Физические процессы в пружинно-поршневой пневматике.

На первый взгляд устройство пружинно-поршневого оружия кажется весьма примитивным, однако реальная его работа, взаимодействие деталей его конструкции куда сложнее, чем у других типов пневматического оружия. Множество факторов влияют на эффективность ППП, и факторы эти порой взаимоисключающие, поэтому конструирование ППП обычно сводится к поискам «золотой середины».

Начинающие любители пневматического оружия приобретают, обычно, именно ППП и лишь затем, возможно, обращают своё внимание на какие-либо другие её разновидности.

Процессы, происходящие внутри ПП винтовки при выстреле, не так просты. Сначала необходимо понять, как функционирует пружинно-поршневая винтовка, а затем разбираться что в ней происходит. Для этого надо выяснить:

- какова последовательность событий в процессе выстрела?

- в какой момент пуля начинает своё движение ?

- как ведёт себя поршень до и после вылета пули из ствола?

и это не все вопросы, возникающие при более детальном изучении. На первые три вопроса, можно ответить сразу: сначала стартует поршень, затем пуля (в момент достижения максимального давления), пуля покидает ствол и, наконец, поршень достигает передней стенки цилиндра и останавливается. Но необходимо отметить, что поршень подходит очень близко к передней стенке цилиндра в момент наивысшего давления, и затем отражается обратно по причине максимального давления в воздушной подушке перед ним. Всё это происходит очень быстро, за какие-то 15÷20 миллисекунд.

Итак, что может быть проще: пружина, поршень, воздух и пуля. Однако, не всё так просто, как кажется. Присутствие смазки, используемой для смягчения работы механизма, иногда вызывает дизелирование, то есть что-то похожее на процесс, происходящий в дизельном двигателе. Установка более мощной пружины может привести не к повышению скорости, а к совершенно противоположному результату.

Исходя из этого, в литературе(1) встречается разделение процессов, происходящих при выстреле, на четыре фазы (английское phases). Но в нашем понятии, фаза – это часть одного процесса, а как будет рассмотрено ниже, они в основном взаимоисключают друг друга. Поэтому назовём их видами процессов: Blowpipe, Popgun, Combustion и Detonation.

Вид 1 -           Blowpipe.

В этом случае пуля лежит в стволе, не полностью его перекрывая, и воздух перетекает из области повышенного давления наружу. Это характерно для винтовок сравнительно малых мощностей и пистолетов или же для пневматики, применяющей стальные ВВ шарики.

ВВ шарик в стволе пневматики сидит довольно свободно. Он не обеспечивает достаточной герметичности, поэтому поршень не может создать достаточно высокое давление перед шариком, а результат: скорость его вылета относительно мала. В таких пистолетах, а иногда и винтовках, пулю необходимо досылать чуть-чуть вглубь ствола от казённика. Это позволяет ликвидировать затраты энергии на досылание пули в ствол, и, что более важно, гарантирует, что пуля всё же покинет ствол и не застрянет.

Этот вид реализуется в винтовках и пистолетах с очень малой мощностью. Раньше подобные винтовки продавались почти в каждом спортивном магазине, однако, сейчас они практически исчезли, разве что специально сконструированные под ВВ. Этот вид процесса используется также в оружии при стрельбе лёгкими пластиковыми шариками из копий реального оружия (SoftAir).

Вид 2 -           Popgun.

Popgun - в переводе с английского пугач. Этот вид процесса соответствует такому положению, когда пуля плотно загоняется в казённик ствола, но при выстреле не возникает дизелирование смазки. Винтовка, в которой реализуется такой режим, как правило, гарантирует стабильную скорость, но эта скорость всё же ниже, чем при использовании той же винтовки в режиме с эффектом дизелирования. Для успешной работы винтовки, использующей этот вид процесса, необходимо высокое качество изготовления. Так, казённая часть ствола должна соблюдать постоянство радиуса по всей длине канала, чтобы обеспечивать стабильность сдвига пули в определённый момент при выстреле. Манжета поршня должна быть качественной, чтобы от выстрела к выстрелу процесс сжатия воздуха не претерпевал изменений, а так же она не должна пропускать смазку в цилиндр, по которому движется поршень, при взводе винтовки. ПП винтовки, которыми пользуются при соревнованиях высокого уровня, работают как раз в режиме Popgun.

Название Popgun было дано этому виду процесса потому, что при нажатии на спуск поршень, двигаясь вперёд, сжимает перед собой воздух, а, соответственно, и за пулей до тех пор, пока создаваемое им давление не станет достаточным чтобы сдвинуть пулю с места и прогнать её через ствол. Это напоминает вылет пробки из пугача, когда давление за пробкой становится выше достаточного для «откупоривания». Конечно, необходимо вспомнить, что воздух по законам физики при этом нагревается. Это способствует ещё большему повышению давления за пулей, до начала её сдвига из казённика ствола. Но в момент, когда пуля начинает двигаться, воздух начинает расширяться, при этом он охлаждается и энергия его нагрева теряется. Остаётся только энергия пружины, которая гонит пулю дальше, завершая процесс.

Вид 3 -           Combustion.

Combustion - горение. Следует особо отметить этот вид потому, что именно в таком режиме работают большинство спортивных ПП винтовок, имеющих высокую дульную энергию. При движении поршня вперёд температура воздуха перед ним в момент выстрела может достичь значения температуры воспламенения горючего вещества, например, смазки или какого-либо другого. Таким образом, давление перед поршнем поднимается значительно выше, получаемая энергия способствует вылету пули из ствола с высокой скоростью. Так как в данном случае воспламенение непосредственно связано с повышением температуры от сжатия, то для этого вида ввели понятие «дизелирование».

Давление зависит от количества и характеристик горючего вещества, поэтому очевидно, что полной стабильности процесса добиться сложно, поскольку предсказать, сколько смазки или другого горючего вещества в цилиндре, невозможно. Если сравнить дульную скорость пули для этого вида и для вида Popgun, то она проигрывает в стабильности. Но при стрельбе на длинные дистанции этот недостаток при условии большей скорости не очень важен. Поэтому при выборе пневматического оружия необходимо искать компромисс между противоречивыми требованиями.

Вид 4 -           Detonation.

И наконец, вид Detonation. Этот вид встречается редко. Его трудно описать, изучить. И когда он всё же происходит, результаты могут быть весьма плачевными. Эксперименты с этим видом могут привести к большим повреждениям винтовки. Вероятнее всего этот процесс происходит при избытке горючего вещества перед поршнем. Начинается он с обычного горения. При движении поршня происходит сжатие горючей смеси, как следствие резкий скачок температуры вверх, что приводит к цепной реакции и детонации всего горючего вещества. Детонация это мгновенная перегруппировка молекул, вызывающая большое повышение температуры и давления. При её возникновении выделяется огромное количество энергии. Появление детонации в пневматике зависит и от внешней температуры среды, а также от типа используемой смазки.

Так как детонация приводит к очень резкому скачку давления в цилиндре, поэтому иногда может произойти существенное вздутие его стенок. Кроме этого, поршень порой начинает двигаться в обратном направлении, сжимая пружину. Иногда даже оружие снова становится на взвод, а случается и просто ломается спусковой механизм. В этот же момент пуля вылетает из ствола с очень большой скоростью, зачастую с коротким хлопком, достаточно громким, с облаком дыма и, иногда, с пламенем или снопом искр из ствола. Однако, иногда она покидает ствол даже медленней, чем обычно. К тому же, зачастую резкий откат поршня назад заставляет винтовку резко дёргаться, пружина, как правило, тоже страдает, так как её витки при этом касаются и поджимают друг друга. Это может привести в конце концов к снижению запасаемой в пружине энергии и, в результате, к снижению мощности винтовки при дальнейшем использовании.

В литературе(1) упоминается попытка использовать детонацию в винтовке Weihrauch HW35/Barracuda. Детонирующее вещество (производная эфира) впрыскивалось в цилиндр в небольшом дозированном количестве с помощью небольшого насоса на цилиндре перед каждым выстрелом. При повторении попытки результат оказывался абсолютно непредсказуемым, поэтому от этой идеи отказались.

Иногда при возникновении этого вида процесса при выстреле говорят, что винтовка «дизелирует». Но это не совсем правильно. В дизельном двигателе, как, между прочим, и в патронах огнестрельного оружия, происходит контролируемое и достаточно аккуратное воспламенение горючей смеси, в одном случае, и пороха определённого состава, в другом. Выстрел из пневматической винтовки - «дизельный выстрел», имеет все характерные признаки детонации –очень сильную отдачу, силу, звук, искры. Вследствие этого можно принять термин «дизель» как синоним детонации.

Как мы уже говорили, все виды были описаны как независимые процессы. Однако все они могут происходить в одной винтовке. Допустим в винтовку исходно заложили смазку с избытком. В этом случае она будет работать в виде Detonation. Через некоторое время часть смазки прогорит, её остаток будет незначительным и винтовка перейдёт к следующему виду – Combustion. Продолжая стрелять и не пополняя при этом смазку, через некоторое время можем получить ситуацию, когда весь избыток смазки прогорит. Винтовка перейдёт к виду – Popgun. При этом, если использовать пули чуть меньшего калибра или просто некачественные, то можно получить и вид - Blowpipe.