Автоматика оружия. Газоотводные системы.

Некоторые газоотводные системы были не слишком удачны, как показанные ниже немецкие винтовки G.41(M) и G.41(W). Тем не менее, к концу Второй Мировой войны газоотводная автоматика окончательно утвердилась как наиболее популярная система для длинноствольного автоматического оружия, от винтовок и автоматов до крупнокалиберных пулеметов.

Две малоудачных немецких винтовки с газоотводной автоматикой времен начала Второй Мировой – G.41 от Маузера и Вальтера. Винтовки были исходно обречены на неудачу требованиями военных не делать в стволе газоотводных отверстий. В результате конструкторы использовали кольцевые газовые поршни у дульного среза, заключенные в надульники (подобно системе Льюиса, показанной выше). Винтовки получились тяжелые и с плохим балансом. Решение? В 1943 немцы скопировали и упростили газоотводную систему винтовки Токарева СВТ-40 с обычным газовым поршнем с коротким ходом, расположенным над стволом.

Системы автоматики оружия, в которых для перезарядки оружия используется давление сгорающих в стволе пороховых газов, кратко называемые «газоотводными», известны практически с самого начала зарождения автоматического стрелкового оружия. Однако их период «взросления» оказался значительно дольше, чем у основных конкурентов – систем, использующих энергию отдачи подвижного ствола, описанных в предыдущей статье.

Схема из патента братьев Клэр на один из ранних вариантов газоотводной системы, в которой поршень под давлением газов двигался вперед, а не назад.

Схема из одного из первых патентов Джона Браунинга с качающимся газовым поршнем, получившего развитие в пулемете Model 1895 “Potato digger”, выпускавшемся компаниями Colt и Marlin

Основной принцип работы газоотводных систем аналогичен принципу работы двигателя внутреннего сгорания (ДВС) – горячие газы, полученные в результате сжигания топлива (пороха) толкают расположенный в цилиндре поршень, который в свою очередь совершает полезную работу по перезарядке оружия. Основное отличие газового двигателя оружия от ДВС состоит в том, что топливо сгорает в отдельном объеме (стволе), и в газовый цилиндр автоматики попадает лишь незначительная часть всех пороховых газов, полученных при выстреле.

Схема устройства пулеметов Гочкисс, запатентованная сотрудниками компании Бене и Мерсье в самом конце 19 века. 

Основной причиной сравнительно медленного становления на крыло таких систем стал порох и свойства его горения. Дымные пороха при сгорании давали такое количество нагара, что это сказывалось на затруднении перезарядки уже через несколько десятков выстрелов.

Первые бездымные пороха отличались достаточно большим разбросом характеристик по давлению в стволе, что затрудняло создание надежных систем, завязанных именно на давление газов. Если добавить к этому недостаточные знания как о самой динамике горения пороха в стволе, так и о металлургии (что повышало опасность термической эрозии газоотводного отверстия в стволе), то понятно, что создание газоотводных систем поначалу было сложной эмпирической задачей.

Система Банга с подвижным вперед надульником, выполняющим роль газового поршня, была одним из многих тупиковых направлений развития оружия.

В результате широкое распространение газоотводные системы стали получать лишь в межвоенный период, а к концу Второй Мировой войны они уже уверенно стали выходить на первое место по распространенности в большинстве систем длинноствольного оружия, от винтовок до крупнокалиберных пулеметов. В самом деле, абсолютное большинство армейских самозарядных винтовок и автоматов Второй Мировой имело газоотводную автоматику (американские карабин М1 и винтовка М1, советская СВТ-40, немецкие G.41, G.43 и StG.44), и лишь одна винтовка (американская Johnson M1941) имела автоматику с подвижным стволом. Среди пулеметов также наметился сдвиг к газоотводным системам – в СССР на смену Максиму пришел пулемет Горюнова с газовым двигателем автоматики, хотя во многих странах Браунинги и МГ-42 с подвижным стволом все еще держали позиции.

Еще одна система более чем столетней давности, не утратившая своей конструктивной адекватности и сейчас – самозарядная винтовка Мондрагона, выпускавшаяся в Швейцарии компанией SIG перед Первой Мировой войной.

По сути, только два класса стрелкового оружия оказались практически не охвачены газоотводной автоматикой – пистолеты и пистолеты-пулеметы, использующие сравнительно маломощные пистолетные патроны. Среди пистолетов можно вспомнить разве что монстрообразный Desert Eagle, применяемый только гражданскими для охоты и развлекательной стрельбы. Среди пистолетов-пулеметов за все время их существования можно насчитать не более полудюжины газоотводных систем, таких как российский «Вереск» СР.2М, германский МР7А1 или китайский Тип 79.

Один из нескольких десятков патентов американца Айзека Льюиса, в котором описан вариант газоотводного пистолета с кольцевым газовым поршнем вокруг ствола и надульником, служащим для отвода пороховых газов от дула к поршню. В дальнейшем Льюис отказался от такой системы и снова вернулся к традиционным уже обычным газовым поршням в цилиндре, пороховые газы к которым отводятся через отверстие в стенке ствола.

Интересно, что большая часть применяемых и сегодня базовых конструкций газоотводной автоматики были изобретены в конце 19 или самом начале 20 века. Одной из самых первых газоотводных систем (не ставших впрочем, популярной) стала конструкция французов братьев Клэр (Clair), запатентованная в 1892 году. В ней отводимые из ствола пороховые газы толкали вперед поршень, который сжимал мощную пружину. Энергия, запасенная в этой пружине, затем использовалась для перезарядки оружия, что, по крайней мере, в теории, позволяло сгладить мощный и короткий импульс пороховых газов и сделать работу автоматики более плавной. Подобная концепция позже несколько раз повторно воплощалась в жизнь в других странах (например, в английской винтовке Farquhar-Hill M1917), но всегда без особого успеха.

Пулемет Colt model 1895 на вооружении полиции города Бостон, 1919 год.

В 1895 году к газоотводной тематике обратился легендарный Джон Браунинг, запатентовав конструкцию первого серийного пулемета с газоотводной автоматикой, позже ставшего известным как Кольт М1895 («potato digger» – «картофелекопалка», за качающийся под стволом шток газового поршня). В этой системе поршень располагался не горизонтально, а перпендикулярно к стволу, на качающемся рычаге. После выстрела отводимые через поперечное отверстие пороховые газы толкали поршень вниз, заставляя его вместе с рычагом совершать качательное движение вниз – назад, приводя через систему тяг в движение затвор оружия. Эта система обеспечивала плавность отпирания затвора, но качавшийся под стволом с приличной амплитудой и скоростью рычаг поршня доставлял стрелкам немало проблем.

В 1917 году фирма Marlin попыталась переделать пулемет М1895 для использования на самолетах и в танках путем замены качающегося поршня на двигающийся параллельно стволу. В результате пулемет стал компактнее, но заметно потерял в надежности работы из-за частых поперечных разрывов гильз при экстракции.

Схема из патента Джона Гаранда на первый вариант газоотводной системы для винтовки, в дальнейшем ставшей известной как М1.

Помимо пулемета, в тот же период Браунинг запатентовал и пистолет схожей конструкции, у которого рычаг качался над стволом. В серию по понятным причинам это оружие не пошло, в отличие от других пистолетов того же конструктора. В то же время соратник Браунинга по работе на компанию Кольт инженер Карл Эбетс (Carl Ehbets) запатентовал свой вариант пистолета с газоотводной автоматикой. В его системе расположенный ниже и сбоку от ствола поршень после выстрела двигался назад под действием отведенных через отверстие в стволе пороховых газов, приводя в движение затвор. По общим принципам эта система стала прототипом для большинства более поздних, в том числе и вполне современных конструкций.

Здесь мы немного прервем наш экскурс в историю, чтобы обсудить несколько самых распространенных вариантов реализации газоотводной автоматики с точки зрения используемых конструктивных решений.

Советские морские пехотинцы с винтовками Токарева СВТ-40, Севастополь. 1942 год. Невзирая на ряд проблем, винтовка СВТ во многом стала классическим вариантом газоотводного оружия с коротким ходом поршня.

Итак, газоотводные системы можно разбить на группы по следующим критериям:

1. Положение газового цилиндра относительно ствола. В большинстве систем газовый цилиндр с поршнем расположены параллельно стволу, сверху, снизу или сбоку. Газовый цилиндр при этом соединен с каналом ствола одним или несколькими газоотводными отверстиями. Также встречаются варианты с расположением поршня вокруг ствола, при этом поршень может иметь форму кольца, надетого на ствол и заключенного в кожух, либо вид стакана с отверстием для пули в донной части, надетого на дульную часть ствола.

В первом случае для отвода газов в кольцевую полость газового цилиндра используются газоотводные отверстия, и поршень после выстрела движется назад; во втором вырывающиеся из ствола пороховые газы толкают стакан-надульник вперед. ну и наконец есть варианты, в которых газового цилиндра как такового нет вообще – пороховые газы через отверстие и длинную газовую трубку отводятся непосредственно к затворной раме, где воздействуют на короткий поршень, интегрированный с передней частью рамы, или попадают внутрь, где, расширяясь во внутренней полости, толкают затворную раму назад относительно тела затвора.

2. Длиной хода поршня. Как правило различают два варианта – системы с длинным ходом поршня и системы с коротким ходом поршня. В первом варианте поршень жестко связан с затворной рамой и вместе с ней совершает полный цикл движения, даже если фактически пороховые газы действуют на поршень на сравнительно небольшом начальном участке его движения назад; во втором варианте поршень (со штоком или без него) не связан жестко с затворной рамой. После короткого импульса в момент действия пороховых газов поршень останавливается, а затворная рама далее совершает полный цикл перезарядки отдельно.

Схема из патента на «прямой газоотвод» шведской винтовки Ljungman m\42. По сути, винтовка имеет вырожденный (очень короткий) газовый поршень, расположенный непосредственно на переднем торце затворной рамы.

Одним из не самых очевидных, но весьма полезных свойств газоотводных систем, использующих отвод газов через отверстие в стволе является возможность введения регулировки количества отводимого газа в зависимости от условий работы. Изначально такие регуляторы имели ручное переключение (чаще всего за счет изменения сечения перепускного отверстия). Позже появились и автоматические регуляторы с пружинными клапанами сброса избыточного давления.

Автоматические регуляторы часто используются в охотничьих ружьях, чтобы они могли надежно работать с патронами с разными навесками заряда и снаряда — от легких спортинговых до тяжелых «магнумов». Ручные регуляторы в основном применяются на армейском оружии, чтобы при необходимости обеспечить увеличение мощности газового двигателя при работе оружия в затрудненных условиях. В ряде систем пулеметов газовый регулятор также позволяет регулировать темп стрельбы, по необходимости повышая или понижая его в определенных пределах.

Ранний патент американца Юджина Стонера на его вариант системы с прямым отводом газов внутрь затворной рамы. Дальнейшее развитие этой системы породило ткаие известные образцы оружия как AR-10 и AR-15 / M16, а также множество их копий и клонов.

Нужно отметить, что из всего широкого спектра газоотводных систем, разработанных за век с четвертью, лишь сравнительно небольшое количество вариантов их исполнения прижилось и «пошло в массы». Расположение газового поршня часто определяется расположением системы подачи патронов — на большинстве современных образцов с нижним питанием патронами (из примыкаемого снизу магазина) газовый поршень обычно находится над стволом, у систем с верхним питанием (лентой или также из магазина) поршень располагается под стволом. Это позволяет избежать необходимости как-то обходить тракт подачи патронов при организации механической связи поршня с затворной рамой.

В числе достоинств систем с коротким ходом поршня (таких как винтовка Токарева СВТ-40, карабин Симонова СКС, винтовка FN FAL) входит и возможность легко заряжать магазин оружия «сверху», так как при открытом затворе шток находящегося в переднем положении поршня не мешает доступу в ствольную коробку и магазин.

Винтовка 7.62mm NATO AR-10 на испытаниях в голландской армии.

Еще одно достоинство систем с коротким ходом поршня — масса поршня отделена от массы затворной рамы, что в теории несколько повышает потенциал по точности оружия за счет уменьшения массы подвижных частей, движущихся внутри оружия. Варианты систем с длинным ходом газового поршня (в первую очередь вариации на тему автомата Калашникова) используют массу поршня и его штока для повышения общей надежности оружия за счет большего запаса кинетической энергии в массивных подвижных частях.

Американские солдаты демонстрируют свои новые винтовки M1 Garand, 1938 год.

Системы с кольцевым поршнем, расположенным вокруг ствола, используются весьма редко из-за проблем с сильным нагревом ствола и его термическим расширением. В настоящее время кольцевые поршни применяются главным образом в охотничьих гладкоствольных ружьях, где они располагаются не вокруг ствола, а вокруг «холодной» трубки магазина в ее передней части, под стволом.

Системы с отбором пороховых газов в дульной части (без отверстия в стенке ствола) практически полностью утратили свою и так небольшую популярность из-за того, что они увеличивают массу оружия и ухудшают его баланс за счет длинных тяг или штоков и размещения массивного надульника в передней части ствола.

Автомат Калашникова и его многочисленные варианты являются, вероятно, самым распространенным в мире семейством оружия с газоотводной автоматикой. Характерное решение газового двигателя с расположенным над стволом поршнем с длинным рабочим ходом (эволюционизировавшее из более ранних систем Гочкиса, Льюиса, Гаранда), в сочетании с другими конструктивными решениями, обеспечило этому оружию высочайшую надежность в любых условиях.

Наконец нужно отметить системы с прямым отводом газов к телу затворной рамы. Впервые такие системы были разработаны во Франции в 1920х годах, и реализованы в серии в шведской самозарядной винтовке Люнгмана образца 1942 года и в семействе французских винтовок MAS M1944, M1949 и М1949/56. Эти системы отличались сравнительной простотой, и их главным недостатком было то, что отработанные пороховые газы выбрасывались из ствольной коробки назад, прямо в лицо стрелку.

После Второй Мировой войны американец Юджин Стонер (Eugene Stoner) развил эту идею. В его системе, нашедшей реализацию в семействе винтовок AR-10, AR-15 и М16, пороховые газы через длинную трубку и специальный «гусь» на теле затворной рамы попадают в цилиндрическую кольцевую полость, образованную внутри затворной рамы вокруг хвостовика поворотного затвора. В этой системе газовым поршнем служит сама затворная рама, которую пороховые газы толкают назад относительно неподвижного поначалу затвора. Такое решение обеспечивает симметричное приложение сил к затворной раме и поджим затвора вперед в период наибольшего давления газов в стволе, но, при этом, делает эту систему более чувствительной к качеству порохов и общему загрязнению при работе.

Системы с длинным ходом газового поршня являются, вероятно, самыми распространенными в мире. Их генезис прослеживается от первых пулеметов Гочкиса (1898) и Льюиса (1912) и французских винтовок RSC M1917 к пулеметам ДП-27, ZB-26 и Bren, винтовкам М1 Гаранд и далее автомату и пулеметам Калашникова, пулеметам FN MAG, FN Minimi и еще многим другим очень удачным и успешным системам.

Пулемет Hotchkiss model 1900 на вооружении шведской армии, начало 20 века.

Системы с коротким ходом поршня приобрели популярность незадолго до Второй Мировой войны (винтовки Токарева СВТ-38 и СВТ-40, заимствующая у СВТ германская винтовка G.43, американский карабин М1), и пик их популярности пришелся на первые послевоенные декады (карабин Симогова СКС, винтовки СВД, FN FAL и М14). Некоторый ренессанс систем с коротким ходом поршня наблюдается с конца 1990х годов, когда в серию пошли германский автомат HK G36, а также целый ряд более или менее удачных попыток переделать систему AR-15 / M16 с прямого газоотвода на вариант с использованием традиционного поршня, расположенного над стволом.

В целом можно констатировать, что в настоящее время системы с газоотводной автоматикой практически полностью вытеснили системы с подвижным стволом всюду, кроме пистолетов и пистолетов-пулеметов, где реализация газоотвода сильно затруднена или неоправданна по сложности. В длинноствольном оружии некоторую конкуренцию газоотводным системам сейчас составляют лишь варианты систем с инерционной автоматикой, да и то только в гладкоствольных охотничьих ружьях. Об инерционных системах вы узнаете в одной из следующих статей цикла.

————————————————-
Автоматика оружия. Свободный затвор.
Автоматика оружия. Полусвободный затвор.
Автоматика оружия. Системы, использующие энергию отдачи ствола.

/Максим Попенкер, all4shooters.com/