Игорь Лисин
На протяжении последних столетий основным инструментом ведения войны являлось огнестрельное оружие. В настоящее время, только стрелковое огнестрельное оружие, производят более 1000 компаний в 98 странах, в количестве около 8 млн. единиц ежегодно. Мировыми лидерами в производстве и экспорте являются США, Россия, Китай.
Общее количество стрелкового огнестрельного оружия в мире составляет 639 млн. единиц, частным лицам принадлежит 377 млн. единиц или 59 %. С момента появления и до наших дней огнестрельное оружие очень изменилось. Оно совершенствовалось, в процессе эволюции повышались его боевые характеристики и улучшались эксплуатационные качества. В результате многовекового развития огнестрельное оружие достигло высокой степени технического совершенства. Но как любое техническое устройство имеет и свои недостатки.
Основным недостатком является слишком большой размер порохового патрона. Это обусловлено низкой удельной теплотой сгорания пороха (около 3800 кдж/кг). В настоящее время, в большинстве образцов огнестрельного оружия используются одни и те же патроны, разработанные много десятилетий назад, или их модификации. Новые патроны изобретаются редко, и огнестрельное оружие даже самой современной конструкции, обычно создается под уже существующий патрон. Большие размеры порохового патрона не позволяют значительно повысить боевые характеристики и улучшить эксплуатационные качества огнестрельного оружия.
В данной статье рассматривается альтернативное оружие, работа которого основана на несколько иных принципах. Это пневмоэлектрическое оружие, в котором вместо пороха используется эффективное топливо металл-кислород. Металлы имеет значительно более высокую удельную теплоту сгорания (до 43000кДж/кг), что дает возможность решать следующие проблемы. Во-первых, увеличивать начальную скорость и дульную энергию пули. Это позволит уменьшить калибр пули, увеличить дальность и точность стрельбы, усилить поражающее действие пули. Во-вторых: уменьшать размеры патрона. Это позволит уменьшить размеры оружия, сделать его более легким и более удобным, увеличить боезапас.
Пневмоэлектрическое оружие это устройство для метания снаряда (пули), которое состоит из следующих основных элементов: ствол, источник электрического тока, пневмоэлектрический патрон. Пневмоэлектрический патрон представляет собой конструкцию, в которой с помощью гильзы, объединяются в одно целое снаряд, система подачи сжатого газа и сгорающий элемент. Сгорающий элемент выполнен из материала, который является горючим по отношению к сжатому газу.
В качестве горючего могут использоваться металлы, в качестве сжатого газа кислород. Для производства выстрела замыкается электрический контакт между источником электрического тока и сгорающимэлементом. Под действием электрического тока, сгорающий элемент нагревается до высокой температуры. В результате нагревания происходит химическая реакция горения между металлом и сжатым кислородом, и выделяется значительное количество тепла. Сжатый кислород нагревается, и его давление в гильзе возрастает. Под давлением нагретого кислорода, пуля из гильзы выталкивается в ствол. Нагретый кислород резко расширяется и продолжает давить на снаряд. Вследствие этого пуля с ускорением движется в канале ствола, приобретает большую скорость и вылетает из ствола. Таким образом, происходит выстрел.
В качестве источника электрического тока может использоваться электрический конденсатор и батарея для зарядки конденсатора. Для снижения температуры воспламенения в материал, из которого изготовляется сгорающий элемент, может добавляться вещество-катализатор.
Преимущества пневмоэлектрического оружия по сравнению с огнестрельным оружием следующие. Первое: большая удельная теплота сгорания топлива металл-кислород. После сгорания порохового заряда пистолетного 9-мм патрона остается 0,25 гр. пороховых газов и выделяется 950 Дж энергии. После сгорания сгорающего элемента 9-мм пневмоэлектрического патрона, остается 0,24 гр. кислорода и выделяется 1400 Дж энергии (см. ниже). Пороховые газы и кислород имеют одинаковую молекулярную массу, соответственно 14 - 19 и 16 атомных единиц массы. При одинаковых размерах и равном количестве расширяющегося газа, 9-мм пневмоэлектрический патрон в полтора раза превосходит аналогичный 9-мм пороховой патрон, по количеству выделяемой энергии.
Для изготовления сгорающего элемента могут использоваться различные материалы. Например, углерод. Углеродный сгорающий элемент может нагреваться электрическим током (из углерода изготовляются электрические нагревательные элементы). Основным недостатком является возможность самовоспламенения. Наиболее устойчивыми против самовоспламенения, являются металлы. Кроме того, металлы обладают рядом нужных качеств.
В первоначальных экспериментах для изготовления сгорающих элементов могут использоваться хромали (общее название жаростойких сплавов металлических сплавов, содержащих 17 - 30 % хрома, 4,5 - 6 % алюминия, остальное - железо). Для промышленного применения понадобятся специальные сплавы, обладающие оптимальным сочетанием следующих качеств. Низкая удельная теплота воспламенения (под удельной теплотой воспламенения подразумевается количество тепловой энергии, необходимое для нагревания 1кг материала до температуры горения), высокая удельная теплота сгорания, большая плотность, электропроводность, высокое электрическое сопротивление. Кроме того, возможно промышленное изготовление сгорающего элемента из существующих материалов, за счет применения особой конструкции. Например, двухслойная конструкция: материал с большим электрическим сопротивлением используется для изготовления сердцевины, а оболочка сгорающего элемента изготовляется из легковоспламеняющегося материала.
За основу для изготовления экспериментального пневмоэлектрического патрона, может быть взят 9-мм пороховой патрон с трассирующей пулей, конструкторов В. В. Трунова и П. Ф. Сазонова. Его параметры следующие: калибр 9 мм, масса патрона 10 гр., масса пули 6,1 гр., масса порохового заряда около 0,25 гр., длина патрона 25 мм, длина пули 12,35 мм, длина гильзы 18,1 мм, длина камеры заряжания 12,25 мм, объем камеры заряжания 0,56 см?, максимальное давдующими характеристиками: удельная теплота сгорания около 30000кДж/кг, плотность около 2700кг/м?, удельная теплоемкость около 0,88 кдж/(кг*К). Сгорающий элемент может быть изготовлен из проволоки, диаметром 0,45 мм и длиной 108 мм. Проволока имеет форму спирали длиной 12,25 мм, 8 витков, диаметр витка 5 мм. Объем сгорающего элемента составит 0,0172 см? или 3 % объема камеры заряжания, масса 0,046 гр. Для эффективного протекания химической реакции сгорающий элемент нужно нагреть до температуры около 250°С. Для этого понадобится энергия примерно 10 Дж.
Начало горения металлического сплава при такой сравнительно низкой температуре, возможно за счет высокой плотности и давления кислорода, а также добавления в сплав вещества-катализатора. При полном сгорании сгорающего элемента расходуется 0,041 гр. кислорода (15 % его количества в камере заряжания), и выделяется 1,4кДж тепловой энергии. Существуют резервы значительного повышения количества выделяемой энергии, без увеличения размеров пневмоэлектрического патрона. Так, при возрастании давления кислорода до 400 атмосфер, и его 50-процентной потере при сгорании, масса сгорающего элемента возрастает в 6 раз, и составит 0,3 гр. При полном сгорании выделяется 9кДж тепловой энергии (в 9 - 10 раз больше, чем у базового пистолетного патрона). Для нагревания сгорающего элемента массой 0,3 гр. до температуры 250°C понадобится энергия 60 Дж. За счет большей удельной теплоты сгорания можно уменьшить массу пули и увеличить ее начальную скорость до 3 000 м/сек, что позволит повысить боевые характеристики стрелкового оружия.
Кроме того, можно значительно уменьшить размеры патрона, что позволит улучшить эксплуатационные качества. Второе: значительно меньшее усилие, необходимое для работы автоматики, т. к. не нужно осуществлять взвод ударно-спускового механизма. В пневмоэлектрическом оружии могут эффективно применяться более простые, компактные и легкие системы автоматики, в том числе те, применение которых оказалось нецелесообразным для огнестрельного оружия. Вместо ударно-спускового механизма пневмоэлектрическое оружие содержит источник импульсного электрического тока (электрический конденсатор и батарею).
Для получения мощного электрического разряда с энергией 10 Дж может использоваться конденсатор емкостью 100 мкФ, заряженный до разницы потенциалов 300 В. При таких параметрах масса бытового конденсатора составляет около 40 гр. (существуют конденсаторы, масса которых на порядок меньше). Энергоемкость батареи определяется, как количество ватт-часов, содержащихся в батарее и равно произведению напряжения батареи на ее емкость в ампер-часах (ссылка). Батарейка Lithium Photo модель CRP2P имеет емкость 1300мАч, напряжение 6В и весит 37гр. Ее энергоемкость 7,8ватт-часов или 28кДж.
В реальных условиях батарея не отдает всю накопленную энергию, а лишь часть ее, в зависимости от соотношения снимаемой мощности и номинальной энергоемкости батареи. Чем больше снимаемая мощность относительно энергоемкости батареи, тем меньше она отдаст энергии, т. е. тем ниже ее КПД. При затратах энергии на один выстрел 10 Дж и КПД указанной батарейки 70%, ее энергоемкости достаточно для производства около 2000 выстрелов. Такой ресурс значительно превышает фактические потребности и обусловлен зависимостью между энергоемкостью и снимаемой мощностью. Максимальная снимаемая мощность численно примерно ррелов в секунду (пистолет - пулемет). При более мощном патроне и для дальнейшего повышения скорострельности, целесообразно применение более мощных батареек и аккумуляторов. В некоторых случаях могут применяться стационарные источники электрического тока (для танковых пулеметов, авиационных пулеметов, артиллерийских систем и т. д.). Третье: возможность эффективного управления процессом горения сгорающего элемента. Осуществляется путем изменения энергии электрического разряда, химического состава и формы сгорающего элемента, давления и процентного содержания кислорода. Позволяет применять очень мощные патроны и оптимально использовать их энергию.