика, имея в передней части ствола направляющую втулку, а также при использовании штоков больших диаметров, не испытывает сколько-нибудь значительных проблем в связи описанными колебаниями.
  • Пневматика не имеет деформаций в заряженном состоянии. Конструкция ружья имеет высокую жесткость, поскольку ствол по сути зажат между двумя резьбовыми соединениями корпуса ружья. Резиномоторные ружья последнего поколения компенсируют указанный недостаток приданием стволу повышенной жесткости (например, в моно-корпусных моделях). В арбалете, склонном к изгибанию при заряжании, кроме потери точности имеет место и потеря энергии.
  • Пневматика имеет более компактные размеры при равных характеристиках. Пневматическое ружье с длиной штока 110 уже не превышает по длине размеры арбалета на 75, что дает пневматике очевидные преимущества в маскировке, при наведении на цель и хранении;
  • Способы высвобождения энергии различны. В пневматике расширение воздуха происходит через выпускные отверстия, и, следовательно, высвобождение энергии носит мгновенный и в то же время прогрессивный характер. В качестве усовершенствования пневматики обычно привносятся такие фундаментальные изменения, как изменение канала ствола и расширение выходного отверстия. В арбалете энергия высвобождается резко, мгновенно; здесь стоит отметить, что применяемая для тяг резина может обладать разными рабочими характеристиками, но это вопрос типа резины и, следовательно, производителя. Представим, что охота ведется на укрывшуюся в логове добычу - в этом случае приобретает значение то, что для полной эффективности при выстреле из пневматики обязательно, чтобы шток полностью вышел из ружья, иначе выстрел получится слабым. В арбалете, напротив, достаточно того, чтобы шток выступал только на длину, соответствующую полному сокращению тяг, и, таким образом, можно делать успешные выстрелы в полную силу при штоке, частично находящемся в ружье.

Позвольте мне закончить этот пункт напоминанием о том, что мы не должны путать полученные здесь путем умозаключений результаты с реальными различиями между разными моделями ружей,  не все арбалеты или пневматические ружья, имея разную конструкцию, равны в характеристиках, хотя и имеют общие законы, определяющие принципы их работы.

3.7    Арбалет с двойными тягами

В данном пункте мы рассматриваем резиномоторное ружье с двойными тягами. Единственная разница заключается в том, что возможности арбалета могут быть увеличены постепенно (пропорционально количеству тяг) в соответствии с желаемыми характеристиками ружья. Такую уникальную возможность дает ружье BIG GAME BLUE HUNTING.

В случае с пневматикой достичь предела накачки невозможно и не нужно - это чревато взрывом.

Для примера возьмем длину 100:

Таблица 3 (выдержка из файла fucili.xls )

Расчеты

КОНФИГУРАЦИЯ

ПРИМЕЧАНИЯ

Lt =     Длина под нагрузкой 92     [см]
Le= Длина тяг 25 [см] (средняя)
La= Длина штока 140 [см]
Lg= Длина наконечника 7 [см]
d=    Диаметра штока 6.5    [мм]
Ma = Масса штока 363 [г]
M20= Масса тяг 16мм 230 [г] Двойная, круглое сечение Dessault 16
Mg= Масса наконечника 44 [г] 2 x Devoto с нейлоновыми втулками
De =    Диаметр тяг   16.0  [мм]   

РЕЗУЛЬТАТЫ

ПРИМЕЧАНИЯ

F =   Сила нагрузки       110,00 [кг]
Ep =    Накопленная энергия    400,56 [Дж]
Ecp = Энергия потраченная на тяги + наконечник 87,53 [Дж] Составляет 21,85% от общей энергии
Eu= Свободная полезная энергия 313,03 [Дж]
eta= Эффективность 78,15%
Va =    Начальная скорость штока 41,53 [м/сек]
P =   Полезная мощность    19,93 [кВт]

При расчете силы нагрузки уже были вычтены около 2,75 кг, являющиеся компонентом силы, которая расходуется на трение штока о направляющую при выстреле (см. следующий пункт). Оказывается очевидным, что рабочие показатели оружия теперь сравнимы, если не выше показателей тяг из первого примера. Принимая во внимание наличие изменяемых факторов, личной манеры стрельбы, наличие или отсутствие изменений в конструкции, приведенные результаты могут быть улучшены или, во всяком случае, отличаться. 

Продолжение: см. "часть 1.2 "

Автор: Инженер Филиппо Англани
Источник: www.pescasub.it
Перевод: APOX.Ru

Авторизация  


8 Комментариев


Рекомендуемые комментарии

[quote name="Vlanik"][quote name="skarabey"]Супер!!! Супер-пупер!!! Супер-пупер-мупер-супер!!!!!![/quote]
Могу подсказать, он написан русским человеком...[/quote]
Я бы не спешил с выводами ;)
Рано или поздно правда вылазиет наружу! Вами любимый и всюду приводимый файл имеет далеко не русские корни! Как ни прискорбно :oops: Другое дело, что кто-то его взял, кое что добавил, и выдал за свое ;-)

Поделиться этим комментарием


Ссылка на комментарий
А так хорошо начиналось - "В настоящем исследовании будут проанализированы баллистические испытания, проведенные в специально оборудованных бассейнах."
Грош цена вычислениям, бо нема практических ИЗМЕРЕНИЙ!!!
Браво маэстро Dapiran!!!
З повагою

Поделиться этим комментарием


Ссылка на комментарий
[quote name="Vlanik"]Ну так раскрой его и увидиш русский текст...[/quote]
Заменил файл с таблицей, теперь он на русском :)
Исходный файл на Итальянском доступен по ссылке:
http://apox.ru//uploades/articles/weapon/mygun/ballistik_gun_1/fucil_it.xls

[quote name="Сергій Кравченко"]А так хорошо начиналось...[/quote]
Будет продолжение... Следите за новостями.

Если есть замечния и предложения по переводу можете писать, пожелания будут учтены при переводе сл. части и внесены коррективы, если потребуются.

Сразу есть замечание, если рассматривать гарпун как составной элемент, как его лучше обозвать "наконечник + шток гарнупа" или как? Есть соображения по этому поводу?

Поделиться этим комментарием


Ссылка на комментарий
При рассмотрении таблицы растяжения резин возникает ложное впечатление что 15мм резина установленная на арбалете придаст гарпуну большую энергию чем 20мм. у нее же 29.6 кг а не 27.7 усилие зарядки,есть и обьяснение но не доведенное до логического конца.На примере 15мм резины четко просматривается % растяжения при котором натяжение становится неэффективным (направленным на разрыв, а не на преодоление упругой деформации) С утолшением резины этот порог отодвигается в сторону увеличения,по наблюдениям за Pikasso 21мм резкое (бесполезное) увеличение усилия зарядки приходится на промежуток за 400% при усилии свыше 38кг. Мне кажется что большим интересом будет пользоваться таблица с указанием этого порога и зависимости от длины и толщины резины для подбора эффективных для себя тяг, в унисон своих физических кондиций.Длинную но толстую можно и укоротить для усиления заряжания , а вот тонкая пойдет на разрушение.

Как видно, тяга Mean Green 15 мм до равного растяжения передает большую нагрузку, но Omer 20 мм накапливает больше энергии,

Этот вывод по моему ,не совсем точен тк. на всех участках растяжения ,согласно таблицы ,к 20мм тягам прикладывается большее усилие чем к 15мм, кроме участка между 200-250% где у 15мм резины заканчивается УПРУГАЯ и начинается ДЕФОРМАЦИЯ ( для гарпуна малоэффективная,направленная не на отдачу энергии,а на сохранение целостности резины)


можно утверждать, что при одинаковой длине тяги диаметром 20 мм в общем имеют больший запас энергии, чем тяги диаметром 16mm.

Точнее резерв по приложению большей энергии,а ее запас зависит от Вас в обоих случаях.

Евгений.

Поделиться этим комментарием


Ссылка на комментарий
Товарищ из теплой италии приводит формулу расчета энергии для пневмата:
L = F * l =p * (V2 - V1)
Здесь, в этой формуле, делается одно допущение - типо так как изменения объемов невелики допускаем что у нас давление постоянное и берется начальное давление закачки. Но! В пневматах изменяется не только объем, но и соответственно давление, причем колебания давления могут быть в пределах 10 - 20 процентов. Более правильной формулой для расчета пневматов будет формула:
E= (Pн + Pк)*(Vн-Vк)/2
где (Pн + Pк)/2 - есть среднее давление в пневмате.
Но и в этой формуле есть допущение, принимается что температура в процессе выстрела неизменна. Как все понимают эти параметром можно пренебречь.

Поделиться этим комментарием


Ссылка на комментарий
Гость
Добавить комментарий...

×   Вставлено с форматированием.   Вставить как обычный текст

  Разрешено использовать не более 75 эмодзи.

×   Ваша ссылка была автоматически встроена.   Отображать как обычную ссылку

×   Ваш предыдущий контент был восстановлен.   Очистить редактор

×   Вы не можете вставлять изображения напрямую. Загружайте или вставляйте изображения по ссылке.

Загрузка...


×
×
  • Создать...