Несмотря на сходство технических характеристик мягкой стали и медных сплавов, последние имеют преимущество в пластичности и коррозионной стойкости. Лаковое покрытие стальных гильз обладает малой износостойкостью и в процессе перезарядки при контакте с металлическими частями оружия имеет свойство повреждаться и переноситься на элементы автоматики, выводя их из строя. В случае извлечения неиспользованных патронов из ствола после окончания стрельб их гильзы лишаются лакового покрытия из-за его выгорания при контакте с нагретой поверхностью патронника, после чего ускоренно окисляются и патроны становятся непригодными к дальнейшему использованию.

Возросший расход патронов пехотинцами, вооруженных автоматическим оружием, послужил основанием для увеличения носимого боекомплекта за счет снижения веса патронов. Вплоть до начала 1970-х годов основным направлением снижения веса носимого боекомплекта был переход сначала на промежуточные, а затем и на малоимпульсные патроны, обусловленный стремлением повысить кучность автоматического огня из неудобных положений. После принятия на вооружение автомата АК-74 и автоматической винтовки М-16 этот резерв снижения веса носимого боекомплекта был исчерпан – попытка использовать более легкие стреловидные пули выявила их увеличенный ветровой снос.

В настоящее время в качестве поражающих элементов преимущественно используются пули со стальным сердечником, свинцовой рубашкой и томпаковой оболочкой. С целью повышения бронепробиваемости армия США перешла на использование цельнометаллических пуль патронов M80A1 EPR и M855A1 без свинцовой рубашки, состоящих из томпаковой оболочки и сердечника с головной частью из стали и хвостовой частью из висмута.

Безгильзовые патроны

В 1980-х годах в СССР и странах НАТО была сделана попытка радикально решить проблемы высокой материалоемкости классических патронов путем перехода на безгильзовые боеприпасы. Наибольшего прогресса в этом направлении достигла немецкая компания Heckler und Koch, создавшая автоматическую винтовку HK G11, использовавшую безгильзовые патроны DM11 разработки компании Dynamit Nobel.

Однако войсковая эксплуатация серии из 1000 винтовок HK G11 в пограничной службе ФРГ продемонстрировала их опасность для военнослужащих из-за регулярного самовозгорания безгильзовых патронов в патроннике, несмотря на его конструктивную отделенность от ствола винтовки. В итоге немецким пограничникам сначала запретили использовать автоматический режим ведения огня, а затем вообще сняли HK G11 с вооружения из-за бессмысленности её использования в качестве чисто самозарядного оружия при наличии сверхусложненной автоматики («часы с кукушкой»).

Патроны с пластиковыми гильзами

Следующая попытка снизить материалоемкость боеприпасов стрелкового оружия и увеличить носимый боезапас была осуществлена в 2000-х годах в США компанией AAI (в настоящее время Textron Systems, производственное подразделение корпорации Textron) в рамках программы LSAT (Lightweight Small Arms Technologies), приведшей к созданию ручного пулемета и автоматического карабина, рассчитанных на комбинированное боепитание патронами с латунной гильзой, пластиковой гильзой и безгильзовыми, выполненными в телескопическом форм-факторе.

Безгильзовые патроны ожидаемо отметились самовозгораниями в патроннике ствола, несмотря на его отъемное конструктивное исполнение, поэтому выбор в программе LSAT был сделан в пользу патронов с пластиковой гильзой. Однако стремление к снижению стоимости боеприпасов обусловило неверный выбор типа пластика: в качестве такового был использован полиамид, который обладает всеми необходимыми характеристиками, кроме одной, но самой главной – его максимальная рабочая температура не превышает 250 градусов Цельсия.

Еще в 1950-х годах по итогам полигонных испытаний было определено, что ствол пулемета ДП в условиях непрерывной стрельбы очередями с перерывами на смену магазинов нагревается до следующих величин:

• 150 выстрелов — 210°C
• 200 выстрелов — 360°C
• 300 выстрелов — 440°C
• 400 выстрелов — 520°C

Иначе говоря, в условиях интенсивного боя, после израсходования первых двух сотен патронов ствол ручного пулемета гарантированно достигнет температуры расплавления полиамида.

В связи с указанным обстоятельством программа LSAT в 2016 году была закрыта и на её базе была начата программа CTSAS (Cased Telescoped Small Arms Systems) с целью разработки телескопических патронов на новой материальной основе. Судя по интервью администратора программы со стороны Армии США Кори Филлипс, данного интернет-изданию thefirearmblog.com в марте 2017 года, в качестве материала пластиковых гильз был выбран наиболее термостойкий на данный момент конструкционный полимер – полиимид, максимальная рабочая температура которого составляет 400°C.

Полиимид в качестве материала гильзы патронов обладает и другим ценным свойством – при нагревании свыше указанного уровня он обугливается без расплавления с выделением летучих веществ, не загрязняющих патронник ствола, при этом обугленная поверхность гильзы служит отличным антифрикционным материалом при её экстракции после выстрела. Прочность закраины гильзы обеспечивает металлический фланец.

Температура в 400 градусов является допустимым пределом нагрева стволов стрелкового оружия, после чего наступает их коробление, поскольку температура технологического отпуска стволов составляет от 415 до 430 градусов. Однако прочность полиимида на растяжение при температуре 300 и более градусов падает до 30 МПа, что соответствует давлению в патроннике 300 атмосфер, т.е. на порядок меньше максимального уровня давления пороховых газов у современных моделей стрелкового оружия. При попытке извлечь стреляную гильзу из патронника классической конструкции произойдет отрыв металлического фланца с выбиванием шомполом остатков гильзы из ствола.

Нагрев патрона в патроннике классической конструкции можно в определенной степени контролировать с помощью стрельбы с открытого затвора (пулеметы), но в случае интенсивной стрельбы и стрельбы с закрытого затвора (автоматы и автоматические винтовки) нагрев патрона свыше 400 градусов практически неизбежен.

Патроны с алюминиевыми гильзами

Ещё одной альтернативой медным сплавам в являются алюминиевые сплавы, применяемые в гильзах серийных пистолетных патронов, в опытных разработках винтовочных патронов и в серийных выстрелах к 30-мм автоматической пушке GAU-8A. Замена меди на алюминий позволяет снять ограничение на ресурсную базу, снизить стоимость гильзы, на 25 процентов уменьшить вес боеприпаса и, соответственно, увеличить носимый боекомплект.

В 1962 году в ЦНИИТОЧМАШ были разработаны опытные патроны калибра 7,62х39 мм с гильзой из алюминиевого сплава (шифр ГА). Гильзы имели антифрикционное графитовое покрытие. С целью предотвращения электрохимической коррозии чашка капсюля была изготовлена из алюминиевого сплава.

Однако применению подобных гильз препятствует их единственное отрицательное свойство – самовоспламенение алюминия и его сплавов на воздухе при нагреве до 430°C. Теплота горения алюминия очень велика и составляет 30,8 МДж/кг. Самовоспламенению подвержена внешняя поверхность изделий при нагреве до указанной температуры и возрастании проницаемости оксидной пленки для кислорода воздуха или при нагреве до меньшей температуры в случае повреждения оксидной пленки.

Непластичная керамическая оксидная пленка (толщина ~ 0,005 мкм) разрушается при деформации пластичной металлической гильзы под действием давления пороховых газов, проницаемость оксидной пленки достигается в результате нагрева при интенсивной стрельбе. Самовоспламеняются гильзы только на воздухе после экстракции из ствола, где поддерживается отрицательный кислородный баланс в процессе сгорания пороха.

Поэтому алюминиевые гильзы получили распространение лишь в составе пистолетных патронов калибров 9х18 ПМ и 9х19 Para, интенсивность стрельбы которыми и достигаемая температура в патроннике не идет ни в какое сравнение с этими показателями пулеметов, автоматических винтовок и автоматов.

Алюминий был также использован в опытном патроне 6х45 SAW Long, гильза которого была снабжена эластичным силиконовым вкладышем, затягивающем трещины в металле и оксидной пленке. Однако такое решение привело к увеличению линейных размеров патрона, связанного с ними габарита ствольной коробки и, соответственно, веса оружия.

Еще одним решением, но доведенным до принятия на вооружение, является 30-мм артиллерийский выстрел 30х173 GAU с гильзой из алюминиевого сплава. Это стало возможным благодаря использованию специального низкомолекулярного «холодного» метательного заряда. Термохимический потенциал пороха прямо пропорционален температуре горения и обратно пропорционален молекулярному весу продуктов горения. Классические нитроцеллюлозные и пироксилиновые пороха имеют молекулярный вес 25 и температуру горения 3000-3500 К, а молекулярный вес нового пороха был равен 17 при температуре горения 2000-2400 К при одинаковом импульсе.

Перспективная металлокерамическая гильза

Положительный опыт применения артиллерийских выстрелов с алюминиевой гильзой дает возможность рассматривать этот металл и в качестве конструкционного материала для гильз патронов стрелкового оружия (даже без специального метательного состава). С целью подтверждения правильности указанного выбора целесообразно сравнить характеристики гильз из латуни и алюминиевого сплава.

Латунь Л68 содержит в своем составе 68 процентов меди и 32 процента цинка. Её плотность равна 8,5 г/см3, твердость – 150 МПа, прочность на растяжение при 20°C — 400 МПа, относительное удлинение при растяжении – 50 процентов, коэффициент трения скольжения по стали – 0,18, температура плавления – 938°C, температурная зона хрупкости – от 300 до 700°C.

В качестве замены латуни предлагается использовать алюминий, легированный магнием, никелем и другими химическими элементами в объемной доле не более 3% с целью повышения упругих, термических и литейных свойств без влияния на стойкость сплава против коррозии и растрескивания под нагрузкой. Прочность сплава достигается его армированием дисперсными волокнами оксида алюминия (диаметр ~ 1 мкм) в объемной доле 20%. Защита от поверхностного самовоспламенения обеспечивается путем замены хрупкой оксидной пленки пластичным медным/латунным покрытием (толщина ~ 5 мкм), наносимым с помощью электролиза.

Полученный металлокерамический композит относится к классу керметов и формируется в конечное изделие литьем под давлением с целью ориентации армирующих волокон вдоль оси гильзы. Анизотропия прочностных свойств позволяет сохранить податливость композитного материала в радиальном направлении для обеспечения плотного контакта стенок гильзы с поверхностью патронника под действием давления пороховых газов с целью обтюрации последних.

Антифрикционные и противозадирные свойства гильзы обеспечиваются путем нанесения на её внешнюю поверхность полиимид-графитового покрытия (толщина ~ 10 мкм) с равными объемными долями связующего и наполнителя, выдерживающего контактную нагрузку 1 ГПа и рабочую температуру 400°C, используемого в качестве покрытия поршней ДВС.

Плотность кермета равна 3,2 г/см3, прочность при растяжении в осевом направлении: при 20°C – 1250 МПа, при 400°C – 410 МПа, прочность при растяжении в радиальном направлении: при 20°C – 210 МПа, при 400°C – 70 МПа, относительное удлинение при растяжении в осевом направлении: при 20°C – 1,5%, при 400°C – 3%, относительное удлинение при растяжении в радиальном направлении: при 20°C – 25%, при 400°C – 60%, температура плавления — 1100°C.

Коэффициент трения скольжения антифрикционного покрытия по стали составляет 0,05 при контактной нагрузке от 30 МПа и выше.

Технологический процесс производства керметных гильз состоит из меньшего количества операций (смешение металла с волокном, литье гильз, горячая накатка закраины и дульца, латунирование, нанесение антифрикционного покрытия) по сравнению с количеством операций в технологическом процессе изготовления латунных гильз (литье заготовок, холодная вытяжка в шесть проходов, холодная накатка закраины и дульца).

Вес латунной гильзы патрона 5,56х45 мм равен 5 граммам, вес керметной гильзы – 2 грамма. Стоимость одного грамма меди составляет 0,7 цента США, алюминия — 0,2 цента США, стоимость дисперсных волокон оксида алюминия – 1,6 цента США, их вес в составе гильзы не превышает 0,4 грамма.

Перспективная пуля

В связи с принятием на вооружение армейских бронежилетов класса 6Б45-1 и ESAPI, не пробиваемых пулями ручного стрелкового оружия со стальным сердечником на дистанции 10 и более метров, планируется переход на использование пуль с сердечником из спеченного сплава порошков карбида вольфрама (95%) и кобальта (5%) с удельным весом 15 г/куб.см, не нуждающемся в утяжелении с помощью свинца или висмута.

Основным материалом оболочки пуль служит томпак, состоящий из 90% меди и 10% цинка, плотность которого составляет 8,8 г/куб.см, температура плавления — 950°C, прочность при растяжении — 440 МПа, прочность при сжатии – 520 МПа, твердость — 145 МПа, относительное удлинение — 3% и коэффициент трения скольжения по стали — 0,44.

В связи с повышением начальной скорости пуль до 1000 и более метров в секунду и увеличением темпа стрельбы до 2000 и более выстрелов в минуту (АН-94 и HK G-11) томпак перестал соответствовать требованиям, предъявляемым к оболочке пуль в связи с большим термопластическим износом канала ствола из-за высокого коэффициента трения скольжения медного сплава по стали. С другой стороны, известны артиллерийские снаряды, в конструкции которых медные ведущие пояски заменены пластмассовыми (полиэфирными), коэффициент трения которых находится на уровне 0,1. Однако рабочая температура пластмассовых поясков не превышает 200°C, что вдвое меньше максимальной температуры стволов стрелкового оружия до начала их коробления.

Поэтому в качестве оболочки перспективной пули с цельнометаллическим сердечником предлагается использовать полимерный композит (толщина ~ 0,5 мм), содержащий в равных объемных долях полиимид типа ПМ-69 и коллоидный графит общей плотностью 1,5 г/куб.см, прочностью при растяжении 90 МПа, прочностью на сжатие 230 МПа, твердостью 330 МПа, контактной нагрузкой 350 МПа, максимальной рабочей температурой 400°C и коэффициентом трения скольжения по стали 0,05.

Формирование оболочки производится путем смешения олигомера полиимида и частиц графита, экструзии смеси в форму с закладной деталью – сердечником пули и температурной полимеризации смеси. Адгезия оболочки и сердечника пули обеспечивается за счет проникания полиимида в пористую поверхность сердечника под действием давления и температуры.

Перспективный телескопический патрон

В настоящее время наиболее прогрессивным форм-фактором патрона стрелкового оружия считается телескопический с размещением пули внутри прессованной шашки метательного заряда. Применение плотной шашки вместо классического зерненого заряда с меньшей насыпной плотностью позволяет до полутора раз уменьшить длину патрона и связанный с ней габарит ствольной коробки оружия.

Из-за особенностей конструкции механизма перезаряжания (отъемный патронник ствола) моделей стрелкового оружия (G11 и LSAT), использующих телескопические патроны, их пули утоплены в шашки метательного заряда ниже краев гильзы. Открытый торец вторичного метательного заряда от грязи и влаги защищает пластмассовый колпачок, одновременно выполняющий роль переднего обтюратора при выстреле (путем блокировки стыка отъемного патронника и ствола после прорыва пулей). Как показала практика войсковой эксплуатации телескопических патронов DM11, подобный способ компоновки патрона, не обеспечивающий упор пули в пульный вход ствола, приводит к перекосам пули при выстреле и, соответственно, потере точности.

Для обеспечения заданной последовательности срабатывания телескопического патрона его метательный заряд делится на две части – первичный заряд относительно малой плотности (с большей скоростью горения), расположенный непосредственно между капсюлем и дном пули, и вторничный заряд относительно большей плотности (с меньшей скоростью горения), расположенный концентрически вокруг пули. После накалывания капсюля вначале срабатывает первичный заряд, выталкивающий пулю в канал ствола и создающий давление форсирования для вторичного заряда, который двигает пулю в канале ствола.

Для удержания шашки вторичного заряда внутри патрона края открытого торца гильзы частично завальцовывают. Удержание пули в патроне осуществляется за счет её запрессовки в шашку вторичного заряда. Размещение пули по всей длине в габаритах гильзы уменьшает длину патрона, но при этом создает незаполненный объем гильзы вокруг оживальной части пули, что ведет к увеличению диаметра патрона.

В целях ликвидации указанных недостатков предлагается новая компоновка телескопического патрона, предназначенного для применения в стрелковом оружии с классическим неотъёмным патронником ствола с любым типом механизма перезаряжания (ручным, газовым двигателем, подвижным стволом, полусвободным затвором и т.д.) и способом производства стрельбы (с переднего или заднего шептала).

Предлагаемый патрон оснащен пулей, выходящей своей оживальной частью за пределы гильзы и за счет этого упирающейся в пульный вход ствола. Вместо пластмассового колпачка открытый торец метательного заряда защищен влагостойким лаком, сгорающим при выстреле. Некоторое увеличение длины предлагаемого патрона по сравнению с известными телескопическими патронами компенсируется уменьшением его диаметра за счет ликвидации незаполненных объемов внутри гильзы.

В целом предлагаемый телескопический патрон на четверть увеличит количество патронов в носимом боекомплекте пехотинца, а также позволит снизить материалоемкость, трудоемкость и себестоимость производства гильз.