Динамика рассеивания пороховых газов и ее значение для определения дистанции выстрела

Исследование рассеивания пороховых газов и их действия на преграду имеет значение для решения ряда судебно-медицинских вопросов. Сведения в литературе по этому вопросу ограничены. В.П. Петров (1958) исследовал методом скоростной киносъемки механизм действия пули на тело, но влияние пороховых газов им не изучалось. И.Ф. Огарков (1958), используя ту же методику, изучал динамику образования входных и выходных раневых отверстий в сфере разрывного действия пороховых газов, однако эти исследования касались только изменения тканей тела в момент выстрела. Динамика же рассеивания пороховых газов при этом также не изучалась.

Поэтому мы поставили задачу найти закономерность распространения пороховых газов и исследовать динамику рассеивания газовой струи при встрече с преградой на различных расстояниях от дульного среза.

Известно, что начальная скорость пороховых газов превышает скорость звука в газовой струе (М.Е. Серебряков, 1962). Это позволяет применить для анализа данного явления уравнение Гюгонио, устанавливающее связь между площадью поперечного сечения газовой струи и ее скоростью (А. М. Мхитарян, 1970):

где ω — площадь поперечного сечения газовой струи; υ — скорость газа; а — скорость звука; dω к dυ — дифференциалы площади поперечного сечения газовой струи и скорости газа. Из формулы Гюгонио следует, что при сверхзвуковой скорости газовой струи площадь ее поперечного сечения возрастает с увеличением скорости и убывает, если скорость уменьшается. Если же скорость газа меньше скорости звука, то зависимость обратная и при падении скорости струя расширяется. Переход от сверхзвуковой скорости к дозвуковой имеет скачкообразный характер и при этом возможно возникновение ударных волн.

Исходя из этих данных, можно построить следующую теоретическую схему рассеивания пороховой газовой струи (рис. 1). Допустим, что струя газов, имеющая у дульного среза скорость выше звуковой, рассеивается по оси X. С увеличением X (расстояния от дульного среза) скорость струи быстро убывает, что объясняется малой массой частиц газа, а следовательно, и малой инерцией и значительным сопротивлением воздуха. Но на каком-то отрезке скорость остается сверхзвуковой и при уменьшении ее площадь поперечного сечения струи убывает (рис. 1, участок 1 — 2).

Рис. 1. Схема рассеивания газов у дульного среза.

Когда скорость движения газа достигает скорости распространения звука в нем, поперечное сечение струи будет минимальным (рис. 1, участок 2). Если же скорость газа меньше скорости звука, падение скорости должно сопровождаться увеличением площади поперечного сечения струи (рис. 1, участок 2—3). Так как переход к дозвуковой скорости газа происходит скачкообразно, расширение струи на участке 2—3 должно быть резко выраженным.

С целью проверки справедливости теоретической схемы фотографировали вспышки газов бездымного пороха при выстрелах    стандартными патронами из ружья 12 калибра (сверловка ствола 4-е дульное сужение). Выстрелы производили в темноте перед открытым объективом (фотоаппарат «Киев», пленка чувствительностью 250 единиц ГОСТ) на расстоянии от дульного среза до объектива 90 и 40 см. Всего сфотографировали вспышки 30 выстрелов, из них 8 производили в воздух и 22 - с расстояний 2, 3, 5, 10, 15, 20 и 30 см в деревянную преграду, к которой прикрепляли мишени из белого картона. С каждой дистанции произвели от 2 до б выстрелов.

Рис. 2  Выстрел в воздух

Изучив фотографии вспышек выстрелов, производившихся в воздух, и сравнив их со схемой газовой струи, пришли к выводу о принципиальном сходстве  теоретических построений с экспериментами. Струя пороховых газов, так же как и ее теоретическая модель, всегда имеет узкую начальную часть и расширение — «вспышку» (рис. 2). На всем узком участке, начиная от дульного среза, струя должна иметь сверхзвуковую скорость, а на широком участке — дозвуковую. Следует иметь в виду, что в широкой части струя смешивается с окружающим воздухом, вследствие чего здесь возможно догорание пороховых газов (вспышка), на что указывал С. Д. Кустанович (1956). Измерения показали, что сверхзвуковой участок струи пороховых газов имеет постоянную длину 8—10 см (для данных патронов и ружья). Длина видимой дозвуковой части также равна 8—10 см, но в действительности она может быть значительно больше, так как на расстоянии свыше 20 см от дульного среза пороховые газы остывают и сфотографировать их невозможно.

Помимо этого, на фотографии (см. рис. 2) видно, что широкая часть газовой струи также постепенно сужается, что на первый взгляд противоречит уравнению Гюгонио. Но это противоречие кажущееся. Дело в том, что частицы газа быстро теряют скорость, в области сечения 3 (см. рис. 1) или вскоре за его пределами она становится меньше скорости дроби и позади снаряда возникает область отрицательного давления, в которую втягивается центральная часть газовой струи. Таким образом, дальность распространения газов и взвешенных в них частиц копоти увеличивается. Именно этим и следует объяснить тот факт, что при выстрелах из охотничьего оружия действие следов копоти бездымного пороха наблюдается на расстоянии до 100 и даже до 200 см.

Рис.3 Выстрел в преграду с расстояния 20см.

Существенные для практики результаты получены при фотографировании вспышек выстрелов, производившихся в преграду. Рассеивание пороховых газов при встрече с преградой зависело от того, где находится преграда — на сверхзвуковом или дозвуковом участке газовой струи. Если преграда поставлена на пути дозвуковой (широкой) части струи (15—30 см от дульного среза), то видимых признаков рассеивания газа по поверхности преграды не наблюдается (рис. 3), а широкая часть струи приобретает прямоугольные очертания.

Если преграда находится на расстоянии 5—12 см от дульного среза, т. е. на сверхзвуковом, или на границе между сверхзвуковым и дозвуковым участком, то сверхзвуковая часть газовой струи укорачивается, а перед преградой образуется резко очерченный сгусток газа цилиндрической или дискообразной формы, впереди которого на некоторых фотографиях видна четкая изогнутая линия, вероятно, являющаяся отразившейся от преграды акустической (ударной) волной (рис. 4).

Рис. 4. Выстрел в преграду с расстояния 8—10 см.

Взаимодействие газовой струи с преградой при участии звуковой волны приводит иногда к причудливым формам рассеивания пороховых газов. Часто при выстрелах с расстояния 8—10 см боковые края газового сгустка разделены промежутками, указывающими на возможность колебательных движений газа. При выстрелах с расстояния 5 см сгусток газа перед преградой становится более сжатым (рис. 5). Если преграда находится на расстоянии 2—3 см от дульного среза, то дозвуковая (широкая) часть струи становится почти незаметной.

В 10 экспериментах фотографии вспышек, сделанные в натуральную величину, сопоставляли с отложениями копоти на мишенях, причем если расстояние выстрела не превышало 10—15 см, то широкая часть газовой струи, образующаяся непосредственно перед преградой, всегда совпадала по диаметру с внутренним краем первого кольца внешней зоны копоти на мишени (рис. 6), диаметр которого составлял 7—8 см. Если выстрелы производили с расстояния 20 см, то видимых колебаний газовой струи у преграды не наблюдали и внешняя зона копоти имела форму лучей без выраженного кольца. Внутренняя зона не зависела от особенностей распространения газовой струи и с увеличением расстояния выстрела существенно не менялась в размерах. Отсюда следует, что центральная зона копоти в виде серо-черного лучистого пятна, расположенного вокруг входного отверстия, почти не рассеивается и, вероятно, представляет собой видоизмененный поясок обтирания, расширенный в результате действия пороховых газов на преграду. Внешняя же зона копоти образуется вследствие сложного взаимодействия газовой струи с преградой, а своей кольцевидной формой она обязана возникающим у преграды акустическим колебаниям и ударным волнам.

Рис. 5. Выстрел с расстояния 5 см.

Рис. 6. Сопоставление формы и размеров вспышки с внешним кольцом копоти на мишени. Выстрел с расстояния 12 см.

Выводы

1. Струя газов бездымного пороха, возникающая у дульного среза при выстрелах из гладкоствольных охотничьих ружей, подчиняется определенному аэродинамическому закону и состоит из двух частей: начальной (узкой), имеющей сверхзвуковую скорость, и широкой, скорость которой меньше скорости звука.
2. Закономерности рассеивания пороховых газов при встрече с преградой существенно зависят от расстояния выстрела. Если преграда находится в пределах сверхзвуковой части газовой струи и особенно в области границы с дозвуковой частью (8—10 см от дульного среза), то перед ней образуются газовые сгустки, имеющие колебательный характер.
3. Размеры внутренней зоны копоти бездымного пороха в виде лучистого пятна, расположенного вокруг входного отверстия, почти не зависят от расстояния выстрела. Эта часть копоти, вероятно, представляет собой видоизмененный «поясок обтирания», контуры которого расширены под влиянием газовой струи.
4. Внешняя зона копоти выстрела формируется вследствие сложного взаимодействия газовой струи с преградой и возникающих здесь акустических колебаний и ударных волн, действие которых особенно сильно проявляется на расстоянии до 10—15 см, т. е. на сверхзвуковом участке струи.