W czasie I wojny światowej walczący zaczęli stosować dla piechoty ochronę osobistą w postaci stalowych hełmów i kirysów, których na pewną odległość nie dało się przebić pociskami o małej prędkości z broni strzeleckiej. W chwili obecnej SIBZ z płytami kompozytowymi z węglika boru o grubości 9 mm nie mogą być przebijane przez pociski przeciwpancerne ze stalowym rdzeniem o kalibrach 5, 45x39 mm, 5, 56x45 mm, 7, 62x39 mm, 7, 62x51 mm i 7, 62x54 mm w odległości mniejszej niż 100 metrów…
Aby pokonać tę przeszkodę, pociski przeciwpancerne broni strzeleckiej coraz częściej wykorzystują rdzeń wykonany z kompozytowego stopu węglika wolframu z kobaltem typu VK8 o wielkości ziarna poniżej 1 μm, którego ostateczna wytrzymałość na zginanie wynosi 2 GPa, w ściskaniu 4 GPa przy twardości HRA 85 jednostek. Jeszcze bardziej obiecujący jest stop metalu typu wolframu VNZh97 przez analogię z rdzeniami pocisków artyleryjskich przeciwpancernych. Jednak płyty SIBZ mają również rezerwę na zwiększenie odporności zarówno poprzez zwiększenie udziału procentowego węglika boru w kompozycie, jak i przez grubość płyt (uwzględniając tendencję do przechodzenia na stosowanie egzoszkieletów pasywnych jako części wyposażenia piechoty).
Ponadto klasyczna kula o ostrołukowym pocisku jest wyjątkowo nieskutecznym nośnikiem rdzenia przeciwpancernego, ponieważ wymaga użycia ołowianej osłony, aby przejść przez gwintowanie lufy bez niszczenia ich w kontakcie z twardym stopem rdzenia. W efekcie masa samego rdzenia zostaje zredukowana do minimum. Na przykład pocisk naboju 7N24M kalibru 5, 45x39 mm z bimetalicznym płaszczem, ołowianym płaszczem i rdzeniem przeciwpancernym wykonanym ze stopu VK8 waży 4,1 grama, z czego waga rdzenia to zaledwie 1,8 grama. Ponadto podczas zderzenia z płytą SIBZ część energii kinetycznej pocisku jest zużywana na zgniecenie bimetalicznego pocisku, przebicie go rdzeniem przeciwpancernym i oderwanie ołowianego płaszcza.
Bardziej efektywną metodą zwiększania penetracji pancerza pocisków z broni strzeleckiej jest zwiększenie ich prędkości początkowej i zmniejszenie pola przekroju. Pierwszy środek zwiększa energię kinetyczną pocisku, drugi zwiększa obciążenie właściwe na styku pocisku z przeszkodą. Szybkość pocisku jest ograniczona przez maksymalne ciśnienie gazów prochowych w lufie, które obecnie osiąga 4500 atmosfer i jest określone przez wytrzymałość stali lufy. Ograniczenie to przezwycięża się poprzez zmniejszenie masy i średnicy pocisku przy zachowaniu tej samej średnicy otworu – tj. przełączając się na pociski podkalibrowe. Do prowadzenia pocisku podkalibrowego w otworze stosuje się rozwinięte pasy prowadzące na powierzchni rdzenia lub paletę polimerową, których gęstość materiału jest 9-11 razy mniejsza niż gęstość mosiądzu lub ołowiu.
Pierwszym konstruktywnym rozwiązaniem w tej dziedzinie jest kula Niemca Harolda Gerlicha, opracowana w pierwszej połowie XX wieku i wyposażona w dwa wiodące pasy stożkowe. Kula w locie była stabilizowana przez obrót, gwintowana lufa miała zmienną średnicę, zwężającą się ku końcowi, co pozwalało na osiągnięcie jeszcze większej efektywności wykorzystania energii gazów prochowych. W rezultacie pocisk o wadze 6,5 grama przyspieszył do prędkości 1600 m/s i przebił stalową płytę o grubości 12 mm w odległości 60 mm. Jednak gwintowana lufa o zmiennej średnicy była zbyt kosztowna w produkcji, a dokładność strzelania pociskami z pasami prowadzącymi, pogniecionymi podczas strzału, pozostawiała wiele do życzenia.
Drugim rozwiązaniem konstrukcyjnym w dziedzinie pocisków podkalibrowych jest opracowanie amerykańskiej firmy AAI na czele z jej szefem Irwinem Barrem, która w 1952 roku opracowała 12-kalibrowy nabój do karabinu wyposażony w 32 elementy uderzające w kształcie strzały umieszczone w pojemniku - paleta typu push. Testy wykazały, że pociski w kształcie strzał mają duże działanie niszczące, ale mają niską celność odpalania ze względu na niemożność zapewnienia danej kierunkowości lotu pocisków po ich grupowym odejściu z lufy
Prace w ramach inicjatywy kontynuowano w ramach programu badawczego US Army SALVO. AAI opracowało jednonabojowy nabój XM110 kalibru 5,6x53 mm z dużym wydłużeniem tulei, wyposażony w stalowy podkalibrowy pocisk w kształcie strzały o średnicy 1,8 mm i ogonie kalibru. Jako urządzenie wiodące zastosowano miskę do ciągnięcia ze stopu magnezu, która po opuszczeniu lufy była pocięta na części przez nasadkę wylotową. Strzelanie odbywało się z broni strzeleckiej z gładką lufą, stabilizację pocisku w locie zapewniała jednostka ogonowa. Skosy aerodynamiczne na płaszczyznach usterzenia ustalają niewielką prędkość kątową obrotu pocisku w celu uśrednienia wpływu na prostoliniowość lotu wad produkcyjnych w jego wykonaniu.
W trakcie eksperymentów opracowano ulepszoną wersję naboju 5, 77x57V XM645, w której zastosowano kompozytową czterosegmentową misę ciągnącą wykonaną z włókna szklanego z powłoką teflonową, przytrzymywaną na pocisku w lufie pod wpływem sił tarcia i rozpadającą się na segmenty pod wpływ ciśnienia powietrza po wyrzuceniu pocisku z lufy. Długość naboju wynosiła 63 mm, długość pocisku w kształcie strzały wynosiła 57 mm, waga pocisku 0,74 grama, paleta 0,6 grama, prędkość wylotowa pocisku 1400 m/s
Jednak w celu zapewnienia jak największego wydłużenia pocisku AAI musiał postawić na wydłużenie łuski, co negatywnie wpłynęło na niezawodność mechanizmu przeładowania ze względu na duże tarcie w komorze, a także doprowadziło do zwiększenia gabarytów i waga odbiornika broni strzeleckiej.
Dlatego w kolejnym programie US Army, nazwanym SPIW, liderem był nabój 5,6x44 XM144, opracowany przez Frankfort Arsenal w formie niskoimpulsowego naboju 5,56x45 mm. Ulepszona wersja naboju XM216 SFR miała standardową tuleję, długość naboju wynosiła 49,7 mm, długość pocisku w kształcie strzały wynosiła 45 mm, waga pocisku 0,65 grama, waga palety 0,15 gramów, prędkość wylotowa pocisku wynosiła 1400 m/s
Eksperymentalne strzelanie prowadzone w ramach programów SALVO i SPIW pociskami podkalibrowymi w kształcie strzały o bardzo małej masie ujawniło fatalne wady takich pocisków - zwiększony znoszenie boczne pod wpływem wiatru i znaczne odchylenie od wyznaczonej trajektorii strzelanie w deszczu.
W Związku Radzieckim pierwszy nabój 7, 62/3x54 mm z podkalibrowym pociskiem w kształcie strzały został opracowany pod kierownictwem Dmitrija Shiryaeva na początku lat 60. w NII-61 (przyszły TsNIITOCHMASH). Pocisk w kształcie strzały różnił się od swoich amerykańskich odpowiedników większą masą, mniejszym wydłużeniem (3x51 mm), brakiem zwężenia w okolicy ogona i, co najważniejsze, sposobem łączenia palety z pociskiem za pomocą grzebienia nałożony na wałek strzały. Takie rozwiązanie umożliwiło zapewnienie niezbędnego chwytu przy większej sile pociągowej od strony palety, aby wystrzelić pocisk o wielokrotności masy niż jej amerykańskie odpowiedniki
Dwuczęściowa paleta została wykonana ze stopu aluminium, dlatego rozlatując się po opuszczeniu lufy, stanowiła pewne zagrożenie dla sąsiednich strzelców. Dodatkowo aluminium intensywnie przywierało do powierzchni otworu lufy, co wymagało czyszczenia lufy na sucho co 100-200 strzałów. Ale najbardziej negatywną właściwością pocisków w kształcie strzał okazał się ich niski śmiertelny wpływ na siłę roboczą - szybkie pociski doskonale przebijały zbroję i, jak igły, przechodziły przez miękkie tkanki, nie powodując uderzenia młotem wodnym i nie tworząc kanału rany o dużej średnicy.
W związku z tymi okolicznościami w 1965 roku pod przewodnictwem Władysława Dworianinowa rozpoczęto opracowywanie nowego naboju kalibru 10/4, 5x54 mm z pociskiem w kształcie strzały o zmodyfikowanej konstrukcji o masie zwiększonej do 4,5 grama. Podczas opracowywania wykorzystano materiał polimerowy do wykonania palety, która nie zanieczyszcza otworu lufy podczas strzału, zastosowano zwężenie ogona wału (jak w amerykańskich odpowiednikach) w celu zwiększenia współczynnika balistycznego, a przekrój poprzeczny trzon został uformowany w rejonie grzebienia i płasko na czubku pocisku w celu odpowiedniego konstruktywnego osłabienia pocisku w celu rozbicia na dwie części i przewrócenia pocisku w procesie penetracji tkanek miękkich
Te rozwiązania techniczne pozwoliły zwiększyć śmiertelność pocisków w kształcie strzał, ale jednocześnie zmniejszyły stopień penetracji ochrony osobistej piechoty, ponieważ pocisk przechodzący przez solidną barierę podlega również naprężeniom zginającym (wzrastającym z zwiększenie kąta zetknięcia się pocisku z przeszkodą), co prowadzi do zniszczenia dwukrotnie osłabionego grzebieniem i przecięciem trzonu pocisku w najbardziej krytycznym odcinku, bezpośrednio przylegającym do ostrza. Zysk w śmiertelnej akcji i utrata penetracji nie pozwoliły na przyjęcie podkalibrowych pocisków w kształcie strzał zaprojektowanych przez Dvoryaninova i in.
Badanie procesu opływu różnych ciał w tunelu aerodynamicznym z naddźwiękowym przepływem powietrza ujawniło, że pociski w kształcie strzał dowolnej konstrukcji mają nieoptymalny kształt aerodynamiczny - generują jednocześnie pięć frontów fali uderzeniowej:
- przód głowy;
- przód w miejscu przejścia punktu do wału;
- przód na krawędziach natarcia ogona;
- przód na spływających krawędziach ogona;
- przód w miejscu zwężenia ogona wału.
Dla porównania, kula kalibru o ostrołukowym kształcie o prędkości ponaddźwiękowej generuje tylko trzy fronty fali uderzeniowej:
- przód głowy;
- przód w miejscu przejścia końcówki w część cylindryczną;
- przód ogona.
Najbardziej optymalnym z punktu widzenia aerodynamiki lotu naddźwiękowego jest stożkowy kształt pocisku bez pękania powierzchni generującej i bez ogona, który generuje tylko dwa fronty fali uderzeniowej: łeb i ogon. W tym przypadku kąt otwarcia czoła łba pocisku stożkowego jest kilkakrotnie mniejszy niż kąt otwarcia czoła łba pocisku przemiatanego ze względu na mniejszy kąt otwarcia czubka pierwszego w porównaniu z kątem otwarcia pocisku. drugi stożek. Ponadto pocisk w kształcie strzały, wystrzeliwany z gładkiej lufy i rozwijany w locie (w celu skompensowania wad produkcyjnych) ze względu na skosy ogona, wyróżnia się również zwiększonym hamowaniem ze względu na dobór części kinetycznej energia do odwijania pocisku.
W związku ze wskazanymi mankamentami pocisków w kształcie strzał oferowany jest innowacyjny nabój pod tytułem „Włócznia”/SPEAR, wyposażony w podkalibrowy pocisk stożkowy z wypychaczem, który nie wymaga grzebienia na korpusie pocisku. Wkład wykonany jest w formie teleskopowej w celu zminimalizowania objętości opakowania, którą określa jedynie długość i największa średnica rękawa. Nabój przeznaczony jest jako amunicja do broni strzeleckiej wyposażonej w lufę z otworem na śrubę owalną, wywierconą jak Lancaster w celu skręcenia pocisku w trakcie przechodzenia przez otwór lufy. Pocisk w locie zachowuje stabilność zarówno dzięki momentowi żyroskopowemu, jak i dzięki przemieszczeniu środka ciężkości do przodu względem środka ciśnienia aerodynamicznego poprzez utworzenie wewnętrznej wnęki w ogonie pocisku.
Stożkowy pocisk wystrzeliwany z lufy Lancastera ma lepszy współczynnik balistyczny w porównaniu do pocisków ostrołukowych i strzałkowatych z następujących powodów:
- najmniejsza liczba frontów fal uderzeniowych generowanych podczas lotu naddźwiękowego;
- brak strat energii kinetycznej podczas wirowania pocisku z powodu napływającego powietrza.
Stożkowy pocisk z wewnętrzną wnęką w części ogonowej ma również zwiększoną zdolność penetracji - w procesie przechodzenia przez solidną barierę część ogonowa jest zgniatana do wewnątrz, a średnica podstawy stożka zmniejsza się do średnicy pocisku w odcinek początku wnęki. Obciążenie poprzeczne pocisku jest prawie podwojone. W tym przypadku ostrość zachowanej powierzchni stożkowej pocisku pozostaje większa niż w przypadku pocisku o kształcie ostrołuku lub strzały o jednakowej długości. Brak grzebienia i poprzecznych nacięć na powierzchni stożkowego pocisku dodatkowo zwiększa jego penetrację w porównaniu z pociskiem w kształcie strzały zaprojektowanym przez Dvoryaninova i in.
Jednocześnie pocisk stożkowy z wewnętrzną wnęką w części ogonowej ma wysoki efekt śmierci, ponieważ:
- jest na granicy stabilności ze względu na łagodny skok gwintu śruby w otworze Lancaster;
- po przebiciu bariery pancernej jej stabilność spada na skutek zgniecenia części ogonowej i przesunięcia środka nacisku poza środek ciężkości.
Utrata energii kinetycznej na przebicie bariery pancernej w stożkowym pocisku z wewnętrzną wnęką jest na poziomie pocisków o kształcie strzały i ostrołuku: w tych pierwszych energia jest zużywana na zmiażdżenie ciała w obszarze wnęki, w drugim na odcięciu ogona, w trzecim na zmiażdżeniu i oderwaniu skorupy i koszuli od rdzenia.
Korpus pocisku stożkowego funkcjonalnie odpowiada rdzeniowi pocisku osłoniętego, nie ma płaszcza ołowianego, zamiast łuski wykonanej z ciężkiego i drogiego mosiądzu zastosowano paletę z lekkiego i taniego tworzywa sztucznego. Z drugiej strony pocisk stożkowy najbardziej racjonalnie wykorzystuje właściwości wytrzymałościowe swojego materiału konstrukcyjnego w porównaniu z pociskiem w kształcie strzały, sztucznie osłabionym w miejscu grzebienia i nacięcia poprzecznego. Dzięki temu masę pocisku stożkowego można znacznie zminimalizować w porównaniu z pociskiem ostrołukowym i strzałkowatym o równej penetracji. Umożliwia to dokonanie ekonomicznie uzasadnionego wyboru materiału konstrukcyjnego pocisku stożkowego na korzyść stopu wolframu, który ma największą gęstość.
Ze względu na ograniczoną objętość wewnętrzną naboju teleskopowego proponuje się zastosowanie ładunku miotającego w postaci sprasowanego testera proszkowego z dodatkiem krystalicznych granulek HMX (którego rozmiar jest mniejszy niż średnica krytyczna detonacji materiału wybuchowego) w celu zapewnienia projektowej szybkości spalania ładunku dla wybranej długości lufy broni strzeleckiej. W celu zmniejszenia masy całkowitej wkładu jako materiału konstrukcyjnego jego tulei proponuje się zastosowanie stopu kompozytowego aluminium i rozproszonych włókien tlenku glinu, zabezpieczonego powłoką z mosiądzu ocynkowanego oraz polimerową powłoką przeciwcierną z wypełnieniem grafitowym, opisane w artykule „Obiecujące naboje do broni gwintowanej” („Przegląd wojskowy” z dnia 9 grudnia 2017 r.).
Poniższa tabela zawiera ocenę porównawczą różnych typów nabojów i pocisków do broni strzeleckiej:
Jak widać z tabeli, nabój „Spear” / SPEAR jest liderem pod względem minimalnej objętości, długości i wagi, a także obciążenia bocznego pocisku. Całkowity moment odrzutu pocisku, panewki i gazów prochowych jest o około 1/3 wyższy niż całkowity moment odrzutu pocisku i prochu pocisku 5, 45x39 mm, przy czym energia wylotowa tego pierwszego jest przekroczona o 1/7 w porównaniu do drugiego.
Ponadto podczas wystrzeliwania pocisku w palecie polimerowej z lufy z otworem na śrubę owalną praktycznie nie ma termoplastycznego zużycia otworu lufy z powodu braku rowków. W związku z tym wzrost o ponad 1,5-krotność początkowej prędkości pocisku nie wpłynie na zasoby broni strzeleckiej. Co więcej, niezniszczalny strzał tworzy rezerwę na zwiększenie szybkostrzelności w stałych seriach do poziomu 2000-3000 strzałów na minutę, co zaleciła komisja GRAU Ministerstwa Obrony Federacji Rosyjskiej na podstawie wyników Abakanu konkurencji w celu zwiększenia dokładności automatycznego strzelania z niewygodnych pozycji.
Oprócz amunicji do broni strzeleckiej, nabój „Włócznia”/SPEAR może być używany jako amunicja do broni myśliwskiej z lufami Lancaster typu IZH-27 przy użyciu standardowych plastikowych tulei wypełnionych kutym stożkowymi kulami ze stali lub mosiądzu w segmentowej palecie wykonanej z formowanego tworzywa termoplastycznego. Utrzymując odrzut broni na poziomie strzelania konwencjonalnego 12-kalibrowego strzału, pocisk podkalibrowy o wadze 9 gramów rozpędzi się w 70 cm lufie do prędkości 900 m/s, co odpowiada charakterystyce broni Trzyrzędowy karabin Mosina.
Charakterystyka geometryczna różnych typów pocisków stożkowych (długość, kąt rozwarcia stożka, stopień okrągłości/dwuskości główki, obecność na czubku powierzchni styku w celu zmiażdżenia bariery pancernej lub ekspansywnego wgłębienia w celu śmiercionośnego strzału w duże zwierzę, głębokość i grubość ścianek wnęki ogonowej), biorąc pod uwagę określone prędkości lotu i cele do trafienia można określić na podstawie symulacji przejścia pocisków w powietrzu, żelu lub nośnikach stałych za pomocą oprogramowania krajowego FlowVision.
