Баллистика - это наука о движении, полете и влиянии снарядов. Она разделена на несколько дисциплин. Внутренняя и внешняя баллистика имеют дело с движением и полетом снарядов. Переход между этими двумя режимами называется промежуточной баллистикой. Терминальная баллистика касается воздействия снарядов, отдельная категория охватывает степень поражения цели. Что изучает внутренняя и внешняя баллистика?
Пушки и ракеты
Пушечные и ракетные двигатели являются типами теплового двигателя, частично с превращением химической энергии в апропеллент (кинетическую энергию снаряда). Пропелленты отличаются от обычных видов топлива тем, что их сгорание не требует атмосферного кислорода. В ограниченном объеме производство горячих газов с помощью горючего топлива вызывает увеличение давления. Давление продвигает снаряд и увеличивает скорость горения. Горячие газы имеют тенденцию к эрозии ствола пистолета или горла ракеты. Внутренняя и внешняя баллистика стрелкового оружия изучает движение, полет и влияние, которое снаряд оказывает.
Когда заряд пропеллента в камере пистолета воспламеняется, газы сгорания сдерживаются выстрелом, поэтому давление возрастает. Снаряд начинает двигаться, когда давление на него преодолевает его сопротивление движению. Давление продолжает расти некоторое время, а затем падает, а выстрел ускоряется до высокой скорости. Быстрое горючее ракетное топливо вскоре исчерпано, и со временем выстрел выбрасывается из дула: скорость выстрела до 15 километров в секунду достигнуты. Откидные пушки выпускают газ через заднюю часть камеры, чтобы противодействовать силам отдачи.
Баллистической является ракета, которая направляется в течение относительно короткого начального активного участка полета, чья траектория впоследствии регулируется законами классической механики, в отличие, например, от крылатых ракет, которые направляются аэродинамическим образом в полете с работающим двигателем.
Траектория выстрела
Во внешней и внутренней баллистике, траектория - это путь выстрела, подчиненный силам тяжести. Под единственным влиянием гравитации траектория является параболической. Перетаскивание замедляет движение по траектории. Ниже скорости звука сопротивление примерно пропорционально квадрату скорости; рационализация дробового хвоста эффективна только при этих скоростях. При больших скоростях коническая ударная волна исходит из носа выстрела. Тяговое усилие, которое в значительной степени зависит от формы носа, является наименьшим для мелко точечных ударов. Перетаскивание может быть уменьшено путем выпуска газов из горелки в хвост.
Ребра хвоста могут использоваться для стабилизации снарядов. Задняя стабилизация, обеспечиваемая путем нарезки, вызывает гироскопическое колебание в ответ на аэродинамические барабанные силы. Недостаточный спин позволяет падать и слишком много препятствует погружению носа, когда он проходит по траектории. Дрейф выстрела возникает из-за подъема, метеорологических условий и вращения Земли.
Реакция на импульс
Ракеты движутся реакцией на импульс истечения газа. Двигатель сконструирован таким образом, что создаваемые давления почти постоянны во время горения. Радиально-стабилизированные ракеты чувствительны к боковым ветрам, две или более форсунок двигателя, наклоненные от линии полета, могут обеспечить стабилизацию спина. Цели обычно твердые и называются толстыми или тонкими в зависимости от того, влияет ли воздействие выстрела на лежащий в основе материал.
Проникновение происходит, когда интенсивности напряжений удара превышают предел текучести мишени; он вызывает пластическое и хрупкое разрушение в тонких мишенях и гидродинамический поток материала в толстых мишенях. При ударе может произойти сбой. Проникновение полностью через цель называется перфорацией. Усовершенствованные бронеуловители либо детонируют сжатое взрывчатое вещество против цели, либо взрывообразно фокусируют струю металла на ее поверхность.
Степень локального повреждения
Внутренняя и внешняя баллистика выстрела в основном связана с механизмами и медицинскими последствиями травмы, вызванной пулями и взрывоопасными фрагментами. При проникновении импульс, передаваемый окружающим тканям, генерирует большую временную полость. Степень локального повреждения связана с размером этой переходной полости. Доказательства предполагают, что физическая травма пропорциональна скорости куба снаряда, его массе и площади поперечного сечения. Исследования по созданию бронежилетов направлены на предотвращение проникновения снарядов и сведения к минимуму получения травм.
Баллистика внешняя и внутренняя - это область механики, которая занимается запуском, полетом, поведением и эффектами снарядов, особенно пулями, неуправляемыми бомбами, ракетами и тому подобное. это своего рода наука или даже искусство проектирования и ускорения снарядов для достижения желаемой производительности. Баллистическое тело является телом с импульсом, которое может свободно перемещаться, с учетом таких сил, как давление газов в пистолете, с помощью нарезов в стволе, с помощью силы тяжести или путем аэродинамического сопротивления.
История и предыстория
Самыми ранними известными баллистическими снарядами были палки, камни и копья. Древнейшее доказательство наличия снарядов с каменным наконечником, которые могут заряжаться или не заряжаться при помощи лука, датируется сроком в 64 000 лет тому назад, которые были найдены в пещере Сибуду, в Южной Африке. Самое древнее доказательство использования луков для стрельбы датируется сроком примерно 10 000 лет назад.
Сосновые стрелы были найдены в долине Аренсбург к северу от Гамбурга. У них на нижней стороне были мелкие борозды, свидетельствующие о том, что они были выпущены из лука. Самый старый лук, который до сих пор восстанавливается, насчитывает около 8 000 лет, его нашли в болоте Холмегард в Дании. Стрельба из лука, похоже, прибыла в Америку с традицией арктического мелкого инструмента около 4500 лет назад. Первые устройства, идентифицированные как орудия, появились в Китае около 1000 г. н. э., а к XII веку технология распространилась по всей Азии и в Европе к 13-му веку.
После тысячелетия эмпирического развития дисциплина баллистики, внешней и внутренней, была первоначально изучена и разработана итальянским математиком Никколо Тарталья в 1531 году. Галилей установил принцип составного движения в 1638 году. Общие сведения из внешней и внутренней баллистики были поставлены на солидную научную и математическую основы Исааком Ньютоном с публикацией Philosophia Naturalis Principia Mathematica в 1687 году. Это дало математические законы движения и гравитации, которые впервые позволили успешно предсказать траектории. Слово "баллистика" происходит от греческого, что означает "бросать".
Снаряды и пусковые установки
Снаряд - любой объект, проецируемый в пространство (пустое или нет) при приложении силы. Хотя любой объект в движении в пространстве (например, брошенный мяч) является снарядом, термин чаще всего относится к оружию дальнего боя. Математические уравнения движения используются для анализа траектории снаряда. Примеры снарядов включают шары, стрелы, пули, артиллерийские снаряды, ракеты и так далее.
Бросок - это запуск снаряда вручную. Люди необычайно хороши в метании из-за их высокой ловкости, это развитая черта. Свидетельство человеческого метания датируется 2 миллионами лет. Скорость метания 145 км в час, найденная у многих спортсменов, намного превышает скорость, с которой шимпанзе могут бросать предметы, что составляет около 32 км в час. Эта способность отражает способность человеческих плечевых мышц и сухожилий сохранять эластичность, пока она не понадобится для продвижения объекта.
Внутренняя и внешняя баллистика: кратко о видах оружия
Одними из самых древнейших пусковых устройств были обычные рогатки, лук и стрелы, катапульта. Со временем появились ружья, пистолеты, ракеты. Сведения из внутренней и внешней баллистики включают в себя информацию о различных видах оружия.
- Сплинг - оружие, обычно используемое для выброса тупых снарядов, таких как камень, глина или свинцовая «пуля». У стропы имеется небольшая колыбель (сумка) в середине соединенных двух длин шнура. Камень помещается в сумку. Средний палец или большой палец помещается через петлю на конце одного шнура, а вкладка на конце другого шнура помещается между большим и указательным пальцами. Слинг качается по дуге, а табуляция выпускается в определенный момент. Это освобождает снаряд, чтобы лететь к цели.
- Лук и стрелы. Лук - это гибкий кусок материала, который стреляет аэродинамическими снарядами. Тетива соединяет два конца, и, когда она оттягивается назад, концы палки сгибаются. Когда струна отпущена, потенциальная энергия согнутой палки преобразуется в скорость стрелки. Стрельба из лука - это искусство или спорт стрельбы из луков.
- Катапульта - это устройство, используемое для запуска снаряда на большом расстоянии без помощи взрывных устройств - особенно различных типов древних и средневековых осадных двигателей. Катапульта использовалась с древних времен, поскольку она оказалась одним из наиболее эффективных механизмов во время войны. Слово «катапульта» происходит от латинского, которое, в свою очередь, происходит от греческого καταπέλτης, что означает «бросать, швырять». Катапульты были изобретены древними греками.
- Пистолет - обычное трубчатое оружие или другое устройство, предназначенное для выпуска снарядов или другого материала. Снаряд может быть твердым, жидким, газообразным или энергичным и может быть свободным, как с пулями и артиллерийскими снарядами, так и с зажимами, как с зондами и китобойными гарпунами. Средство проецирования варьируется в соответствии с конструкцией, но обычно осуществляется действием давления газа, создаваемого путем быстрого сжигания пропеллента, или сжимается и хранится механическими средствами, работающими внутри трубки с открытым концом в виде поршня. Конденсированный газ ускоряет подвижный снаряд по длине трубки, придавая достаточную скорость, чтобы поддерживать движение снаряда, когда действие газа прекращается в конце трубки. В качестве альтернативы можно использовать ускорение посредством генерации электромагнитного поля, в этом случае можно отказаться от трубки и заменить направляющую.
- Ракета - это ракета, космический корабль, самолет или другое транспортное средство, которое получает удар от ракетного двигателя. Выхлоп двигателя ракеты полностью сформирован из пропеллентов, перевозимых в ракете перед использованием. Ракетные двигатели работают действием и реакцией. Ракетные двигатели выталкивают ракеты вперед, просто бросая их выхлопы назад очень быстро. Хотя они сравнительно неэффективны для использования на низкой скорости, ракеты относительно легки и мощны, способны генерировать большие ускорения и достигать чрезвычайно высоких скоростей с разумной эффективностью. Ракеты не зависят от атмосферы и отлично работают в космосе. Химические ракеты являются наиболее распространенным типом высокопроизводительной ракеты, и они обычно создают их выхлопные газы при сжигании ракетного топлива. Химические ракеты хранят большое количество энергии в легко высвобождаемой форме и могут быть очень опасными. Однако тщательный дизайн, тестирование, конструкция и использование минимизируют риски.
Основы внешней и внутренней баллистики: основные категории
Баллистика может быть изучена с помощью высокоскоростной фотографии или высокоскоростных камер. Фотография выстрела, сделанная с сверхвысокой скоростью вспышки воздушного зазора, помогает рассмотреть пулю без размытия изображения. Баллистика часто разбивается на следующие четыре категории:
- Внутренняя баллистика - изучение процессов, изначально ускоряющих снаряды.
- Переходная баллистика - изучение снарядов при переходе на безналичный полет.
- Внешняя баллистика - изучение прохождения снаряда (траектории) в полете.
- Терминальная баллистика - изучение снаряда и его последствий по мере его завершения
Внутренняя баллистика является изучением движения в виде снаряда. В пушках она покрывает время от зажигания ракетного топлива до тех пор, пока снаряд не выйдет из ствола орудия. Это то, что изучает внутренняя баллистика. Это важно для дизайнеров и пользователей огнестрельного оружия всех типов, от винтовок и пистолетов, до высокотехнологичной артиллерии. Сведения из внутренней баллистики для ракетных снарядов охватывает период, в течение которого ракетный двигатель обеспечивает тягу.
Переходная баллистика, также известная как промежуточная баллистика, - это исследование поведения снаряда с момента его выхода из дула до тех пор, пока давление за снарядом не будет уравновешено, поэтому оно находится между понятием о внутренней и внешней баллистике.
Внешняя баллистика изучает динамику атмосферного давления вокруг пули и является частью науки о баллистике, которая занимается поведением снаряда без питания в полете. Эта категория часто ассоциируется с огнестрельным оружием и связана с незанятой фазой свободного полета пули после того, как она выходит из ствола пистолета и до того, как попадет в цель, поэтому она находится между переходной баллистикой и баллистикой терминала. Однако внешняя баллистика также касается свободного полета ракет и других снарядов, таких как шары, стрелы и так далее.
Терминальная баллистика - это исследование поведения и эффектов снаряда, когда он достигает цели. Данная категория имеет значение как для снарядов малого калибра, так и для снарядов большого калибра (стрельба из артиллерии). Изучение чрезвычайно высоких скоростных воздействий все еще очень новое и в настоящее время применяется в основном к проектированию космических аппаратов.
Судебная баллистика
Судебная баллистика включает в себя анализ пуль и пулевых воздействий для определения информации об использовании в суде или в другой части правовой системы. Отдельно от информации о баллистике, экзамены по огнестрельному оружию и инструментальной метке («баллистическая отпечатка пальца») предусматривают анализ доказательств огнестрельного оружия, боеприпасов и инструментов, чтобы установить, использовалось ли какое-либо огнестрельное оружие или инструмент при совершении преступления.
Астродинамика: орбитальная механика
Астродинамика - применение баллистики оружия, внешней и внутренней, и орбитальной механики к практическим проблемам движения ракет и других космических аппаратов. Движение этих объектов, как правило, рассчитывается из законов движения Ньютона и закона всемирного тяготения. Это основная дисциплина в области проектирования и контроля космической миссии.
Путешествие снаряда в полете
Основы внешней и внутренней баллистики касаются путешествия снаряда в полете. Путь полета пули включает: движение вниз по стволу, путь по воздуху и путь через цель. Основы внутренней баллистики (или исходной, внутри пушки) различаются в соответствии с типом оружия. Пули, выпущенные из винтовки, будут иметь больше энергии, чем аналогичные пули, выпущенные из пистолета. Еще больше порошка можно также использовать в ружейных патронах, потому что пулевые камеры могут быть спроектированы так, чтобы выдерживать большее давление.
Для более высокого давления требуется более крупная пушка с большей отдачей, которая медленнее загружается и генерирует больше тепла, что приводит к большему износу металла. На практике трудно измерить силы внутри ствола орудия, но один легко измеряемый параметр - это скорость, с которой пуля выходит из ствола (начальная скорость). Регулируемое расширение газов от горящего пороха создает давление (сила/площадь). Здесь находится база пули (эквивалентная диаметру ствола) и является постоянной. Поэтому энергия, передаваемая пуле (с заданной массой), будет зависеть от массового времени, умноженного на временной интервал, на котором применяется сила.
Последний из этих факторов является функцией длины ствола. Пулевое движение через пулеметное устройство характеризуется увеличением ускорения, когда расширяющиеся газы нажимают на него, но уменьшают давление в стволе при расширении газа. До точки уменьшения давления, чем дольше баррель, тем больше ускорение пули. Когда пуля проходит по стволу пистолета, происходит небольшая деформация. Это происходит из-за незначительных (редко крупных) недостатков или вариаций в нарезке или меток в стволе. Главной задачей внутренней баллистики является создание благоприятных условий для избежания подобных ситуаций. Эффект на последующей траектории полета пули обычно незначителен.
От пушки до цели
Внешнюю баллистику кратко можно назвать путешествием от пушки до цели. Пули обычно не следуют по прямой линии к цели. Действуют вращательные силы, которые удерживают пулю от прямой оси полета. Основы внешней баллистики включают такое понятие, как прецессия, которая относится к вращению пули вокруг центра масс. Нутация - это небольшое круговое движение на кончике пули. Ускорение и прецессия уменьшаются по мере увеличения расстояния от пули от ствола.
Одной из задач внешней баллистики является создание идеальной пули. Чтобы уменьшить сопротивление воздуха, идеальная пуля была бы длинной тяжелой иглой, но такой снаряд прошел бы прямо через цель, не рассеивая большую часть своей энергии. Сферы будут отставать и высвобождать больше энергии, но могут даже не попасть в цель. Хорошая аэродинамическая компромиссная форма пули - это параболическая кривая с низкой лобовой областью и формой ветвления.
Лучшей пулевой композицией является свинец, который имеет высокую плотность и дешев для получения. Его недостатки - тенденция к размягчению со скоростью > 1000 кадра в секунду, что приводит к тому, что он смазывает ствол и уменьшает точность, также свинец имеет тенденцию полностью расплавиться. Легирование свинца (Pb) с небольшим количеством сурьмы (Sb) помогает, но реальный ответ заключается в том, чтобы связать свинцовую пулю с жестким стальным бочонком через другой металл, достаточно мягкий, чтобы запечатать пулю в стволе, но с высокой температурой плавления. Медь (Cu) лучше всего подходит для этого материала в качестве «пиджака» для свинца.
Баллистика терминалов (попадание в цель)
Короткая, высокоскоростная пуля начинает резко рычать, поворачиваться и даже вращаться при входе в ткань. Это приводит к тому, что больше ткани смещается, увеличивается сопротивление и придает большую часть кинетической энергии цели. Более длинная, более тяжелая пуля может иметь больше энергии в более широком диапазоне, когда она попадает в цель, но она может проникать так хорошо, что она выходит из цели с большей частью своей энергии. Даже пуля с низкой кинетикой может принести значительный урон ткани. Пули производят повреждение тканей тремя способами:
- Разрушение и дробление. Диаметр повреждения при раздавливании в ткани - это диаметр пули или фрагмента, вплоть до длины оси.
- Кавитация - «постоянная» полость вызвана траекторией (дорожкой) самой пули с дроблением ткани, тогда как «временная» полость образована радиальным растяжением вокруг пулевой дорожки от непрерывного ускорения среды (воздуха или ткани) в результате пули, заставляя раневую полость растягиваться наружу. Для снарядов, движущихся с низкой скоростью, постоянные и временные полости почти одинаковы, но с большой скоростью и с пулевым рысканием временная полость становится больше.
- Ударные волны. Ударные волны сжимают среду и движутся впереди пули, а также по сторонам, но эти волны длится всего несколько микросекунд и не вызывают глубоких разрушений с малой скоростью. При большой скорости генерируемые ударные волны могут достигать до 200 атмосфер давления. Однако перелом кости из-за кавитации является чрезвычайно редким событием. Баллистическая волна давления от дальнего пулевого удара может вызвать у человека сотрясение, что вызывает острые неврологические симптомы.
Экспериментальные методы для демонстрации повреждения тканей использовали материалы с характеристиками, подобными мягким тканям и коже человека.
Дизайн пули
Конструкция пули важна в потенциале ранения. Гаагская конвенция 1899 года (и впоследствии Женевская конвенция) запрещала использование расширяющихся, деформируемых пуль в военное время. Поэтому у военных пуль есть металлическое облачение вокруг свинцового ядра. Разумеется, договор был в меньшей степени связан с соблюдением, чем тот факт, что современные военные штурмовые винтовки стреляют снарядами с высокой скоростью, а пули должны быть покрыты медной оболочкой, поскольку свинец начинает плавиться из-за тепла, создаваемого со скоростью > 2000 кадров в секунду.
Внешняя и внутренняя баллистика ПМ (пистолета Макарова) отличается от баллистики так называемых «разрушаемых» пуль, предназначенных для разрушения при ударе по твердой поверхности. Такие пули обычно изготавливают из металла, отличного от свинца, такого как медный порошок, уплотненный в виде пули. Расстояние мишени от дула играет большую роль в способности к ранению, поскольку большинство пуль, выпущенных из пистолетов, потеряли значительную кинетическую энергию (КЭ) на расстоянии 100 ярдов, в то время как высокоскоростные военные орудия по-прежнему имеют значительный КЭ даже на 500 ярдах. Таким образом, внешняя и внутренняя баллистика ПМ и военных и охотничьих ружей, предназначенных для доставки пуль с большим количеством КЭ на большее расстояние, будут различаться.
Проектирование пули для эффективной передачи энергии конкретной цели не является простым, поскольку цели отличаются. Понятие внутренней и внешней баллистики включает в себя также дизайн снаряда. Чтобы проникнуть в толстую шкуру и жесткую кость слона, пуля должна быть небольшого диаметра и достаточно прочной, чтобы противостоять дезинтеграции. Однако такая пуля проникает в большинство тканей, как копье, нанося немного больше урона, чем ножевая рана. Пуля, предназначенная для повреждения тканей человека, потребует определенных «тормозов», чтобы вся КЭ передавались цели.
Легче конструировать функции, которые помогают замедлить большую, медленную движущуюся пулю в тканях, чем небольшая, высокоскоростная пуля. К таким мерам относятся модификации формы, такие как круглая, сплющенная или куполообразная. Круглые носовые пули обеспечивают наименьшее торможение, обычно покрыты оболочкой и полезны главным образом в пистолетах с малой скоростью. Сплющенная конструкция обеспечивает наибольшее торможение только от формы, не покрывается оболочкой и используется в пистолетах с малой скоростью (часто для целевой практики). Конструкция купола является промежуточной между круглым и режущим инструментом и полезна при средней скорости.
Конструкция пули полых точек облегчает поворот пули «наизнанку» и выравнивание фронта, называемое «расширением». Расширение надежно происходит только при скоростях, превышающих 1200 кадров в секунду, поэтому подходит только для пистолетов с максимальной скоростью. Разрушаемая пуля, состоящая из порошка, предназначена для дезинтеграции при ударе, доставки всего КЭ, но без значительного проникновения, размер фрагментов должен уменьшаться по мере увеличения скорости удара.
Потенциал ранения
Тип ткани влияет на потенциал ранения, а также на глубину проникновения. Удельный вес (плотность) и эластичность являются основными тканевыми факторами. Чем выше удельный вес, тем больший урон. Чем больше эластичность, тем меньше урон. Таким образом, легкая ткань с низкой плотностью и высокой эластичностью повреждается меньше мышц с более высокой плотностью, но с некоторой эластичностью.
Печень, селезенка и мозг не имеют эластичности и легко травмируются, как и жировая ткань. Заполненные жидкостью органы (мочевой пузырь, сердце, большие сосуды, кишечник) могут лопнуть из-за создаваемых волн давления. Пуля, поражающая кость, может привести к фрагментации кости и / или к образованию многочисленных вторичных ракет, каждая из которых вызывает дополнительное ранение.
Баллистика пистолета
Это оружие легко скрывается, но трудно прицелиться точно, особенно в местах преступления. Большинство стрельб из стрелкового оружия происходят на расстоянии менее 7 ярдов, но даже в этом случае большинство пуль пропускают намеченную цель (только 11% патронов нападавших и 25% пуль, выпущенных полицейскими, попадают в намеченную цель в одном исследовании). Обычно оружие низкого калибра используется в преступлениях, потому что они дешевле и легче носить и легче контролировать во время стрельбы.
Уничтожение тканей может быть увеличено любым калибром с использованием пули с расширяющимися полыми точками. Двумя основными переменными в баллистике пистолетов являются диаметр пули и объем пороха в корпусе картриджа. Картриджи более старого дизайна были ограничены давлениями, которые они могли выдержать, но достижения в металлургии позволили удвоить и утроить максимальное давление, чтобы можно было генерировать больше кинетической энергии.
