Реферат: Пневмоэлектрическое оружие

Игорь Лисин

Описание пневмоэлектрического оружия, как наследника огнестрельного.

На протяжении последних столетий основным инструментом ведения войны являлось огнестрельное оружие. В настоящее время, только стрелковое огнестрельное оружие, производят более 1000 компаний в 98 странах, в количестве около 8 млн. единиц ежегодно. Мировыми лидерами в производстве и экспорте являются США, Россия, Китай.

Общее количество стрелкового огнестрельного оружия в мире составляет 639 млн. единиц, частным лицам принадлежит 377 млн. единиц или 59 %. С момента появления и до наших дней огнестрельное оружие очень изменилось. Оно совершенствовалось, в процессе эволюции повышались его боевые характеристики и улучшались эксплуатационные качества. В результате многовекового развития огнестрельное оружие достигло высокой степени технического совершенства. Но как любое техническое устройство имеет и свои недостатки.

Основным недостатком является слишком большой размер порохового патрона. Это обусловлено низкой удельной теплотой сгорания пороха (около 3800 кдж/кг). В настоящее время, в большинстве образцов огнестрельного оружия используются одни и те же патроны, разработанные много десятилетий назад, или их модификации. Новые патроны изобретаются редко, и огнестрельное оружие даже самой современной конструкции, обычно создается под уже существующий патрон. Большие размеры порохового патрона не позволяют значительно повысить боевые характеристики и улучшить эксплуатационные качества огнестрельного оружия.

В данной статье рассматривается альтернативное оружие, работа которого основана на несколько иных принципах. Это пневмоэлектрическое оружие, в котором вместо пороха используется эффективное топливо металл-кислород. Металлы имеет значительно более высокую удельную теплоту сгорания (до 43000кДж/кг), что дает возможность решать следующие проблемы. Во-первых, увеличивать начальную скорость и дульную энергию пули. Это позволит уменьшить калибр пули, увеличить дальность и точность стрельбы, усилить поражающее действие пули. Во-вторых: уменьшать размеры патрона. Это позволит уменьшить размеры оружия, сделать его более легким и более удобным, увеличить боезапас.

Пневмоэлектрическое оружие это устройство для метания снаряда (пули), которое состоит из следующих основных элементов: ствол, источник электрического тока, пневмоэлектрический патрон. Пневмоэлектрический патрон представляет собой конструкцию, в которой с помощью гильзы, объединяются в одно целое снаряд, система подачи сжатого газа и сгорающий элемент. Сгорающий элемент выполнен из материала, который является горючим по отношению к сжатому газу.

В качестве горючего могут использоваться металлы, в качестве сжатого газа кислород. Для производства выстрела замыкается электрический контакт между источником электрического тока и сгорающимэлементом. Под действием электрического тока, сгорающий элемент нагревается до высокой температуры. В результате нагревания происходит химическая реакция горения между металлом и сжатым кислородом, и выделяется значительное количество тепла. Сжатый кислород нагревается, и его давление в гильзе возрастает. Под давлением нагретого кислорода, пуля из гильзы выталкивается в ствол. Нагретый кислород резко расширяется и продолжает давить на снаряд. Вследствие этого пуля с ускорением движется в канале ствола, приобретает большую скорость и вылетает из ствола. Таким образом, происходит выстрел.

В качестве источника электрического тока может использоваться электрический конденсатор и батарея для зарядки конденсатора. Для снижения температуры воспламенения в материал, из которого изготовляется сгорающий элемент, может добавляться вещество-катализатор.

Преимущества пневмоэлектрического оружия по сравнению с огнестрельным оружием следующие. Первое: большая удельная теплота сгорания топлива металл-кислород. После сгорания порохового заряда пистолетного 9-мм патрона остается 0,25 гр. пороховых газов и выделяется 950 Дж энергии. После сгорания сгорающего элемента 9-мм пневмоэлектрического патрона, остается 0,24 гр. кислорода и выделяется 1400 Дж энергии (см. ниже). Пороховые газы и кислород имеют одинаковую молекулярную массу, соответственно 14 - 19 и 16 атомных единиц массы. При одинаковых размерах и равном количестве расширяющегося газа, 9-мм пневмоэлектрический патрон в полтора раза превосходит аналогичный 9-мм пороховой патрон, по количеству выделяемой энергии.

Для изготовления сгорающего элемента могут использоваться различные материалы. Например, углерод. Углеродный сгорающий элемент может нагреваться электрическим током (из углерода изготовляются электрические нагревательные элементы). Основным недостатком является возможность самовоспламенения. Наиболее устойчивыми против самовоспламенения, являются металлы. Кроме того, металлы обладают рядом нужных качеств.

В первоначальных экспериментах для изготовления сгорающих элементов могут использоваться хромали (общее название жаростойких сплавов металлических сплавов, содержащих 17 - 30 % хрома, 4,5 - 6 % алюминия, остальное - железо). Для промышленного применения понадобятся специальные сплавы, обладающие оптимальным сочетанием следующих качеств. Низкая удельная теплота воспламенения (под удельной теплотой воспламенения подразумевается количество тепловой энергии, необходимое для нагревания 1кг материала до температуры горения), высокая удельная теплота сгорания, большая плотность, электропроводность, высокое электрическое сопротивление. Кроме того, возможно промышленное изготовление сгорающего элемента из существующих материалов, за счет применения особой конструкции. Например, двухслойная конструкция: материал с большим электрическим сопротивлением используется для изготовления сердцевины, а оболочка сгорающего элемента изготовляется из легковоспламеняющегося материала.

За основу для изготовления экспериментального пневмоэлектрического патрона, может быть взят 9-мм пороховой патрон с трассирующей пулей, конструкторов В. В. Трунова и П. Ф. Сазонова. Его параметры следующие: калибр 9 мм, масса патрона 10 гр., масса пули 6,1 гр., масса порохового заряда около 0,25 гр., длина патрона 25 мм, длина пули 12,35 мм, длина гильзы 18,1 мм, длина камеры заряжания 12,25 мм, объем камеры заряжания 0,56 см?, максимальное давдующими характеристиками: удельная теплота сгорания около 30000кДж/кг, плотность около 2700кг/м?, удельная теплоемкость около 0,88 кдж/(кг*К). Сгорающий элемент может быть изготовлен из проволоки, диаметром 0,45 мм и длиной 108 мм. Проволока имеет форму спирали длиной 12,25 мм, 8 витков, диаметр витка 5 мм. Объем сгорающего элемента составит 0,0172 см? или 3 % объема камеры заряжания, масса 0,046 гр. Для эффективного протекания химической реакции сгорающий элемент нужно нагреть до температуры около 250°С. Для этого понадобится энергия примерно 10 Дж.

Начало горения металлического сплава при такой сравнительно низкой температуре, возможно за счет высокой плотности и давления кислорода, а также добавления в сплав вещества-катализатора. При полном сгорании сгорающего элемента расходуется 0,041 гр. кислорода (15 % его количества в камере заряжания), и выделяется 1,4кДж тепловой энергии. Существуют резервы значительного повышения количества выделяемой энергии, без увеличения размеров пневмоэлектрического патрона. Так, при возрастании давления кислорода до 400 атмосфер, и его 50-процентной потере при сгорании, масса сгорающего элемента возрастает в 6 раз, и составит 0,3 гр. При полном сгорании выделяется 9кДж тепловой энергии (в 9 - 10 раз больше, чем у базового пистолетного патрона). Для нагревания сгорающего элемента массой 0,3 гр. до температуры 250°C понадобится энергия 60 Дж. За счет большей удельной теплоты сгорания можно уменьшить массу пули и увеличить ее начальную скорость до 3 000 м/сек, что позволит повысить боевые характеристики стрелкового оружия.

Кроме того, можно значительно уменьшить размеры патрона, что позволит улучшить эксплуатационные качества. Второе: значительно меньшее усилие, необходимое для работы автоматики, т. к. не нужно осуществлять взвод ударно-спускового механизма. В пневмоэлектрическом оружии могут эффективно применяться более простые, компактные и легкие системы автоматики, в том числе те, применение которых оказалось нецелесообразным для огнестрельного оружия. Вместо ударно-спускового механизма пневмоэлектрическое оружие содержит источник импульсного электрического тока (электрический конденсатор и батарею).

Для получения мощного электрического разряда с энергией 10 Дж может использоваться конденсатор емкостью 100 мкФ, заряженный до разницы потенциалов 300 В. При таких параметрах масса бытового конденсатора составляет около 40 гр. (существуют конденсаторы, масса которых на порядок меньше). Энергоемкость батареи определяется, как количество ватт-часов, содержащихся в батарее и равно произведению напряжения батареи на ее емкость в ампер-часах (ссылка). Батарейка Lithium Photo модель CRP2P имеет емкость 1300мАч, напряжение 6В и весит 37гр. Ее энергоемкость 7,8ватт-часов или 28кДж.

В реальных условиях батарея не отдает всю накопленную энергию, а лишь часть ее, в зависимости от соотношения снимаемой мощности и номинальной энергоемкости батареи. Чем больше снимаемая мощность относительно энергоемкости батареи, тем меньше она отдаст энергии, т. е. тем ниже ее КПД. При затратах энергии на один выстрел 10 Дж и КПД указанной батарейки 70%, ее энергоемкости достаточно для производства около 2000 выстрелов. Такой ресурс значительно превышает фактические потребности и обусловлен зависимостью между энергоемкостью и снимаемой мощностью. Максимальная снимаемая мощность численно примерно ррелов в секунду (пистолет - пулемет). При более мощном патроне и для дальнейшего повышения скорострельности, целесообразно применение более мощных батареек и аккумуляторов. В некоторых случаях могут применяться стационарные источники электрического тока (для танковых пулеметов, авиационных пулеметов, артиллерийских систем и т. д.). Третье: возможность эффективного управления процессом горения сгорающего элемента. Осуществляется путем изменения энергии электрического разряда, химического состава и формы сгорающего элемента, давления и процентного содержания кислорода. Позволяет применять очень мощные патроны и оптимально использовать их энергию.

В огнестрельном оружии процесс горения порохового заряда является неуправляемым. Это приводит к большим пиковым давлениям, что может вызвать разрыв ствола, раздувание гильзы и т. д., и является одним из факторов, ограничивающих мощность порохового патрона. Нерациональное распределение давления пороховых газов на разных этапах выстрела, приводит к неэффективному преобразованию энергии газов в энергию пули, (КПД огнестрельного оружия составляет 30 - 35 %). Поскольку, в пневмоэлектрическом оружии температура расширяющегося кислорода значительно выше, чем у пороховых газов, возможен более высокий КПД. Кроме того КПД может быть повышен за счет рационального распределения давления расширяющегося кислорода на разных этапах выстрела. Более высокий КПД приводит к уменьшению нагревания ствола. Снижение пиковых давлений позволяет уменьшить массу оружия. Четвертое: возможность применения электрического привода автоматики. Отсутствие ударно-спускового механизма позволяет использовать нетрадиционные решения.

Пневмоэлектрический пистолет с электрическим механизмом заряжания имеет много общего с фотоаппаратом. Те же электрические батарейки. Вместо фотовспышки импульс электрического тока инициирует выстрел. Вместо перемотки фотопленки происходит заряжание патроном. Такое оружие может быть более компактным. Для огнестрельного стрелкового оружия использование электрического привода автоматики невозможно, поскольку необходимо значительное усилие для взвода ударно-спускового механизма.

Пятое: возможность работы механизма за счет усилия нажатия на спусковой крючок. В огнестрельном оружии такую схему реализует пистолет-револьвер двойного действия. Для нажатия на его спусковой крючок необходимо усилие 5 - 6кгс, поскольку при таком нажатии осуществляется взвод ударно-спускового механизма и поворот барабана. В пневмоэлектрическом оружии, функцию ударно-спускового механизма выполняет источник импульсного электрического тока. Поэтому, усилие нажатия на спусковой крючок используется лишь для поворота барабана, и составляет 1 - 2кг. Кроме того, пневмоэлектрический пистолет-револьвер имеет очень простую конструкцию: ствол, барабан, спусковой крючок, электрический контакт и механизм вращения барабана с приводом от спускового крючка, источник импульсного электрического тока.

Возможные технические причины неполучения ожидаемых результатов и способы их устранения следующие. Первое: интенсивная химическая реакция между кислородом и внутренней поверхностью ствола, вследствие чего может произойти резкое уменьшение объема и давления кислорода. Этот эффект может ослабеть после первых выстрелов, так как внутренняя поверхность ствола покроется окисью железа, слой которой будет препятствовать контакту кислорода с железом. Можно специально покрыть внутреннюю поверхность ствола защитным слоем, или применять химически менее активную смесь кислорода с инертным газом. Второе: возгорание гильзы патрона или частей оружия в результате взаимодействия с раскаленным кислородом. Для устранения этого эффекта понадобится применение стойких материалов, нанесение защитных покрытий, или применение для метания снаряда химически менее активной смеси кислорода с инертными газами. Третье: недостаточная скорость горения сгорающего элемента. Для повышения скорости горения, можно добавить в материал сгорающего элемента вещество-катализатор, изменить форму сгорающего элемента для увеличения площади его поверхности, увеличить мощность электрического разряда для повышения температуры. Можно увеличить внутри патрона давление кислорода или его концентрацию (в случае использования смеси кислорода с инертными газами), использовать для изготовления сгорающего элемента материал с пониженной теплотой воспламенения. Четвертое: в результате сгорания металла образуются твердые абразивные частицы окислов металла, которые влияют на износ внутренней поверхности ствола, других частей и механизмов пневмоэлектрического оружия, могут вызвать заклинивание автоматики.

Для устранения возможных последствий можно использовать для изготовления сгорающего элемента неметаллические материалы, применять схемы автоматики без отвода части газов (например, с использованием энергии отдачи), применять электрический привод автоматики. Пятое: в результате воздействия влаги на источник импульсного электрического тока, пневмоэлектрическое оружие может оказаться недостаточно надежным. Разработка может применяться в производстве стрелкового оружия, пулеметов крупного калибра, артиллерийских систем, а также боеприпасов.

Ожидаемые эффекты от ее применения следующие. Первое: общее повышение эксплуатационных качеств и боевых характеристик стрелкового оружия. Второе: уменьшение калибра и размеров стрелкового оружия. Третье: перераспределение сфер применения различных типов стрелкового оружия (например, пневмоэлектрический пистолет-пулемет сможет выполнять функции штурмовой винтовки; пневмоэлектрическая винтовка сможет применяться для поражения легкобронированных целей). Четвертое: использование пневмоэлектрических пулеметов крупного калибра для поражения легкобронированных целей на дистанции свыше 1 км. Пятое: использование пневмоэлектрических артиллерийских систем малого калибра для борьбы с танками. Шестое: использование пневмоэлектрических артиллерийских систем среднего и крупного калибра для поражения целей на дистанции свыше 100 км. Седьмое: проблема перевооружения при выявлении значительного превосходства некоторых видов пневмоэлектрического оружия. Восьмое: уменьшение объема потребления и производства пороха. Девятое: проблема утилизации огнестрельного оружия и пороховых боеприпасов. Десятое: возрастание объема производства и потребления кислорода. Одиннадцатое: увеличение потребления и производства батареек и аккумуляторов.

Пневмоэлектрическое оружие является отдельным видом оружия, наряду с пневматическим и огнестрельным оружием. Предварительные расчеты показывают его значительное превосходство, по отношению не только к пневматическому оружию, но и к огнестрельному. Потенциальные возможности этого вида оружия очень велики. Если ожидаемые технические результаты будут получены в полном объеме, можно разрабатывать и производить различные модели пневмоэлектрического оружия, которые заменят огнестрельное оружие. Если ожидаемые результаты будут получены не в полном объеме, или пневмоэлектрическое оружие окажется слишком сложным, дорогим и ненадежным в эксплуатации, то оно составит ограниченную конкуренцию огнестрельному оружию (например, в сфере производства элитного и специального оружия). Если ожидаемые результаты не будут получены, пневмоэлектрическое оружие сможет оказаться удачным коммерческим проектом (например, в сфере производства спортивного, охотничьего, сувенирного и др. оружия). В любом случае, возможно значительное улучшение технических результатов, как в результате доводки отдельных образцов,так и в процессе развития этого вида оружия в целом.