Aseballistiikka - luodin lentorata

Yleistä

Ballistiikka on lentävien kappaleiden liikeratoja tutkiva dynamiikan sovellettu tiede. Itse sana ballistiikka tulee kreikan kielen sanasta ba’llein, joka tarkoittaa heittämistä.

Laukaistaessa ampuma-ase, lähtee luoti aseen piipusta suurella nopeudella, pyörien samanaikaisesti pituusakselinsa ympäri. Luodin ballistiseen lentorataan vaikuttavat sen lennon aikana seuraavat tekijät; luodin muoto, nopeus, maan vetovoima, ilmanvastus, sää (tuuli, ilman paine, ilman kosteus jne.), sekä useita luodin lentorataan vaikuttavia muita voimia ja momentteja. Jopa maapallon pyörimisliikkeellä on oma vaikutuksensa luodin ballistiseen lentorataan.

Aseballistiikka

Aseballistiikan avulla pyritään selvittämään lentävän kappaleen käyttäytymistä lentoradalla. Aseballistiikka jakautuu seuraaviin alaluokkiin; sisä-, väli-, ulko- ja maaliballistiikka.

1. Sisäballistiikka

Sisäballistiikka tutkii aseen piipun sisällä tapahtuvia ilmiöitä. Sen avulla selvitetään ruudin palamista ja paineen muodostumista, luodin irtoamista hylsystä, sen pyörimisliikettä ja nopeutta piipun sisällä kiihtyvyys- ja nopeussuureineen. Teoreettisesti tarkasteltuna kyse on siis huomattavan monimutkaisesta asiasta.

Syttymisvaiheella tarkoitetaan tilannetta, jolloin aseen iskuri iskee nalliin ja sytyttää näin aloiteräjähdysaineen. Nalli siis sytyttää hylsyn sisällä olevan ruudin (ajopanoksen). Palavan ruudin ja hapen reagoidessa keskenään syntyy lämpöä ja kova kaasun paine, joka puolestaan saa luodin irtoamaan hylsystä.

Luoti etenee hylsystä irtoamisen jälkeen aseen piipussa. Sitä työntää eteenpäin aluksi kasvava ruutikaasun paine, joka pian alkaa laskea. Hylsyyn sijoitetun ruudin (ajopanoksen) määrä pyritään mitoittamaan niin, että se ehtii palaa loppuun ennen kuin luoti jättää piipun. Mikäli ruutia on liikaa, se ei ehdi palaa loppuun luodin piippuvaiheen aikana ja se aiheuttaa voimakkaan suuliekin. Suuliekki puolestaan voi heikentää tuntuvastikin luodin lentovakavuutta.

Luodin ns. piippuvaihe kestää noin 1–3 millisekuntia, jonka aikana luoti saa noin 300–1200 m/s nopeuden. Ruudin palamisenergiasta kuluu luodin liike-energian aikaansaamiseen n. 30 % ja ruudin palamisen sekä piipun ja luodin lämpöhäviöihin n. 60 %. Itse lataavassa aseessa kuluu osa panoksen palamisenergiasta vielä liikkuvien osien rekyylitoimintaan.

Luodin nopeuteen ns. piippuvaiheen aikana vaikuttavat; ruutikaasun paine (ruutimäärä, palonopeus ja ruudin muoto), luodin paino ja pituus, piipun rihlauksen muoto ja nousu, piipun rihlojen aiheuttama kiertoliikkeen vastus, kitka piipun rihlan ja luodin vaipan kosketuspinnassa. Nämä tekijät yhdessä määräävät luodin alkunopeuden (Vo) piipun suulla. » lue lisää: Ampuma-aseen piippu

2. Väliballistiikka

Väliballistiikaksi kutsutaan ajallisesti hyvin lyhyttä aluetta, joka on luodin jättäessä aseen piipun. Kuitenkin tänä lyhyenä aikana tapahtuu paljon sellaisia asioita, joilla on erittäin suuri vaikutus luodin osumatarkkuuteen.

Ennen kuin luoti tulee ulos aseen piipusta, tulee sieltä ulos hyvin suurella nopeudella erilaisia partikkeleita, savua, kaasuja ja palamattomia ruutihiukkasia. Näiden partikkeleiden nopeus hidastuu nopeasti ja luoti tunkeutuu niiden lävitse. Kaasuvirtaus on normaalisti symmetrisesti luodin ympärillä, mutta jos luodin perässä on lommoja tai piipun suussa sisäpinnalla vaurioita, on kaasumolekyylien nopeus ja samalla luotia poikkeuttava voima huomattavasti suurempi lommojen puolen luotia.

Kun piippuballistinen osuus alkaa olla ohi ja luoti on jättämässä piipun, on tärkeässä asemassa piipun kruunaus. On erittäin tärkeää, että luotia piipusta ulos työntävät ruutikaasut purkautuvat piipun jättävän luodin perässä symmetrisesti. Jos ruutikaasujen paine purkautuu epätasaisesti, voi ne työntää luodin ei toivottuun asentoon jo heti piippuvaiheen lopuksi. Tällöin luoti ei vakavoidu ballistiselle lentoradalleen toivotulla tavalla.

Luodin stabiliteetti

Luoti on yleensä staattisesti epästabiili. Sen liikerata voidaan vakavoida piipun rihlojen avulla. Piipun sisäpinnan rihlapalkit pakottavat luodin pyörimään oman akselinsa ympäri. Pyörimisliikkeen nopeus puolestaan riippuu aseen rihlanoususta ja luodin nopeudesta. Kun pyörimisnopeus on oikea, luoti lentää seuraten lentoratansa tangenttia. » lue lisää: Piippujen rihlaustavat

3. Ulkoballistiikka

Ulkoballistiikassa selvitellään luodin käyttäytymistä sen ballistisella lentoradalla ennen osumistaan maaliin.

Ilmanvastus

Ilmanvastuksella tarkoitetaan luodin liikettä vastustavaa voimaa, joka muodostuu luodin pinnan ja ilman välisestä vuorovaikutuksesta. Luodin lentäessä ilmassa se törmää jatkuvasti ilmamolekyyleihin, jotka aiheuttavat vastustavan voiman. Vastustavan voiman suuruus riippuu luodin muodosta ja nopeudesta. Lentonsa aikana luoti aiheuttaa ilmaan eräänlaisia shokkiaaltoja. Shokkiaaltorintaman taakse ja luodin perään jää pyörteinen alue.

Liikkuessaan eteenpäin luoti työntää ilman syrjään lentoratansa tieltä jolloin sen taakse syntyy tyhjiö. Pyörteet syntyvät ilman virtauksesta muodostuneeseen tyhjiöön. Aerodynaamisesti edullisin luodin kärkimuoto on terävä suippokärki ja peränmuotona kartio (Boat Tail). Alle äänennopeuden (330 m/s) lentävällä luodilla perän pyörrevirtaukset muodostavat suuremman vastuksen kuin kärjen vastus. Nopeusalueella 330 – 1200 m/s liikkuvan luodin kärkimuoto vaikuttaa ilmanvastukseen peränmuotoa enemmän.

Ballistinen kerroin

Ballistinen kerroin (BC = Ballistic Coefficient) ilmaisee luodin kykyä edetä ilmassa. Mitä aerodynaamisempi on luodin muoto, sitä vähemmän on ilmanvastusta ja sitä suorempi on luodin lentorata. Mitä suurempi on luodin ballistinen kerroin (lukuarvo) sitä suorempi eli laakeampi on sen lentorata.

Maanvetovoima

Maanvetovoima, painovoima eli gravitaatio on ilmiö, joka saa kaikki massalliset kappaleet vetämään toisiaan puoleensa. Luodin lentoradalla, suurin vetovoima on suuren massan omaavan maanvetovoima, joka pyrkii vetämään ilmassa lentävän luodin maahan. Gravitaatiovakio, jonka jo vuonna 1687 Isaac Newton julkaisi gravitaatiolaissaan, on 9,81 m/s2. Tämä on siis maan pinnalla vaikuttava painovoiman kiihtyvyys, ilmoitettuna mittayksikössä.

Hyrrävoima

Hyrrävoima syntyy, kun luoti pyörii hyvin nopeasti akselinsa ympäri. Jos luodin pyörimisnopeus on tarpeeksi suuri, hyrrävoima pitää sen kärjen suunnan koko ajan samana. Kun ilmanvastus vaikuttaa luotiin, se pyrkii muuttamaan luodin suuntaa. Täten luoti liikkuu suoraan tätä voimaa vastaan aiheuttaen kiertoliikkeen.

Presessio (Prekessio)

Presessio tarkoittaa pyörimisakselin kiertymistä. Luodin poiketessa hieman suunnastaan, vastusvoimien suunta muuttuu. Kun näitä suuntamuutoksia on koko ajan, alkaa luodin kärki pyöriä akselinsa ympäri. Tätä liikettä kutsutaan presessioksi.

Nutaatio

Presessiosta voidaan erottaa nopeampi liike, jota kutsutaan nutaatioksi. Nutaation vastusvoima on suurempi johtuen ilman vastuksesta, sillä luoti lentää akselinsa suuntaisesti vain keskimääräisesti. Nutaatio on käytännössä akselinsa ympäri pyörivän, rotaatiovakautetun luodin, vähäistä, mutta samalla epäsäännöllistä liikettä. Ilmiön keksi englantilainen James Bradley vuonna 1728.

Hyrräpoikkeama (spin movement)

Hyrrävoimaksi nimitetään mekaniikan ilmiötä, jonka mukaan nopeasti pyörivä hyrrä pyrkii vastustamaan akselin asentoon kohdistuvia muutoksia. Aseballistiikassa hyrrävoima pyrkii vaikuttamaan luodin lentoasentoon. Hyrräpoikkeama kasvaa luodin lentomatkan kasvaessa hyvin nopeasti johtuen presessiosta ja nutaatiosta. Jos aseen piipussa on oikeakätiset rihlat, on liikkeen suunta myös oikealle.

Magnus-efekti

Magnus-efekti syntyy, kun luoti pyöriessään akselinsa ympäri ottaa joitain ilmamolekyylejä mukaansa. Mukaan lähteneet ilmamolekyylit aiheuttavat sen, että ilmanpaine on suurempi luodin oikealla puolella jos pyörimissuunta on oikealle (eli oikealle kiertyvä piipun rihlaus). Luoti siis liikkuu vasemmalle, koska siellä on pienempi ilmanvastus.

Poisson-efekti

Poisson-efekti syntyy kun luoti on miltei koko lentomatkansa ajan oman lentoratansa tangentin yläpuolella. Kun luoti pyörii tämän "ilmapatjan" päällä, niin kitka aiheuttaa sen siirtymisen oikealle, jos luodin pyörimisnopeus on oikealle.

4. Maaliballistiikka

Maaliballistiikassa tarkastellaan tapahtumia, jolloin luoti osuu maaliin ja lopulta pysähtyy. Maaliballistiikan avulla voidaan valita haluttuun käyttötarkoitukseen sopiva luoti, jolla on toivottu iskuenergia, tunkeutuvuus, sirpaloituminen jne.

Luodin nopeuden mittaaminen

Benjamin Robins kehitti vuonna 1742 yksinkertaisen laitteen luodin nopeuden määrittelemisen. Laitetta kutsutaan ballistiseksi heiluriksi. Heiluri on esimerkiksi hiekalla täytetty laatikko tai puupölkky, joka riippuu vaakasuorassa asennossa köysien varassa. Luoti ammutaan vaakasuorassa suunnassa levossa olevaan laatikkoon tai puupölkkyyn, jonka massa tunnetaan. Luodin osumien seurauksena suuri heilurikappale (laatikko ja puupölkky) heilahtaa ja sen painopisteen nousu mitataan.

Yksinkertaisin tapa mitata luodin nopeus on käyttää nykyaikaista luodin nopeusmittaria.

Huom!

Aseballistiikka ja luodin lentorataan vaikuttavat tekijät ovat erittäin laaja ja monimutkainen kokonaisuus. Asiasta on kirjoitettu useita erittäin valaisevia teoksia. Tässä artikkelissa asiaa valotetaan lyhyesti ja yleisluontoisesti.