Устройство электромагнитного торможения подвижных частей стрелкового оружия

Устройство электромагнитного торможения подвижных частей стрелкового оружия, размещаемое на узлах стрелкового оружия, которое содержит ствол, установленный в рамке или ствольной коробке оружия, запирающий механизм, содержащий затвор, кожух-затвор, затворную раму, который является подвижной частью оружия, магнит. Одна из частей оружия полностью или частично выполнена из электропроводящего материала с высокой удельной электропроводностью. Магнит жестко связан с другой частью оружия таким образом, чтобы имело место относительное перемещение между частью с магнитами и ответной частью из электропроводящего материала. При взаимодействии магнитного поля индуцированных в проводнике токов с собственным магнитным полем магнитов обеспечивается создание силы торможения, ограничивающей максимальную скорость движения V проводника относительно магнитов. Технический результат - упрощение конструкции, повышение надежности, уменьшение массы оружия, эффективное торможение затвора как при откате, так и при накате затвора на патронник, отсутствие износа взаимодействующих частей системы магнитного запирания. 7 з.п. ф-лы, 9 ил.

 

Устройство электромагнитного торможения подвижных частей стрелкового оружия относится к военной технике и может быть использовано в оружейной технике, в частности в автоматическом и полуавтоматическом стрелковом оружии.

Относится к запирающим механизмам, а также к системам тормозов-компенсаторов для подвижных частей стрелкового оружия.

Из уровня техники известно изобретение «Электромагнитный способ преобразования энергии пороховых газов в механическую силу и устройство для его осуществления», патент RU 2521054, опубл. 27.06.2014, МПК F41A 13/06, включающий обмотку, выполненную на трубке и постоянный магнит. Через газоотводное отверстие в конце неподвижного ствола во входное отверстие в стальной трубке поступают пороховые газы после выстрела, что приводит к перемещению постоянного магнита. Однако в этом техническом решении под стволом двигают магнитный якорь в соленоиде, предназначенный для вырабатывания электричества. Это устройство предназначено для преобразования энергии пороховых газов в механическую силу через вырабатывание электрического тока в соленоиде, а не для торможения отката/наката затвора. Магнит возбуждает токи Фуко в стальной трубке, однако стальная трубка экранирует поле от соленоида и ток, возбуждаемый в нем, крайне слаб, что не достаточно для торможения затвора. Кроме того, при вылете пули газ есть и он двигает якорь соленоида, но на обратном ходу газа уже нет, поэтому решение не работоспособно. Не обеспечивает эффективное торможение затвора как при его прямом (откате), так и при его обратном (накате) движении.

Известно изобретение «Магнитное запирание затвора», патент RU 2529921, опубл. 10.10.2014, МПК F41A 3/50, содержащий ствольную коробку и затвор, у которого на мотыле размещается магнит, который в закрытом положении магнитится к стенке ствольной коробки. Относится к запирающим кривошипно-шатунным механизмам стрелкового оружия. Позволяет улучшить кучность боя, увеличить скорость перезарядки, повысить жесткость запирающего механизма. Однако действует на другом принципе, на принципе прилипания движущейся части затвора к магниту при запирании затвора. Однако в предложенном устройстве прилипание отсутствует, поскольку используют другой принцип, а именно сопротивление процессу движения проводника в магнитном поле в зависимости от скорости.

Наиболее близким техническим решением является заявка на изобретение «Автоматика стрелкового оружия со свободным затвором», заявка RU 2016105018, опубл. 18.08.2017, МПК F41A 3/00, в которой используют ствол, укрепленный на рамке оружия с возвратной пружиной на стволе, кожух-затвор и постоянный магнит. Однако используется совершенно другой принцип - магнитное прилипание, т.е. затвор примагничивается (физическим контактом) к патроннику (магнит для этого стоит либо в затворе, либо в патроннике, либо и там и там), тем самым запирание достигается за счет того что часть отдачи будет потрачена на то, чтобы оторвать прилипший затвор от патронника. Однако если величины силы прилипания будет достаточно для временного удержания затвора при действии порохового заряда патрона, то без выстрела (например, для ручной перезарядки оружия) оторвать затвор от патронника рукой будет крайне затруднительно. Эта сила будет соизмерима с силой на отрыв дверного электромагнитного замка, несколько десятков килограммов, а если магнит ставить слабый, чтобы было возможно отвести затвор рукой с обычным усилием, то влияние на усиление запирания будет ничтожным.

Следует учитывать, что самая простая и надежная автоматика перезарядки работает на принципе свободного затвора. [Теория и расчёт автоматического оружия. Пенза, 1997, стр. 30, 101]. Обычно в известных конструкциях стараются увеличить массу затвора или применить дополнительный механизм его удержания. Для этого учитывают, что работа автоматики на таком принципе подчиняется закону сохранения импульса: M пули * V пули = M затвора * V затвора, из чего следует, что для уменьшения скорости отката затвора он должен иметь массу многократно превосходящую массу пули, что делает такую автоматику не реализуемой для мощных патронов в виду необходимости в затворе неприемлемо большой массы. Если применять автоматику, построенную на принципе свободного затвора, то при откате назад тяжелый затвор обладает значительной кинетической энергией, и в процессе своего торможения в конце первой части цикла перезарядки, а именно выброса стреляной гильзы и взведения спускового механизма, существенно усиливается отдача и подброс оружия, что также снижает точность последующих выстрелов (ухудшая кучность) и увеличивает время на повторное прицеливание.

Аналогом известных конструкций автоматического оружия для предложенного решения может служить пистолет H&K P7 с полу-свободным затвором, в котором используют известную систему с газовым запиранием, в которой применена в отличие от автомата Калашникова, система с частично отводимым в рабочий цилиндр из ствола газом, который используют не для отпирания, а наоборот, для запирания, что препятствует откату свободного затвора до момента выхода пули из ствола до тех пор, пока не спадет давление (https://ru.wikipedia.org/wiki/HK P7). В нем, например, используют модифицированную схему Барнитцке, при которой пороховые газы, отводимые из ствола, воздействую на поршень, связанный со свободным затвором, препятствуя его раннему открытию. После выхода пули из ствола давление в стволе и в связанном с ним газовом цилиндре падает, после чего затвор открывается, выбрасывая стреляную гильзу и подавая в патронник новый патрон. В автоматическом оружии для перезаряжания обычно используют часть энергии самого выстрела, при этом механизм перезаряжания в процессе выстрела должен последовательно обеспечить: накопление энергии для своей работы, запирание казенной части ствола оружия до момента покидания пулей ствола (в противном случае может произойти разрыв гильзы), экстракцию стреляной гильзы, взведение ударного механизма и досылание нового патрона.

Поскольку в известных конструкциях для уменьшения скорости отката затвора стремятся многократно увеличить массу затвора относительно массы пули, то практически это приводит к неприемлемо большой массе затвора. Для решения данной инженерной задачи традиционно применяют введение различных механизмов временного запирания казенной части ствола. Например, система Браунинга использует временное сцепление ствола с кожухом затвора при коротком ходе ствола на перекос, а система автомата Калашникова основывается на разблокировке механизма сцепления затвора со стволом подвижной затворной рамой, приводимой в движение газовым поршнем, использующим часть энергии отводимых пороховых газов. Однако это приводит к использованию в оружии дополнительных подвижных частей, что в свою очередь, приводит к негативным факторам в виде роста сложности конструкции, снижения надежности, сложности обслуживания, увеличения количества составных частей, росту стоимости, росту веса, снижению точности из-за присутствия в конструкции подвижных элементов, создающих дополнительные вибрации. Обычно стремятся сделать массу затвора как можно меньше, компенсируя недостаток массы затвора установкой сложных сборок на основе пружин. Однако уменьшение веса затвора ведет к уменьшению его инерции и увеличению скорости его движения при обратном движении (накате) под действием пружины, что, в свою очередь, также вредно, поскольку, например, приводит к механическому повреждению нового патрона при его досылании в патронник. Поэтому в известных конструкциях для ликвидации негативного эффекта используют установку замедляющих накатное движение затвора демпферов, что, в свою очередь, повышает сложность, цену, габарит и массу конструкции, а так же ведет к снижению ее надежности.

Устройство, применяемые в системах со свободным затвором, могут быть выполнены комбинированными, например с системой с магнитным запиранием.

Изобретательская задача заключается в том, чтобы разработать такую систему с магнитным запиранием, чтобы обеспечить торможение магнитным полем без механического запирания между стволом и затвором, что обеспечит отсутствие износа взаимодействующих частей. При этом, после сгорания порохового заряда, пороховые газы создают избыточное давление, которое в свою очередь оказывает одинаковое воздействие как на пулю, так и гильзу, выбрасывая и пулю и гильзу. Для торможения использованы токи Фуко - вихревые электрические токи, возникающие в любом проводнике при его движении в магнитном поле. Поскольку электрическое сопротивление массивного проводника может быть мало, то сила индукционного электрического тока, обусловленного токами Фуко, может достигать чрезвычайно больших значений [Сивухин Д. В. Общий курс физики, том 3. Электричество. 1977]. В свою очередь токи Фуко создают магнитное поле обратной (по отношению к возбуждающему магнитному полю) направленности и как следствие, возникновение тормозящей силы, препятствующей движению этого проводника. При этом в соответствии с правилом Ленца токи Фуко в объеме проводника выбирают такой путь, чтобы в наибольшей мере противодействовать причине, вызывающей их протекание. Поэтому, в частности, движущиеся в сильном магнитном поле хорошие проводники испытывают сильное торможение, обусловленное взаимодействием токов Фуко с внешним магнитным полем. Значение этой тормозящей силы тем больше, чем выше скорость движения проводника в магнитном поле.

Демпфирование с помощью индукционных токов, например, используют в некоторых конструкциях тормозных систем железнодорожных поездов и страхующих системах подъемных механизмов (лифтов). Эффект индукционных токов используют также для демпфирования подвижных частей гальванометров, сейсмографов и других приборов без использования силы трения.

Предложенное техническое решение позволяет достичь следующего технического результата:

- возможность использования простой, надежной и дешевой автоматики на базе свободного затвора уменьшенной массы;

- эффективное торможение затвора как при его движении назад при выстреле (откате), так и при возврате (накате) затвора на патронник;

- отсутствие износа взаимодействующих частей системы магнитного запирания.

Заявленный технический результат достигается за счет того, что устройство электромагнитного торможения подвижных частей стрелкового оружия, размещаемое на узлах стрелкового оружия, содержит следующие части: ствол, установленный в рамке или ствольной коробке оружия, запирающий механизм, содержащий затвор, кожух-затвор, затворную раму, части, одна из которых является подвижной частью оружия, и, по меньшей мере, один магнит. Новым в заявленном техническом решении является то, что одна из частей оружия полностью или частично выполнены из электропроводящего материала с высокой удельной электропроводностью, являющегося проводником, по меньшей мере, один магнит, жестко связанный с другой частью оружия таким образом, чтобы имело место относительное перемещение между частью с магнитами и частью из электропроводящего материала, являющегося проводником. В частном случае магнит может быть применен как постоянный, так и электрический. При этом полюса магнитов сориентированы перпендикулярно движению ответных частей оружия, выполненных из материала, являющегося проводником, общая масса проводника рассчитывается в зависимости от расчетной суммарной плотности индукционного тока, возникающего в подвижном относительно магнита проводнике, и при взаимодействии магнитного поля индуцированных в проводнике токов с собственным магнитным полем магнитов обеспечивается создание расчетной силы торможения, ограничивающей максимальную скорость движения V проводника относительно магнитов.

Устройство может быть реализовано с помощью различных конструктивных схем размещения магнитов. В частном случае в устройстве электромагнитного торможения может быть выполнена из электропроводящего материала полностью или частично часть оружия, являющаяся стволом или жестко связанная с ним часть, а магнит размещен или жестко связан с корпусом кожух-затвора (запирающего механизма), при этом подвижным элементом относительно магнита является ствол; также в качестве примера можно привести конструкцию, в которой в устройстве электромагнитного торможения из электропроводящего материала выполнена полностью или частично часть оружия, являющаяся корпусом кожуха-затвора (запирающего механизма) или жестко связанная с ним часть, а магнит размещен или жестко связан со стволом, при этом подвижным элементом относительно магнита является запирающий механизм; в следующем частном исполнении конструкции устройства электромагнитного торможения могут быть выполнены из электропроводящего материала полностью или частично две части оружия, являющиеся корпусом кожуха-затвора (запирающего механизма) и ствола или жестко связанные с ними части, а магнит размещен или жестко связан с рамкой, при этом подвижными элементами относительно магнита являются и ствол и запирающий механизм; Также возможно выполнить устройство электромагнитного торможения из электропроводящего материала полностью или частично часть оружия, являющаяся корпусом затвора или затворной рамы запирающего механизма или жестко связанная с ними часть, а магнит размещен или жестко связан со стволом или ствольной коробкой или крышкой ствольной коробки, при этом подвижным элементом относительно магнита является запирающий механизм; Как один из вариантов исполнения может быть применено в частном случае устройство электромагнитного торможения, в котором из электропроводящего материала полностью или частично выполнена часть оружия, являющаяся стволом или ствольной коробкой или крышкой ствольной коробки или жестко связанная с ними часть, а магнит размещен или жестко связан с затвором или затворной рамой запирающего механизма, при этом подвижным элементом относительно магнита является ствол; и еще один из частных случаев исполнения - это когда в устройстве электромагнитного торможения выполнено из электропроводящего материала полностью или частично две части оружия, являющиеся стволом и затвором или затворной рамой запирающего механизма или жестко связанные с ними части, а магнит размещен или жестко связан с корпусом ствольной коробки или с крышкой ствольной коробки, при этом подвижными элементами относительно магнита являются и ствол и запирающий механизм.

Таким образом, в предложенной конструкции отсутствует механическое запирание, отсутствуют подвижные рычаги, которые выдвигаются хоть с помощью магнита, хоть с помощью пружин или газа. Также отсутствуют движущиеся задвижки или упоры. Используется ствол, в патроннике которого находится патрон, за патроном сзади может быть затвор с возвратным механизмом в виде возвратной пружины. По сути, это схема аналогична схеме пистолета Макарова - схема со свободным затвором, но в описанном случае над/под затвором или стволом передвигается магнит (не слепляя собой с какие-либо части).

Конструкция системы поясняется чертежами, которые могут не охватывать всех возможных вариантов изготовления системы электромагнитного торможения.

На Фиг. 1 показана обобщенная схема расположения магнита и проводника в которой магнит жестко связан со стволом, а условно представленный в качестве проводника затвор перемещается относительно магнита.

На Фиг. 2 показана обобщенная схема расположения магнита и проводника в которой магнит жестко связан с затвором, а условно представленный в качестве проводника ствол перемещается относительно магнита.

На Фиг. 3 показан магнит в кожух-затворе.

На Фиг. 4 показан магнит на крышке ствольной коробки.

На Фиг. 5 показан магнит на ствольной коробке.

На Фиг. 6 показан магнит в затворной раме.

На Фиг. 7 показан магнит на затворе.

На Фиг. 8 показан магнит на рамке.

На Фиг. 9 показан пример реализации системы в реальной конструкции пистолета.

Устройство электромагнитного торможения подвижных частей стрелкового оружия схематично изображено на Фиг 1 и 2. Она состоит из ствола (1), затвора (2), магнита или блока магнитов (3) и магниты жестко соединены соединительной деталью (4) на Фиг. 1 - со стволом (1), на Фиг. 2 - с затвором (2). Магнит может быть как постоянный, один магнит, расположенный магнитными линиями таким образом, чтобы они были перпендикулярны движению проводника, из которого выполнен ствол и/или затвор. При этом полюса постоянного магнита могут быть направлены как в одну, так и в противоположную стороны. Если магнит выполнен из пакета магнитов, то не имеет значения как они расположены относительно друг друга, важно только соблюдение условия перпендикулярности магнитных линий движению проводника. Также магнит может быть выполнен как электромагнит. Например, при этом к стрелковому оружию подводят источник электрического тока. Проводником может служить как обычный материал самого ствола и/или затвора, так и связанные с ними специальные металлические части. Поскольку части оружия обычно выполняются из легированных сталей, то материал этих частей оружия имеет достаточную для заявленного результата электропроводность.

Полюса магнитов могут быть сориентированы в одну и ту же или противоположные стороны, так как если взять два магнита и сложить их боками, то в случае, когда их полюса направлены в одну и ту же сторону они будут отталкиваться между собой, но конструктивно соединить их вместе все-равно можно и работать эта сборка будет, а если сложить боками магниты, полюса которых направлены в противоположные стороны, то они слипнутся и образуют прочную магнитную сборку. Такая сборка будет работать еще лучше, так как на границе между магнитами движущийся относительно них проводник будет перемагничиваться, т.е. будет создаваться больший градиент поля и более значительная ЭДС, которая будет вызывать больший ток, тем самым создавая более значительную силу противодействующего магнитного поля. Это подтверждается тремя вариантами схемы: а), б), в):

При этом общая масса проводника рассчитывается в зависимости от расчетной суммарной плотности индукционного тока, возникающего в подвижном относительно магнита проводнике, и при взаимодействии магнитного поля индуцированных в проводнике токов с собственным магнитным полем магнитов обеспечивает создание расчетной силы торможения, ограничивающей максимальную скорость движения V проводника относительно магнитов.

На Фиг. 1 показан вариант компоновки системы, который иллюстрирует схему с закреплением магнита или сборки из нескольких магнитов (3) неподвижно относительно ствола (1). При этом в качестве точки крепления помимо ствола может использоваться также рамка или ствольная коробка. При откате/накате затвор (2) или какая-либо связанная с ним часть, движется вдоль магнита (3), в ней создаются индукционные токи Фуко и тормозящее магнитное поле.

На Фиг. 2 показан вариант компоновки системы, который иллюстрирует схему с закреплением магнита или сборки из нескольких магнитов (3) неподвижно относительно затвора (3). В этом случае, магнит (3) при своем движении совместно с затвором (2) индуцирует токи Фуко и создает тормозящее магнитное поле в материале ствола (1) или какой-либо другой связанной с ним части оружия (условно не показана). Затвор (2) является в конструкциях стрелкового оружия частью запирающего механизма (4) (Фиг 9), Запирающий механизм может содержать собственно затвор, или кожух-затвор, или затворную часть, каждая из перечисленных частей может быть использована для крепления магнита. Затвор, кожух-затвор, затворная рама принадлежат к запирающему механизму. Например, у винтовки: весь запирающий механизм это один затвор, у простых пистолетов весь запирающий механизм это затвор, выполненный как единое целое с кожухом (кожух-затвор), у более сложных затвор - это отдельная часть в кожухе, у автомата Калашникова затвор вставлен в затворную раму и вместе они образуют запирающий механизм, который является подвижной частью оружия.

Например, магнит (2) размещен под стволом (1), закреплен на правой нижней оконечности кожух-затвора (5) (Фиг. 3) или на крышке ствольной коробки (6) (Фиг. 4) или непосредственно на ствольной коробке (7) (Фиг. 5).

Также ствол (1) может быть жестко сцеплен с рамкой (8), а магнит (3) размещен на затворе (2) (Фиг. 7) или на рамке (8) (Фиг. 6 и 8).

Таким образом, магнит имеет движение вместе с кожух-затвором относительно ствола и полосы металла рамки снизу.

На Фиг. 9 показан также запирающий механизм (4) и возвратный механизм (9). При этом в реальных конструкциях стрелкового оружия возвратный механизм (9) может быть как в виде пружины, так и в виде пневматического цилиндра. Однако возможен вариант и без возвратного механизма.

Эффект возникновения тормозящего магнитного поля за счет токов Фуко можно включать и выключать при использовании электромагнита, но на сущность самого тормозящего эффекта это не влияет.

Поскольку известно, что вихревые электрические токи всегда замкнуты, то на краях любой пластины никакой разности потенциалов создаваться не будет.

Предложенная система работает следующим образом.

При относительном движении между проводником и магнитом, возникает сила торможения, обусловленная возникновением вихревых токов (токов Фуко). Причем сила торможения зависит от скорости, чем выше скорость движения, тем больше индуцируемый ток и тем больше порождаемая им тормозящая сила. В результате подбором силы магнитов можно ограничить максимальную скорость движения подвижной части таким образом, чтобы получить расчетную силу торможения в стрелком оружии с патронами как малой, так и большой мощности. При этом не потребуется увеличивать очень сильно массу затвора. Причем затвор не примагничивается к патроннику физическим контактом, а возникающая между ними сила торможения обусловлена взаимодействием собственного и наведенного магнитных полей. Существенно, что эта тормозящая сила возникает как при движении в одну сторону (откате), так и при движении в обратную сторону (накате), тем самым обеспечивая не только уменьшение ударной силы от торможения мотыля передающейся в приклад (уменьшение отдачи и подскока), но и ограничение скорости досылания патрона что препятствует его (патрона) повреждению при досылании. Важно, что создаваемая токами Фуко и обусловленная электро-магнитными эффектами тормозящая сила возникает и распространяется со скоростью света, что в механическом приложении можно условно считать как практически мгновенно и, в отличии от традиционно используемых пружин, не пропорциональна перемещению (не имеет периода холостого хода или набора мощности), а пропорциональна только относительной скорости движения магнита и проводника, чем достигается ограничение и постоянство максимальной скорости движения затвора. При этом энергия торможения расходуется на нагрев проводника, диссипирует и рассеивается в материале других частей оружия. Таким образом, достигается возможность использования простой, надежной и дешевой автоматики на базе свободного затвора с уменьшенной массой; эффективное торможение движения затвора как при его движении назад (откате), так и при его возврате (накате); отсутствие износа взаимодействующих частей системы магнитного запирания в результате трения, устойчивость к загрязнению и перепадам температур. Кроме того, появляется возможность использовать систему запирания на базе автоматики свободного затвора для патронов большой мощности без необходимости непомерно большого увеличения массы затвора.

1. Устройство электромагнитного торможения подвижных частей стрелкового оружия, размещаемое на узлах стрелкового оружия, содержащих следующие части: ствол, установленный в рамке или ствольной коробке оружия, жестко закрепленный или выполненный с возможностью перемещения, запирающий механизм, содержащий затвор, кожух-затвор, затворную раму, неподвижный или выполненный с возможностью перемещения, и, по меньшей мере, один магнит, отличающееся тем, что одна из частей оружия полностью или частично выполнена из электропроводящего материала с высокой удельной электропроводностью, являющегося проводником, по меньшей мере, один магнит жестко связан с другой частью оружия таким образом, чтобы имело место относительное перемещение между частью с магнитами и ответной частью из электропроводящего материала, являющегося проводником, при этом полюса магнитов сориентированы перпендикулярно движению ответных частей оружия, являющихся проводником, общая масса проводника рассчитывается в зависимости от расчетной суммарной плотности индукционного тока, возникающего в подвижном относительно магнита проводнике.

2. Устройство электромагнитного торможения по п. 1, отличающееся тем, что из электропроводящего материала выполнен ствол, а магнит размещен или жестко связан с корпусом кожух-затвора запирающего механизма, при этом подвижным элементом относительно магнита является ствол.

3. Устройство электромагнитного торможения по п. 1, отличающееся тем, что из электропроводящего материала выполнен корпус кожуха-затвора запирающего механизма или жестко связанная с ним часть, а магнит размещен или жестко связан со стволом, при этом подвижным элементом относительно магнита является запирающий механизм.

4. Устройство электромагнитного торможения по п. 1, отличающееся тем, что из электропроводящего материала полностью или частично выполнены две части оружия, являющиеся корпусом кожуха-затвора запирающего механизма и ствола или жестко связанные с ними части, а магнит размещен или жестко связан с рамкой, при этом подвижными элементами относительно магнита являются и ствол, и запирающий механизм.

5. Устройство электромагнитного торможения по п. 1, отличающееся тем, что из электропроводящего материала полностью или частично выполнен корпус затвора или затворной рамы запирающего механизма или жестко связанная с ними часть, а магнит размещен или жестко связан со стволом или ствольной коробкой или крышкой ствольной коробки, при этом подвижным элементом относительно магнита является запирающий механизм.

6. Устройство электромагнитного торможения по п. 1, отличающееся тем, что из электропроводящего материала выполнен ствол или ствольная коробка или крышка ствольной коробки или жестко связанная с ними часть, а магнит размещен или жестко связан с затвором или затворной рамой запирающего механизма, при этом подвижным элементом относительно магнита является ствол.

7. Устройство электромагнитного торможения по п. 1, отличающееся тем, что из электропроводящего материала выполнены ствол и затвор или затворная рама запирающего механизма или жестко связанные с ними части, а магнит размещен или жестко связан с корпусом ствольной коробки или с крышкой ствольной коробки, при этом подвижными элементами относительно магнита являются и ствол, и затвор или затворная рама запирающего механизма или жестко связанные с ними части.

8. Устройство электромагнитного торможения по п. 1, отличающееся тем, что используют постоянный либо электрический магнит.