Картофельная пушка

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Пневматическая картофельная пушка

Картофельная пушка (англ. «potato cannon», «spud cannon», «spudzooka») дульнозарядное орудие, приводимое в действие сжатым воздухом, или за счёт энергии образующейся при воспламенении смеси горючего газа и воздуха (кислорода)[1][2][3][4] для придания снарядам высокой скорости[5]. Предназначена, в основном, для развлекательной стрельбы кусками картофеля или другими предметами. При использовании, необходимо соблюдать меры предосторожности, поскольку, попадание снаряда в человека может привести к травмам, опасным для жизни[6].

Принцип действия[править | править вики-текст]

Работа картофельных пушек основана на тех же принципах что и в огнестрельном оружии, но с меньшим рабочим давлением. По способу приведения снаряда в движение все изделия можно разделить на четыре типа:

  • С воспламенением топливо-воздушной смеси (пироэлектрические). Производительность ограничена энергией сгорания смеси.
  • За счет энергии сжатого газа (обычно воздуха) с выпуском через клапан. Такие установки, как правило, называют пневматическими катапультами, и их мощность ограничивается давлением воздуха, получаемого за счёт компрессора, ручного насоса или сжатого газа в баллоне.
  • За счет взрыва бомбы из сухого льда Их мощность ограничена использованными материалами и размерами сухого льда.
  • Гибридного или комбинированного типа — с использованием энергии сжатой топливо-воздушной смеси. В этом случае мощность ограничена только механической прочностью используемых материалов.

Пироэлектрические системы[править | править вики-текст]

Картофельные пушки с воспламенением топливо-воздушной смеси являются наименее сложными конструкциями. Они состоят из четырёх компонентов:

  • Топливная система
  • Камера сгорания
  • Система воспламенения
  • Ствол

Для производства выстрела, оператор проталкивает шомполом снаряд (например картофель) в ствол, впрыскивает топливо в камеру сгорания (чаще всего, аэрозоли или пропан), и активирует систему воспламенения, в качестве которой чаще всего используется пьезоэлемент газовой зажигалки. Воспламенившаяся смесь создаёт горячие газы, которые, расширяясь, выталкивают снаряд из ствола. Дальность выстрела сильно различается и зависит от многих факторов (тип топлива, соотношение воздух/топливо, объем камеры сгорания) и в общем случае не превышает 100 до 200 метров, хотя известны факты стрельбы на расстояние до 500 метров[7].

Усовершенствованные системы могут содержать устройства для дозировки пропана для более точного соотношения газов в топливо-воздушной смеси, вентиляторы в камере сгорания для эффективного смешивания топлива с воздухом и ускорения удаления отработавших газов из камеры сгорания после стрельбы, несколько искровых разрядников, для сокращения времени горения, и высоковольтные источники зажигания (электрошокеры, вспышки фотоаппаратов).

Пироэлектрические системы, как правило, наименее мощные, чем их пневматические и гибридные аналоги.

Пневматические системы[править | править вики-текст]

Устройство большой пневматической пушки: снаряд помещается в ствол (на рисунке не показан), который затем крепится к пушке (поз. 2). Воздушный резервуар (3) заполняется сжатым воздухом с давлением до 0.83 MPa через Клапан Шредера (4). при открытии электромагнитного клапана (1), сжатый воздух выталкивает снаряд из ствола

Пневматические пушки немного сложнее из-за необходимости изготовления полностью герметичной системы. Сама пушка состоит из следующих компонентов:

  • Заправочный клапан.
  • Воздушный резервуар.
  • Клапан сброса давления.
  • Ствол.

В пневматической пушке, воздух подается в воздушный резервуар. После того, как в камере будет достигнуто необходимое давление, открывается клапан сброса давления и сжатый воздух выталкивает снаряд из ствола.

Впускной клапан, используется доступного типа, таких как клапан Шредера или Преста (использующиеся обычно в автомобильных или велосипедных шинах), или другого типа, позволяющие быстро соединять и разъединять воздушный резервуар с источником сжатого воздуха.

Клапан сброса давления часто является одним из различных коммерчески доступных типов, таких как шаровой кран, клапан опрыскивателя оросительной системы.

Пневматические картофельные пушки, как правило, более мощные, чем пироэлектрические. Типичная пироэлектрическая система создает, в среднем, давление в камере сгорания около 210 кПа, в пике 500—700 кПа, в то время как пневматическая пушка может работать при давлениях в районе 700 кПа. В последнее время стали все чаще использовать даже более высокое давление, иногда до 3,4 МПа и выше.

Диапазон стрельбы пневматической пушки более изменчив, чем пироэлектричекой, в связи с увеличением возможностей изменения компонентов. Средняя дальность выше из-за большей мощности. Максимальная дальность стрельбы некоторых образцов достигает более 1000 метров[8].

Системы на сухом льде[править | править вики-текст]

выстрел из ПВХ пушки, работающей на сухом льде.

Пушка на сухом льде использует возгонку твердой фракции двуокиси углерода для получения давления газа, приводящего в движение снаряд.

Самый простейший способ стрельбы заключается в загрузке сухого льда в ствол, наглухо закрытый с казённой части и помещение с дульной части ствола герметично закрывающего выход снаряда. Когда давление углекислого газа, сублимировавшего из сухого льда, достигнет определённого уровня, снаряд будет выдут из ствола. Давление таких устройств, не очень высоко, поскольку для выстрела сжатому газу достаточно преодолеть силу трения покоя снаряда в стволе[9].

В современных системах используется взрывной метод запуска: в пластиковую бутылку с водой добавляют и небольшое количество сухого льда, быстро закрывают и опускают в ствол закрытый с одного конца. Затем вставляется снаряд. Вода ускоряет сублимацию сухого льда и давление газа в конечном итоге разрывает бутылку и запускает снаряд. Давление разрыва стандартной пластиковой бутылки 1,4 и 2,1 МПа на открытом воздухе, но после заключения в трубу может быть выше[9].

В связи с особенностями работы конструкции необходимо соблюдать дополнительные меры безопасности:

  • Бомба из сухого льда, использующаяся для выстрела, может достичь давления разрыва в от нескольких секунд до нескольких часов в зависимости от количества воды и сухого льда. Если сухого льда мало, она также может не достичь давления разрыва. Это может вызвать убеждение, что пушка не смогла выстрелить, но при попытке разрядить её можно произвести дополнительную нагрузку на бутылку, что может привести к её взрыву.
  • Конструкция пушки может оказаться не рассчитанной на такое давление, что может привести в момент выстрела к её разрушению.
  • Отдача такой пушки может оказаться сильной из-за высокого давления в сочетании с большим внутренним диаметром трубы, необходимым для помещения бутылки (5-9 см), в результате они не подходят для стрельбы с рук[9].

Другим способ использования сухого льда в картофельных пушках является использование возгонки для создания давления до выпускного клапана, размещённого между стволом и резервуаром с сухим льдом. Давление за клапаном может достигать свыше 5,5 МПа. Выстрел производится открытием клапана. Хотя этот метод является более управляемым и безопасным, чем использование взрывающейся пластиковой бутылки или разрывной мембраны (при условии использования соответствующих давлению трубопроводов и иных материалов), он ограничен тем, что выпускные клапана, такие как шаровые краны, имеют небольшой проходной диаметр. Кроме того, время их открытия намного больше чем время взрыва бутылки, следовательно на снаряд будет воздействовать меньший поток газа. Однако, это компенсируется тем, что такая конструкция может работать при давлении более чем вдвое превышающем давление взрыва типичной бутылки с сухим льдом[9].

Гибридные системы[править | править вики-текст]

Основными компонентами гибридных систем являются:

  • Топливная система (пропан).
  • Заправочный воздушный клапан.
  • Один или несколько датчиков давления (манометры).
  • Камера сгорания высокого давления.
  • Открываемый давлением разрывной клапан (разрушаемая мембрана).
  • Ствол.
  • Система воспламенения топливо-воздушной смеси.

Гибридная система объединяет в себе пироэлектрические и пневматические системы. Она использует энергию воспламенения предварительно сжатой топливо-воздушной смеси, для получения большей мощности выстрела при том же объеме камеры сгорания.

Для производства выстрела оператор сначала устанавливает разрушаемую мембрану между стволом и камерой сгорания, затем закачивает необходимое количество топлива и воздуха. При поджигании топливо-воздушной смеси мембрана разрушается и снаряд выталкивается из ствола. Гибридные системы способны производить выстрел мощнее чем пироэлектрические или пневматические, поскольку возникающее, в момент выстрела, давление, выше, чем в пироэлектрической системе (для большинства видов топлива), а ударная волна движется быстрее, чем она может в пневматический, из-за более высокой температуры. Снаряды, выпушенные с помощью гибридной пушки способны преодолеть звуковой барьер[10].

Гибридные пушки, использующие топливно-воздушной смесь с давлением в два раза выше атмосферного, называются «использующие 2-х кратную смесь». Могут быть использованы смеси с более высоким давлением, и они будут производить выстрелы большей мощности. Но для более эффективного использования количество топлива и горючего газа должно быть точно измерено, поэтому необходимо использовать датчики давления воздуха и топлива.

Преодоление звукового барьера[править | править вики-текст]

Редко когда картофельная пушка обладает достаточной энергией для того, чтобы скорость снаряда смогла превысить скорость звука, хотя зафиксировано несколько таких случаев. Как правило испозуются конструкции гибридного типа. Но некоторые варианты пневматической пушки тоже смогли добиться такого результата, либо с помощью газов низкой плотности, таких как гелий[11][12], либо за счёт сочетания высокого давления с быстрым клапаном[13].

Возможность преодоления звукового барьера снарядом связана со скоростью движения молекул газа, выталкивающих его из ствола. Если в стволе снаряд двигается со скоростью звука или близкой к ней, то молекулы из которых состоит газ просто не могут двигаться с той же скоростью, чтобы обеспечить соответствующее ускорение. Проблема решается за счет увеличения скорости молекул, следующими способами:

  • Использованием легких молекул, например гелия в пневматических системах.
  • Нагреванием газов до высоких температур, таким образом давая им больше энергии.
  • Использование стали в конструкции в сочетании с более высоким давлением, 5,5 МПа и выше, но это достаточно сложно. Хотя с помощью углекислого газа можно достичь таких давлений, но он не подходит из-за высокой плотности.

Самая высокая зафиксированная скорость составляет 933,3 м./с. (приблизительно в М=2,7) 16,6-граммовыми пластиковыми пулями калибром 20 мм из гибридной пушки с использованием, предварительно сжатой до 20 МПа смеси воздуха и пропана[14].

Практическое применение[править | править вики-текст]

Хотя картофельные пушки создаются, в основном, как развлечение, существуют другие устройства, которые работают на аналогичных принципах во многих других областях.

Индустрия развлечений[править | править вики-текст]

  • Рекламные пушки на спортивных мероприятиях: портативные пневматические пушки, работающие на сжиженном углекислом газе стали постоянным элементом больших спортивных игр в США, где они используются для заброски упакованных предметов с рекламой игр (таких как футболки) в аудиторию. Такие «воздушные пушки», как их часто называют, сделаны из более качественных материалов, чем в обычные пневматические картофельные, но они используют те же принципы работы.
  • Пушки для спецэффектов: в кино и театральных постановках, пневматические пушки часто используются вместо огнестрельных, без использования снарядов. Они имеют различное управление, от простого шарового крана, до электронного дистанционного, в зависимости от конкретных требований.

Промышленность[править | править вики-текст]

Пропановая пушка для отпугивания птиц
  • Градопушка: большое устройство, состоящее из камеры сгорания и ствола в виде большой воронки, установленной вертикально. Газовая смесь, воспламеняясь в камере сгорания, создаёт ударную волну, которая направляется вверх воронкой. Предназначена для защиты сельскохозяйственных культур от града, нарушая ударными волнами процесс его образования в облаках. Какие либо научные доказательства эффективности отсутствуют.
  • Отпугиватель птиц: устройство, по существу является автоматической пироэлектрической пушкой. Для работы необходим сжиженный пропан и свинцово-кислотный аккумулятор. Периодически пропано-воздушная смесь взрывается, производя громкий хлопок (150 децибел возле устройства), для отпугивания птиц от полей или вблизи взлётно-посадочных полос аэропорта.
  • Куриная пушка: предназначена для проведения испытаний основных компонентов самолётов на устойчивость при столкновении с птицами в полёте. Для имитации столкновения, в самолёт выстреливают тушкой мёртвой птицы, чаще всего курицы, откуда и пошло название устройства.
  • Ударная труба: предназначена для моделирования воздействия ударной волны на макетах в уменьшенном масштабе[15].

В качестве оружия[править | править вики-текст]

Во время массовых протестов на Украине оппозиционеры изготовили картофельную пушку для обороны захваченного ими здания городской администрации Киева[16].

Примечания[править | править вики-текст]

  1. (May 2009) «Internal ballistics of a pneumatic potato cannon». European Journal of Physics 30 (3): 453–457. DOI:10.1088/0143-0807/30/3/003. Проверено 15 August 2011.
  2. (July 2004) «Analysis of the vacuum cannon». American Journal of Physics 72 (7): 961–963. DOI:10.1119/1.1710063. Проверено 15 August 2011.
  3. (Spring 2005) «The Potato Cannon: Determination of Combustion Principles for Engineering Freshmen». Chemical Engineering Education 39 (2): 156–159. Проверено 15 August 2011.
  4. (November 2007) «Acoustic Measurement of Potato Cannon Velocity». The Physics Teacher 45 (8): 496–7. DOI:10.1119/1.2798362. Проверено 15 August 2011.
  5. Gurstelle William Backyard Ballistics: Build Potato Cannons, Paper Match Rockets, Cincinnati Fire Kites, Tennis Ball Mortars, and More Dynamite Devices. — Chicago: Chicago Review Press, 2001. — ISBN 1-55652-375-0. Backyard Ballistics в Google Books.
  6. (1 March 1998) «Potato gun ocular injury». Ophthalmology 105 (3): 535–538. DOI:10.1016/S0161-6420(98)93039-1. Проверено 15 August 2011.
  7. BigBang. Crusader. SpudFiles (October 2006). Проверено 1 июня 2009. Архивировано из первоисточника 20 февраля 2009.
  8. schmanman, et al. (NEW) S.W.A.T v.3. SpudFiles (March–April 2007). Проверено 16 августа 2011. Архивировано из первоисточника 17 апреля 2013. Cannon with a calculated range exceeding 1 mile. (англ.)
  9. 1 2 3 4 (October 1932) «Perform These STARTLING STUNTS with DRY ICE». Modern Mechanix and Inventions: 114–116. Проверено 15 August 2011.
  10. Killjoy. FEAR. SpudFiles (25 April 2007). Проверено 1 июня 2009. Архивировано из первоисточника 17 апреля 2013.
  11. New stuff. The Spudgun Technology Center (14 January 2010 [original: 6 July 2002]). Проверено 16 августа 2011. Архивировано из первоисточника 17 апреля 2013.
  12. Theory/physics behind the spudgun. The Spudgun Technology Center (29 August 2008 [original: 25 June 2002]). Проверено 16 августа 2011. Архивировано из первоисточника 17 апреля 2013. Used helium to attain supersonic velocities.
  13. jackssmirkingrevenge. high velocity burst disc 6mm pneumatic. SpudFiles (8 September 2007). Проверено 16 августа 2011. Архивировано из первоисточника 17 апреля 2013. Attained approximately Mach 1 (340 m/s; 1120 ft/s) with 400 psi (2.8 MPa) and a fast valve.
  14. Larda. Lardas First Hybrid - HyGaC20. SpudFiles (31 July 2008). Проверено 1 июня 2009. Архивировано из первоисточника 17 апреля 2013.
  15. T4 Shock Tunnel. Centre for Hypersonics, The University of Queensland. Проверено 16 августа 2011. Архивировано из первоисточника 17 апреля 2013.
  16. Захватчики мэрии Киева смастерили картошкострел. // rus.delfi.ee. Проверено 28 января 2014.

Ссылки[править | править вики-текст]