Выпускные клапаны и редукторы в пневматическом оружии,
их описание, схемы и принцип работы на PCP - оружии Контроль объёма выпускаемого воздуха из резервуара в ствол является одной из наиболее сложных задач при конструировании винтовок на сжатом воздухе. В идеале объём выпускаемого воздуха должен быть таким, чтобы сообщать пуле абсолютно одинаковую скорость, несмотря на падение давления в резервуаре.
Многие годы конструктора разрабатывали разные схемы, пытаясь приблизиться к указанному идеалу. Все эти конструкции можно разделить на два основных типа: систему типа «dump» и «knock-open». В первых системах при открывании клапана за один выстрел выпускается весь воздух из резервуара, а Во-вторых системах лишь некоторая его часть. Клапаны первого типа используются в воздушных патронах, компрессионной пневматике и большей части мультикомпрессионной пневматики, а клапаны второго типа используются в РСР и изредка в мультикомпрессионных винтовках. Выпускные клапаны и редукторы в пневматическом оружии, их описание,
схемы и принцип работы на РСР-оружииВ мультикомпрессионной винтовке стабильность скорости, как правило, обеспечивается одинаковым количеством качков при сжатии воздуха. То же самое относится и к воздушным патронам, когда их накачивают ручным насосом. Большая часть спортивных винтовок относится к типу РСР и, соответственно, оснащается клапанами типа «knock-open», чтобы за один выстрел выпускать лишь часть воздуха из резервуара и обеспечивать большое количество выстрелов с одной заправки. Клапаны системы «knock-open», по сути, обычно состоят из подпружиненного ударника, который бьёт по подпружиненному штоку, заставляя его открываться на небольшой промежуток времени. Это позволяет потоку воздуха проходить из резервуара в ствол при каждом выстреле. Однако, несмотря на кажущуюся простоту, если клапан сконструирован неразумно, то скорость вылета пули будет меняться в очень широких пределах по мере израсходования воздуха в резервуаре. Первые пневматические винтовки имели очень сложную систему выпускного клапана. Нередко их приходилось взводить специальным ключом, или же взводить ударник почти как кремень в кремневых замках первых огнестрельных образцов. Сжатая листовая пружина затем разжималась, через систему рычагов заставляя открываться клапан. Механизм был весьма сложный, требующий большого времени на изготовление и настройку, соответственно, сейчас он уже не используется. Однако следует отметить, что и в таком механизме присутствовала некоторая автоматическая регуляция - по мере падения давления воздуха в резервуаре оно закрывало клапан всё медленнее, позволяя большему количеству воздуха пройти в ствол. В 1891 году Paul Giffard получил патент на винтовку, работающую на газе. Хотя его винтовка работала на углекислом газе, он всё равно имел проблему с выпуском малого количества газа на каждый выстрел. В отличие от своих предшественников, Giffard не стал конструировать сложную систему запирания резервуара, а вместо этого он сконструировал первый клапан типа «knock-open», в котором ударник непосредственно бил по штоку клапана. Более того, он даже предусмотрел регулировочный штифт, который контролировал дистанцию, на которую открывался клапан. Это позволило ему легко регулировать мощность выстрела. Однако, следует помнить, что использование углекислого газа вместо воздуха позволило конструктору избежать проблем с падением давления - пока в резервуаре оставалась жидкая фаза давление было стабильным. Если бы он использовал воздух, то ему бы пришлось как-то компенсировать небольшое падение давления после каждого выстрела. Различные вариации системы, которую предложил Gifford, сегодня используются практически во всех РСР винтовках. Ударник скользит в трубе позади клапана, толкаемый пружиной, которая сжимается при взведении винтовки. При нажатии на спусковой крючок, ударник под действием пружины движется вперёд, ударяет по штоку клапана, открывает его, а затем под действием запирающей пружины и давления в резервуаре клапан закрывается. Далее цикл повторяется пока в резервуаре остаётся воздух. «Dump» - сброс, «knock-open» - открытие ударом. 
Рис. 1
На рис. 1 резервуар A содержит воздух высокого давления, закачанный через однонаправленный заправочный клапан. Выпускной клапан С герметично прижимается пружиной В и давлением в резервуаре. При взведении ударник D отводится назад, сжимая пружину Е, а при нажатии на спуск ударник под действием пружины движется вперёд, ударяет по штоку клапана, открывая путь потоку воздуха из резервуара в ствол для разгона пули.
В большинстве конструкций ударник взводится с помощью болтового затвора, который одновременно открывает доступ к зарядному окну. В задней точке взведении ударник цепляется за шептало, а болтовой затвор можно вернуть в переднее положение. Такая конструкция обеспечивает неплохую безопасность - практически невозможно выстрелить, не закрыв затвор. Даже если нажать на спуск при открытом затворе, то ударнику придётся при движении вперёд тащить за собой весь затвор, что приведёт к бешеному падению его скорости и удар по клапану будет очень слабый, возможно, вообще недостаточный для его открытия. Кроме того, воздух, который пойдёт в ствол при открытии клапана будет большей частью утекать в атмосферу через незакрытый затвор, вместо того, чтобы толкать пулю по стволу. В случае реального использования приведённой на рисунке упрощённой схемы, о стабильности скорости не может быть и речи. Как правило, при использовании такой схемы скорость вылета пули сначала несколько нарастает, достигает максимума и начинает понемногу спадать, по мере опустошения резервуара. Некоторые производители немного изменяют приведённую выше схему, чтобы достичь большей стабильности по скорости вылета пули. Изменяя вес ударника, его пробег, силу пружин и прочие параметры можно добиться достаточно неплохой стабильности скорости вылета пули даже для такой схемы выпускного клапана. Ниже, на рис. 2 показан график изменения скорости вылета пули от числа выстрелов. Видно, что скорость сначала нарастает, достигает максимума при некотором оптимальном давлении в резервуаре, а затем начинает спадать. Правильная конструкция, настройка и расположение выпускного клапана определяются особенностями быстро движущегося потока воздуха. Как правило, это результат не столько расчётов, сколько опыта и метода проб и ошибок. Вполне очевидно, что схема выпускного клапана на рис. 1 может быть легко модифицирована в вариант «dump»-системы, для использования в компрессионной или мультикомпрессионной пневматике. Как правило, такие конструкции имеют относительно маленький объём накопителя для сжатого воздуха, поскольку иначе сжатый воздух будет использоваться неэффективно. наиболее заметно уменьшение резервуара в случае компрессионных пистолетов, поскольку для короткого пистолетного ствола требуется ещё меньший объём сжатого воздуха, а избыток его просто выхолит из дула, создавая ненужный шум. Характеристики ударника и пружин в «dump»-системе также должны быть другими, поскольку тут уже требуется полное открытие клапана при выстреле и клапан должен оставаться открытым, пока не выйдет весь воздух. Успех винтовки на сжатом воздухе во многом зависит от материала, из которого изготовлена торцевая поверхность штока выпускного клапана. С одной стороны, она должна быть достаточно мягкой, чтобы обеспечивать плотную и герметичную посадку на седло клапана, когда он закрыт. С другой стороны, она не должна быть избыточно мягкой, чтобы обеспечить надёжное и быстрое открывание клапана ударником. Таким образом, получается, что при высоком давлении в резервуаре предпочтительней использовать достаточно твёрдый материал, а при относительно низком давлении - мягкий материал. Экспериментальным путём мы пришли к выводу, что фторопласт является наиболее подходящим материалом для достаточно большого диапазона давлений, он обеспечивает надлежащую герметичность, кроме того, он может вбирать в себя небольшое количество мелкого мусора, типа случайно попавших песчинок, не нарушая при этом герметичности. 
Рис. 2
Кроме всего прочего, этот же материал должен прочно соединяться с самим штоком, иначе при открытии возможен вариант, когда сам шток под действием ударника подвинется, а его торцевая поверхность останется прижатой высоким давлением к седлу клапана. На нашей схеме рис. 1 шток клапана С сделан в виде металлической чаши, внутри которой лежит уплотнитель, хотя иногда шток и уплотнитель изготавливаются в виде одного целого из какого-либо одного материала.
В нашем случае края чаши немного загнуты вовнутрь, чтобы удерживать уплотнитель, поэтому для обеспечения герметичности седло клапана имеет небольшой выступ. Если же воздух попадёт в стык между металлической чашей и уплотнителем, то последний будет тут же вырван из чаши при очередном выстреле. Например, если диаметр штока будет дюйма, а давление в резервуаре будет 3000 PSI, то для открывания клапана нужна сила около 600 Lbs. То есть диаметр штока 0.95см, давление 204 атм., сила на отрыв 1417 Н (в два раза меньше, чем указано в оригинале, т.е. вроде там 300 Lbs должно быть). Именно эту силу должен преодолеть ударник при открытии клапана и, очевидно, что такой удар может разрушить клапан, если изготовить его из недостаточно прочного материала. Масса ударника, его разбег и сила толкающей его пружины - три основных фактора, влияющих на успех «knock-open»-системы. Если они будут подобраны неправильно, то ударник не сможет открыть клапан на нужное время, чтобы выпустить необходимый объём сжатого воздуха. Это значит, что момент движения ударника должен быть правильно подобран для каждой системы. Как известно, момент движения определяется как масса тела, умноженная на его скорость. Но в нашем случае это ещё не конец. Если пружина будет достаточно сильной, а ударник достаточно лёгким, то возможен вариант с пересиливанием закрывающей пружины В в случае пустого резервуара. Это неминуемо приводит к необходимости взводить ударник перед заправкой резервуара. Также существует вероятность, что шток С под действием пружины В и давления в резервуаре отбросит ударник достаточно далеко, что приведёт ко второму выстрелу при однократном нажатии на спусковой крючок. Теоретически на таком принципе можно получить полностью автоматический огонь очередями. С другой стороны, если взять достаточно тяжёлый ударник и относительно слабую пружину, то может потребоваться увеличение пробега ударника для получения нужного момента движения для открытия клапана. Дело в том, что при удвоении массы ударника при неизменной силе пружины момент движения увеличивается лишь на 50%. Кроме того, это может привести к тому, что удар будет ощущаться уже на всей винтовке. Тем не менее, подбор компромисса между массой ударника и силой пружины не такая уж сложная задача, мы довольно быстро находили оптимальные значения, даже если исходно выбирали совершенно неправильные характеристики. В течение многих лет мы проводили различные исследования и установили, что наиболее простым и эффективным методом регулировки мощности винтовки на сжатом воздухе является изменение расстояния, на которое ударник открывает клапан. Мы встраивали специальный регулировочный винт в ударник таким образом, чтобы штока клапана касался только самый кончик винта, после чего мощность винтовки можно было легко регулировать, изменяя этого винта относительно ударника. Кроме того, вокруг штока клапана мы прикрепили резиновое кольцо, которое принимало на себя избыток энергии ударника при открытии клапана. Таким образом, мы получили конструкцию, которая позволяла легко регулировать мощность винтовки, не внося существенных изменений в механизм. В случае же конструкций клапана типа «dump»-системы, в основном для спортивных винтовок и пистолетов, устройство клапана получается несколько более сложным, чем для «knock-open»-системы. Как правило, при нажатии на спусковой крючок клапан открывается с помощью специальной пружины, опционально через систему рычагов, и этот клапан должен затем вручную закрываться при следующем взведении. Зато при использовании такой схемы не требуется столь больших энергий для удара по клапану, как в «knock-open»-системах, что в свою очередь способствует минимизации вибраций винтовки, весьма важному фактору для спортивного оружия с лёгким спуском. 
Рис. 3
После выстрела для перезарядки резервуара С сжатым воздухом надо нажать на кнопку перезарядки N и вдавливать её до тех пор, пока поперечный подпружиненный винт L не повернётся, попав в паз М, и не зафиксирует шток К в переднем положении. В это же время шток К выдвигает обратно вперёд чашку Н вместе с деталью G и штоком Е, позволяя подняться подпружиненному шепталу Н. Кроме того, под действием пружины деталь G выдвигается из чашки Н и толкает шток Е, который в свою очередь открывает перепускной клапан В. Воздух начинает заполнять резервуар С и при достижении некоторого давления воздух снова отжимает шток Е, сжимая пружину в чашке F, и перепускной клапан В закрывается, при этом давление в резервуаре С остаётся неизменным от выстрела к выстрелу. Выпускной клапан, состоящий из штока Е и детали G, сейчас находится в положении равновесия между давлением воздуха с одной стороны и пружиной, упирающейся в чашку F, с другой стороны. Чашка F пока всё ещё удерживается штоком К, который в свою очередь зафиксирован поперечным винтом L.
В этот момент времени винтовка снова заряжена сжатым воздухом и готова к выстрелу, как только в казённик будет вложена пуля и закрыт затвор. Соответственно 204 атм. и 102 атм. Нажатие на подпружиненный винт L освобождает шток К и кнопку N, которые возвращаются назад под действием лёгкой пружины, скрытой внутри кнопки N. В этот момент детали Е, G и Н сдвигаются назад, пока чашка F не упрётся в шептало Н. В результате образуется небольшой зазор между штоком выпускного клапана Е и штоком перепускного клапана В, что гарантирует отсутствие протекания воздуха из резервуара А в резервуар С до следующего цикла перезарядки. Теперь все детали вернулись в своё исходное положение, и далее цикл выстрела и перезарядки повторяется. Разумеется, давление воздуха в резервуаре А потихоньку снижается, но это не влияет на мощность выстрела, поскольку исходное давление в нём намного больше, чем давление, накапливаемое в резервуаре С перед выстрелом. Суммируя всё вышесказанное, можно отметить, что в этой конструкции шток Е имеет четыре основных положения:
• зарядка резервуара С воздухом из резервуара А
• резервуар С полностью заряжен (шток К ещё в переднем положении)
• готовность к выстрелу (шток К отведён назад)
• выстрел (шток Е в заднем положении). Успех винтовки GC2 привёл к тому, что другие производители также стали конструировать аналогичные винтовки, правда, менее сложной конструкции. Они использовали обычную «knock-open»-схему, но вместе с редуктором, таким образом, получая одинаковое давление и стабильную скорость для каждого выстрела. На рис. 4 схематически изображён редуктор. Если сейчас вернуться к схеме на рис. 1, то этот редуктор может быть встроен прямо в резервуар, перед выпускным клапаном С так, чтобы торцевая пробка L была недалеко от конца пружины A. Кольцевое уплотнение D необходимо для исключения утечки воздуха между корпусом редуктора и внутренней поверхностью резервуара. Задача редуктора обеспечить стабильное давление перед выпускным клапаном, несмотря на падение давления в резервуаре. Вполне очевидно, что редуктор будет функционировать, пока давление в основном резервуаре не опустится ниже некоторого порога, определяемого конструкцией редуктора. Перейдём теперь к описанию работы редуктора. Воздух высокого давления протекает через впускной клапан В и перепускной канал F во вторичный резервуар перед выпускным клапаном. По мере повышения давления во вторичном резервуаре, поршень G сдвигается вправо, сжимая пружину J. Клапан В через винтовое соединение прикреплён к поршню G, поэтому движение поршня G направо приводит к закрытию клапана В путём его прижатия к уплотнению С. Поршень G ещё немного продвигается за счёт наличия внутри него небольшого количества несжатого воздуха, удерживаемого гофрированной манжетой К. Как только клапан В закрылся, воздух в редуктор больше не поступает и при этом получается, что воздух во вторичном резервуаре имеет постоянное, определяемое конструкцией давление. Регулировка этого давления производится балансом между давлением на поршень и пружиной J, соответственно, этот баланс может быть настроен путём изменения силы пружины. Регулировочный винт A предназначен именно для этой цели - при его завинчивании происходит сжатие пружины J и, соответственно, повышается давление на выходе из редуктора. Вместо гофрированной мембраны К можно было бы использовать обычное кольцевое уплотнение в желобке между поршнем и корпусом редуктора. Выбор же именно мембраны обусловлен требованием лёгкого перемещения поршня, чего было бы очень трудно добиться в случае кольцевого уплотнения, которое под давлением стало бы сильно тормозить движение поршня и приводить к нестабильности давления на выходе из редуктора. Кроме того, подобное кольцевое уплотнение приведено на схеме в точке С, для герметизации клапана В. Разумеется, это тоже не идёт на пользу стабильности выходного давления редуктора и в идеале надо бы использовать более сложную конструкцию впускного клапана, не следует забывать, что приведённый рисунок всего лишь принципиальная схема, а не исполнительный чертёж. 
Рис. 4
Наши эксперименты показали, что редуктор работает лучше и точнее, если воздух через него протекает относительно медленно, именно поэтому при описании конструкции винтовки GC2 на рис. 3 следует отметить, что воздух проходит но виткам пружины, которая удерживает клапан В в закрытом состоянии. Такое ограничение позволяет гарантировать, что резервуар С будет наполняться достаточно медленно и точно до заданного давления. По той же причине подобный ограничитель на впускном клапане редуктора, изображённого на рис. 4 также улучшит его характеристики.
Видимо, нет нужды говорить, что наличие редуктора приводит к удорожанию винтовки в целом, соответственно, обычно редуктора ставят только в дорогие винтовки, предназначенные для соревнований. Тем не менее, надо отметить, что и винтовки без редуктора при правильном конструировании и настройке выпускного клапана могут выдавать неплохое количество выстрелов с небольшим разбросом скоростей, вполне приемлемым для нужд среднестатистического стрелка. В случае винтовки с редуктором также требуется тщательная регулировка выпускного клапана, закрывающей его пружины, массы ударника и силы его пружины. Дело в том, что с одной стороны, при выстреле должен выходить почти весь воздух из вторичного резервуара, а с другой стороны, при выстреле редуктор тут же начинает наполнять вторичный резервуар но новой, как только давление в нём начинает спадать. Поэтому выпускной клапан должен закрываться очень быстро, не допуская протекания только что поступившего из редуктора воздуха в ствол. Если очень хочется как-нибудь назвать и эту конструкцию, то её стоило бы назвать автоматически перезаправляемой «dump»-системой. Источник: книга G.V.Cardew - "Пневматическое оружие от спускового крючка до мишени"
Перевод: Игорь Рогожкин |
