Дослідження довжин ствола в зброї під 5,56 мм NATO

Зсув від стандартної довжини ствола 20 дюймів у системах зброї AR-15/M16 під набій 5.56×45 NATO до коротших стволів був потрібен, щоб отримати більш компактну штурмову зброю без переходу на компоновку «булл-пап». Використання цих короткоствольних зразків показало необхідність як зниження звуку пострілу, так і зменшення спалаху, інтенсивність яких (при надзвичайно коротких стволах) наближалися до спалаху та звукового ефекту шумової гранати.

Переклад статті за 08.02.2012 зараз уже архівного www.sadefensejournal.com/wp/barrel-length-studies-in-5-56mm-nato-weapons/

Ця тенденція до коротших стволів призвела до того, що Армія США та Корпус морської піхоти перейшли на карабін M4 із довжиною ствола 14,5 дюйма, а також до переробки набою 5.56×45 — від кулі М193 масою 55 гран до кулі М855 масою 62 грани, щоб оптимізувати роботу зі стволом такої довжини. Інакша конструкція кулі також вимагала зміни кроку нарізів — з початкових 1:12 до 1:7.

Правоохоронні органи та деякі підрозділи спеціальних операцій продовжили цю тенденцію, використовуючи зброю зі стволами завдовжки 10,5 дюйма, а також існує певний (на думку авторів — помилковий) інтерес у правоохоронців до систем типу M16 зі стволами 7 дюймів. Окрім жахливого рівня спалаху та звуку, такі надкороткі стволи створюють суттєві додаткові проблеми, включно з роботою та надійністю зброї, стабільністю кулі в польоті та ефективністю ураження цілей.

Останніми роками конструктори усвідомили, що цілісність конструкції глушників обмежується піковими коливаннями тиску у вхідній камері. Вхідну камеру можна уявити як простий циліндр, який працює як посудина під тиском із отвором на дальньому кінці, що визначає швидкість зниження тиску. Під час пострілу тиск майже миттєво досягає піка і падає буквально за мікросекунди. У цей короткий проміжок часу на конструкцію діє велике навантаження.

Ствол вогнепальної зброї також можна уявити як посудину під тиском, але таку, що змінює свою ефективну довжину в процесі руху кулі.

Інтуїтивні уявлення перейшли у якісну інженерну практику вимірювання фактичного тиску у вхідних камерах глушників для розрахунку оболонкових напружень і, знаючи границю плинності матеріалу, визначення коефіцієнта запасу міцності. Деякі з цих величин можна приблизно оцінити розрахунками, але саме фактичні вимірювання дають беззаперечні дані. Ці питання й розглядаються в цій статті.

Звук пострілу виникає внаслідок раптового вивільнення газів високого тиску на дульному зрізі в момент виходу кулі. Щоб ефективно контролювати (зменшувати) рівень звуку, глушник має бути здатним витримувати цей тиск.
Не одразу очевидно, як пов’язані між собою тиск у вхідній камері глушника та залишковий тиск у каналі ствола в момент виходу кулі, а також які проблеми це створює для конструкції глушників.

Оскільки аналіз методом скінченних елементів стає поширеним у конструюванні глушників, фактичні вимірювані значення тиску дадуть значно точнішу й надійнішу інформацію, ніж тиск, розрахований або оцінений на основі таблиць SAAMI (Інститут виробників спортивної зброї та боєприпасів). Дані SAAMI вимірюються для конкретних розмірів патронника та конкретного боєприпасу — а не всі патронники точно відповідають параметрам SAAMI, особливо у військових зразках.

Інше питання, яке порушується, — це кінетична енергія кулі, що залежить від маси снаряда та квадрата його швидкості. Інтуїтивно зрозуміло, що швидкість змінюватиметься залежно від довжини ствола, але фактичну зміну неможливо точно визначити за вимірюванням лише по довжині ствола.

Автори висловлюють серйозне занепокоєння питаннями надійності, функціонування, летальності та швидкості кулі зі зменшенням довжини ствола. Досліджуючи швидкість кулі, рівні звуку та тиск у каналі ствола як функції довжини ствола, автори сподівалися встановити кореляцію та визначити оптимальну довжину ствола враховуючи сучасні запити на короткоствольні системи зброї типу M16.

Паралельно з прагненням скоротити довжину стволів існує потреба зменшувати вагу аксесуарів, включно з глушниками. Деякі глушники переробляють, використовуючи міцні й легкі сплави, тоді як інші просто зменшують вагу шляхом зменшення товщин конструктивних елементів, зокрема товщини зовнішньої стінки.

Кільцеве напруження (циліндричне напруження) — це  тип механічного напруження, що намагається розірвати камеру або посудину під тиском. Глушник, особливо його вхідна камера, є посудиною під тиском, яка утримує гази високого тиску протягом дуже короткого моменту. Одиницею кільцевого напруження є одиниці тиску (psi), і воно прямо пропорційне діаметру та максимальному піковому внутрішньому тиску й обернено пропорційне товщині стінки.

Коефіцієнт запасу міцності — це відношення границі плинності матеріалу, з якого виготовлено глушник, до кільцевого напруження.
За коефіцієнта запасу 1 приблизно 50% виробів зазнають руйнування. Вимоги військових передбачають коефіцієнт запасу не менше 2, а авіаційна галузь вимагає мінімум 2,5.
Коефіцієнт запасу зменшується при зменшенні товщини стінки глушника, особливо у поєднанні зі збільшенням діаметра.
Використання матеріалів із низькою границею плинності, наприклад поширених корозійностійких сталей серії 300, може призвести до небезпечних конструкцій — особливо з урахуванням зниження міцності за підвищених температур навіть після швидкого відстрілу 100 набоїв.

Крім того, оскільки миттєвий піковий тиск у вхідній камері глушника прямо пропорційний тиску в каналі ствола в момент виходу кулі, то при використанні глушників на короткоствольній зброї під набій 5.56×45 NATO тиск у глушнику може перевищити межу його міцності, що призведе до руйнування й потенційного травмування стрільця.

Зміна довжини ствола суттєво впливає не лише на надійність роботи зброї, а й на швидкість кулі (включно з кінетичною енергією), рівень звуку та інтенсивність спалаху.
Короткоствольні газовідвідні системи, зокрема платформа AR-15/M4, демонструють дедалі більші проблеми з надійністю зі зменшенням довжини ствола. Основна причина полягає в тому, що при скороченні ствола зменшується час перебування кулі в каналі ствола після проходження газовідвідного отвору. Це ускладнює рівномірність циклу роботи автоматики, а встановлення дульних пристроїв (наприклад, глушників) може спричинити серйозні проблеми з надійністю, як от надто швидкий цикл роботи.

Гіроскопічна стабільність кулі залежить від її кутової швидкості, яка визначається кроком нарізів і лінійною швидкістю. Нестабільність викликає крен і «ключування» (keyholing) одразу після виходу кулі, що може пошкодити елементи глушника та спричинити непередбачувану траекторію кулі.

Налаштування експерименту

Метою експерименту було виміряти тиск у каналі ствола в момент виходу кулі для різних довжин ствола. Загальновідомо, що фактичні показники тиску, отримані за допомогою п’єзоелектричних датчиків, значно точніші за вимірювання тензодатчиками, особливо коли потрібні вимірювання саме на кінці ствола. Після калібрування п’єзоелектричний датчик можна використовувати в багатьох точках. Натомість тензодатчик необхідно перекалібровувати для кожної нової точки вимірювання.

Для тесту було взято 24-дюймовий ствол AR-15 (крок нарізів 1:7) і підготовлено до експерименту. Тестовий ствол не мав газового порту для роботи автоматики, що перетворювало зброю на однозарядну. Це зробили для уникнення неточностей, спричинених використанням газового тиску для перезаряджання. На стволі зробили позначки неповними пропилами через кожен 1 дюйм (2.5 см), починаючи з дульного зрізу і закінчуючи за 5 дюймів (12.7 см) від затвора. Для забезпечення стабільності всі набої були військовими M855 (Lake City, 2009 року, з однієї партії). Крім того, щоб гарантувати однаковість умов, набої зберігали в холоді до моменту заряджання та стрільби.

На стволі було просвердлено отвір діаметром 2,5 мм на відстані 0.5 дюйма (1.27 см) від дульного зрізу та нарізано різьбу для встановлення п’єзоелектричного сенсора прямого вимірювання тиску Kistler 6215. Були проведені серії по п’ять пострілів, після чого результати усереднювалися.

Оскільки вимірювач фіксує лише піковий тиск, якому він піддається, єдиний пік, який він бачить, — це момент, коли куля знаходиться менш ніж за 0.5 дюйма від зрізу ствола. Це і є тиск у каналі в момент виходу кулі. На кожен із п’яти пострілів у серії проводилося вимірювання швидкості кулі на відстані 5 футів (1.5 метра) від дульного зрізу та абсолютного рівня звукового тиску за допомогою шумоміра Larson-Davis 800B у контрольній точці відповідно до протоколу Mil-Std 1474D (1 метр ліворуч від дульного зрізу, під кутом 90° до осі каналу ствола). Для забезпечення стабільності зброя була закріплена в упорі.

Після цього ствол вкорочували по одному дюйму, щоразу свердлячи новий тисковимірювальний отвір за 1.2см (0.5 дюйма) від нового дульного зрізу, та переміщували туди п’єзоелектричний датчик. Вимірювання знову повторювалися. Остання серія вимірювань проводилася, коли довжина ствола становила 5 дюймів (12,7 см).

Для задоволення цікавості на іншому стволі отвір був розташований на відстані 3 дюймів (7,62 см) від патронника, після чого виміряний тиск був усереднений на вибірці з 15 пострілів.

Дані та аналіз

Вимірювання для стволів довжиною від 24 до 5 дюймів показали, що тиск у каналі ствола в момент виходу кулі змінювався від 4 800 psi (33.1 МПа) для 24-дюймового ствола до понад 25 000 psi (172.3 МПа) для 5-дюймового. Це представлено на Графіку 1. Побудова графіка логарифму тиску при виході кулі залежно від довжини ствола дає майже пряму лінію, що свідчить: тиск зростає експоненційно зі зменшенням довжини ствола.

Тиск, який ми виміряли на отворі, розташованому за три дюйми від затвора, становив 55 744 psi (384.4 МПа) при використанні M855 (усереднення 9 пострілів). Спостерігалися певні коливання між пострілами — від мінімальних 52 500 psi (362 МПа) до максимальних 57 600 psi (397.2 МПа). Цікаво, що різниця тиску між окремими пострілами була менш вираженою на більш віддалених отворах. Ми не маємо даних SAAMI щодо тиску в патроннику для набою M855 5.56×45 мм, але для комерційного .223 Remington середній максимальний тиск SAAMI становить 55 000 psi (379.25 МПа) .

Оскільки ці системи все частіше використовуються зі звуковими модераторами, важливо звернути увагу на тиск "розкорковування" для найбільш поширених довжин стволів — 14,5 дюйма та 10,5 дюйма. Дані тиску для стволів 14,5 і 10,5 дюйма були апроксимовані шляхом усереднення показників між двома сусідніми вимірюваннями (14 і 15 дюймів тощо), що дало відповідно 8 150 psi (56.2 МПа) та 11 500 psi (79.3 МПа) . Існує певний інтерес серед користувачів до встановлення глушника на М16 зі стволом довжиною 7 дюймів — тиск "розкорковування" у цьому випадку становить 17 140 psi (118.2 МПа), що приблизно на 50% більше, ніж для ствола 10,5 дюйма, який своєю чергою має приблизно на 50% вищий тиск, ніж 14,5-дюймовий ствол.

Один з авторів вимірював тиск в отворі вхідної камери одного з 5,56-мм глушників власної компанії зі стволами HK416 довжиною 14,5 та 10,5 дюйма. Було зафіксовано 50% збільшення тиску у вхідній камері глушника при використанні зброї зі стволом 10,5 дюйма порівняно з довшим 14,5-дюймовим варіантом.

Набій M855 оптимізований для 20-дюймового ствола з кроком нарізів 1:7. Не дивно, що найбільша швидкість у 908 м\с була отримана саме зі стволом 20 дюймів. Менша швидкість у стволах довших за 20 дюймів пояснюється тим, що тиск, який розганяє кулю, уже не переважає сили тертя, що сповільнюють її. Зрештою, Юджин Стоунер проєктував цей патрон саме під 20-дюймовий ствол.

Рівень звукового тиску вимірювався відповідно до Mil-Std 1474D, який передбачає використання A-зважування (A-зважування - це частотне зважування звуку, що моделює чутливість людського вуха, зменшуючи вплив низьких і високих частот для більш точного вимірювання рівня шуму, який сприймає людина). Це зважування знижує точність показань приладу, щоб наблизити їх до частотної чутливості людського вуха, і є коректним лише для рівнів звуку нижче 55 дБ. Для рівнів понад 130 дБ, а особливо в діапазоні 160+ дБ, характерному для гвинтівки 5,56 мм без глушника, вимірювання мали б проводитися без будь-якого зважування (“лінійно” або Z-зважування, залежно від виробника приладу). Хоча між тиском "розкорковування" та виміряним рівнем звуку з А-зважуванням спостерігається приблизна кореляція, такі вимірювання не можна вважати дуже точними через вимоги стандарту Mil-Std.

Звукові рівні — це вимірювання тиску, виражені як логарифмічне відношення фактичного тиску до 20 мікропаскалів — порогу чутності людини. У вимірюваннях звуку спостерігалася трохи менша стабільність, ніж у фактичних вимірюваннях тиску виходу кулі, частково через додаткові змінні, такі як акустичний опір повітря, напрям та швидкість вітру. Крім того, неточності у цьому діапазоні інтенсивностей звуку, що виникають через використання A-зважування, також вносять похибку, якої не було б при незважених вимірюваннях. При побудові графіка тиску відносно рівня звукового тиску в децибелах та графіка рівня звукового тиску відносно довжини ствола спостерігається дещо більше відхилення від прогнозованого середнього значення, але загальна тенденція й кореляція є статистично значущими. Фактичні рівні звукового тиску варіювали від 162,5 dB(A) зі стволом 24 дюйми до 165,1 dB(A) у стволі довжиною 5 дюймів.

Не менш показовою у цьому дослідженні була кореляція між швидкістю кулі та довжиною ствола (див. Графік 2). Для створення летального раньового каналу куля M855 повинна мати швидкість щонайменше 762м\с у момент влучання в ціль. За меншої швидкості куля M855 просто пробиває отвір діаметром 6мм, що занадто часто не є летальним, якщо тільки не вражено життєво важливі органи. Частина цих обмежень нині вирішується новішими типами куль, недоступними авторам на момент дослідження.

Максимальна швидкість 908 м\с була досягнута у 20-дюймовому стволі, тоді як у стволі 14,5 дюйма швидкість становила приблизно 822 м\с. Критична швидкість 762 м\с спостерігалася у стволах з довжиною між 9 та 10 дюймами, що ще раз підтверджує абсурдність ідеї використання 7-дюймового ствола під цей набій.

Висновок

Щоб задовольнити цікавість авторів щодо впливу довжини ствола на зброю під набій 5,56×45 NATO, був розроблений експеримент для вимірювання фактичного тиску в каналі ствола в момент виходу кулі, швидкості та рівня звукового тиску при довжині ствола від 24 до 5 дюймів. Це має практичне значення на кількох рівнях.

Під час розгляду питання приглушення звуку цього набою, глушник має бути спроєктований так, щоб витримувати тиск газів у момент виходу кулі, а вищий тиск "розкорковування" вимагає більший глушник, здатний прийняти цей об’єм газів. В окремих дослідженнях автори відзначили, що градієнт тиску у вхідній камері глушника не є рівномірним через поступальний рух газів уперед. Це вказує, що більша вхідна камера потребує збільшення довжини, а не діаметра. За вищих тисків також зростає ерозія перегородок глушника через дуже перегріті, частково згорілі залишки пороху, які діють наче плазмовий різак. Крім того, збільшення діаметра глушика вимагає збільшення товщини стінок, щоб не збільшувати кільцеве напруження (і не зменшувати безпеку виробу), що також робить глушник важчим. Таким чином, щоб зберегти ефективність приглушення, глушник має бути довшим (і важчим) зі зменшенням довжини ствола, що фактично нівелює більшість переваг компактності, отриманих укороченням ствола.

По-друге, для коротших стволів налаштування газового порту (для регулювання кількості газу) для нормального циклу роботи зброї стає значно критичнішим. Додавання глушника, який трохи підвищує тиск у каналі ствола, призведе до більш різкого й нерівномірного циклу роботи, що спричинить швидший знос та можливі відмови. Важливо пам’ятати, що набій 5,56×45 NATO був розроблений спеціально для 20-дюймового ствола газовідвідної системи з 7-дюймовим «dwell time» після газового порту. Ствол M4 довжиною 14,5 дюймів зберігає ті самі 7 дюймів після порту.

Нарешті, зниження швидкості кулі у стволах значно коротших за 14,5 дюйма має низку небажаних наслідків. Зменшення лінійної швидкості призводить до зниження кутової швидкості, що зменшує гіроскопічну стабільність кулі. Також суттєво падає кінетична енергія кулі, здатність створювати значний раньовий канал, і досягається межа, за якої летальність кулі викликає сумніви.

Таким чином, на думку авторів, довжина ствола менше ніж 14,5 дюйма в цьому калібрі призводить до проблем ефективності, що можуть бути шкідливими для користувача.

by Dr. Philip H. Dater & Jason Wong on 8 February, 2012.