Středoškolská technika 2016

Setkání a prezentace prací středoškolských studentů na ČVUT

Konstrukce děla a srovnání účinností různých

střelných prachů na základě měření úsťové

rychlosti

Oliver Klimt, Václav Mikulec

Gymnázium Jana Nerudy

Hellichova 3, Praha 1, Malá Strana

1

1 Abstrakt Projekt se zabývá konstrukcí testovacího kanonu a následným testováním účinností různých střelných

prachů. Jako kritérium účinnosti byla zvolena úsťová rychlost, která byla stanovena za pomoci

vysokorychlostní kamery. Během konstrukce byly řešeny problémy zejména se stabilizací kanonu a

tlumením silného zpětného nárazu. Ze šesti testovaných prachů byl jako neúčinnější stanoven

nitrocelulosový střelný prach.

Klíčová slova: Kanón, střelivo, projektily, příprava střelby

2 Abstract Our project deals with construction of experimental cannon and also with comparison of efficiency of

gunpowders of different compositions. The initial speed of bullet was measured using high-speed

camera and afterwards used as criterion. Problems with cannon stabilization and absorption of shot

energy had to be solved. Gunpowder based on nitrocellulose was determined as the most powerful.

Keywords: Cannon, ammunition, projectiles, preparation for firing

2

3 Prohlášení Čestně prohlašujeme, že studentský projekt byl námi vypracován samostatně a to pouze s použitím

uvedených pramenů a literatury.

3

4 Obsah 1 Abstrakt ........................................................................................................................................... 1

2 Abstract ........................................................................................................................................... 1

3 Prohlášení ........................................................................................................................................ 2

5 Historie kanónu ............................................................................................................................... 5

5.1 První konstrukce ...................................................................................................................... 5

5.2 Dějiny střelného prachu ........................................................................................................... 5

6 Výbušniny v balistice ...................................................................................................................... 6

6.1 Střeliviny v nábojích ............................................................................................................... 6

6.2 Nitrocelulosový prach ............................................................................................................. 6

6.3 Nitroglycerinový prach ............................................................................................................ 6

6.4 Kordit....................................................................................................................................... 7

6.5 Diglykolový prach ................................................................................................................... 7

6.6 Vlastnosti nitrocelulosy vs vlastnosti černého střelného prachu ............................................. 7

6.7 Projektily ................................................................................................................................. 7

6.7.1 Typy projektilů: ............................................................................................................... 7

6.8 Tanková munice ...................................................................................................................... 8

7 Výroba kanónu ................................................................................................................................ 9

7.1 Úvod do praktické části: .......................................................................................................... 9

7.2 Konstrukce kanónu: ................................................................................................................. 9

7.2.1 Konstrukce stativu: ........................................................................................................ 10

7.2.2 Konstrukce hlavně: ........................................................................................................ 11

7.2.3 Munice: .......................................................................................................................... 13

7.2.4 Konstrukce odpalovacího zařízení: ............................................................................... 13

7.2.5 Možnosti zlepšení: ......................................................................................................... 13

8 Mísení primárních složí ................................................................................................................. 14

8.1 Cíl laboratorní práce: ............................................................................................................. 14

8.2 Pracovní postup: .................................................................................................................... 14

9 Praktická část – Test střelby .......................................................................................................... 15

9.1 ...................................................................................................................................................... 15

9.1 Úvod do testování: ................................................................................................................ 15

9.2 Test střelby – úsťová rychlost: .............................................................................................. 15

9.3 Test střelby – průbojnost munice: ......................................................................................... 16

9.4 Test střelby – balistika: .......................................................................................................... 17

4

10 Závěr .......................................................................................................................................... 18

11 Seznam obrázků ........................................................................................................................ 19

12 Seznam tabulek ......................................................................................................................... 19

5

5 Historie kanónu

5.1 První konstrukce Kanón je následovník takzvaného „ohnivého kopí“, které bylo vynalezeno o necelá dvě století dříve.

Ohnivé kopí bylo konstrukčně jednodušší a posloužilo jako základ pro moderní kanóny. Ohnivé kopí

se skládalo z opracovaného dutého bambusu, který byl naplněn černým střelným prachem, který měl

dostatečnou energii na uvedení malého projektilu do tak vysoké rychlosti, že jím voják dokázal

zneškodnit protivníka na malou až střední vzdálenost. Tyto zbraně ale nebyly dostatečně přesné, takže

jimi bylo možné zneškodnit nepřítele na vzdálenost nepřesahující 20 m. Dalším problémem byla

pevnost použitého bambusu. Bambusová trubice nedokázala odolat explozím, a proto bylo z hlediska

bojové efektivity lepší užití luků.

Raná konstrukce kanónů měla hlaveň, obdobně jako ohnivé kopí z bambusu, které se rychle

opotřebovávalo, to se ale změnilo, když Číňané zdokonalili odlévání kovů. Užití kovu udělalo

z kanónu mnohem přesnější zbraň, která určila směr pro následující tisíciletí.1

Nejstarší dochovaný kanón se datuje k roku 1288 a jeho ráže činila 25 mm. Druhý nejstarší exemplář

pochází z roku 1332 a jeho proporce jsou již významně větší. Jeho ráže činí celých 105 mm. Oba

kanóny jsou vázovitého tvaru, který byl dán nedokonalým odlitím. Tato nedokonalost činila střelbu

méně účinnou, plyn po výbuchu nehnal střelu vpřed veškerou svou hmotou, část se stlačila ve

„vázovité skulině“.2

Koncept palné zbraně se dostal i za hranice Číny, a to až do středověké Evropy, kde byl neustále

zdokonalován. V roce 1453 se objevuje kanón schopný pálit kamenné projektily až do vzdálenosti

1600 m a byl slyšet do 16 km od místa výstřelu. Konstrukce je připisována maďarskému

konstruktérovi kanónů Urbanovi.

V 15. století se stává běžnou součástí kanónů i jejich podvozek. Tato úprava vyplynula z častého

nasazování těžkého dělostřelectva do bojů a ze změn v taktikách boje. V této době se také začala

zmenšovat těla a hlavně z důvodu zvýšení mobility. Ve středověku platilo pravidlo: čím delší hlaveň,

tím delší i dostřel. Dnes se již ví, že je to mylná domněnka, ale až do 15. století byla považována za

pravdivou. Následkem se výroba kanónů rozdělila na mobilní, které mohl táhnout kůň, a stacionární, k

jehož pohybu byla zapotřebí obsluha více mužů či koní.

V Německu se zavedla i třetí kategorie, minomet, což byla zkrácená verze kanónu s větší ráží. Tato

verze byla schopna demolovat i zdi domů, ba dokonce hradeb. V Nizozemí používali jako projektily

koule plněné střelným prachem. Ty byly zapalovány jednozážehovou metodou, kdy byla roznětka

projektilu natočena k střelnému prachu. Tato metoda se často vymkla kontrole. Síla exploze poničila

strukturu projektilu i s roznětkou, která pak předčasným výbuchem poničila hlaveň kanónu. V roce

1650 se přešlo na metodu dvojího zážehu, kdy teplo způsobené uvolněním plynů a rychlým nárůstem

tlaku zažehlo roznětku, která pak detonovala bombu až v liniích nepřítele. Přidáním úhloměru se

zvýšila přesnost palby. Náklonem kanónu se určoval dostřel. Také vznikl „kvadrant dělostřelce“,

podle něhož nastavovali úhel palby. Přes veškerá vylepšení neumožňovaly kanóny přesnou střelbu,

dělostřelci se stále museli spoléhat na svojí zkušenost a svůj odhad.

Po celou dobu historie kanónů se vyvíjely ruční palné zbraně, které postupně vytlačovaly těžko

přizpůsobivé kanóny. Ve 20. století se kanóny již nevyužívaly k primární palbě, ale pouze jako

palebná podpora. Nyní děla najdeme na lodích, na tancích nebo na bezpilotních prostředcích.3

5.2 Dějiny střelného prachu Střelný prach byl až do 13. století rozšířen pouze v Číně a používaný zejména k ohňostrojům. Od

poloviny 14. století byl už běžně používán v anglických a francouzských ozbrojených silách v obdobě

černého střelného, který sloužil k odpalování munice na nepřátelské hrady případně armády. A to

zejména během konfliktu známém jako stoletá válka.

Střelný prach nebyl použit ve válkách pouze v Evropě. Turkové také použili kanóny např. během

6

obléhání Konstantinopole (dnešní Istanbul) roku 1453. Směs užitá v dělech byla v poměru 75 %

KNO3, 12,5 % síry, 12,5 % dřevěného uhlí.

V 15. století už se začal střelný prach dávat do nových, ručních, střelných zbraní, ve kterých směs

obsahovala 75% KNO3, 10% síry a 15% dřevěného uhlí. V tomto složení byl použit Husity např. v

"Píšťalách". Dělová verze střelného prachu byla také používána v původní české houfnici.

Černý střelný prach je dnes nejčastěji využit v demoličním průmyslu. Jeho výbuchová teplota je

2400°C. Jeho detonační rychlost dosahuje maximálně 340 m/s. Energie výbuchu obsahuje 720 kcal/g.

Na jeden kilogram výbušniny se vypustí 280 l plynů, jejichž tlak je 6900 atmosfér. Sypná hustota

černého prachu jsou 2 gramy na centimetr krychlový.

Nejčastěji uváděné reakce výbuchu jsou následující:

10 KNO3 + 3 S + 8 C → 2 K2CO3 + 3 K2SO4 + 6 CO2 + 5 N2

nebo

2 KNO3 + S + 3 C → K2S + N2 + 3 CO2

a další možná reakce je

4 KNO3 + C7H4O + 2 S → 2 K2S + 3 CO2 + 4 CO + 2 H2O + 2 N2

Podmínka pro tyto reakce je vysoká teplota.4

6 Výbušniny v balistice

6.1 Střeliviny v nábojích V 19. století se místo umisťování střelného prachu přímo do hlavně, začal dávat přímo do samotných

nábojů, první kovové náboje ho obsahovaly, ale kvůli jeho negativním vlastnostem například lehkému

navlhnutí, relativně nízkému výkonu a podílu zbytkových pevných látek po výstřelu ho rychle

nahradily bezdýmné prachy.

V dnešní době se střelný prach v nábojích využívá pouze v historických replikách, případně v

signálních nábojích. Nalézt ho můžeme také v zápalných šňůrách a časovacích složích.

Moderní náboje obsahují bezdýmné prachy, které se podle způsobu výroby rozdělují na

nitrocelulosové, nitroglycerinové a diglykolové.

6.2 Nitrocelulosový prach Nitrocelulosa vzniká působením kyseliny dusičné na bavlnu za působení kyseliny sírové Chemická reakce výroby nitrocelulosy:

2 HNO3 + C6H10O5 → C6H8(NO2)2O5 + 2 H2O

Tento materiál má drsný povrch je nepórovitý a jeho zrno je neprůsvitné žluté až zelené. Není pružný

a je křehký. Je navlhavý a citlivý na změnu vlhkosti. Čím je jemnější, tím je rychlost hoření větší.

Rychlost hoření může být ovlivněna volbou nitrocelulosy (obsah dusíku), nebo také jeho rozpustností.

Jeho balistické schopnosti jsou dobré z důvodu dobrého přizpůsobení tvaru. Může se smršťovat a jeho

výroba je zdlouhavá a drahá, na druhou stranu neopotřebovává hlaveň. Používá se v municích pro

zbraně s krátkou hlavní (ruční zbraně) například "Glock-19".

6.3 Nitroglycerinový prach Má hladký povrch, je pružný, jeho barva je lehce průsvitná světlá až tmavohnědá. Je lesklý. Navlhá

méně než nitrocelulosový prach. Výhoda tohoto prachu je jednoduchá a rychlá. Dále vyniká svojí

7

obrovskou balistickou a chemickou stálostí. Nevýhoda je, že je vyráběn z nitroglycerinu a značně

opotřebovává hlavně. Používán je v moderních kanónech a jiných speciálních zbraních.

6.4 Kordit Kordit je také bezdýmnou výbušninou. V dnešní době je nejčastěji používán jako pohon do nábojů

střelných zbraní a raket, případně v lomech. Byl vynalezen A. Nobelem a je to kombinace

nitrocelulosy (65%), nitroglycerinu (30%) a vazelíny (5%). Sovětský kordit používaný jako raketové

palivo, obsahoval také dinitrotoluen a centralit. Tato směs dosahovala výtokové rychlosti až 2000m/s.

6.5 Diglykolový prach Je méně pružný než ostatní prachy, vyrábí se v hrubých zrnech. Nejsou u něj potřeba vysoce účinné

tlumiče ohně. Hlavně sice opotřebovává, ale mnohem méně než nitroglycerinový prach. Využíván je

buď v raketové technice nebo u zbraní s vysokou kadencí například takzvaný "M134 Minigun".

6.6 Vlastnosti nitrocelulosy vs vlastnosti černého střelného prachu Nitrocelulosa má vysokou výbušnost, nízký bod vzplanutí a může vykazovat známky samozápalnosti

(kvůli zbytkům kyselin). Teplota výbuchu se pohybuje mezi 2 200 - 2 700 °C a lze ji rozpustit v

některých organických rozpouštědlech (aceton, ether, apod.…) a není rozpustná ve vodě. Její

detonační rychlost při maximální hustotě (1,2 g/cm3) je 7300 m/s. Její energie při výbuchu je 800-1040

kcal/kg a objem jejích výbušných plynů je 860-970 l/kg. Vlivem tepla se pomalu rozkládá a je citlivá

na tření a otřesy. Vzplane buď vlivem jiskry, sálavého tepla nebo plamenem. Je hlavní součástí

bezdýmného střelného prachu, používá se také v lepidlech, nátěrových hmotách a používala se také

jako fotografický film.

Když si vlastnosti nitrocelulosy porovnáme s výše uvedenými vlastnostmi černého střelného prachu,

nitrocelulosa nám vždy vyjde jako vhodnější volba, jelikož má nižší hustotu a díky tomu nižší

hmotnost. Detonační rychlost je asi dvacetkrát vyšší u nitrocelulosy, i energie uvolněná při výbuchu je

až o polovinu vyšší než u střelného prachu. Objem uvolněných plynů na litr, je skoro čtyřikrát vyšší u

nitrocelulosy. Už jen z těchto čísel můžeme vidět výhodu nitrocelulosy a k tomu se ještě přidává fakt,

že nitrocelulosa méně navlhá než černý střelný prach a dá se také tvarovat, aby se účinnost zvýšila a

výbuch měl správný směr (využito v nábojích do pistolí), což černý střelný prach nedokáže.5

6.7 Projektily Výbušniny jsou sice v balistice velmi důležité, ale bez projektilů by z nich byly pouze usměrněné

výbuchy, a proto si také uvedeme nejdůležitější typy projektilů dnes používaných a jaké mají účinky.

6.7.1 Typy projektilů:

AP - Průbojné palivo, používá se k prostřelení nepřátelských pancířů. Je možno používat ve všech

typech zbraní, jak ručních, tak pušek a kanónů. Skládá se z jádra (tvrzená ocel, wolfram, ochuzený

uran) a měkčího pláště (slitiny mědi, nebo hliníku).

FMJ - Celokovový plášť (full metal jacket), nejpoužívanější typ i v ČR.

GameKing – Polo-plášťová střela se zúženou zádí, používá se na lov. Efektivní na střelbu do dálky

díky jejímu aerodynamickému tvaru, který snižuje odpor vzduchu a tím pádem i úbytek pohybové

energie střely.

GD - Gold Dot má dokonalé spojení pláště s jádrem. Díky její konstrukci expanzivní dutiny zamezuje

ztrátám materiálu střely při dopadu.

GS - Golden Saber je střela konstruovaná tak aby svým průměrem dobře prošla drážkami hlavně.

Díky tomu dosahuje vyšší přesnosti.

HP - Hollow point aneb střela s dutinkou, také známá jako DUM-DUM. Tato střela je konstruována s

dutinou ve své přední části, takže se po dopadu expanduje. Toto sice snižuje její penetraci, ale při

nárazu do tkání působí extrémní škodu. Nicméně při nárazu do tvrdého objektu jako je například kost,

8

je možné, že kulka vůbec neexpanduje. Míra deformace kulky záleží na rychlosti střely, když narazí

do tkáně.

J - Všeobecně plášťovaná kulka (jacketed).

L - Lead je jakákoli olovněná střela.

SP - Lovecká střela, která se po nárazu zdeformuje (poloplášťová s měkkou špičkou).

XTP - Střely s řízenou deformací.

Existují další typy projektilů, například značkovací, které obsahují hořlavinu pro zanechání světelné

stopy nebo dokonce projektily otrávené (např. za druhé světové války Rusové a Němci používali střely

plněné kyanidem).6

6.8 Tanková munice Pro tanky se vyrábí několik druhů munice, které se rozdělují do dvou kategorií:

- Munice, která působí na cíl energií výbuchu trhaviny, jež je uložena ve střele.

HE -High explosive jsou klasické tříštivo-trhavé střely. Používají se jen proti nepancéřovaným, nebo

jen lehce pancéřovaným cílům. Jsou stabilizovány rotací, tudíž vyžadují kanóny s drážkovaným

vývrtem. Trhavina je iniciována nárazovým zapalovačem a na cíl působí tlakovou vlnou a střepinami.

HESH/HEP - High explosive squash / High explosive plastic, jejich tělo je vyrobenu z měkkého kovu,

které je vyplněno plastickou trhavinou. Při nárazu na pancíř se střela "rozplácne" a utvoří jakýsi koláč

a následně se spustí zapalovač umístěný v zadní části střely. Rázová vlna takovéhoto výbuchu

prostupuje pancířem a vytrhává jeho kusy na vnitřní straně. Střepiny vlnou vytvořené zabijí posádku

uvnitř tanku a poškodí technologie. Tank zvenku vypadá nepoškozeně. Typ munice je také

stabilizován rotací. Účinnou obranou proti této střele je obložení vnitřku tanku panely z balistických

vláken.

HEAT - High explosive anti-tank, koncentruje energii svého výbuchu do úzkého paprsku plazmatu,

kterým se propálí skrz pancíř. Trhavina je vytvarována podle kovové vložky (například měď) do

kuželovitého tvaru otevřeného směrem k cíli. Zepředu ji kryje balistický kryt a vzadu stabilizátor.

Odpálení zajišťuje kontaktní zapalovač umístěný na tyči na čele granátu. Jejich nevýhodou je, že po

probití pancíře působí jen v nepatrné vzdálenosti od osy samotného paprsku. Pokud tedy přímo

nezasáhne důležitou konstrukci tanku, posádku či munici, je tank i po poškození nadále bojeschopný.

-Munice, která působí na cíl kinetickou energií střely

AP -Armor piercing, je rázová střela z velmi tvrdého kovu, princip spočívá v soustředění velké

energie na střelu o malém průměru. Používá se pouze v malorážových kanónech.

APCR/HVAP -Armor piercing composite rigid, nebo také HVAP (High velocity armour piercing). Je

dutá rážová střela z měkkého kovu, ve kterém je usazeno jádro z velmi tvrdého kovu. Při nárazu na

pancíř se samotná střela zastaví, ale jádro pokračuje a probíjí pancíř. Je to v podstatě upravená verze

AP určená k vystřelování z velkorážových kanónů. Tato střela má díky velkému poloměru obrovský

odpor vzduchu a ztrácí spoustu pohybové energie. Tento typ střely se již v současnosti nepoužívá.

APDS - Armour piercing discarding sabot, střela z velmi tvrdého kovu (například wolfram), má

značně menší průměr, než je ráže kanónu. Při výstřelu ji v hlavni vede pouzdro z lehké slitiny, které

střelu roztočí a tím ji stabilizuje pro let. Po opuštění hlavně se díky odporu vzduchu pouzdro odpojí od

střely a před kanónem tak vzniká nebezpečí pro pěchotu.

APFSDS - Armour piercing fin stabilized discarding sabot, je další vývojový stupeň APDS, která je

uzpůsobena pro moderní tanky s bezdrážkovou hlavní, místo rotační stabilizace je použita šípová. Lze

ji vystřelit i z drážkovaných děl ale je potřeba složitější pouzdro. Došlo k zúžení a prodloužení střely,

9

a díky tomu má náboj větší průbojnost. Nemusí se vyrábět pouze z wolframu, ale lze to i z ochuzeného

uranu. Tato střela je velmi efektivní vůči homogennímu pancéřovanému plášti.7

7 Výroba kanónu

7.1 Úvod do praktické části: Na samém počátku naší práce byl nápad na stavbu plně funkčního kanónu, to nás později dovedlo

k myšlence, jaké testy s takto vytvořeným kanónem můžeme provést. Zvolili jsme porovnání

prachových směsí vlastní výroby s průmyslově vyráběnými. Jako metody testování jsme zvolili

měření úsťové rychlosti a test průbojnosti. Veškeré testování jsme prováděli za přítomnosti

vysokorychlostní kamery, abychom dosáhli co nejprofesionálnějších podmínek a co nejpřesnějších

výsledků.

První fází bylo vytvoření funčního konceptu kanónu, jehož stavbu bychom chtěli zrealizovat. Prvním

nápadem byl kanón prakticky nejjednodušší konstrukce, která postrádá jakýkoliv závěrový

mechanismus. Takováto verze by byla nabíjena ústím, což přináší mnohá úskalí jako je dlouhá doba

přebíjení, zanášení hlavně a s tím spojené složitější čištění. Druhým a také, jak se později ukázalo, i

finálním konceptem kanónu se stal komplexnější kompromis mezi kanónem a houfnicí, který se od

prvního konceptu lišil přítomostí závěrového mechanismu, který nám dovoluje, aby tato verze byla

nabíjena nábojnicemi. Tímto jsme eliminovali všechna úskalí ústím nabíjeného kanónu. Ve chvíli, kdy

byl hotov koncept hlavně, tak jsme museli vytvořit stativ, který bude pevný ale zároveň lehký

a mobilní. Zvolili jsme stativ do tvaru písmena X, který byl konstruován tak, aby plnil všechna

předešlá kritéria.V poslední řadě jsme vytvořili odpalovací mechanismus založený na elektrickém

palníku.

V následující kapitole naší práce je probrána detailní problematika konstrukce kanónu, munice

a odpalovacího mechanismu. Mimo to je v této kapitole rozebrána detailní problematika testování

a získané výsledky.

7.2 Konstrukce kanónu: Jako výchozí bod pro konstrukci jsme měli nábojnice do brokovnice ráže 12, od kterých se odvíjel

zbytek kanónu. Vzhledem k faktu, že jsme se rozhodli použít brokovnicové nábojnice ráže 12/70, tak

jsme museli zvolit ráži 20 mm, která přesně odpovídá zmíněné munici. Následně byl vytvořen 3D

model za pomocí programu Autodesk Inventor® 2015 (viz. obr. 1), podle kterého se řídila samotná

konstrukce.

10

Obrázek 1 Cílová konstrukce

7.2.1 Konstrukce stativu:

Základním materiálem jsme zvolili bukové dřevo, které se jevilo jako vhodnější než náš první koncept

stativu, který by byl zhotoven z oceli. Bukové dřevo nám poskytuje průžnou konstrukci, která je navíc

lehčí než ocel a také jednodušší na výrobu vzhledem k tomu, že není nutno použít stvářecí techniku.

Základna kanónu byla zkonstruována do tvaru písmene X z důvodu stejné stability, které bychom

dosáhli i čtevrcovou konstrukcí. Konstrukce do tvaru písmene X má výhodu oproti čtvercové

konstrukci v úspoře materiálu a tedy i výsledné hmotnosti. Základna se skládá ze 3 hranolů, které

dohromady tvoří již zmíněnou konstrukci do tvaru písmene X. Nejdelší hranol je dlouhý 63 cm vysoký

2,5 cm a široký 3 cm. Na tento hranol jsou přidělány dva identické hranoly o délce 30 cm. Jako pojivý

materiál jsme zvolili ocelové spojovací plošky s předvrtanými dírami, které nám zajištují vyšší

pevnost než samotné vruty. Posledním krokem při tvorbě základny bylo vyvrtání celkem 4 svislých

otvorů o průměru 1cm na vnějších rozích základny, které budou sloužit k ukotvení kanonu do země

pomocí ocelových hřebů. Takto vyvrtané otvory jsme vystužili duralovou trubkou, aby nedošlo

k popraskání dřeva důsledkem pohybu kanónu při zpětném rázu.

Na základnu navazuje nástavba (viz. obr. 2) , která má za úkol upevnění děla při sklonu 15°. Je

zhotovená ze stejných hranolů bukového dřeva jako základna. Skládá se ze tří částí pospojovanými

vruty a epoxidovým lepidlem. Na koncové části jsme vyvrtali díru pod úhlem 15°, do které bude

umístěna jedna ze dvou objímek na hlaveň. Na nástavbu jsme připevnili upravený prefabrikát sloužící

na upevnění patek trámů z lisované oceli, který má za úkol upevňovat druhou objímku hlavně (viz.

obr. 3).

11

Obrázek 2 Nástavba pro upevnění

Obrázek 3 Fixace druhé objímky

7.2.2 Konstrukce hlavně:

Jak bylo zmíněno, tak jsme se museli řídit podle brokovnicové ráže 12/70, tedy jsme museli zvolit

bezvývrtovou hlaveň ráže 20 mm (viz. obr. 4). Nejlepší možnou variantou na trhu byla vysokotlaká

závitová ocelová trubka o délce 50 mm a s tloušťkou pláště 2 mm. Tato trubka následně podstoupila

kalení v oleji, abychom dosáhli vyšší pevnosti. Výměna patron probíhá pomocí mosazné záslepky se

závitem na jednom konci hlavně (viz. obr. 5, 6). Na ústí hlavně jsme našroubovali mosazný válcový

kompenzátor, který zmírňuje zpětný ráz při výstřelu a navíc usměrňuje plyny za projektilem. Hlaveň je

upevněna dvěma objímkami ke zbylé konstrukci. Tyto objímky díky jejich gumové vložce

nalubrikované silikonovým olejem dovolují hlavni bržděný pohyb směrem dozadu při výstřelu, tedy

zákluz, který snižuje riziko fatálního opotřebení všech dílů důsledkem zpětného rázu.

12

Obrázek 4 Bezvývrtová hlaveň

Obrázek 5 Koncový závit pohled A

Obrázek 6 Koncový závit pohled B

13

7.2.3 Munice:

Naše munice se skládá z prázdných brokových nábojnic ráže 12/70, které jsme upravili pro naše

potřeby, tak aby se do ní místo rozbušky vešel elektrický palník. Konečný hotový náboj obsahuje 10 g

výbušné primární slože a cca 0,5 g iniciační slože. Iniciační slož je v našem případě součástí

elektrického palníku, který se skládá z odporového drátu obaleného směsí dusičnanu draselného a

cukru. Výbojem z odpalovacího zařízení se drát zahřeje a zapálí iniciační slož, která vyvolá detonaci

primární slože. Testovaly se 3 typy projektilů z toho 2 jsou průbojné a 1 brokový. Průbojné projektily

se liší pouze hmotností (20 g a 30 g) jinak jsou konstruovány prakticky stejně. Jedná se o válec

z bukového dřeva, na který je připevněna vybroušená hlavice z kalené oceli. Následně pak byly tyto

projektily lakovány, abychom dosáhli co nejmenšího odporu vzduchu (viz. obr. 7). Brokový náboj je

tvořen 27g olověné drti.

Obrázek 4 Vyhotovené projektily

7.2.4 Konstrukce odpalovacího zařízení:

Odpalovací mechanizmus je konstruován tak, aby dovoloval spolehlivě kontrolovat střelbu z kanónu

z bezpečné vzdálenosti. Zvolili jsme odpalování pomocí již zmíněných odporových elektrických

palníků. Samotný ruční odpalovač je situován do plastové konstrukční krabičky a obsahuje pojistný

obvod, který je nutno odjistit a jako následek odjištění uzavřeme obvod mezi baterii a odpalovačem,

navíc začne blikat varovná červená LED signalizující odjištění. Ruční odpalovač pouze uzavírá obvod

mezi 11,1V/80C Li-pol baterií, která dokáže vyprodukovat vysoké množství proudu potřebné

k okamžitému zapálení iniciační slože.

7.2.5 Možnosti zlepšení:

Přestože náš kanón je plně funkční a naprosto splnil naše požadavky, tak si uvědomujeme po celou

dobu jeho stavby, co bychom mohli vylepšit a postavit tak verzi 2.0, která by byla plnohodnotnou

palnou zbraní.

Nejprve bychom potřebovali vyřešit problém s odolností materiálu rámu, protože jak jsme se už

zmínili, tak bukové dřevo je sice poměrně pevné a lehké, ale ne natolik jako například letecký hliník,

který bukové dřevo předčí v obou kritériích. Jak je vám známo, tak u našeho děla dosud zajišťovala

zákluz hlavně dvojice povolených a nalubrikovaných gumiček. Pro naše účely to bohatě stačí, ale

dochází zde k silnému opotřebení jak gumiček, tak i objímek, které je svírají, proto bychom ve verzi

2.0 chtěli tento primitivní zákluzový systém nahradit systémem kolejnicovým, který by byl bržděn

dvojicí progresivních vinutých tlačných pružin. Nyní se přesouváme k samotné hlavni. Hlaveň by si

doopravdy zasloužila největší upgrade vzhledem k tomu, že se původně ani nejednalo o trubku pro

14

extrémní tlaky a tím pádem jsme jí museli ještě vykalit, abychom dosáhli větší tvrdosti. Tedy ve verzi

kanónu 2.0 by byla dosavadní „improvizovaná“ hlaveň nahrazena zbrojařskou ocelovou hlavní

s vývrtem. Jako bonus by vývrt hlavně dodal projektilu rotaci, která zvyšuje jeho stabilitu a tedy i

přesnost. Dalším markantním zlepšením, které by bylo nutno pro verzi 2.0 provést je nahrazení

dosavadního šroubovacího závěru za uzamčený posuvný závěr podobný systému Browning. Mimo to

nynější úsťová brzda má minimální efekt a proto verze 2.0 by byla obohacena o úsťovou brzdu ve

tvaru hrotu šípu, která je určena pro těžké artilerie a protimateriálové odstřelovací pušky jako Barrett

M82.

Naše munice je sice účinná, ale ne natolik, aby mohla být zařazena například do vojenské služby.

Potýkáme se s nepřesností u projektilů, která je způsobena nedokonalými podmínkami výroby jako

například absencí soustruhu. Pro munici verze 2.0 bychom zvolili celoplášťové projektily o hmotnosti

minimálně 20 g pro standardní střelbu a kulky s wolframovou špičkou jako protimateriálovou munici.

Co se týče primární slože, tak bychom chtěli navýšit množství ze stávajících 10g na 15g pomocí

vysokého tlaku. Nábojnice bychom obohatili zápalkou se středovým zápalem, která by nám dodala

větší spolehlivost při střelbě. Vzhledem k vylepšení nábojnic bychom museli pozměnit celý dosavadní

palníkový systém na systém úderníkový.

8 Mísení primárních složí

8.1 Cíl laboratorní práce: Testovací část našeho projektu spočívá v tom, že jsme chtěli porovnat účinnost různých směsí

střelných prachů a zároveň tyto námi připravené prachy porovnat s komerčně vyráběnými – přesněji

s černým prachem do předovek a s vysokovýkonným bezdýmným nitrocelulosovým prachem. Pro

naše účely jsme se rozhodli pro následující směsi prachů:

Tabulka 1 Složení jednotlivých střelných prachů8

KNO3 NaNO3 Černé uhlí Uhlík KMnO₄ Síra

Černý střelný prach 75 % - 15 % - - 10 %

Trhací prach forte 80 % - - 20 % - -

Dělový prach 75 % - - 12,5 % - 12,5 %

Akcelerovaný prach 73 % - - 12 % 5% 10 %

PGI optimum 74 % - - 14 % - 12 %

Černý prach -

alternativní

- 75 % 15 % - - 10 %

8.2 Pracovní postup: Rozhodli jsme se pro vytvoření 40 g od každé směsi, tedy naším prvním krokem bylo navážit

jednotlivé součásti prachů podle procent (viz. Tabulka 1). Odvážené jednotlivé složky jsme rozdrtili

v třecí misce, abychom dosáhli větší hustoty zrn. Dále jsme takto nadrcené složky přesili přes plastové

síto, aby byla všechna zrna co nejvíce identická, to umocní rychlost vznícení. Mísení jednotlivých

složek jsme prováděli na papíře, kde bylo důležité smísit všechny složky tak, aby jako poslední

přidanou složkou bylo oxidační činidlo. Kdyby tomu tak nebylo bylo by zde riziko exploze. Takto

připravené směsi jsme uložili do nádob, ze kterých jsme ji později mohli bezpečně a přehledně

distribuovat do nábojnic.

15

9 Praktická část – Test střelby

9.1 Úvod do testování: Rozhodli jsme nejprve pro test úsťové rychlosti, která je směrodatná pro dostřel a celkový výkon

zbraně. Úsťová rychlost byla měřena za pomocí softwaru, ve kterém jsme si zpomalili záznam ze

střelby s vysokým počtem snímků za sekundu, tak aby byl vidět projektil. Z takto upraveného

záznamu jsme mohli počítat, za jaký čas urazí střela 1 m. Další test, který jsme prováděli, byl test

průbojnosti, který určil množství energie při nárazu střely do polystyrenových v podobě hloubky, do

které střela pronikla.

9.2 Test střelby – úsťová rychlost: Test úsťové rychlosti byl mimo jiné i prvním testem samotného kanónu. Pro účely tohoto testu jsme si

vybrali k porovnání 4 různé druhy střelných prachů při množství 10 g primární slože, přičemž bylo

stříleno nestandardní municí, tedy pouhými 5g těžkými válci z bukového dřeva, abychom dosáhli

lepších podmínek pro pozorování projektilu a navíc abychom se vyhnuli složitému způsobu výroby

více průbojných nábojů.

V prvním zpomaleném videozáznamu (viz. video 1) můžeme vidět dělový prach naší vlastní výroby.

Úsťová rychlost se pohybovala okolo 100m/s. Na videu můžeme pozorovat masivní zákluz hlavně,

který jak se v posledním testu (viz. video 2) ukáže stal i problémem, který je třeba řešit.

Druhý zpomalený videozáznam (viz. video 3) je největší neúspěch z našich směsí. Jedná se o černý

střelný prach, ve kterém byl dusičnan draselný nahrazen slabším okysličovadlem tedy dusičnanem

sodným. Při detonaci iniciační slože dost pravděpodobně došlo pouze k vznícení jen části primární

slože. To způsobilo, že zbytek primární slože včetně s projektylem byl vystřelen z hlavně. Díky tomu,

že zde nedošlo k plné expanzi plynů, tak se úsťová rychlost pohybovala pouze okolo 35 m/s.

Vzhledem k výsledkům s touto směsí jsme ji pro test průbojnosti vyřadili.

Ve třetím záznamu (viz. video 4) můžeme pozorovat test směsi trhacího prachu forte. Pro naše účely je

jak se ukázalo neúčinný, jelikož náš vytvořený vzorek má moc malou rychlost expanze plynů při

detonaci. Úsťová rychlost se i přes to pohybovala okolo 90 m/s, což považujeme stále za úspěch.

Čtvrté video (viz. video 5) dobře srovnává dělový prach a trhací prach forte. Mimo to, že můžeme

pozorovat rozdíl v zálkuzu, tak i mimo to si můžeme povšimnout rozdílného záblesku při výstřelu,

který se liší z důvodu, že v trhacím prachu forte není obsažena síra.

Poslední testovaný vzorek (viz. video 2) byl pro porovnání všech našich prachů s komerčním

bezdýmým vysokovýkonostním prachem, tedy nitrocelulózovým. Je udáváno, že tato směs je až

sedminásobně účinější než černý střelny prach, což se i při testu ukázalo. Byla naměřena impozantní

úsťová rychlost pohybující se přes 200m/s. Je to pouhý přibližný odhad, jelikož instalovaná

vysokorychlostní kamera je schopna snímat maximálně v takové rychosti snímků za sekundu jako se

pohybuje těleso o rycholsti 200m/s. Při testu došlo k natolik silné detonaci primární slože, že zákluz

byl tak masivní až rozerval přední objímku držící hlaveň. Navíc tento test byl prováděn na rozmáčené

půdě, takže se kotvící hřeby neudržely v zemi v důsledku zpětného rázu. Naštěstí se nejednalo o

fatální vadu – stačila jen výměna objímky. Tento test nás přidedl k možnosti upgradu, kde bychom

chtěli do konstrukce přidat pružinu brzdící zákluz a kolejnicový systém. Takto upravená konstrukce by

s nitrocelulózovým prachem neměla sebemenší potíže.

16

9.3 Test střelby – průbojnost munice: Mimo test úsťové rychlosti jsme se rozhodli zároveň pro test průbojnosti munice. Tento test je

směrodatný pro zjištění ničivého účinku naší munice. Test byl prováděn tak, že cílem byla

polystyrenová masivní deska ve vzdálenosti 1,5m od ústí hlavně. Měřili jsme hloubku, do které

projektil o hmotnosti 20 g pronikl. Mimo to jsme stříleli i s brokovým nábojem o hmotnosti 27 g,

abychom zjistili míru ničivosti pro organické tkáně. Jako testovací subjekt nám posloužil vodní

meloun. Pro tento test jsme si vybrali 6 vzorků střelných prachů pro porovnání.

Výsledkem hned po prvním výstřelu bylo, že jsme podcenili průraznost střel a tím pádem došlo

k dokonalé penetraci téměř 30 cm polystyrenu a zároveň došlo k masivnímu poškození kvádru z litého

betonu, který byl za deskou.

9.4 Grafický výpočet Za pomocí počítače jsme ve zpomaleném záběru určovali čas, za který střela urazí 0,5m.

Obrázek 5 První pozice projektilu

Obrázek 6 Druhá pozice projektilu

17

Obrázek 7 Grafické znázornění

Vypočítané rychlosti jsme zaznamenali do tabulky. (viz. Tabulka 3)

9.5 Balistika: Balistika počítá s druhým Newtonovým zákonem,

�⃗� = 𝑚 ∙�⃗�

Kde: F je celková síla, m je hmotnost projektilu, a je zrychlení projektilu.

Celkovou sílu lze rozložit do os x a y, kde bude platit:

𝐹𝑥 = 𝑚 ∙ 𝑎𝑥 = 𝐹 ∙ cos 𝛼

𝐹𝑦 = 𝑚 ∙ 𝑎𝑦 = 𝐹 ∙ sin 𝛼

Kde: α je úhel střelby

Pro určení balistické křivky je nutné určit počáteční rychlost, podélný úhel střelby, hmotnost projektilu

a koeficient odporu vzduchu. Koeficient odporu vzduchu je dán následující rovnicí:

𝑏 =1

2∙ 𝐶 ∙ 𝜌 ∙ 𝑆

Kde: b je koeficient odporu vzduchu, C je koeficient odporu projektilu, je hustota vzduchu,

S je ofukovaná plocha projektilu.

Střela je v ose x zpomalována odporem vzduchu (síla je úměrná rychlosti a má opačný směr)

𝐹𝑥 = −𝑏 ∙ 𝑣2

a v ose y na ní působí gravitace a odpor vzduchu.

𝐹𝑦 = −𝑏 ∙ 𝑣2 − 𝑚 ∙ 𝑔

Kde: m je hmotnost střely, g je gravitační zrychlení

K vykreslení balistických křivek a pro pozorování polohy a rychlosti střely v čase jsme použili tabulku

v programu Excel. 9

18

Úhel střelby je 15°, koeficient odporu projektilu je 0,75, hustota vzduchu je 1,29kg/m3

Tabulka 2 Parametry projektilů

Projektil délka projektilu

hmotnost projektilu

poloměr projektilu

ofukovaná plocha

koeficient odporu vzduchu

Alternativní černý střelný prach 0,05 0,02 0,01 0,000314 0,000152

Černý střelný prach 0,05 0,02 0,01 0,000314 0,000152

Dělový prach 0,05 0,02 0,01 0,000314 0,000152

Nitrocelulózový střelný prach 0,06 0,03 0,01 0,000314 0,000152

Trhací prach forte 0,05 0,02 0,01 0,000314 0,000152

m kg m m2

Obrázek 8 Balistické křivky

Tabulka 3 Dostřel a dostupnost

Dostupnost Dostřel Rychlost

Alternativní černý střelný prach 4,154197 51,27306

35,2465

Černý střelný prach 19,51771 158,2922

81,3712

Dělový prach 27,24517 192,543

99,2158

Nitrocelulózový střelný prach 86,55313 426,428

201,2143

Trhací prach forte 23,33444 176,0921

90,3629

m m m/s

10 Závěr Námi sestrojený kanón střílí, účinnosti jednotlivých prachů se liší, což se projevuje na úsťové rychlosti

a balistické křivce. Nitrocelulosový střelný prach je nejúčinnější z námi testovaných střelných prachů

s rychlostí 201,2143 m/s a dostřelem 426,428 m

-50

0

50

100

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Alternativní střelný prach Černý střelný prach

Dělový prach Nitrocelulósový střelný prach

Trhací prach forte osy x a y jsou udávány v metrech

19

11 Seznam obrázků Obrázek 1 Cílová konstrukce __________________________________________________________________ 10

Obrázek 2 Nástavba pro upevnění _____________________________________________________________ 11

Obrázek 3 Fixace druhé objímky _______________________________________________________________ 11

Obrázek 4 Vyhotovené projektily ______________________________________________________________ 13

Obrázek 5 První pozice projektilu

Obrázek 6 Druhá pozice projektilu _____________________________________________________________ 16

Obrázek 7 Grafické znázornění ________________________________________________________________ 17

Obrázek 8 Balistické křivky ___________________________________________________________________ 18

12 Seznam tabulek Tabulka 1 Složení jednotlivých střelných prachů ................................................................................................... 14

Tabulka 2 Parametry projektilů ............................................................................................................................. 18

Tabulka 3 Dostřel a dostupnost ............................................................................................................................ 18

13 Seznam videí Dělový prach Video1

Trhací prach forte Video4

Alternativní černý střelný prach Video2

Nitrocelulózový střelný prach Video5

Černý střelný prach Test1

14 Použité zdroje 1 https://en.wikipedia.org/wiki/History_of_cannon 2https://cs.wikipedia.org/wiki/Kan%C3%B3n https://en.wikipedia.org/wiki/Pot-de-fer

3 https://cs.wikipedia.org/wiki/Kan%C3%B3n https://en.wikipedia.org/wiki/History_of_cannon

4 https://cs.wikipedia.org/wiki/St%C5%99eln%C3%BD_prach

5 http://www.strelci.com/?p=318

6 https://cs.wikipedia.org/wiki/Projektil

7 https://cs.wikipedia.org/wiki/Tankov%C3%A1_munice 8 http://www.pyroexpert.cz/strelny-prach/

9 Finální balistika.xls Všechny odkazy jsou platné k datu 23.4.2016