Ігор Лісін
Опис моелектричним зброї, як спадкоємця вогнепальної.
Протягом останніх століть основним інструментом ведення війни було вогнепальну зброю. В даний час, тільки стрілецьку вогнепальну зброю, виробляють понад 1000 компаній у 98 країнах, в кількості близько 8 млн. одиниць щорічно. Світовими лідерами у виробництві та експорті є США, Росія, Китай.
Загальна кількість стрілецької вогнепальної зброї у світі становить 639 млн. одиниць, приватним особам належить 377 млн. одиниць або 59%. З моменту появи і до наших днів вогнепальна зброя дуже змінилося. Воно удосконалювалося, в процесі еволюції підвищувалися його бойові характеристики і поліпшувалися експлуатаційні якості. У результаті багатовікового розвитку вогнепальна зброя досягла високого ступеня технічної досконалості. Але як будь-яке технічне пристрій має і свої недоліки.
Основним недоліком є занадто великий розмір порохового патрона. Це обумовлено низькою питомою теплотою згоряння пороху (близько 3800 кДж / кг). В даний час, у більшості зразків вогнепальної зброї використовуються одні й ті ж патрони, розроблені багато десятиліть тому, чи їх модифікації. Нові патрони винаходяться рідко, і вогнепальну зброю 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 даній статті розглядається альтернативне зброю, робота якого заснована на дещо інших принципах. Це моелектричним зброю, в якому замість пороху використовується ефективне паливо метал-кисень. Метали має значно більш високу питому теплоту згоряння (до 43000кДж/кг), що дає можливість вирішувати такі проблеми. По-перше, збільшувати початкову швидкість і дулову 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.
Моелектричним зброя це пристрій для метання снаряда (кулі), яке складається з наступних основних елементів: стовбур, джерело електричного струму, моелектричним патрон. Моелектричним патрон являє собою конструкцію, в якій за допомогою гільзи, об'єднуються в одне ціле снаряд, система подачі стисненого газу і згоряє елемент. Згоряє елемент виконаний з матеріалу, який є горючим по відношенню до стиснутого газу.
В якості пального можуть використовуватися метали, в якості стисненого газу кисень. Для здійснення пострілу замикається електричний контакт між джерелом електричного струму і сгорающімелементом. Під дією електричного струму, що згорає елемент нагрівається до високої температури. У результаті нагрівання відбувається хімічна реакція горіння між металом і стисненим киснем, і виділяється значна кількість тепла. Стиснутий кисень нагрівається, і його тиск у гільзі зростає. Під тиском нагрітого кисню, куля з гільзи виштовхується в стовбур. Нагрітий кисень різко розширюється і продовжує тиснути на снаряд. Внаслідок цього куля з прискоренням рухається в каналі ствола, набуває більшої швидкості і вилітає зі ствола. Таким чином, відбувається постріл.
В якості джерела електричного струму може використовуватися електричний конденсатор і батарея для зарядки конденсатора. Для зниження температури запалення в матеріал, з якого виготовляється згоряє елемент, може додаватися речовина-каталізатор.
Переваги моелектричним 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 гр. порохових газів і виділяється 950 Дж енергії. Після згорання згорає елемента 9-мм моелектричним патрона, залишається 0,24 гр. кисню і виділяється 1400 Дж 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 моелектричним патрон у півтора рази перевершує аналогічний 9-мм пороховий патрон, за кількістю енергії, що виділяється.
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 стійкими проти самозаймання, є метали. Крім того, метали мають ряд потрібних якостей.
У початкових експериментах для виготовлення яких спалює елементів можуть використовуватися кульгали (загальна назва жаростійких сплавів металевих сплавів, які 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, яка необхідна для нагрівання 1кг матеріалу до температури горіння), висока питома теплота згоряння, велика щільність, електропровідність, високий 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 моелектричним патрона, може бути взятий 9-мм пороховий патрон з трассірующей кулею, конструкторів В. В. Трунова і П. Ф. Сазонова. Його параметри такі: калібр 9 мм, маса патрона 10 гр., Маса кулі 6,1 гр., Маса порохового заряду близько 0,25 гр., Довжина патрона 25 мм, довжина кулі 12,35 мм, довжина гільзи 18,1 мм , довжина камери заряджання 12,25 мм, об'єм камери заряджання 0,56 см?, максимальне давдующімі характеристиками: питома теплота згоряння близько 30000кДж/кг, щільність близько 2700кг / м?, питома теплоємність близько 0,88 кДж / (кг * К) . Згоряє елемент може бути виготовлений з дроту, діаметром 0,45 мм і довжиною 108 мм. Дріт має форму спіралі довжиною 12,25 мм, 8 витків, діаметр витка 5 мм. Обсяг згорає елемента складе 0,0172 см? або 3% обсягу камери заряджання, маса 0,046 гр. Для ефективного перебігу хімічної реакції згоряє елемент потрібно нагріти до температури близько 250 ° С. Для цього знадобиться енергія приблизно 10 Дж.
Початок горіння металевого сплаву при такій порівняно низькій температурі, можливо за рахунок високої щільності і тиску кисню, а також додавання в сплав речовини-каталізатора. При повному згорянні згорає елемента витрачається 0,041 гр. кисню (15% його кількості в камері заряджання), і виділяється 1,4 кДж теплової енергії. Існують резерви значного підвищення кількості енергії, що виділяється, без збільшення розмірів моелектричним патрона. Так, при зростанні тиску кисню до 400 атмосфер, і його 50-відсоткової втрати при згорянні, маса згорає елемента зростає в 6 разів, і складе 0,3 гр. При повному згорянні виділяється 9кДж теплової енергії (у 9 - 10 разів більше, ніж у базового пістолетного патрона). Для нагрівання згорає елемента масою 0,3 гр. до температури 250 ° C знадобиться енергія 60 Дж. За рахунок більшої питомої теплоти згоряння можна зменшити масу кулі і збільшити її початкову швидкість до 3 000 м / сек, 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 моелектричним 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 моелектричним зброю містить джерело імпульсного електричного струму (електричний конденсатор і батарею).
Для отримання потужного електричного розряду з енергією 10 Дж може використовуватися конденсатор ємністю 100 мкФ, заряджений до різниці потенціалів 300 В. При таких параметрах маса побутового конденсатора становить близько 40 гр. (Існують конденсатори, маса яких на порядок менше). Енергоємність батареї визначається, як кількість ват-годин, що містяться в батареї і дорівнює добутку напруги батареї на її ємність в ампер-годинах (посилання). Батарейка Lithium Photo модель CRP2P має ємність 1300мАч, напруга 6В і важить 37гр. Її енергоємність 7,8 ват-годин 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 10 Дж 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 найманої потужністю. Максимальна знімна потужність чисельно приблизно ррелов в секунду (пістолет - кулемет). При більш потужному патроні і для подальшого підвищення скорострільності, доцільно застосування більш потужних батарейок та акумуляторів. У деяких випадках можуть застосовуватися стаціонарні джерела електричного струму (для танкових кулеметів, авіаційних кулеметів, артилерійських систем і т. д.). Третє: можливість ефективного управління процесом горіння згорає елемента. Здійснюється шляхом зміни енергії електричного розряду, хімічного складу і форми згорає елемента, тиску і процентного вмісту кисню. Дозволяє застосовувати дуже потужні патрони і оптимально використовувати їх енергію.
У вогнепальну зброю процес горіння порохового заряду є некерованим. Це призводить до великих піковим тиску, що може викликати розрив ствола, роздування гільзи і т. д., і є одним з факторів, що обмежують потужність порохового патрона. Нераціональний розподіл тиску порохових газів на різних етапах пострілу, призводить до неефективного перетворенню енергії газів в енергію кулі, (ККД вогнепальної зброї складає 30 - 35%). Оскільки, в моелектричним 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.
Моелектричним 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 подвійної дії. Для натискання на його спусковий гачок необхідно зусилля 5 - 6кгс, оскільки при такому натисканні здійснюється взвод ударно-спускового механізму і поворот барабана. У моелектричним 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, моелектричним пістолет-револьвер має дуже просту конструкцію: стовбур, барабан, спусковий гачок, електричний контакт і механізм обертання барабана з приводом від спускового гачка, джерело імпульсного електричного струму.
Можливі технічні причини неотримання очікуваних результатів і способи їх усунення наступні. Перше: 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. Друге: вогонь 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. Третє: недостатня швидкість горіння згорає елемента. Для підвищення швидкості горіння, можна додати матеріал згорає елемента речовина-каталізатор, змінити форму згорає елемента для збільшення площі його поверхні, збільшити потужність електричного розряду для підвищення температури. Можна збільшити всередині патрона тиск кисню або його концентрацію (у разі використання суміші кисню з інертними газами), використовувати для виготовлення згорає елемента матеріал зі зниженою теплотою займання. Четверте: в результаті згоряння металу утворюються тверді абразивні частки окислів металу, які впливають на знос внутрішньої поверхні стовбура, інших частин і механізмів моелектричним зброї, можуть викликати заклинювання автоматики.
Для усунення можливих наслідків можна використовувати для виготовлення згорає елемента неметалеві матеріали, застосовувати схеми автоматики без відводу частини газів (наприклад, з використанням енергії віддачі), застосовувати електричний привід автоматики. П'яте: в результаті впливу вологи на джерело імпульсного електричного струму, моелектричним 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. Перше: загальне підвищення експлуатаційних якостей та бойових характеристик стрілецької зброї. Друге: зменшення калібру і розмірів стрілецької зброї. Третє: перерозподіл сфер застосування різних типів стрілецької зброї (наприклад, моелектричним пістолет-кулемет зможе виконувати функції штурмової гвинтівки; моелектричним гвинтівка зможе застосовуватися для ураження легкоброньованих цілей). Четверте: використання моелектричним кулеметів великого калібру для ураження легкоброньованих цілей на дистанції понад 1 км. П'яте: використання моелектричним артилерійських систем малого калібру для боротьби з танками. Шосте: використання моелектричним артилерійських систем середнього та великого калібру для ураження цілей на дистанції понад 100 км. Сьоме: питання переозброєння при виявленні значної переваги деяких видів моелектричним зброї. Восьме: зменшення обсягу споживання і виробництва пороху. Дев'яте: проблема утилізації вогнепальної зброї та порохових боєприпасів. Десяте: зростання обсягу виробництва і споживання кисню. Одинадцяте: збільшення споживання та виробництва батарей і акумуляторів.
Моелектричним зброя є окремим видом зброї, поряд з пневматичним і вогнепальною зброєю. Попередні розрахунки показують його значну перевагу, по відношенню не тільки до пневматичної зброї, а й до вогнепальної. Потенційні можливості цього виду зброї дуже великі. Якщо очікувані технічні результати будуть отримані у повному обсязі, можна розробляти і проводити різні моделі моелектричним зброї, які замінять вогнепальну зброю. Якщо очікувані результати будуть отримані не в повному обсязі, або моелектричним зброю виявиться занадто складним, дорогим і ненадійним в експлуатації, то воно складе обмежену конкуренцію вогнепальної зброї (наприклад, у сфері виробництва елітного і спеціальної зброї). Якщо очікувані результати не будуть отримані, моелектричним зброю зможе виявитися вдалим комерційним проектом (наприклад, у сфері виробництва спортивного, мисливського, сувенірного і ін зброї). У будь-якому випадку, можливе значне поліпшення технічних результатів, як у результаті доведення окремих зразків, так і в процесі розвитку цього виду зброї в цілому.