Эволюция современного патрона

После изобретения китайцами черного пороха в средние века (около 800 года нашей эры), первое время порох совершенно не применялся в огнестрельном оружии. В состав черного дымного пороха входят сера, селитра и древесный уголь. Китайские алхимики были отлично знакомы с серой и селитрой. Недаром арабы называли селитру «китайским снегом». История упоминает, что быстрогорящее вещество было получено китайскими учеными при попытке очистки серы и селитры с помощью древесного угля.

Первое применение пороха, судя по китайским рукописям, было в виде лекарственных средств (зелий). На Руси порох также назывался «огневым зельем».

Со временем процентный состав компонентов пороха начал претерпевать изменения. В порохе стало значительно больше селитры. Это увеличило скорость горения пороха, в связи с чем у китайцев возникли идеи его боевого применения. Сначала порох использовали как зажигательное средство, добавляя его в состав из древесной смолы. Часто в эту горючую смесь добавлялись яды, оказывавшие смертельное действие на противника, вдыхавшего продукты горения.  Известны китайские «пики неистового огня», в виде металлических цилиндров, наполненных порохом и привязанных к бамбуковым шестам. Мощное пламя, вырывающееся с открытой стороны цилиндра можно было использовать для дистанционного поджога вражеских конструкций (зданий, штурмовых лестниц и т.п.), а так же производить на противника, незнакомого с подобными технологиями, сильный ошеломляющий эффект.

Следующим этапом в применении пороха стало его использование в  подрывном деле. Это стало возможным после улучшения качества селитры, в связи с чем порох стал не просто хорошо гореть, но и мощно детонировать.  Порох стали помещать в фугасные заряды, которые забрасывались внутрь вражеских укреплений при помощи камнеметных машин, появились примитивные ручные гранаты, способные, скорее, напугать, чем убить. Порох стал применяться в виде мощных фугасов, заложенных в подкопах под стенами вражеских крепостей.

Появились осколочные гранаты, в которых пороховое ядро, помещенное в бумагу, оклеивалось кусочками металла или фарфора. В гранаты стали добавлять негашеную известь, наносившую дополнительный урон в виде ожогов лица и глаз. В связи с увеличением силы взрыва начали применяться глиняные или металлические оболочки для бомб, а так же первый прототип бикфордова шнура для поджога порохового заряда, изготовленный из бумажных трубок, обмотанных растительными волокнами с пороховой сердцевиной.

Первым стрелковым оружием на основе черного пороха обзавелись арабы.  Оружие было в виде бамбуковых трубок, начиненных порохом и метавших маленькие снаряды в противника. Скорее всего, в качестве пуль применялись камни круглой формы. По разным версиям китайцы то ли переняли опыт у арабов, то ли додумались до примитивного стрелкового оружия самостоятельно.  Уже в 1259 году при обороне китайского города Чоучунь вовсю использовались бамбуковые стволы, стрелявшие по врагам.

Затем для стрельбы перешли к  гораздо более надежным железным и бронзовым трубкам. С этого времени огнестрельное оружие попало от арабов в Европу и очень быстро там распространилось. Первое документальное упоминание об таком оружии в Европе датируется 1326 годом.

Вначале в Европе были распространены бронзовые ручные пушки, которые требовали усилий двух мужчин, чтобы вести огонь. Один держал оружие в то время как второй вставлял горящий уголь или трут в отверстие, просверленное в казенной части ствола. Это зажигало черный порох, который выстреливал круглым каменным ядром из дула пушки. Со временем, оружие стало гораздо более сложным, но оно по прежнему ​​полагалось на той же древний химический процесс, называемый горением. В этом типе реакции, искра зажигает небольшую массу черного пороха, который не взрывается, а горит, быстро создавая большое количество расширяющихся газов, сдерживаемых нефиксированной заглушкой. Этой заглушкой служит пуля, которая сидит достаточно плотно в стволе, так, что газы не могут свободно пройти мимо нее. Когда газы расширяются и сталкиваются с сопротивлением, они продвигают пулю из дула. На протяжении столетий и в этом процессе наступил технический прогресс.

 

Цилиндроконическая пуля Минье

Много веков оружие совершенствовалось в результате гонки вооружений. Скромная пуля не является исключением. Самые ранние боекомплекты состояли из маленьких круглых камней, но это мало влияло на воинов, покрытых доспехами. Это подтолкнуло производителей оружия к исследованию металлических пуль, изготовленных путем заливки расплавленного металла в форму и затвердевшего при остывании.

Чугунные пули были популярны некоторое время, но их было трудно сделать. Для плавления чугуна необходимые экстремальные температуры. Часто казенные части мушкетов разрывались при попытке вытолкнуть их. В начале 1600-х годов, свинцовые шары начали летать над полями сражений. Свинец имел низкую температуру плавления, поэтому он мог быть расплавлен в ковше на костре из дров. Солдаты и охотники могли самостоятельно пополнить запасы своей амуниции в то время, как они готовили ужин. Поскольку они были мягче, свинцовые шарообразные пули создавали минимальный риск повреждения стволов. Эти пули, также известные как мушкетные шары, будут безраздельно властвовать до 1800-х годов, когда началось развитие аэродинамических снарядов.

Ранние гладкоствольные ружья заряжались свинцовыми шарами через дуло. Шары были меньше, чем диаметр отверстия, так что при выстреле, они свободно двигались вдоль гладкого ствола, пока не выходили. Это «подпрыгивание» пули в стволе не делало выстрел точным. В 1498 году немецкие оружейники изобрели нарезное оружие — с нарезкой спиральных канавок на внутренней стенке ствола. Эти канавки врезались в пулю при попадании ее в дуло, заставляя ее вращаться и придавая ей более верный полет. Нарезка работала лучше, если пуля плотно прилегала в стволе. Свинцовые шары изначально конструктивно не подходили для этого. Применялись попытки устанавливать на них накладки, но это сильно усложняло процесс заряжания.

Главный прорыв произошел в 1850-х годах. В это время в качестве нарезного оружия применялись, так называемые, штуцеры. Штуцер заряжался с дульной части и главным его противоречием была необходимость легко заряжать пулю, которая при этом одновременно должна быть максимально близка к диаметру ствола. Многие годы процесс зарядки штуцера был настолько сложным и долгим, что из штуцера производили за весь бой не более одного выстрела, вооружая им лишь особо метких стрелков. Ситуация изменилась после изобретения нового типа пули офицером французской армии по имени Клод-Этьен Минье. Его одноименная пуля была по прежнему ​​сделана из свинца, но она была цилиндроконическая, а не круглая. Горячие газы от горения черного пороха  расширяли полое основание пули Минье, от этого мягкая пуля расширялась и входила в лучшее зацепление с нарезным стволом. Это означало, что новаторские пули Минье могли быть сделаны меньше, чем диаметр отверстия ствола без снижения приобретаемого вращения. И они не требовали накладок, как круглые пули.

Пуля Минье — первая цилиндроконическая пуля — повысила точность стрелков чрезвычайно. Во время Гражданской войны (1861 — 1865) в США пехотинцы Союза и Конфедерации чаще поражали свои цели и на гораздо больших расстояниях. 95% всех ранений на полях битвы Гражданской войны было нанесено именно этими пулями. Во время Крымской войны 1853 — 1856, российские войска, вооруженные круглыми пулями, могли вести прицельный огонь на дальность до 200 метров, в то время, как их противники, англичане и французы — на расстояние в 4 раза дальше. Существует мнение, что именно это обстоятельство сыграло решающую роль в поражении российской армии.

 

Капсюль с гремучей ртутью

Для произведения выстрела нужна искра, чтобы зажечь пороховой заряд. В кремневых пистолетах и ружьях искру высекали при помощи пружинного курка с кусочком кремня по рифленой крышке стальной зубчатой полки, на которую насыпалось немного пороха. Воспламенившийся таким образом порох через затравочное отверстие в стволе поджигал основной заряд.

Кремневое оружие работало ненадежно. На 100 выстрелов насчитывалось до 15 осечек, даже при исправном замке. За исправностью замка и состоянием кремня нужно было постоянно следить. Порох на пороховую полку насыпался на глаз, от чего часто возникала сильная вспышка, вызывающая облако порохового дыма, заслонявшего видимость стрелку. Еще одним серьезным недостатком была временная задержка между ударом курка и выстрелом. Несколько увеличить скорострельность кремневых ружей удалось путем создания бумажного патрона. На пороховых заводах порох развешивался в бумажные пакетики, к которым прикреплялась пуля. Стрелок разрывал пакетик, высыпал порох в ствол, использовал бумагу пакетика в виде пыжа, а затем досылал пулю. Но даже это не избавило стрелка от необходимости досыпать порох на полку и ожидать выстрел после спуска курка. Несколько изобретателей подумали, что соли, которые взрывались при ударе, могли быть лучшей альтернативой. К сожалению, взрывчатые соли были очень чувствительны к удару, трению и искрам, что делало их слишком нестабильными, чтобы быть практичными.

Тогда, в 1800 году, английскому химику Эдварду Ховарду удалось выделить гремучую ртуть, относительно стабильное соединение. Когда священник Александр Форсайт смешал гремучую ртуть с бертолетовой солью, он произвел довольно надежный и безопасный воспламеняющий состав. В 1818 году этот новый состав был применен англичанином Джозефом Эггом в виде ключевого элемента в капсюле, маленьком медном цилиндре, находившемся на брандтрубке. Когда курок ударял капсюль, в нем зажигалась гремучая ртуть, в результате чего пламя через брандтрубку попадало в ствол и инициировало сгорание порохового заряда.

 

Нитроцеллюлоза, как основа бездымного пороха

Изобретение черного пороха, возможно, было одним из наиболее значимых достижений человечества, но его использование вызывало сильную дымность выстрела. В затяжном бою, в ходе которой солдаты делали много выстрелов, толстая завеса дыма заполняла воздух, иногда даже делая врага невидимым. Химики и изобретатели охотились за лучшим составом пороха.

Ответ пришел из царства растений, в виде целлюлозы. Эти макромолекулы, или длинные цепи из повторяющихся звеньев глюкозы, часто встречаются в растительных клетках и могут быть получены из древесной массы или коротких волокон хлопка. В 1846 году швейцарский химик Кристиан Фридрих Шёнбейн взял хлопок в руки и окунул его в смесь азотной и серной кислот, в результате чего гидроксильные группы целлюлозы должны быть заменены нитрогруппами. Результат был чрезвычайно легковоспламеняющимся веществом, известным, как нитроцеллюлоза или пироксилин. К сожалению, это соединение, как правило, распадается спонтанно и внезапно взрывается. Пироксилин начали применять вместо черного пороха в артиллерии, но для стрелкового оружия он совершенно не подходил. Оружие, могущее сделать 1000 выстрелов с обычным порохом, было в состоянии выстрелить только несколько раз с более мощным зарядом пироксилина.

В 1880 году, французский инженер Поль Вьель обнаружил, что когда нитроцеллюлозу смешивали с определенными стабилизаторами, она становилась гораздо более устойчивой. Это привело непосредственно к новому типу пороха, широко известному как бездымный порох, который произвел революцию в боеприпасах. Преимущество бездымного пороха заключается в том, что продукты его горения, в основном, газообразны, в отличие от дымного пороха, у которого выделяется при сгорании до 55% твердых веществ. Теперь стрелок не исчезает за шлейфом белого дыма после выстрела. Но самым важным преимуществом бездымного пороха было то, что он оказался мощнее в 3 раза, чем дымный. Таки образом, для произведения аналогичного по силе выстрела, стало нужно гораздо меньше пороха, боеприпасы стали меньше и легче.

Современная форма бездымного пороха — кордит, содержит нитроцеллюлозу, нитроглицерин и вазелин. В своем окончательном виде, это выглядит как маленькие, графитового цвета зерна.

 

Патрон кольцевого воспламенения

До 19-го века воспламенитель, порох и пуля существовали как независимые компоненты. Для выстрела из мушкета, например, стрелок должен был засыпать порох в ствол, забить пыж, утрамбовать пулю, насыпать немного пороха на пороховую полку, проверить исправность кремня. Высеченная кремнем искра инициировала выстрел. Бумажные патроны сделали этот процесс немного проще, предоставляя стрелку предварительно взвешенный пакетик пороха, хотя он по-прежнему должен был разорвать бумагу патрона, а затем выполнить все вышеописанные действия.

Все это изменилось в середине 1800-х годов с введением патрона кольцевого воспламенения — автономного устройства, где располагались капсюль, порох и пуля в латунном корпусе. Парижский оружейник Луи Флобер уже делал подобные патроны в 1840 году, но они были маленькими и применялись в первую очередь для упражнения в стрельбе. Даниэль Вессон (известный по компании Smith & Wesson) в 1850 удлинил гильзу и сделал ее более прочной. В патроне Вессона капсюль представлял гремучую ртуть, запрессованную по краям донца латунной трубки, заполненной черным порохом и с пулей на вершине. Весь патрон целиком может быть помещен в казенную часть оружия, устраняя необходимость в пыжах, капсюлях и других отдельных компонентах.  Когда боек оружия ударяет обод патрона, он зажигает капсюль, который затем поджигает черный порох, заставляющий пулю двигаться в стволе.

Патроны кольцевого воспламенения были, несомненно, революционными, но у них были некоторые недостатки. Самым большим недостатком был сам капсюль, который необходимо было изготавливать с более тонкой оболочкой, чтобы гарантированно ее деформировать при ударе бойка. Но чем тоньше элемент патрона, тем меньшую взрывную силу он может выдержать. В результате, патроны кольцевого воспламенения содержали меньше пороха и производили меньшую огневую мощь.

Патроны этой конструкции дожили до нынешних дней практически без изменений и применяются в малокалиберном оружии

 

 Патрон центрального воспламенения

Чтобы преодолеть эти ограничения, производители оружия быстро изменили патрон. Капсюль начал устанавливаться в середину основания гильзы. Такой патрон стали называть патроном центрального воспламенения или центрального боя. Оружейникам также пришлось изменить свое оружие, чтобы использовать новый патрон, в том числе использовать либо курок, либо боек. В первом случае пружинный курок передает свою энергию тупым концом, который бьет по капсюлю. В последнем, боек ударяет капсюль напрямую. В любом случае, после удара по капсюлю зажигается воспламеняющий состав, который затем зажигает порох и выстреливает пулю.

Поскольку патроны центрального воспламенения генерируют больше энергии, они могут стрелять крупными пулями, что делает их наиболее распространенным типом боеприпасов, использующемся в огнестрельном оружии сегодня.

В настоящее время существуют: пистолетные патроны, промежуточные патроны, винтовочные патроны, пулеметные патроны, патроны к охотничьему нарезному оружию, патроны к охотничьему гладкоствольному оружию, авиационные патроны, патроны с трассирующей пулей, патроны с зажигательной пулей, патроны комбинированного действия (бронебойно-зажигательные), холостые патроны, газовые патроны, травматические патроны, безгильзовые патроны, бесшумные патроны, патроны к пороховому инструменту.

 

Медная оболочка пули

Введение бездымного пороха создает проблемы для производителей оружия потому, что порох  на нитроцеллюлозной основе производит более высокие температуры и давления, чем черный порох, перемещая пули в стволе с большей скоростью. В результате мягкие свинцовые пули оставляли часть своей оболочки в канале ствола, создавая сильное загрязнение.

Решением было дать пуле оболочку. Оружейники выбрали медь или сплавы меди и цинка, для покрытия пистолетных пули. Они использовали более жесткую оболочку из стали или мельхиора для винтовочных и пулеметных пуль. В обоих случаях, сердечник пули содержал свинец, за исключением бронебойных пуль, которые использовали внутренние сердечники из закаленной стали.

У боевого оружия пули обладают цельнометаллической оболочкой, то есть оболочка охватывает весь снаряд. Эти пули иногда называют недеформируемыми, потому что они сохраняют свою форму при прохождении через цель. Пули с цельнометаллической оболочкой наносят меньше повреждений внутренних тканей и органов при ранении. Охотники имеют другие требования. Они нуждаются в пуле, которая вызовет массовые внутренние травмы у добычи. Поэтому ими используются пули с раскрывающейся мягкой оболочкой, которые становятся похожими на гриб при столкновении с препятствием.  Когда такая пуля поражает цель, например, оленя или медведя, ее кончик расширяется и разворачивается, что позволяет ему нанести больший урон внутренним органам животного.

 

Трассирующие боеприпасы

Когда пуля выходит из ствола винтовки, она может двигаться со скоростью от 800 до 1000 метров в секунду — слишком быстро, чтобы быть видной невооруженным глазом. В дни использования черного пороха, вылетевшая пуля иногда оставляла дымный след, отмечая путь снаряда в воздухе. Но с появлением бездымного пороха, стрелок потерял обратную связь о траектории пули, пока она не попадала в цель.

Были созданы трассирующие пули, которые включают дополнительные зажигательные составы, обычно фосфорные или магниевые смеси, в основе пули. Когда стреляют трассирующими, порох в патроне воспламеняется и поджигает зажигательный состав. Когда пуля движется через воздух, она испускает яркий свет и дымный след, помогая стрелку видеть ее траекторию полета. Вооруженные силы часто используют этот тип боеприпасов в пулеметах, в которых каждый пятый патрон в ленте или рожке включает в себя трассер.

Сегодня, трассеры могут производить различные цвета для дневного и ночного применения. Белые индикаторы можно увидеть в течение дня, в то время как красные и зеленые можно легко увидеть ночью.

 

Разрывные композитные боеприпасы

Не так много новшеств случилось с пулями за последние сто с лишним лет после введения металлических патронов, содержащих пули в медных оболочках. Они действовали удивительно хорошо и, как следствие, мало изменились с течением времени. Однако, в конце 20-го века, возникли новые требования к боеприпасам, связанные с необходимостью борьбы с международным терроризмом. Часто контакт с террористами происходит в тесном помещении, в окружении невинных свидетелей. Между тем, правоохранительные органы зачастую оказывались в ситуациях, в которых их сотрудники были ранены или убиты пулями своих же напарников, выпущенными с близкого расстояния и срикошетившими от твердых предметов.

Это привело к поиску нового вида пуль, которые будут по-прежнему обладать поражающей силой, но станут распадаться при ударе об стену или другую твердую поверхность. В конце концов, производители боеприпасов разработали способ изготовления пуль из маленьких частиц композиционного материала путем прессования или склейки. Такая композитная пуля не имеет медной оболочки. Таким образом, если эта пуля ударяет в твердый предмет, композитный материал просто разбивается на мелкие частицы. При попадании в человека, пуля проникает в тело, а затем распадается, нанося значительное ранение, но без риска чрезмерного проникновения.