Indre ballistikk for dummies

[ojoh]

Jeg har savnet en kort og presis beskrivelse av noen fenomener og begreper vi hjemmeladere stadig kommer borti og som jeg ser at selv drevne forumbrukere har problemer med å forklare. Dette blir nødvendigvis ikke indre ballistic på høyt nivå men kan kanskje hjelpe noen med bedre å forstå noe av det vi driver med som hjemmeladere.

 

Dette er helt og holdent min forståelse av det jeg har lest meg til, og jeg ser ingen fare i å dele dette med forumleserne – da jeg tror langt de færreste hjemmeladere tar en neve krutt under lupa og dytter det i første og beste hylse for å se hva som skjer – tror forøvrig at de som er tilbøyelig til det, gjør det uansett.

 

Jeg har merker hvert avsnitt slik at det er mulig å referere til det for spørsmål, kommentarer og rettelser.

 

Jeg har ut i fra noen timers litteratursøk funnet ut følgende:

 

A) Røyksvakt krutt er laget av nitrocellulose (enkeltbase) og kan være tillsatt mindre mengder av nitroglyssering (dobbeltbase) og andre stoffer (multibase) for å øke energitetthet (J/g) og oppførsel som forbrenningshastighet. Forbrenningsproduktet er stort sett gass og lite faste partikler (sot og aske)

 

1) Krutt produseres i tre hovedformer

- Kuler og pellets

- Skiver og flak

- Sylinder med og uten huller

 

2) Krutt formes ved ekstruderingsteknikk (gjelder det bare sylinderkrutt ?),valsing og utstansing (her trenger jeg noen korreksjon / utfyllende beskrivelse).

 

B) Energitetthet oppgies i Joule pr masse enhet og er et mål på hvor mye energi kruttet inneholder pr vektenhet.

 

1) Energitetthet sier ingen ting om kruttets brennkarakteristikk i et lukket kammer, men kun et mål på hvor mye energi som er til rådighet for å akselerere et prosjektil og eventuelt deformere et brennkammer.

 

2) En stor andel av energien går til varme og noen krutt frigir mer varme enn andre krutt (denne påstanden må verifiseres...??)

 

C) Relativ brennhastighet er en størrelse som fremkommer ved å brenne kruttet i et gitt lukket kammer og sammenligne brennhastighet med andre kruttsorter.

 

"Burning Rate - A arbitrary index of the quickness that burning propellant changes into gas"

 

1) Oversatt betyr det at man legger en bestemt masse krutt inn i et bestemt volum som tåler betydelig trykk og antenner det. Trykket øker når kruttet brenner og endrer form til gass. Det man måler er tiden fra antenning til maksimalt trykk er oppnådd og ingen ny gassdannelse finner sted - kruttet er brent opp.

 

2) Relativ brennhastighet sier ingenting om energitetthet i kruttet, bare hvor fort kruttet omdannes til gass (+ litt aske og sot).

 

3) Et lavenergi krutt kan frigjøre sin totale energi like raskt som et høyenergi krutt, men med vidt forskjellig utfall for trykkoppbyggingen i brennkammeret.

 

4) Relativ brennhastigheten kan i hovedsak påvirkes ved å endre kornstørrelse, kruttform, tilsetningstoffer og overflate belegg.

 

5) Relativ brennhastighet kan ikke avgjøres ved å vurdere form og størrelse på kruttkorn.

 

D) Kruttoverflaten og forbrenningshastighet er avgjørende for kruttets karakteristikk og egenskaper. Nitrocellulosen inneholder det oksygenet kruttet trenger for til forbrenningen. Kruttet brenner i overflaten og dannner store mengder gass og svært lite ”aske” slik at overflaten beveger seg med flammefronten som en smeltende iskube.

 

1) Forbrenningen frigjør store mengder gass og varmeenergi som umiddelbart øker trykket i forbrennings kammeret (hylsa). Trykk oppbyggingen avtar først når volumet i brennkammeret øker (kula akselererer og eller som vi prøver å unngå, at brennkammeret deformeres...).

 

2) Forbrenningen skapere en energifluxen (energifrigjøring pr flateenhet) over den til enhver tid tilgjengelige overflate. Forbrenningshastigheten øker med økende trykk, som igjen betyr at energifluxen ikke er konstant, den øker med økende trykk.

 

3) Overflate arealet til kruttkornet er avhengig kornets utforming. Energiflux over en overflate kan manipuleres med forskjellige varianter av overflate behandling.

 

4) Korn, flak og sylinderformede uten hulrom vil ha avtagende overflatearealet under forbrenningen.

 

5) Sylinderformede korn med huller kan få et økende areal inntil et punkt hvor overflate arealet også her blir avtagende. Overflaten i hullene i røret øker mer enn overflaten på utsiden minker inntil et visst punkt. Samlet overflate arealet har et maksimum i løpet av forbrenningstiden.

 

6) I det forbrennings prosessen starter er trykk og temperatur gitt av eksplosjonen i tennhetta. Den til enhver tid samlede energi frigjøringen (dvs trykk og varme) er gitt av det samlede tilgjengelige overflatearealet ganget med energifluxen.

 

7) Energifluxen øker med økende trykk og vil, i mer eller mindre grad kompensere for minkende tilgjengelig overflate. Jo brattere trykk økning er (høy trykkgradient) desto mer blir redusert tilgjengelig overflate areal kompensert med økende energiflux. Trykkgradienten vil være en funksjon av volumet i brennkammeret.

 

8.) Vi får en initiellen relativt rask utvikling av energi frigjøring og en brattere trykkgradient for kruttformer hvor arealet øker fordi tilgjengelig samlet overflate areal øker samtidig som vi får en høyere energiflux fordi trykket øker.

 

E) Anvendelse. De fleste røksvake kruttsorter er konstruert for spesielle formål det være seg i pistol, rifle, kanon etc. Avhengig av hva som er ønskelig for de enkelt bruksområder, konstruerer man krutt som har progressive, nøytral eller degressiv (eller en blanding av disse) energifrigjøring (forbrenning), i de lukkede omgivelser (brennkammer) de er konstruert for. Det ideelle er å få overført så mye av energien til prosjektilet som mulig uten å deformere brennkammeret.

 

1) Arealet under trykk-kurven tilsvarer tilgjengelig arbeid som kan overføres til prosjektilet som bevegelsesenergi. Korte brennekammer har kortere tid å gjøre dette på enn lange (pipa er en del av brennkammeret).

 

2) Ideelt skal flammen fra tennhetten produsere tilstrekkelig trykk og varme for at alle kruttkorn skal starte sin forbrenning på noenlunde samme tid. I store hylsevolumer med mye krutt vil det helt sikkert forekomme at enkelte korn starter sin forbrenning senere enn andre korn, når trykk og varmen etterhvert er blitt tilstrekkelig høy. En kraftigere tennhette kan bøte på problemet, men vil også endre brennkarakteristikken til kruttet – og kanskje raskere trykk oppbygging enn vi hadde tenkt.

 

3) Ved starttidspunktet er trykke relativt lavt og dermed energiflux relativt lav. Men det totale arealet er stort og finkornet krutt har generelt større tilgjengelig totalt areal en tilsvarende masse grovkornet krutt. Hvis forholdet mellom kruttmengde og brennkammer er slik at forbrenningen ikke raskt nok klarer å øke trykket før kammeret begynner å utvide seg (kula starter på vei ut) vil kruttet ikke forbrenne tilstrekkelig og vi får mengder av uforbrent krutt.

 

Jeg håper at dette kan hjelpe på forståelsen for at det er mange faktorer som spiller inn, at det er en grunn til at kruttprodusentene tilgjengeliggjør sine ladetabelller og at vi som hjemmeladere ikke nødvendigvis har kapasitet til å finne opp kruttet på nytt.

[ojoh]

En krymp vil utvilsomt holde bedre på prosjektilet og vil forsinke startidspunktet, dvs terskeltrykket, for når prosjektilet slipper hylsa. Er det noen som har gjor noe systematisk forsøk på effekt av krymp, har krymp mer påvirkning på mindre hylse volumer enn noe større (9mm vs 38sp)?.

Kan man overkomme noe av problemet med uforbrent krutt (jfr E3) ved kraftigere krymp, mine 38 hylser som jeg har i omløp om dagen er antagelig så frynsete i toppen at de holder ingen ting, men relativt nye hylser kan vel ha en effekt.

 

Ellers er alle forumlesere invitert til å kommentere mine punkter over - det var ment som et innspill til kunnskap og erfaringsutveksling.

[ojoh]

Jeg klarer ikke helt å fri meg fra å spekulere litt på egenskapene til N32C (cowboykruttet til Vithavouri). Da jeg leste i en tidligere streng om nevnte krutt merket jeg meg en vennlig advarsel fra PPC-skytter'n

 

Bare en liten vennlig advarsel før du går videre med eksperimentene. N32C har en relativ brennhastighet nær N-320, og ikke i det området du antar. Dette bør du tenke på når det kommer til trykket i ladningene dine. Trykket stiger meget raskt med N32C.

 

Min feilaktige påstand som utløste advarselen fra PPC-skytter'n var at jeg ut fra observert oppførsel mente at N32C hadde brennhastighet nærmere 3N37 / 3N38. Brennhastighet til N32C er i området N320 men energitetthet er 25% lavere (N320: 4100 J/g og N32C: 3050 J/g). Hvis vi antar at begge kruttsorter utvikler like mye varme så vil arealet under trykk-kurven være 25% mindre for samme mengde (masse g) brent krutt. Det betyr ikke nødvendigvis at maksimaltrykket er mindre, men hvis energifrigjøringen er 25% mindre pr tidsenhet (begge kruttsorter brenner samme masse krutt på lik tid - samme brennhastighet), så betyr vel det at trykk oppbyggingen er tilsvarende mindre pr brent masse (g) krutt? Her har jeg ikke tatt hensyn til gassutvikling som kan påvirke trykkoppbygningen og som kan være vidt forskjellig på de to kruttsortene. Er det noen som har tilgjengelig data / kunnskap som kunne forklarer hva som skjer?

[Erlend Meyer]

Hvis vi antar at begge kruttsorter utvikler like mye varme

Det gjør de ikke på grunn av forskjellig energiinnhold.

 

Man har tre forhold som påvirker dette:

1. Energiinhold

2. Nominell gassmengde (altså volum ved STP)

3. Brennhastighet.

 

Selv om kruttene utvikler like mye gass ved STP vil energimengden og dermed trykket være forskjellig. Siden N32C har 3/4 av energimengden kan vi sammenlikne en slik ladning med en ladning "normalkrutt" som er 3/4 av N32C og med en brennhastighet som er 4/3. Veldig grov sammenlikning siden brennhastighet ikke er konstant og fritt volum er forskjellig, men det burde være godt nok for denne diskusjonen.