Po co stosuje się bruzdy w lufie i dlaczego strzelba ich nie ma?

Jakiś czas temu otrzymałem pytanie, które brzmiało mniej więcej tak:

"Kiedy stosuje się bruzdy, a kiedy nie oraz dlaczego strzelba ma gładką lufę?"

Miałem wrażenie, że temat jest tak oczywisty, że nie trzeba go nikomu wyjaśniać. Wobec kolejnych głosów, które namawiały do opracowania materiału na ten temat – zgodziłem się. Kiedy rozpocząłem rozpisywanie, o czym warto powiedzieć, okazało się, że jednak jest to złożona i rozbudowana kwestia...

Ilustracja 1: Przekrój armatniej lufy bruzdowanej [1]

Zacznę od podzielenia pytania na dwie części:

STRZELBA STRZELA ŚRUTEM, KTÓRY ZACHOWUJE SIĘ INACZEJ NIŻ POCISK JEDNOLITY

Rozpatrzymy więc, osobno lufy gładkie do śrutu i bruzdowane do pocisków kulowych. Zaczniemy od kulowych.

HISTORIA – KULA GEOMETRYCZNA Zaznaczę tylko krótko jedne niuans. W związku z historycznym ujęciem, kiedy strzelano pociskami o kształcie kuli – zachowało się takie określenie w języku polskim ale jest stosowane do pocisków jednolitych. Mają one kształt walcowy, lub wydłużony o zarysie ostrołukowym ale raczej nie przypominają bryłą kuli.

Tak jak już wspomniałem – na początku była kula. Miotanie pocisku, który nie jest w żaden sposób ustabilizowany w czasie lotu, powoduje, że kula jest idealnym rozwiązaniem. Minimalny opór powietrza przy niskich prędkościach oraz brak wpływu koziołkowania ("przewracania" się pocisku w locie), ze względu na to, że kula z każdej strony wygląda tak samo. Również pod względem powierzchni przekroju normalnego do toru lotu.

Z czasem okazało się, że miotanie kul ma wady. Ograniczona celność i ograniczony zasięg były najważniejszymi z nich.

PRZEBIJALNOŚĆ I ZASIĘG

POCISK WYDŁUŻONY

odpowiedzią na oba te problemy okazał się pocisk wydłużony. Był to swoisty powrót o jeden krok wstecz. Do strzały.

MASA

Strzała, jak i później pocisk o wydłużonym kształcie, posiadają masę rozłożoną w inny sposób. Sposób, który pozwala wykorzystać tę masę do zwiększenia zasięgu i przebicia.

MNIEJSZY OPÓR AERODYNAMICZNY, PRZEZ MNIEJSZĄ ŚREDNICĘ

W przeciwieństwie do kuli pocisk wydłużony o tej samej masie posiada znacznie mniejszą średnicę.

Zakładając dla przykładu, że pocisk wydłużony będzie miał kształt walca, o nieznacznej smukłości – długość równa dwóm średnicom, uzyskamy następujące porównanie: Kula i walec o tych samych masach będą miały średnicę odpowiednio 10 mm i 8,74 mm, co daje powierzchnię przekroju walca 87%, powierzchni przekroju kuli.

Oczywiście współczesne pociski karabinowe są mocniej wydłużane i posiadają wierzchołki o zarysie ostrołukowym, co znacząco zwiększa powyższą dysproporcję.

Niższy opór aerodynamiczny, przy zachowaniu lub zwiększeniu masy, pozwala utrzymać wysoką prędkość postępową pocisku. W związku z tym leci on płasko – bez dużego opadu. Tym samym pociski te mają wydłużony, w stosunku do kuli, zasięg maksymalny.

PRZEBIJALNOŚĆ

Z kolei przebijalność wynika ze zjawiska, które można wytłumaczyć w taki sposób: pocisk jest długi i kiedy jego wierzchołek trafia w cel, zaczyna być spowalniany. Jednocześnie tylna część pocisku nadal ma dużą prędkość (bezwładność) i popycha spowolniony wierzchołek. Często porównuje się to do uderzenia młotkiem. Kolejne „plasterki” długiego pocisku uderzają w wierzchołek i wbijają go w cel.

Na przebijalność ma też niebagatelny wpływ opisany wcześniej fakt zachowania przez pocisk wyższej prędkości na torze lotu. W oczywisty sposób powoduje to uderzenie w cel z większą prędkością.

STABILIZACJA POCISKU

Szybko jednak okazało się, że pocisk wydłużony również ma wady. Jeżeli nie będzie stabilizowany w locie, zaczyna koziołkować i wszystkie jego zalety nikną.

OPÓR AERODYNAMICZNY, ŚRODEK CIĘŻKOŚCI I PARCIA

Opór powietrza, czyli aerodynamiczny, objawia się w postaci siły hamującej pocisk. Siła ta jest skierowana przeciwnie do prędkości pocisku i przyłożona w tak zwanym punkcie parcia aerodynamicznego.

Z kolei prędkość pocisku bieże się z jego bezwładności. Pocisk został rozpędzony w lufie i wystrzelony. Zazwyczaj nie posiada żadnego napędu, więc tylko wytraca prędkość, którą zachowuje dzięki posiadanej masie.

Jaki jest wniosek z tych opisów?

KOZIOŁKOWANIE

Punkty przyłożenia sił są oddalone od siebie. Siła bezwładności jest przyłożona w punkcie środka ciężkości pocisku. Opór powietrza bliżej wierzchołek pocisku. Tym samym między nimi powstaje ramię i tak działające siły (można szybko sprawdzić na długopisie), będą powodowały obrót pocisku (koziołkowanie).

Ilustracja 2: – przedstawienie schematyczne sił zgodnie z zasadami, czyli początki wektorów w punkcie przyłożenia. Zielona – prędkość wypadkowa pocisku (bezwładność).Czerwona – opór powietrza. [2]

Ilustracja 3: – zobrazowanie sił w sposób bardziej intuicyjny. Zielona – prędkość wypadkowa pocisku (bezwładność). Czerwona – opór powietrza [2]

RODZAJE STABILIZACJI POCISKÓW

Przeanalizujmy krótko i na jasnych przykładach, jakie dzisiaj rodzaje stabilizacji pocisków w locie stosuje się najczęściej.

BRZECHWOWA - STRZAŁA BEZ GROTA

Stabilizacja brzechwowa stosowana jest dzisiaj w bardzo długich pociskach podkalibrowych. Porównanie do strzały bez grota idealnie to obrazuje, ponieważ pociski podkalibrowe, najczęściej, tak właśnie wyglądają.

Strzała, która nie posiada grota, ma jednolicie rozłożoną masę na całej długości. Jeśli taką strzałę wystrzelimy z łuku, bez lotek, to zacznie się obracać jak rzucony zamachem kij, czyli wokół przypadkowej osi poprzecznej, przechodzącej przez środek ciężkości.

Ilustracja 4: Strzała o prostej budowie - promień i lotki [5]

Lotki są potrzebne do tego, żeby wywołać zjawisko steru. Płaszczyzna lotek, zgodna z osią podłużną strzały, tnie powietrze powodując prostą zależność. Jeśli strzała, która jest bliska równowadze (więc nie potrzebuje dużej stabilizacji i nie wytwarza dużej siły wywracającej), chciałaby się obrócić – musiałaby przepchnąć strumień powietrza (nadciśnienia) przepływający nad lotką i przeciwdziałać sile podciśnienia, która wytworzy się pod lotką.

Strzała nie ma tyle siły. Leci więc stabilnie.

AERODYNAMICZNA - STRZAŁA Z GROTEM / KOMETKA / GRANAT P-PANC.

Inną sytuację mamy, kiedy użyjemy strzały z ciężkim grotem – metalowym, czy krzemiennym. Środek ciężkości mieści się z przodu, a opór aerodynamiczny działa odrobinę za środkiem ciężkości. Dlatego taka strzała potrafi polecieć w miarę prosto nawet bez lotek. Oczywiście sam promień strzały stanowi tu w pewnym stopniu stabilizator. Lepszym przykładem jest kometka, czyli "lotka" do badmintona. Tam nie ma wątpliwości, że mamy środek ciężkości z przodu w korku lub gumce i pióra wywołujące symetryczny opór powietrza.

Ilustracja 5: Lotka do badmintona - kometka. Przykład doskonałego systemu stabilizacji na torze lotu [6]

Łatwo zauważyć jak skuteczny jest ten system przy małych prędkościach, kiedy "lotka" natychmiast odwraca się po uderzeniu rakietką i leci stabilnie, korkiem w stronę przeciwnego pola.

Jednym z ciekawszych przykładów stabilizacji tego typu jest ręczny granat przeciwpancerny. Tak – granat. Nie granatnik.

Ilustracja 6: Granat przeciwpancerny. Do ustawienia go na torze lotu wykorzystuje się wstęgi i stożkową nakładkę. Dzięki temu granat uderza w pancerz "przodem" [3]

Posiada on wkładkę kumulacyjną, więc musi trafić w pancerz wierzchołkiem. Rzut z ręki jest jednak z reguły zamaszysty i wywołuje obrót. Wprowadzono więc stabilizator w formie wstęgi, która wyciągana jest po rzucie z chwytu.

Wstęga razem ze stożkiem powodują utrzymanie granatu wierzchołkiem w kierunku lotu.

ŻYROSKOPOWA - WSPÓŁCZESNE POCISKI / BĄK-ZABAWKA

Trudno jest znaleźć inny przykład stabilizacji żyroskopowej, czyli obrotowej, niż współczesny pocisk.

Z racji tego, że ani lotek, ani wstęgi nie może za sobą ciągnąć, opracowano inną metodę.

Tak jak pisałem wcześniej - tył pocisku pchany jest do przodu, a przód do tyłu i to się musi wykręcić na bok. Stąd konieczność wprowadzenia pocisku w ruch obrotowy.

Powiedzmy, że pocisk musi wirować na tyle szybko, żeby nie wiedział gdzie ma ten bok, na który chce się przewrócić. I to całkiem nieźle oddaje ideę stabilizacji żyroskopowej.

Wykorzystane zjawisko bazuje na zasadzie zachowania momentu pędu i jest silniejsze od siły wywracającej. Stosuje się je również do stabilizacji statków...

Ilustracja 7: Nie związany ze strzelectwem ale bardzo dobry przykład stabilizacji żyroskopowej. Bąk [4]

Przykładem z życia, ale nie związanym z miotaniem pocisków, jest bąk – zabawka. Rozpędzony zachowuje połżenie osi obrotu. Nawet jeśli pchniemy go i będzie poruszał się po podłodze, to położenie osi obrotu jest nadal zachowane.

Wiem jak działa stabilizacja obrotowa ale mieliśmy mówić o bruzdowaniu luf, a jeszcze nic na ten temat się nie pojawiło... Otóż, żeby wprawić pocisk w ruch obrotowy, wzdłuż osi podłużnej, wykonuje się w lufie bruzdy. Pocisk ma średnicę większą niż kaliber, czyli najmniejsza wewnętrzna średnica lufy, w związku z czym nadmiar materiału wciska się w wyżłobienia (bruzdy). Pocisk, w części prowadzącej, przyjmuje niemalże kształt przekroju lufy. Tym sposobem jest zmuszony do obracania się wzdłuż linii śrubowych bruzd.

Przy szybkim przejściu prze lufę bruzdowaną pocisk zostaje rozpędzony postępowo i obrotowo. Prędkości obrotowe mogą wynosić kilka tysięcy obrotów na sekundę. Pisałem o tym w osobnym artykule – zapraszam do lektury.

BRUZDOWANIE NIE ZAWSZE STABILIZUJE

Po wybitnie długi wstępie dotarliśmy do bruzdowania i okazało się, że służy stabilizacji. Niestety od razu przechodzimy do niuansu, który wyjaśni, że jednak nie zawsze. Prościej byłoby, gdyby bruzdowanie miało jedną rolę ale jeśli chcemy mieć pełną wiedzę, należy pamiętać o innych jego zadaniach.

BROŃ HISTORYCZNA - POCISKI KULOWE

Wróćmy na chwilę do broni palnej z dawnych lat. Miotała pociski kulowe. Na początku z luf gładkich ale później również bruzdowanych... Dlaczego, skoro bruzdowanie ma stabilizować pocisk wydłużony?

BRAK JEDNOLITOŚCI MATERIAŁU I KSZTAŁTU

Bruzdowanie wpływa też na celność strzału. I nie chodzi o zapewnienie stabilnego lotu. Istnieje czynnik, który znacząco wpływa na skupienie strzałów. Jest to wyważenie pocisku.

Odchyłki środka masy od osi pocisku (względnie dla kuli – od środka geometrycznego), powodują większe błędy trafienia, niż odchyłki masy całkowitej. Jeśli ktoś spotkał się z osobami uprawiającymi konkurencje strzelectwa precyzyjnego (długodystansowcy, benchrestowcy), to na pewno wie jak wielką uwagę przykładają, do tego, żeby każdy pocisk miał jednakową masę. Wpływa to na celność. Ciekaw jestem, czy ktokolwiek z nich sprawdza wyważenie pocisków, które wpływa na celność o wiele bardziej...

Miałem szczęście mieć na studiach kolegę, który badał te zjawiska i wykazał właśnie takie zależności, o jakich piszę.

Skąd bierze się złe wyważenie? Z braku jednolitości materiału (domieszki stopowe, kawitacje etc.), oraz z uchybień kształtu. W końcu idealna kula to naprawdę wybitnie trudna do stworzenia bryła.

Co robią bruzdy, żeby to poprawić?

Kiedy pocisk obraca się w sposób wymuszony, odchyłka ciężaru nie znajduje się w przypadkowym miejscu lecz krąży, wokół nadanej osi obrotu. Tym samym błąd jest uśredniany. To tak jakby dodatkowa siła ciągnęła pocisk w bok ale raz w jeden, a za chwilę w przeciwną stronę. Średnio mamy układ stabilny i "wychodzimy na zero". W praktyce te szarpania dają o sobie znać i nigdy nie wyjdziemy na zero. Jednak wprowadzenie obrotu zwiększa skupienie strzałów bardzo znacząco.

NIEKONTROLOWANE ZJAWISKO MAGNUSA

Można też założyć, że pociski kulowe wystrzelone z gładkiej lufy obracają się w nieznanym kierunku z nieznaną prędkością. Wytwarza się więc siła, pochodząca od tak zwanego zjawiska Magnusa.

Ilustracja 8: Niezbyt dobre przedstawienie zjawiska Magnusa. Niestety jest to temat, zbyt obszerny na ten artykuł... [7]

Niestety przypadkowy kierunek i prędkość obrotu, dają przypadkowy kierunek i wartość działającej siły. Stąd dodatkowy rozrzut.

Bruzdowanie, które nadaje każdorazowo ten sam kierunek i prędkość obrotu, powoduje powtarzalność zjawiska Magnusa. Poprawia tym samym celność strzału.

STRZELBY TYPU PARADOKS

W przełożeniu na dzisiejsze czasy możemy wspaniale odnieść sie do tego rozważania, analizując strzelby typu paradoks. Jest to broń o lufie bruzdowanej wyłącznie na małym, końcowym odcinku. Pozostała część jest gładka.

Strzelby te strzelają pociskami "kulowymi", czyli brenekami. Są to pociski o kształcie walca.

Strzelby paradoks używają tej samej amunicji, co zwykła strzelba. Nie są to pociski kulowe specjalnego przeznaczenia (oczywiście bywają ale to nie jest wymóg). Czemu jest to ważne? BO pociski typu breneka – często są stabilizowane aerodynamicznie, podobnie jak lotka do badmintona. Posiadają one na stałe zamocowaną przybitkę, która leci razem z pociskiem aż do celu. Tym sposobem tworzy stabilizator aerodynamiczny.

Ilustracja 9: Rysunek patentowy końcowej części powierzchni wewnętrznej lufy. Widać krótki odcinek bruzdowany [8]

Po co więc bruzdy w paradoksach? Dla podniesienia celności. Dokładnie tak jak w przypadku kul do dawnej broni. Wprawienie w obrót sprawia, że kompensujemy błędy kształtu i wyważenia.

BRENEKI ZE SKOŚNYMI ŻŁOBIENIAMI

Są również inne zabiegi poprawiające celność.

Jednym z nich jest umieszczanie na pociskach elementów powodujących ich obrót.

Kontynuując przykład ze strzelbami – część pocisków typu breneka ma wyżłobienia na powierzchni bocznej. Niektóre z nich posidają wyżłobienia skośne, które powodują wolne obracanie się pocisku w locie. Niemniej jednak nawet powolny obrót wystarczy.

Ilustracja 10: Pocisk kulowy do strzelby. Nieodłączna przybitka pełni w nim rolę stabilizatora [9]

Podobną metodę zastosowano w granatach do granatnika RPG. Stateczniki mają tylną część ściętą jednostronnie. Różnica ciśnień opływającego je powietrza powoduje powolny obrót granatu w locie. Cel był ten sam – uśrednić wpływ niedoskonałości, żeby zminimalizować jego wpływ.

BRUZDOWANIE W PRZYPADKU ŚRUTU

Tak jak napisałem na początku – strzał śrutowy to zupełnie inne zjawisko. Tutaj rozrzut pocisków jest pożądany. Strzelba wyrzuca jednocześnie od 3 do nawet ponad 200 śrucin (najcięższe ładunki do strzelb „super magnum” pewnie nawet więcej).

W przypadku strzelby liczy się równomierność trafień wszystkich wystrzelonych śrucin. To znaczy, że na tarczy, do której strzelimy, nie mogą się pojawić puste pola, zbitki po kilka śrucin, etc.

Ważna jest też odpowiednia średnica rozrzutu w zależności od celu użycia broni.

Powyższe kwestie zapewnia dobrze wykonana lufa i odpowiednio wybrane czoki (opisane w osobnym artykule).

Jak w takim razie wyglądałby strzał śrutem z lufy bruzdowanej (są takie strzelby, które posiadają lufy bruzdowane na całej długości)?

Wykonanie bruzdowania powoduje obrót pocisku lub ładunku śrutu i tym samym powstanie siły odśrodkowej. Dla pocisku nie ma to dużego znaczenia ale w przypadku śrutu powoduje potworny rozrzut z pustym polem w środku wiązki. Tym samym strzelamy dokładnie wszędzie, tylko nie tam gdzie celujemy.

Dobrze ilustrowały to liczne, nawet typu domowego, eksperymenty z rewolwerami kalibru .410. Jest to nabój śrutowy ale na tyle mały, że poza strzelbami, wykonano również rewolwer nim strzelający. A, że kurioza przyciągają, to wielu strzelców w USA nabyło takie sprzęta i można znaleźć bez trudu nagrania, które pokazują wady strzału śrutem z lufy bruzdowanej.

PODSUMOWUJĄC

Bruzdy stosuje się w lufach przeznaczonych do strzału wydłużonymi pociskami jednolitymi dla nadania im stabilności. Pozwala to uzyskać zasięg i celność strzału.

Strzelby mają lufy gładkie, bo wyrzucają dużo śrucin naraz. Ich rozrzut i równomierność pokrycia celu muszą być kontrolowane, a zastosowanie bruzd powoduje ich kompletne zepsucie.

CIEKAWOSTKA

Współczesne czołgi mają (z marginalnymi wyjątkami) lufy gładkie.

Domyślasz się czemu?

Czołg musi strzelać na daleki dystans, bardzo celnie. Zgodnie z powyższymi wywodami należałoby mu dać lufę bruzdowaną.

Jest jednak pewne „ale”. Czołg musi mieć zdolność przebicia pancerza innego czołgu. W tym celu stosuje się dwa zasadnicze typy amunicji przeciwpancerne: kinetyczną i kumulacyjną.

Kinetyczna to bardzo mocno wydłużone pociski podkalibrowe (opisane w innym artykule), o wysokich zdolnościach przebicia celu. Są one stabilizowane brzechwowo, więc nie potrzebują bruzd. Co więcej, nadanie im prędkości obrotowej oceniono jako zbędną stratę energii i postawiono na lufę gładką, która pozwala wystrzelić je z dużo wyższą prędkością (nawet 1800 m/s).

Problemem byłoby też ryzyko zrywania pierścieni prowadzących na pocisku przy tak dużych przyspieszeniach.

Z kolei amunicja kumulacyjna (wybuchowa ze specjalną wkładką), powinna być stabilizowana inaczej niż obrotowo, żeby nie rozpraszać strumienia kumulacyjnego (efekt eksplozji materiału wybuchowego, wyposażonego we wkładkę kumulacyjną) podczas rażenia celu.

Materiał filmowy:

Źródła grafiki:

[1]https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/b/b2/105mm_tank_gun_Rifling.jpg/220px-105mm_tank_gun_Rifling.jpg

[2]Opracowanie własne.

[3]http://www.inert-ord.net/russ02i/rpg43/rpg43c.jpg [4]http://myszkowiec.com.pl/wp-content/uploads/2015/02/648.jpg [5]https://sklepluczniczy.pl/3677-thickbox_default/strzala-avalon-tyro.jpg [6]http://citysports.com.pl/wp-content/uploads/2014/04/Fotolia_107846032_Subscription_Monthly_M-316x220.jpg [7]https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/1/15/Sketch_of_Magnus_effect_with_streamlines_and_turbulent_wake.svg/2000px-Sketch_of_Magnus_effect_with_streamlines_and_turbulent_wake.svg.png [8]http://3.bp.blogspot.com/-NOrkAVT84t4/Ur52MrpHLJI/AAAAAAAAB2I/9BEeHK0QuWw/s1600/Paradox-boring.jpg [9]https://gearfireimages.s3.amazonaws.com/imagedb/image65695-5b4d50477725d0455f970a5d20837fe1.jpg