Канал "Историеское оружиеведение" продолжает цикл публикаций об особенностях конструкции автоматического оружия. И сегодня вниманию читателей предлагается краткий обзор преимуществ и недостатков двух основных способов использования газоотвода для обеспечения работы автоматики огнестрельного оружия - прямого газоотвода и отвода пороховых газов на газовый поршень (в последнем случае будут рассмотрены два подварианта - длинноходный и короткоходный поршни).
Статья представляет собой краткое изложение статьи Пола Эванко, опубликованной в Small Arms Review в 2018 году. Фотографии взяты из нее.
Думаю, определенный интерес вызовут рассуждения о влиянии длины ствола на надежность AR-систем.
Небольшое введение
Как считается, первая автоматическая винтовка с отводом пороховых газов была разработана Карелом Крнкой, до совершенства же газоотводный двигатель был доведен в системах Максима и Браунинга.
Сегодня существуют два основных варианта этого двигателя - т.н. "прямоточный", когда пороховые газы воздействуют непосредственно на затворную раму оружия, и "поршневой", когда пороховые газы воздействуют на поршень, а он, в свою очередь, заставляет двигаться затворную раму.
"Хрестоматийными" примерами оружия использующего эти два варианта работы автоматики являются М-16 Юджина Стоунера и АК-47 Михаила Калашникова.
Обе системы используют отвод части пороховых газов для приведение в действие механизма оружия, но по-разному и с разной эффективностью, и обе системы имеют своих сторонников и противников.
Прямоточный двигатель
Газоотводная система прямого действия работает следующим образом.
При выстреле небольшая часть пороховых газов высокого давления, толкающих пулю по каналу ствола, отводится либо через небольшое отверстие (порт), расположенное в стволе (в так называемом газовом блоке), либо через газоотвод, расположенный на дульном срезе ствола. Оба варианта выполняют практически одну и ту же функцию - перенаправляют часть пороховых газов назад.
Эта часть направляется назад через небольшую газовую трубку, которая соприкасается с трубкой немного меньшего диаметра, установленной на затворном блоке. Попав в нее газ высокого давления фактически отбрасывает затворный блок назад, извлекая стреляную гильзу из патронника. По мере движения блока назад происходит несколько других важных процессов - выбрасывается стреляная гильза, взводится курок и сжимается возвратная пружина.
Таким образом, при работе системы прямого газоотвода чрезвычайно горячие газы высокого давления, образовавшиеся от сгорания пороха, вступают в прямой контакт с затворной рамой при каждом выстреле из оружия. Вместе с ними на затворную раму попадают несгоревший порох, остатки углерода и другие вредные химические и материальные загрязнения, образующиеся в результате сгорания пороха. Следствием этого является быстрый нагрев затворной рамы и затвора, а также частичное рассеивание тепла в верхней части рамы и стволе оружия. Экстремальный нагрев приводит к разрушению большинства смазочных материалов, необходимых для работы затворной рамы, что ускоряет износ движущихся частей механизма.
Считается, что системы с газоотводом прямого действия ненадежны, однако это утверждение спорно в отношении современных AR-винтовок - большинство случаев неисправностей, приводящих к осечкам, в системах с газоотводом прямого действия, являются результатом недостаточной или неправильной смазки критически важных изнашиваемых деталей, износа буферных пружин, износа пружин магазина (которые больше не обеспечивают подачу следующего патрона на надлежащей высоте для захвата затворной рамой при движении вперед) или использования патронов, не соответствующих военным стандартам (уменьшенных/увеличенных размеров). Загрязнение системы редко является причиной неисправности, если только загрязнение не накапливается регулярно и не устраняется должным образом.
Тем не менее, системы прямого газоотвода требуют очистки, надлежащей смазки, профилактического обслуживания и своевременной замены деталей.
Сегодня существуют способы снизить затраты на техническое обслуживание и повысить надежность систем газоотвода прямого действия, как, например, модернизированный затвор и затворная рама с никель-борным покрытием, точно обработанные из высококачественной стальной сплава. Никель-бор обеспечивает сверхгладкую, более твердую, чем хром, поверхность. Эта смазывающая поверхность сводит трение к минимуму и устойчива к коррозии и истиранию. Гладкое покрытие также предотвращает прилипание нагара, что значительно ускоряет и упрощает очистку по сравнению со стандартными стальными деталями. Еще одним преимуществом с точки зрения обслуживания и надежности, в сочетании с затворной группой с никель-борным покрытием, является использование ствола из нержавеющей стали или хром-молибденовой стали.
Существуют также некоторые менее заметные факторы, которые могут быстро снизить эффективность и надежность системы прямого газоотвода, одним из которых является длина ствола.
Юджин Стоунер первоначально разработал AR-10 как конкурента M14. Винтовка имела ствол длиной 508 мм (20 дюймов). Почему 20 дюймов? Здесь задействовано несколько факторов, которые заслуживают обсуждения.
Длина ствола играет важную роль, обеспечивая в том числе и обеспечивая камеру сгорания, необходимую для полного сгорания порохового заряда и расширения пороховых газов для того, чтобы снаряд (пуля) успел достичь своей оптимальной скорости до вылета из ствола. Это означает, что слишком длинный ствол - тот, который превышает время, необходимое для полного сгорания пороха - не служит никакой цели, кроме увеличения веса оружия, а слишком короткий ствол - тот, который не обеспечивает достаточно времени для полного сгорания пороха - не обеспечит снаряду его полную скорость.
Ствол длиной 508 мм обеспечивал максимальную эффективность этого процесса, однако, начиная с первой войны в Персидском заливе, ближний бой (ББ) стал распространенной практикой в продолжающейся глобальной войне с терроризмом. ББ ведется на коротких дистанциях и в ограниченных пространствах, как правило, в стесненных городских условиях. Для ББ требуется короткоствольное оружие, которое легко использовать в этих условиях, и полноразмерный ствол М-16 стал считаться слишком громоздким.
Чтобы лучше соответствовать новым условиям боя, в 1994 году американские военные приняли на вооружение "карабинный" вариант M-16 - М4. Однако у M4 с более коротким стволом длиной 368 мм (14,5 дюймов) была одна проблема. Более короткий ствол требует смещения газоотводного отверстия дальше назад. В результате смещения газоотводного отверстия назад уменьшается время задержки, то есть время между прохождением пули через газоотводное отверстие (отверстие, через которое газ отводится для работы системы) и ее выходом из ствола. Уменьшение расстояния от затвора до газоотводного отверстия в стволе M4 привело к значительному увеличению давления в газоотводном отверстии - если при обычном стволе М-16 это давление составляет около 10 000 фунтов на квадратный дюйм, то в коротком стволе М4 давление составляет 17 000 фунтов на квадратный дюйм.
Кроме того, короткий ствол не обеспечивают достаточного времени для полного сгорания порохового заряда патрона 5,56 НАТО и из него выбрасывается больше несгоревших пороховых газов/материалов, которые, смешиваясь с атмосферным кислородом мгновенно воспламеняются, создавая яркую дульную вспышку.
Одновременно и к затворному блоку подается большее количество несгоревшего горючего материала и твердых частиц, т.е., чем короче ствол, тем грязнее, горячее и, соответственно, менее надежна система.
Существуют способы решения этих проблем, но законы физики непреодолимы.
Более быстро и чисто сгорающий порох дает больше тепла, и боеприпасы такого типа могут легко вызвать эрозию патронника и канала ствола (необратимые повреждения), не говоря уже о чрезмерном нагреве в режиме автоматической или полуавтоматической стрельбы. Кроме того, избыточный нагрев может привести к самопроизвольному выстрелу, что недопустимо с точки зрения безопасности.
Регулируемые газовые блоки, которые устанавливают на свои AR-винтовки некоторые стрелки, могут быть эффективны в контроле скорострельности, но они мало что сделают для уменьшения загрязнения ствола.
Глушители, подавляющие звук и вспышку, также не решают проблему загрязнения системы и в целом приводят к снижению надёжности оружия из-за увеличения противодавления в газоотводной системе, что, в свою очередь, снова ведет к попаданию большего количества грязи в систему.
Чем отличается газопоршневая система?
Как и в системах прямого газоотвода, процесс стрельбы начинается с отвода пороховых газов под высоким давлением через небольшое отверстие в стволе оружия. Однако, вместо того чтобы направлять газ в трубку, которая отводит его назад на затворную раму, как это сделано в прямоточной системе, газ направляется в отдельный цилиндр, содержащий поршень, параллельный (выше или ниже) стволу оружия.
Шток, либо непосредственно соединенный с затворной группой (как в системах с длинным ходом поршня), либо отсоединенный от нее (как в вариантах с коротким ходом поршня), расположен непосредственно за поршнем. Шток взаимодействует с затворной рамой, расположенной в ствольной коробке оружия. Назначение его - механически передавать линейную энергию хода газового поршня назад для перемещения затворной рамы.
Общей чертой всех газопоршневых систем является зависимость от регулировки размера газоотводного отверстия для обеспечения необходимого критического объема газа, который сможет обеспечить движение физической массы рабочих частей сжатие возвратной пружины.
Уникальной особенностью газопоршневой системы является то, что горячий газ, используемый для ее работы, никогда не контактирует напрямую с затвором или затворной рамой. Это приводит к более чистой работе оружия и меньшей температуре рабочих частей. Фактически, в большинстве таких систем затворную раму можно снять сразу после выстрела и обращаться с ней, не опасаясь ожогов, что выгодно, если требуется экстренная разборка оружия для ремонта в полевых условиях. Это основная причина, по которой почти все современные пулеметы и штурмовые винтовки (за исключением M16 и его вариантов) используют газопоршневую систему вместо систем прямого газоотвода.
Однако, ради сохранения низкой температуры и чистоты, приходится идти на компромисс, а именно, газопоршневая система имеет большую массу компонентов. Цилиндр, поршень и шток добавляют вес. Во время работы системы движение этой тяжелой массы приводит к более резкой отдаче, что снижает точность, особенно при быстрых повторных выстрелах и стрельбе очередями.
Более сильная отдача также способствует усталости металла - основной проблеме при выборе материалов, влияющей на срок службы ствольной коробки штурмовой винтовки и пулемета. Отдача после тысяч выстрелов вызывает растяжение ствольной коробки и разрушение металла из-за усталости. Поэтому ствольные коробки обычно изготавливаются из стали, и они отличаются прочностью. Зная, что разные металлы имеют разные коэффициенты теплового расширения при нагревании, инженеры стремятся использовать металлы с аналогичными характеристиками коэффициентов, чтобы создать оружие с приемлемым сроком службы (рассчитываемым в тысячах выстрелов). Использование экзотических металлов в газопоршневых системах не приветствуется из-за высокой стоимости - как самого металла, так и специальных процессов механической обработки/изготовления.
Детали газопоршневых систем не взаимозаменяемы между производителями, поскольку все они используют собственные запатентованные поршни и затворные рамы. Поскольку единого стандарта для газопоршневой системы не существует, можно использовать только детали известных производителей, и обычно для их установки требуется помощь профессионального оружейника или заводская подгонка.
Какая система лучше?
Пожалуй, система прямого газоотвода доказала свою эффективность практически во всех боевых условиях и средах на протяжении более полувека, обладая при этом непревзойденной модульностью. Запасные части недороги, легкодоступны и, как правило, изготавливаются в соответствии с установленным стандартом MIL-SPEC. По своей конструкции и по причинам, обсуждавшимся ранее, отдача системы прямого газоотвода легче, чем отдача газопоршневой системы того же калибра.
В газопоршневой системе с длинным ходом поршень механически закреплен на затворной группе и перемещается на протяжении всего рабочего цикла. Это означает, что суммарная масса поршня, штока поршня и затворной рамы добавляется к линейному моменту всей сборки, обеспечивая более надежное извлечение, выброс и более надежное заряжание и запирание.
Негативным следствием такой системы является нарушение точности прицеливания при втором и последующих выстрелах в режимах быстрой полуавтоматической или автоматической стрельбы. Это происходит из-за быстрого изменения центра масс во время цикла действия, резких остановок в начале и конце хода затворной рамы и использования ствола в качестве точки опоры для перемещения затвора назад. Кроме того, для работы более тяжёлой газопоршневой системы требуется больший объём газа, что, в свою очередь, требует более массивных рабочих частей - замкнутый круг.
В системе с коротким ходом поршень не соединён с затворной группой. Линейная энергия газового поршня передается коротким, резким движением назад (короткий ход). После этого движение газового поршня назад немедленно останавливается, позволяя затворной раме продолжать свой рабочий цикл за счет полученной кинетической энергии. Таким образом, конструкция с коротким ходом газового поршня имеет преимущество в уменьшении общей массы участвующих в отдаче частей по сравнению со своим старшим братом, газовым поршнем с длинным ходом.
Меньшая масса отдачи означает лучший контроль над оружием. Меньшая масса означает меньшее инерционное воздействие на обоих концах хода затворной рамы, а это означает меньший износ системы затвора и ствольной коробки. Однако в конструкциях с коротким ходом действуют и другие динамические факторы. Во многих таких конструкциях поршень резко ударяет по затворной группе выше центра тяжести, вызывая долговременный износ из-за упрочнения или накопления повреждений затворной рамы и направляющих ствольной коробки, которые обеспечивают движение затворной группы вперед и назад.
Небольшой комментарий от "Исторического оружиеведения"
Насколько я представляю, последнее время преобладающим в армейских системах стал короткоходный поршень, представляющий собой компромисс между преимуществами прямого газоотвода и преимуществами длинноходного поршня.
О негативном влиянии длинного хода поршня на кучность наши конструкторы знали едва ли не с момента появления того же АК и боролись с ним (в том числе и предлагая и короткоходные системы).
И для меня все еще остается нерешенным вопрос - так ли уж важно, что АК-74 имел чуть меньшую кучность, чем М-16?
Цикл статей об особенностях конструкции огнестрельного оружия будет продолжен.
Не пропустите!
О советских автоматах со сбалансированной автоматикой можно прочитать здесь.
Подписка, лайк и репост помогут развитию канала. Спасибо!