Автоматическое оружие с кривошипно-шатунным механизмом перезаряжания

Кинематика кривошипно-шатунного механизма перезаряжания
Вышеописанная схема сбалансированной автоматики представляет собой кривошипно-шатунный механизм перезаряжания, включающий одну вращающуюся деталь - кривошип, одну скользящую - затвор и одну качающуюся - шатун. Во время действия давления газов в стволе ведущим элементом автоматики является затвор, в течение остального времени одного цикла перезарядки – кривошип. Автоматика работает по принципу полусвободного затвора с рычажным замедлением.
Скорость движения затвора изменяется по синусоидальному закону в зависимости от угла поворота кривошипа:
- в верхней и нижней мертвых точках, соответствующих 0 и 180 градусам, скорость затвора равна нулю;
- в точках, соответствующих 90 и 270 градусам, скорость затвора максимальна.

Скорость вращения кривошипа в одном цикле перезарядки изменяется  от максимальной, приходящейся на точку производства выстрелов, до минимальной, соответствующей углу поворота кривошипа на 180 градусов. Темп стрельбы оружия с кривошипно-шатунным механизмом перезаряжания в основном определяется массой и радиусом вращения кривошипа, а также точкой производства выстрелов, измеряемой в градусах поворота кривошипа. Дополнительными факторами, влияющими на темп стрельбы, являются масса затвора с шатуном, силы упругости возвратной и боевой пружин, сила трения в системе. Возвратная пружина применяется с целью аккумулирования энергии отдачи и максимального замедления вращения кривошипа в нижней мертвой точке, соответствующей крайнему заднему положению затвора. В этой же точке, после завершения стрельбы производится останов затвора путем его упора в затворную задержку. Накопленная в возвратной пружине энергия возвращается кривошипу при движении затвора вперед. Затраты кинетической энергии кривошипа на взведение боевой пружины и преодоление силы трения в системе компенсируются только за счет силы давления газов, действующей на затвор во время движения пули в стволе.

Вектор силы отдачи включает горизонтальную и вертикальную составляющие. При этом на увеличение кинетической энергии кривошипа оказывает влияние только вертикальная составляющая вектора силы отдачи, направленная по касательной к окружности вращения кривошипа. Горизонтальная составляющая воспринимается неподвижной осью вращения кривошипа. С целью восприятия этой составляющей кривошип, как правило, устанавливается аксиально относительно оси ствола и выполняется в виде осевого шарнира большого диаметра, установленного в кольцевом выступе стенки ствольной коробки. Величина вертикальной составляющей вектора силы отдачи зависит от угла поворота кривошипа относительно верхней мертвой точки в момент производства выстрела, а также от сектора поворота кривошипа за время действия давления газов в стволе.

В кривошипно-шатунном механизме перезаряжания возможна реализация одного из следующих моментов времени производства выстрелов при недоходе кривошипа до верхней мертвой точки и реверсировании его вращения:
- выстрел с последующим поворотом кривошипа на угол, меньший 180 градусов, до точки, соответствующей крайнему заднему положению затвора, ударом затвора о ствольную коробку, обратным движением затвора и кривошипа и т.д. (система Шварцлозе);
- выстрел с последующим поворотом кривошипа на угол, меньший 360 градусов, до второй точки производства выстрелов и т.д. (система Юрченко).

С целью обеспечения безударного режима работы механизма перезаряжания стрельба должна производиться на выкате затвора. В этом случае на стабильность темпа стрельбы существенное влияние будут оказывать эксплуатационный разброс энергетики метательных зарядов и продолжительности срабатывания капсюлей патронов. При недоходе кривошипа до верхней мертвой точки в момент производства выстрелов стабильность темпа стрельбы поддерживается с помощью страхующего упора затвора в ствол в случае недостаточной энергии выстрела следующего патрона для реверсирования вращения кривошипа, превысившего заданную скорость под действием избыточной энергии  выстрела предыдущего патрона. Необходимо отметить, что при реверсировании вращения кривошипа возникает реактивный момент, действующий в продольной плоскости и ухудшающий импульсную диаграмму оружия.

Кривошипно-шатунный механизм обеспечивает плавное изменение скорости движения затвора и безударный останов патрона после досылания его в ствол (предотвращая тем самым распатронивание), а также удлиняет до 1,57 раз эффективное расстояние отката затвора в процессе сжатия им возвратной пружины за счет движения кривошипа по окружности, позволяя тем самым сэкономить на длине и весе ствольной коробки. Это преимущество реализуется только в оружии, выполненном по схеме буллпап со ствольной коробкой в прикладе, высота которого достаточна для размещения кривошипа с относительно большим радиусом вращения.

Модели оружия с кривошипно-шатунным механизмом перезаряжания
В 1891 году австро-венгерский конструктор Эмиль фон Шкода получил патент на скорострельное оружие, автоматика которого была основана на коротком ходе ствола совместно с жестко сцепленным затвором. После расцепления ствола и затвора кинематика движения последнего определялась кривошипно-шатунным механизмом. В 1904 году немецкий конструктор Андреас Шварцлозе получил приоритет на изобретение собственно системы автоматики с неподвижным стволом и полусвободным затвором, замедленным кривошипно-шатунным механизмом. Первым образцом автоматического оружия с кривошипно-шатунным механизмом перезаряжания является пулемет Андреаса Шварцлозе M.07/12 под патрон калибра 8х56 мм, выпускавшийся большими сериями в различных модификациях  с 1905 по 1939 год в Австро-Венгрии, Чехословакии, Голландии и Польше. Автоматика не была сбалансирована и работала в ударном режиме. В составе механизма перезаряжания отсутствовал балансир, одноплечий кривошип двигался в том же направлении, что и затвор. Недостаточная масса кривошипа и удаленность точки производства выстрелов от верхней мертвой точки привели к необходимости сокращения дульной энергии путем уменьшения длины ствола, принудительного смазывания патронов машинным маслом перед выстрелом и увеличения массы затвора. Вес пулемета 20,7 кг, длина ствола 530 мм, темп стрельбы 600-880 выстрелов в минуту в варианте без увеличения массы затвора. Простота конструкции и надежность работы механизма перезаряжания пулемета определили его постановку на вооружение в армиях многих европейских государств.

Вторым образцом автоматического оружия с кривошипно-шатунным механизмом перезаряжания является опытный авиационный пулемет советского конструктора Ю.Ф.Юрченко под патрон калибра 7,62х54 мм, разработанный на Ковровском механическом заводе и испытанный в 1938 году на Ногинском Научно-исследовательском полигоне авиационного вооружения ВВС КА. Автоматика была сбалансированной и работала в безударном режиме. В состав механизма перезаряжания входил кривошип, совершающий оборот на 350 градусов между двумя точками производства выстрелов, каждая из которых отстоит от верхней мертвой точки на 5 градусов.  Выстрелы производились на выкате затвора с последующим реверсированием вращения кривошипа. В случае недостаточной энергетики метательного заряда, большой продолжительности срабатывания капсюля или осечки патрона затвор упирался в ствол, гарантируя стабильный темп стрельбы. При реверсировании вращения кривошипа на корпус оружия передавался реактивный момент. Темп стрельбы составлял 3600 выстрелов в минуту, что обусловило низкую живучесть ствола и механизма перезаряжания – не более 2000 выстрелов. В 1939 году на испытания был передан второй образец пулемета под патрон калибра 12,7х108 мм, вес которого составлял 24 кг, темп стрельбы достиг 2000 выстрелов в минуту. Пулеметы Юрченко не успели передать в производство в связи с началом военных действий и последующим переходом авиации на пушечное вооружение.

Третьим образцом автоматического оружия с механизмом перезаряжания, близким по конструкции к кривошипно-шатунному, является опытный пулемет немецкого конструктора Виктора Барнитцке под патрон калибра 7,92х57 мм, разработанный в 1942 году на фирме Gustloff Werke. Автоматика была сбалансированной, механизм перезаряжания работал в безударном режиме. В состав механизма перезаряжания входили два маховика, вращающиеся в противоположных направлениях. Оси вращения маховиков не совпадали между собой и с плоскостью оси ствола. Привод маховиков осуществлялся с помощью реечно-шестеренчатой передачи. В связи с быстрым выкрашиванием зубьев передачи пулемет не был принят на вооружение.

Четвертым образцом автоматического оружия с кривошипно-шатунным механизмом перезаряжания является авиационная пушка АО-7 (ТКБ-513) под патрон калибра 23х152 мм советских конструкторов В.П.Грязева, А.Г.Шипунова и Д.И.Ширяева, разработанная в 1953 году в Подольском НИИ-61 и доведенная до стадии серийного производства в 1958 году в Тульском ЦКБ-14. Автоматика была сбалансированной, работала в безударном режиме и соответствовала системе Юрченко. Плечо кривошипа в процессе поворота скользило по копирному пазу в ствольной коробке, изменяя свою длину. Вес пушки равнялся 56 кг. Темп стрельбы составлял 2300 выстрелов минуту. Кинематика механизма перезаряжания обеспечивала минимальные ускорения в процессах досылания патронов в ствол и извлечения стреляных гильз. Температурный режим ствола был повышенный. Производство пушки было отложено в связи с освоением ракетного оружия. В дальнейшем пушка не была принята на вооружение в связи с переходом авиации к многоствольным системам с пониженным температурным режимом стволов.

Пятым образцом автоматического оружия с механизмом перезаряжания, близким по конструкции к кривошипно-шатунному, является пистолет-пулемет MGD/ERMA PM9 под патрон калибра 9х19 мм французского конструктора Луи Дебюи, разработанный на фирме Etablissements Merlin & Gerin и выпускавшийся малыми сериями в 1954-55 годах французской компанией MGD и немецкой компанией ERMA.  Автоматика была несбалансированной, работала в ударном режиме и соответствовала системе Шварцлозе. Единственный маховик, расположенный ассиметрично и дезаксиально в ствольной коробке, приводится во вращение с помощью кулисной передачи с реверсированием вращения в крайних положениях затвора. Возвратная пружина кручения была размещена во внутренней полости маховика. Вес пистолета-пулемета 2,53 кг, длина ствола 213 мм, масса маховично-кулисного механизма 630 грамм, темп стрельбы 750 выстрелов в минуту. Ассиметричное и дезаксиальное размещение маховика в ствольной коробке обуславливало наличие отклоняющего и подбрасывающего моментов в составе импульсной диаграммы за счет несовпадения горизонтальной составляющей вектора силы отдачи с плоскостью вращения кривошипа. При реверсировании вращения маховика на корпус оружия передавался реактивный момент. В связи с отсутствием спроса производство пистолета-пулемета было прекращено.

Шестым образцом автоматического оружия с кривошипно-шатунным механизмом перезаряжания является опытный пистолет-пулемет немецкого конструктора Анатоля Гёрцена под патрон калибра 9х19 мм, разработанный в инициативном порядке в 1990-х годах. Автоматика является сбалансированной, работает в безударном режиме и соответствует  системе Юрченко. Конструкция механизма перезаряжания имеет следующие отличия: кривошип установлен дезаксиально относительно оси ствола; возвратная пружина после производства первого выстрела отключается от затвора, после этого аккумулирование энергии отдачи осуществляется лишь за счет реверсирования и прироста скорости вращения кривошипа. Все пистолета-пулемета 2,4 кг, общая масса затвора, шатуна и кривошипа 230 грамм,  длина ствола 230 мм, длина шатуна 56 мм, диаметр кривошипа 54 мм, радиус вращения кривошипа 20 мм, темп стрельбы свыше 2000 выстрелов в минуту. Импульсная диаграмма ухудшена за счет подбрасывающего момента, обусловленного дезаксиальным расположением кривошипа. При реверсировании вращения кривошипа на корпус оружия передается реактивный момент. Высокий темп стрельбы, неприемлемый для индивидуального автоматического оружия, обусловлен заниженной массой кривошипа, отказом от использования возвратной пружины во время стрельбы и большой удаленностью точки производства выстрелов от верхней мертвой точки вращения кривошипа.