Памяти Михаила Тимофеевича Калашникова посвящается. Автор не собирается патентовать данную идею, но будет судебно преследовать всех, кто попытается это сделать (Н.Г.Зубков, 17.09.2012 )
Известен, т.н. свободный или инерционный затвор - продольно-скользящий затвор, не сцепленный с неподвижным стволом во время выстрела.
Отдача свободного затвора - принцип действия автоматики перезаряжания огнестрельного оружия, при котором продольно-скользящий затвор не сцеплен с неподвижным стволом, а его отход назад при выстреле замедляется преимущественно большой массой самого затвора и некоторыми вспомогательными силами, как то: силой трения стенок гильзы о патронник, силой сопротивления возвратной пружины и силой трения между затвором и стенками затворной коробки или направляющими (последние две силы пренебрежимо малы)
Данный тип автоматики имеет следующие преимущества:
1. Свободный затвор конструктивно проще любого другого типа запирания ствола.
2. Свободный затвор испытывает только деформацию сжатия. Что позволяет успешно использовать для изготовления свободного затвора сравнительно малопрочные, но дешёвые и простые в обработке материалы
3. Свободный затвор позволяет сделать движение почти всех частей автоматики по линии ось ствола-центр тяжести затвора-точка упора в плечо стрелка, что обеспечивает высокую кучность автоматической стрельбы.
И недостатки, вернее, если быть точным, один недостаток:
Потребность в большой массе затвора. Так как замедление затвора в первом приближение обеспечивается только его инерционностью, то, что бы затвор не откатывался раньше необходимого момента времени на большее, чем требуется расстояние, требуется наращивать его массу. Меньшая потребной масса затвора, приводит к:
1. Раннему отпиранию затвора на расстояние большее (примерно 1,5-2,5 мм) чем длинна утолщенной донной части гильзы, что приводит в конечном итоге к ее поперечному разрыву под давлением пороховых газов.
2. Чрезмерно высокому, неконтролируемому темпу стрельбы в очереди.
При этом, достаточная для обеспечения работы автоматики масса затвора не только увеличивает общую массу оружия, но и приводит к увеличению колебаний оружия при стрельбе очередями за счет быстрого возвратно-поступательного движения массивного затвора и (особенно) его ударов в крайних положениях.
Известны многочисленные попытки решить данную конструктивную проблему:
1. Снизить потребную массу свободного затвора за счет увеличения трения между стенкой гильзы и патронника. Из простейшего расчета видно, что если трение стенок (длина) гильзы превосходит некоторую предельную величину, система работать не будет, так как гильза при выстреле останется в патроннике и скорее всего получит поперечный разрыв, что приведёт к заклиниванию оружия и может стать причиной травмы стрелка. Особенно велик риск такого развития события при использовании гильз с высоким коэффициентом бутылочности из-за того, что пороховые газы давят как на донце такой гильзы, так и на её скат изнутри.
2. Применением механических систем, замедляющий перемещение затвора, т.е. применение т.н. полусвободного затвора. Это позволяет решить большую часть проблем, но лишает схему главного преимущества - конструктивной и физической простоты, делая такие системы не менее сложными, чем более надежные системы, например, с газовым двигателем.
3. Применение гидравлических или пневматических систем поглощения энергии. Эти системы имеют низкую надежность при высокой сложности изготовления.
Предлагается конструктивное решение проблемы за счет введения дополнительной немеханической силы замедляющей движение свободного затвора, причем обеспечивающей не только замедление перемещения, но и вообще контроль и управление этим движением.
Наиболее эффективными для выработки движущих сил (моментов) оказываются устройства, основанные на преобразовании электрической энергии в механическую.
Хорошо известны их преимущества: легкость преобразования параметров и передачи энергии, возможность максимального приближения электромеханического преобразователя к рабочему механизму, гибкость управления процессами преобразования.
При этом наилучшая гибкость управления механическим движением достигается за счет использования вентильного безколлекторного управляемой микроконтроллером по обратной связи электромеханического преобразователя и исключения из состава электропривода механических элементов. Такой электропривод обычно называется безредукторным, или прямым, электроприводом с вентильным двигателем.
Конструкторская задача фактически в этом случае распадается на две части:
1. Обеспечить запирание затвора в период нарастания давления в стволе до максимального и далее, до его спадения до оптимального.
2. Обеспечить замедление-контролирование перемещения затвора после его отпирания.
Для решения первой задачи электромеханическое преобразование малопригодно из-за того, что перемещение при этом минимально - менее 2 мм, а усилия необходимые для удержания затвора — максимальны. Анализ существующих - и охватывающих практически все поле задачи — решений показывает, что оптимальным является схема запирания затвора давлением пороховых газов при минимальном (околонулевом) перемещении газового поршня — т. н. схема немецкого инженера Курта Хорна. Эта схема требует минимального количества элементов, собственно только миниатюрного газового поршня, его возвратной пружины и отверстия в стволе вблизи патронника, отличается технологичностью изготовления, практической нечувствительностью к загрязнению, ввиду очень малого перемещения поршня и очень высокой надежностью: в свое время советскими специалистами было произведено 1900 выстрелов из трофейного автомата Хорна во всех мыслимых вариантах - смазанном и промытом от смазки, при -60Сº и +50Сº, из чистого и специального запыленного насухо и поверх смазки — ноль (!) отказов по вине автоматики.
Решение второй задачи на основе электромеханического преобразования так же имеет ряд решений, из которых оптимальными, на взгляд автора, являются два:
А. Торможение затвора вихретоковым тормозом.
Б. Торможение и контроль перемещения затвора прямым линейным обратимым электромеханическим преобразователем с микроконтроллерным управлением по обратной связи.
Первое решение обладает простотой конструкции и очень высокой надежностью - такие тормоза традиционно применяются там, где необходима высокая гарантия срабатывания системы торможения, свойством автобалансирования, так как вихретоковый тормоз тем эффективней, чем выше скорость движения тормозимого элемента. Но это решение не позволяет осуществлять контроль перемещения затвора, поэтому в данном случае рассматриваться не будет.
Формула:
АВТОМАТИКА ОРУЖИЯ НА ОСНОВЕ МЕХАНИЧЕСКИ ПОЛУСВОБОДНОГО ЗАТВОРА, ЗАПИРАЕМОГО ГАЗОВЫМ ПОРШНЕМ, ПЕРЕМЕЩЕНИЕ КОТОРОГО УПРАВЛЯЕТСЯ ПРЯМЫМ ЛИНЕЙНЫМ ОБРАТИМЫМ ВЕНТИЛЬНЫМ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ.
Особенности конструкции:
1. Все элементы прямого электромеханического преобразователя (ЭМП), включая схему управления, коммутатор-инвертор, устройство накопления электроэнергии встроены непосредственно в затвор, исключая только зубчатый статор, расположенный на ствольной коробке или любой другой неподвижной части конструкции оружия.
2. Система электромеханического преобразователя является замкнутой по энергии, не требующей внешних источников питания.
3. Наиболее подходящей конкретной системой ЭМП представляется линейная синхронная машина с сосредоточенными обмотками и зубчатыми полюсами с возбуждением от постоянных магнитов с микроконтроллерным управлением по бездатчиковой, основанной на анализе поведения электромагнитных переменных в основной электроцепи, схеме.
4. В качестве возбуждающих постоянных магнитов наиболее эффективным представляется применение высококоэрцитивных редкоземельных магнитов, в качестве накопителей электроэнергии - конденсаторов, а в качестве элементов коммутатора - MOSFET или IGBT транзисторов.
5. В настоящее время стоимость электронных систем стала гораздо ниже высокоточных механических. То же относится и к остальным элементам системы. В то же время цена изготовления прецизионной механики, с высокими требованиями к чистоте поверхности и точности геометрических размеров дорожает с каждым годом. Например, для обеспечения работы линейного ЭМП при практической неизменности характеристик зазор между статором и якорем может колебаться в пределах от 0,01 мм до 0,1 мм, в то время как части затвора/затворной рамы автомата Калашникова должны быть обработаны до 7-8 классов чистоты.
Рассмотрим вариант конкретной реализации подобного устройства.
В системе имеет механический свободный затвор с возвратной пружиной и УСМ курочного типа с боевой пружиной, запираемого двумя шепталами - одиночного огня с спуском от спускового крючка и автоматического огня с спуском при помощи соленоидной защелки. На чашечке затвора находится экстрактор для аварийного извлечения патрона/гильзы, в прорезь в теле затвора входит неподвижно закрепленный на направляющей ствольной коробки отражатель гильзы. Так же на ствольной коробке закреплен (или является ее конструктивной частью) зубчатый статор ЭМП. Вся конструкция ЭМП, а именно: управляющий микроконтроллер, электрическая схема с слаботочной и сильноточной частями, инвертор-коммутатор, токопроводящие шины, накопитель электроэнергии, катушки и магниты ротора непосредственно встроены в затвор и являются его конструктивной частью. Так как вся электронная часть находится внутри металлического затвора и залита компаундом устройство полностью нечувствительно к внешнему ЭМИ и влаге.
При освобождении курка от удерживающего его шептала одиночного огня при нажатии на спусковой крючок, боек, от удара курка, накалывает капсюль, происходит выстрел. Пороховые газы оказывают давление одновременно на пулю, на газовый поршень и на донце гильзы. Нарастающее давление пороховых газов через газовый поршень удерживает затвор неподвижным. После падения давления до оптимального, происходит расцепление затвора и газового поршня и затвор начинает движение. При этом газовый поршень, в отличии от оригинальной схемы Хорна, больше не контактирует с затвором и не оказывает на него никакого влияния. После начала движения затвора в электроцепи появляется электроток, запитывающий микроконтроллер (МК), что является моментом начала отработки им программы управления. Контролируя параметры тока в цепи, МК тормозит через ЭМП, работающий в генераторном режиме, затвор. В конце движения затвора, непосредственно у крайнего заднего положения, возможно, потребуется работа ЭМП в качестве электродвигателя, создающего обратный направлению движения момент (активный электротормоз). Так как МК контролирует параметры выстрела на всем его протяжение за счет контроля тока в цепи, то возможен привод затвора к задней конечной точке с минимально возможной или вообще околонулевой скоростью. Извлечение гильзы происходит без участия закреплённого на затворе выбрасывателя - он лишь удерживает её в чашечке затвора. Гильза двигаясь назад, набегает на отражатель и выбрасывается вовне. При этом взводится боевая пружина, и курок становится на электромагнитное шептало автоматического огня. При движении затвора вперед, в зависимости от необходимых параметров движения, ЭМП может либо снова подтормаживать движение затвора, либо, например, для увеличения скорострельности, наоборот, разгонять затвор, опять так останавливая его для недопущения удара в крайнем переднем положении.
Кроме того, элекромеханический преобразователь, под управлением МК осуществляет так же функцию, важного для схемы Хорна, противоотскочного устройства — не допускает отскок затвора от крайне переднего положения, гарантируя зацепление газового поршня с затвором. После окончания цикла при положении затвора в крайнем переднем положении с зацеплением с газовым поршнем схема обесточивается и, соответственно, электромагнитное шептало автоматического огня освобождает курок. Если снято и шептало одиночного огня (положение «автоматический огонь») цикл повторяется.
. .