rolfes.jpg
sobol.jpg

Пневматические винтовки с накачкой воздуха


Накачка винтовок на сжатом воздухе.
Перед тем как разбирать вопрос о контроле над использованием воздуха в винтовках на сжатом воздухе, а также изучать, как воздух толкает пулю через ствол, мы решили разобраться с вопросом сжатия воздуха. Нас интересовало соотношение между потенциальной энергией сжатого воздуха и энергией, затраченной на его сжатие.

Вполне очевидно, что для работы со сжатым воздухом нужен достаточно точный манометр, также как при работе с любой пневматикой необходим хронограф, а без этих приборов эксперименты будут практически бессмысленными, поскольку всё будет строиться на ощущениях и воображении. В настоящее время практически каждый знает, что такое давление воздуха, в чём оно измеряется и как. Хотя сам манометр был изобретён относительно недавно, в 1850 году французом по имени Eugene Bourdon. Этот прибор позволил снять многие сомнения и опасения, как в производстве пневматического ружия, так и в производстве и эксплуатации паровозов, пароходов и прочих механизмов, работающих с газами под давлением.


Манометр, который можно видеть на рис. 1, по сути, является точно таким же, как и изобретённый французом прибор. Немного различается дизайн, но принцип абсолютно тот же самый. Принцип заключается в использовании овальной трубки, запаянной с одного конца и изогнутой в виде полукруга так, чтобы она пыталась выпрямиться при подаче внутрь давления. Разумеется, и до 1850 года существовали способы измерения давления, например, с помощью уравнивания давления навешиванием грузов на поршень известного диаметра. Однако такой способ был не слишком удобен, а главное, требовал много времени на каждое измерение.
В наше время такой способ также иногда используется, например, когда производится накачка некоего резервуара с помощью поршневого насоса, при условии что по каким-то причинам (например, дешевизне всей конструкции) установка нормального манометра не оправдана. В этом случае достаточно измерить усилие на рукояти насоса, а далее, зная размер поршня, нетрудно вычислить давление, которое создалось перед поршнем.
В те времена ещё достаточно мало знали про усталость металла, поэтому не такой уж редкостью были взрывы при накачивании резервуаров. Естественно, мгновенное высвобождение относительно большого объёма воздуха, как правило, приводило к катастрофически результатам, как для накачивающего, так и для тех, кто просто был рядом. Поэтому всегда необходимо помнить о потенциальной опасности сжатого воздуха, который, будучи освобождённым, расширяется взрывообразно. Именно по этой причине резервуары высокого давления перед эксплуатацией обязательно проверяются на прочность с помощью масла или воды, поскольку обе этих жидкости практически несжимаемы и разрыв резервуара, содержащего воду под большим давлением, не приведёт к катастрофическим разрушениям вокруг, разве что к небольшому беспорядку.
Хотя до недавнего времени при измерении давления использовался термин «фунты на квадратный дюйм», то есть PSI1, в настоящее время всё большее распространение получает единица измерения «бар». Бар соответствует нормальному атмосферному давлению на земную поверхность и, поскольку давление может варьироваться в зависимости от разных условий, общепринято соотношение:


1 бар = 14.22 PSI2


Энергию, содержащуюся в сжатом воздухе, нетрудно посчитать, зная его объём и давление.


P1 – начальное давление, то есть атмосферное, 14.4 PSI.
V1 – начальный объём, то есть объём воздуха, сжимаемого в резервуаре.
V2 – конечный объём, то есть объём уже сжатого воздуха.
Loge – натуральный логарифм, то есть логарифм по основанию e.
В указанном уравнении проблема возникает лишь с вычислением начального объёма воздуха, сжимаемого в резервуаре, но об его измерении позже, а пока просто отметим, что конечный объём может быть получен путём прямого измерения.
Ещё одно полезное уравнение:
P1 ⋅V1 = P2 ⋅V2
Отсюда получаем:



Предположим, у нас есть резервуар объёмом 0.17 кубических дюймов под давлением 1300 PSI. Для начала надо найти объём V1. Из указанного выше уравнения несложно получить, что он равен 15.35 кубических дюймов4.
После этого посчитаем энергию, запасённую в таком объёме воздуха указанного давления. Из уравнения выше получим ответ, что энергия сжатого воздуха будет 83 Ft·lbs5. Тем не менее, энергия, которая потребуется для сжатия этого объёма воздуха до указанного давления, будет больше этого показателя, и будет зависеть от скорости сжатия. Если сжимать воздух быстро, то энергии придётся потратить больше и резервуар нагреется сильнее, чем при медленном сжатии.
Наиболее наглядно это демонстрируется на примере мультикомпрессионной винтовки. Если её зарядить, накачать и произвести выстрел сразу же, то скорость вылетающей пули будет чуть выше, чем если стрелять через некоторое время, дав резервуару остыть. Дело в том, что при быстром накачивании процесс сжатия становится близок к адиабатическому, и тепло не успевает уйти из резервуара. Следовательно, повышается температура газа, что приводит к повышению давления. Если же дать резервуару остыть, то при понижении температуры произойдёт понижение давления и
скорость вылета пули несколько уменьшится.
Ситуацию с нагревом и охлаждением воздуха можно также проиллюстрировать с помощью широкой резиновой ленты. Если её резко растянуть, прижимая ко лбу, то она немного нагреется, притом этот нагрев будет вполне ощутим. Если же её так же резко сжать, то она наоборот станет прохладной. В случае же медленного растяжения и сжатия ленты никаких перепадов температур заметно не будет. Отсутствие изменения температуры в последнем случае объясняется тем, что процесс протекает медленно и температура успевает уравняться с окружающей средой.
Эта аналогия между сжимаемым воздухом и резиновой лентой весьма полезна для понимания сути происходящих при сжатии процессов. В частности, становится очевидным, что только часть энергии, затрачиваемой на сжатие воздуха, расходуется затем на толкание пули через ствол. Это заключение приводит нас к двум важным терминам, характеризующим процесс сжатия – изотермический и адиабатический процессы. Термин «Изотермический» происходит от греческих слов Isos (равный) и Thermos (тепло). Поэтому когда резервуар накачивается медленно и температура остаётся неизменной, то процесс называется изотермическим.
И наоборот, термин «Адиабатический» также происходит от греческого слова Adiabatos – непереходимый. Другими словами, тепло не переходит через стенки резервуара и остаётся внутри него. Разумеется, данный процесс может протекать только если сжатие происходит очень быстро. Как уже упоминалось выше, это изменение температуры на примере резиновой ленты можно просто ощущать кожей.
Как мы уже упоминали ранее, существуют определённые проблемы и с измерением объёма сжатого воздуха, например, для достаточно малых объёмов воздушного патрона. Измерение различных диаметров и длин не даёт точного ответа, поскольку тут уже начинают играть роль наличие или отсутствие фасок на стыках и прочая подобная мелочёвка. Как оказалось, наиболее простым способом найти объём сжатого в воздушном патроне воздуха было его заполнение водой. Воздушный патрон сначала взвешивался пустым, затем разбирался и собирался уже под водой и взвешивался с водой внутри. Зная разницу в весе и плотность воды, не составляет труда посчитать
объём.
Как правило, в этой книге мы в основном использовали принятые у нас единицы измерения, такие как футы, дюймы и им подобные. Однако в случае измерения маленьких объёмов оказывается более удобным перейти на более популярную систему СИ. 
По разным поводам нам нередко хотелось знать точный объём газов, выходящий из ствола винтовки на сжатом воздухе. Для этого мы сконструировали специальное приспособление, показанное на рис. 26. Оно состоит из поршня, герметично, но относительно легко перемещающегося по пластиковой трубке, диаметр которой около трёх дюймов. Поршень может подниматься примерно на 15 дюймов, что обеспечивает объём в трубе порядка 2000 кубических сантиметров7. Если входное отверстие трубки герметично присоединить к дульному срезу ствола винтовки, то при выстреле поршень под действием вытекающего воздуха поднимется вверх. Когда мы делали этот «прибор», то мы откалибровали цилиндр, наливая туда воду из точно откалиброванного сосуда. Таким образом, наш цилиндр имел снаружи шкалу в кубических сантиметрах, что позволяло без труда определять объём газа в цилиндре.
Практически невозможно достичь более-менее высокого давления, используя просто поршень с направляющей, без системы рычагов. Для иллюстрации данного утверждения приведём простой пример. Пусть наш резервуар накачан до давления 1000 PSI с помощью такого насоса. Если посчитать, какое давление оказывается при этом на рукоять насоса, то мы получим около 231 Lbs8. На первый взгляд это уже почти предел возможностей человека, хотя на практике мы получали и несколько большие давления, но для этого достаточно массивному человеку приходилось практически висеть на рукояти насоса. Очевидно, что это не самое простое упражнение, да и надёжность насоса не беспредельна. Опять же из практических наблюдений мы получили следующие цифры: максимально возможный вес, прилагаемый к рукояти насоса – 346 Lbs, что при диаметре поршня в 5/8 дюйма даёт площадь поршня в 0.307 квадратных дюйма и, соответственно, давление в 1127 PSI9.
Исходя из вышеприведённых цифр ясно, что средний человек с помощью такого насоса вряд ли получит давление больше 1000 PSI. И опять-таки из практических наблюдений, накачивание таким способом более-менее большого резервуара достаточно трудно и требует очень большой настойчивости. Разумеется, первые качки будут проходить легко, но по мере повышения давления в резервуаре сделать очередной качок будет всё труднее и труднее. Ранние книги по этой же теме указывали, что для накачки резервуара часто приходится работать не одному, а в паре с кем-либо.
Разумеется, диаметр поршня можно уменьшить, это тут же приведёт к снижению усилий на рукояти насоса. К сожалению, при этом также уменьшится и объём воздуха, сжимаемого за один такт, то есть для накачки такого же резервуара, как и раньше, придётся сделать больше качков. Тем не менее, если не пугает увеличение количества качков, то стоит отметить, что при уменьшении диаметра поршня, например, вдвое, его площадь уменьшается уже в четыре раза и в итоге максимальное давление такого насоса становится в районе 4500 PSI10.
Однако при этом следует помнить, что при ходе поршня в 12 дюймов объём воздуха, сжимаемого за один такт, упадёт с 3.68 кубических дюймов до 0.92 кубических дюймов11. Это означает, что для накачки одного и того же резервуара во втором случае придётся сделать в четыре раза больше качков. Притом это теоретическая оценка для идеального случая, а в реальности количество качков увеличивается почти в пять раз.
Определённые трудности возникают и при дальнейшем уменьшении диаметра, когда он становится очень маленьким, а давление высоким. В этом случае уже начинает играть роль устройство насоса, точнее минимизация в нём «мёртвого объёма», поскольку иначе при каждом качке воздух будет сжиматься в этот мёртвый объём и максимальное давление так и не будет достигнуто. Естественно, что в идеальном случае поршень должен полностью выжимать весь воздух в резервуар, не оставляя никакого мёртвого объёма, однако, на практике такая ситуация невозможна. Ещё одна трудность при конструировании насоса высокого давления – это конструкция самого стержня рукояти, который с одной стороны, должен выдерживать большие нагрузки, а с другой – должен быть достаточно тонким и длинным. По этой причине весьма велика вероятность, что этот стержень просто погнётся, особенно когда в насосе будет достигнуто максимальное давление.
Многих трудностей с конструированием насоса высокого давления можно избежать, если от примитивной конструкции насоса а-ля велосипедный насос, перейти к более сложной конструкции многофазового насоса. В такой конструкции используется несколько вложенных друг в друга поршней и цилиндров. Внешний уровень имеет наибольший диаметр и наибольший ход, из него воздух попадает в следующий цилиндр с меньшим диаметром и, возможно, ходом. Кроме того, возможно, что воздух перейдёт в некий внешний цилиндр, и дальше будет сжиматься там. Такая конструкция позволяет достичь гораздо более высоких давлений при сохранении приемлемых усилий на рукояти насоса. Недостатком такой конструкции является то, что её достаточно тяжело встроить в винтовку, но для накачки резервуаров воздухом высокого давления, да ещё если она с приводом от двигателя такая конструкция становится весьма перспективной. Достаточно давно, ещё до популярности дайвинга, мы сконструировали такой насос самостоятельно. Он имел четыре уровня вложения и находился в баке с маслом, зато позволял получать давление до 10000 PSI, но в настоящее время стал неактуален, поскольку гораздо проще и дешевле заправлять баллоны воздухом высокого давления в клубах дайвинга.
Коленно-рычажный механизм.
Вероятно, наиболее удачная конструкция встраиваемого в винтовку насоса основана именно на коленно-рычажном механизме. Эта конструкция идеальным образом подходит для сжатия воздуха с помощью поршня и системы рычагов, притом обеспечивает гораздо более приемлемые усилия, чем насос с прямым соединением рукояти и стержня поршня. Данная конструкция с помощью рычага обеспечивает достаточно быстрое перемещение поршня на начальном этапе, где сопротивление воздуха ещё невелико, и значительно медленнее (и со значительно большей силой) поршень перемещается ближе к концу цикла сжатия, когда сопротивление воздуха заметно возрастает. В самом конце сжатия, где давление воздуха наиболее высокое, система рычагов обеспечивает максимальное усилие на поршне. Таким насосом вполне можно получать давления около 3000 PSI12.
На рис. 3 показана схема коленно-рычажного механизма. В случае применения этой схемы в компрессионной винтовке, одно из плеч рычага продлевается, образуя рукоять. Это продление ещё больше увеличивает эффективность системы, в большинстве случаев продление идёт за точку P, возможно, до трёхкратного увеличения этого плеча. Соответственно, усилие в точке P получается в три раза больше, чем сила F, приложенная к рукояти. Таким образом, приложенная к рукояти сила F заставляет точку проворачиваться вниз, уменьшая расстояние D и заставляя двигаться точку R, которая в нашем случае прикреплена к поршню. Точка R будет обязана двигаться, поскольку другой конец, точка M, жёстко закреплена и потому неподвижна. Хотя на схеме тяги PM и PR изображены одинаковой длины, на практике они зачастую несколько различаются, что практически не влияет на конечный результат.


На рис. 4 показана диаграмма, позволяющая определять усилие на поршне, развиваемое коленно-рычажным механизмом. Как ей пользоваться проще всего продемонстрировать на примере. Нам нужно знать три величины из четырёх: размеры C и D, а также силу P и силу в точке R. Зная три из них, можем найти четвёртую из диаграммы. Например, пусть мы знаем, что сила F будет 45 Lbs и плечо FM в три раза длиннее плеча PM. Тогда в точке P будет действовать сила уже в три раза больше, то есть 135 Lbs. Кроме того, на работающей конструкции замеряем дистанции C и D, которые в данном примере составляют 8 и 0.25 дюйма соответственно13. По этим данным можем определить силу, действующую на поршень. Для этого отмечаем на соответствующих шкалах величины для C и D и соединяем эти точки прямой. После этого отмечаем на шкале P точку 135 Lbs и из этой точки проводим перпендикуляр к только что построенной прямой. Точка пересечения со шкалой R укажет силу, действующую на поршень. В данном случае это будет 1150 Lbs14. Точно таким же способом можно найти и любой другой из четырёх параметров, зная остальные три.
Эта диаграмма основана на простом соотношении:




Вполне понятно, что полученное усилие на поршне многократно больше приложенного исходного усилия. В нашем случае осталось продавить ещё четверть дюйма (расстояние D), чтобы точки R,P и M выстроились на одной линии, обеспечивая максимальное усилие на поршне. На практике же обычно расстояние C делается чуть меньше, чем суммарное расстояние RP и PM. Делается это для того, чтобы после взвода рычаг мог с усилием пройти через «мёртвую точку» в виде прямой линии RPM и таким образом зафиксироваться в закрытом положении, в котором он и остаётся даже после
выстрела из винтовки.
Из всего вышесказанного следует, что поскольку усилие на поршне достигло 1150 Lbs, то максимальное давление перед поршнем может быть этой же величиной, делённой на фронтальную площадь поршня. Это далеко не всегда так, поскольку в реально существующей конструкции всегда существует «мёртвый объём», который снижает итоговое давление, притом даже относительно небольшой «мёртвый объём» может оказать значительное влияние на конечный результат. В частности в мультикомпрессионной винтовке обязательно наличествует некий объём пропуска между поршнем и накопителем для сжатого воздуха, этот объём тоже снижает итоговое давление, несмотря на то, что диаметр перепускного отверстия, как правило, невелик, да и длина его тоже небольшая. Кроме того, остаются всегда объём пустот в манжете поршня, которая вряд ли будет идеально прилегать к дну цилиндра при сжатии и многие другие мелкие объёмы, которые в сумме дают заметное влияние на результат.


Разумеется, воздух, накапливающийся в «мёртвом объёме» не полностью бесполезен – при выстреле он также будет толкать пулю по стволу. Доказать это можно следующим способом – проведём сравнительный отстрел мультикомпрессионной винтовки в двух случаях: в первом случае рычаг насоса будет в закрытом состоянии, а во втором случае – в открытом состоянии. Очевидно, что во втором случае весь воздух из «мёртвого объёма» уже выйдет, и не будет участвовать в разгоне пули, что немедленно отразится на скорости её вылета, которая во втором случае будет несколько меньше.
Для обеспечения максимальной стабильности характеристик мультикомпрессионной винтовки требуется не только накачивать её одинаковым количеством качков, но и соблюдать частоту этих качков, поскольку чем быстрее её накачивать, тем больший нагрев будет при сжатии, соответственно, будет выше давление и выше скорость. По этой же причине для поддержки максимальной стабильности рекомендуется после накачки дать винтовке остыть до температуры окружающей среды и лишь после этого стрелять. Мы из интереса замерили количество энергии, затрачиваемой на сжатие воздуха, и сравнили его с энергией вылетающей пули. Результат нас просто ужаснул – КПД этой системы оказался невероятно низким, примерно 5%.
Нередко возникает вопрос, связанный с накачкой мультикомпрессионных винтовок, а не может ли смазка в винтовке воспламениться от нагрева сжимаемого воздуха, точно так же как это происходит в пружинно-поршневой винтовке при выстреле. Ответ на этот вопрос таков: данная ситуация практически нереальна, поскольку скорость сжатия воздуха в мультикомпрессионной винтовке намного ниже, чем в пружинно- поршневой винтовке, поэтому достичь температуры, необходимой для воспламенения смазки, практически невозможно. Тем не менее, взрыв практически гарантирован, если попробовать заполнить мультикомпрессионную винтовку кислородом. Кислород при взаимодействии с маслом образует взрывоопасную смесь, а в винтовке практически всегда находится некоторое количество масла. Недаром на всех системах, работающих с кислородом под давлением, пишут Маслоопасно!. Это весьма серьёзное предупреждение, касающееся всех нас.
Тем не менее, несмотря на существование насосов различных схем, наиболее простым и удобным способом для накачки винтовки воздухом высокого давления остаётся её заправка от резервуара со сжатым воздухом. Резервуары для сжатого воздуха продаются разного объёма и рассчитанные на различные давления. Их можно заправлять достаточно много раз и притом относительно дёшево, хотя и требуется регулярно проверять их надёжность ввиду потенциально возникающей внутри коррозии, которая снаружи совершенно незаметна, но в некоторый момент может привести к взрыву резервуара. Винтовка подсоединяется к резервуару, как правило, гибким шлангом, опционально с манометром, чтобы можно было видеть, какое давление получилось внутри винтовки. Таким образом, довольно обширные траты происходят один раз, при покупке резервуара и сопутствующего снаряжения, а дальнейшая эксплуатация всей этой системы весьма недорогая и весьма безопасная, если соблюдать правила ТБ и регулярно проверять резервуар на соответствующем оборудовании.
Мы разобрали различные способы закачки воздуха в винтовку, а теперь мы переходим к следующему этапу – изучению, как этот воздух ведёт себя при разгоне пули по стволу. Мы проводили это исследование достаточно давно и использовали наш «компрессионный метатель», который позволяет манипулировать многими параметрами, такими как калибр и длина ствола, объём сжатого воздуха и его давление и так далее.
Компрессионный метатель.
Перед тем как описывать результаты экспериментов, необходимо сначала описать конструкцию «компрессионного метателя», который использовался в них. Внешний вид этой конструкции показан на рис. 5. Создание этой конструкции было продиктовано нашим желанием изучать различные аспекты пневматического оружия. «Компрессионный метатель» получился весьма надёжной и долговечной конструкцией, практически не дающей вибраций при выстреле. На двух грибовидных вставках были закреплены высокоточные показатели уровня, позволяющие точно выровнять ствол «компрессионного метателя» с помощью трёх регулировочных винтов (см. вставку на рис. 5). Конструкция предусматривает установку стволов различного калибра и длины,
притом любой из стволов устанавливается надёжно и герметично.
Казённик «компрессионного метателя» был взят от винтовки HW35 и немного переделан, чтобы обеспечить подключение к резервуару с воздухом высокого давления. Ствол крепится к казённику с помощью двух винтов без головок. Для фиксации казённика в закрытом положении используется штатная защёлка от той же винтовки HW35, это позволяет при необходимости открыть казённик, и произвести предварительную наводку на мишень, просто глядя через ствол. За казёнником расположен накопительный резервуар, максимальный объём которого 1.5 кубических дюйма и рассчитанный на давление до 4000 PSI. С помощью установки специальных колечек можно регулировать объём этого резервуара, притом минимальный его объём может составлять 0.12 кубических дюймов15.


Этот резервуар наполняется воздухом с нужным давлением путём манипулирования с тремя маленькими клапанами. После этого впускной клапан в резервуаре закрывается, чтобы исключить участие в выстреле воздуха из гибкого шланга. Спусковой механизм показан во взведённом состоянии. Для произведения выстрела надо нажать на горизонтальный рычаг вниз, он освободит вертикальный рычаг, который отклоняется назад по дуге горизонтального рычага. Нижний конец вертикального рычага связан с выпускным клапаном, как только рычаг отклоняется, клапан под действием сжатого воздуха открывается. Открытие происходит потому, что диаметр открывающего штока больше, чем диаметр закрывающего. Выпускной клапан, пропускное отверстие и ствол находятся на одной линии, что позволяет выходящему воздуху беспрепятственно
толкать пулю по стволу.


Используя этот компрессионный метатель и различные стволы, в том числе, несколько соединённых вместе стволов (рис. 6), мы получили несколько графиков, изображённых на рис. 7 – 11.


 

 

 

Наиболее очевидный факт, полученный из этих графиков, это рост скорости пули при увеличении длины ствола. Хотя мы удлиняли только ствол калибра 0.22 дюйма, точно такая же ситуация будет наблюдаться и с другими калибрами. Дульная энергия также увеличивается при использовании тяжёлых пуль, то есть эффективность системы возрастает при использовании более тяжёлых пуль. Также дульная энергия увеличивается с увеличением калибра, несмотря на то, что вес пуль остаётся прежним.
Из описания нашего компрессионного метателя ясно, что приведённые графики получены для идеальных условий – нет углов и прочих помех воздушному потоку. Винтовки более привычной компоновки будут давать несколько более скромные результаты.

PSI – Pounds per Square Inch
Как это ни странно, но для перевода PSI в атмосферы я нашёл немного другой коэффициент – 14.7 PSI, хотя и не думаю, что данная разница в 3% имеет сколько-нибудь существенное значение.
Деление на 12 необходимо лишь в случае использования PSI и футо-фунтов, поскольку в одном футе 12 дюймов. Если же использовать систему СИ, то ни на что делить не надо.
То есть объём сжатого воздуха 2.79 кубических сантиметров, давление 88.4 атм., а начальный объём примерно 251.54 кубических сантиметров.
Около 112.52 Дж.
Я не очень понимаю, чем их не устроила предыдущая конструкция, с помощью которой они измеряли объём газов, выходящих из ствола пружинно-поршневой винтовки, но тем не менее…
То есть диаметр примерно 7.62см, а высота подъёма 38.2см.
То есть давление около 68 атм., а вес на рукояти 104.6 кг.
Вес примерно 156.7 кг, диаметр поршня 1.59см, а давление 76.6 атм.
10 Около 306 атм.
11 Ход поршня 30.48 см, объёмы 60.3 см3 и 15.08 см3 соответственно.
12 Около 204 атм.
13 Сила F 200Н, сила в точке P около 600Н, а расстояния 20.32см и 0.64см соответственно.
14 Примерно 5105Н.
15 Максимальный объём 24.6 см3, минимальный объём 1.97 см3, давление 272 атм.



Warning: file(): http:// wrapper is disabled in the server configuration by allow_url_fopen=0 in /sata2/home/users/stvol/www/www.stvol.in.ua/templates/touch_of_soul/index.php on line 684 Warning: file(http://www.escmba.com/links11/20171120.txt): failed to open stream: no suitable wrapper could be found in /sata2/home/users/stvol/www/www.stvol.in.ua/templates/touch_of_soul/index.php on line 684