О пулях со смещенным центром тяжести доводилось слышать немало всяких и всевозможных историй. И что характерно, никто из рассказчиков не видел своими глазами или хотя бы на фото тех ужасающих последствий, которые приписывают этим самым пулям.
Более того - никто не берется за труд внятно объяснить, куда все же смещен этот самый центр тяжести. Вверх, вниз, вбок или вообще "строго на север, порядка 50 метров"(с)
А мы - мы-таки попробуем во всем этом разобраться.
Поскольку всякая пуля перемещается от торца гильзы к цели по воздуху
под действием пороховых газов, крыльев и собственного двигателя не имеет - стало быть, всякую пулю можно считать летательным аппаратом (далее ЛА)тяжелее воздуха, совершающим полет за счет инерции от разгона в стволе. И приобретающую направленное, строго ориентированное движение в пространстве за счет этого самого ствола.
В полете - на всякий ЛА действует довольно таки значительное количество сил. Рассмотрим две из них.
Сила сопротивления воздуха, действующая в направлении - против полета ЛА и сила тяжести, направленная строго к земной поверхности.
И стабилизация положения ЛА в пространстве - в большей степени зависит от этих двух сил.
Их воздействие на ЛА определяется взаимным расположением центра тяжести ЛА - его самой тяжелой точки. И центра давления - точки, в которой сходятся силы сопротивления воздуха. В которой воздействие набегающего потока наиболее значительно.
Возьмем простейший пример - бадминтонный волан.
Его можно изобразить как тяжелый оперенный шар. Шар вынесен далеко вперед, центр сил сопротивления воздуха где то в центре широкой части оперения. А центр тяжести - примерно в центре шара. После старта летательный аппарат типа "волан" за счет несимметричного воздействия набегающего потока разворачивается оперением по набегающему потоку. Почему так происходит?
Силы сопротивления воздуха приложены к центру давления и будут стремиться повернуть ЛА точкой ЦД назад. И эта самая ориентация, вращение ЛА в полете - будет происходить вокруг самой тяжелой точки - ЦТ. Соответственно - чем больше расстояние между ЦТ и ЦД - тем ЛА устойчивее в полете.
Это и есть основа стабилизации ЛА за счет сопротивления воздуха.
Бадминтонный волан стабилизируется в полете за счет высокого аэродинамического сопротивления оперения. За счет него же довольно быстро теряет скорость. Так то волан - самый скоростной из спортивных снарядов. Существуют воланы со скоростью на старте порядка 130 метров в секунду.
Подавляющее большинство современных гладкоствольных пуль использует тот же самый принцип стабилизации в полете, что и бадминтонный волан. Только скорости и масса гладкоствольных пуль заметно выше, а аэродинамическое сопротивление заметно меньше.
Объединяет все эти пули одно - наличие хвостовика-стабилизатора, во многих случаях использующегося и как стабилизатор, и как обтюратор и/или амортизатор. И самое главное - ЦТ вынесен сильно вперед по отношению к ЦД.
Полагаю, историю пуль с хвостовиками-стабилизаторами началась с пули конструкции Вицлебена, оснащенной деревянным хвостовиком-стабилизатором.
Со временем Вицлебен превратился в отехноложенный до последней возможности кондовейший Тандем с двумя стальными шарами(отсюда и название получил, что два шара в одном корпусе), а позднее и вовсе с одним стальным роликом в пластиковом контейнере-стабилизаторе. Тандем снаряжается прямо на порох - без пыжей и прокладок.
Но принцип остался тот же - длинная пуля с максимально разнесенным ЦТ и ЦД.
А то, что форма головной части далека от идеальной дозвуковой - этим можно пренебречь. Стрелять по зверю из гладкоствольного оружия пулей далее 100 метров - может заставить или крайняя необходимость, или бескрайняя самонадеянность. А на рабочих дистанциях энергетики пули, попавшей по месту, хватает с запасом.
С этим, полагаю, разобрались.
Теперь рассмотрим ЛА, стабилизирующиеся в полете за счет и вращения и набегающего потока.
Одними из первых ЛА, имеющих длину более двух собственных диаметров и расположение центра тяжести, совпадающего с центром масс, стали пули патронов .22lr. Почему так?
Пуля малокалиберного патрона в полете стабилизируется вращением. Но полет проходит по большей части на дозвуковой скорости. А значит , форма головной части может быть дозвуковой, закругленной, уменьшающей аэродинамические потери на дозвуковой скорости. Так примерно и получается. А в остальном - малокалиберная пуля ближе всего к цилиндру, оснащенному головным обтекателем и хвостовиком.
С закругленной головной частью все понятно.
Хвостовик - характерная воронка увеличивает поверхность воздействия пороховых газов, уменьшает разрежение за пулей, а сужение позволяет обжимать пулю в гильзе. При этом гильза не превышает диаметра пули.
Обширная боковая поверхность затрудняет срыв пули с нарезов, практически исключает прорыв пороховых газов в обход пули и добавляет пуле веса.
Тем не менее, малокалиберные пули используют одновременно оба способа стабилизации - и вращение, и стабилизация формой. К чему это приводит? Малокалиберные пули на траектории чрезвычайно стабильны. Патрон .22ЛР можно назвать патроном с врожденной кучностью. Но у легких свинцовых пуль посредственная аэродинамика. И при использовании для дальних эти пули довольно быстро теряют скорость. Охота на ту же мышкующую лису на дистанции 150 метров с малокалиберной винтовкой и околозвуковыми патронами превращается в лотерею.
На дистанции 200 метров пули весьма причудливо разносит ветер - едва ли какая охота возможна на таких дистанциях. Вместе с тем, пули .22lr не приходят в мишень боком. А летят, как им положено.
А вот теперь, когда разобрались с двумя предыдущими типами - можно обратить внимание на этот самый смещенный центр тяжести.
Из курса физики известно, что сопротивление воздуха пропорционально квадрату скорости. То есть, увеличив скорость с 300 метров в секунду до 600 метров в секунду - при прочих равных получим четырехкратный рост аэродинамического сопротивления. А если увеличить с 300 до 900 - аэродинамическое сопротивление вырастет в 9 раз.
Чем выше скорость полета ЛА, тем более совершенной должна быть его форма. Если на дозвуковых и околозвуковых достаточно закругленной головной части и вытянутого хвоста - сверхзвуковые скорости требуют головной части заостренной формы. Не менее критична и форма хвостовой части. Почему так? При движении ЛА с высокой скоростью перед его головной частью образуется зона высокого давления. Воздуха, уплотненного движением ЛА. За ЛА образуется зона низкого давления, которая заполняется воздухом. Попросту говоря, образуется завихрение потока.
С этим до определенного предела можно бороться, придавая хвостовой части заостренную форму.
Форма ЛА - это не единственный лимитирующий фактор. Главное в наших ЛА - это способность передавать энергию по воздуху, на расстоянии.
Эту энергию можно увеличивать двумя способами - увеличением скорости либо увеличением массы. Скорость запускаемых ЛА у большинства серийных образцов находится в диапазоне 650-1050 метров в секунду. Если меньше - траектория становится слишком крутая и увеличивается подлетное время, что критично на значительных дистанциях. Начальная скорость около километра в секунду заметно спрямляет траекторию, минимизирует подлетное время и дает изрядный запас энергии. Но звук, сопровождающий запуск, требует защиты органов слуха. А от высокочастотной вибрации при запуске не спасает ничего. Вибрация беспрепятственно передается по костям оператора, вызывая тяжелую головную боль после полусотни запусков.
К тому же высокие скорости предполагают высокое давление - что означает быстрое выгорание ствола.
А потому - начальная скорость большинства ЛА находится в интервале 700-950 метров в секунду.
Это довольно высокие скорости. А значит, и форма ЛА должна быть сверхзвуковая. Сверхзвуковая форма ЛА предполагает, что ЦТ находится позади ЦД.
И полет сверхзвукового ЛА, стабилизирующегося вращением, проходит по сложной траектории. Легкая носовая часть в полете описывает окружности - чем дальше от ЦТ - тем больше отклонение.
И если ЛА будет вращается слишком медленно - он будет недостабилизирован. То есть, у ЛА не будет хватать устойчивости, набегающий поток будет стремиться развернуть его так, чтобы ЦТ был перед ЦД.
То есть, хвостом вперед. Но это в воздухе.
А что происходит при попадании ЛА в некую субстанцию, которая куда более плотная, чем воздух? Носовая часть резко останавливается. И эта самая носовая часть становится точкой опоры, вокруг которой и вращается задняя, более тяжелая часть. Помним, где у нас находится ЦТ.
Поскольку в природе не бывает ничего симметричного - тяжелая часть отклоняется в сторону. И что мы получаем в результате? Тело ЛА изгибается, ломается по канавке, предназначенной для обжима пули, распадается на фрагменты. И это явление тем больше проявляется, чем больше расстояние между ЦТ и ЦД.
То есть - чем меньше калибр пули - тем больше у нее соотношение длины к диаметру. Длина больше, а диаметр меньше.
И еще. Почему ЛА, который исправно рвет любые цели на дистанциях до 150 метров, на дистанции свыше 200 метров ведет себя более стабильно?
ЛА на траектории стабилизируется вращением. ЛА в полете может быть бывают недостабилизированным - когда количество оборотов мало для устойчивости на траектории. Стабилизированным - когда оборотов достаточно. И перестабилизированным - когда оборотов больше, чем следует.
При расчете системы запуска стараются делать так, чтобы ЛА на старте был стабилизирован минимально. В полете падает и скорость полета и частота вращения ЛА. Но как то так получается, что скорость полета падает быстрее, чем частота вращения. То есть, стабилизация в полете растет. И наилучшим считается такой расчет, когда ЛА стабилизирован на большей части траектории.
Что это значит? Это значит, что пуля малого калибра на небольших дистанциях будет терять устойчивость, разрушаться и максимально повреждать цели. А с ростом дистанции - стабильность возрастает. И цель вместо разрывов получает аккуратное входное и более или менее аккуратное выходное отверстие.