что такое баллистическая траектория полета пули
Баллистическое движение — характеристика, основные формулы и уравнения
Как упадет брошенный предмет, по какой траектории полетит пуля и как рассчитать правильное направление для попадания в цель – всё это объясняется таким понятием как баллистическое движение и изучается соответствующей наукой.
Понятие баллистики
Определение баллистики звучит следующим образом – наука о движении тел, двигающихся в пространстве. Она изучает в первую очередь принципы движения всевозможных объектов, в частности пуль и снарядов, а также законы природы, влияющие на это движение и способность тела преодолевать возникшие на его пути преграды.
Физика и математика — вот основы, на которых базируется эта наука, они позволяют при должных знаниях рассчитывать траекторию полёта пули, исходя из воздействия на неё внешних сил, и её проникающую способность.
Сама же наука о законах полета снарядов делится на 4 направления:
Исследование движения пули или снаряда в канале ствола орудия изучает направление, которое называется внутренняя баллистика.
Поведение снаряда на выходе из канала ствола и в районе дульного среза исследуется промежуточной баллистикой и используется в разработке пламегасящих устройств и глушителей.
Вопросы движения снаряда в атмосфере и при воздействии внешних факторов изучаются внешней баллистикой. Основная область её применения – установление поправок на упреждение и влияние скорости ветра на траекторию.
Изучение проникающей способности снаряда – цель исследований баллистики под названием преградная (терминальная), которую изучают специалисты по вопросам бронезащиты.
История возникновения баллистики
Так или иначе баллистика изучалась по мере развития человечества, параллельно с развитием механизмов для поражения противника на расстоянии.
Начало изучения траектории полета снаряда, как науки, было положено Николло Тарталья в 1537 году, начавшим исследование кривой движения этого тела. Продолжил изучение Галилей, сформулировав параболическую теорию.
Развивал данную тему и Ньютон, благодаря изучению законов воздушного сопротивления которого стало возможным доказать невозможность параболической кривой полета снаряда. Его дело продолжил Бенджамин Робинс, основное исследование которого — расчет начальной скорости ядра.
Он даже изобрел актуальный по сей день баллистический маятник. Прибор, с помощью которого определяют эффективность взрывчатых веществ, фиксируя при их подрыве угол отклонения маятника.
Одним из ключевых витков истории баллистики стала разработка численного метода интегрирования дифференциальных уравнений, созданного Карлом Рунге и Мартином Кутта. Определенные элементы их метода позволяли с максимальной точностью вести расчеты траектории тел в пространстве.
Появлялись всё новые виды вооружения, конструкторы отчаянно экспериментировали с длиной ствола, внутренними нарезами и наполнением патрона, двигая науку вперед.
Баллистическая траектория
Итак, что же в итоге представляет собой баллистическая траектория? Современная энциклопедия гласит: «Это траектория движения свободно брошенного тела под действием только силы тяжести».
Например, межконтинентальные баллистические ракеты считаются таковыми, поскольку продолжают своё движение к цели после выключения двигателей, как раз-таки по траектории, которую называют баллистической.
Здесь же – расчет ведения огня по настильной траектории, проще говоря – плавно опускающейся линии по ходу полета снаряда, и расчет возможности преодолевать возвышения по пути к конечной точке.
Фактически, таковым является движение любого тела в пространстве, при отсутствии какой-либо дополнительной тяги.
Основные формулы баллистического движения
При расчетах и изучении баллистического движения любого тела, стоит обратить внимание на огромное количество факторов – массу, скорость и обтекаемость тела, атмосферные условия и многое-многое другое. Но даже при учете этого, в баллистике есть свои основные формулы, применяемые в исследованиях.
Проекции скорости тела, следовательно, изменяются со временем следующим образом:
Vx = Vx0 = V0 * cos α;
Vy = Vy0 – g * t = V0
* sin α – g * t,
где V0 — начальная скорость, α – угол бросания.
Координаты тела, следовательно, изменяются так:
x = x0 + V0 * t * cos α;
Если за точку отсчета берутся координаты х = у = 0, то:
Дальнейшие расчеты производятся при введении таких переменных как дальность полета и время, в итоге же получается финальное уравнение траектории движения. Выглядит оно следующим образом:
y = x * tg α – g * x 2 / 2 * V0 2 * cos 2 α.
Что такое баллистическая траектория ракеты, пули?
Путь движения тела (например, бомбы, ракеты, летательного аппарата), в котором отсутствует тяга либо управляющая сила и момент, называется баллистической траекторией. Если механизм, приводящий в действие объект, остается рабочим на протяжении всего времени передвижения – он относится к ряду авиационных либо динамических. Траекторию самолета во время полета с выключенными двигателями на большой высоте также можно назвать баллистической.
На объект, который передвигается по заданным координатам, действует лишь механизм, приводящий тело в действие, силы сопротивления и тяжести. Набор таких факторов исключает появление возможности к прямолинейному движению. Данное правило работает даже в космосе.
Тело описывает траекторию, которая подобна эллипсу, гиперболе, параболе либо окружности. Последние два варианта достигаются при второй и первой космических скоростях. Расчеты для движения по параболе или окружности проводятся для определения траектории баллистической ракеты.
Учитывая все параметры при запуске и полете (массу, скорость, температуру и т. д.), выделяют следующие особенности траектории:
Свойства траектории и практические значения
Движение тела после прекращения влияния на него движущей силы изучает внешняя баллистика. Данная наука предоставляет расчеты, таблицы, шкалы, прицелы и вырабатывает оптимальные варианты для стрельбы. Баллистическая траектория пули – это кривая линия, которую описывает центр тяжести объекта, находящегося в полете.
Так как на тело влияют сила тяжести и сопротивления, путь, который описывает пуля (снаряд), образует форму кривой линии. Под действием приведенных сил скорость и высота объекта постепенно снижается. Различают несколько траекторий: настильную, навесную и сопряженную.
Первая достигается при использовании угла возвышения, который является меньшим, нежели угол наибольшей дальности. Если при разных траекториях дальность полета остается одинаковой – такую траекторию можно назвать сопряженной. В случае, когда угол возвышения больше, чем угол наибольшей дальности, путь приобретает название навесного.
Траектория баллистического движения объекта (пули, снаряда) состоит из точек и участков:
Ракеты: особенности запуска и движения
Различают управляемые и неуправляемые баллистические ракеты. На формирование траектории также влияют внешние и наружные факторы (силы сопротивления, трения, вес, температура, требуемая дальность полета и т.д).
Общий путь запущенного тела можно описать следующими этапами:
Запуск ракеты и формирование кривой передвижения
Кривая передвижения ракеты состоит из трех частей: периода запуска, свободного полета и повторного входа в земную атмосферу.
Боевые снаряды запускаются с фиксированной точки переносных установок, а также транспортных средств (судов, субмарин). Приведение в полет продолжается от десятых тысячных секунд до нескольких минут. Свободное падение составляет наибольшую часть траектории полета баллистической ракеты.
Преимуществами запуска такого приспособления являются:
В теории путь передвижения снаряда – это явление из общей теории физики, раздела динамики твердых тел в движении. Относительно данных объектов рассматривается передвижение центра масс и движение вокруг него. Первое относится к характеристике объекта, совершающего полет, второе – к устойчивости и управлению.
Так как тело имеет программные траектории для совершения полета, расчет баллистической траектории ракеты определяется физическими и динамическими расчетами.
Современные разработки в баллистике
Разработки в оборонном ракетостроении не стоят на месте. Ученные занимаются модернизацией квазибаллистической ракеты. Последняя представлена как объект, имеющий низкий путь в атмосфере, но при этом резко изменяющий направление и диапазон.
Баллистическая траектория такой ракеты не влияет на скорость: даже на предельно низкой высоте объект передвигается быстрее, нежели обычный. Например, разработка РФ «Искандер» летит на сверхзвуковой скорости – от 2100 до 2600 м/с при массе 4 кг 615 г, круизы ракеты передвигают боеголовку весом до 800 кг. При полете маневрирует и уклоняется от противоракетной обороны.
Межконтинентальное оружие: теория управления и составляющие
Многоступенчатые баллистические ракеты носят название межконтинентальных. Такое название появилось неспроста: из-за большой дальности полета становится возможным перебросить груз на другой конец Земли. Основным боевым веществом (зарядом), в основном, является атомное либо термоядерное вещество. Последнее размещается в передней части снаряда.
Далее в конструкции устанавливается система управления, двигатели и баки с топливом. Габариты и масса зависят от требуемой дальности полета: чем больше расстояние, тем выше стартовый вес и габариты конструкции.
Баллистическую траекторию полета МБР отличают от траектории иных ракет по высоте. Многоступенчатая ракета проходит процесс запуска, затем на протяжении нескольких секунд движется вверх под прямым углом. Системой управления обеспечивается направления орудия в сторону цели. Первая ступень привода ракеты после полного выгорания самостоятельно отделяется, в этот же момент запускается следующая. При достижении заданной скорости и высоты полета ракета начинает стремительно двигаться вниз к цели. Скорость полета к объекту назначения достигает 25 тыс. км/ч.
Мировые разработки ракет специального назначения
Около 20 лет назад в ходе модернизации одного из ракетных комплексов средней дальности был принят проект противокорабельных баллистических ракет. Такая конструкция размещается на автономной пусковой платформе. Вес снаряда составляет 15 тонн, а дальность пуска – почти 1,5 км.
Траектория баллистической ракеты для уничтожения кораблей не поддается для быстрых расчетов, поэтому предугадать действия противника и устранить данное орудие невозможно.
Такая разработка имеет преимущества:
Характеристики боевых комплексов отечественной оборонной промышленности
Модификации приведенной ракетной установки можно использовать и в мирных целях.
Среди твердотопливных ракет особенно мощной считается «РТ-23 УТТХ». Такое приспособление базируется автономно (мобильно). В стационарной станции-прототипе («15Ж60») стартовая тяга выше на 0,3, в сравнении с мобильной версией.
Запуск ракет, который проводится непосредственно со станций сложно нейтрализовать, ведь количество снарядов может достигать 92 единиц.
Ракетные комплексы и установки заграничной оборонной промышленности
Высота баллистической траектории ракеты американского комплекса «Минитмен-3» не особо отличается от характеристик полета отечественных изобретений.
Другое изобретение американцев – «Пискипер». Он также мог обеспечить точное попадание в цель благодаря наивыгоднейшей траектории баллистического движения. Специалисты утверждают, что боевые возможности приведенного комплекса почти в 8 раз выше, нежели у «Минитмена». Боевое дежурство «Пискипера» составляло 30 секунд.
Полет снаряда и движение в атмосфере
Из раздела динамики известно влияние плотности воздуха на скорость передвижения любого тела в различных слоях атмосферы. Функция последнего параметра учитывает зависимость плотности непосредственно от высоты полета и выражается в зависимости:
где у – высота полета снаряда (м).
Расчет параметров, а также траектории межконтинентальной баллистической ракеты можно производить с помощью специальных программ на ЭВМ. Последние приведут ведомости, а также данные о высоте полета, скорости и ускорении, продолжительности каждого этапа.
Экспериментальная часть подтверждает расчетные характеристики, и доказывает, что на скорость оказывает влияние форма снаряда (чем лучше обтекаемость, тем выше скорость).
К группе наземных относятся баллистические, крылатые и зенитные ракеты. К авиационным – самолеты-снаряды, АБР и управляемые снаряды воздушного боя.
Основной характеристикой расчета баллистической траектории движения является высота (несколько тысяч километров над слоем атмосферы). При заданном уровне над уровнем Земли снаряды достигают высоких скоростей и создают огромные сложности для их выявления и нейтрализации ПРО.
Известными БР, которые рассчитаны на среднюю дальность полета, являются: «Титан», «Тор», «Юпитер», «Атлас» и др.
Баллистическая траектория ракеты, которая запускается из точки и попадает по заданным координатам, имеет форму эллипса. Размер и протяженность дуги зависит от начальных параметров: скорости, угла запуска, массы. Если скорость снаряда приравнивается к первой космической (8 км/с), боевое орудие, которое запущено параллельно к горизонту, превратится в спутник планеты с круговой орбитой.
Несмотря на постоянное усовершенствование в области обороны, путь полета боевого снаряда практически не изменяется. На текущий момент технологии не в состоянии нарушить законы физики, которым подчиняются все тела. Небольшим исключением являются ракеты с самонаведением – они могут менять направление в зависимости от перемещения цели.
Изобретатели противоракетных комплексов также модернизируют и разрабатывают орудие для уничтожения средств массового поражения нового поколения.
Баллистика внутренняя, внешняя и терминальная. Баллистическая терминология
Введение в баллистику
— Из отчет Элвина К. Йорка (8 октября 1918г.)
Баллистика исследует движение снаряда (пули). ТК 3-22.9 даёт такое определение:
Есть три основных категории баллистики: внутренняя, внешняя и терминальная.
Далее мы обсудим различные термины, связанные с баллистикой.
Баллистическая терминология
— Из наградной записи Медали Почета старшего сержанта Конде Фалькона
Определим основную терминологию баллистики, чтобы глубже погрузиться в тему. Наш источник – Циркуляр «Винтовки и карабины» ТС 3-22.9, приложение В (в редакции от 1 от января 2017 года).
Как мы уже говорили, баллистика подразделяется на внутреннюю, внешнюю и терминальную.
Внутренняя баллистика
В дискурсе внутренней баллистики используется несколько основных терминов для описания физических процессов.
Канал ствола (bore) – внутренняя часть ствола, от дульного среза до патронника.
Патронник (chamber) – часть ствола, принимающая и фиксирующая боеприпас для стрельбы.
Скат патронника, уступ патронника (shoulder) – часть патронника, фиксирующая гильзу со снарядом, за которой начинается пульный вход ствола.
Дульный срез (muzzle) – конец ствола.
Гран, гр (grain, gr) – единица измерения веса пули либо снаряда. В одном фунте 7000 гранов, в одной унции – 437,5 (1 гран — 0,0647989 грамма – прим. переводчика).
На рисунке ниже показаны некоторые из приведённых терминов внутри автомата М4.
Внешняя баллистика
Ось канала ствола, она же линия выстрела, она же линия возвышения (axis of the bore / line of bore / line of elevation) – линия, проходящая через центр канала ствола.
Угол возвышения (angle of elevation) – угол между землей (горизонтом оружия) и осью канала ствола.
Баллистическая траектория (ballistic trajectory) – путь снаряда под влиянием только внешних сил, как то гравитация и атмосферное трение.
Высота траектории (maximum ordinate) – максимальная высота снаряда над линией прицеливания на пути к точке попадания.
Время полёта (time of flight) – время, которое требуется конкретному снаряду для достижения цели после выстрела.
На следующих рисунках показаны эти термины в ракурсе внешней баллистики.
Терминальная баллистика
Терминальная баллистика – это наука о поведении снаряда от момента столкновения с объектом до полной остановки (терминальная остановка). Включает терминальное влияние на цель.
В связи с этим существует два основных термина:
На следующем рисунке это показано на примере пули M855A1. Обратите внимание, насколько пробит баллистический желатин:
Итак, мы рассмотрели несколько терминов, связанных с различными фазами полета снаряда. В следующий раз мы обсудим дальнейшее практическое применение баллистики.
Внешняя баллистика. Траектория и ее элементы. Превышение траектории полета пули над точкой прицеливания. Форма траектории
Внешняя баллистика
Вылетев из канала ствола под действием пороховых газов, пуля (граната) движется по инерции. Граната, имеющая реактивный двигатель, движется по инерции после истечения газов из реактивного двигателя.
Траектория пули (вид сбоку)
Образование силы сопротивления воздуха
Траектория и ее элементы
Траекторией называется кривая линия, описываемая центром тяжести пули (гранаты) в полете.
Пуля (граната) при полете в воздухе подвергается действию двух сил: силы тяжести и силы сопротивления воздуха. Сила тяжести заставляет пулю (гранату) постепенно понижаться, а сила сопротивления воздуха непрерывно замедляет движение пули (гранаты) и стремится опрокинуть ее. В результате действия этих сил скорость полета пули (гранаты) постепенно уменьшается, а ее траектория представляет собой по форме неравномерно изогнутую кривую линию.
Сопротивление воздуха полету пули (гранаты) вызывается тем, что воздух представляет собой упругую среду и поэтому на движение в этой среде затрачивается часть энергии пули (гранаты).
Сила сопротивления воздуха вызывается тремя основными причинами: трением воздуха, образованием завихрений и образованием баллистической волны.
Частицы воздуха, соприкасающиеся с движущейся пулей (гранатой), вследствие внутреннего сцепления (вязкости) и сцепления с ее поверхностью создают трение и уменьшают скорость полета пули (гранаты).
Примыкающий к поверхности пули (гранаты) слой воздуха, в котором движение частиц изменяется от скорости пули (гранаты) до нуля, называется пограничным слоем. Этот слой воздуха, обтекая пулю, отрывается от ее поверхности и не успевает сразу же сомкнуться за донной частью.
За донной частью пули образуется разреженное пространство, вследствие чего появляется разность давлений на головную и донную части. Эта разность создает силу, направленную в сторону, обратную движению пули, и уменьшающую скорость ее полета. Частицы воздуха, стремясь заполнить разрежение, образовавшееся за пулей, создают завихрение.
Равнодействующая (суммарная) всех сил, образующихся вследствие влияния воздуха на полет пули (гранаты), составляет силу сопротивления воздуха. Точка приложения силы сопротивления называется центром сопротивления.
Действие силы сопротивления воздуха на полет пули (гранаты) очень велико; оно вызывает уменьшение скорости и дальности полета пули (гранаты). Например, пуля обр. 1930 г. при угле бросания 15° и начальной скорости 800 м/сек в безвоздушном пространстве полетела бы на дальность 32 620 м; дальность полета этой пули при тех же условиях, но при наличии сопротивления воздуха равна лишь 3900 м.
Величина силы сопротивления воздуха зависит от скорости полета, формы и калибра пули (гранаты), а также от ее поверхности и плотности воздуха.
Сила сопротивления воздуха возрастает с увеличением скорости полета пули, ее калибра и плотности воздуха.
При сверхзвуковых скоростях полета пули, когда основной причиной сопротивления воздуха является образование уплотнения воздуха перед головной частью (баллистической волны), выгодны пули с удлиненной остроконечной головной частью. При дозвуковых скоростях полета гранаты, когда основной причиной сопротивления воздуха является образование разреженного пространства и завихрений, выгодны гранаты с удлиненной и суженной хвостовой частью.
Чем глаже поверхность пули, тем меньше сила трения и. сила сопротивления воздуха.
Разнообразие форм современных пуль (гранат) во многом определяется необходимостью уменьшить силу сопротивления воздуха.
Под действием начальных возмущений (толчков) в момент вылета пули из канала ствола между осью пули и касательной к траектории образуется угол (б) и сила сопротивления воздуха действует не вдоль оси пули, а под углом к ней, стремясь не только замедлить движение пули, но и опрокинуть ее.
Для того чтобы пуля не опрокидывалась под действием силы сопротивления воздуха, ей придают с помощью нарезов в канале ствола быстрое вращательное движение.
Например, при выстреле из автомата Калашникова скорость вращения пули в момент вылета из канала ствола равна около 3000 оборотов в секунду.
Медленное коническое движение пули
Деривация (вид траектории сверху)
Действие силы сопротивления воздуха на полет гранаты
Ось медленного конического движения несколько отстает от касательной к траектории (располагается выше последней). Следовательно, пуля с потоком воздуха сталкивается больше нижней частью и ось медленного конического движения отклоняется в сторону вращения (вправо при правой нарезке ствола). Отклонение пули от плоскости стрельбы в сторону ее вращения называется деривацией.
Таким образом, причинами деривации являются: вращательное движение пули, сопротивление воздуха и понижение под действием силы тяжести касательной к траектории. При отсутствии хотя бы одной из этих причин деривации не будет.
Устойчивость гранаты на полете обеспечивается наличием стабилизатора, который позволяет перенести центр сопротивления воздуха назад, за центр тяжести гранаты.
Вследствие этого сила сопротивления воздуха поворачивает ось гранаты к касательной к траектории, заставляя гранату двигаться головной частью вперед.
Для улучшения кучности некоторым гранатам придают за счет истечения газов медленное вращение. Вследствие вращения гранаты моменты сил, отклоняющие ось гранаты, действуют последовательно в разные стороны, поэтому стрельбы улучшается.
Для изучения траектории пули (гранаты) приняты следующие определения.
Центр дульного среза ствола называется точкой вылета. Точка вылета является началом траектории.
Вертикальная плоскость, проходящая через линию возвышения, называется плоскостью стрельбы.
Прямая линия, являющаяся продолжением оси канала ствола в момент вылета пули, называется линией бросания.
Угол, заключенный между линией возвышения и линией бросания, называется углом вылета.
Расстояние от точки вылета до точки падения называется полной горизонтальной дальностью.
Скорость пули (гранаты) в точке падения называется окончательной скоростью.
Время движения пули (гранаты) от точки вылета до точки падения называется полным временем полета.
Наивысшая точка траектории называется вершиной траектории.
Часть траектории от точки вылета до вершины называется восходящей ветвью; часть траектории от вершины до точки падения называется нисходящей ветвью траектории.
Прямая линия, проходящая от глаза стрелка через середину прорези прицела (на уровне с ее краями) и вершину мушки в точку прицеливания, называется линией прицеливания.
Угол, заключенный между линией возвышения и линией прицеливания, называется углом прицеливания.
Расстояние от точки вылета до пересечения траектории с линией прицеливания называется прицельной дальностью.
Кратчайшее расстояние от любой точки траектории до линии прицеливания называется превышением траектории над линией прицеливания.
Прямая, соединяющая точку вылета с целью, называется линией цели. Расстояние от точки вылета до цели по линии цели называется наклонной дальностью. При стрельбе прямой наводкой линия цели практически совпадает с линией прицеливания, а наклонная дальность с прицельной дальностью.
Точка пересечения траектории с поверхностью цели (земли, преграды) называется точкой встречи.
Угол, заключенный между касательной к траектории и касательной к поверхности цели (земли, преграды) в точке встречи, называется углом встречи. За угол встречи принимается меньший из смежных углов, измеряемый от 0 до 90°.
Траектория пули в воздухе имеет следующие свойства:
— нисходящая ветвь короче и круче восходящей;
— угол падения больше угла бросания;
— окончательная скорость пули меньше начальной;
— время движения пули по восходящей ветви траектории меньше, чем по нисходящей;
— траектория вращающейся пули вследствие понижения пули под действием силы тяжести и деривации представляет собой линию двоякой кривизны.
Траектория гранаты (вид сбоку)
Форма траектории
Форма траектории зависит от величины угла возвышения. С увеличением угла возвышения высота траектории и полная горизонтальная дальность полета пули (гранаты) увеличиваются, но это происходит до известного предела. За этим пределом высота траектории продолжает увеличиваться, а полная горизонтальная дальность начинает уменьшаться.
Угол наибольшей дальности, настильные, навесные и сопряженные траектории
Траектории, получаемые при углах возвышения, меньших угла наибольшей дальности, называются настильными. Траектории, получаемые при углах возвышения, больших угла наибольшей дальности, называются навесными.
Превышение траектории полета пули над точкой прицеливания
Настильность траектории характеризуется наибольшим ее превышением над линией прицеливания. При данной дальности траектория тем более настильна, чем меньше она поднимается над линией прицеливания. Кроме того, о настильности траектории можно судить по величине угла падения: траектория тем более настильна, чем меньше угол падения.